close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Виброрезонансная технология очистки промышленных сточных вод

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ИВАНОВ МИХАИЛ ВИТАЛЬЕВИЧ
ВИБРОРЕЗОНАНСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
03.02.08 – Экология (в химии и нефтехимии)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва - 2018
Работа выполнена на кафедре экологии и промышленной безопасности
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э.
Баумана» (национальный исследовательский университет) и на кафедре промышленной
экологии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа
(национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина"
Официальные оппоненты: – доктор технических наук, доцент
Шайхиев Ильдар Гильманович,
заведующий кафедрой «Инженерной экологии» ФГБОУ ВО
«Казанского национального исследовательского
технологического университета»
доктор технических наук, профессор
Промтов Максим Александрович,
профессор кафедры «Технологические процессы, аппараты
и техносферная безопасность» ФГБОУ ВО «Тамбовский
государственный технический университет»
доктор химических наук, профессор,
Никифоров Александр Федорович
Профессор кафедры Водного хозяйства и технологии воды
ФГБАО ВО «Уральского федерального университета имени
первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный
нефтяной технический университет»
Защита состоится «30» октября 2018 года в 10 час. 00 мин. в ауд. 202 на заседании
диссертационного совета Д 212.200.12 при ФГБОУ ВО "РГУ нефти и газа (НИУ) имени
И.М. Губкина" по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65, корп. 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО "РГУ нефти и газа
(НИУ) имени И.М. Губкина" и на сайте http://gubkin.ru
Автореферат разослан «____» _____________ 2018 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор химических наук, доцент
Л.В. Иванова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
В настоящее время с активным ростом нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей
промышленности остро стоят вопросы переработки отходов, как твердых, так и жидких,
особенно в области очистки нефтесодержащих сточных вод. Это связано с тем, что большое
количество сточной воды сбрасывается в поверхностные водные объекты без очистки, либо
недостаточно очищенными. Согласно государственным докладам о состоянии и об охране
окружающей среды за 2006-2015 гг., а также Указу Президента РФ от 19.04.2017 №176 «О
Стратегии экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года», их
доля в общем объеме сбрасываемых сточных вод достигает 89%. Актуальна
высокоэффективная очистка сточных вод, содержащих гидрофобные загрязнения,
получаемых от роста в стране промышленности, в том числе, производств нефтехимической
отрасли, автотранспортного хозяйства и от прочих источников.
Использование трудно доступных технологий и сложных в обслуживании аппаратов
для очистки сточных вод позволяют добиться требуемой степени очистки, однако стоимость
такой очистки в большинстве случаев слишком высока, поэтому большинство предприятий
выбирают более простые, но менее эффективные решения, что приводит к сбросу в водоемы
воды не соответствующей нормативам. В этой связи важнейшее значение имеет развитие и
разработка новых способов и устройств для повышения эффективности очистки
производственных сточных вод широко распространенными способами, такими как
флотация, реагентная обработка, озонирование и обеззараживание.
Одним из наименее изученных в области очистки сточных вод и, по нашему мнению,
перспективных методов является использование вибрационного воздействия на процессы
водоочистки. Как показали результаты предварительных исследований, метод
вибрационного воздействия может использоваться комплексно для физико-химических и
химических методов очистки, используемых на различных стадиях очистки сточных вод,
загрязненных гидрофобными загрязнениями, и представляет важную научно-практическую
задачу.
Данная работа является развитием относительно новой науки – физико-химической
гидродинамикой, созданной и всесторонне развитой академиком СССР Кутеповым А.М.,
член-корреспондентом АН СССР Левичем В.Г. и их научными школами. Изучение их
передового опыта по исследованию процессов, протекающих в газожидкостных химических
реакторах, и в частности в оборудовании для очистки сточных вод, позволило
переосмыслить способы применения вибрации для интенсификации данных процессов,
описанные академиком СССР Ребиндером П.А., проф. Михайловым Н.В., Членовым В.А и
предложить использование синергетического эффекта резонансного виброакустического
воздействия, при котором химизм обуславливается не только химическими процессами, но
также и мелкомасштабным турбулентным переносом в аппаратах очистки.
Проведенные исследования базировались на трудах ведущих ученых в области
теоретических и экспериментальных методов исследования процессов и аппаратов
разделения неоднородных систем, в частности, Адельшина А. Б., Баранова Д. А.,
Белоглазова К. Ф., Бирюкова В. В., Блехмана И. И., Ганеева Р.Ф., Мещерякова С.В.,
Ксенофонтова Б.С., Классена В.И., Гонопольского А.М., Кубенко В.Д., Мещерякова Н. Ф.,
Рубинштейна Ю. Б., Рулева Н. Н., Лапидуса А.Л., Яковлева С. В. и целого ряда других
3
ученых. При этом изучался не только отечественный, но и мировой опыт в данной области,
и анализировались наработки компаний Wemco, Bruel & Kjaer и др.
Цель работы:
Повышение экологической эффективности очистки сточных вод путем комплексного
использования виброакустических воздействий для интенсификации химических и физикохимических технологий очистки сточных вод от различных гидрофобных загрязнений, в т.ч.
нефтепродуктов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. исследование виброакустической интенсификации флотационной технологии очистки
нефтесодержащих сточных вод;
2. разработка гидроакустического метода определения качественно-количественного
состава газовоздушной смеси в сточной воде для контроля и оптимизации процессов во
флотационных аппаратах;
3. исследование виброакустического воздействия на раствор реагентов в воде и разработка
технологических режимов вибровоздействия;
4. исследование виброакустического способа и разработка технологии виброакустической
интенсификации озонирования сточной воды;
5. исследование виброакустического способа и разработка технологии виброакустического
обеззараживания сточной воды;
6. промышленная апробация и внедрение разработанных методов интенсификации
процессов очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием виброакустического
воздействия;
7. оценка экологической и экономической эффективности комплексного использования
разработанных методов виброакустических воздействий на очистку сточных вод.
Методы исследования: аналитическое обобщение известных научных и технических
результатов, натурные исследования, обработка экспериментальных данных методами
математической статистики, корреляционного и регрессивного анализа с применением
ЭВМ, лабораторные и опытно-промышленные исследования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована
планированием необходимого объема экспериментов, построением математической модели
эксперимента,
удовлетворительной
сходимостью
полученных
результатов
экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных
условиях, использованием современных аттестованных средств измерений показателей. При
этом экспериментальные данные, полученные на модельных установках, соответствуют
результатам испытания опытных установок.
Научная новизна:
1. Впервые разработана и предложена комплексная виброакустическая технология
интенсификации очистки сточной воды, в т.ч. от нефтепродуктов, основанная на
резонансных эффектах в аппаратах, позволяющая повысить экологическую
эффективность очистки путем снижения нагрузки на очистные сооружения физикохимических и химических методов очистки, используемых на различных этапах:
флотация, реагентная очистка, озонирование, обеззараживание.
2. Впервые комплексно описан процесс виброфлотации на основе многостадийной модели
для различных видов загрязнений с учетом явлений диспергирования пузырьков
4
3.
4.
5.
6.
7.
8.
1.
2.
воздуха, учитывающий основные факторы, действующие на флотацию, и основные
процессы, проходящие во время флотации.
Предложена и обоснована технология вибровоздействия на резонансных режимах на
пневматический аэратор для интенсификации флотационной очистки воды, изменяя
режим его работы за счет диспергирования пузырьков воздуха (виброфлотация),
позволяющая повысить эффективность очистки на 20-30%. На основании модели
процесса многостадийной виброфлотации разработана и апробирована методика расчета
виброфлотомашины.
Впервые решена задача идентификации пузырьков воздуха в воде методом анализа
независимых компонентов каскадными алгоритмами (с использованием нелинейного
адаптивного фильтра Калмана, снабженного методом группового учета аргументов, а
также скалярного адаптивного алгоритма оценивания и алгоритма самоорганизации с
резервированием трендов) для оценки состава газовоздушной смеси в сточной воде.
Впервые разработан оригинальный гидроакустический метод определения качественноколичественного состава газовоздушной смеси в сточной воде, позволяющий управлять
процессом виброфлотации в реальном времени и осуществлять корректировку режима
виброфлотации при его нарушении.
Установлены резонансные эффекты при виброакустическом воздействии на раствор
реагентов в воде на стадиях подготовки раствора реагентов и на стадии реагентной
очистки (коагуляция и флокуляция). На их основе предложены оптимальные режимы и
технологии вибровоздействия при перемешивании реагентов и при коагуляции и
флотации, позволяющие сократить время подготовки реагентов на 30% и снизить
содержание реагентов в очищаемой воде до 8 раз.
Показано влияние вибрации на процессы озонирования органических соединений
нефтепродуктов при вибровоздействии на частотах, характерных резонансам водного
столба жидкости. Установлены зависимости эффективности окисления органических
соединений при виброозонировании от уровня виброускорения, длительности
обработки, интенсивности озонирования и частоты вибрации. Разработана и
апробирована при проектировании методика расчета аппаратов для виброозонирования,
позволяющая повысить эффективность окисления нефтепродуктов озоном до 2 раз по
сравнению с озонированием без вибрации.
Установлено, что при вибровоздействии на резонансных режимах эффективность
обеззараживания достигает 90%, а дополнительное наложение ультрафиолетового
воздействия позволяет повысить экологическую эффективность обеззараживания.
Разработана и апробирована при проектировании методика расчета установки для
обеззараживания методом виброакустической и УФ-обработки.
Практическое значение работы:
Комплексное виброакустическое воздействие на процессы очистки воды позволяет
повысить эффективность физико-химической и химической технологий очистки
сточных вод, снизить затраты на очистку воды и уменьшить нагрузку на сброс сточной
воды в окружающую среду.
Разработана и защищена патентами РФ на полезную модель оригинальная
виброфлотомашина с активной системой управления режимами истечения воздуха из
аэратора.
5
3. Создана и зарегистрирована программа для ЭВМ «Флотоконтроль 1.0» для
идентификации состава газовоздушной смеси во флотационных аппаратах.
4. Разработана технология виброфлотации и защищена патентом РФ на полезную модель,
заключающаяся в мониторинге качественно-количественного состава газовоздушной
смеси в сточной воде и управлении режимом пневматической аэрации в виброфлотаторе
изменением режима вибрации аэратора.
5. Разработаны и апробированы при проектировании методики расчета аппаратов для
виброперемешивания воды с реагентами, виброозонирования сточных вод и
комбинированного УФ- и виброакустического обеззараживания сточных вод.
6. Разработанные технологии вибрационной интенсификации процессов физикохимической и химической очистки сточных вод позволяют снизить расход и остаточное
содержание реагентов в очищенной воде до 8 раз.
Положения, выносимые на защиту:
1. Научно-обоснованные технологии по использованию резонансного виброакустического
воздействия на флотационный процесс очистки нефтесодержащих сточных вод, на
процессы реагентной обработки, озонирования и обеззараживания сточной воды.
2. Разработанная модель многостадийного процесса виброфлотации с учетом
диспергирования пузырьков воздуха, позволяющая определить время виброфлотации.
3. Комплексное описание процесса определения качественно-количественного состава
газовоздушной смеси в сточной воде гидроакустическим методом и разработанный на
его основе алгоритм разделения измеренного результирующего акустического сигнала
на составляющие, соответствующие характерному шуму пузырьков воздуха в воде
определенного типоразмера.
4. Методика расчета аппарата для виброакустической подготовки раствора реагентов.
5. Методика расчета аппарата для виброозонирования сточной воды.
6. Методика расчета для обеззараживания воды методом виброакустической и УФ
обработки.
Апробация и публикации результатов работы.
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной
выставке и конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2010, на заседании
круглого стола в рамках «Неделя горняка - 2012», Международной конференции
"Водоснабжение и водоотведение населенных мест", 2014 г., симпозиуме по защите
окружающей среды в Университете Тунцзы в рамках ассоциации технических
университетов России и Китая, международном водном форуме «Вода: экология и
технология» ЭКВАТЭК-2016, Всероссийском водном конгрессе «Водные ресурсы России
для обеспечения устойчивого развития страны, экологической безопасности и здоровья
населения 2017», на конференциях в университете г. Генуи, Италия и университете
Миддлсекс, Великобритания.
По теме диссертационной работы опубликовано 27 научных статьи, в том числе в
изданиях, рекомендованных ВАК – 17 работ; получено два патента на полезную модель,
зарегистрирована программа для ЭВМ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация изложена на 321 странице основного текста, включает 32 таблицы, 132
рисунка и состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка, состоящего из
202 наименований и 6 приложений. В приложении представлены копии документов
6
экспериментальных исследований, подтверждающие достоверность результатов работы и ее
практическую значимость.
Благодарности
Автор приносит благодарность научным консультантам д-ру техн. наук, проф. Б.С.
Ксенофонтову, д-ру техн. наук, проф. А.А. Александрову за оказанную помощь в работе.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выполненной работы, изложены научные
положения и результаты исследований, выносимые на защиту, сформулированы
практическая значимость и научная новизна
работы.
В
первой
главе
описываются
существующие наиболее распространенные
технологические схемы для очистки сточных
вод,
а
также
приводятся
примеры
интенсификации процессов очистки на Рис. 1. Схема комплексного вибровоздействия
отдельных этапах технологических схем, на различные стадии очистки воды. СВ –
показываются способы нахождения резонанса сточная вода, ОВ – очищенная вода, 1 –
предварительная реагентная обработка, 2 –
столба
жидкости.
В
рамках
данной стадия флотационной очистки, 3 – стадия
диссертационной работы рассматривается доочистки, 4 – стадия обеззараживания
комплексное воздействие вибрации на
резонансных режимах на процессы различных
этапов технологической схемы очистки
сточных вод (рис. 1).
Его суть заключается в том, что с
помощью вибровоздействия на резонансных
частотах осуществляется интенсификация
предварительной
реагентной
обработки
сточной воды, флотационной очистки и
процессов на стадиях доочистки за счет
создания мелкомасштабной шлихтинговской Рис. 2. Схема модели флотации с учетом
турбулентности,
которая
приводит
к вибродиспергирования пузырьков воздуха.
увеличению фронта химической реакции и, А – исходное состояние: частица загрязнения
как следствие к увеличению скорости и пузырек воздуха отделены друг от друга; В и
С – стадия диспергирования пузырей воздуха
растворения веществ и прохождения прочих и образования флотокомплексов частичкахимических
реакций.
Показано,
что пузырек;
D
–
стадия
всплытия
вибровоздействие наиболее эффективно при флотокомплексов и образования пенного слоя.
