2291

ENGINEERING SYSTEMS

отстаивания и увеличения гидравлической крупности образующихся флотокомплексов. Предложено повышать величину гидравлической крупности флотокомплексов за счет вторичного насыщения флотационного объема пузырьками воздуха размерами

dп 0,02 0,04 мм . Установлено, что получить водовоздушную смесь требуемого

дисперсного состава можно при обработке потока водовоздушной смеси в кольцевом пространстве между двумя соосно расположенными цилиндрами при величине гидравлического радиуса R 0,0125 м и значении критерия Рейнольдса для поперечной

составляющей скорости потока Re 100000 .

Ключевые слова: флотокомплекс, напорная флотация, тонкослойное отстаивание, гидравлическая крупность, турбулентные пульсации, масштаб турбулентности, диссипация энергии

THEORETICAL ANALYSIS OF THE POSSIBILITY TO INCREASE THE EFFICIENCY OF FLOTATION TO REMOVE PARTICULATE CONTAMINANTS THROUGH THE USE OF TECHNOLOGICAL METHODS OF THIN-LAYER SEDIMENTATION AND INCREASE IN HYDRAULIC SIZE OF RESULTING FOTOCONNECTION

S.Yu. Andreev, N.N. Laskov, S.V. Stepanov, V.A. Knyazev

The results of theoretical studies of the processes of flotation removal of dispersed contaminants from wastewater are presented. The mathematical model of the flotation process describing the kinetics of the processes of transition pollutants disperse particles from the initial state to fluoroplex «particle – bubble» and transition photocouplers formed in the foam layer is presented. It is shown that the process of flotation removal of dispersed contaminants can be significantly intensified by using technological techniques of thin-layer sedimentation and increasing the hydraulic fineness of the resulting flotation complexes. It is proposed to increase the value of the hydraulic fineness of flotation complexes due to the secondary saturation of the flotation volume with air bubbles in size

dп 0,02 0,04 mm . It is established that it is possible to obtain the required air-water mixture

dispersing composition with Abbott flow water-air mixture in the annular space between two coaxially arranged cylinders when the value of the hydraulic radius is R 0,0125 m and the value

of the Reynolds criterion for transverse velocity component of the flow is Re 100000 .

Keywords: flotation complex, pressure flotation, velocity constant, thin-layer sedimentation, hydraulic fineness, turbulent pulsations, turbulence scale, energy dissipation

В практике очистки производственных сточных вод в настоящее время получил широкое распространение метод напорной флотации. Дальнейшее совершенствование этого метода невозможно без разработки и развития теоретических основ процесса флотационного удаления дисперсных загрязнений сточных вод.

Для оценки количественных и качественных характеристик такого сложного физико-химического процесса, как флотационное удаление дисперсных загрязнений сточных вод, может быть использован метод математического моделирования, базирующийся на стратегии системного анализа [1, 2].

Процесс очистки сточных вод методом напорной флотации состоит из трех основных стадий:

–образование флотокомплекса «пузырек воздуха – дисперсная частица»;

–всплывание образовавшегося флотокомплекса на поверхность жидкости;

–формирование на поверхности жидкости пенного слоя.

Математическое описание процесса флотационного удаления из сточных вод дисперсных частиц, представляющее собой систему уравнений, характеризующую переход дисперсных частиц из исходного состояния (состояния А) в состояние флотокомплекса «дисперсная частица – пузырек воздуха» (состояние В) и далее в состояние частицы в пенном слое на поверхности жидкости (состояние С), было разработано Б.С. Ксенофонтовым.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Система уравнений (1) предполагает, что на каждой стадии возможны обратные переходы:

дисперсных частиц, находящихся в виде: взвешенных частиц; флотокомплексов «дисперсная частица – пузырек воздуха»; пенного слоя на поверхности жидкости,

кг/м3 с; CА; CВ; CС – соответственно концентрации дисперсных частиц, находящихся

в виде: взвешенных частиц; флотокомплексов «дисперсная частица – пузырек воздуха»; пенного слоя на поверхности жидкости, кг/м3; К1; К2; К3;К4;К5;К6 – кон-

станты скорости перехода соответственно из состояния А в состояние В; из состояния В в состояние А; из состояния В в состояние С; из состояния С в состояние В; из состояния С в состояние А; из состояния А в состояние С, с-1.

