автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Метод расчета и совершенствование аппаратурного оформления очистки воды от растворенных газов и тонкодисперсной фазы в барботажных аппаратах ТЭС

На правах рукописи

ШАКИРОВА АЙСЫЛУ ХАМИТОВНА

МЕТОД РАСЧЕТА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ И ТОНКОДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В БАРБОТАЖНЫХ АППАРАТАХ ТЭС

05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014 005556197

Казань - 2014

005556197

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» на кафедре «Технология воды и топлива»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Лаптев Анатолий Григорьевич

Очков Валерий Федорович

доктор технических наук, профессор кафедры «Тепловые электрические станции» ФГБОУ ВПО

«Национальный исследовательский университет Московский

Энергетический Институт» Смирнов Андрей Юрьевич кандидат технических наук, доцент, ведущий специалист отдела перспективного развития ОАО «Генерирующая компания» (г. Казань)

ФГБОУ ВПО «Ивановский Государственный Энергетический Университет им. В.И. Ленина», г. Иваново

Защита состоится «26» декабря 2014 г. в 11 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066 г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, зал заседаний Диссертационного совета (Д-225).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ФГБОУ ВПО КГЭУ www.kgeu.ru. Автореферат разослан «25» ноября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.02 доктор технических наук, профессор

Э.Р. Зверева

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Президентом и правительством Российской Федерации разработаны программы по модернизации промышленности и импортозамещения для снижения энергоёмкости выпускаемой продукции. Кроме этого важное значение имеет экологическая безопасность производств. В связи с этим актуальной задачей является развитие теоретических методов моделирования и расчета модернизируемого оборудования или проектирование новых образцов.

Особый интерес представляют предприятия энергетического комплекса такие, как ТЭС. Обеспечение эффективной и экологически безопасной работы ТЭС является одним из важных проблем.

Для ТЭС актуальна проблема удаления агрессивных газов и тонкодисперсной фазы из воды в процессах водоподготовки и водоочистки.

Растворенные коррозионно — агрессивные газы в питательной воде паровых котлов ТЭС и подпиточной воде тепловой сети приводят к коррозионным отложениям и быстрому износу оборудования тепловой станции. Поэтому удаление растворенных газов при водоподготовке является важной научно - технической задачей.

Следствием работы ТЭС являются вредные сбросы с водой, основная доля которых приходится на нефтепродукты. Нефть и продукты ее переработки отрицательно влияют на флору и фауну природных водоемов. Нефтепродукты при попадании в водную среду частично растворяются и в большинстве случаев образуют устойчивые водные эмульсии, наиболее опасные для природных водоемов. Разработка эффективных методов и аппаратов для очистки воды от такого рода примесей также является одной из актуальных задач для ТЭС.

Среди всех многообразных методов очистки воды от тонкодисперсной фазы, а в частности от нефти, нефтепродуктов, а также агрессивных газов, особое место занимает очистка жидкостей в барботажных аппаратах. Изучение этих аппаратов позволит совершенствовать процесс разделения смесей в устройствах такого типа.

Следовательно, актуальна задача разработки теоретического подхода к расчету барботажных устройств, использование которого в расчетах реальных установок позволит повысить эффективность процесса очистки воды от тонкодисперсной фазы и растворенных газов на ТЭС, выбрать наиболее рациональное аппаратурное оформление, обеспечивающее снижение энергозатрат на водоподготовку и очистку воды.

Диссертационная работа выполнена в рамках государственного заказа Минобрнауки №13.405.2014/К и научной школы Лаптева А.Г. «Физическое и математическое моделирование явлений переноса в двухфазных средах и энергосберегающие модернизации промышленных установок в нефтехимии и энергетике». Сертификат РАЕ №00847.

