CC BY
34
УДК 66.011
Л.М. Кочетов, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин, И.А. Попов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФИЛЬТРА С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАГРУЗКОЙ
Проведен анализ работы фильтров с плавающим слоем фильтрующего материала, предназначенных для очистки воды от взвешенных веществ. Полученные результаты позволяют оценить эффективность очистки воды, гидравлические потери в фильтрующей загрузке, продолжительность работы между циклами промывки загрузки. Отмечены преимущества фильтров и оптимальные условия их работы.
Is carried out the analysis of the work of the filters with the floating layer of the filtering material, intended for removal of suspended matter from water. The obtained results make it possible to estimate the effectiveness of the purification of water, hydraulic losses in the filtering load, operating time between the cycles of the washing of load. The advantages of filters and the optimum conditions for their work are noted.
Принцип действия фильтров с плавающей загрузкой заключается в задержании примесей в слое фильтрующей загрузки, обладающей плавучестью. Плавающие загрузки имеют преимущество перед не плавающими (тяжёлыми) загрузками, заключающееся в способности легко и быстро промываться обратным воды с полным восстановлением фильтрующей способности. Такие фильтры могут быть использованы для очистки различных жидкостей от взвешенных нерастворимых веществ (рис. 1), в основном питьевой или сточной воды [1,2].
Фильтрующая загрузка традиционно изготавливается из вспенивающегося полистирола, который значительно легче воды, устойчив к действию микроорганизмов, нетоксичен, имеет достаточную механическую прочность и удовлетворительную адгезионную способность. Основным недостатком пенополистирола является его малая плотность (около 60 кг/м ), что обуславливает необходимость создания интенсивного и продолжительного по времени потока промывной воды. Обычно интенсивность промывки для таких фильтров составляет 10-15 л/м2с, а продолжительность промывки 1-3 мин. В итоге требуется значительный расход промывной воды [1,3].
Значительно лучшие результаты получаются при использовании в качестве плавающей загрузки гранул ПНД размером 3-3,5мм.
Поскольку плотность ПНД лишь немного уступает плотности воды и составляет около 950 кг/м , скорость промывки слоя гранул в 2-3 раза меньше чем при использовании гранул пенополистирола, а продолжительность промывки не превышает 30 с. В этом случае в несколько раз уменьшается расход промывной воды и соответственно количество шлама, подлежащего утилизации. Также, при использовании гранул ПНД, как следует из результатов экспериментов (рис. 1), повышается эффективность улавливания взвешенных частиц по сравнению с загрузкой из гранул пенополистирола. Единственным недостатком загрузки из гранул ПНД по сравнению с гранулами пенополистирола является их высокая стоимость. Однако учитывая длительный срок использования загрузки (до 5 лет), этот недостаток не является существенным.
Рис.1. Содержание взвеси в очищенной воде в зависимости от скорости фильтрации (без использования коагулянтов). 1-гранулы пенополистирола; 2- гранулы ПНД.
Бесспорным преимуществом фильтров с плавающей загрузкой является возможность их простой и эффективной промывки обратным потоком отфильтрованной воды. Во время промывки увеличивается расстояние между гранулами, что способствует эффективному удалению отфильтрованного осадка, который отводится вместе с промывной водой. Промывку плавающей загрузки осуществляют обычно фильтратом, накапливаемом в специальном резервуаре, расположенном выше фильтра. Также возможно использование насосов для этих целей.
По условиям проведения процесса, фильтры с плавающей загрузкой могут быть открытыми (со свободной поверхностью воды) и напорными, работающими под избыточным давлением воды. В открытых фильтрах высота свободного слоя воды над слоем гранул должна быть не менее 0,5м (для обеспечения равномерности распределения воды). Этот же объем воды, может использоваться для промывки фильтрующей загрузки.
Фильтры с плавающей загрузкой могут работать с использованием коагулянтов или без них. Обработка воды коагулянтами, в частности раствором полиоксихлорида алюминия в смеси с бикарбонатом натрия существенно улучшает качество фильтрата. При использовании коагулянтов и соответствующей корректировке значения рН воды возможно частичное удаление не только взвешенных веществ, но также ПАВ, красителей и других растворенных веществ, которые сорбируются на поверхности агломератов взвешенных частиц и гидроокиси алюминия
В фильтрах с плавающей загрузкой из пенополистирола движение воды может осуществляться в двух направлениях: снизу вверх или сверху вниз. При использовании гранул ПНД фильтрация сверху вниз неприемлема, из-за возможности расширения слоя загрузки и нарушения целостности слоя. При направлении фильтрации снизу вверх нарушений целостности слоя не происходит. Напротив, гранулы загрузки плотно прилегают друг к другу под действием плавучести и гидродинамического давления жидкости. При этом можно работать при скоростях фильтрации до 10 м/ч, обеспечивая удовлетворительную очистку воды.
