Содержание к диссертации
Введение
I. Пневматические флотомашины и их применение 8
1.1. Современные пневматические флотационные аппараты 8
1.2. Реактор-сепаратор и область его применения 12
1.3. Обзор патентов и промышленных образцов 17
Выводы 27
II. Принципы построения пневматических флотационных аппаратов 29
ILL Принципы оптимизации гидродинамических режимов 29
II.2. Факторы, определяющие конструкцию реактора-сепаратора 31
Выводы 32
III. Материалы и методы исследований 33
III. 1. Описание лабораторных установок реактора-сепаратора З3
Ш.2. Вещественный состав сточных вод промышленной канализации ОАО «Московский НПЗ» 36
Ш.З. Методика проведения опытов для определения скорости осветления сточных вод 37
III.4. Методика исследования распределений пузырьков по размерам в реакторе при различных гидродинамических условиях 38
Выводы 40
IV. Исследование закономерностей флотационного процесса в реакторе-сепараторе при очистке оборотных и сточных вод 41
IV. 1. Исследование распределения воздушных пузырьков в реакторе по крупности 41
IV.2. Исследования по кинетике осветления сточных вод 49
IV.3. Исследование закономерностей флотационного процесса на макете реактора-сепаратора производительностью 1 м" /час 51
IV.3.1. Влияние гидродинамических параметров и времени пребывания на эффективность очистки 53
IV.3.2. Стадийность флотации и влияние циркуляции на эффективность очистки 60
Выводы 64
V. Принципы масштабного перехода при расчёте реакторов-сепараторов различных объёмов 65
V.I. Экспериментальные данные 65
Критерии подобия и методика расчёта реакторов-сепараторов 66
Заводские испытания флотационной технологии очистки сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ на экспериментально-опытной установке типа реактор-сепаратор производительностью 10 м /час 71
1. Описание установки 72
2. Результаты испытаний 81
3. Поиск зависимости степени очистки от состава сточных вод и режимных параметров с помощью множественного корреляционного и регрессионного анализов 83 Выводы 91 Заключение 93 Список использованной литературы
- Реактор-сепаратор и область его применения
- Факторы, определяющие конструкцию реактора-сепаратора
- Методика исследования распределений пузырьков по размерам в реакторе при различных гидродинамических условиях
- Исследования по кинетике осветления сточных вод
Введение к работе
Флотация как основной метод в технологиях обогащения минерального сырья претерпевает в последнее десятилетие значительные изменения в концептуальных подходах как к организации процесса в аппарате, так и к созданию самих аппаратов.
Получившие широкое распространение в обогатительной практике колонные флотомашины, наряду с традиционными механическими и пневмомеханическими машинами, не позволяют радикально повысить управляемость процесса вследствие сохранения принципа протекания в едином объёме аппарата всех субпроцессов, требующих существенно отличающихся гидродинамических условий. Это также ограничивает сферу использования упомянутых конструкций. Например, механические флотомашины применяются практически только для рудной флотации, не получив широкого распространения в области водоочистки, несмотря на попытки такого применения [1]. Колонные аппараты, напротив, обнаруживают трудности при флотации крупных частиц и сростков и очень чувствительны к колебаниям дебита пульпы [2].
Горно-обогатительные комплексы относятся к числу наиболее водоёмких отраслей.
Также сюда можно причислить гидрометаллургические предприятия, предприятия
топливного профиля, текстильное производство, целлюлозно-бумажную
промышленность, коммунальное хозяйство. В любой из указанных областей водопотребления образуется значительный объём оборотных и сточных вод, содержащих самые разнообразные примеси (взвешенные шламистые частицы, капли масел, нефтепродуктов, эмульсии и т.п.) [3]. Одним из основных звеньев в длинной цепи водоочистки была и остаётся флотация, как весьма производительный и недорогой способ извлечения как тонких взвешенных частиц и органических загрязнений, так и эмульсий масел и красителей. Работа этой ступени очистки определяет эффективность работы всех последующих.