Цель работы: разработать математическую модель и метод расчета эффективности массопереноса растворенных газов и удаления тонкодисперсной фазы в барботажных аппаратах ТЭС; разработать технические решения по высокоэффективному аппаратурному оформлению устройств и модернизации

существующей схемы очистных сооружений ТЭС с целью повышения эффективности процесса очистки воды от нефти и нефтепродуктов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- оценить эффективность различных методов очистки воды от растворенных агрессивных газов, а так же сточных вод от нефти и нефтепродуктов на ТЭС;

- разработать математическую модель и выполнить расчеты барботажных термических деаэраторов ТЭС;

- разработать математическую модель для расчета эффективности барботажных флотаторов очистки воды от различных примесей, основанную на турбулентном переносе тонкодисперсной фазы в жидкостях и модели структуры потоков;

- разработать конструкции и алгоритмы расчета комбинированных флотаторов с тонкослойным отстойником;

- разработать варианты модернизации технологических схем очистных сооружений ТЭС, позволяющих снизить энергозатраты на очистку воды от нефтепродуктов.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Получена математическая модель и разработан метод расчета очистки воды от растворенного кислорода в барботажном деаэраторе, построенный с использованием однопараметрической диффузионной модели структуры потока, где массоперенос кислорода к поверхности пузырей учитывается в виде объемного источника массы. Параметры источника массы учитывают молекулярный и турбулентный массоперенос и зависят от характеристик пограничного слоя на пузырьке.

2. С применением зависимости, предложенной Тейлором, получено выражение для расчета коэффициента перемешивания в жидкой фазе, где основными параметрами являются динамическая скорость и масштаб барботажного аппарата. Динамическая скорость находится через среднюю скорость диссипации энергии.

3. Выполнено обобщение разработанной математической модели и метода расчета барботажного термического деаэратора для расчета профиля концентрации и эффективности удаления тонкодисперсной фазы из воды в барботажных флотаторах ТЭС с применением коэффициента турбулентной миграции частиц.

4. Использована концепция псевдоламинарного пограничного слоя на поверхности пузырька и коэффициент турбулентной миграции частиц к межфазной поверхности находится с применением модели диффузионного пограничного слоя Ландау-Левича с заданным законом затухания турбулентных пульсаций в вязком подслое с осредненной степенью извлечения частиц и балансовых соотношений переноса импульса.

5. Предложено использовать энергетический коэффициент Алтуфьева для выбора энергетически рациональных режимных и конструктивных характеристик термического деаэратора и барботажного флотатора.

Практическая значимость.

1. Выполнены расчеты и выбраны режимы работы термических деаэраторов при изменении нагрузок и концентрации 02 на Казанской ТЭЦ-3 и мини-ТЭЦ

Казанского Государственного Казенного порохового завода. Результаты внедрены на Казанской ТЭЦ-3.

2. На основе расчетов по уравнениям математической модели разработан и получен патент по конструкции комбинированного аппарата для очистки воды от нефтепродуктов ТЭС. Аппарат состоит из двух зон очистки - флотационной и тонкослойного разделения и имеет эффективность извлечения не менее 98-99%.

3. Разработана модернизированная технологическая схема очистных сооружений Пензенской ТЭЦ-1 с использованием в схеме флотатора -тонкослойного отстойника, позволяющая повысить эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов и снизить экономические затраты на очистку.

4. Рассчитана экономическая эффективность модернизированной схемы, которая должна составить: предотвращенный ущерб около 58667 тыс. рублей; экономия электроэнергии, горячей воды и пара на сумму более 1,5 млн. рублей; срок окупаемости около полутора лет.

Достоверность и обоснованность подтверждается тем, что полученные методы расчета основаны на применении математических следствий законов сохранения импульса и массы, теории пограничного слоя для поверхности раздела газ (пар) - жидкость и теории турбулентной миграции частиц, а также согласованием результатов расчетов эффективности процессов с экспериментальными данными других авторов.

Научные основы, используемые и развиваемые в диссертационной работе, заключаются в обоснованном применении математических следствий законов сохранения импульса и массы, теории пограничного слоя для поверхности раздела газ (пар) — жидкость и теории турбулентной миграции частиц. Использовании и развитии концепции псевдоламинарного пограничного слоя, который образуется на поверхности пузырей с интенсивной внешней турбулентностью. Получении на этой основе расчетных выражений для коэффициента турбулентной миграции тонкодисперсной фазы к поверхности пузырька при флотации и эффективности процесса очистки воды от растворенных газов на ТЭС.

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели и метода расчета содержания растворенного кислорода на выходе из струйно-барботажного деаэратора. В подтверждении применимости модели путем сравнения полученных результатов с известными экспериментальными данными. В разработке конструкции флотатора - тонкослойного отстойника и модернизации технологической схемы очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов с применением разработанного флотатора. Подтверждении возможности использования разработанной математической модели деаэрации с коэффициентом турбулентной миграции частиц для определения эффективности очистки жидкостей пневматической флотацией.

Автор защищает:

- математическую модель и метод расчета для определения эффективности очистки воды в струйно-барботажном термическом деаэраторе и во флотаторе на ТЭС;

- конструкцию и результаты расчета флотатора - тонкослойного отстойника и термического барботажного деаэратора;

- модернизированную схему очистных сооружений ТЭС от нефти и нефтепродуктов.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них один патент на полезную модель и 3 статьи в журналах из перечня ВАК РФ.' Основные результаты работы опубликованы и обсуждались на: городской научно-практической конференции, посвященной 45-летию г. Нижнекамска, (г. Нижнекамск, 2011 г), конференции «Математические методы в технике и технологию) (г. Киев, 2011г., г. Саратов, 2012, 2013 гг.), II международной практической межотраслевой конференции «Химические решения для водооборотных систем промышленных предприятий», («Перо», г. Москва, 2011г.), международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника,' электротехника и энергетика» (МЭИ, г. Москва, 2012, 2013гг.), IX школы- семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (г. Казань, 2014 г.), VI международной конференции «Современные концепции научных исследований» (г. Москва, 2014 г.) и конференциях КГЭУ (2011-2013 гг.).

Соответствие паспорту специальности.

05.14.14. Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты в части области исследования: «Разработка научных основ методов расчета, выбора и оптимизации параметров, показателей качества и режимов работы агрегатов; исследование и математическое моделирование процессов, протекающих в агрегатах, разработка, исследование, совершенствование действующих водных и химических режимов, способов снижения влияния работы тепловых электростанций на окружающую среду».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка литературы из 142 наименований и приложений с актами внедрений. Объем данной работы состоит из 151 стр. машинописного текста.

Содержание работы

Во введении приведена актуальность работы, отмечены цель и задачи исследования, рассматриваются практическая значимость, научная новизна, достоверность и обоснованность полученных результатов, а также научные основы работы.

В первой главе выполнен подробный обзор, по проблеме очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов, а также основные подходы очистки воды при водоподготовке на ТЭС. Рассмотрены основные типы и причины образования нефтесодержащих вод на ТЭС. На примере существующих схем анализируются основные методы очистки. Наиболее полно рассмотрен метод флотации.

Во второй главе рассматривается математическая модель и методы расчета значений массовой концентрации растворенного кислорода в воде на выходе из деаэраторного бака атмосферного деаэратора (ДСА-300 и др.).

Деаэратор ДСА-300 представляет собой аппарат с двухступенчатой очисткой от растворенного кислорода: это струйная ступень, образована двумя струйными отсеками деаэрационной колота!, и барботажная ступень, которая представляет собой затопленное барботажное устройство в виде одиночного горизонтального перфорированного парового коллектора. Этот коллектор находится в деаэраторном баке.

Эффективность очистки воды от растворенных газов записывается в виде:

1 = (1)

к

где Св, С, - начальная и конечная концентрации кислорода в воде, мкг/л.

