Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор методов обработки осадков поверхностных природных вод с использованием искусственного холода и задачи исследований 6
Глава 2. Методики исследований и описание установок
2.1. Методики определения реологических и теплофизическйх свойств осадков 30
2.2. Методика исследования процесса сгущения осадков 38
2.3. Методика исследования процесса тонкослойного замораживания-оттаивания осадков 43
2.4. Методика исследования процесса обезвоживания осадков 57
Глава 3. Реологические и теплофизические свойства осадков поверхностных природных вод 58
Выводы по главе 3 73
Глава 4. Результаты исследований процессов сгущения, тонкослойного замораживания-оттаивания, обезвоживания осадков
4.1. Сгущение осадков в барабанном фильтре 74
4.2. Тонкослойное замораживание-оттаивание осадков
4.2.1. Результаты лабораторных исследований на барабанном кристаллизаторе 80
4.2.2. Теплоперенос при фазовом превращении 100
4.2.3. Результаты полупроизводственных исследований на барабанных и роторных льдогенераторах III
4.3. Механическое обезвоживание осадка после замораживания-оттаивания 126
Выводы по главе 4 131
Глава 5. Технологические схемы обработки осадков поверхностных природных вод с использованием аппаратов тонкослойного замораживания-оттаивания непрерывного действия, их технико-экономическое сравнение и результаты внедрения
5.1. Технологические схемы обработки осадков с использованием аппаратов тонкослойного замораживания-оттаивания непрерывного действия 133
5.2. Технико-экономическое сравнение технологических схем 140
5.3. Результаты внедрения 143
Выводы по главе 5 145
Общие выводы 146
Использованная литература
- Методика исследования процесса сгущения осадков
- Методика исследования процесса обезвоживания осадков
- Результаты полупроизводственных исследований на барабанных и роторных льдогенераторах
- Технико-экономическое сравнение технологических схем
Введение к работе
На ХХУІ съезде КПСС отмечалось, что в современных условиях динамического развития народного хозяйства особое внимание следует обратить на хозяйское» бережное отношение к природным ресурсам. Важное значение в трудовой деятельности человека имеет вода. Однако, несмотря на кажущуюся беспредельность количества воды на нашей планете, процесс загрязнения водоисточников промышленными, сельскохозяйственными и коммунальными отходами протекает возрастающими темпами, что создает угрозу уничтожения всего живого. Сохранение воды - этого основного фактора жизни - является составной частью программы строительства коммунизма,
В "Основных направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается ряд мероприятий по улучшению охраны водных ресурсов от загрязнения, созданию безотходных, малоотходных технологических процессов и водоочистного оборудования, строительству водоохранных объектов.
В процессе подготовки поверхностных природных вод для коммунального и промышленного водоснабжения на водопроводных станциях образуются осадки, ликвидация которых связана с решением ряда технических и экологических проблем.
На территории СССР около 70 % поверхностного водозабора осуществляется из источников с маломутной цветной водой.
В 1990 году на водопроводных станциях, осуществляющих очистку
маломутных цветных вод, ожидается получить около 150 млн. м
гидроксидных осадков при средней влажности 99,5 % . Обезвоживание такого количества осадков в естественных условиях потре-
бовало бы значительных капитальных вложений, с учетом недополучения сельскохозяйственной продукции с отчуждаемых земель, и ухудшило бы санитарное состояние в прилегающей местности.
Решение проблемы обработки гидроксидных осадков ведется по разным направлениям. Одним из наиволее эффективных методов является искусственное замораживание-оттаивание, которое позволяет без применения химических реагентов резко улучшить водоотдачу осадков. Однако до настоящего времени этот метод в нашей стране не применялся, хотя за рубежом он начинает интенсивно внедряться в практику обработки гидроксидных осадков.
В Великобритании, Японии и других странах обработка осадка искусственным холодом ведется в аппаратах емкостного типа, работа которых предусматривается в циклическом режиме. Применяемые аппараты обладают существенными технико-экономическими недостатками. Повышение эффективности метода замораживания-оттаивания можно достигнуть путем применения непрерывнодей-ствующих аппаратов тонкослойного замораживания-оттаивания. В мировой практике обработки осадков поверхностных природных вод аппараты непрерывного действия, осуществляющие тонкослойное замораживание-оттаивание, еще не применялись.