В диссертационной работе Н.Н. Рулева приводится следующая формула, описывающая величину константы скорости извлечения дисперсных частиц в процессе флотации монодисперсных систем (константы К1):

где qв – объем воздуха, проходящего в единицу времени через единицу поперечного сечения флотационного объема, м3/м2 с; dп – величина среднего диаметра пузырьков

воздуха во флотационном объеме, м; Е – коэффициент эффективности захвата флотируемой частицы пузырьком воздуха.

В соответствии с рекомендациями Н.Н. Рулева величина коэффициента эффективности захвата флотируемой частицы пузырьком воздуха для стоксовского режима

всплывания пузырька ( dп 0,5 10 3 м; п 0,14 м/с) может быть определена как

где dr – диаметр дисперсной частицы, м,

а при условии dп 0,5 10 3 м и п 0,14 м/с как

Константа К2 характеризует прочность образовавшегося флотокомплекса, и ее величина зависит от концентрации флотокомплексов СВ во флотационном объеме,

степени турбулентности флотационного объема, средней продолжительности пребывания флотокомплексов во флотационном объеме.

ENGINEERING SYSTEMS

Величину константы К3 , характеризующую скорость перехода флотокомплексов в пенный слой, можно определить по формуле

где КЭ – эмпирический коэффициент; ф – скорость всплывания флотокомплекса «дисперсная частица – пузырек воздуха», м/с; Нф – глубина зоны флотации, м.

Как правило, размер пузырьков воздуха, образующихся в процессе напорной флотации, составляет dп 0,02 10 3 0,05 10 3 м , что позволяет обеспечить высокую удельную скорость перехода дисперсных загрязняющих частиц в форму

флотокомплексов dCdtА , кг/м3

Уменьшая глубину зоны флотации Нф , можно в соответствии с формулой (5)

увеличить значение константы скорости перехода флотокомплекса в пенный слой К3

и за счет этого понизить концентрацию флотокомплексов во флотационном объеме

СВ , кг/м3.

Уменьшение концентрации флотокомплексов во флотационном объеме СВ позво-

лит снизить интенсивность процесса обратного перехода дисперсных частиц из состояния В в состояние А, что позволит повысить эффективность флотационной очистки сточных вод.

Уменьшить глубину зоны флотации Нф можно за счет использования тонкослой-

ных элементов (ламелей). Флотаторы, использующие принцип отделения воздушных пузырьков в тонком слое жидкости, получили название тонкослойных.

В случае, когда очищенные сточные воды, содержащие водовоздушную смесь, пропускаются между наклонными пластинами, пузырьки воздуха всплывают вертикально до верхней пластины. Одновременно с этим очищаемая жидкость движется вдоль пластины вниз, что позволяет создать относительное движение сточных вод и пузырьков воздуха, близкое к противоточному. Режим противоточного движения способствует высокой эффективности захвата загрязняющих дисперсных частиц пузырьками воздуха, в результате чего достигается высокий эффект очистки сточных вод. Поток пузырьков воздуха поднимается по наклонной линии вдоль верхней пластины, не встречает сопротивления движущегося вдоль нижней пластины потока воды, в результате чего процесс разделения двух потоков происходит гораздо интенсивней.

На рис. 1 изображена схема противоточного движения потоков пузырьков воздуха и очищаемых сточных вод в процессе традиционной (а) и ламельной (б) флотации.

Рис. 1. Направление движения потоков пузырьков воздуха и очищаемых сточных вод

впроцессе традиционной (а) и ламельной (б) флотации:

– результирующая скорость всплывания образовавшихся флотокомплексов; 1 – скорость всплывания пузырьков воздуха; 2 – скорость движения сточных вод

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Большой вклад в развитие ламельной флотации внесла международная компания Kwi International Gmbh, являющаяся мировым лидером в производстве и поставке оборудования для флотационной очистки природных и сточных вод.

Концерн Kwi был образован в 1957 году на базе компании Kraft Engineering Company, создавшей свой напорный флотатор, предназначенный для очистки производственных сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности еще в 1947 году.

Ламельная технология Mega cell концерна Kwi использует как прямоточное, так и противоточное движение потоков в одном пакете ламелей. Сочетание прямоточного и противоточного движения потоков достигается за счет использования технологического приема отбора осветленных сточных вод в нижней точке между двумя ветвями V-образных ламелей. На первой стадии флотационной очистки поток очищаемых сточных вод движется сонаправлено с всплывающими пузырьками воздуха в пространстве, образованном между соседними V-образными ламелями, в результате чего скорость потока всплывающих пузырьков воздуха не тормозится потоком очищаемой жидкости.