Для определения профиля концентрации растворенного газа в воде по длине деаэраторного бака и концентрации на выходе рассмотрено стационарное уравнение конвективного массопереноса:

ас ас ас зтас, а_ас, э^гс,

где х,у,г —пространственные координаты, м; £>т- коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; их, иу, иг- составляющие векторы скорости потока по координатам х, у,г, м/с.

В результате упрощения данного уравнения получено одномерное уравнение массопереноса по концешрации кислорода в воде в форме однопараметрической диффузионной модели структуры потоков с источником массы для процесса деаэрации в деаэраторном баке с затопленным барботажным устройством:

(3)

где «ер - средняя скорость жидкости в аппарате, м/с; Оп — коэффициент перемешивания, м2/с; д,- коэффициент массоотдачи от пузыря, м/с; Ср — равновесная концентрация кислорода в воде, мкг/л; С - концентрация кислорода в воде, мкг/л; удельная поверхность пузырей, м2/м3.

Для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе при турбулентном

режиме используется формула Дьяконова С.Г. и Лаптева А.Г.:

^ = ' (4)

где и. - динамическая скорость на поверхности пузырька, м/с; ./?! — безразмерная толщина вязкого подслоя (для пузырька Л, » 7); 8сж- число Шмидта.

В диссертационной работе выполнен анализ различных математических моделей для расчета динамической скорости по поверхности газожидкостной среды, необходимой для расчета параметров модели.

Рассмотрен подход определения динамической скорости на основе средней скорости диссипируемой энергии с использованием известного выражения:

и^в^е/р)015, (5)

где в — эмпирический коэффициент; е - диссипация энергии, Вт/м3.

Из выражения (5) следует формула Соколова В.Н. и Доманского И.В. для расчета средней динамической скорости в барботажных аппаратах: при »уг<0,1м/с

и. =2,2(Уж&*т)а*, (6)

при и'РЮДм/с

и . = (7)

где и'г - скорость газа, м/с; <рг - среднее объемное газосодержание. В работе приведены сравнения результатов расчета значения динамической скорости по различным полуэмпирическим выражениям и показано их удовлетворительное согласование. Далее используется формула (7).

В уравнении (3) одним из основных параметров является коэффициент перемешивания, который получен с применением зависимости, предложенной Тейлором:

Оп«киЛ, . (8)

где И. - радиус канала, м; к - эмпирический коэффициент. С динамической скоростью (7) записано:

.,0,75

= ^ = _<__(9)

Оп ки. },1к(^/"а-?>/'5 ^ Где / - характерный размер, м; Ре - число Пекле структуры потоков.

После идентификации с известными экспериментальными данными с учетом масштабного перехода получен коэффициент к (где Д - диаметр аппарата, м):

к=4,44(ё;Г- сю)

Выражение (9) записано в виде

Ре = о,45^М4, (П)

°п=2'22°ЧбЫ' (12)

где Ои.К= 0,1м — диаметр макета аппарата.

Приведено сравнение результатов расчета коэффициента перемешивания с экспериментальными данными и сравнение результатов расчета числа Ре по полученной выше формуле с эмпирическим уравнением Като и Нишиваки и др.

Таким образом, при известных значениях /?ж и Бп уравнение диффузионной модели (3) является замкнутым и при назначении соответствующих граничных условий решается численными методами.

Полученные результаты расчета приведены на рисунках 1-3:

о* 2

Й о I 1 & «

В <£>

о «

— расчета ы данные по (3) и (11

экспериментальные данные А.Ю. Ненаезиникова

9,61 19,75 23,99 28,73 29,04 ЗБ.5

"Цельный расход пара на барботаж, кг/т

Рис. 1. Сопоставление расчетных (линия) с экспериментальными данными А.Ю. Ненаездникова (ИГЭУ, 2014) значений массовой концентрации растворенного кислорода в воде после деаэраторного бака С, мкг/л, в зависимости от удельного расхода пара на барботаж с1, кг/т.