Настоящая работа посвящена разработке технологии применения метода тонкослойного замораживания-оттаивания осадков поверхностных природных вод на непрерывнодействующих аппаратах.
На основании проведенных исследований предложены методики инженерного расчета технологических процессов сгущения, непрерывного тонкослойного замораживания-оттаивания, механического обезвоживания гидроксидных осадков природных вод. Разработана конструктореквя документация и изготовлены опытные образцы an- . паратов. Разработана проектная документация и ведется строительство цехов обработки осадков в г.г. Саратове и Риге.
Методика исследования процесса сгущения осадков
Для увеличения удельной нагрузки на аппараты замораживания и оттаивания перед процессом замораживания из осадка необходимо удалить максимальное количество свободной воды наиболее простым и дешевым способом. В отечественной и зарубежной практике нашел применение метод гравитационного уплотнения осадка при медленном перемешивании /2, 40, 41, 124, 133, 139/. Однако обработка труднообезвоживаемых осадков высокоцветных маломутных вод этим методом продолжается в течение 5-Ю часов и при этом удается увеличить концентрацию твердой фазы в осадке лишь до 3 - Ь%.
Как было отмечено в главе Itинтенсификация процесса гравитационного уплотнения осадка может быть осуществлена с помощью барабанных сгустителей. Для опробования технологического процесса был сконструирован лабораторный гравитационный сгуститель осадка периодического действия (рис. 2.2).
Сгуститель включал в себя барабан со съемной фильтровальной тканью 3, электродвигатель постоянного тока I, редуктор 2 и сборник фильтрата 4.
Фильтровальная ткань натягивалась на два диска, выполненных из органического стекла и закрепленных на общем валу и зажималась на них с помощью металлических стяжек и резиновых прокладок. Диски имели диаметр 80 мм и находились на расстоянии 180 мм друг от друга. Один из дисков имел отверстие для загрузки и выгрузки осадка. Во время работы отверстие закрывалось пробкой. Общая площадь фильтрующей поверхности составляла 0,045 м Внутренний объем барабана составлял 900 см \ Под барабаном был установлен сборник фильтрата, выполненный в виде мерного цилиндра, Вал барабана с помощью втулки соединялся через редуктор с электродвигателем постоянного тока. Питание электродвигателя осуществлялось с помощью выпрямителя ВСА -III, который позволял изменять токовую нагрузку на электродвигатель в широких пределах. Использование редуктора и выпрямителя ВСА - III позволяло плавно изменять частоту вращения барабана в пределах от 2 до 30 об/мин.
В процессе исследований определялись следующие параметры: частота вращения фильтра, продолжительность сгущения, концентрация осадка, доза полиакриламида (ПАА), содержание взвешенных веществ в фильтрате.
Исследования проводились с осадком, взятым из отстойников Северной водопроводной станции г.Москвы. Перед работой в барабан заливалось 250-500 мл осадка. Затем подавалось напряжение на выпрямитель и, изменяя токовую нагрузку на электродвигатель, устанавливали необходимую частоту,,, вращения барабанного фильтра. Частота вращения барабана контролировалась с помощью секундомера. Скорость фильтрации определялась по количеству выделяемого фильтрата через равные промежутки времени. Температура обрабатываемого осадка поддерживалась в пределах 20-22 С. Для интенсификации процесса сгущения в осадок перед его обработкой вводился полиакриламид. Дозирование полиакриламида осуществлялось в виде 0,1% водного раствора. Смешение осадка с реагентом проводилось в цилиндре емкостью 1000 мл по стандартной методике. После сгущения определялись влажность осадка и содержание взвешенных веществ в фильтрате. Количество взвешенных веществ контролировалось по изменению оптической плотности фильтрата на приборе ФЭК-56 ПМС с использованием переводного графика.
Полученные на лабораторной установке результаты были использованы при проектировании и создании опытной установки не прерывного действия (рис. 2.3). Опытная установка включала в себя бак с осадком I , насос 2 , барабан 5 , емкость с полиакриламидом 3 , камеру смешения 4 , сборник сгущенного осадка II , сборник фильтрата 12 , электродвигатель с редуктором 9 и 10 , компрессор 7 , перфорированную трубу 6 .