Потери давления в слое фильтрующей загрузки зависят от скорости фильтрации, высоты слоя и размера гранул и обычно не превышают 50 кПа. При загрязнении плавающей загрузки сопротивление ее существенной увели-
чивается.
Потери напора в фильтрующей загрузке оцениваются по формуле:
3 , V2Ир.(1 -а)
— Л---
4 аъф.8
АР = -Л-3 „ Па, (1)
где р— плотность воды, кг/м3; И- высота слоя загрузки гранул, м; коэффициент формы частиц загрузки; е — порозность слоя загрузки; р— динамическая вязкость воды, Па с; 8 - диаметр частиц загрузки, м. 1- коэффициент трения при ламинарном режиме:
1=220/Яв; Яв = ;
3 р(1 -а)
Потери напора в единице высоты слоя загрузки:
,уц(1 -а)2
агф2.52
АР / И - 247,5 3 ^2 Па/м, (2)
В процессе фильтрации жидкости происходит постепенное отложение осадка между частицами фильтрующей загрузки. Это приводит к увеличению потерь напора в слое или к падению производительности (при постоянном напоре). Если предположить, что отложение осадка происходит равномерно по всему объему слоя, то уменьшение порозности фильтрующего слоя в процессе фильтрования может быть описано следующим уравнением:
ае-АС (1 , (3)
V хР,
3
где V— объем слоя фильтрующей загрузки, м ; АС - изменение содержания взвешенных веществ в воде при прохождении через фильтрующую загрузку, кг/ м ; Q— объем воды, прошедший через фильтр, м ; рос — плотность осадка в слое загрузки (по твердой фазе), кг/м ; Р — объемное влагосо-держание осадка (отношение объема влаги в осадке к объему твердой фазы осадка).
Порозность слоя в конце фильтроцикла (перед промывкой):
а - а -А£ШLQ, (4)
нач ттт ' V /
где енач - начальная порозность слоя фильтрующей загрузки.
Из уравнения 2 можно получить величину потерь напора в фильтре А Р по отношению к начальному значению потерь напора А Рнач:
АР/АРн
(1 -а)2 ^
а,.
(5)
(1 -анач)2 I а )
Промывка фильтра осуществляется когда объем осадка составляет 30 50% свободного объема пор фильтрующей загрузки.
Обычно работа фильтров с плавающей загрузкой осуществляется при практически постоянном напоре. Это означает, что при отложении осадка в фильтрующей загрузке будет происходить падение производительности фильтра. Отношение средних скоростей фильтрации жидкости через слой плавающей загрузки в начальный и конечный периоды фильтроцикла при Л Р =сот1 выражается соотношением
(1 £нач)
(1 у
V ^ нач J
(6)
Эффективность очистки воды в ФПЗ зависит от многих факторов: размеров отделяемых частиц, их физических свойств, высоты слоя и размеров гранул плавающей загрузки, скорости фильтрации.
На рис. 2 приведены графические зависимости, характеризующие эффективность улавливания взвешенных минеральных частиц, в виде функции от гидравлической крупности (скорости осаждения) улавливаемых частиц для различных скоростей фильтрации без использования коагулянтов. Фильтрация осуществлялась снизу вверх через слой гранул пенополистирола размером от 1доЗ мм.
П
0,9
0,7
0,5
0,3
0,1
-1 -0,6 -0,2 О 0,2 -0,6 1 |д и
Рис. 2. Зависимость эффективности улавливания в ВЗП от гидравлической крупности частиц для скоростей фильтрации: 1. - 0,5 мм/с; 2.- 1 мм/с; 3. - 10 мм/с;
При обработке экспериментальных данных, была получена зависимость
[1]: Ц = к (и / V)0,6 (7)
где и - скорость осаждения твердых частиц, м/с; V - скорость фильтрации воды, рассчитанная на полное сечение фильтра, м/с; к - эмпирический коэффициент, зависящий от отношения высоты слоя гранул Н к размеру гранул 3. При Н'/$> к ~1.
Эффективность работы фильтра возрастает с уменьшением размеров частиц плавающей загрузки. Одновременно возрастает и грязеемкость, поскольку она связана с удельной поверхностью фильтрующего слоя, увеличивающейся с уменьшением среднего размера гранул. Оптимальным размером гранул плавающей загрузки является 1-2мм. Однако, на практике приходится использовать более крупные гранулы (с размером от 2 до 4 мм) из-за сложно-
сти работы с мелкими гранулами.