0,7 -

пз

о

о <& 0,6 -

Я"

О 0.5 -

8<

К

-0 я- 0,4 -

о Л

О СП 0,3 •

Э гЗ 4>

н КС 0,2 •

«

<и 0,1 •

О 0 -

0,01 0,06 0,11 0,16 0,21 0.26 0,31 0,36 0,41 0,46

Скрость жидкости, м/с

Рис. 2. Расчетные зависимости по уравнениям (3) и (1) эффективности деаэрации от скорости жидкости при различных расходах пара на барботаж: 1 - при 8,9 т/час; 2- при 4,7 т/час; 3-2 т/час (деаэратор ДСА-300).

& з

-е-

о

0,7 -0,6 0,5 0,4 0,3 0.2 ОД

0,001 0,006 0,011 0,016 0,021 0,026 0,031 0,036 0,041 0,046

Скорость пара, м/с

Рис. 3. Расчетные зависимости по уравнениям (3) и (1) эффективности деаэрации от скорости пара при различных расходах воды:

1 - при 203 м3/час; 2-288 м3/час; - 303 м3/час (деаэратор ДСА-300).

Таким образом, можно сделать вывод, что при увеличении скорости пара эффективность процесса деаэрации увеличивается, при этом наилучший результат достигается при наименьшем расходе жидкости. А при увеличении скорости жидкости эффективность снижается, и при этом, чем больше расход пара на барботаж, тем эффективней процесс деаэрации. Полученные данные позволяют выбрать наиболее рациональный режим работы деаэратора и варианты его модернизации. Полученные результаты использованы при модернизации деаэратора на Казанской ТЭЦ-3.

В третьей главе дан пример обобщения математической модели и метода расчета термического деаэратора, разработанного во второй главе, для расчета эффективности процесса пневматической физической флотации гидрофобных тонкодисперсных частиц из воды (в частности нефтепродуктов).

По аналогии с выражением (3) применяется одномерное уравнение массопереноса тонкодисперсной фазы (частиц) в воде в форме однопараметрической диффузионной модели структуры потоков с источником массы:

АСМ (13)

аг а г

где «Ср - средняя скорость жидкости в аппарате, м/с; г — координата по длине флотатора, м; £>п - коэффициент перемешивания, м2/с; рл - коэффициент переноса частиц к поверхности пузырька, м/с; С—концентрация частиц в воде, мкг/л.

Записав уравнение (13) с использованием конечно-разностной схемы, получено выражение для расчета профиля концентрации частиц в воде по длине флотатора (по условным ячейкам):

и С, .Аг + 2ОпС, , -£>ПС, ,

„ __ср_1-Л-п_м-,- = 1,2,3...«, (14)

где Лг = Н/п- длина ячейки, м; Н — длина флотатора, м; п - число ячеек; / — порядковый номер ячейки.

Для определения основного параметра данного уравнения — коэффициента переноса частиц к поверхности пузырька, использован известный подход, когда турбулентное осаждение (миграция к поверхности) мелкодисперсной фазы рассматривается как разновидность диффузионного процесса с использованием уравнений из теории массопередачи и пограничного слоя.

Коэффициент скорости турбулентной миграции очень мелких частиц (<10 мкм) в воде будет практически равен коэффициенту переноса импульса к поверхности пузырька (рл =у), который находится путем интегрирования выражения:

|>„+"тгуЛ1

где т'(у) = т(у)/- относительный поток импульса; т^- поток импульса (касательное напряжение трения) на поверхности пузырька, Па; у -поперечная координата к поверхности пузырька, м; 3 - толщина пограничного слоя, м.

В этом выражении основную роль играет коэффициент турбулентной вязкости ^т(у), который находится по формулам для вязкого подслоя и турбулентной области пограничного слоя по уравнениям Левича В.Г. После интегрирования (15) получен коэффициент переноса импульса:

г = -Т~----(16)

где й,- безразмерная толщина вязкого подслоя. Как известно на пластине Л,=11,6, а для двухфазной среды £,<11,6. (Д, «7); =\х,5/уж-безразмерная толщина пограничного слоя; уж- коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с; ы, -динамическая скорость, м/с.