Барабан сгустителя был выполнен в виде полого шнека, обтянутого фильтровальной тканью. Подача осадка с ПАА осуществлялась в пространство первого витка шнека. Выгрузка сгущенного осадка проводилась на противоположном конце шнека. Основные характеристики сгустителя: наружний диаметр шнека, мм 200 внутренний диаметр шнека, мм 100 количество витков шнека 14,5 о площадь фильтрования, м 0,58 частота вращения барабана, об/мин 2,3,6.
Во время работы установки осадок и ПАА сначала подавались в камеру смешения, откуда смесь поступала в барабан сгустителя. При вращении барабана осадок постепенно коагулировался и одновременно перемещался шнеком к месту выгрузки. Выделяющаяся из осадка вода отводилась в сборник фильтрата. Регенерация фильтровальной ткани осуществлялась сжатым воздухом, который распределялся по верхней образующей барабана с помощью перфорированной трубы.
Методика исследования процесса обезвоживания осадков
При замораживании осадка природных вод происходит изменение его физико-химической структуры, в результате чего увеличивается количество свободной влаги. Количественное соотношение между свободной и связанной влагой во многом определяет водо-отдающую способность осадков, которую принято характеризовать значением удельного сопротивления фильтрации. Знание удельного сопротивления осадка позволяет оценить работу как аппаратов замораживания-оттаивания, так и аппаратов механического обезвоживания. Определение значения удельного сопротивления осадка проводилось по известной методике /87, 88/.
Поверхность фильтрации воронки Бюхнера составляла 38,5. —А 2 Юм, давление фильтрации 0,04 МПа, Объем фильтруемого осадка - 100 мл.
Моделирование процессов вакуум-фильтрации и фильтр-прессования оттаявшего ооадка проводилось на лабораторном стенде. Механическое обезвоживание осадка на лабораторном стенде оценивалось по стандартным методикам /51, 87/. Поверхность фильт —2 2 рации у погружной воронке была равна 0,5.10 м , давление от фильтрации ,031 до 0,043 МПа. Площадь фильтрации у лаборатор 2 ного фильтр-пресса составляла 0,01 м , давление фильтр-прессования изменялось от 0,6 до 0,8 МПа.
Реологические исследования, проведенные на осадках природных и сточных вод И.М.Миркисом, Н.Ф.Федоровым, А.А.Карпинским, Ю.М.Ласковым, показали, что вязкопластические свойства осадков обусловлены составом самого осадка и условиями его течения [II, 24, 48] Эти исследования проводились, в основном, для получения данных, необходимых при инженерных расчетах гидротранспортных систем. Реологические свойства гидроксидных осадков природных вод, особенно осадков высокопветных маломутных вод, изученві недостаточно полно, что не позволяет делать надежных обобщающих выводов в этой области. Кроме того, условия течения осадка вдоль теплообменной поверхности кристаллизаторов отличаются от его движения в трубопроводах.
Для выявления характерных особенностей поведения гидроксидных асадков природных вод при нанесении их на движущуюся теплообменную поверхность были проведены исследования реологических свойств осадков, полученных в процессе очистки цветных вод.
Опыты, проведенные на осадках различного исходного качества, показали, что движение осадков начинав! наблюдаться только после приложения к ним усилий, превышающих предел текучести. Значение предела текучести осадков изменялось в широком диапазоне и достигало значения 100 Па . При усилиях превышающих предел текучести скорость течения осадка (точнее - скорость сдвига параллельных слоев осадка) становилась пропорциональна разности между приложенным усилием и пределом текучести.
Математическое описание движения каждого вида осадка в области чисел Рейнольдса 10 Be С 10 соответствовало следующей реологической модели: Па . где Т - прилагаемое к осадку касательное напряжение, Па ; Т0 - предел текучести, Па ; К коэффипдент пропорциональности, Па.с ; І - градиент скорости, с"1 Вид кривой течения осадков характерен для так называемых мбингамовскихи жидкостей, входящих в разряд неньютоновских.
В таблице 3.1 , на примере осадка с CBG г.Москвы, приведены характерные результаты реологических исследований, проведенных на шариковом визкозиметре. Наблюдаемое возрастание с каждым новым опытом скорости падения шарика определенного типоразмера связано с постепенным нарушением структуры осадка, ослаблением его внутренних связей. Очевидное уменьшение вязкости с возрастанием градиента скорости обуславливается такими факторами, как растягивание и частичное разрушение пространственной решетки гйдроксидного осадка, ориентация макромолекул в направлении действия приложенного касательного напряжения, в результате чего отдельные структуры и макромолекулы становятся более легко обтекаемыми.
Путем математической обработки экспериментальных данных было получено уравнение кривой течения осадка СВС г.Москвы в координатах Т" j \ \ ) для области малых чисел критерия Рейнольдса:
Результаты полупроизводственных исследований на барабанных и роторных льдогенераторах
Для выполнения расчета производительности непрерывно-действующих аппаратов тонкослойного замораживания-оттаивания необходимо иметь аналитическую зависимость толщины замораживаемого слоя осадка от продолжительности процесса замораживания при различных тепловых и гидродинамических условиях работы аппарата.
Определение продолжительности процесса замораживания осадка связано с математическим решением проблемы нестационарного теплообмена при наличии подвижных границ фазовых превращений. В аппаратах тонкослойного замораживания отвод тепла от жидкого осадка к хладоагенту происходит через систему: хладоагент -теплопередающая стенка - замороженный осадок - жидкий осадок. В связи с тем, что толщина слоя замороженного осадка постоянно увеличивается, температурное поле в этом слое постоянно меняется, а, следовательно, меняется и скорость самого процесса. Аналогичная задача нестационарного теплообмена исследовалась многими авторами /69, 73, 135/, но их решения носили частный характер, не относящейся к области обработки осадков методом тонкослойного замораживания. Поэтому рекомендованные в литературе аналитические зависимости для расчета производительности кристаллизаторов дают большие расхождения с опытными данными, полученными при замораживании осадка природных вод /4, 5, 29, 48, 69, 95, 97/.
Например, при определении продолжительности замораживания слоя осадка толщиной I мм формула Планка /135/ дает отклонение от опытных данных более чем на 30 %, формула ЛенНИИхиммаша /34/ - более 15 %, а формула предложенная Гипрорыбфшотом и ЛТИХПом /37/ - более 80 %. С увеличением толщины замораживаемо го слоя наблюдается еще большая расходимость теоретических и практических результатов. Более точные расчеты требуют применения ЭВМ, что в инженерной практике не всегда возможно.
В данной работе решение задачи нестационарного теплообмена при замораживании осадка на барабане было осуществлено с использованием интегрального метода /18/. Этот метод позволяет уравнение в частных производных с нелинейными граничными условиями привести к обыкновенному дифференциальному с заданными начальными условиями, решение которого может быть получено в замкнутой аналитической форме.
Физическая модель, используемая при рассмотрении процесса замораживания,представлена на рис. 4.17.
При решении задачи были сделаны следующие допущения: 1. Температура поверхности раздела фаз равна криоскопической температуре осадка. 2. Теплофизические характеристики осадка и материала теплопе-редающей стенки неизменны. 3. Лучистый теплообмен отсутствует. 4. Замороженный осадок рассматривается как полуограниченная пластина.
В соответствии со сделанными допущениями нестационарный процесс переноса тепла внутри замороженного осадка описывается уравнением теплопроводности /18/
После разложения логарифмического члена выражения (4.16) в степенной ряд и ограничившись первыми двумя его членами окончательно получаем: Проведенные исследования по измерению толщины замороженного слоя осадка позволили сопоставить полученные опытные данные с расчетными, выполненными по уравнению (4.17І. Полученные результаты представлены в таблице 4.7.
Как видно из таблицы 4.7, опытные данные удовлетворительно совпадают с расчетными, что подтверждает справедливость полученных уравнений. Отклонение опытных данных от расчетных не превышает 5 %.
Полученные выражения (4.15) и (4.17)позволяют с достаточной для инженерных расчетов точностью определить продолжительность процесса замораживания осадка на теплообменной поверхности замораживающих аппаратов и затем вычислить технологические параметры работы установки, а именно, частоту вращения барабана, производительность, тепловую нагрузку и т.д. Если принять, что продолжительность одного оборота барабана составляет (по конструктивным соображениям) то частота вращения барабана будет определяться по выражению: Производительность кристаллизатора определяется по формуле: где J) - диаметр барабана, м; L - длина барабана, м; S - толщина слоя осадка, м; О - плотность осадка, кг/м3.
