89

Тема 10. Системы оборотного водоснабжения.

10.1. Бессточные системы промышленного водоснабжения.

Бессточное промышленное водоснабжение предполагает организацию замкнутых систем оборотного водоснабжения.

Для осуществления бессточного режима предприятия, отдельного производства или цеха необходимо, чтобы все продувочные воды были полностью использованы в технологическом процессе или обезврежены и уничтожены. Кроме того, все отходы, образующиеся в процессе производства и очистки сточных вод (шламы, осадки, растворы, фильтраты после механического обезвоживания шламов) должны быть утилизированы.

Необходимо полностью исключить возможность загрязнения открытых водоемов и подземных вод в результате сброса отходов в накопители или поверхностные водоемы.

При бессточной системе водоиспользования свежая вода из внешних источников потребляется лишь для покрытия безвозвратного потребления и потерь воды.

Перспективу на переход к бессточному водоснабжению имеют те предприятия, на которых внедряется усовершенствованное технологическое оборудование, позволяющее сократить утечки и выброс в воду различного сырья, материалов, нефтепродуктов и др. веществ, загрязняющих воду и затрудняющих ее очистку.

Основу для бессточных систем создают локальные, как правило автономные замкнутые системы отдельных цехов и производств и рациональные схемы использования воды на предприятиях в целом.

Локальные системы оборотного водоснабжения включают очистные и водоохлаждающие сооружения, шламовое хозяйство и установку для доочистки или уничтожения продувочных вод.

10.2. Расчет процесса отстаивания воды..

Очистные сооружения являются одним из составных элементов системы оборотного водоснабжения и тесно связаны с остальными ее элементами.

Компоновка очистных сооружений осуществляется после выбора схемы технологического процесса очистки воды, установления типа, числа и размеров отдельных сооружений. Все перечисленное производится на основе требований потребителей к качеству воды и технико-экономического сравнения возможных вариантов достижения этого качества.

В металлургии для очистки оборотной воды от взвешенных веществ применяют отстойники, пруды-осветлители, напорные и безнапорные гидроциклоны, сетчатые и песчаные фильтры, осветлители со взвешенным осадком. Для интенсификации и улучшения процесса осветления воды применяется реагентная, магнитная и реагентно-магнитная коагуляция.

Одним из основных методов удаления из воды механических примесей является отстаивание воды. На характер осаждения частиц взвеси влияют их размер и форма, режим движения осветляемой воды и ее вязкость, зависящая от температуры.

Оборотные воды, подлежащие осветлению, как правило содержат частицы различных размеров и формы. Часто имеет место осаждение агрегативно неустойчивой взвеси, частицы которой меняют свою структуру и размеры в процессе осаждения. Все это многообразие факторов, влияющих на процесс осаждения, приводит к тому, что абсолютно точных методов расчета отстойных сооружений пока нет.

Известные методы расчета, основанные на теоретических предпосылках, лабораторных и научных исследованиях, дают достаточно точные, близкие к действительности результаты.

Рассмотрим теоретические предпосылки, положенные в основу методики расчета отстойников. Для этого введем условные понятия, позволяющие формализовать расчет:

• гидравлическая крупность, u - cкорость выпадения частицы в стоячей воде при температуре +10°С;

• эквивалентный диаметр, d_э - диаметр такой шарообразной частицы, которая имеет ту же гидравлическую крупность, что и данная частица произвольной формы. Величина частицы любой формы может быть условно выражена через теоретический (эквивалентный) диаметр.

На каждую находящуюся в воде частицу действуют следующие силы:

• вертикальная, заставляющая частицу осаждаться на дно, если ее плотность больше плотности воды, или всплывать, если ее плотность меньше плотности воды;

• сила сопротивления жидкости, препятствующая осаждению частиц;

• сила инерции.

Уравнение движения осаждающейся частицы в общем виде:

G-Ф=j

где

G=(-₀)·W=(-₀) g W - сила тяжести частицы, погруженной в воду;

Ф=·₀·u²·d_э² - сила сопротивления жидкости;

j=(-₀)·W·(du/d) - сила инерции, равная массе частицы, помноженной на ускорение;

 и - удельный вес и плотность частицы;

_{0 и} ₀- удельный вес и плотность воды;

W - объем частицы;

 - коэффициент сопротивления;

 - время.

Подставив значения G, Ф и j в основное уравнения движения частицы, получим:

(-₀) g W - ·₀·u²·d_э²=(-₀)·W·(du/d)

Скорость осаждения частицы довольно быстро приобретает постоянное значение во времени, поэтому ускорение (du/d) будет равно 0 на большей части пути осаждения частицы. Тогда уравнение примет вид:

(-₀) g W =·₀·u²·d_э²

Из этого уравнения можно получить скорость осаждения частицы u:

Для частицы произвольной формы, имеющей эквивалентный диаметр d_э

Тогда

Характер зависимости коэффициента сопротивления  от числа Рейнольдса Re – кривая (рис.10.1.). Однако для частиц малого размера справедлив линейный закон сопротивления, соответствующий левому участку линии, т.е. сила сопротивления для частиц малого размера пропорциональна первой степени скорости осаждения частицы.