Для коэффициента переноса с осредненной степенью излечения частиц с размерами более 10 мкм к поверхности пузырька получено:

&=у/а+<оЕтр). (17)

где о>£ - частота энергоемких пульсаций, с"1; тг -время релаксации частицы, с.

Частота энергоемких пульсаций записывается в виде: а>Е«,

Ар.

а время релаксации равно: г

'Д.

, где Я - радиус пузырька, м; г -размер рч- плотность частиц загрязняющего

частицы, м; рж- плотность воды, кг/м3; вещества, кг/м3.

Значение ^находится из уравнения баланса импульса в пограничном слое:

R„ = Ri ехР

0,4f——^R^arctg^R^ J

(18)

Как показывают расчеты, для пузырька эту величину можно принять rs « 25. Из решения уравнения (14) получен профиль концентрации частиц и эффективность флотации в зависимости от времени пребывания потока в аппарате и сделано сравнение с известными экспериментальными данными (F.P. Puget, M.V. Meló) (рисунок 4).

20 30 40 60

Т1тв(в«п)

Рис.4 Зависимость эффективности пневматической флотации при расходе воздуха 14,6 л/мин и расходе жидкости 0,95 л/мин (г/ж=0,000113 м/с; >»>Г=0,0049 м/с) расчетные данные сплошная линия; экспериментальные данные точки.

Разработан метод оценки энергетической эффективности барботажного флотатора с применением формулы Антуфьева для теплообмена:

Е

1 Я'Р, (19)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); F— поверхность теплоотдачи, м2.

Чем больше значения Е, тем эффективнее работают аппараты.

По аналогии для барботажного флотатора:

Е =

1 м'р , (20)

где Г — площадь поверхности контакта фаз, т.е. межфазная поверхность всплывающих пузырей, м2; ТУ- мощность на подачу воздуха, Вт.

Использовав формулу (16) и выражение для коэффициента переноса дисперсных частиц (17) и после вычисления тригонометрических и логарифмических функций найдено:

(21)

1 + <вст„ £ р

Мощность на подачу газа равна:

дг=дркг (22)

где АР- перепад давления, Па; Кг - объемный расход подаваемого газа, м3/с.

Площадь поверхности контакта фаз через удельную поверхность ау =6<?г !с1а:

р = (23)

где 5- площадь сечения барботажного аппарата, м2; Нг.ж- высота газожидкостного слоя, м.

В результате получено уравнение для расчета коэффициента энергетической эффективности барботажного флотатора:

тя [v„fnv¡(1 -<р,)1Т15

Е =1,32__-1__(24)

ф (1+Д1 - Фг) <1о и-г (АРсух +АРст+АРУ К >

где ЛРьух- перепад давления сухого барботера, Па; ДР„ - перепад давления, вызванный столбом жидкости, Па; Дра- перепад давления, вызванный поверхностным натяжением, Па; Яж- высота неаэрированной жидкости, м.

В работе приведены результаты расчета значения энергетического коэффициента в зависимости от скорости газа и диаметра отверстия барботера.

В четвертой главе разработан и запатентован комбинированный аппарат для очистки жидкостей от загрязнений. Аппарат состоит из двух зон очистки - струйной флотации и тонкослойного отстаивания, который представлен на рисунке 5.

Исходная ■ жидкость Атмоссрерноа. 6 аз дух =

Т17

Рис. 5 Комбинированный флотатор (струйный флотатор отстойник).

тонкослойный

1 - камера струйной флотации, 2 - патрубок ввода жидкости в камеру струйной флотации, 3- патрубок отвода жидкости, 4 - патрубок отвода пены, 5 - патрубок входа атмосферного воздуха в камеру струйной флотации, 6 - камера тонкослойного отстаивания, 7 - патрубок вывода дисперсной фазы, 8 - патрубок вывода очищенной жидкости из камеры тонкослойного отстаивания, 9 - вертикальная перфорированная перегородка, 10 - плоские параллельные пластины тонкослойного отстойника под углом 45°, 11 — корпус, в котором объединены камеры струйной флотации и тонкослойного отстаивания; 12 — патрубки для удаления тяжелого осадка.