С целью сокращения объема вычислений по выражению(4.17) на рисунках 4.18 - 4.20 приведены номограммы для определения относительного термического сопротивления R . для случая выполнения стенки барабана из стали (или чугуна) коэффициент теплопроводности материала принят равным 50 Вт/(м.К), для стенки из нержавеющей стали - 15 Вт/(м.К), для стенки из алюминиевых сплавов - 120 Вт/(м.К). Пример использования номограммы показан пунктирной линией на рис. 4.18: при Scr = 25 мм, o(t = 1250 Вт/(м2.К) и обк = 200 Вт/(м2.К) относительное термическое сопротивление равно А = 0,26; а термическое сопротивление системы хладоагент-стенка С = 1,3 . 10 (м ,К)/Вт.
Технико-экономическое сравнение технологических схем
На основании проведенных исследований НИЙ КВОВ АКХ выдал рекомендации на проектирование цехов по обработке гидроксид-ных осадков с использованием метода замораживания в городах Горьком, Риге, Саратове, а также на разработку специального оборудования для замораживания-оттаивания осадков.
ЛенНИИхиммаш разработал проект горизонтального вымораживания барабана /34/. Опытный образец вымораживающего барабана изготовлен в 1983 году на ПО "Петрозаводскбуммаш". Расчетная производительность барабана составляет 50 м3 осадка в сутки. Опытный образец барабана будет установлен на водопроводной станции г. Саратова. Проектирование технологической части опытно-производственного цеха обезвоживания осадков на водопроводной станции г.Саратова осуществлено Гилрокоммунводканалом. Проектирование холодильной части цеха выполнено Гипрохолодом. Строительство объекта планируется осуществить в 1984 году /83/.
Гипрорыбфлот, совместно с ЛТИХП, разработал проект роторного льдогенератора-ооветлителя, в состав которого входят четыре вертикальных кристаллизатора и один общий плавитель /37/. Опытный образец льдогенератора-осветлителя марки Н26-ИИ50А, оборудованного кристаллизаторами HI-ИИ 25А, изготовлен в 1982 году на ПО "Дальреммаш" (г.Хабаровск). Расчетная производительность установки составляет 50 м3 осадка в сутки. Опытный образец Н26-ИЕ 50А предназначен для установки на водоочистных сооружениях г. Риги. Экспериментальный проект сооружений для обработки осадка выполнил ЦНИИЭП и.о. Срок окончания строительства объекта - 1984 год /66/.
В 1981 году на технологической испытательной станции "Гил-рорыбфлота" проводились испытания льдогенератора HI-ИИ 25А в режиме замораживания осадка природных вод. Данный льдогенератор является базовой моделью при создании "Льдогенератора-осветлителя Н26-ИД 50А". В результате испытаний были подтверждены основные проектные данные льдогенератора. Производительность льдогенератора при продолжительности замораживания 45 с составила 540 кг/ч.
После окончания строительства объектов в г.г. Саратове и Риге будут проведены технологические исследования метода замораживания-оттаивания с целью отработки в производственных условиях оптимальных параметров процесса и экономического сравнения двух технологических схем обработки осадка.
Выводы по главе 5
1. Разработаны технологические схемы обработки гидро-ксидных осадков методом непрерывного тонкослойного замораживания-оттаивания и предложено их аппаратурное оформление. Основные элементы технологических схем и аппаратов защищены 5 авторскими свидетельствами на изобретения /22, 44, 45, 46, 47/.
2. Технико-экономический расчет показывает, что предложенные технологические схемы позволяют значительно снизить приведенные затраты по сравнению с естественной обработкой осадков на площадках обезвоживания.
3. На основании проведенных исследований запроектированы и изготовлены опытные образцы аппаратов для непрерывного тонкослойного замораживания-оттаивания осадков (ЛенНИИхиммаш, Гипрорыбфлот, ЛТИХП). В настоящее время ведется строительство цехов обработки осадков методом замораживания-оттаивания в г.г. Саратове и Риге, проектирование которых осуществлялось ЦНИИЭПом и.о., Гипрокоммунводокаяалом, Гипрохолодом по разработанным технологическим схемам.