очистке
сточных
вод,
содержащих Кi - константы переходов из одного состояния
в другое
гидрофобные загрязнения, преимущественно
процессами на основе пневматической аэрации. Основные методы вибровоздействия и
полученные результаты рассматриваются в следующих главах данной работы.
Во второй главе описываются научные основы вибрационной пневматической
флотации, приводятся основы способа, математическая модель виброфлотационной очистки
и результаты проектирования опытно-промышленной установки для виброфлотации.
Показано, что одним из главных эффектов резонансного виброакустического воздействия на
7
процесс флотационной очистки является диспергирование пузырьков воздуха, что позволяет
значительно увеличить эффективность флотации путем повышения вероятности
образования флотокомплекса «частица загрязнения – пузырек воздуха». С учетом данного
процесса была разработана математическая модель виброфлотации.
Схема модели представлена на рис. 2. Суть процессов сводится к тому, что пузырек
воздуха (стадия А) под воздействием вибрации диспергируется на два меньших по размеру,
образует флотокомплексы с частицами загрязнений (стадии В и С), которые затем
всплывают в пенный слой (стадия D). Кроме того, может иметь место непосредственное
попадание частиц загрязнения в пенный слой без образования флотокомплексов или,
наоборот, их выпадение.
Данная модель описывается системой дифференциальных уравнений (1).
(1)
Для каждого из переходов имеют место свои соответствующие константы, входящие в
систему дифференциальных уравнений (1). Каждая константа имеет тот или иной
физический смысл, определяющий процессы, происходящие при переходе из одной стадии в
другую и рассчитываются по следующим формулам:
• Константы К1 и К3, характеризуют скорость образования комплексов частица-пузырек
и определяются по формуле: K1 = K 3 =
1.5qE
[1/c], где q – скорость барботирования, [м3/м2с];
k0 Def
Е – эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком газа при флотации, %; Def эффективный диаметр пузырьков во
флотационной ячейке, [м], k0 –
фактор
полидисперсности
пузырьков.
• Вероятность
разрушения
образовавшихся флотокомплексов
характеризуется
константами
dM 2
K 2 = K 4 = nρν G
EN
m
P
,
где
n
–
концентрация
флотокомплексов
частица-пузырек,
[1/м3];
ρ
–
3
плотность жидкости, [кг/м ]; ν –
кинематическая вязкость суспензии,
[м2/с]; G – градиент скорости, [1/с];
р, m – коэффициенты (1≤р≤2; m= ⅔);
d – диаметр частицы твердой фазы,
Рис. 3. Кинетические зависимости вибро-флотационного
процесса (изменение концентраций С в стадиях А, B, C и D
во времени t).
8
[м]; М – отношение диаметра частицы к диаметру пузырька; Е – эффективность захвата
частиц всплывающим пузырьком газа; N – параметр, характеризующий прочность связи
между частицей и пузырьком газа.
• Константы К5 и К7 характеризуют скорость перехода образовавшихся
флотокомплексов частица-пузырек в пенный слой и определяются по формуле:
K5 = K7 =
υp
, где υp – скорость подъема флотокомплекса, [м/с]; h – расстояние от зоны
h
аэрации до пенного слоя (глубина флотокамеры), [м].
• Константы К6 и К8 характеризуют выпадение флотокомплексов из пенного слоя при
условии его мгновенного удаления и могут быть определены как: K 6 = K8 =
υ oc
, где υос h
скорость осаждения частиц твердой фазы,
выпадающих из пенного слоя, как
правило, может рассчитываться по
формуле Стокса, [м/с].
• Константа
К9
характеризует
осаждение частиц твердой фазы из
пенного слоя в зону аэрации и может
быть найдена по формуле: K 9 =
υ o. f .
, где
h
υоf - скорость подъема объединенного
флотокомплекса, [м/с], h – глубина
флотокамеры, [м].
• Константа
К10
характеризует
вероятность перехода частиц твердой
фазы из жидкости в пену без образования
4Gαφ
флотокомплекса K10 =
, где G 3π
эффективный
градиент
сдвига
Рис. 4. Схема лабораторной установки для
исследования процессов, происходящих во время
виброфлотации (схема А).
1 – генератор, 2, 13 – предварительный усилитель, 3 –
отрицательная обратная связь, 4 – колонна, 5 –
свободная поверхность жидкости, 6 – гидрофон, 7 –
видеокамера, 8 – усилитель, 9 – акселерометр, 10 –
аэратор, 11 – вибростенд, 12 – компрессор, 14 –
анализатор реального времени, 15 – компьютер.
гидродинамического поля [1/c]: G = qg /n , g –
ускорение свободного падения [м/с2]; ν кинематическая вязкость жидкости [м2/с]; q –
скорость барботажа, [м/с]; α - эффективность
коалесценции [%]; φ- объемная доля газовой фазы
[%].
Решение данной системы уравнений при
известных константах переходов Кi позволит найти
изменение концентраций С в стадиях А, B, C и D во Рис. 5. Фотография лабораторной
времени t. Графическое представление решения установки для исследования процессов,
численными методами данной системы уравнений происходящих во время флотации
(схема В)
показано на рис. 3.
Для выбора и оптимизации режима вибровоздействия и для изучения процессов,
происходящих во время виброфлотации, таких как истечение воздуха из аэратора,
9
диспергирование пузырьков воздуха, а также всплытие образовавшихся флотокомплексов в
пенный слой, была разработана лабораторная установка.
Вибрационное воздействие на объект исследования передавалось несколькими
способами:
• Колонна в сборе с аэратором закреплялась непосредственно на вибростенде. (схема А).
• Вибрационное воздействие передавалось только на аэратор с помощью тяги,
соединяющей аэратор с вибростендом. Колонна оставалась неподвижной. (Схема В).
Лабораторная установка, собранная по схеме А показана на рис. 4. Она состояла из
колонны диаметром 50 мм, изготовленной из стеклопластика, которая заполнялась
жидкостью. Уровень заполнения жидкости составлял 3…5 диаметров колонны. В колонне
закреплялись аэраторы различной конструкции и типа для подачи пузырьков воздуха
заданного размера. В аэратор с помощью компрессора через расширительный бак подавался
воздух. Вибрационное воздействие на объект исследования осуществлялось с помощью
вибростенда. Сигнал имел синусоидальную форму и мог регулироваться как по амплитуде,
так и по частоте в пределах от 20 Гц до 2000 Гц. В заполненную водой колонну погружался
гидрофон, сигнал с которого подавался на узкополосный анализатор реального времени.
Для визуальной регистрации и контроля процессов в корпусе колонны закреплялась фотовидеокамера высокого разрешения с макрообъективом. Лабораторная установка, собранная
по схеме В, показана на рис. 5.
В ходе проведения
экспериментов,
было
установлено,
что
в
зависимости
от
уровня
виброускорения и частоты
колебаний поведение газовой
фазы может значительно
изменяться, в частности,
Рис. 6. Амплитудно-частотный спектр колонны пустой (черный)
происходит диспергирование
и с жидкостью (серый).
пузырьков воздуха. Было
предположено, что частота, на которой имеет место эффект, является резонансной частотой
флотационной колонны. В таком случае, значения частот и уровней вибровоздействия могут
быть выбраны однозначно. Для этого был определен амплитудно-частотный спектр
заданной конфигурации колонны, представленный на рис. 6, на котором черным цветом
показан уровень виброускорения задающего канала, а цветом - отклик, то есть показания
гидрофона. Для анализа спектров необходимо выделить относительные различия в
показаниях между двумя каналами. Различия между спектром задающего и измерительного
канала (в форме явно выраженных пиков) характеризуют передаточную характеристику
колонны, как совокупности элементарных колебательных систем. Для каждой из этих
колебательных систем имеют место свои резонансные частоты: для корпуса колонны, для
аэратора, для пузырьков воздуха определенного размера и пр. В конфигурации,
представленной на рис. 4, резонансная частота пузырьков воздуха близка к 170 Гц (см. рис.
6).
Оказание вибровоздействия на аэратор на данных резонансных частотах позволяет
добиться существенного диспергирования пузырей воздуха. В частности, при наложении
вибровоздействия частотой 170 Гц количество пузырей размером 0,1 мм увеличивается до 4
10
вибрация
раз., а 0,2 мм – до 5 раз. Аналогично, но в меньшей степени характерно изменение для
частоты 120 Гц. При этом, режим работы компрессора и прочие параметры не менялись.
Кроме того, при этом снижается гидравлическое сопротивление аэратора и,
соответственно, увеличивается расход воздуха через аэратор.
На основании проведенных экспериментов предлагается следующий порядок выбора
режима вибровоздействия для диспергирования пузырей воздуха:
1. Выбрать
схему
включения
флотомашины.
Оптимальным
является
вибровоздействие по схеме В, но в исключительных случаях допускается оказывать
вибровоздействие на всю флотомашину (схема А).
2. Экспериментально определить амплитудно-частотный спектр флотомашины.
3. Выбрать основную резонансную частоту.
4. Выбрать уровень виброускорения, достаточный для проявления эффектов
диспергирования во флотомашине.
Таким образом, процесс виброфлотации будет эффективен при интенсификации
пневматической флотационной очистки сточных вод, содержащих гидрофобные
загрязнения, в т.ч. нефтепродукты.
Для
экспериментального
подтверждения
математической
модели
виброфлотационного процесса (рис. 2) были разработаны лабораторные установки и
проведены эксперименты по очистке нефтесодержащих сточных вод. Объектами
исследования являлись: модельный сток с
Табл. 1. Состав стока Московского НПЗ до и
заданным содержанием нефтепродуктов,
после виброфлотации
сточные воды автомоечного комплекса (г.
Параметр
Значение
Ед.
изм.
До
После
Балашиха, Московская область), Московского
очистки
очистки
НПЗ (Газпромнефть) и лакокрасочного
Взвешенные вещества
16
1,5
мг/л
предприятия (г. Воскресенск, Московская
Нефтепродукты общ.
15,6
0,9
мг/л
pH
4,9
7,2
область). Отбор проб исходного стока и
Рис. 7. Схема аппарата для исследования
виброфлотации модельного стока.
1 – блок диспергирования, 2 – аэратор, 3 – вода,
4 – флотационная колонна, 5 – насыщенная
водовоздушная смесь, 6 – модельный сток.
А – насыщенная водовоздушная смесь, Б –
очищенная вода.
очищенной
воды
производился
в
соответствии с нормативными документами,
допущенными для целей экоаналитического
контроля,
обеспечивающих
их
представительность и сохранность.
Аппарат для виброфлотации модельного
стока состоял из блока диспергирования и
флотационной колонны (рис. 7). В блоке
диспергирования происходит насыщение
воды
воздухом.
Блок
подвергается
вибровоздействию. Затем подготовленная
водовоздушная
смесь
подается
во
флотационную колонну, которая, в свою
очередь,
вибрации
не
подвержена.
Одновременно с водовоздушной смесью в
нее подается модельный сток, в результате
чего идет процесс флотации.
11
К плюсам данного метода можно отнести отсутствие необходимости подвергать
вибрационному воздействию весь флотационный аппарат, так как достаточно готовить
водовоздушную смесь в постоянном режиме. Причем объем камеры блока диспергирования
относительно невелик (не больше 50 л) и зависит от расхода и размера флотационной
камеры.
Аппарат для исследования виброфлотации стока лакокрасочного предприятия состоял
из флотационной колонны, закрепленной непосредственно на вибростенде и подверженной
целиком в сборе вибрационным воздействиям (рис. 4). Данное решение было выбрано в
связи с трудностью очистки стока лакокрасочного предприятия традиционными способами.
Содержание нефтепродуктов определялось согласно аттестованной методике
выполнения
измерений
совместно с кафедрой
химии ФН-5 МГТУ им. Н.
Э. Баумана с помощью
концентратомера КН-2м.
Содержание взвешенных
веществ измерялось с
помощью турбидиметра
фирмы HACH, США типа
2100AN.
Мутность
измерялась
в
нефелометрических
единицах мутности NTU.
Кроме того, анализы проб
проводились
в
Рис. 8. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по
независимой
виброфлотации стока НПЗ.
Z<2> - концентрация нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z<3> и Z<4> - аналитической
содержание флотокомплексов; Z<5> - концентрация нефтепродуктов в лаборатории «Роса» (г.
пенном слое.
Москва).
Точками показаны результаты экспериментов.
Для подтверждения
разработанной математической модели виброфлотации был проведен ряд экспериментов на
модельном стоке. При этом было установлено, что концентрация нефтепродуктов в
модельном стоке может быть снижена на 94%, в то время как очистка без вибрационного
воздействия позволяет добиться эффективности не более 60% по нефтепродуктам. Затем на
этой же установке была проведена виброфлотация стока Московского НПЗ. Для этого были
рассчитаны все необходимые константы переходов Кi и для них решена система уравнений
(1) в программном комплексе MathCAD.
Графическое решение системы уравнений (1) представлено на рис. 8. Очевидно
хорошее совпадение теоретических данных с экспериментом. Время флотации при этом
составляет 600 с (10 минут), за которые концентрация снизилась с 15,6 мг/л до 0,9 мг/л
(табл. 1). Значение времени флотации определяется нахождением участка функции СА(t)
графического решения системы уравнений, на котором ее относительное стандартное
отклонение не превышает 5% за промежуток времени ~5 мин.
Для подтверждения эффективности вибрационной интенсификации пневматической
флотации был поставлен эксперимент на стоке лакокрасочного предприятия, который был
12
выбран как наиболее трудный для очистки. В результате эксперимента удалось добиться
снижения мутности с 1840 единиц до 330 при вибрационной обработке в течении 15 минут,
в то время как контрольное измерение только флотационной очистки за то же время
позволило очистить воду только до 910 NTU.
На основе данных экспериментов была разработана установка с подготовкой
водовоздушной смеси, на которую был получен патент РФ на полезную модель.
Принципиальная схема виброфлотомашины, разработанной на основе данного патента
представлена на рис. 9.
Принцип ее работы заключается в том,
что исходная вода подается сначала в камеру
вибродиспергирования, а затем в остальные
камеры аппарата. Таким образом повышается
эффективность очистки. Вибростенд в данном
случае устанавливается сверху на корпус
флотомашины. Таким образом могут быть
усовершенствованы
уже
существующие
флотационные аппараты.
Для виброфлотомашин подобного типа
была разработана методика их расчета для
вибрационной
пневматической
очистки
Рис.
9.
Установка
флотационная
с сточных вод от нефтепродуктов и прочих
диспергированием в корпусе аппарата.
гидрофобных загрязнений.
А – подача исходной воды, В – выход
Затем с учетом данной методики была
очищенной воды.
флотационная установка с
1 – вибростенд, 2 – флотационная камера разработана
диспергирования, 3 – аэратор, с помощью тяги диспергированием
в корпусе аппарата,
соединенный с вибростендом, 4 – блок предназначенная
для
очистки
стока
тонкослойного осветления, 5 – корпус
автомоечного комплекса.
аппарата.
Состав стока автомоечного комплекса
представлен в табл. 2. Алгоритм расчета данной виброфлотомашины (рис. 9) следующий:
Изначально задаются исходная концентрация загрязнителя, требуемая степень
очистки и производительность флотационного вибрационного аппарата (2 м3/ч). Затем
решается система дифференциальных уравнений (1).
Для нее было получено время флотации – 13 минут. Решение представлено на рис. 10.
Затем рассчитывается требуемый объем камер диспергирования как произведение
требуемой производительности и времени флотации.
W=
Q⋅t
2 ⋅13
=
≅ 0, 54 м3, где a=0,2 - коэффициент аэрации.
60 ⋅ (1− α ) 60 ⋅ (1− 0, 2)
После этого задается скорость движения жидкости в аппарате. Согласно требованиям
нормативной документации данная скорость не должна превышать 5 мм/с. Затем
определяется площадь сечения аппарата как отношение требуемой производительности и
скорости движения жидкости.
S=
Q 2 ⋅1000
=
= 0, 55
u 1⋅ 3600
м2
Затем задается высота аппарата (Н = 1 м) и, исходя из этого, определяются габариты
аппарата.
13
Табл. 2. Состав стока автомоечного
комплекса до и после виброфлотации
Значение
До
После
очистки
очистки
516
117
B=
S 0, 55
=
= 0, 55 м,
H
1
L=
W 0, 54
=
=1м
S 0, 55
Затем выбираются варианты подвода и
отвода воды, а также способ удаления пены,
Взвешенные вещества
мг/л
после
чего
с
учетом
требований
Нефтепродукты общ.
2,5
0,5
мг/л
технологичности
разрабатывается
СПАВ
10
6
мг/л
конструкция аппарата.
Железо
2,9
1,2
мг/л
Свинец
0,013
0,004
мг/л
Для
обоснования
режима
Медь
0,3
0,03
мг/л
вибровоздействия для данной флотационной
pH
6,9
5,4
ед. pH
установки был замерен
амплитудно-частотный
спектр.
Основной
пик
приходится на 95 Гц. На
данной
частоте
и
осуществлялось
вибровоздействие
во
флотационном аппарате.
Результаты расчета и
моделирования
были
подтверждены
экспериментально.
Как
видно из рис. 10, имеет
место хорошее совпадение
теоретических данных с
Рис. 10. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по
виброфлотации стока автомоечного комплекса в разработанной экспериментальными. За 13
минут
содержание
флотомашине
<2>
<3>
<4>
Z - концентрация нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z и Z
нефтепродуктов снизилось с
содержание
флотокомплексов;
Z<5>
концентрация 2,5 до 0,5 мг/л.
нефтепродуктов в пенном слое.
Сравнение
основных
Точками показаны результаты экспериментов.
параметров разработанной
виброфлотомашины с пневматической флотомашиной аналогичной производительности
показало, что использование вибрации позволяет сократить занимаемую оборудованием
площадь в два раза, уменьшить требуемый расход воздуха в 3 раза, что позволяет повысить
экологическую эффективность флотации более чем на 50%.
Параметр
Ед.
изм.
В третьей главе описывается теоретическое и экспериментальное исследование
гидроакустических характеристик облака пузырьков воздуха в воде, разрабатываемое
программное обеспечение для идентификации источников – пузырьков воздуха в воде и его
верификация в различных средах.
Газовый пузырь в толще жидкости является колебательной системой. Стенка пузыря
совершает движение " = −"%  '() * около среднего радиуса пузыря R0, [м], где ω0 –
собственная частота колебаний, [рад/c]. Она может быть найдена по уравнению:
% ≈
.
012)
/)
3
или% ≈
14
.
092)
78/)
3
,
(2)
где  – адиабатический коэффициент,  =
2
< , p0 – давление в столбе жидкости, [Па], плотность жидкости, [кг/м ]. Для пузырьков воздуха в воде при давлении в 1 атм
полученная формула принимает легко запоминающийся вид:
% % ≈ 3 м·Гц.
(3)
Звуковое давление (Па), создаваемое пузырьком в жидкости на расстоянии r от пузыря
может быть определено по формуле:
3
/
/
3/ H
E
E
7
@A ,  = F + −
/ I
E
3/ H
7
,
(4)
Первое слагаемое Pg(R/r), отражает звуковой компонент давления возле стенки пузыря (Па).
Второе слагаемое  7 /(2) , описывает динамику стенки пузыря (Па). Оба слагаемых
обратно пропорциональны расстоянию от пузыря и описывают сферические звуковые
волны. Третье слагаемое,  I  7 /(2 I ), играет роль только в непосредственной близости от
пузыря. В несжимаемой жидкости эта часть становится равна ρf2/2, что является слагаемым
давления за счёт движения жидкости и носит название давления Бернулли или кинетической
волны. Второе и третье слагаемое, как было отмечено ранее меньше первого на несколько
порядков и ими можно пренебречь, если не оценивать давление в непосредственной
близости от пузыря.
Для исследования гидроакустических характеристик пузырьков воздуха был создан
гидроакустическая безэховая камера со свободным акустическим полем и оптически
прозрачным корпусом. Требуемый диапазон размеров исследуемых пузырьков должен быть
флотационного размера: 0,5…1 мм, соответственно эффективный частотный диапазон
камеры составлял 3000…6000 Гц. При этом минимальный полезный объем составлял
220х220х220 мм, что на порядок больше самого крупного объекта внутри (гидрофона).
Для обеспечения безэховости поля необходимо выбрать наиболее подходящий
звукопоглощающий в воде материал. На основании обзора литературы было принято
решение в качестве исследуемых материалов взять образцы из экструдированного
пенополистирола фирм Ravatherm, URSA, Пеноплекс, а также смеси древесной стружки и
цемента как эталон.
Определение
их
эффективности
проводилось на специально разработанной
импедансной трубе, состоящей из самой
импедансной трубы 1, кондиционирующего
усилителя 2, усилителя мощности 8 и
контроллера фирмы Bruel&Kjaer типа LanXI c
компьютером с ПО B&K Pulse Labshop.
Импедансная труба заполнена водой. На дне
установлен источник звуковых колебаний 4 –
гидрофон типа 8103 фирмы Bruel & Kjaer.
Рис. 11. Схема установки для исследования
Сверху установлен исследуемый образец 7, а
свойств материалов
от него на расстоянии l и (l+s) стоят два
гидрофона типа 8104 фирмы Bruel & Kjaer 5 и 6 (рис.11). В данной импедансной трубе
определялся коэффициент отражения, который можно вычислить из измеренной
передаточной функции между двумя гидрофонами. Передаточная функция H12 определяется
15
в ПО Pulse Labshop. Из передаточной функции можно получить коэффициент отражения
R(f).
R
(f )=
H12 - eiks
iks
e
- H12
´ e2ik ( L + s )
(5)
Из коэффициента отражения можно получить коэффициент звукопоглощения:
a ( f ) = 1- | R( f ) |2
(6)
Коэффициент поглощения
Поскольку создаваемые внутри импедансной трубы стационарные звуковые волны
должны быть плоскими, вводятся ограничения на диапазон частотных измерений.
Измерения должны проводится в диапазоне (fнижн ... fверх).
с
1479
верх < 0.45 = 0.45
= 6655Гц

0.1
с
1479
нижн > 0.05 = 0.05
= 739Гц

0.1
Скорость звука в настоящей работе определялась экспериментально на основании
измерения разностей двух соседних частот (fm+1 и fm), для которых имеет место усиление
сигнала на приемнике звука. В этом случае, скорость звука рассчитывалась по формуле (7) и
составляет 1479 м/с.
b = 2× bd. − b ×
(7)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
3000
3500
ЭПП Ravatherm
4000
ЭПП URSA
4500
5000
Частота, Гц
ЭПП Пеноплекс
5500
6000
Цемент и стружка
Рис. 12. Коэффициенты звукопоглощения для различных материалов
Результат
экспериментального
определения
звукопоглощения показан на рис. 12. Сравнение
полученных результатов показывает, что образец из
экструдированного
пенополистирола
фирмы
Пеноплекс обладает наилучшими характеристиками
среди указанных материалов&
Средний коэффициент звукопоглощения во всем
диапазоне измерений составляет 0,75…0.85. При этом
в диапазоне частот от 3700 Гц до 5500 Гц коэффициент
звукопоглощения превышает 0,9, что означает
практически полное поглощение звука. А на границах
диапазона измерений коэффициент звукопоглощения
Рис. 13. Общий вид гидроакустической составляет 0,4…0.7.
заглушенной камеры.
При этом дополнительное звукопоглощение
данным материалом может быть обеспечено путем
16
устройства облицовочных панелей, выполненных в виде набора конусов.
Из данного выбранного материала была сконструирована гидроакустическая
безэховая камера (рис. 13). Она состоит из внутренней камеры (1), облицованной
звукопоглощающими клиньями из полистирола (2), и внешнего звукоизоляционного короба
(3). Габаритные размеры – 998х880х920 мм. Звукопоглощающие клинья из полистирола
имеют форму правильной призмы с основанием 100х100 мм. Высота клиньев, 150 мм,
подбиралась из соображений, чтобы величина высоты клиньев относительно длины волны
излучения, направленной по нормали, была равна λ/4.
Звукоизоляция от внешних шумов достигается за счёт внешнего звукоизоляционного
короба. Он выступает в качестве звукоотражающей конструкции. Воздушная прослойка
между звукоизоляционным коробом и внутренней камерой выступает в роли
звукопоглощающей конструкции.
Чтобы убедиться в звукоизоляционных свойствах данной камеры была проведена
серия экспериментов. Измерения проводились на частотах от 3000 до 6000 Гц с шагом
500Гц согласно схеме, представленной на рисунке 14.
На ПК с ПО «Pulse Labshop» (6) генерируется шум на заданной частоте, и он через
АЦП и усилитель подаётся на источник звука (5). Далее этот сигнал принимается
гидрофоном (3) и микрофоном (4). В ПО «Pulse Labshop» эти сигналы обрабатываются и
вычисляется отношение показаний микрофона и гидрофона H(f). Таким образом получается
эффективность звукоизоляции внешнего короба.
Качество
свободного
звукового
поля
проще
всего
оценить, измерив отклонение от
закона спада уровня звукового
давления (1/r2). Согласно ему, при
удвоении расстояния от источника
шума уровень звукового давления
должен падать на 6 дБ.
Рис. 14. Схема измерений эффективности звукоизоляции
Для того, чтобы оценить
отклонения от закона спада уровня
звукового
давления,
были
проведены
измерения
в
соответствии со схемой на рисунке
15.
На ПК (6) с помощью ПО
Рис. 15. Схема проведения измерений по оценке отклонения
«Pulse Labshop» генерировался звук
от закона спада уровня звукового давления
определенной частоты, и он через
АЦП и усилитель подавался на
источник
звука
(5).
Далее
гидрофонами (3) и (4) измерялся
уровень
звукового
давления.
Гидрофон (3) располагался на
расстоянии 100 мм от источника
звука (5), а гидрофон (4) - на
Рис. 16. Схема измерений фактора направленности
расстоянии
50
мм.
Затем
17
расчитывалось отклонение от закона спада уровней давления.
В идеальном свободном звуковом поле уровни звукового давления в точках,
равноудаленных от источника звука, излучающего сферическую волну, должны быть
одинаковы. В реальных же камерах всегда присутствует небольшая неравномерность. Чтобы
её оценить была проведена серия экспериментов в соответствии со схемой на рисунке 16.
Измерения проводились в диапазоне частот от 3000 до 6000 Гц с шагом 500 Гц. На
каждой частоте гидрофон (2) поочередно устанавливался в точках горизонтальной
окружности с шагом 45°. Им фиксировался уровень звукового давления, создаваемым
источником звука с круговой диаграммой направленности (3), расположенным в центре
безэховой камеры (1).
Результаты испытаний показали, что звукоизоляционный короб снижает уровень
звукового давления на 24…35 дБ в диапазоне частот от 3000 до 6000 Гц, что вполне
достаточно для проведения измерений.
Рис. 17. Неравномерность звукового поля
Измерения отклонения от закона спада уровней звукового давления (1/r2) показали,
что отклонение не превышает 2 дБ. Это говорит о наличии внутри камеры свободного
звукового поля. Неравномерность звукового поля внутри камеры составила не более 3,5 дБ
(рис. 17).
Таким образом, на основании проведенной оценки заглушенной камеры можно
сделать вывод о ее пригодности для исследования гидроакустических характеристик
пузырьков воздуха в воде.
Однако для оценки состава газовой фазы в воде необходимо было также разработать
программный продукт, который бы на основании введенных в него измеренных значений
шума позволял бы идентифицировать источники звука – пузырьков воздуха в воде. Так в
главе рассмотрена задача мониторинга содержания газовой фазы во флотационном
аппарате. Обработку информации в активной системе мониторинга диаметра пузырьков
18
воздуха предложено проводить с помощью адаптивного нелинейного фильтра Калмана, для
этого был разработан каскадный алгоритм фильтрации измерительного сигнала в системе
анализа состава пузырьков. Каскадный алгоритм обработки информации включает
адаптивные фильтры Калмана, алгоритм осреднения оценочных реализаций по ансамблю,
преобразование Фурье. Применение каскадного алгоритма обработки информации
позволяет повысить точность определения состава пузырьков.
Измеренные аудио сигналы представляют собой совокупность сигналов от нескольких
источников звука – пузырьков воздуха разного размера и общем случае могут описываться
следующей моделью:
s(t) = a0+a1cos(t*w)+b1sin(t*w).
(8)
В случае наличия нескольких источников сигналов, одно измеренное значение будет
описываться системой уравнений:
n
'  = hl. j
(9)
klmj 'h  h  −  ,
где: i =1,2… – число звукозаписывающих устройств; j=1,2… - число источников звуков;
sj(t) – сигналы источников звуков; aij(τ) – весовой множитель, характеризующий смешивание
сигналов; тау – время осреднения. Это же уравнение может быть записано в матричной
форме в виде:
x = As,
(10)
где: x= x1, x2, ..., xn - вектор-столбец измеренных суммарных сигналов; s = s1, s2, …, sn –
вектор-столбец искомых составляющих – источников звука, A – матрица смешивания
сигналов. Определив матрицу смешивания сигналов А возможно найти искомые сигналы s
как:
s=Wx,
(11)
где: W = I / A.