Другим фактором, оказывающим существенное влияние на эффективность очистки воды от взвешенных веществ в фильтрах с плавающей загрузкой, является скорость фильтрации. Обычно эта величина принимается свыше 5 м/ч. При малых производительностях можно работать при скоростях фильтрации до 3 м/ч, При таких скоростях эффективность очистки воды от взвешенных веществ в фильтрах с плавающей загрузкой, даже без использования коагулянта, может достигать свыше 90%, а содержание взвешенных веществ в фильтрате на уровне 10 мг/л.
По своим экономическим показателям фильтры с плавающей загрузкой превосходят фильтры с песчаной загрузкой, однако уступают им по эффективности очистки воды. Существенным их преимуществом является простота и эффективность регенерации фильтрующей загрузки, ее низкая стоимость и долговечность.
Фильтры с плавающей загрузкой способны улавливать не только взвешенные минеральные частицы, но и эмульгированные нефтепродукты, снижать цветность воды, а также снижать содержание железа, сульфатов, растворённых в воде органических веществ. При работе фильтра с плавающей загрузкой происходит постепенное загрязнение её уловленными взвешенными веществами и другими продуктами. В результате эффективность очистки воды снижается. Для регенерации фильтрующей загрузки производят её промывку с помощью интенсивного потока воды, сверху вниз.
Грязеёмкость фильтра можно оценить с помощью формулы:
М _ т ■ Жф ■а (8)
где Шф- объём фильтрующей загрузки, м ; а- удельная поверхность
3 2
гранул загрузки, м /м ; т- удельная грязеёмкость фильтрующей загрузки. Для взвешенных минеральных частиц можно принять т~ 6 г/м2.
Продолжительность фильтроцикла до момента регенерации (промывки) фильтрующей загрузки можно определить по формуле
_ м
Тф" _ V ■ (С„ - с,) 'час (9)
где V - производительность фильтра, м3 /ч; Сн и Ск - соответственно начальная и конечная концентрации загрязняющих веществ в воде, проходящей через фильтр. Обычно величина Хфц составляет 50- 200час.
На предприятиях текстильной промышленности фильтры с плавающей загрузкой целесообразно использовать при очистке сточных вод после процессов окраски или отмывки текстильных волокон. С целью предотвращения биологических обрастаний фильтрующей загрузки, она должна периодически, 1 раз в 1-2 месяца обрабатываться хлорной водой, с содержанием активного хлора до 300 мг/л. Продолжительность контакта фильтрующей загрузки с хлорной водой должна быть около 1 суток.
Библиографические ссылки
1. Сажин, Б.С. Экологическая безопасность технологических процессов / Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, Л.И. Гудим, Л.М. Кочетов. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007.
2. Очистка производственных сточных вод / С.В. Яковлев [и др.]; М. Стройиздат, 2005.
3. Кочетов, Л.М. Использование фильтров с плавающей загрузкой для очистки сточных вод / Л.М. Кочетов, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин, И.А. Попов. // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Сарки-сова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. Т. XXIII. № 8 (101). С. 106-113.
УДК 66.011
М.П. Тюрин, Л.М. Кочетов, В.Б. Сажин, М.А. Апарушкина, З.Н. Османов, НА. Солдатова
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
Аналогия между тепло- и массообменом и теория подобия приводят к практически важному выводу о том, что при испарительном охлаждении жидкости коэффициенты тепло-и массоотдачи должны находиться между собой в определенном и мало изменяющемся для практической области температур и влагосодержаний воздуха количественном соотношении.
The analogy between heat and mass transfer and the theory of similarity lead to important practical conclusion that the evaporative cooling of the liquid coefficients of heat and mass transfer must be together in a small and practical for changing the temperature and moisture content of air proportion.
Для получения требуемой температуры отработанную оборотную воду перед новым ее использованием охлаждают в специальных сооружениях: прудах-охладителях, брызгальных бассейнах и градирнях (башенных или вентиляторных); в последние годы начали применять радиаторные (или «сухие») градирни.
Вода в охладителе охлаждается посредством передачи теплоты атмосферному воздуху. Часть теплоты передается вследствие поверхностного испарения воды (вода превращается в пар, который путем диффузии переносится в воздух), другая часть - вследствие разницы в температурах между водой и воздухом, т. е. теплопроводностью и конвекцией. Весьма небольшое количество теплоты отнимается от воды еще излучением, что в тепловом балансе обычно не учитывается. Одновременно имеет место приток теплоты к охлаждаемой воде от солнечной радиации, которое также мало, и в тепловом балансе градирен и брызгальных бассейнов им пренебрегают.
Уравнение теплового баланса охладителя воды в общем виде можно выразить так:
