Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы 11
1.1. Требования к качеству воды при её использовании в закрытых оросительных системах с капельной водоподачей 11
1.2. Технологии и оборудование водоочистки на закрытых оросительных системах с капельной водоподачей. Преимущества гидроциклонов, принципы их проектирования 15
1.3. Моделирование процессов в гидроциклонах 33
1.3.1. Графоаналитический метод расчёта гидроциклонов на основе понятия граничного зерна разделения 33
1.3.2. Критериальные методы расчёта гидроциклонов на основе теории подобия 34
1.3.3. Стохастическая модель разделения неоднородных жидкостных систем 36
1.3.4. Детерминированная модель движения частицы дисперсной фазы 38
Выводы 39
Задачи исследования 41
2. Моделирование и конструктивно-технологические решения по повышению эффективности процесса водоочистки на закрытых оросительных системах с капельной водоподачей 42
2.1. Моделирование процесса очистки воды от частиц дисперсной фазы в гидроциклоне 42
2.2. Исследование влияния производительности на разделяющую способность гидроциклона 49
2.3. Исследование разделяющей способности батарейных гидроциклонных установок 52
2.4. Моделирование процесса очистки воды от «тяжёлых» и «лёгких» частиц дисперсной фазы 58
2.5. Водоочистка в гидроциклонах с фильтрующими сливными патрубками: преимущества и перспективы использования 64
2.6. Разработка гидроциклонной установки с фильтрующим сливным патрубком 71
2.7. Моделирование процесса гидроциклонирования частиц дисперсной фазы «тяжёлых» и «лёгких» фракций на фильтрующей поверхности сливного патрубка 75
2.8. Выводы 85
3. Программа и методики проведения исследования 88
3.1. Программа исследований и характеристика опытного участка 88
3.2. Методика оценки качественных показателей воды 89
3.3. Описание лабораторной установки и лабораторного оборудования 92
3.4. Методика проведения лабораторных и производственно-полевых опытов 96
3.4.1. Методика проведения лабораторных опытов 96
3.4.2. Методика проведения производственно-полевых опытов 97
3.5. Методика обработки экспериментальных данных 99
3.5.1. Определение коэффициента корреляции. Проверка основных статистических гипотез 101
3.5.2. Гипотеза об однородности дисперсий случайной величины 102
3.5.3. Гипотеза о значимости коэффициентов регрессии 103
3.5.4. Гипотеза об адекватности регрессионного уравнения 104
4. Лабораторные и производственно-полевые исследования процесса водоочистки в гидроциклоне со сплошным и фильтрующим сливными патрубками 106
4.1. Техническая и агроэкологическая оценка водных ресурсов поверхностных водоисточников Волгоградской области 106
4.2. Лабораторные исследования процесса очистки водной суспензии от дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным и фильтрующим сливными патрубками 110
4.3. Обработка экспериментальных данных методом корреляционно-регрессионного анализа 115
4.3.1. Обработка экспериментальных данных исследования эффективности очистки суспензии от частиц дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным сливным патрубком 115
4.3.2. Обработка экспериментальных данных исследования эффективности очистки суспензии от частиц дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 с фильтрующим сливным патрубком 117
4.3.3. Обработка экспериментальных данных распределения потока жидкости между разгрузочными отверстиями в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным сливным патрубком для различных значений диаметра песковой насадки 119
4.3.4. Обработка экспериментальных данных распределения потока жидкости между разгрузочными отверстиями в гидроциклоне ГНС-100 с фильтрующим сливным патрубком для различных значений диаметра песковой насадки 121
4.3.5. Обработка экспериментальных данных исследования эффективности очистки суспензии от частиц дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным сливным патрубком для различных значений диаметра песковой насадки 123
4.3.6. Обработка экспериментальных данных исследования эффективности очистки суспензии от частиц дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 с фильтрующим сливным патрубком для различных значений диаметра песковой насадки 125
4.4. Производственно-полевые исследования условий функционирования закрытой низконапорной оросительной системы с капельной водоподачей 127
Выводы 144
5. Перспективные технические решения по водоочистке и технико-экономическая оценка результатов исследования 147
5.1. Оценка экономической эффективности от модернизации оросительной сети фильтрующим гидроциклоном 147
5.2 Двухступенчатая система водоочистки в псевдоожиженном слое фильтрующей загрузки 150
5.3 Исследование процесса водоочистки с использованием природных алюмосиликатов 154
Выводы 158
Заключение 160
Рекомендации производству 162
Перспективы дальнейшей разработки темы 162
Список литературы 163
Приложения
- Технологии и оборудование водоочистки на закрытых оросительных системах с капельной водоподачей. Преимущества гидроциклонов, принципы их проектирования
- Водоочистка в гидроциклонах с фильтрующими сливными патрубками: преимущества и перспективы использования
- Лабораторные исследования процесса очистки водной суспензии от дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным и фильтрующим сливными патрубками
- Исследование процесса водоочистки с использованием природных алюмосиликатов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Выполнение целевых индикаторов стратегии по повышению эффективности функционирования АПК и устойчивого развития сельских территорий Волгоградской области, расположенной в засушливых почвенно-климатических условиях, невозможно без проведения оросительных, в комплексе с другими видами, мелиораций. По данным мелиоративного кадастра (2016) в Волгоградской области числится 178,8 тыс. га орошаемых земель. Из них 71,6 тыс. га не используются в сельскохозяйственном обороте, а фактически поливается около 36 тыс. га. На оставшейся площади 106,6 тыс. га требуется проведение реконструкции и модернизации оросительной сети, технических средств полива, водоподготовки и водоочистки, а также насосно-силового оборудования.