Таким образом, анализ независимых компонентов сводится к определению матрицы
W,
При этом, данный алгоритм обладает рядом особенностей:
1. Невозможно определить абсолютные значения величин, только их доли:
x = AP−1Ps,
где P – матрица перестановок,
Ps – исходные независимые компоненты, но другого порядка.
Однако в данном случае нет необходимости определения точного числа пузырьков
воздуха. Достаточным будет идентификация объемной доли пузырьков воздуха
данного размера в зависимости от общего числа пузырьков в объеме воды.
2. Искомые компоненты должны быть независимы друг от друга.
3. Должна быть известна математическая модель источников звука (в исследуемом
случае она описывается уравнением (8).
4. Звуковые сигналы – установившиеся
5. Число измеренных сигналов должно быть равно числу источников звука
На основании данных особенностей, исходя из известного мирового опыта
исследования акустических характеристик пузырьков воздуха для корректного применения
указанного метода, необходимо сделать ряд допущений:
1. Отсутствует отражение и прочее искажение звука, излучаемого пузырьками воздуха
19
2. Источником звука принимается не один отдельный пузырек воздуха, а группа
пузырьков воздуха определенного размера.
3. Увеличение числа каналов измерения приводит к увеличению числа
идентифицируемых групп пузырьков определенного размера.
4. Аэраторы работают в установившемся режиме.
5. Изменение диаметра пузырьков воздуха вследствие их всплытия незначительно.
6. Гидрофоны располагаются в стороне от облака пузырьков, поэтому изменением
расстояния вследствие их движения пренебрегаем.
7. Гидрофоны установлены достаточно далеко от аэратора и свободной поверхности, так
что шумом схлопывания и истечения пузырьков из аэратора также пренебрегаем.
На основании сделанных допущений был разработан оригинальный метод анализа
независимых компонентов каскадным алгоритмом. Вся процедура сбора и обработки
данных представлена на рис. 18.
Рис. 18. Процедура идентификации состава газовоздушной смеси в воде
Каскадный алгоритм состоит из этапа сбора суммарных измеренных сигналов с n
гидрофонов, предварительную обработку данных сигналов, заключающуюся в
последовательной записи не менее десяти измерений для каждого канала, после чего
осуществляется разложение этих сигналов на независимые компоненты. После этого
зашумленные сигналы фильтруются адаптивным нелинейным фильтром Калмана с
самоорганизацией моделей исследуемых процессов на основе метода группового учета
аргументов (МГУА), который был специально разработан для решения данной задачи. В
результате фильтрации получаются готовые выделенные чистые сигналы (синусоиды),
однозначно характеризующие пузырьки воздуха определенной крупности. На последнем
этапе происходит постобработка этих сигналов. Она заключается в преобразовании
полученных временных функций источников звука в спектры с помощью Быстрого
Преобразования Фурье и усреднении спектров по ансамблю.
Как уже было отмечено, для решения данного вопроса был разработан адаптивный
нелинейный фильтр Калмана с самоорганизацией моделей на основе МГУА, который
является частью каскадного алгоритма обработки сигналов флотационной установки.
Суть его заключается в следующем. Обозначим вектор - компонент исследуемой
системы x = [ x1
x2
xn ] , где n - порядок системы, xˆ = [ xˆ1
T
xˆ2
xˆn ] - вектор
T
оценок компонент системы. Нужно отметить, что вектор x̂ является оценкой вектора
состояния x ведущей системы.
В случае, когда уравнение для вектора состояния имеет вид:
xk = F k ( xk -1 ) + wk ,
20
где x k – вектор состояния, F k ( x k -1 ) – нелинейная матрица модели, то часть вектора
состояния измеряется:
z k = H k xk + u k ,
z k – вектор измерений, H k – матрица измерений, wk и u k – дискретные аналоги
гауссовского белого шума с нулевыми математическими ожиданиями и матрицами
ковариаций Q k и R k соответственно, некоррелированные между собой, уравнения
фильтра Калмана примут вид:
xˆk = xˆk / k -1 + K k ( xˆk -1 )[zk - H k xˆk / k -1 ]
xˆ k / k -1 = F k ( xˆ k -1 )
(
T
K k ( xˆ k -1 ) = Pk / k -1H T
k H k Pk / k -1H k + R k
)-1
T
é ¶F ( xˆ )ù
¶F k ( xˆ k -1 )
Pk / k -1 =
Pk -1 ê k k -1 ú + Q k
ê ¶xT
ú
¶xkT-1
k -1 û
ë
(12)
Pk = (I- K k ( xˆ k -1 ) H k ) Pk / k -1,
где: I – единичная матрица, Pk – ковариационная матрица ошибок оценивания.
Варианты реализаций нелинейного фильтра Калмана предполагают линеаризацию
модели исследуемого процесса с помощью ряда Тейлора, представление апостериорной
плотности в виде набора d-функций или замену апостериорной плотности системой
частных гауссовских плотностей, взятых с различными весами. В итоге в фильтре Калмана
используются только линейные модели. Использование нелинейных моделей в фильтре
Калмана в общем случае затруднительно ввиду того, что апостериорная плотность вектора
состояния в этом случае не является гауссовской, и, следовательно, получить легко
алгоритмизируемые рекуррентные соотношения для вычисления оценок вектора состояния
не представляется возможным.
Другим недостатком упомянутых вариантов реализации нелинейного фильтра
Калмана является невысокая точность исходной нелинейной модели. Эта модель получена
посредством анализа физических законов, лежащих в основе исследуемой системы.
Поэтому в процессе функционирования системы возникает необходимость идентификации
параметров модели. Для решения этой задачи, т.е. задачи совместного оценивания
параметров и состояния объекта могут быть использованы метод инвариантного
погружения с расширенным вектором состояния и расширенный фильтр Калмана. Однако
расширение вектора состояния путем включения в него неизвестных параметров приводит к
тому, что уравнения модели становятся нелинейными даже в случае линейной по состоянию
и по параметрам исходной модели.
При реализации расширенного фильтра Калмана оценки, как правило, имеют
расходящийся характер, обусловленный отсутствием априорной информации о
статистических характеристиках шумов и из-за погрешностей линеаризации.
Решение нелинейной задачи совместного оценивания параметров и состояния может
быть получено посредством адаптивных наблюдателей. Преимуществом адаптивных
наблюдателей является отсутствие необходимости проведения операции линеаризации, что
исключает весьма существенные ошибки, связанные с линеаризацией уравнений,
21
Рис. 19. Функциональная схема разработанного
фильтра
22
описывающих оцениваемый процесс.
Использование адаптивных наблюдателей
возможно
лишь
в
специфических
случаях. Например, динамика вектора
состояния
описывается
линейными
уравнениями, а измерения нелинейно
зависят от компонент вектора состояния
объекта, нелинейный по состоянию
объект,
линейно
зависящий
от
параметров и др.
Решение
задачи
совместного
оценивания параметров и состояния
объекта возможно получить посредством
адаптивных наблюдателей Лайона П.М.,
Крайссельмайера и др.
Однако в
стохастической постановке задачи оценки
адаптивных
наблюдателей
будут
смещенными.
В
практических
приложениях
развивается два альтернативных подхода
к задаче синтеза алгоритмов оценивания.
А именно, синтез компактных робастных
алгоритмов, в которых в качестве
моделей
используются
тренды
оцениваемых процессов. Другой подход
предполагает наиболее полный учет в
модели всех известных особенностей
оцениваемого процесса.
В рамках последнего подхода
разработано
достаточно
много
алгоритмов оценивания, однако их
практическая реализация затруднена
сложностью выбора адекватной модели
исследуемого
процесса.
Однако
достоверная
информация
о
статистических
характеристиках
на
практике отсутствует.
Поэтому при оценивании с
использованием
сложных
моделей
необходимо
осуществлять
идентификацию параметров и структуры
модели в процессе функционирования
системы.
Наиболее
полно
учесть
все
особенности
характера
исследуемого
процесса возможно посредством построения нелинейной модели методом самоорганизации,
в частности МГУА).
С помощью МГУА можно получить модели без каких-либо ограничений. Точность
построения модели посредством МГУА зависит от используемого набора функций и
ансамбля критериев селекции, а также от достоверности измерений. Алгоритм МГУА
основан на гипотезе селекции моделей-претендентов и предполагает идентификацию
базисных функций по заданному критерию и позволяет получить математическую модель
исследуемой системы аэрации флотационного аппарата, которая в дальнейшем используется в
нелинейном фильтре Калмана.
Конструирование алгоритмов МГУА осуществлялось следующим образом.
Полное описание исследуемого процесса имеет вид:
 = . . , 7 , 0 , … , ' (13)
Его целесообразно заменить несколькими частными описаниями вида:
. = . . , 7 , 7 = . . , 0 , … , b = . rm. , r , где  = r7 ;
7
. = . . , 7 , 7 = . . , 0 , … , 2 = . bm. , b , где  = b
;
(14)
Исключая промежуточные переменные, можно получить «аналог» полного описания
исследуемого процесса. Аналог должен соответствовать по виду полному описанию. МГУА
позволяет найти оценки коэффициентов полного уравнения.
Модель в классическом алгоритме самоорганизации имеет вид:
y
wm. =
' ' (' , )
(15)
'l.
здесь L - число базисных функций; ' - базисные функции из параметризованного
множества 2 ; 2 = ' ' ' ,   = 1,  , набор базисных функций. Каждая базисная
функция определяется в соответствии с двухмерным вектором параметров (' ' )| , где ' амплитуда, ' - частота.
Функциональная
схема
адаптивного
нелинейного
фильтра
Калмана
с
самоорганизацией моделей алгоритмом МГУА представлена на рис. 19.
Для упрощения реализации алгоритма оценивания переменных состояния
исследуемых систем можно использовать скалярный подход.
На основе алгоритма скалярного оценивания, изменяющейся во времени
составляющей вектора состояния, в условиях, когда информация о некоторых переменных
состояния непосредственно измеряется, целесообразно использовать адаптивную
модификацию линейного фильтра Калмана следующего вида:
(
)
xˆ nki +1 = aii xˆ ni ( k -1)+1 + ski + uni ( k -1)+1 + k ki +1 z k*i+1 - aii xˆ ni ( k -1)+1 - ski - uni ( k -1)+1 ,
где:
s ki = ai1 z k*1 + ai 2 z k*2 + ... + ain z k*n .
Дисперсия оценивания ошибки и коэффициента усиления фильтра примут вид:
p ki ,k -1
2
i
2 i
i
i 2
i
kk = i
pk ,k -1 = aii pk -1 + k k -1 Jk ;
;
p k ,k -1 + rˆki
( )( )
p = (1 - k )p
i
k
i
k
23
i
k ,k -1 ,
(16)
где: дисперсия измерительного шума r̂ki определяется с помощью адаптивного алгоритма
оценивания
( )
( )
( )
ìrˆ i = J i 2 - p i ; J i
k
k , k -1
k
ïk
í i
i 2
i
ï
îrˆk = 0; Jk £ pk ,k -1 .
2
> pki ,k -1 ,
(17)
где: Jki – обновляемая
последовательность в
адаптивном скалярном
алгоритме фильтрации
получена по формуле:
Jki = z k*i - aii xˆ ki -1 - s ki -1 - u ki -1 .
Предложенный
алгоритм
оценивания
способен функционировать
в
условиях
отсутствия
априорной информации о
дисперсиях
входного
и
измерительного
шумов.
Рис. 21. Схема и фотография
лабораторной установки для
гидроакустического определения
состава газовой фазы в жидкости
Рис. 20. Внешний вид главного экрана программы
«ФлотоКонтроль 1.0»
Использование в алгоритме жесткой обратной связи
по обновляемой последовательности J позволяет
осуществлять оценивание при неточном значении
информации о модели исследуемого процесса жесткая обратная связь по J позволяет получать
нерасходяющуюся оценку i - й компоненты вектора
состояния.
Коэффициент скалярной модели подлежит
идентификации
посредством
МГУА
с
резервированием трендов.
На основании данных алгоритмов было
разработано
программное
обеспечение
для
идентификации источников звука – пузырьков
воздуха методом слепого разделения компонентов –
«ФлотоКонтроль 1.0». Внешний вид главного экрана
программы представлен на рис. 20. На данное
программное
обеспечение
было
получено
свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ.
Таким образом, с помощью разработанного
программного обеспечения и спроектированной
заглушенной камеры были проведены исследования
гидроакустических характеристик газовоздушной
смеси.
Исследования проводились на лабораторной
24
установке, показанной на рис. 21. Лабораторная установка состояла из корпуса –
заглушенной гидроакустической камеры 5. Внутрь камеры на дно устанавливались
пневматические аэраторы 1 различной конструкции, обеспечивающие генерацию пузырьков
воздуха размером от 0,1 до 5 мм.
Внутрь камеры устанавливалась сборка с гидрофонами типа 8103 фирмы Bruel&Kjaer
2. Их число варьировалась от 3 до 8 и было ограничено вычислительной способностью
анализатора. Гидрофоны устанавливались на сборочной пластине, которая исключала
взаимное изменение положения гидрофонов и четко фиксировала их расположение по
высоте внутри камеры. Определенный временной сигнал от каждого гидрофона подавался
на анализатор акустических сигналов фирмы Bruel&Kjaer типа LanXI 9, на котором вместе с
компьютером с установленным на нем ПО Pulse проводилась обработка проведенных
измерений. Для каждого канала проводилось не менее 10 последовательных записей
стационарного шума пузырьков во времени длительностью 20 мс каждый, после чего
каждая из записей обрабатывалась и преобразовывалась в спектр с помощью Быстрого
Преобразования Фурье. Измеренные временные функции являлись входными данными для
дальнейшего анализа методом слепого разделения компонентов. Верификация полученных
гидроакустическим методом значений осуществлялась фотометрическим методом. Для
этого сбоку от камеры устанавливался фотоаппарат 10 Nikon D7000 со светосильным
объективом, которым через смотровое окно 8 проводилась фотофиксация режима истечения
воздуха из аэраторов. Объем воды дополнительно подсвечивался с помощью нескольких
импульсных источников света. Полученные фотографии затем обрабатывались в
программном продукте ACD See, проводилась корректировка экспозиции, контраста, света.
Полученные фотографии обрабатывались в программном продукте DynamicStudio 2016a
фирмы Dantec Dynamics. В результате обработки «теневым методом» определялись контуры
пузырьков воздуха в воде.
Результаты анализа при работе аэраторов в различном режиме и при различной
ориентации сборки с гидрофонами показаны на рис. 22.