В слое жидкости над пакетом ламелей образовавшиеся флотокомплексы и пузырьки воздуха продолжают движение к поверхности жидкости, а осветляемые сточные воды движутся вниз в пространство между V-образными ламелями, увлекая вслед за собой мелкодисперсные пузырьки воздуха и оставшиеся частицы загрязнений. На второй стадии флотационной очистки отделение оставшихся дисперсных загрязнений происходит по противоточной схеме. В отличие от традиционных флотаторов, использующих противоточную схему, в технологии Mega cell пространство над пакетом ламелей занято только потоком всплывающих флотокомплексов и пузырьков воздуха, которые не испытывают сильных напряжений, возникающих вследствие противотока очищаемых сточных вод.

Поступающие на очистку сточные воды и водовоздушная смесь распределяются по всей длине флотатора через специальные распределительные трубы, имеющие переменную площадь сечения и установленные под пакетом ламелей (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема ламельной технологии Mega cell компании Kwi

Осветленная вода выводится через отводные патрубки, расположенные в нижней части V-образных ламелей, соединенные с общим отводным коллектором, расположенным сбоку флотатора. Флотошлам удаляется либо спиральным сборником, либо подводится скребковым механизмом к шламовой камере и удаляется в нее лопастным механизмом. Максимальная пропускная способность одной V-образной ламели составляет 12,5 м3/ч, что эквивалентно гидравлической нагрузке 30 м3/м2 ч.

Запатентованная конструкция V-образной ламели позволяет существенно сократить расход рециркуляционного потока очищенных сточных вод, забираемого из флотатора, что позволяет уменьшить энергопотребление рециркуляционного насоса и снизить себестоимость процесса флотационной очистки.

В соответствии с формулой (5) увеличить скорость перехода образовавшегося флотокомплекса в пенный слой (величину константы К3 ) можно не только уменьшая

ENGINEERING SYSTEMS

Величина критерия Рейнольдса для продольной (осевой) составляющей скорости движения водовоздушного потока в кольцевом пространстве

Reкр 2300 , при достижении которого в пристеночных областях потока начинают

формироваться макровихри – отдельные закрученные объемы жидкости, которые перемещаются к оси потока, в результате чего наблюдаются пульсации величин

где Uо и UТ – соответственно продольная и поперечная составляющие турбулентных пульсаций величин мгновенных значений местных скоростей потока, м/с.

Величины Uо и UТ зависят от значения коэффициента кинематеческой вязкости потока , м2/с, и величин удельных секундных диссипаций энергии потока обусловленных продольной Uо и поперечной UТ составляющими скорости о и Т , м2/с3.

Ввиду малого значения газонаполнения водовоздушной смеси величина принимается равной значению кинематического коэффициента вязкости воды

Величина удельной секундной диссипации энергии, обусловленная поперечной составляющей скорости потока UТ в кольцевом пространстве, определяется как

отношение величины потерь энергии АТ, Дж , к длительности процесса протекания ТКП, с, и к массе протекающего потока М, кг.

где с – плотность водовоздушной смеси, кг/м3; hT – потеря напора, обусловленная

поперечной (тангенциальной) составляющей скорости, м; g 9,8 м/с2 – ускорение

свободного падения.

С учетом формулы Дарси-Вейсбаха

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

формула (21) запишется в виде

В соответствии с формулой А.Д. Альтшуля при величине, эквивалентной шероховатости стенок кольцевого пространства э 0,0001м, величина коэффициента гидравлического трения для поперечной составляющей скорости водовоздушного потока UТ будет иметь значение

Величина удельной секундной диссипации энергии потока водовоздушной смеси за счет поперечной составляющей скорости водовоздушного потока UТ будет иметь значение

Величина потерь напора в потоке водовоздушной смеси за счет поперечной

Величина удельной секундной диссипации энергии потока водовоздушной смеси

Рождающиеся в кольцевом пространстве турбулентные пульсационные составляющие U мгновенных скоростей U перемещают относительно жидкости содержащиеся в водовоздушной смеси пузырька воздуха, в результате чего происходит их дробление.

Дробление пузырьков воздуха возможно только под действием турбулентных пульсаций мгновенных скоростей потока, масштаб которых в сопоставим с их

характерным размером (диаметром dп ).

Пульсации больших масштабов (размеров) просто переносят пузырьки воздуха с объемом окружающей его жидкости из одной точки потока в другую, не деформируя пузырек воздуха. Пульсации скоростей потока, имеющие масштаб гораздо меньший,

чем размер пузырька воздуха ( в dп ), также не будут приводить к его дроблению.