Из-за морального и физического старения в закрытой оросительной сети со стальными трубами содержится большое количество продуктов коррозии, которые совместно с взвешенными веществами источника орошения оказывают негативное воздействие на производительность поливной техники и качество полива. Заменить материал закрытой оросительной сети пластмассовыми трубами на всей подлежащей реконструкции площади практически не возможно, да к тому же на 30…35% площади она находится в удовлетворительном состоянии. Поэтому проведя техническое перевооружение поливной техники, средств водоподготовки и водоочистки, а также насосно-силового оборудования на этих оросительных системах, возможен ввод их в эксплуатацию.
Степень разработанности проблемы. Первые теоретические и практические исследования гидродинамики движения частиц дисперсной фазы в центробежном поле гидроциклонов принадлежат таким ученым, как Акопов М.Г., Барских В.Г., Гутман Б.М., Зайцев В.И., Кутепов А.М., Мустафаев А.М., Поваров А.И., Терновский И.Г., Шестов Р.Н., Bradley D., Drissen M.G., Fudzimota T.,Tarjan G. и др. В настоящее время в этом направлении активно работают Баранов Д.А., Бауман А.В., Голованчиков А.Б., Лагуткин М.Г., Пигарев В.М., Яблонский В.О. и др.
В работах Авдеева Б.А., Глущенко А.А., Деплова А.И., Замальдинова М.М., Зыкова С.А., Коваленко В.П., Кузнецова М.Е., Лихачева А.Ю., Шаронова Г.П. и др. предложены решения по повышению эффективности очистки отработанных моторных масел в центробежном поле.
Вопросами применения гидроциклонов в процессах очистки животноводческих стоков занимались Киров Ю.А., Полонский Л.С., Фурсин П.А. и др.
Проблемой водоподготовки и водоочистки, в том числе в гидроциклонах, на оросительной сети занимались Абдураманов Н.А., Абезин В.Г., Васильев С.М., Дегтярев Г.В., Дегтярева О.Г., Домашенко Ю.Е., Жангарин А.И., Касымбеков Ж.К., Кузнецов Е.В., Свистунов Ю.А., Семененко С.Я., Фоминых A.M. и др. В настоящее время изучение возможности применения гидроциклонов в сельском хозяйстве продолжается.
Цель исследования. Совершенствование процесса водоочистки от частиц дисперсной фазы на закрытых низконапорных оросительных системах с капель-
ной водоподачей за счет разработки фильтрующего гидроциклона.
Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:
-
определить направления рациональной организации процесса водоочистки на закрытых низконапорных оросительных системах с капельной водоподачей;
-
выполнить оценку водных ресурсов поверхностных водоисточников Волгоградской области, используемых для орошения сельскохозяйственных культур, по качественным показателям;
-
разработать математическую модель пофракционного улавливания частиц дисперсной фазы «тяжелых» и «легких» фракций в фильтрующем гидроциклоне;
-
разработать фильтрующий гидроциклон для процесса водоочистки от частиц дисперсной фазы «тяжелых» и «легких» фракций;
-
провести сравнительные исследования эффективности процесса разделения водной суспензии от частиц дисперсной фазы в гидроциклоне (на примере ГНС-100) со сплошным (типовое исполнение) и фильтрующим сливными патрубками по показателям интегральной степени очистки и распределения потоков между разгрузочными отверстиями;
6) выполнить производственно-полевые исследования эффективности
функционирования фильтрующего гидроциклона и системы капельного полива,
как элементов закрытой оросительной сети;
7) провести технико-экономическую оценку эффективности результатов ис
следования, дать рекомендации к практическому использованию их в производстве.
Объектами исследования являются фильтрующий гидроциклон и система капельного полива, как элементы закрытой оросительной сети; водные ресурсы поверхностных водоисточников Волгоградской области, используемые для орошения сельскохозяйственных культур.
Предметы исследования - закономерности процесса движения сепарируемой частицы дисперсной фазы в фильтрующем гидроциклоне; зависимости интегральной степени очистки водной суспензии от фракционного состава частиц дисперсной фазы и распределения потоков между разгрузочными отверстиями в гидроциклоне со сплошным и фильтрующим сливными патрубками; качественные показатели водных ресурсов поверхностных водоисточников Волгоградской области, используемых для орошения сельскохозяйственных культур; характеристики функционирования системы капельного полива.
Научная новизна результатов исследования заключается:
в разработке математической модели пофракционного улавливания частиц дисперсной фазы «тяжелых» и «легких» фракций в фильтрующем гидроциклоне (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017616837);
в разработке конструкции фильтрующего гидроциклона (патенты на изобретение №№ 2547503, 2550878, 2600142);
в разработке уравнений интегральной степени очистки водной суспензии
от частиц дисперсной фазы и распределения потоков между разгрузочными отверстиями в фильтрующем гидроциклоне;
- в совершенствование уравнения движения жидкости в капельных линиях с позиций непрерывной и равномерной раздачи и с убывающим расходом по пути.
Теоретическая значимость результатов исследования заключается в разработке математической модели пофракционного улавливания частиц дисперсной фазы «тяжелых» и «легких» фракций в фильтрующем гидроциклоне, определении аналитических зависимостей интегральной степени очистки и распределения потоков между разгрузочными отверстиями для фильтрующего гидроциклона, движения жидкости в капельных линиях с позиций непрерывной и равномерной раздачи и с убывающим расходом по пути.
Практическая значимость результатов исследования состоит в применении разработанного фильтрующего гидроциклона для водоочистки на закрытых низконапорных оросительных системах с капельной водоподачей на основе его лабораторных и производственно-полевых испытаний. Использование фильтрующего гидроциклона на оросительной сети со стальными трубами в качестве узла водоочистки позволяет уменьшить количество взвешенных веществ на 60…70%, мутности на 45…55%, цветности 27…35%, общего железа (валовые формы) 55…60%, повысить надежность функционирования системы капельного полива.
Методологическая и методическая основа исследования состоит в обобщении и анализе научно-технической информации по способам и средствам водоочистки для систем капельного полива, как элементов закрытой оросительной сети, методам расчета и моделирования разделительной способности в гидроциклонах, синтезе технологических процессов водоочистки в гидромелиорации с использованием положений и законов классической механики, гидродинамики и математического моделирования. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных методов планирования эксперимента, законов теории вероятности и математической статистики. Лабораторные и производственно-полевые исследования были реализованы в соответствии с действующими при-родно-нормативными и техническими регламентами, сводами правил, ГОСТами, методиками полевых и производственных опытов.
Основные научные положения работы, выносимые на защиту:
1) результаты оценки водных ресурсов поверхностных водоисточников
Волгоградской области, используемых для орошения сельскохозяйственных куль
тур, по качественным показателям;
-
математическая модель пофракционного улавливания частиц дисперсной фазы «тяжелых» и «легких» фракций в фильтрующем гидроциклоне;
-
конструкция фильтрующего гидроциклона для процесса водоочистки от частиц дисперсной фазы «тяжелых» и «легких» фракций;
-
уравнения интегральной степени очистки водной суспензии от частиц дисперсной фазы и распределения потоков между разгрузочными отверстиями в гид-
роциклоне со сплошным и фильтрующим сливными патрубками;
-
уравнение движения жидкости в капельных линиях с позиций непрерывной и равномерной раздачи и с убывающим расходом по пути;
-
показатели технико-экономической эффективности от модернизации закрытой оросительной сети со стальными трубами фильтрующим гидроциклоном.
Диссертация автора на соискание ученой степени кандидата технических наук в номенклатуре Паспортов научных специальностей соответствует специальности 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства» пунктам 4, 5, 6.
Степень достоверности и апробации результатов исследования подтверждается современными методами математической обработки результатов опытов с использованием ЭВМ и программных продуктов MS Excel 2007, MathCAD 14, Fortran 77 V3.30, достаточным объемом экспериментальных данных, полученных при лабораторных и производственно-полевых опытах, высокой степенью их сходимости с результатами теоретических экспериментов, положительными результатами апробации.
Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях: КалмГУ (Респ. Калмыкия, Элиста, 2013), ВНИИ «Радуга» (Московская обл., Коломна, 2013, 2014, 2015, 2016), НИИСХ Юго-Востока (Саратов, 2014), ПНИИАЗ (Астраханская обл., с. Соленое Займище, 2014), ВолгГТУ (Волгоград, 2014, 2016), КТИ (филиал) ВолгГТУ (Волгоградская обл., Камышин, 2014, 2017), ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова (Воронеж, 2015), НВ НИИСХ (Волгоград, 2015), ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова (Москва, 2016), ВНИИОЗ (Волгоград, 2016, 2017), АлтГТУ им. И.И. Ползунова (Алтайский край, Барнаул, 2016), ВолГАУ (Волгоград, 2016, 2017).
Результаты исследования апробированы и внедрены в ФГБНУ ВНИИОЗ, ФГУП «Орошаемое», ООО «НПО «ОРТЕХ-ЖКХ», ЗАО «Волговодпроект» и в учебный процесс ВолгГТУ.
Научные достижения автора в рамках выполнения настоящей работы отмечены стипендиями Президента РФ (2015-2016) и Правительства РФ (2016-2017).
Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-техническом семинаре в ВолгГТУ (2017).
Личный вклад автора состоит в обобщении и анализе технической информации по проблеме исследования, постановке цели и задач исследования, разработке теоретических и экспериментальных методов их решения, обработке, обобщении и анализе полученных результатов и формулировке выводов.
Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, из них 8 – в российских рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией; монография, 23 работы изданы в сборниках докладов по материалам региональных, всероссийских и международных научно-практических конференций; получено 9 патентов РФ на изобретения и полезные модели, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Об-
щий объем публикаций составляет 26,5 п.л. В автореферате приведено 40 наиболее значимых работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и 18 приложений; содержит 180 страниц машинописного текста, 54 рисунков и 34 таблиц. Библиографический список включает 157 наименований литературных источников.
Благодарности. Автор выражает благодарность и признательность доктору технических наук, профессору А.Б. Голованчикову за полезные обсуждения и ценные рекомендации при работе над диссертацией, руководству и сотрудникам лаборатории механизации и техники полива ФГБНУ ВНИИОЗ за помощь в организации производственно-полевых опытов.
Технологии и оборудование водоочистки на закрытых оросительных системах с капельной водоподачей. Преимущества гидроциклонов, принципы их проектирования
Для очистки поливной воды от примесей применяется различное оборудование гидромеханической очистки. Выделение диспергированных примесей может осуществляться пятью способами: электрическим, химическим, фильтрационным, гравитационным и динамическим (рис 1.1).
Электрический и химический способ не получили широкое распространение в системах орошения в силу отрицательного воздействия на окружающую среду и сложности исполнения. Реагентный метод требует затрат на приобретение химических веществ и проведение дополнительных стадий: приготовление растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование и смешение с объёмом обрабатываемой воды, хлопьеобразование и отделения образующихся хлопьев. Кроме того, поскольку большинство коагулянтов имеют кислую среду, необходимо контролировать рН обрабатываемых вод во избежание повышения кислотности раствора, что негативно скажется на росте культурных растений, вызовет коррозию оборудования и трубопроводов оросительной сети.
Широкое применение в различных водоочистных системах получили такие гидромеханические способы извлечения примесей, как фильтрационный, гравитационный и динамический.
Использование отстойников различных конструкций в процессе водоочистки, в том числе природных вод, рассмотрено в работах Бабаева И.С. [8], Демура М.В. [37], Ибад-Заде Ю.А. [44], Клячко В.А. [50], Николадзе Г.И. [84], Пааль Л.Л. [94], Хачатряна А.Г. [143]. Гравитационный способ, реализуемый в отстойниках, основан на осаждении (всплывании) частиц (капель) дисперсной фазы под действием силы тяжести, находящихся во взвешенном состоянии в дисперсионной среде. Скорость осаждения взвешенных частиц зависит как от их плотности, так и от степени дисперсности, причём разделение будет протекать тем медленнее, чем меньшими размерами обладают частицы дисперсной фазы и чем меньше разность плотностей обеих фаз [47]. Поэтому на практике метод отстаивания используется главным образом для выделения грубых примесей в комбинации с другими методами очистки – как стадия предварительной обработки воды перед очисткой на других, более сложных сооружениях.
Несмотря на преимущества отстаивания (простота изготовления и эксплуатации оборудования, высокая надёжность в работе) данный способ отличается низкой интенсивностью процесса разделения неоднородных систем. Кроме того, отстойники, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации, осаждают фракции диаметром больше 0,25 мм, что неприемлемо по технологическим требованиям СКО. Отстойники, предназначенные для осаждения мелких фракций (диаметр которых меньше 0,1 мм), имеют длину в несколько километров, что значительно ограничивает области их возможного применения [22, 143].
Фильтрационный способ является универсальным для извлечения тонко- и грубодиспергированных примесей, применяется давно и весьма успешно в системах водоснабжения и водопроводных сооружениях [5, 8, 50, 52, 84, 94, 122, 135, 148], на стадии водоподготовки и водоочистки для систем капельного полива [42]. В процессах фильтрования используются две группы оборудования: фильтры с фильтрующими перегородками и фильтры с зернистым слоем.
Фильтры с зернистым слоем применяются преимущественно на водоочистных узлах высокой пропускной способности. Промывка фильтрующего слоя проводится при ухудшении качества фильтрата или значительном увеличении гидравлического сопротивления фильтра [122].
Опыт эксплуатации фильтров различных конструкций показывает, что последние надёжны в работе и обеспечивают высокое качество очистки воды. Однако, наряду с достоинствами сооружений, использующих фильтрационный способ разделения дисперсных систем, необходимо отметить и имеющиеся у них недостатки [36]:
1) значительные размеры сооружений;
2) инерционность сооружений, связанная с необходимостью накопления в водосборной камере количества воды, достаточного для промывки фильтра;
3) периодичность в работе, промывку фильтра необходимо проводить по несколько раз в сутки, после чего фильтр восстанавливает в лучшем случае лишь 80% своей пропускной способности.
4) технологические и технические трудности в процессе монтажа и эксплуа тации сооружений, связанные с отбором, очисткой, сортировкой и укладкой мно гослойной песчано-гравийной засыпки, либо с укладкой, регенерацией или утили зацией различных фильтрационных материалов.
5) оборудование для реализации фильтрационного метода довольно-таки дорогостоящее в изготовлении и эксплуатации, поскольку фильтровальные мате риалы и загрузки нуждаются в периодической замене.
Интенсифицировать процесс водоочистки можно за счет использования центробежного поля. Динамический метод разделения гетерогенных систем в настоящее время обладает большим разнообразием средств его реализации – это различные конструкции центрифуг и гидроциклонов, использующих способ центробежной сепарации. Гидроциклоны, в частности напорные, нашли самое широкое распространение за счет отсутствия движущихся частей, простоты конструкции, не высокой стоимости, удобства в эксплуатации, высокой производительности, малого потребления электроэнергии. Эти аппараты обеспечивают высокопроизводительное и эффективное улавливание дисперсных примесей при минимальной потребности в капитальных затратах и производственных площадях [56, 132, 135 и др.].
Эффективность разделения гетерогенных систем в центробежном поле характеризуется фактором разделения, который равняется отношению скорости движения частицы под действием центробежных сил к скорости их осаждения в гравитационном поле, и может достигать 1500…2000.
Отечественное серийное производство гидроциклонов было начато в 1956 г. и первоначально отраслью, где они получили широкое применение, была горнодобывающая. Первые фундаментальные теоретические и практические исследования гидродинамики движения частиц дисперсной фазы в центробежном поле гидроциклонов принадлежат таким отечественным и зарубежным ученым, как Акопов М.Г. [3], Аспис И.М. [6], Барских В.Г. [9], Гутман Б.М. [82, 83], Зайцев В.И. [40], Мустафаев А.М. [82, 83], Поваров А.И. [115, 116], Шестов Р.Н. [146], Bradley D. [151, 152], Drissen M.G. [153], Fudzimota T. [154], Tarjan G. [156] и другие.
Гидроциклоны и гидроциклонные установки также нашли широкое применение в химической промышленности. Учеными Терновским И.Г. и Кутеповым A.M. [55 – 57], Шестовым P.H. [146] и др. заложены основы гидродинамики течения ньютоновских и неньютоновских жидкостей, предложены методики расчёта основных параметров гидроциклона.
В настоящее время изучение процесса разделения неоднородных систем в центробежном поле гидроциклонов продолжается Бауманом А.В. [10], Барановым Д.А. и Лагуткиным М.Г. [56, 58, 121], Пигаревым В.М. [59, 104], Голованчиковым А.Б. [24, 24/1, 25, 75 – 78], Яблонским В.О. [147], Новиковым А.Е. [84/1, 85, 86] и другими [155]. Результаты этих исследований пополняют теоретическую основу и практические знания.
Так, в работах Пигарева В.М. и Лагуткина М.Г. [59, 104] рассмотрен вопрос удаления механических включений из оборотной воды в цилиндроконических гидроциклонах с приёмным бункером.
В работах Авдеева Б.А. [2], Глущенко А.А. [23], Деплова А.И. [38], Замаль-динова М.М. [41], Зыкова С.А. [43], Кузнецова М.Е. [53], Куликова В.Е., [54], Лихачева А.Ю. [67], Шаронова Г.П. [144] и других авторов [65 – 67, 80, 81, 126, 127] предложены решения по повышению эффективности очистки отработанных моторных масел.
Водоочистка в гидроциклонах с фильтрующими сливными патрубками: преимущества и перспективы использования
Несмотря на простоту конструкции и надёжность эксплуатации, гидроциклоны по показателям разделения менее эффективны по сравнению с фильтрами. Возможности решения задач по извлечению из водной суспензии тонкодисперсных примесей существенно расширяются при комбинировании или совмещении в гидроциклонах нескольких технологических процессов.
Зачастую при очистке жидкостей требуется выделить не только грубо- и тонкодисперсные примеси, но и токсичные. Для этого разработаны конструкции гидроциклонов с сорбционными фильтрами, смонтированными на сливных патрубках [51, 62, 63, 79, 98, 100 - 102].
Одним из вариантов интенсификации процесса сорбционной очистки в гидроциклоне является создание псевдоожиженного слоя ионообменной загрузки, размещённой в фильтрующем элементе, который смонтирован на сливном патрубке [101]. Это способствует снижению гидравлического сопротивления слоя, который остается величиной постоянной и не зависит от скорости восходящего потока жидкости, а также использованию адсорбента относительно малых размеров (0,2…1,0 мм), то есть с более развитой поверхностью.
Фильтрующий элемент и сорбционный фильтр, смонтированные на сливном патрубке гидроциклона (рис. 2.8), обеспечивают тонкую и сорбционную очистку при невысоком содержании токсичных элементов. Фильтрующий элемент представляет собой многослойную структуру – наружный пористый элемент и внутренний перфорированный каркас, между ними размещена, по меньшей мере, одна фильтровальная перегородка.
Отличительной стороной этого гидроциклона является движение потока в сливном патрубке 4 (рис. 2.8; [101]). Жидкость после разделения в центробежном поле поступает в сливной патрубок 4, где поочередно проходит через его элементы: фильтрующий элемент 5, содержащий наружный пористый элемент 6 и внутренний перфорированный каркас 7, сорбционный фильтр 9, и выводится из аппарата.
В фильтрующем элементе 5 происходит удаление из жидкости мелкодисперсных примесей вследствие процесса многослойного фильтрования через наружный пористый элемент 6 и внутренний перфорированный каркас 7, а в сорб-ционном фильтре 9 с загрузкой 11 – очистка от токсичных примесей. При прохождении жидкости через сорбционный фильтр 9 за счёт энергии жидкости подвижная верхняя сетка 12, ограничивающая сорбционную загрузку, перемещается вверх вдоль сливного патрубка, а сорбционная загрузка переходит в псевдоожи-женное состояние.
Отношение высоты слоя сорбционной загрузки в неподвижном состоянии к высоте сорбционной загрузки в псевдоожиженном состоянии составляет 1:1,5…2,0, что обусловлено результатами эксплуатации промышленных установок. С учётом этих данных, диапазон изменения порозности псевдоожиженного слоя загрузки составляет = 0,6…0,7 при начальной порозности неподвижного слоя сорбционной загрузки 0 = 0,4.
Выбор сорбционной загрузки определяется физико-химическими свойствами жидкости, а также степенью и типом её загрязнения. При этом также необходимо учитывать поглотительную способность (обменную ёмкость) и избирательность (селективность); физико-механические свойства (прочность на истирание, термическую и химическую стойкость, насыпную плотность, фракционный состав, удельную поверхность и прочее); способность к регенерации; технико-экономические показатели (стоимость, доступность, наличие производственных мощностей); возможность использования после срока службы; безопасность воздействия на человека и окружающую среду.
Объём сорбционной загрузки определяется её сорбционной ёмкостью, насыпной плотностью, содержанием примесей в жидкости и необходимой степенью её очистки. В практике водоочистки на оросительной сети высокую эффективность показали сорбционные загрузки на основе цеолитов, глауконитов и бентонитов, особенностью которых является отсутствие токсичности, что позволяет использовать их без ограничений. Эти природные сорбенты обладают термо- и кислотоустойчивостью, способностью к ионообмену и регенерации, высокими фильтрующими характеристиками и осветлительной способностью [128].
Для примера произведём алгоритм расчёта высоты псевдоожиженного слоя цеолита и рабочей скорости процесса выделения токсичных ионов железа концентрацией 0,4 мг/л для гидроциклона типа ГНС-100 (табл. 2.11).
Увеличение фильтрационного пути достигается последовательным перетоком жидкости из блока в блок. Количество цилиндрических перегородок определяется такими показателями, как гидравлическое сопротивление, длина фильтрационного пути и режим движения разделяемой неоднородной жидкостной системы. Из опыта эксплуатации аппаратов для разделения неоднородных жидкостных систем, работающих под высоким давлением, установлено, что при установке двух цилиндрических перегородок в насыпном фильтре достигается оптимальная длина фильтрационного пути, при этом гидравлическое сопротивление возрастает незначительно, а надёжность работы аппарата сохраняется [119].
При использовании сорбентов с разным фракционным составом загрузка в блоки производится в последовательности от большего диаметра частиц к меньшему диаметру, что предусмотрено конструкцией насыпного фильтра. Этим достигается более эффективное использование сорбента: первый блок выполняет очистку от тонкодисперсных примесей, не уловленных фильтрующим элементом, а последующие блоки удаляют токсичные примеси различного состава и концентраций за счёт более развитой удельной поверхности.
С целью обеспечения комплексного подхода к процессу водоочистки поливной воды предложена конструкция гидроциклона с трубофильтром, в пространстве между фильтровальными перегородками которого размещена фильтровальная глауконитовая загрузка [98]. Очистка поливной воды от мелкодисперсных и токсичных примесей происходит в процессе её фильтрации через глаукони-товую загрузку, при этом происходит медленное растворение минералов, обогащение поливной воды макро- и микроэлементами, которые необходимы для поддержания пищевого режима сельскохозяйственных культур. Улучшение качественных показателей воды достигается также путём снижения жёсткости природной воды при фильтровании через глауконитовую загрузку [45].
Так, например, реакции замещения катионов Са2+ катионами Na+ на глауко-нитовой фильтрующей загрузке в молекулярной форме запишутся следующим образом
В процессе удаления растворённых солей из фильтруемой водной суспензии - замены обменных катионов Na+ катионами Са2\ Mg2\ Fe2+ или Fe3+ - глауконит, являющийся катионитом, постепенно истощается и теряет катионнообмен-ную способность. Для восстановления первоначальной величины ёмкости поглощения, необходимо удержанные глауконитом катионы удалить из него и заменить обменным катионом Na+, т.е. провести регенерацию катионита. Регенерация, ионный обмен в обратном порядке, проводится путём фильтрации раствора, например, NaCl через слой истощенного катионита.
Реакции регенерации в молекулярной форме запишутся в следующем виде
Лабораторные исследования процесса очистки водной суспензии от дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным и фильтрующим сливными патрубками
Экспериментальное исследование процесса разделения суспензии в цилинд-роконическом гидроциклоне ГНС-100 стандартной конструкции (со сплошным патрубком) и модернизированного фильтрующим элементом тонкой очистки (фильтрующий сливной патрубок) включало 3 серии опытов:
1. Лабораторные исследования эффективности очистки водной суспензии от дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным и фильтрующим сливными патрубками.
2. Лабораторные исследования распределения потока жидкости между разгрузочными отверстиями в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным и фильтрующим сливными патрубками для различных значений диаметра пескового патрубка.
3. Лабораторные исследования степени очистки водной суспензии от дисперсной фазы в гидроциклоне ГНС-100 со сплошным и фильтрующим сливными патрубками для различных значений диаметра пескового патрубка.
В таблице 4.1 представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности очистки воды от примесей в стандартном гидроциклоне ГНС-100 и модернизированном фильтрующим элементом тонкой очистки с диаметром ячейки сетки 300 мк.
Из экспериментальных данных видно, что интегральная (общая) степень очистки при использовании трубофильтра возрастает на 10% (с 86 до 96%), что связано доулавливанием тонкодисперсных примесей фильтрующей боковой поверхностью фильтра тонкой очистки. Расхождение полученных опытных данных с теоретическими, полученными по методике, представленной в 2.1 – 2.2, составляет менее 5%, что не превышает допустимую ошибку опытов.
Помимо степени очистки воды от частиц дисперсной фазы, важной расходной характеристикой гидроциклонов, в значительной степени, определяющей эффективность процесса разделения неоднородных систем в нём, является распределение жидкостного потока между разгрузочными отверстиями – сливным (верхним) и песковым (нижним) патрубками. Другими словами, это соотношение объёмов очищенной (фугата) и шламовой жидкостей.
Исследования по данному вопросу проводились многими учёными [3, 115, 116, 132, 152, 153], которые пришли к выводу, что определяющим фактором данной характеристики является разгрузочное соотношение диаметров сливного dсл и пескового dпес патрубков, т.е. dсл / dпес.
Так, например, в работах [152, 153] предлагаются две формулы в зависимости от величины соотношения объёмов осветлённой Qосв и шламовой Qшл жидкостей
Таким образом, отношение объёма очищенной жидкости к объёму шламовой помимо ряда факторов (производительность, физико-механические свойства суспензии, колебания при её подаче и т.д.) зависит от диаметра пескового патрубка. Причём чем больше диаметр пескового патрубка, тем больший объём жидкости уходит через нижнее разгрузочное отверстие.
На рисунке 4.7 представлены результаты эксперимента по сравнению распределения потока жидкости между разгрузочными отверстиями в типовом гидроциклоне ГНС-100 и модернизированном фильтрующим элементом для различных значений диаметра пескового патрубка. Диаметр ячейки сетки фильтрующего элемента – 300 мк. Все опыты проводились в трёхкратной повторности для четырёх значений диаметра пескового патрубка – 8, 10, 12 и 16 мм.
Полученные результаты показывают, что с увеличением диаметра песково-го патрубка соотношение Qосв / Qшл меняется от 1,62 для сплошного и 1,86 для фильтрующего патрубка при диаметре патрубка 8 мм до 0,64 для сплошного и 0,87 для фильтрующего патрубка при диаметре патрубка 16 мм (рис. 4.7). То есть при увеличении диаметра нижнего разгрузочного отверстия увеличивается объём жидкости, уходящей с дисперсной фазой через песковый патрубок в ёмкость сбора шлама. Причём при одинаковых значениях диаметра пескового патрубка для гидроциклона с трубофильтром соотношение объёмов осветлённой и шламовой жидкостей выше, чем для гидроциклона типовой конструкции. Это обусловлено тем, что гидравлическое сопротивление сплошного патрубка выше, чем патрубка с фильтрующей боковой поверхностью и, как следствие, больший объём жидкости уходит через нижнее разгрузочное отверстие.
Отличительной особенностью гидродинамики потока жидкости в гидроциклоне в отличие от сгустителей и осветлителей, работающих по принципу действия силы тяжести, является то, что гидроциклон работает как пропорциональный разделитель. Осветлённая жидкая фаза всегда содержит определённое количество дисперсной фазы и не может быть абсолютно чистой, то есть задача получения более чистого верхнего продукта, находится в противоречии с требованием получения возможно более сгущенного нижнего продукта. Поэтому оценку соотношения объёмов очищенной жидкости к шламовой необходимо проводить в совокупности с оценкой эффективности разделения суспензии при тех же условиях.
На рисунке 4.8 представлены результаты проведённых опытов для определения зависимости степени очистки суспензии в гидроциклоне для ряда значений диаметра пескового патрубка (8, 10, 12 и 16 мм) для гидроциклона ГНС-100 со сплошным патрубком и модернизированного фильтрующим патрубком. Диаметр ячейки сетки фильтрующего элемента – 300 мк.
Из результатов проведённых опытов следует, что с увеличением диаметра пескового патрубка степень очистки монотонно возрастает - для гидроциклона типовой конструкции от 86,6 до 97,9% при диаметре пескового патрубка 8 и 16 мм соответственно. Для гидроциклона с трубофильтром для тех же значений диаметра пескового патрубка степень очистки равна 96,3 и 98,7% соответственно.