Следует отметить наличие явных пиков на частотах 3139, 3803, 2709, 4178 Гц, что
соответствует по формуле Миннаэрта пузырькам воздуха размером 955, 788, 1107, и 701
мкм (рис. 22а). При изменении режима работы аэратора таким образом, чтобы число
генерируемых им пузырьков воздуха было минимально были также получены
удовлетворительные результаты, приведенные на рис. 22б, следует отметить наличие явных
пиков на частотах 3430, 3120, 2886, 2668 и 3809 Гц, что соответствует по формуле
Миннаэрта пузырькам воздуха размером 874, 961, 1039, 1124 и 787 мкм. Последующее
изменение режима работы и увеличение числа пузырьков воздуха в исследуемом объеме
также показало удовлетворительную сходимость данных, полученных гидроакустическим и
фотометрическим методами. Результаты измерений представлены на рис. 22в. Следующий
режим работы аэратора показан на рис. 22г. Следует отметить наличие явных пиков на
частотах 3424, 3207, 3647, 4129 и 2765 Гц, что соответствует по формуле Миннаэрта
пузырькам воздуха размером 876, 935, 822, 726 и 1084 мкм.
Замена аэратора на другой, с более мелкими порами привела к режиму работы,
показанному на рис. 22г. Следует отметить наличие явных пиков на частотах 3441, 3175,
3723 и 2765 Гц, что соответствует по формуле Миннаэрта пузырькам воздуха размером 871,
944, 998 и 1084 мкм.
25
Рис. 22. Результат разложения гидроакустического сигнала пузырьков воздуха на
составляющие для разных режимов работы аэратора
Верификация полученных результатов фотометрическим методом подтверждает
полученные значения
Адаптация гидроакустического метода для флотационных аппаратов.
Описанные выше экспериментальные исследования проводились в заглушенной
камере, в которой практически отсутствуют отражения звука, однако реальная техника и, в
частности, камеры флотационных аппаратов
такими свойствами не обладают, и в них
присутствует
отраженный
звук.
Для
применения
предлагаемого
гидроакустического метода во флотационных
аппаратах необходимо соблюдение условия
применимости метода в аппарате, полученное
экспериментальным путем:
A/S ≥ 6
(18)
Отношение площади звукопоглощения
A стенок аппарата к площади поверхности
измерения S должно быть больше, либо равно
Рис. 23. График для определения поправочного
коэффициента K
6. При этом, чем оно будет выше – тем лучше.
26
Времяреверберации,с
0,27
0,24
0,21
0,18
0,15
0,12
0,09
0,06
0,03
0,00
2200
3200
4200
5200
6200
Частота,Гц
Эквивалентная
площадь
звукопоглощения стенок аппарата может
быть определена по формуле:
A = 0,16(V/T),
(19)
3
где: V – объем помещения, м
Т – время реверберации в камере, с.
Если условие (18) не выполняется, то
необходимо:
•
уменьшить
площадь
поверхности измерений (при этом оставшись
Рис. 24. Измеренное время реверберации в
аквариуме
за пределами ближнего поля),
• увеличить звукопоглощение камеры, облицевав часть внутренней поверхности
камеры звукопоглощающими в воде материалами (например, резиной).
Для оценки влияния отражения в помещении вводится поправочный коэффициент К,
который можно найти по графику, приведенному на рис. 23.
Тогда скорректированный уровень звукового давления может быть определен как:
€
 = 2 −  + 10 ,
(20)
€)
где: Lp – измеренный уровень звукового давления внутри флотационного аппарата, дБ,
(относительно 20мкПа), S –площадь поверхности измерения, м2, S0 – относительная площадь
(принимается равной 1 м2).
Относительноечисло
пузырейвоздухаN/N0
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
2700
3200
3700
4200
4700
Частота,Гц
Рис. 25. Результат разложения гидроакустического сигнала пузырьков воздуха на
составляющие в прозрачном флотаторе
Данный алгоритм был проверен
сначала на флотаторе со стеклянными
стенками
для
фотоверификации
значений, не обладающем свойствами
безэховости. Аппарат представлял из
себя куб с размером ребра 35 см.
Измеренное
значение
времени
реверберации в частотах от 3200 до
6000 Гц составляло около 0,07 с (рис.
24). Гидрофоны были установлены на
расстоянии 10 см друг от друга. В этом
случае
вычисление
условия
Рис. 26. Определение состава газовоздушной смеси
выполнимости (18) дает следующее
во флотаторе
27
Времяреверберации, с
значение: A/S = 6,3, таким образом поправка составила 2,5 дБ (рис. 23).
На рис. 25 показан полученный спектр пузырьков воздуха гидроакустическим методом
сплошной линией. Следует отметить наличие явных пиков на частотах 3340, 3602, 3027,
2700 и 4100 Гц, что соответствует по формуле Миннаэрта пузырькам воздуха размером 898,
832, 991, 1111 и 731 мкм. Верификация полученных результатов фотометрическим методом
подтверждает полученные значения.
Также было проведено определение
0,60
состава газовоздушной смеси в опытно0,50
промышленном
флотаторе,
схема
0,40
которого показана на рис. 9. Фотография
0,30
проводимых исследований показана на
0,20
рис. 26. Камера флотации обладает
0,10
размерами 60 х 60 х 60 см. Измеренное
0,00
1600
2600
3600
4600
5600
время реверберации внутри камеры
Частота,Гц
показано на рис. 27.
Рис. 27. Определение времени реверберации во
флотаторе
Измеренное
значение
времени
Относительноечисло
пузырейвоздухаN/N0
реверберации для диапазона частот от
2600 до 6000 составляет 0,11 с.
0,1
Гидрофоны
устанавливались
на
0,08
расстоянии 18 см друг от друга. В этом
0,06
случае
вычисление
условия
0,04
выполнимости (18) дает значение A/S =
0,02
0
6,1. Следовательно, определенная по
2600
3100
3600
4100
графику на рис. 23 поправка составляет
Частота,Гц
2,5 дБ, которые отнимаются от
Рис. 28. Результат разложения гидроакустического измеренных значений звукового давления.
сигнала пузырьков воздуха на составляющие во
На рисунке 28 показан полученный
флотаторе
спектр пузырьков воздуха гидроакустическим методом сплошной линией. Следует отметить
наличие явных пиков на частотах 3200, 3453, и 3562 Гц, что соответствует по формуле
Миннаэрта пузырькам воздуха размером 937, 868, и 842 мкм.
Таким образом, в главе разработан метод и аппаратура для гидроакустического
определения состава газожидкостной среды по размеру и числу пузырьков воздуха, который
может использоваться в режиме реального времени, в отличие от остальных методов,
требующих дискретного анализа. На основе предлагаемого метода был разработан
программный продукт, осуществляющий разложение измеренных суммарных акустических
сигналов на составляющие. Использование данной аппаратуры на флотомашинах позволяет
поддерживать их функционирование в оптимальных режимах и обеспечивать
максимальную эффективность очистки в том числе при засорении пор аэратора, изменении
состава стока и прочих изменениях условий работы оборудования.
0,12
В четвертой главе исследуется интенсификация реагентной очистки воды путем
увеличения эффективности смешивания реагентов с водой с помощью вибрации и путем
вибровоздействия на резонансных частотах на процессы коагуляции и флокуляции.
28
Основываясь
на
описанных
конструктивных особенностях и условиях
работы, для исследования эффективности
виброперемешивания
был
создан
экспериментальный стенд периодического
действия, схема которого представлена на рис.
29.
Цилиндрический сосуд 3 заполнялся
модельным стоком и раствором реагента и с
помощью блока управления 6 и усилителя 5
подводилось питание к вибростенду 1 и шток
2 начинал совершать колебательные движения
в
вертикальной
плоскости,
которое
передавалось перфорированному поршню 4.
Таким образом, с помощью образующихся
заглубленных струй в отверстиях поршня
начинался процесс перемешивания.
В качестве корпуса экспериментального
смесителя был использован цилиндрический
Рис. 29. Схема виброперемешивающей
непроточный сосуд с внутренним диаметром
установки
130 мм и высотой 600 мм. Для наложения колебаний в сосуд помещался плоский поршеньдиск. Толщина поршня составляла 8 мм. Отношение диаметра поршня к диаметру аппарата 0.48. В поршне было сделано 4 отверстия диаметром 5 мм каждое. Угол раствора конуса
отверстий составлял примерно 97-98˚. В качестве возбудителя колебаний был использован
вибростенд модели 4808 фирмы Bruel&Kjaer.
В ходе предварительных экспериментов было установлено, что наиболее эффективное
перемешивание достигается при работе аппарата на собственных частотах, которые, исходя
из анализа спектра собственных частот, составили 6, 19, 40, 60 и 100 Гц.
Для оценки характера перемешивания в качестве наглядного индикатора
растворяющегося вещества сначала использовались чернила. В качестве растворителя
использовалась вода из городского водопровода города Москвы. Растворение капли чернил
происходило порядка 30-40 секунд в зависимости от частоты колебаний и уровня
виброускорения
поршня.
Перемешивание
происходило
равномерно,
чернила
распределялись по всему объему пространства над поршнем (рис. 30). Турбулентность в
явном виде отсутствует. Следует отметить, что чернила практически не проникают в объем
смесителя под поршнем.
Рис. 30. Перемешивание чернил на экспериментальном стенде.
а – первая секунда перемешивания; б – третья секунда; в – 25-ая секунда
29
Рис. 31. Перемешивание чернил с водой с помощью мешалки лопастного типа.
а – вторая секунда; б – 25-ая секунда
Для сравнения проводилось перемешивание чернил в механическом смесителе, где в
качестве перемешивающего устройства использовалась вращающаяся магнитная мешалка. В
среднем капля чернил растворялась в течении 30-50 секунд. Следует отметить, что при всех
интенсивностях перемешивания и при любом месте ввода чернил, чернила по прошествии
некоторого времени собирались в центре воронки по всей высоте стакана (рис. 31), в
котором происходило перемешивание. Таким образом, чернила при растворении не
занимали весь объем сосуда, что является явным недостатком при перемешивании.
Для проведения эксперимента был изготовлен модельный сток, приготовленный на
основе грунта и водопроводной воды.
В качестве коагулянта, с помощью которого проводилась обработка воды, был выбран
Аква-ауратТМ30. Его концентрация составляла 0,8%.
Табл. 3. Результаты исследования
Для исследования процессов вибрационной
пробы сточной воды
интенсификации процессов коагуляции и флокуляции Наименование
Ед.
Резульизм.
тат
использовалась сточная вода нефтеперекачивающей показателя
станции Рязанского НПЗ. Аналитический анализ состава
исходной и очищенной воды проводился аналитической Взвешенные
мг/л
16,0
лабораторией ЗАО «Роса». Результаты анализов вещества
Нефтепродукты мг/л
0,92
приведены в таблице 3.
общие, в т.ч.:
В ходе предварительных экспериментов было
- керосин
%
20
установлено, что сточная вода поддается наилучшей - дизельное
%
80
очистке в случае комбинированного воздействия таких топливо
по NTU
26
реагентов как: известь, алюмосодержащий коагулянт и Мутность
NTU
синтетический флокулянт. При этом дозы указанных
реагентов, а также порядок их добавления определялся
экспериментально. В качестве коагулянта использовался
Аква-аурат 30 в 5% разведении с концентрацией до 7
мг/л. В качестве флокулянта использовался Суперфлок
А-150 в 0,1% разведении. Его концентрации
варьировались в диапазоне от 0 до 7 мг/л. Известь
использовали в 5% разведении, варьируя концентрацию
от 0 до 12 мг/л. Суть реагентной очистки сводилась к
последовательному добавлению в исходную воду Рис. 32. Схема лабораторного стенда
объемом 200 мл раствора извести, и растворов для виброинтенсификации коагуляции и
флокуляции
коагулянта и флокулянта. Перемешивание реагентов
после каждого добавления осуществлялось вручную и длилось не более 1 мин. После
30
окончания хлопьеобразования проводилось отстаивание очищаемой воды в течении 10
минут.
Затем полученные результаты очистки сравнивались с результатами, полученными
после виброинтенсификации процессов коагуляции и флокуляции, которая проводилась на
установке, представленной на рис. 32. Она состояла из вибростенда (1), на котором
закреплялась колонна (2), заполняемая очищаемой сточной водой объемом 200 мл. На
вибростенд подавался сигнал через усилитель мощности (4) от генератора (6)
синусоидальной формы заданной частоты. Акселерометр (3) использовался для определения
собственных резонансов системы, а также для мониторирования и поддержания заданного
уровня вибрации. Для данной установки также был определен спектр собственных частот,
которые составили 205 и 805 Гц – частоты колонны (2) и столба жидкости в колонне
соответственно. Основной являлась частота 805 Гц, на ней осуществлялось
вибровоздействие. В ходе исследований было установлено, что виброускорение не должно
превышать 1-2 g, так как его увеличение ведет к разрушению флокул и снижению
эффективности очистки. Последовательность введения реагентов в установку была такой
же, как и без вибрации, однако механическое перемешивание после введения извести,
коагулянта и флокулянта не осуществлялось.
Вместо этого, сразу после введения реагентов оказывалось вибровоздействие на
раствор сточной воды и реагентов продолжительностью 2 минуты. После чего проводилось
отстаивание очищаемой воды в течении 5 минут. В обоих случаях эффективность
определялась по мутности (NTU).
При исследовании воздействия вибрации на перемешивание реагентов установлено,
что до тех пор, пока амплитуда колебаний поршня не достигла критической величины,
перемешивание имеет относительно спокойный характер. При оптимальной амплитуде
колебаний наблюдается скачкообразное возникновение потоков большой интенсивности,
сопровождающихся ярко выраженным турбулентным характером перемешивания. Именно
при этой оптимальной амплитуде наблюдалась наибольшая эффективность очистки. При
этом наступает лавинообразный подъем грубодисперсных частиц со дна емкости, почти
равномерно заполняющих весь ее объем. В этом случае режим перемешивания можно
охарактеризовать как режим идеального смешения.
При дальнейшем повышении амплитуды колебаний диска характер перемешивания
практически не меняется, но мощность, потребляемая виброприводом, значительно
увеличивается. Результаты приведены на рис. 33-38.
Затем было проведено сравнение изменения отношения виброускорения к частоте,
которое показано на рис. 39. Очевидно, что чем больше частота, тем больше требуется
виброускорение и, соответственно, тем больше подводимая мощность. Аппроксимация
полученных результатов в программном комплексе Matlab позволяет получить
экспоненциальную зависимость.
Таким образом, энергетически гораздо выгоднее работать на более низких
собственных частотах. В связи с повышенными энергозатратами и уровнем шумового
воздействия частоты более 100 Гц в экспериментах не рассматривались.
Так же для сравнения результатов проводилось эталонное перемешивание той же
модельной жидкости вручную в колбе, при такой же дозе реагента, и дальнейшее
отстаивание в течение 20 минут с измерением мутности. Результаты приведены на рис. 40.