Для этих условий Стоксом дано выражение для силы сопротивления:

Ф=3π·μ·u·d_э,

где μ - динамический коэффициент вязкости жидкости.

Из выражения Стокса и общего уравнения для Ф можно получить значение  при линейном законе =f(Re).

·₀·u²·d_э² = 3π·μ·u·d_э.

Отсюда

,

где =

Подставив значение  в выражение для u, получим формулу Стокса:

Из рисунка видно, что с увеличением Re линейный закон сопротивления нарушается. При дальнейшем увеличении Re кривая постепенно переходит в прямую, параллельную оси абсцисс, т.е. значение  становится постоянным, не зависящим от Re. При больших значениях Re сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости выпадения. Но и в этой области коэффициент будет зависеть от формы осаждающихся частиц.

При уменьшении температуры воды ее вязкость μ увеличивается, поэтому скорость выпадения u будет меньше в холодной воде и больше в теплой.

Приведенные выражения для скорости осаждения могут использоваться лишь для случаев, когда взвесь монодисперсна. Но так как в действительности при осветлении оборотной воды речь идет о полидисперсной взвеси, характеристики осаждения такой взвеси получают опытным путем.

При очистке воды осаждение взвеси осуществляют в специальных сооружениях - отстойниках. В классическом смысле отстаивание - это осаждение взвеси из воды, находящейся в покое. На практике применяют непрерывное отстаивание, заключающееся в том, что вода непрерывно с малыми скоростями проходит через отстойники.

В настоящее время применяют отстойники трех типов, различаемые по направлению движения воды в них: горизонтальные, вертикальные и радиальные.

10.3. Горизонтальный отстойник.

Выполняется в виде бассейна, имеющего в плане форму вытянутого прямоугольника (рис.10.2., а). Движение воды направлено вдоль длинной стороны. По высоте в отстойнике различают две части: верхнюю, называемую рабочей частью, где происходит осаждение взвешенных частиц - зона осаждения, и нижнюю, где накапливается выпавший осадок - зона накопления и уплотнения.

Рассмотрим характер движения воды и частиц взвеси в зоне осаждения горизонтального отстойника (рис.10.2., б).

Возьмем некоторую взвешенную в потоке частицу, положение которой

определяется координатами х и у. Уравнение траектории частицы в дифференциальной форме:

-(dx/dy)=u/v,

где v - скорость горизонтального перемещения частицы с потоком.

После интегрирования имеем -yv=ux+C

Постоянную интегрирования С можно найти при граничных условиях: y=h при х=0 С= -hv. Тогда ux-(h-y)v=0.

Если предположить, что величины u и v не являются функциями координат, то это уравнение описывает прямую а₁, в₁, отсекающую на осях координат отрезки h при х=0 и h·v/u=l при у=0. Отрезок l представляет собой расстояние от начальной точки отстойника до точки, где частица упадет на дно. Траектории частиц, поступивших в отстойник на разной высоте, будут представлены семейством параллельных прямых. Очевидно, что самый длинный путь совершит частица, вошедшая в отстойник в поверхностном слое воды (на высоте h=H, где Н - глубина зоны осаждения отстойника). Эта частица выпадет на дно, т.е. выйдет из зоны осаждения, на расстоянии L от входа в отстойник (прямая ав).

Таким образом, для осаждения всех частиц отстойник должен иметь длину: L=(v/u)·H.

Формула довольно приближенная. Если скорость u для агрегативно устойчивой взвеси можно считать постоянной, то v будет различна в разных точках отстойника по его глубине и ширине.

Если представить эпюру распределения скоростей V в отстойнике по глубине характерной для каналов кривой ос, то траектория частицы не будет прямой линией, а примет форму кривой ав₂.

Кроме того, скорости поступательного движения воды будут распределяться неравномерно по ширине отстойника. Вследствие этого частицы, одновременно вошедшие в отстойник на одной высоте, будут выпадать на дно на разных расстояниях от входа.

При турбулентном режиме движения воды, характерном для отстойников, выпадение частиц будет тормозиться наличием вертикальных составляющих v_в. Поэтому действительная скорость выпадения взвеси в отстойнике будет равна:

u _д=u- v_в

Следовательно, длина отстойника при использовании u _д будет больше, чем при u. Поэтому в формулу для расчетной длины отстойника вводят коэффициент α, равный 1,2-1,5, т.е.:

L_р= α H (v/u)·, где α =u/(u- v_в)= u/u _д.

Величину L обычно называют равной 10Н.

Расчетное время отстаивания: τ₀=H/u=L/v= L_р /(α ·v).

Ширина горизонтального отстойника В:

B=W_от/(v·H)

где W_от - количество очищаемой в отстойнике воды в единицу времени.

Для улавливания нефтепродуктов перед отводящим лотком предусматривается маслоудерживающий щит. В этом случае расчетная длина отстойника определяется величиной всплывания u'.

L_р = α ·H (v/u').

Если горизонтальный отстойник используется одновременно для улавливания как оседающих, так и всплывающих веществ, то расчетная длина отстойника принимается наибольшей из полученных при расчете для первого или второго случая.

Уловленный шлам из горизонтальных отстойников удаляется периодически или непрерывно.

Для периодического удаления шлама применяются грейферные ковши, которыми оборудуются либо передвижные краны на авто- или железнодорожном ходу, обслуживающие все отстойники предприятия, либо мостовые или козловые краны, обслуживающие только одну группу отстойников.

Непрерывное удаление шлама осуществляется насосами или эрлифтами, применяются также скребковые конвейеры.

10.4. Вертикальные отстойники.

Вертикальный отстойник (рис.10.3.) представляет собой круглый или квадратный корпус 1 с центральной трубой 2 и коническим днищем 3. Вода на очистку подается в центральную трубу по трубопроводу 4, разбрызгивается через сопла 5, идет сверху вниз по центральной трубе и через гаситель 6 поступает в нижнюю часть отстойника и движется снизу вверх. Осветленная вода переливается в сборные желобы 7, кольцевые или радиальные, и отводится по трубопроводу 8, а осадок собирается в нижней конической части отстойника, откуда непрерывно или периодически удаляется через шламовый трубопровод 9.

Осаждение взвеси при восходящем движении воды в отстойнике зависит от скорости движения воды v' и скорости осаждения частиц u в стоячей воде. В вертикальных отстойниках обе скорости направлены вертикально в противоположные стороны. Задерживаться в отстойнике будут частицы, у которых u>v'. Теоретически предельной скоростью выпадения частиц будет скорость u=v'.

Расчет вертикального отстойника заключается в определении площади зоны осаждения отстойника, которая находится по формуле

Здесь v' - средняя расчетная скорость движения воды в отстойнике. Обычно v'=0,5-0,6 м/с.

Не рекомендуется принимать диаметр D отстойника более 9 м. Высота Н зоны осаждения обычно порядка 4-5м. При этом рекомендуется принимать

отношение D/H1,5.

Для обеспечения равномерного распределения скоростей движения воды по сечению отстойника при D>4м целесообразно для отвода воды кроме кольцевого периферийного желоба иметь радиальные желобы.

Осадок из вертикальных отстойников удаляется без выключения их из работы. Коническая форма нижней части должна обеспечивать сползание осадка к отводной трубе. Для этого рекомендуется принимать угол =50-60°. Диаметр трубопровода для удаления осадка 150-200 мм.

Применение вертикальных отстойников рекомендуется при расходе осветляемой воды W_от<3тыс.м³/сут.

10.5. Радиальные отстойники.

При увеличении отношения D/Н в вертикальных цилиндрических отстойниках возрастают горизонтальные составляющие скорости движения воды из центральной трубы к кольцевому желобу и падает степень использования объема отстойника. Однако изменив условия выпуска воды в отстойник, можно и при большом отношении D/Н получить хорошее использование его объема.

Отстойники с отношением D/Н>3,5 имеют уже в основном радиальное направление движения воды и носят название радиальных отстойников. По характеру движения воды они ближе к горизонтальным отстойникам.

Подвод воды к радиальному отстойнику осуществляется в центре через специальные распределительные устройства в виде цилиндра с отверстиями. Вода, движущаяся по радиусу, собирается в периферийный лоток, оборудованный по всему периметру водосливом, и отводится за пределы отстойника. Осадок удаляется механически с помощью скребков, укрепленных на вращающейся ферме. Скребки сгребают осадок в приямок, расположенный в центральной части отстойника, откуда он удаляется по трубам при помощи шламовых насосов.

Движение воды в радиальном отстойнике происходит с переменной скоростью - максимальная скорость потока воды в центре, минимальная у периферии. Чем меньше удельный расход воды через водосливную кромку (т.е. больше длина водослива), тем эффект осветления больше. На металлургических заводах обычно применяют отстойники диаметром 12, 18 и 30м, для которых промышленностью выпускается стандартное оборудование.

Глубина отстойника у периферии составляет 1,5-2,5 м, днище отстойника имеет уклон 0,04 от периферийной стенки к центральной части.

Расчет радиальных отстойников ведут по удельной гидравлической нагрузке, выражаемой в м³/ч на 1 м² площади отстойника. По полученной в результате расчета общей требуемой площади определяют количество отстойников стандартного диаметра.

Для приближенного расчета радиальных отстойников можно пользоваться формулой:

где F - площадь отстойника, м²;

W_от - расход осветляемой воды, м³/ч;

_up - расчетная скорость выпадения взвеси, мм/с, определяемая на расстоянии r_cp=(R-r₀)/2+r₀ от центра отстойника;

R - радиус отстойника, м;

r₀ - радиус зоны повышенной турбулентности при входе воды в отстойник, м;

f - площадь вихревой зоны в центре отстойника, м² (принимается для отстойников 12, 18 и 30м соответственно 14, 16 и 30 м²)/

Радиус отстойника при условии постоянства скорости выпадения частиц в течение времени отстаивания:

где  - 1,2-1,5;

V_cp-средняя скорость потока воды на расстоянии R/2 от центра отстойника, м/с.

Н' - глубина потока воды в сечении на расстоянии R/2 от центра, м.