Оценивая в совокупности результаты проведённых опытов, можно сделать вывод, что гидроциклон с фильтрующим элементом показывает более высокие показатели эффективности очистки в сравнении с гидроциклоном стандартной конструкции при различных значениях диаметра пескового патрубка. Оптимальным диаметром пескового патрубка для рассмотренных конструкций аппаратов является 10 мм. Увеличение диаметра до 12… 16 мм приводит к резкому увеличению объёма жидкости, уходящего в шлам, при этом степень очистки растёт незначительно. Применение пескового патрубка диаметром 8 мм отрицательно сказывается на эффективности очистки суспензии от дисперсной фазы.
Исследование процесса водоочистки с использованием природных алюмосиликатов
Химический метод очистки воды от механических примесей, основанный на совместном применении коагулянтов и флокулянтов, обеспечивает достаточно высокую степень удаления взвешенных веществ и бактерий, а также некоторых растворённых примесей. В качестве коагулянта наиболее часто используют хорошо растворимый в воде и относительно недорогой сульфат алюминия (СА). Фло-кулянты классифицируют на природные (органические и неорганические) и синтетические – полиакриламид (ПАА). Среди неорганических флокулянтов наиболее часто используется кремниевая кислота (АК), которая представляет собой коллоидный раствор поликремневых кислот. Соединения сульфата алюминия и поликремневой кислоты присутствуют в растворах, получаемых в результате вскрытия природных алюмосиликатов (нефелин, сиенит), отвальных нефелиновых хвостов серной кислотой.
Нефелин Na(AlSiO4) – главный породообразующий минерал нефелиновых сиенитов. Переработка нефелиновых руд предусматривает получение в качестве товарных продуктов апатитовых, эгириновых и нефелиновых концентратов. При этом остающиеся отходы содержат значительное количество отвальных нефелиновых хвостов, характеризующихся высокими концентрациями алюмосиликатов, легко переходящих в раствор при взаимодействии с разбавленной серной кислотой.
Нефелиновые руды в сравнении с бокситами и каолинами, которые также используются для получения алюмосодержащих коагулянтов, имеют ряд преимуществ [15]:
1) легко вскрываются кислотами с выделением значительного количества тепла, что позволяет их разлагать без внешнего подвода энергии;
2) особенности кристаллохимического строения нефелина позволяют перевести в раствор не только соли алюминия, но и коллоидный кремнезём, который, полимеризуясь, исполняет роль как флокулянта, так и коагулянта (алюмокрем-ниевый флокулянт – коагулянт – АКФК).
АКФК получают, обрабатывая нефелиновый концентрат 10…15% серной кислотой в течение 6…8 минут. Далее раствор АКФК отделяют от небольшого количества нерастворимого остатка отстаиванием или фильтрованием. Этот способ позволяет избежать стадии выпарки, кристаллизации и последующего растворения кристаллического коагулянта на водоочистных установках или станциях. Полу ченный АКФК на основе нефелиновых руд содержит до 95% полимерных форм диоксида кремния [95].
Нефелиновый коагулянт широко распространен в практике очистки сточных вод, в технологии утилизации животноводческих стоков [68/1].
Для получения экспериментальных данных о сравнительной эффективности АКФК был выполнен анализ качества очистки воды с применением СА (контроль) и предлагаемого реагента по методике [19]. Объектом исследования являлась вода из отстойника (накопителя) для СКО. Пробы воды отбирались в соответствии с требованиями [31].
Одной из важнейших характеристик качества воды является перманганатная окисляемость (ПМО) – показатель, характеризующий интегральную загрязнённость воды – содержание в воде окисляющихся органических и неорганических примесей.Чем больше значение ПМО, тем выше концентрация загрязнителей.
Снижение ПМО до нормативных пределов достигается при использовании АКФК уже при дозе Al2O3 11,5 мг/л, тогда как при использовании СА требуется увеличение дозы Al2O3 до 16 мг /л (рис. 5.2).
Пробы воды характеризовались высокими концентрациями ВВ. Приведённые на рисунке 5.3 данные показывают, что применение АКФК позволяет достичь лучшей степени очистки от ВВ в сравнении с СА. Это обусловлено присутствием в АКФК поликремневой кислоты, увеличивающей флокуляционные свойства раствора реагента.
Исследования по обезжелезиванию воды реагентами представлены в таблице 5.2. В анализируемой воде содержание железа составляло 0,3 мг/л, доза каждого реагента – 20 мг на литр очищаемой воды.
Остаточное содержание железа в воде, обработанной АКФК существенно ниже, чем при использовании сульфата алюминия. Кроме того, значительно снижа ется концентрация остаточного алюминия, который является токсичным элементом и его наличие в поливной воде должно отвечать нормативным требованиям.
Поскольку СА и АКФК имеют кислую реакцию среды, был проведён эксперимент зависимости рН очищенной воды от дозы вносимых реагентов.
Из приведённых на рисунке 5.4 графиков видно, что оба реагента обеспечивают требуемый уровень рН = 6,5…8,0.
Полученные результаты показывают, что применение растворов АКФК для водоочистки в СКО перспективно, данный реагент не токсичен, отвечает требованиям безопасности и экономичности, позволяет снизить затраты реагента при улучшении качественных свойств мелиорируемой воды [87].