31
100
Эффективностьочистки,NTU,%
Эффективностьочистки,NTU,
%
Продолжительность эталонного перемешивания на 10
виброперемешивании при той же эффективности очистки.
95
90
85
80
75
70
0
5
10
15
секунд
больше,
чем
при
94
92
90
88
86
84
82
80
0
5
10
Мощность,Вт
15
20
25
МощностьВт
Рис. 33. Зависимость эффективности очистки Рис. 34. Зависимость эффективности очистки от
от мощности вибростенда на частоте 6 Гц.
мощности вибростенда на частоте 19 Гц.
96
Эффективностьочистки,NTU,%
Эффективностьочистки,NTU,%
94
92
90
88
86
84
82
80
78
94
92
90
88
86
84
82
80
76
78
0
5
10
15
20
25
20
25
30
40
45
50
Рис. 36. Зависимость эффективности очистки от
мощности вибростенда на частоте 60 Гц.
94
300
92
250
Мощность,Вт
Эффективностьочистки,NTU,
%
Рис. 35. Зависимость эффективности очистки
от мощности вибростенда на частоте 40 Гц.
90
88
86
200
150
100
50
84
0
82
220
240
260
280
300
320
0
340
20
40
Рис. 37. Зависимость эффективности очистки
от мощности вибростенда на частоте 100 Гц.
Эффективностьочисткипо
NTU,%
14
12
10
8
6
4
2
0
20
40
60
80
100
Рис. 38. Зависимость оптимальной мощности
вибростенда от частоты при
эффективности очистки 89-91% по NTU
16
0
60
Частота,Гц
Мощность,Вт
Виброускорение,g
35
Мощность,Вт
Мощность,Вт
80
100
Частота,Гц
92
90
88
86
84
82
80
78
5
10
15
20
25
30
35
40
Время,с
Рис. 39. Зависимость уровня виброускорения от
частоты при эффективности 89-91% по NTU.
32
Рис. 40. Зависимость эффективности очистки
от времени перемешивания при перемешивании
вручную в колбе.
Результаты
применения вибровоздействия
для интенсификации процессов
коагуляции и флокуляции было
установлено, что без вибрации
наибольшая
эффективность
очистки – 98% достигается при
концентрации извести – 4 мг/л,
коагулянта
–
4
мг/л,
флокулянта
–
4
мг/л.
Реагентная очистка сточной
воды
с
вибрационным
воздействием
привела
к
значительно
лучшим
результатам по сравнению с
очисткой без вибрационного Рис. 41. Эффективность очистки с вибровоздействием на частоте
805 Гц, виброускорением 1 g, концентрации извести 0,5 мг/л.
воздействия. Мутность воды
снижается с 26 до 0,3 NTU, т.е. эффективность очистки достигает 98%, но концентрация
извести при этом – 0,5 мг/л, коагулянта – 0,5 мг/л, флокулянта – 0,25 мг/л.
Таким образом, концентрации реагентов могут быть снижены в 10 раз по сравнению с
методом обработки без вибрации. Кроме того, общая продолжительность процесса очистки
составляет 7 минут, из которых 3 минут очищаемая вода подвергается вибровоздействию.
Результаты реагентной очистки с вибровоздействием представлены на рис. 41. Итоговая
эффективность очистки достигает 98%, что позволяет добиться снижения содержания
общих нефтепродуктов в очищаемой воде с 0,92 мг/л до 0,02 мг/л при нормативном
значении 0,05 мг/л.
Разработка методики расчета устройства виброперемешивания реагентов
На основании обзора литературы и проведенных экспериментов предлагается
следующая методика для расчета устройства виброперемешивания реагентов:
1. Входными данными для расчета являются:
• Производительность флотационной установки по воде (м3/ч).
• Продолжительность смешивания (выбирается в диапазоне от 10 до 30 с в
зависимости от реагентов).
• Диаметр входного патрубка, м.
• Частота работы поршня (выбирается на основании модального анализа поршня).
2. Из условия равенства расходов выбирается производительность установки для
виброперемешивания реагентов (смесит = флот ).
3. Определяется объем камеры смесителя по формуле:
смесит = смесит ∗  .
(21)
где: Т – продолжительность смешивания, с.
Принимается, что высота камеры смешения в полтора раза больше диаметра. Тогда из
условия, что:
смесит = смесит ∗ 1,5смесит ,
(22)
33
где: Sсмесит – площадь основания смесителя. Для цилиндрического смесителя имеем
Sсмесит= pDсмесит2/4, подставляя в формулу (21) и выражая из формулы диаметр смесителя
(м), получаем:
смесит =
• I‹смесит
.,Œ8
≈ 0,95 • смесит ,
(23)
4. Определяется скорость движения жидкости во входном патрубке
wвх =
•смесит
•вх
,
(24)
где: Sвх - площадь входного патрубка, м2.
5. Выбирается площадь перфорированного поршня Sп , м2 в зависимости от
перемешиваемого объема Vсмесит , м3.
Sп =
”смесит
(•.%m•.Œ)
,
(25)
6. Выбирается площадь живого сечения поршня в диапазоне от 7 до 11% от площади
поршня. Sотв = 0,07 … 0,11Sп
Рекомендуемый диаметр отверстий (do) 5-10 мм. Оптимальный угол раствора
конуса отверстий 97˚. Исходя из данных требований определяется число
отверстий:
€
— = отв
,
(26)
H
(˜™š /I)
7. Мощность, затрачиваемую при вибрационном перемешивании, можно представить
в виде трех составляющих:
• Статической мощности, затрачиваемой на подъем подвижных частей (поршня,
штока, шатуна, эксцентриковой втулки, подшипника скольжения, крепежных
деталей сборки тарелок);
• Мощности, затрачиваемой на преодоление силы инерции, возникающей при
возвратно-поступательном перемещении подвижных частей;
• Мощности, затрачиваемой на преодоление сил трения тарелок о рабочую
среду в аппарате.
На шток вибрационного аппарата действует сила, складывающаяся из тех же
трех составляющих. Знание мощности и силы, действующей на шток, необходимо
для правильного выбора энергетического оборудования и прочностного расчета
элементов вибрационного аппарата.
Мощность электромагнитного возбудителя (в Вт) определяется в
зависимости от объема смесителя:
Nэ = 700 ∗ Vсмесит
(27)
8. Известно также, что мощность определяется для движущегося тела, совершающего
работу как:
Nэ =  ∗ w,
(28)
где: w – виброскорость (м/с), P – выталкивающее усилие вибрационной установки
(Н).
Виброскорость определяется как
•
w=
,
(29)
78ž
где: f – частота вибрации, Гц.
34
На шток вибрационного аппарата действует сила, складывающаяся из силы тяжести
(веса подвижной системы) P. , силы инерции P7 и силы гидравлического сопротивления
движущихся тарелок P0 :
P = P. + P7 + P0 ,
(30)
Вес подвижной системы P. является постоянной величиной и складывается из веса
поршня, веса штока с крепежными устройствами, веса эксцентриковой втулки, веса
подшипника скольжения и веса крепежных деталей с учетом выталкивающей силы,
действующую на погруженную в рабочую среду часть подвижной части.
к ¢(£к m£ж )
P. =
£к
,
(31)
где: mк - масса всех конструкционных материалов подвижной части, кг; ρк и ρж - плотности
конструкционных материалов и жидкости соответственно, кг/м3.
Сила инерции подвижной системы переменна во времени и определяется из
выражения:
P7 =
¦§
¢
∗ ,
(32)
где:  - пиковое ускорение подвижной системы, м/с2.
Сила сопротивления, действующая со стороны жидкости на поршень, меняется во
времени и определяется как:
P0 = c ∗ Sп ∗
£ж © H
7
,
(33)
где: c - коэффициент лобового сопротивления плоского поршня (для упрощения принято,
что поршень сплошной); c = 1.14; Sп - площадь поршня, м2; ρж - плотность жидкости, кг/м3;
w – пиковая скорость поршня, м/с.
Таким образом, подставляя уравнение (43), (42), (41) в (40), а затем преобразованное
уравнение (40) и уравнение (39) в (38), получаем:
Nэ =
к ¢(£к m£ж )
£к
+
78žª
¢
∗
к ¢ £к m£ж
£к
+ c ∗ Sп ∗
£ж © H
7
∗ w,
(34)
Решая данное уравнение относительно w, получим требуемую виброскорость (м/с)
для работы виброперемешивающего аппарата, а из нее получаем виброускорение согласно
формуле (29).
9. Затем определяется скорость направленного движения жидкости в отверстиях
поршня:
Градиентскорости,1/с
wструи = 2 ∗
420
400
380
360
340
320
300
0
20
40
60
80
100
Частота,Гц
Рис. 42. Зависимость среднего градиента
скорости от частоты.
.
.d¤
−
.
.d¬H
∗
-H
порш
¯° ∗±H
отв
∗f∗A,
(35)
где: R порш - радиус поршня, м; n— - количество
отверстий в поршне; rотв – радиус отверстий в
поршне, м;  - частота колебаний поршня, Гц; A
– амплитуда колебаний поршня, м; ε. и ε7
коэффициенты
местных
сопротивлений
отверстий с острой и конусной кромкой
соответственно (принимается как 0,5 и 1
соответственно, если не указано иное).
Амплитуда колебаний поршня определяется
как:
35
А=
ª
78ž
,
(36)
Скорость направленного движения жидкости в отверстиях поршня должна
соответствовать турбулентному течению жидкости, определяемому по закону Рейнольдса:
 =
ªструи ∙™отв
¹
,
(37)
где: υ- кинематическая вязкость жидкости.
Критическим значением, при котором будет возникать турбулентное течение является
Re=2360.
Средний градиент скорости определяется как
G=
¼
½”камеры À
,
(38)
где затраты энергии в смесителе в единицу времени E складываются из трех основных
составляющих
E = E. + E7 + E0 ,
(39)
где: E. – затраты энергии, связанные с преодолением поршнем силы сопротивления со
стороны жидкости, Дж; E7 - затраты энергии, связанные с гидравлическими потерями в
смесителе на входе и выходе, Дж; E0 - затраты энергии, связанные с гидравлическими
потерями образующихся заглубленных струй.
Затраты энергии, связанные с преодолением поршнем силы сопротивления со стороны
жидкости, зависят от режима перемешивания и определяются как:
E. = P0 ∗ S,
(40)
где: P0 - среднеквадратическая сила сопротивления, действующая на поршень со
стороны жидкости, Н; S - расстояние, преодолеваемое поршнем за время перемешивания, м.
Расстояние, преодолеваемое поршнем за время перемешивания, определяется как:
S = S. ∗ F ∗ T,
(41)
где S. - расстояние, преодолеваемое поршнем за один период, м.
Затраты энергии, связанные с гидравлическими потерями в смесителе на входе и
выходе, не зависят от режима перемешивания и определяются как:
E7 = ∆Pвх + ∆Pвых ∗ Vкамеры ,
(42)
где: ∆Pвх и ∆Pвых - гидравлические потери напора на
входе и выходе в устройство виброперемешивания
соответственно, Па; Vкамеры - объем камеры смешения,
м3 .
Затраты энергии, связанные с гидравлическими
потерями образующихся четырех заглубленных струй
зависят от режима перемешивания и определяются как:
E0 = 4 ∗ ∆Pструи ∗ Vструи , (43)
где:
∆Pструи
гидравлический
напор
заглубленной струи, образующейся в отверстии, Па;
Vструи - объем жидкости, прошедший через одно
отверстие в поршне за время перемешивания, м3.
Для всех частот режимов работы значение
Рис. 43. Линии тока жидкости в
виброперемешивающем узле проточного среднего
градиента
скорости
рассчитано
в
типа при работе на 19 Гц.
программном комплексе Matlab. На рис. 42
36
представлена зависимость среднего градиента скорости при оптимальном режиме
перемешивания от частоты.
На данном этапе получены все геометрические размеры камеры смешения устройства
для виброперемешивания. Используя полученные данные, модель аппарата была построена
в программном комплексе SolidWorks.
В результате расчета и построения линий тока жидкости (рис. 43), при работе на
оптимальном режиме на разных частотах получено, что на всем диапазоне частот 6-100 Гц
существуют режимы, при которых происходит оптимальное перемешивание и
эффективность очистки после последующего отстаивания максимальна. При этом,
продолжительность виброперемешивания при любых оптимальных режимах работы меньше
продолжительности эталонного перемешивания вручную на 10 секунд.
В пятой главе описан способ интенсификации обеззараживания воды методом
виброакустического
воздействия
на
резонансных режимах.
Для
проведения
лабораторных
испытаний была собрана установка,
схема которой приведена на рис. 44.
На генераторе сигнала типа 9502
фирмы Vibration Research создается
синусоидальный
сигнал
заданной
частоты и уровня виброускорения. Через
усилитель мощности типа 2718 фирмы
Рис. 44. Схема установки для исследования
Брюль и Къер сигнал подается на
виброакустического обеззараживания воды
вибростенд типа 4808 фирмы Брюль и
Къер. На вибростенд устанавливается колонна с культуральной жидкостью для
обеззараживания.
Исследуемым объектом в данной работе является цилиндрическая колонна с
препаратом, которая крепится к столу вибростенда. Размеры: диаметр 60 мм, высота 650 мм.
Колонна наполняется культуральной жидкостью со штаммом микроорганизмов объемом
215 мл либо 430 мл.
Рис. 45. Спектры собственных частот культуральной жидкости объемом 215 мл
(слева) и 430 мл (справа)
37
Перед началом экспериментов был проведен анализ собственных частот сборки,
состоящей из колонны, культуральной жидкости и расширительного стола (рис. 45).
В результате проведенного анализа были определены собственные частоты колебаний
культуральной жидкости для разного объема наполнения колонны. Например, для объема
215 мл собственная частота колебаний культуральной жидкости составила 207 Гц, а для
объема 430 мл – 142 Гц. Таким образом, виброакустическая обработка очищаемой воды
проводилась на частоте, равной частоте очищаемой жидкости в данной конфигурации.
Определение количества клеток определялось высевом методом Коха на агар.
Для оценки эффективности применение метода вибрационного обеззараживания воды
проводился контрольный посев исходной суспензии, содержащей микроорганизмы.
Результаты посевов исходной и обработанной суспензий сравнивались между собой. В
качестве критерия был взят коэффициент эффективности, характеризующий
сопротивляемость микроорганизмов виброакустическому воздействию:
Æ mÆ
γ = § H ∗ 100%,
(44)
ǧ
N1 – исходное число микроорганизмов,
N2 – число выживших микроорганизмов после вибровоздействия.