В настоящее время на подавляющем большинстве предприятий в отделениях флотационной очистки эксплуатируются пневматические аппараты для напорной флотации. Это значительные по габаритам сооружения, требующие установки вспомогательного оборудования (высоконапорные циркуляционные насосы, сатураторы). Большинство напорных флотаторов имеют большую площадь зеркала пульпы, что способствует вторичному загрязнению атмосферы вредными летучими веществами. Напорные флотаторы весьма чувствительны к колебаниям производительности по питанию, что ведёт к неустойчивой их работе в случае резких отклонений
производительности от номинальной величины. Выход, обводнённость, устойчивость и некоторые другие параметры пенного продукта также не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Одним из основных путей интенсификации процесса флотационной очистки сточных вод является применение пневматических аппаратов для интенсивной флотации, а именно машин нового поколения из семейства реакторов-сепараторов (PC). Отличительной чертой этих аппаратов является предоставляемая ими возможность независимого управления субпроцессами флотации [4, 5].
Предложено множество запатентованных конструкций реакторов-сепараторов, однако они не свободны от недостатков, снижающих эффективность применения этих аппаратов, в частности, в области водоочистки. Не предложены методологические подходы к разработке и применению этих аппаратов в зависимости от типа и характеристик разделяемых компонентов. Более того, принципы масштабного перехода для проектирования и создания типоразмерного ряда флотомашин не разработаны, а исследования закономерностей флотационного процесса в пневматической машине типа реактор-сепаратор находятся на начальной стадии. В то лее время, в связи со всё возрастающим водопотреблением как горно-обогатительных и гидрометаллургических комбинатов, так и предприятий топливного профиля происходит стремительное сокращение водных ресурсов, не подвергшихся промышленному загрязнению.
В силу сказанного разработка аппарата и алгоритма расчёта его конструктивных параметров с целью реализации технологии эффективной флотации тонких частиц и эмульсионных примесей из оборотных и сточных вод является актуальной задачей. При эгом интенсификация процесса в разрабатываемом аппарате может быть достигнута как гибким управлением процессами закрепления и отрыва в различных гидродинамических зонах, так и применением новых эффективных реагентов, нормы расхода которых в новом аппарате могут быть существенно снижены за счёт большей вероятности соударения, закрепления частиц на пузырьках и сохранения образовавшихся флотокомплексов.
Целью работы являлось создание эффективной флотационной технологии очиегки оборотных и сточных вод и нового пневматического аппарата типа реактора-сепаратора, позволяющих повысить степень очистки сточных вод и улучшить экологическую обстановку в промышленных зонах и мегаполисах.
Идея работы заключается в оптимизации гидродинамических режимов основных процессов, протекающих при флотации, за счёт независимого управления ими в многозонном флотационном аппарате, каким является реактор-сепаратор.
В задачи исследования входило:
— разработать критерии для оптимизации гидродинамических режимов в
многозонных пневматических аппаратах, предназначенных для интенсификации
флотации;
- установить зависимости степени очистки при флотации оборотных и сточных
вод в реакторе-сепараторе от различных параметров процесса и конструкции
флотационного аппарата в широком диапазоне производительности;
— разработать методику расчёта реактора-сепаратора для очистки оборотных и
сточных вод на основе выбранных критериев и полученных зависимостей;
- создать экспериментально-опытную установку реактора-сепаратора по
разработанной методике и провести испытания на действующем промышленном объекте.
Методы исследований: химико-аналитические методы определения концентрации нефтепродуктов и содержания взвешенных веществ; ИК-спектроскопия, фотоколориметрия; нефелометрия; оптическая микроскопия; скоростная видеосъёмка; флотация в реакторах-сепараторах различной производительности. Компьютерная обработка результатов исследований проводилась с использованием пакетов ПО MS Office Excel 2003, Origin Pro 7.5, Adobe Premiere Pro 2.0 и Adobe Photoshop CS.
Достоверность полученных результатов работы основывается на использовании большого объёма экспериментальных данных и их статистической обработки, на применении современных аналитических методов и математических моделей.
Научная новизна заключается в следующем:
Установлены зависимости степени очистки оборотных и сточных вод различной природы в реакторе-сепараторе от основных параметров флотационного процесса, имеющие в изученных диапазонах экстремальный характер с единственным оптимумом, что позволило вывести эмпирические критериальные уравнения и создать методику расчёта конструктивных и геометрических параметров реактора-сепаратора требуемой производительности.
В результате изучения гидродинамических условий в различных зонах реактора-сепаратора разработан принцип сопряжения последовательно расположенных зон в реакторе-сепараторе, заключающийся в согласовании гидродинамических режимов в соседних зонах, что позволяет создавать конструкции реакторов-сепараторов с учётом гидродинамических особенностей процесса, обусловленных типом флотируемого сырья.
Практическая значимость обусловлена следующим:
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан новый пневматический флотационный аппарат (реактор-сепаратор МИСиС), использование которого позволяет эффективно извлекать тонкие частицы и эмульсионные примеси из оборотных и сточных вод.
На основании критерия подобия приведённых скоростей в характерных гидродинамических зонах реактора-сепаратора создана методика расчёта для проектирования реакторов-сепараторов (PC) требуемой производительности, что позволяет рассчитывать-полный модельный ряд реакторов-сепараторов для реализации в промышленных установках.
Создана и испытана на ОАО «Московский НПЗ» экспериментально-опытная установка реактора-сепаратора производительностью 10 м3/час. Результаты испытаний по извлечению нефтепродуктов и взвешенных веществ из промышленных сточных вод завода подтвердили показатели, достигнутые в ходе лабораторных исследований.
На защиту выносятся:
- установленные зависимости извлечения тонких частиц и эмульсионных примесей
из оборотных и сточных вод в новом реакторе-сепараторе;
- разработанные критерии оптимизации гидродинамических режимов в
пневматических флотационных аппаратах семейства реакторов-сепараторов;
конструкция нового пневматического флотационного аппарата типа реактор-сепаратор для флотационной очистки оборотных и сточных вод;
разработанная технология флотационной водоочистки на основе применения нового реактора-сепаратора и результаты её испытаний.
Апробация работы. Результаты исследований, приведённые в настоящей диссертационной работе, докладывались и обсуждались на V Конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2005 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2006 и 2008 гг.), на ежегодных выставках «Москва — город науки» (2005-2006 гг.), на ежегодных научных студенческих конференциях МИСиС (Москва, 2003-2005 гг.), на Научно-практической конференции молодых учёных (ВИМС, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 3 тезиса докладов в сборниках конференций и подана 1 заявка на патент РФ на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 117 страницах и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 84 наименований, 15 таблиц, 48 рисунков и 4 приложений.
Реактор-сепаратор и область его применения
Одним из перспективных направлений радикального изменения флотационной технологии явилась «турбулентная микрофлотация», теоретические основы которой разрабатывались в 80-е годы Н. Н. Рулевым [41], причём в основном для тонких частиц и эмульсий. Идея технологии состоит в том, что «флотация по существу происходит в длинном узком канале, по которому пропускают обрабатываемую пульпу, насыщенную микропузырьками газа. При этом скорость прохождения смеси поддерживают такой, чтобы реализовался турбулентный режим течения, обеспечивающий протекание трёх процессов: агрегирование частиц, гетерокоагуляцию частиц и пузырьков, а также агрегирование и коалесценцию минерализованных пузырьков». Правильный подбор концентрации микропузырьков, типа реагентов и места их ввода позволяет обеспечить высокоэффективное налипание частиц на микропузырьки и агрегирование последних. На выходе такого канала образуются крупные агрегаты, состоящие из частиц и пузырьков, обладающие высокой плавучестью. Теоретические и экспериментальные исследования позволили заключить, что удельная производительность флотомашин, работающих на этом принципе, даст более чем 100-кратный прирост по сравнению с имеющимися устройствами применительно к мелким частицам.
В механических, пневмомеханических и колонных флотомашинах процессы аэрирования пульпы и минерализации пузырьков происходят одновременно в одном объёме аппарата, хотя оптимальный гидродинамический режим для них существенно отличается. Минерализация эффективно происходит при значительной степени турбулентности и ускоряется с уменьшением размера пузырьков, а отделение пузырьков в пену улучшается с увеличением их размеров и при минимальной турбулентности. При применении микропузырьков имеются ограничения по производительности в связи с их малой и даже отрицательной скоростью подъёма, приводящей к уносу минерализованной нагрузки в хвосты.
Все эти недостатки исключаются, если для процессов аэрации, минерализации и отделения минерализованных пузырьков из объёма пульпы в пену выделить специальные зоны.
Сечение реактора должно обеспечивать необходимую степень турбулентности при заданном расходе пульпы, а сечение камеры сепаратора должно быть таким, чтобы скорость противоточного движения пульпы не превышала скорости подъёма минерализованных пузырьков. Это позволяет уменьшить высоту камеры, которая для флотационных колонн является параметром, обусловливающим заданную вероятность микропроцессов столкновения и минерализации [69, 70]. Добавление смывной воды увеличивает эффективность вторичной концентрации в пене.
Именно на таком принципе, реализующем условия турбулентной микрофлотации, построены реакторы-сепараторы - пневматические флотомашины нового поколения.
Их преимущества по сравнению с колонными аппаратами обусловлены следующими причинами.
В реакторе-сепараторе флотация осуществляется последовательно в два этапа: первоначально при оптимальном перемешивании происходит закрепление частиц на пузырьках, а затем в камере в относительно спокойных условиях минерализованные пузырьки отделяются от пульпы. Процессы аэрации и минерализации пространственно отделены от процесса расслоения пульпо-воздушной смеси на пену и пульпу.
Реакторы-сепараторы называют аппаратами для интенсивной флотации, поскольку время закрепления частиц на пузырьках воздуха составляет от 1 до 10 секунд, а время отделения в сепараторе минерализованных пузырьков в пену от пульпы 150-180 с.
Многочисленные промышленные испытания PC показали, что для легко обогатимых углей достаточно однокамерной машины, чтобы получить горючее с низкой зольностью [42]. В случае минерально-химического сырья, для которого требуется флотация в механической машине в течение более 30 минут, необходимо устанавливать несколько (от 4 до 5) камер, но тогда ощутимо увеличиваются энергопотребление и капитальные затраты.
Для обогащения металлических руд, таких как чилийские медные руды, уже после трёх камер обогащения в хвостах имеется отвальное содержание меди, а концентрат основной флотации имеет высокую степень обогащения [43]. Поэтому, в большинстве случаев, после всего одной перечистки через две флотационные камеры получается концентрат с конечной степенью обогащения.
Для более сложных руд технологическая схема содержит три камеры в основной флотации, две - в контрольной, а в первой и второй перечистках - по две.
Во всех без исключения возможных областях, где используется или может использоваться классическая механическая флотация, возможно применение реакторов-сепараторов, что сулит не только технологические, но и очевидные экономические преимущества.
За рубежом известно успешное применение реакторов-сепараторов при флотации следующих видов сырья: 1) сульфидных руд цветных металлов, например, медных, свинцово-цинковых руд и никелевых руд [43], платиновых руд [12]; 2) окисленных руд, например, железной руды, медно-оловянной, оловянной руды; 3) промышленных минералов, например, фосфатов, магнезита, полевого шпата, кварца, известняка [59, 66]; 4) минералов солей, например, калийных солей, каменной соли, кизерита [44]; 5) угля с получением малозольных концентратов [42]. За последнее десятилетие реакторы-сепараторы проникли во многие отрасли промышленности и народного хозяйства [45]. Помимо рудной флотации они применяются и для очистки сточных вод предприятий: 1) химической промышленности [46]; 2) производства автомобилей [77]; 3) лакокрасочного производства; 4) по производству и переработке стали; 5) по добыче и очистке нефти [77]; 6) по производству продовольственных товаров; 7) коммунальных очистительных установок, складских помещений, при санации почвы или отвалов [47]; 8) при повторном использовании бумаги и искусственных материалов; 9) при переработке отходов золы-уноса и REA-гипса; 10) в биохимических процессах; 11) при очистке балластных вод.
Благодаря применению реакторов-сепараторов при строительстве новых технологических схем заметно сокращается объём инвестиций. Вследствие незначительной потребности в площадях и простоты монтажа легко осуществимы модернизация или реконструкция существующих флотационных линий. Реакторы-сепараторы продолжают завоёвывать доверие потребителя простотой обслуживания и малыми эксплуатационными затратами.
Факторы, определяющие конструкцию реактора-сепаратора
Гидродинамический и реагентный режимы флотации зависят от обогащаемого сырья (крупные или тонкие частицы, рудное сырьё или сточные воды) [47]. Конструкция реактора-сепаратора также в значительной мере определяется задачей (типом сырья), для решения которой создаётся аппарат. Так, в реакторе-сепараторе, предназначенном для рудной флотации, необходимо обеспечить своевременную разгрузку пенного продукта, а в предназначенном для очистки сточных вод — напротив, необходимо создать зону для отстаивания и обезвоживания пены [67].
Следствием этого является важное положение о том, что количество зон в аппарате определяется количеством процессов, которыми необходимо управлять для получения максимального эффекта разделения. В настоящей работе особенности конструкций PC обусловлены задачей интенсификации флотационной водоочистки от нефтепродуктов и взвешенных частиц. Для флотационного извлечения тонких частиц и эмульсионных примесей из оборотных и сточных вод различной природы была разработана новая пневматическая флотомашина из семейства реакторов-сепараторов, в которой: 1) обеспечивается большая вероятность соударения тонкодисперсных примесей с пузырьком; 2) сохраняются образованные примесями флокулы и рыхлые осадки; 3) минимизирован выход воды с пенным продуктом.
В реакторе-сепараторе МИСиС, описываемом в настоящей работе, имеется шесть пространственно разделённых зон, в каждой из которых происходит преимущественно только один процесс в оптимальном гидродинамическом режиме (рисунок 15). При этом разница в числе Рейнольдса в некоторых зонах достигает нескольких порядков. Зоны для процессов флокуляции (на рисунке не показана), аэрирования пульпы, минерализации пузырьков, коалесценции, их всплывания в пену и её обезвоживания пространственно разделены. пульпа! воздух
Эта конструкция существенно отличается от зарубежных аналогов тем, что эжектор может одновременно работать на несколько реакторов, что значительно увеличивает производительность и гибкость управления процессом; реактор тангенциально водятся в диффузор для ускорения всплывания пузырьков в сепараторе; вьщелены зона флокуляции (камера флокулообразования перед аэратором) для укрупнения примесей и зона отстаивания пенного продукта. 1. Существуют принципы создания флотомашин, выполнение которых обеспечивает эффективное протекание флотационного процесса. 2. Указанные принципы в полной мере могут быть реализованы только в пневматических флотационных аппаратах семейства реакторов-сепараторов. 3. С соблюдением указанных принципов разработан реактор-сепаратор, предназначенный для очистки оборотных и сточных вод методом флотации.
Разработка лабораторной установки осуществлялась в два этапа. На первом этапе была создана лабораторная модель реактора-сепаратора новой конструкции с объёмом сепаратора 10 дм3. Она включала струйно-эжекторный аэратор и два реактора. При этом количество реакторов и их сечение, согласно четвёртому принципу, согласуются по гидродинамическим характеристикам с камерой смешения аэратора. Количество гидродинамически обособленных зон достигало четырёх: аэратор-реактор-сепаратор-пеноотстойник. На этой машине были проведены исследования распределений пузырьков по размерам в зависимости от расхода воздуха, жидкости и пенообразователя, а также определены основные гидродинамические и геометрические параметры для создания укрупнённо-лабораторной установки. Для проведения лабораторных и укрупнённо-лабораторных исследований была создана установка реактора-сепаратора производительностью до 1,7 м /час с изменяемым количеством реакторов при объёме сепаратора 0,09 м3 согласно схеме, приведённой на рисунке 16. При этом в схему установки были добавлены камера флокулообразования 15 и смеситель 14.
Коаксиальный смеситель потоков 14 был разработай и изготовлен для изучения влияния процесса разрушения флокул в центробежном насосе и аэраторе на эффективность очистки; он позволял избежать прохождения флокулосодержащего потока через элементы с высокой степенью турбулентности. Реагентная обработка потока пульпы флокулянтом во всех опытах осуществлялась на выходе центробежного насоса.
Опыты проводились с одним, двумя, тремя и четырьмя реакторами б, расположенными по периферии сепаратора 7. Длина каждого реактора изменялась от 1,4 до 4 м, а диаметр - от 8 до 12 мм. Флотация осуществлялась в две стадии. Схема опыта в две стадии показана на рисунке 2. Производительность установки по воде (0,4 - 1,7 м /ч) контролировалась по давлению на манометре и периодически измерялась по времени наполнения мерного цилиндра. Расход воздуха измерялся с помощью воздушного ротаметра 1. Следует отметить, что в специальных опытах по исследованию соотношения водовоздушных потоков было установлено, что при содержании воздуха более 50% наблюдается коалесценция пузырьков в реакторах с образованием воздушных пробок.
Методика исследования распределений пузырьков по размерам в реакторе при различных гидродинамических условиях
При ф, больше некоторого значения, характерного для данного аэрирующего устройства и физико-химического состава пульпы, начинает нарушаться пузырьковый режим движения двухфазной смеси и образуются пробки (пробой газовых струй без их дробления). Именно этот параметр ограничивает газонасыщение при традиционной и колонной флотации на весьма невысоком уровне - порядка 0,2-0,28 [2]. Это обусловлено сравнительно небольшой скоростью движения аэрированной пульпы (порядка нескольких сантиметров в секунду). Однако для реакторов-сепараторов такого жёсткого ограничения нет, поскольку приведённая скорость аэрированной пульпы в реакторе может достигать 20 м/с [65]. Поэтому типичное газосодержание в них составляет 0,4-0,5.
Затраты энергии на дробление струи могут быть оценены по формуле: Е к-(ф- /з-1). Крупность образующихся пузырьков уменьшается с ростом скорости истечения пульпы из сопла аэратора, уменьшения её сечения. При пузырьковом режиме движения двухфазных систем размер образующихся пузырьков определяют процессы дробления и коалесценции. Укрупнение пузырьков в результате коалесценции приводит к снижению показателей процесса. Увеличение радиуса пузырька снижает вероятность его встречи с частицей, может привести к отрыву частиц при возникновении поверхностных колебаний. Дальнейшее увеличение размеров пузырьков может вызвать нарушение процесса флотации и его подавление.
Многие аспекты коалесценции остаются невыясненными. К ним в первую очередь относится влияние на скорость коалесценции гидродинамической обстановки в камере флотационной машины, которую можно характеризовать скоростью рассеивания энергии, первоначальной площадью раздела фаз, газосодержанием.
Значительное влияние на крупность пузырьков оказывает расход пенообразователя [65]. Установлено, что небольшие загрузки пенообразователя заметно уменьшают крупность пузырьков, образующихся во флотационных машинах. Это достигается в результате как тонкого диспергирования воздуха в момент образования пузырьков, так и предотвращения их дальнейшей коалесценции в пульпе.
Скорость коалесценции пузырьков зависит от величины кинетической энергии и поверхностных активностей пенообразователей. Можно утверждать, что, после дробления газовой фазы на мелкие пузырьки в жидкости одновременно протекают два процесса: коалесценция пузырьков и адсорбция ПАВ на их поверхности. При этом увеличение поверхностной плотности адсорбировавшихся ПАВ может идти двумя путями. Во-первых, за счёт адсорбции ПАВ непосредственно из раствора и, во-вторых, за счёт сокращения в результате коалесценции общей площади поверхности раздела, частично покрытой молекулами ПАВ. Например, при слиянии двух пузырьков одинаковых размеров их общая поверхность сокращается на »21%. Следовательно, поверхностная плотность ПАВ на вновь образовавшемся пузырьке возрастёт на эту величину.
Экспериментальные данные по влиянию концентрации ряда ПАВ на средний размер пузырьков воздуха, находящихся во флотационной машине, показывают, что для всех видов пенообразователей возрастание концентрации приводит вначале к резкому, а затем к более медленному уменьшению крупности воздушных пузырьков. Дальнейшее увеличение концентрации ПАВ практически не снижает размера пузырьков.
Для определения конечного размера пузырьков необходимо оценить скорости адсорбции ПАВ и возникновения структурно-механического барьера, препятствующего коалесценции пузырьков. Скорость адсорбции ПАВ, то есть перехода молекул из объёма раствора в поверхностный слой, пропорциональна величине коэффициента диффузии молекул пенообразователей Вдифф. Однфф для бутилового спирта в воде при 25С и Q 9 О 9 атмосферном давлении равен 0,96-10" м /с, для амилового спирта 0,9-10 м7с. В воздухе коэффициент молекулярной диффузии для указанных спиртов соотвегственно равен 0,6-10"5 и 0,5-10"5 м7с. В связи с этим, если ПАВ в виде паров находится в газовой фазе, можно ожидать значительно более быстрого процесса адсорбции молекул ПАВ на поверхности раздела фаз и фиксации размера пузырьков, после их дробления, в диапазоне более малых размеров. В [83] отмечается, что начальное распределение пузырьков по размерам и интенсивность их коалесценции зависят от поверхностного натяжения на границе «жидкость-газ». Экспериментальные исследования показывают, что на величину поверхностного натяжения влияет не только расход реагентов, но и способ их подачи. Так, при распылении пенообразователя в виде аэрозоля в воздух, подаваемый во флотомашину, средний размер пузырьков может быть вдвое меньше, чем при подаче реагентов непосредственно в пульпу. Таким образом, данные эксперименты подтверждают утверждение, что кинетика адсорбции ПАВ оказывает определяющее влияние на конечный размер пузырьков. Патент США на данный способ флотации выдан еще в 1968 году [84].
Однако, из имеющихся закономерностей дробления пузырьков, при их коалесценция в присутствии ПАВ, невозможно рассчитать размер пузырьков, образующихся в эжекторе. Поэтому была разработана методика, позволяющая получить зависимость функции распределения пузырьков по размерам от самых важных гидродинамических факторов — соотношения приведенных скоростей газа и жидкости в реакторе.
Исследование процесса дробления пузырьков осуществлялось с помощью струйно-эжекторного аэратора в двух режимах работы: с принудительной подачей воздуха и в режиме автоэжекции.
При принудительной аэрации давление воды на аэраторе было в диапазоне 0,5-1-Ю3 Па, а расход воды не превышал 145 см3/с; в режиме автоэжекции расход воды был в 2,5 раза больше (порядка 300-350 см3/с), а давление воды на эжекторе достигало 1,6-105 Па.
При автоэжекции скорость движения жидкости в эжекторе возрастала до 40 м/с, поэтому даже при минимальных значениях выдержки на кадре фиксируются только следы пузырьков размером менее 0.3 мм (см. рисунок 21).
Исследования по кинетике осветления сточных вод
Газосодержание наряду с размером пузырьков имеет большое влияние на эффективность флотации. Для струйно-эжекторного аэратора, работающего в режиме автоэжекции, существует определённая зависимость крупности пузырьков от газосодержания и скорости струи, определяемой давлением на входе аэратора (см. рисунки 29 и 30).
Влияние расхода воздуха на степень очистки имеет вид, представленный на рисунке 33. Зависимость демонстрирует три характерных зоны: при малом расходе воздуха (менее 0,15 м /м ) количества пузырьков (и их поверхности) недостаточно для полного извлечения частиц, при чрезмерном расходе воздуха (свыше 0,3 м3/м3) процесс его дробления в аэраторе нарушается, и в реакторах вместо мелких пузырьков начинают появляться воздушные пробки.
При оптимуме наблюдается пузырьковый режим, когда в реакторах текут потоки с большим количеством мелких пузырьков в пульпе. Причём, как отмечалось, оптимум возникает скачкообразно и приходится на значение расхода воздуха порядка 0,16-0,18 м3/м3, что согласуется с ранее проведёнными исследованиями процесса дробления воздуха (рисунок 25).
Для выяснения влияния частоты пеносьёма были поставлены опыты, когда пена снималась часто (раз в 5 минут) и довольно редко (раз в 15 минут) при интенсивности всплывания нефтепродуктов в пеноотстойник в количестве 7-10 г/мин. В результате оказалось, что более частый пеносъём не даёт улучшения результатов флотации. Безусловно, существует некоторая критическая частота пеносъёма, при которой флокулы, набравшие больше остальных взвешенных частиц, успевают осыпаться из пенного слоя, что ухудшает очистку. Но она значительно ниже той, которая необходима для своевременной очистки пеноотстойника. Замечено, что при длительном отстаивании (сутки и более) флокулы нефтепродуктов и взвешенных веществ тонут практически все.