На рисунке 6 представлен пневматический флотатор - тонкослойный отстойник.

Рис. 6 Комбинированный флотатор (пневматический флотатор -тонкослойный отстойник).

1 - камера пневматической флотации, 2 - патрубок для отвода пены из камеры пневматической флотации, 3 - патрубок отвода жидкости, 4 - патрубок ввода жидкости в камеру пневматической флотации, 5 - патрубок подачи воздуха в камеру пневматической флотации, 6- камера тонкослойного отстаивания, 7 - патрубок вывода дисперсной фазы, 8 - патрубок вывода очищенной жидкости из камеры тонкослойного отстаивания, 9 - вертикальная перфорированная перегородка, 10 -плоские параллельные пластины тонкослойного отстойника под углом 45°, 11 — корпус, в котором объединены камеры пневматической флотации и тонкослойного отстаивания; 12 - патрубки для удаления тяжелого осадка.

Предложенные аппараты позволяют снизить энергозатраты, а также повышают эффективность очистки жидкости от тонкодисперсных загрязнений. Как показывают расчеты, эффективность комбинированных флотаторов — тонкослойных отстойников для частиц >3 мкм составляет не менее 98-99%.

Вычислены габариты зон флотации и тонкослойного отстаивания комбинированного аппарата для очистки воды от нефтепродуктов на Пензенской ТЭЦ-1, при расходе очищаемой воды 100 м3/час. Габариты составили: длина 2,5 м; ширина 1 м, высота 1,3 м.

В пятой главе рассмотрена существующая технологическая схема очистки сточных вод от нефтепродуктов в Пензенской ТЭЦ-1. Предложен вариант модернизации путем включения в схему разработанного струйного флотатора -тонкослойного отстойника (рисунок 7).

Замазученные стоки

В оборотную систему водоснабжения

Рис. 7. Предлагаемая модернизированная схема очистных сооружений Пензенской ТЭЦ-1

Загрязненные нефтепродуктами в процессе производства сточные воды по трубопроводам поступают в распределительную "гребенку" и передавливаются в приемные емкости, где происходит частичное отстаивание воды, всплытие на поверхность легких фракций нефтепродуктов и выпадение в осадок тяжелых фракций вместе с взвешенными веществами.

После приемных резервуаров сточные воды подаются во флотатор -тонкослойный отстойник и для доочистки направляются в угольные фильтры, загруженные активированным углем. Из существующей семы исключаются существующие флотаторы и механические фильтры. Концентрация нефтепродуктов после угольных фильтров 0,36 мг/л, что соответствует требуемым нормам.

Выполнены расчеты эффективности предложенного варианта, который должен предотвратить ущерб около 58667 тыс. рублей, сэкономить электроэнергию, горячую воду и пар на сумму более 1,5 млн. рублей.

Основные выводы и результаты:

1. Разработана математическая модель и метод расчета для определения профиля концентрации 02 в воде в струйно-барботажном деаэраторе. Показано согласование с известными экспериментальными данными.

Результаты расчета использованы ИВЦ «Инжехим» при модернизации деаэратора ДСА-300 Казанской ТЭЦ-3.

2. На основе модели Тейлора получено выражение для расчета коэффициента обратного перемешивания в жидкой фазе барботажного слоя.

3. Рассмотрено обобщение математической модели массопереноса для определения эффективности процесса флотации. Используя уравнения из теории массопередачи, с учетом сопротивлений переносу в пограничном слое, получено выражение для коэффициента переноса дисперсной фазы к поверхности пузырька.