В ходе исследования был проведен большой ряд экспериментов, целью которых было
определить режимы и уровни, при которых
виброакустическое воздействие оказывало бы
1
0,9
наибольшее воздействие.
0,8
В частности, были сравнены результаты
0,7
исследований на разных частотах и
0,6
0,5
подтверждено
предположение,
что
0,4
наибольшая эффективность достигается на
0,3
резонансных частотах столба культуральной
0,2
жидкости (очищаемой воды) при уровне
0,1
0
500
1000
1500
2000
вибрации, при которой столб воды входит в
Время,с
режим резонанса.
В
рамках
каждого
эксперимента
Рис. 46. Изменение эффективности
проводилось 5 отборов по истечении 2, 5, 10,
виброакустической обработки культуральной
жидкости с дрожжами Candida maltosa. Точками 20 и 30 минут и определялась эффективность
показаны измеренные значения.
виброакустической обработки.
Эффективностьобработки,%
где:
На рис. 46 показано изменение
эффективности обработки культуральной
жидкости на режиме, 142 Гц, 10g, который
был определен, как наиболее эффективный
в данной конфигурации.
Таким образом, было установлено,
что при виброакустической обработке
культуральной жидкости, содержащей
штаммы микроорганизмов Candida maltosa
продолжительностью 30 минут на частоте Рис. 47. Исходная культура (слева) и культура, после
142
Гц,
которая
характеризует
вибрационного воздействия (справа)
38
Эффективностьобработки,%
собственную частоту данного столба жидкости, на уровне вибрации 10g было достигнуто
снижение
концентрации
культуры
1
микроорганизмов на один порядок с
0,9
2×10É до 2×10Œ шт./мл.
0,8
Результаты
посева
исходной
культуры и культуры, подвергшейся
0,7
виброакустической обработке показаны
0,6
на рис. 47.
0,5
Длительность
воздействия
0,4
выбиралась таким образом, чтобы при
0
1000
2000
3000
4000
дальнейшем
увеличении
Время,с
продолжительности виброакустической
Рис. 48. Изменение эффективности
экспозиции
вдвое
концентрация
виброакустической обработки культуральной
культуры уменьшалась не более, чем на жидкости с бактериями Bacillus subtilis в споровой
фазе. Точками показаны измеренные значения.
10%.
Аппроксимация
полученного
результата может быть сделана на основе допущения, что виброакустическое воздействие
носит экспоненциальный характер. Оно основывается на многочисленных аналогиях
угнетающего эффекта на микроорганизмы других видов физических воздействий
(ультразвукового, ультрафиолетового и пр.).
В этом случае, изменение концентрации содержания микроорганизмов будет
определяться по формуле:
С = Сп ∙  mËÌ ∙•∙* + в ,
(45)
где:
С
–
текущая
концентрация
микроорганизмов, СП – максимально возможное
число
погибших
микроорганизмов
при
воздействии
данного
виброакустического
воздействия, СВ – концентрация устойчивых к
данному воздействию микроорганизмов, sV –
константа,
характеризующая
значение
устойчивости данного вида микроорганизма к
виброакустическим
воздействиям,
а
–
виброускорение.
Аппроксимация полученных в ходе
эксперимента значений согласно формуле (45)
позволяет определить значение константы,
характеризующей
значение
устойчивости
дрожжей Candida maltosa к виброакустическим
воздействиям, которая составляет 3 с/мм.
Также были выбраны бактерии Bacillus
subtilis в споровой фазе в качестве наиболее
устойчивых микроорганизмов.
Согласно методу, описанному выше, были Рис. 49. Опытно-промышленная установка
для обеззараживания сточной воды.
проведены
испытания
и
определен
39
оптимальный режим виброакустического воздействия. Объем культуральной жидкости в
колонне был меньше, чем в предыдущей серии опытов, поэтому резонансная частота
колонны воды составляла 207,5 Гц. Уровень виброускорения, достаточный для
возникновения резонансных эффектов составлял 6g.
В ходе исследования был также проведен ряд экспериментов, целью которых было
определить режимы и уровни, при которых виброакустическое воздействие оказывало бы
наибольшее воздействие, но уже на бактерии в споровой фазе.
В рамках каждого эксперимента проводилось 7 отборов по истечении 2, 5, 10, 20, 30, 45
и 60 минут и определялась эффективность виброакустической обработки.
На рис. 48 показано изменение эффективности обработки культуральной жидкости с
бактериями Bacillus subtilis.
Испытания показали, что данный метод эффективен и в отношении наиболее
устойчивых микроорганизмов, так как концентрация бактерий снизилась с 1,1×10Í до
5×10• , таким образом эффективность метода достигает 50%.
Длительность воздействия выбиралась таким образом, чтобы при дальнейшем
увеличении продолжительности виброакустической экспозиции вдвое концентрация
культуры уменьшалась не более, чем на 10%.
Таким образом, можно сделать вывод, что использование виброакустических
воздействий для обеззараживания воды эффективно. При этом необходимо подбирать
режимы вибровоздействия таким образом, чтобы достичь резонанса столба очищаемой
жидкости.
Аппроксимация полученных в ходе эксперимента значений согласно формуле (45)
позволяет определить значение константы, характеризующей значение устойчивости
бактерий в споровой форме Bacillus subtilis к виброакустическим воздействиям, которая
составляет 0,25 с/мм.
На основании результатов исследования была спроектирована опытно-промышленная
установка для обеззараживания сточной воды. Однако наиболее оптимальным будет
являться комплексное воздействие на очищаемую воду,
состоящие из комбинации нескольких факторов. На
основании данного предположения была спроектирована
опытно-промышленная установка для виброакустического
обеззараживания воды, представленная на рис. 49.
Исходная загрязненная вода подается в патрубок 10 и,
при необходимости, смешивается с реагентами для коррекции
pH исходной воды, после чего она поступает в
дезинфицирующую колонну 4, в которой установлена УФлампа 5 для дополнительной УФ обработки воды. В колонне
очищаемая вода закручивается вокруг УФ лампы по спирали
шнека, за счет этого увеличивается время нахождения воды в
зоне виброакустической и УФ- обработки. Пройдя по всей
Рис. 50. Расчетная схема
спирали, очищенная вода подается на патрубок отвода воды 2.
обеззараживания сточной
Дезинфицирующая колонна целиком, в сборе, совершает
воды методом
возвратно-поступательные
колебания,
двигаясь
в
комбинированного
направляющих роликах 1. Вибровозмущение передается на
виброакустического и УФвоздействия.
колонну от виброгенератора 7 через кривошипно-шатунный
40
механизм 8. Колонна соединяется с корпусом виброгенератора через вибропоршень 9.
Вибрация генерируется за счет привода электродвигателем 6 кривошипно-шатунного
механизма. При этом, может осуществляться регулирование частоты колебаний путем
изменения частоты напряжения питания электродвигателя с помощью частотного
регулятора. Амплитуда колебаний может изменяться установкой шатунов разной длины.
Функционирование УФ-лампы регулируется за счет панели управления (ПУ).
Методика расчета установки для обеззараживания сточной воды методом
виброакустического и ультрафиолетового обеззараживания основывается на расчетной
схеме, показанной на рис. 50.
Таким образом, методика расчета установки для обеззараживания сточной воды
методом виброакустического и ультрафиолетового обеззараживания сводится к
следующему алгоритму:
1. Ввод исходных данных для расчета:
- Требуемой эффективности обработки, Iбк
- Определение коэффициента запаса, KЗ
- Нормированной дозы УФ-облученности, Ннорм
- Тип бактерицидной лампы
- Время обработки воды, t
- Начальная концентрация микроорганизмов в воде, N0
2. Определяется ожидаемое число выживших микроорганизмов по формуле:
Nв = (1 - Iбк ) N0 ,
(46)
3. Определяется допустимая толщина слоя для обеззараживания по формуле:
H = -ln(0,7)/a
,
(47)
4. Определяется допустимая производительность колонны Q по формуле:
 =  ∙  ∙
Ï7
I
−
™H
I
/ср ,
(48)
5. Определяется внутренний диаметр внешнего корпуса колонны по формуле:
D = d +2h,
(49)
6. Определяется основная резонансная частота f и виброускорение a методом модального
анализа сборки колонны.
7. Определяются константы фоточувствительности и чувствительности к
виброакустическому воздействию на основе содержащихся в воде микроорганизмов.
8. Определяется доза виброакустической экспозиции как
HV = a*t,
(50)
9. Определяется доза УФ-облучения по формуле:
(51)
В результате расчета получают действующие дозы УФ-облучения и виброакустической
экспозиции, режимы УФ- и виброакустической обработки, геометрические параметры
колонны для обеззараживания и требуемую эффективность дезинфекции.
В шестой главе описано виброакустическое воздействие на резонансных частотах на
химические процессы очистки и, в частности, на озонирование сточной воды. Однако
41
озонирование при большом количестве достоинств обладает рядом серьезных недостатков,
главными из которых является высокая стоимость при относительно небольшой
эффективности очистки и токсичность озона для человека. В связи с этим, способы
интенсификации очистки позволят либо повысить эффективность очистки, либо снизить
удельную стоимость обработки, либо снизить эффективную дозу озона.
В качестве способа интенсификации в данной главе рассматривалось
виброакустическое воздействие. Исследования проводились на модельном стоке из
машинного масла и водопроводной воды и на стоке автомоечного комплекса. При
проведении экспериментов собиралась установка аналогичная установке на рис. 44, только
дополнительно в колонну устанавливался аэратор, в который подавался озон через
генератор озона.
Для выбора режима вибровоздействия аналогично методу, используемому в главе 6,
определялись резонансные частоты компонентов системы: расширительного стола,
колонны, столба жидкости объемом 250 мл. В результате было установлено, что
резонансная частота расширительного стола составляет 107 Гц, корпуса колонны – 280 Гц, а
столба жидкости – 885 Гц. Уровень вибрации задавался максимально возможным для
данной установки и составлял от 2 до 10 g в зависимости от частоты.
Размер пузырьков озона, мм
Эффективностьобработки,%
Рис. 51. Изменение объемного количества пузырьков озона в зависимости от их размера с
вибрацией и без вибрации
В ходе исследования процессов,
70
происходящих при виброозонировании с
60
50
помощью анализатора Dantec Studio 2016 и
40
фотофиксации процессов истечения озона
30
из
аэратора
(аналогично
методу,
20
описанному в главе 3), установлено, что при
10
0
наложении вибрации на резонансных
0
20
40
60
частотах
значительно
увеличивается
Время,мин
885Гц10g
Озонированиемодельногостока
объемное содержание газовой фазы в воде.
Рис.52. Эффективность обработки модельного
В частности, удельная объемная доля
стока при 885 Гц с виброускорением 10 g.
увеличилась с 0,28 мм3/мм3 до 0,55 мм3/мм3
(рис. 51). При этом особенно заметно увеличение пузырьков малых размеров (до 1 мм).
Данный эффект вызван снижением гидравлического сопротивления аэраторов при
наложении на него виброакустического воздействия.
42
Эффективность обработки,%
Полученные результаты виброозонирования сравнивались с результатами
озонирования без вибрации, эффективность которой на модельном стоке составила 26%,
обеспечив снижение ХПК за 60 минут обработки с 135 мг/л до 98 мг/л.
Наложение виброакустического воздействия позволило повысить эффективность
очистки практически в два раза. Так, наибольшая эффективность обработки достигается на
резонансной частоте столба жидкости и составляет 57% (рис. 52).
На рис. 53 показано изменение извлечения ХПК при работе на резонансной частоте
водного столба жидкости (885 Гц) при разном виброускорении. Проанализировав данные,
можно утверждать, что чем больше виброускорение, тем выше эффективность. Однако на
практике задание высокого режима приводит к росту шумовой составляющей сигнала и
энергозатратам. С учетом логарифмического характера изменения эффективности
обработки достаточно устанавливать режим в диапазоне 4-8 g.
Для подтверждения полученных результатов была проведена обработка стока
автомоечного комплекса. Исходное ХПК в стоке составляло 1520 мг/л. Перед проведением
виброозонирования был осуществлен поиск резонансных частот и установлено, что
резонансная частота столба жидкости в колонне с тем же объемом стока в ней (250 мл)
составляет 923 Гц. Отличие данной частоты от резонансной частоты столба модельного
стока заключается в меньшей массе стока автомоечного комплекса и большего содержания
легких нефтепродуктов.
Во всем остальном обработка
57,2
60
проходила по методике, описанной выше.
51,8
55
В результате было установлено (рис.
50
42,6
54), что на резонансном режиме
45
40,9
эффективность очистки за 60 минут
40
33,3
обработки составила 56%, что сравнимо с
35
предыдущими экспериментами, в то время
30
26,8
25
как аналогичная обработка без вибрации
20
позволила очистить сточную воду только
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
на 27%.
Виброускорение, g
Озонирование в сочетании с виброакустическим
По результатам проведенных работ
воздействием,885 Гц
Озонирование
была разработана методика расчета
виброозонаторной установки.
Рис. 53. Эффективность обработки модельного
В качестве входных данных для
стока при изменении виброускорения
расчета
виброозонаторной
установки
на частоте 885 Гц
задаются требуемая производительность
3
очистки Q, м /ч; время озонирования, t, мин, концентрация загрязняющего вещества в
поступающих сточных водах, мг/л, и молекулярная масса загрязняющего вещества, а.е.м.
1. Методом модального анализа определяются основные резонансные частоты
виброозонаторной установки.
2. Определяется требуемый расход озона, необходимого для окисления загрязняющих
веществ в сточной воде, кг/ч:
оз = С% ∙  ∙ ,
(1)
где: K – коэффициент эффективности вибровоздействия, выбирается в
диапазоне от 0,95 до 0,5 в зависимости от виброускорения.
43
Эффективностьобработки,%
С0 – требуемая концентрация озона, определяется по формуле:
С% = Св − ПДКв ∙
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
Время,мин
923Гц10G
Безвибрации
Рис.54. Эффективность обработки стока
автомоечного комплекса во времени на
частоте 885 Гц
М)
Мв
, (2)
где:
М0 и Мв – молекулярные массы озона и
загрязняющего вещества, а.е.м, молекулярная
масса озона 47,998 а.е.м.
Св – концентрация загрязняющего
вещества в исходных сточных водах, мг/л,
ПДКв
–
предельно
допустимая
концентрация загрязняющего вещества, мг/л.
3. По формуле (3) определяется доза
озона dоз, мг/л:
макс
оз
= оз /,
(3)
Для обеззараживания фильтрованной
воды доза озона составляет 1-3 мг/л, для
обработки подземных вод - 0,75 -1 мг/л, при введении озона для окисления железа,
обесцвечивания воды с одновременным обеззараживанием доза может доходить до 4 мг/л.