Оптимальный объём реактора является функцией скорости потока при заданной производительности. Поэтому эта зависимость также носит выраженный экстремальный характер. На рисунке 34 чётко видна область оптимальных значений объёма реакторов (235±50 см3). Рисунок 34 - Зависимость степени очистки от объёма реактора
Объём и геометрия сепаратора должны способствовать быстрому всплыванию укрупнённых нагруженных пузырьков воздуха и по возможности меньшему уносу мелких пузырьков в слив. Первое осуществимо при наименьшей глубине зоны всплывания, а второе - при максимальной ширине сепаратора в зоне нисходящих потоков. При этом последняя зависимость будет носить более крутой характер, так как с увеличением производительности (и скоростей внутри сепаратора) и уменьшением времени пребывания унос мелких пузырей будет сильно влиять на параметр извлечения.
График зависимости извлечения примесей от времени пребывания в сепараторе приведён на рисунке 35. При увеличении времени пребывания очищаемой воды в сепараторе степень очистки сточной воды растёт в исследованном диапазоне значений с 85 до 95 %. 98-по нефтепродуктам
Из графика видно, что в случае увеличения времени пребывания в сепараторе до 9-10 минут можно ожидать увеличения степени очистки до 97-98 %. Критериальные уравнения этих кривых таковы:
Схемы флотации с непосредственной аэрацией всего флокулосодержащего потока не рекомендуются для глубокой очистки [66], поэтому была также разработана и испытана схема с раздельной аэрацией циркулирующей очищенной водой и слиянием флокулосодержащего потока с подготовленным водовоздушным потоком. Обе схемы с описанием приведены в разделе по методике проведения опытов.
При сравнении прямоточной и циркуляционной схем флотации удалось выявить различие в характере основных закономерностей. В циркуляционной схеме исключается попадание образовавшихся флокул в эжектор, в котором для получения мелких пузырьков воздуха создаётся наибольшая степень турбулентности. Зоны флокулообразования и дробления пузырьков в схеме с циркуляцией пространственно разделены. Для второй стадии флотации, где содержание нефтепродуктов не поднимается выше 50 мг/дм , прохождение всего потока через эжектор практически не повлияет на результаты флотации. Основным параметром циркуляционной схемы является степень циркуляции. Чем она больше, тем дороже становится процесс, поскольку при той же производительности он будет более металлоёмким и потребляющим больше электроэнергии. Для изучения влияния степени циркуляции на процесс флотации были поставлены опыты с изменением производительности установки одновременно с изменением нагрузки на аэратор. Опыты показали, что эффект от циркуляции заметнее на взвешенных веществах (исходные концентрации взвешенных веществ следует полагать столь же одинаковыми, как и исходные концентрации нефтепродуктов). На рисунке 36 приведена зависимость степени очистки от степени циркуляции, построенная на обобщённых данных.
График показывает, что при изменении степени циркуляции более чем на 100 % степень очистки изменяется в пределах 92-98%. Поэтому следует придерживаться тенденции к снижению степени циркуляции, что выгодно отразится на стоимости процесса. Однако она не должна быть ниже 20-30%, поскольку в этом случае при смешении водовоздушного и флокулосодержащего потоков газосодержание суммарного потока окажется слишком низким (порядка 10 %) и в силу этого извлечение снизится.
На рисунке 37 показана зависимость качества очищенной воды от качества исходной для разных схем флотации. Из вида зависимостей можно сделать вывод о большей стабильности циркуляционной схемы в области высоких концентраций нефтепродуктов.
На рисунках 38 и 39 приведены зависимости концентрации нефтепродуктов в очищенной воде и степени очистки от времени пребывания в сепараторе. Рисунок 38 показывает, что прямоточная схема способна дать ту же степень очистки, что и циркуляционная, только при значительном времени пребывания в сепараторе.