4. Для повышения эффективности очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов разработаны научно-технические решения по аппаратурному оформлению флотатора - тонкослойного отстойника и вариант модернизации технологической схемы очистки на Пензенской ТЭЦ-1.

5. Разработанный вариант модернизации очистных сооружений ТЭС с применением комбинированного устройства для очистки жидкостей - струйного флотатора - тонкослойного отстойника дает экономический эффект более 2 млн. рублей.

Методы расчета деаэратора и струйного флотатора - тонкослойного отстойника приняты и используются на мини - ТЭЦ ФКП Казанского Государственного Порохового Завода.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Патент №145904 Россия, МПК С02Р 1/00 Устройство для очистки жидкостей / Башаров М.М., Шакирова А.Х., Лаптева Е.А. - №2014118388/05; заявл. 06.05.2014 г., опубл. 27.09.2014.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

2. Башаров М.М., Зиятдинова А.Х. (Шакирова А.Х.) Определение касательного напряжения на стенке в газожидкостных средах // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2012_№3 С. 47-50.

3. Лаптев А.Г., Шакирова А.Х., Башаров М.М. Модель определения эффективности очистки жидкостей флотацией // Энергосбережение и водоподготовка. 2013. №5(85). С. 25-28.

4. Лаптева Е.А., Шакирова А.Х. Модель перемешивания жидкости в высокослойных барботажных аппаратах // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 2013. №9-10. С 129-133.

В материалах конференций:

5. Лаптева Е.А., Шакирова А.Х. Очистка жидкостей на ТЭС в барботажных аппаратах / материалы докладов IX школы - семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова/ Казань, 2014. С. 334 - 338.

6. Шакирова А.Х., Лаптев А.Г., Башаров' М.М. Модернизация технологической схемы очистки воды ТЭС: материалы VI международной конференции «Современные концепции научных исследований» / Москва, 2014. С. 92 - 96.

7. Башаров М.М., Зиятдинова А.Х. (Шакирова А.Х.) Модель эффективности очистки жидкостей методом флотации: материалы докладов II международной практической международной практической межотраслевой конференции «Химические решения для водооборотных систем промышленных предприятий» / Москва: «Перо», 2011. С. 95-98.

8. Башаров М.М., Зиятдинова А.Х. (Шакирова А.Х.) Математическая модель для расчета динамической скорости трения в барботажных средах: материалы докладов 25- ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» / Саратов ,2012, Т.4, С.153-154.

9. Зиятдинова А.Х. (Шакирова А.Х.), Лаптев А.Г. Модель турбулентного переноса при очистке жидкостей методом флотации: материалы докладов 24-ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» / Киев, 2011, Т.4, С. 58-59.

10. Зиятдинова А.Х. (Шакирова А.Х.), Башаров М.М. Определение динамической скорости в барботажных аппаратах: материалы XVIII международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» / Москва: МЭИ, 2012, Т.4, С.140-141.

11. Лаптев А.Г., Башаров М.М., Зиятдинова А.Х. (Шакирова А.Х.) Модель турбулентной миграции тонкодисперсной фазы к пузырьку при флотации: материалы / Нижнекамск: Нижнекамский химико — технологический институт (филиал) КГТУ, 2011.С.72-73.

12. Лаптев А.Г., Шакирова А.Х. Определение эффективности флотации с применением математической модели: материалы докладов 26 - ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» / Саратов,2013, Т.4, С.41 - 42.

13. Шакирова А.Х., Лаптев А.Г. Модель определения эффективности флотации: материалы XIX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» / Москва: МЭИ, 2013.Т.4. С.118.

и другие.

Подписано в печать 14.11.2014. Форм. бум. 60x84 1/16. Печ. л. 1. Тираж 100. Заказ № 1411/1. Отпечатано с готового оригинал - макета в типографии «Вестфалика» (ИП Колесов В.Н.) 420111, г. Казань, ул. Московская, 22. Тел.: 292-98-92. e-mail: westfalika@inbox.ru