4. Определяется площадь контактных камер для смешения озоновоздушной смеси с
водой:
×∙*
 =
,
(4)
Ø∙É%
где: H – высота воды в камере (выбирается в диапазоне от 1 до 4 метров).
5. Исходя из найденных значений выбирается озонатор в соответствии с требуемой
производительностью по озону Gоз, кг/ч.
6. Из характеристик выбранного озонатора определяются расход воздуха (газа), qвозд,
3
м /ч, и расход охлаждающей воды, qохл, м3/ч.
В седьмой главе показано сравнение предложенных способов интенсификации
очистки с прочими способами по следующим показателям: время очистки, металлоемкость,
примерная стоимость оборудования, потребление электроэнергии и остаточное содержание
загрязнений. Приведена оценка экологического эффекта от использования разработанных
решений, который составляет 208 млн. руб. в год для одной комплексной модернизации
технологической линии окрасочного цеха производительностью 5 м3/час.
В настоящее время проводится комплексная модернизация технологической линии
водоочистки цеха механобработки ФГУП «ГосНИИАС», г. Москва с установкой активного
виброфлотатора, устройства для виброперемешивания и системы вибро- УФобеззараживания. Во ФГУП «НПЦАП им. акад. Н.А. Пилюгина» в 2017 году и в АО
«Транснефть-Диаскан» в 2018 году был внедрен виброфлотоаппарат с системой активного
мониторинга системы аэрации. Достигнуто увеличение общей эффективности очистки на
24-35%.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В диссертационной работе изложены результаты исследований по комплексному
использованию виброакустического воздействия на основных этапах технологической
схемы очистки сточных вод (флотационная очистка, реагентая обработка, обеззараживание,
44
озонирование), содержащих гидрофобные загрязнения, в т.ч. нефтепродукты, с целью
интенсификации данных процессов.
Наиболее существенными результатами работы являются:
1. Экологический эффект от внедрения разработанных способов путем комплексной
виброинтенсификации достигается за счет повышения эффективности очистки на 20-30%,
снижения нагрузки на очистное оборудование на 15-20%, снижения остаточной
концентрации реагентов до 8 раз и, как следствие, уменьшения нагрузки на окружающую
среду.
2. Впервые проведена комплексная интенсификация химических и физико-химических
технологий очистки сточных вод от гидрофобных загрязнений, в том числе нефтепродуктов,
на основе использования резонансных режимов виброакустических воздействий.
Разработаны условия, режимы и способы применения виброакустического воздействия для
интенсификации очистки сточных вод, содержащих гидрофобные загрязнения на основных
этапах очистки: флотационной обработки, реагентной очистки, обеззараживании и
озонировании.
3. Впервые проведено комплексное исследование влияния вибрации на флотационный
процесс на основе многостадийной модели флотации. С помощью разработанной
математической модели виброфлотационного процесса, включающего диспергирование
пузырьков воздуха, определены оптимальные режимы вибровоздействий на частотах до 300
Гц и виброускорением до 5 g на процесс виброфлотационной очистки нефтесодержащих
сточных вод. Показано, что имеют место резонансные эффекты во флотомашине.
Установлено, что воздействие вибрации позволяет сократить время флотации до 10…15
минут, что в 1,5-2 раза меньше времени флотации без воздействия вибрации.
4. Впервые решена задача разделения источников звука – пузырьков воздуха в сточной
воде методом слепого разделения компонентов, которая позволила разработать новый
гидроакустический
метод
определения
качественно-количественного
состава
газовоздушной смеси в сточной воде погружением в воду измерительной группы,
состоящей из не менее трех гидрофонов.
5. Разработан оригинальный метод обработки информации от измерительной группы
гидрофонов флотационного аппарата, основанный на использовании метода анализа
независимых компонентов каскадными алгоритмами, который включает: алгоритм
разделения независимых компонентов; алгоритм МГУА для построения моделейпретендентов; алгоритм осреднения по ансамблю для получения модели исследуемого
процесса; нелинейный фильтр Калмана с самоорганизующейся моделью для оценки
сигналов газовоздушной смеси в сточной воде.
6. Разработана программно-аппаратная техника, позволяющая использовать в
флотационных
аппаратах
гидроакустический
метод
определения
качественноколичественного состава газовоздушной смеси в сточной воде для управления режимом
виброфлотации и поддержания в режиме реального времени оптимального размера
пузырьков воздуха (0,1 мм); таким образом обеспечивается максимальная эффективность
очистки вне зависимости от состава сточных вод, содержащих гидрофобные загрязнения.
7. Установлено, что виброперемешивание реагентов наиболее эффективно протекает на
резонансных частотах перфорированного поршня в области частот до 100 Гц, при этом для
каждой резонансной частоты имеет место оптимальное виброускорение поршня,
изменяющееся в диапазоне 0,4…13g, при котором эффективность перемешивания
45
максимальна, дальнейшее увеличение виброускорения приводит к высокой турбулизации
раствора и ухудшению условий перемешивания.
8. Показано, что при прочих равных условиях длительность виброперемешивания меньше
длительности
механического
(импеллерного)
перемешивания
на
30%.
При
виброперемешивании отсутствуют такие характерные особенности импеллерного
перемешивания, как наличие застойных зон и образование воронки на границе раздела фаз.
9. Использование вибрационного воздействия на стадиях реагентной обработки
коагуляцией и флокуляцией виброускорением 1 g на резонансных частотах водного столба
при сохранении эффективности очистки, достигающей 98%, позволяет снизить требуемую
концентрацию реагентов в очищаемой сточной воде до 8 раз, сократив при этом время
реагентной обработки практически в два раза.
10. Впервые установлено влияние вибрации на обеззараживание сточной воды при ее
наложении на столб культуральной жидкости на собственных (резонансных) частотах в
диапазоне до 1000 Гц и при виброускорении до 10 g. При этом эффективность
виброобеззараживания достигает 50-90%, а его применение в сочетании с другими
способами обеззараживания, например, ультрафиолетовой обработкой, позволяет повысить
эффективность обеззараживания до 99,8%, сократив воздействие на окружающую среду.
11. Разработана технология комбинированного виброакустического воздействия и УФобеззараживания воды, заключающаяся в постоянном вибровоздействии в заданном режиме
на аппарат при постоянном протекании через него очищаемой воды и одновременном
облучении его УФ-лампой. Предложен образец опытно-промышленной установки для
обеззараживания воды комбинированным методом виброакустической и УФ обработки.
12. Разработана технология виброозонирования, которая позволяет повысить эффективность
окисления нефтепродуктов озоном до 2 раз по сравнению с озонированием без вибрации и
снизить концентрацию озона в технологиях обработки воды на 30-50%, что позволит
снизить экологическую нагрузку на окружающую среду; при этом режим
виброакустического воздействия выбирается исходя из определенной резонансной частоты
столба жидкости и виброускорения в диапазоне от 4 до 10 g в зависимости от требуемой
степени очистки.
13. Экономический эффект от использования разработанных технических решений составит
208 млн. руб. в год для одной комплексной модернизации технологической линии
окрасочного цеха производительностью 5 м3/час.
14. Разработаны, защищены патентами РФ и внедрены устройства для повышения
эффективности на этапах подготовки реагентов, флотационной очистки, реагентной
обработки, озонирования и обеззараживания сточных вод, содержащих гидрофобные
загрязнения. Разработанные устройства отличаются от аналогов повышенной на 15-30%
эффективностью очистки, сниженными на 10-30% эксплуатационными и капитальными
затратами, и занимают площадь до 50% меньше, чем аналогичные установки.
ПУБЛИКАЦИИ
Список публикаций в ведущих рецензируемых
научных журналах, определенных ВАК
1. С. А. Половков, А. В. Николаева, С. В. Мещеряков, М. В. Иванов, Технология
виброакустической интенсификации очистки нефтесодержащих стоков // Наука и
46
технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2018. Т. 8. № 3. С. 352359.
2. М.В. Иванов, С.А. Гаврильев, С.А. Трофимов, Б.С. Ксенофонтов, О.А. Иванова,
Исследование гидроакустических свойств материалов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Сер. Машиностроение. 2018. №3. С. 71-83.
3. С.А. Половков, С.В. Мещеряков, А.М. Гонопольский, М.В. Иванов, Интенсификация
реагентной очистки нефтесодержащих сточных вод виброакустическим воздействием //
Безопасность в техносфере. №6. 2017. С. 25-32.
4. М.В. Иванов, М.С. Селезнева, К.А. Неусыпин, Применение фильтра Калмана для
активной системы мониторинга содержания газовой фазы во флотационном аппарате //
Автоматизация. Современные технологии. 2017. №11, (71). C. 503-508.
5. М.В. Иванов, Б.С. Ксенофонтов, Интенсификация перемешивания реагентов методом
виброакустического воздействия // Экология и промышленность России. 2017. №9, (21). С.
4-9.
6. Козодаев А.С., Таранов Р.А., Ксенофонтов Б.С., Воропаева А.А., Виноградов М.С.
Петрова Е.В., Иванов М.В., Флотокомбайны - перспективная техника для очистки сточных
вод. // Научное обозрение. 2015. № 24. С. 128-138.
7. Kozodaev A.S., Taranov R.A., Ksenofontov B.S., Antonova E.S., Ivanov M.V. The influence
of oil contaminated soil on the quality of surface waste water // Water Practice and Technology.
2015. Т. 10. № 4. С. 814-822.
8. Петрова Е.В., Виноградов М.С. Воропаева А.А., Ксенофонтов Б.С., Таранов Р.А.,
Козодаев А.С., Иванов М.В., Доочистка жиросодержащих сточных вод мыловаренных
производств флотацией // Экология и промышленность России. 2014. №10. С. 2 – 5.
9. Ksenofontov B.S., Ivanov M.V., Case study: Use of flotation for industrial stormwater
treatment // Water Practice and Technology 9 (3), 2014, С. 392-397.
10. Петрова Е.В., Виноградов М.С. Воропаева А.А., Ксенофонтов Б.С., Таранов Р.А.,
Козодаев А.С., Иванов М.В., Разработка и применение флотокомбайнов для очистки
сточных вод // Безопасность жизнедеятельности. 2014. №7. С. 21 -25.
11. Ksenofontov B.S., Ivanov M.V., Intensification of flotation treatment by exposure to vibration
// Water Science and Technology 2014, 69 (7), С. 1434-1439.
12. Ksenofontov B.S., Ivanov M.V., A novel multistage kinetic modeling of flotation for
wastewater treatment // Water Science and Technology 68 (4), 2013, С. 807-812.
13. Петрова Е.В., Виноградов М.С. Балина А.А., Ксенофонтов Б.С., Таранов Р.А., Козодаев
А.С., Иванов М.В., Флотокомбайны – флотационная техника будущего для очистки сточных
вод // Экология и промышленность России 2013. - № 12. - С. 4 – 8.
14. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В., Пути интенсификации флотационного процесса
очистки сточных вод с использованием вибрации. // Экология промышленного производства
межотраслевой научно-практических журнал, 2012, №1, с. 41-44.
15. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В Интенсификация флотационной очистки в оборотных
системах водопользования с использованием вибровоздействий. // Электронное научнотехническое издание Наука и Образование, №2, февраль 2012. Издание на англ. языке:
Ksenofontov B.S., Ivanov M. V. Intensification of Waste Water Flotation Treatment by Vibration
Excitement for Water Recycling // Electronic scientific and technical periodical Science and
Education, №2, February, 2012.
47
16. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Исследование влияния вибрации на флотационную
обработку сточных вод. // Электронное научно-техническое издание Наука и Образование,
№10, октябрь 2011.
17. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В., Геворкян Р. Э., Флотационная очистка сточных вод с
использованием вибровоздействий, Безопасность жизнедеятельности, 2011, №9, с. 32-37.
Прочие публикации по теме диссертации
18. Иванов М.В. Трофимов С.А., Гаврильев С.А., Разработка гидроакустической безэховой
камеры // Сборник статей всероссийской акустической конференции, МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 2016.
19. Шаповал О.А., Иванов М.В., Обеззараживание воды методом акустического воздействия
// Научно-практический журнал "Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение", 7, 2014
20. Петрова Е.В., Виноградов М.С. Воропаева А.А., Ксенофонтов Б.С., Таранов Р.А.,
Козодаев А.С., Иванов М.В., Флотокомбайны: разработка и использование для очистки
сточных вод (Flotation combaine: development and use for wastewater treatment) // Сборник
статей Международной конференции "Водоснабжение и водоотведение населенных мест"
Москва, 4-5 июня 2014 г.
21. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Интенсификация очистки сточных вод и почвы
методом флотации, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013
22. Ksenofontov B.S., Ivanov M.V. Intensification of waste water and soils treatment by flotation,
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013
23. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Интенсификация флотационного процесса очистки
сточных вод с использованием вибровоздействий. // Экология и охрана труда, №1-2 2011,
10-16 стр.
24. Иванов М. В., Байрамова А. Д., Исследование влияния вибрации на распределение
размера аэрируемых пузырьков воздуха при флотации. // Сборник статей участников
Молодежной научно-инженерной выставки «Политехника» - 2011, стр. 23-25
25. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Исследование влияния вибровоздействия на процессы
аэрации и флотации // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение 2011/9 (45) стр. 12-20
26. Иванов М. В., Геворкян Р. Э. Исследование методов изменения скорости всплытия
воздушных пузырьков в воде. // Сборник статей Студенческой конференции «Научная весна
2011»
27. Иванов М. В., Исследование методов изменения скорости всплытия воздушных
пузырьков в воде. // Сборник статей Студенческой конференции «Научная весна 2012»
Патенты
28. Патент на полезную модель № 113519. Флотационная установка для очистки сточных
вод. //Б. С. Ксенофонтов, М. В. Иванов. Заяв. 13.07.2011 №2011129077
29. Патент на полезную модель. Флотационная машина. //Б.С. Ксенофонтов, М.В. Иванов,
С.А. Гаврильев. Заяв. 17.02.2017 Решение о выдаче №2017105263/05(009439).
30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017619555.
Программа «ФлотоКонтроль 1.0» для интенсификации методом слепого разделения
компонентов источников звука в загрязненной воде – пузырьков воздуха, генерируемых
системой аэрации флотационной машины. // М.В. Иванов, М.С. Селезнева, С.А. Гаврильев,
К.А Неусыпин, Б.С. Ксенофонтов, В.В. Клычников. Дата регистрации 25.08.2017.
48
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
17
Размер файла
14 000 Кб
Теги
очистки, виброрезонансная, технология, промышленном, вод, сточных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа