автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование технологического процесса электрофлотационного осветления жидкой фракций сброженного помета

" ^ /ЗГ]

На правах рукописи

ПАСТУХОВ ОЛЕГ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ОСВЕТЛЕНИЯ ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ СБРОЖЕННОГО ПОМЕТА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь - 1998

Работа выполнена в Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии.

Научный руководитель - кандидат технических наук.

профессор В.И. ГРЕБЕННИК

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор И.Н. КРАСНОВ

кандидат технических наук, старший научный сотрудник A.M. БРУСНЕВ

Ведущее предприятие - Ставропольский

научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации

Защита диссертации состоится «-3 » СЪъ^л. илЯ 1998 г. в «У5» часов на заседании диссертационного совета К 120.53.04 при Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 355017, г. Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12, ауд. 130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан « » 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность гемм. Несмотря на прошедшее в последние годы существенное сокращение поголовья птицы, выход помета составляет около 28 млн. т в год. причем пятая часть этого количества накапливается в качестве переходящих остатков в хранилищах, представляя серьезную экологическую опасность.

При использовании прогрессивных технологий, новейшего оборудования и рациональных форм переработки помет становится весьма ценным и дешевым сырьем для получения высококачественных органических удобрений, энергоносителей, кормовых добавок и других полезных продуктов. Разработано множество различных способов переработки отходов птицеводства, однако их общий недостаток - отсутствие комплексного подхода к решению этой проблемы. Так, наиболее перспективный метод, каким является метановое сбраживание помета, несмотря на все свои положительные стороны, оставляет нерешенными вопросы утилизации побочного биогазу продукта -сброженного шлама, особенно его жидкой фракции.

Использование этой фракции в удобрительных поливах, учитывая ее эпизоотическую безопасность и высокую питательность для растений, сдерживается тем, что существующие способы и технические средства для фракционирования жидкого помета не обеспечивают соответствующий агромелиоративным требованиям уровень содержания в ней сухого вещества. Поэтому появляется потребность осветления жидкой фракции сброженного помета.

Анализ методов и средств осветления суспензий с малой гидравлической крупностью частиц, характеризующей этот материал, показывает, что наиболее рациональным для этой цели способом является электрофлотация. Однако высокая энергоемкость процесса электрофлотации требует исследования режимов его ведения и параметров установки. Существенное отличие физико-химических свойств сброженного помета от суспензий, на которых ранее проводились исследования электрофлотационного осветления, не позволяет воспользоваться известными данными. В связи с этим возникает необходимость проведения новых исследований.

Цель исследований. Целью работы является минимизация затрат энергии на осуществление процесса электрофлотационного осветления жидкой фракции сброженно.го помета, обоснование режима процесса и конструктивных параметров электрофлотационной установки.

Объект исследований. Объектом исследований являлся технологический процесс электрофлотационного осветления жидкой фракции сброженного помета.

Методика исследований предусматривает получение аналитических уравнений описания процесса 'электрофлотации жидкой фракции сброженного помета и последующие экспериментальные исследования на

3

основе теории планирования многофакторных экспериментов и регрессионного анализа с обработкой опытных данных на ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в определении пути рационального применения электролизных газов и химического реагента при электрофлотационном осветлении жидкой фракции сброженного помета на основе сравнительного анализа эффективности осветления и энергетических характеристик этого процесса. В результате исследований установлено наличие поверхностного электрического заряда на единичных пузырьках электролизных газов, образованных в среде жидкой фракции сброженного помета, обоснованы оптимальные параметры процесса и установки. получены аналитические выражения для их определения. Разработаны и экспериментально подтверждены математические модели электрофлотационного осветления исследуемых стоков для безреагентного режима работы и с применением предварительной коагуляции.

Практическая ценность работы заключается в создании нового способа осветления жидкой фракции сброженного помета и конструкции электрофлотационной установки, обеспечивающих минимальные затраты энергии на проведение процесса осветления.

Реализация результатов исследований. Элсктрофлотационная установка для осветления жидкой фракции сброженного помета внедрена в линии комплексной утилизации помета птицефабрики «Шпаковская» Ставропольского края.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации доложены на Всероссийской конференции «Современные достижения биотехнологии» и краевом совещании-семинаре по использованию биотехнологий (1996 г.), на научно-технических конференциях СтГСХА (1991-1997 г.г.). Исследования выполнялись в соответствии с планом НИР СтГСХА в рамках темы 29.

Публикация результатов исследований. По материалам исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе получены патент и решение о выдаче патента на изобретение.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения. пяти глав, выводов, списка литературы из 141 наименований и 15 приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах машинописного текста, включающего 26 рисунков. 33 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Но введении обоснована актуальность темы, излагается цель работы. дана сс краткая характеристика и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Состояние вопроса и задачи исследования» -проведен анализ существующих способов переработки помета, обоснована целесообразность применения электрофлотационного осветления жидкой фракции сброженного помета для подготовки ее к удобрительным поливам. намечены пути оптимизации процесса и задачи исследования.

Обзор литературных источников показал, что перспективным способом переработки птичьего помета является метановое сбраживание, однако оно не может обеспечить комплексное решение проблемы его утилизации. В дальнейшем перебродившая масса помета может быть разделена на фракции и эффективно использована как источник питательных веществ в растениеводстве: твердая фракция в составе органоминерального удобрения, жидкая -на полях орошения. Установлено, что для применения жидкой фракции сброженного помета в удобрительных поливах в соответствии с агромелиоративными требованиями необходимо ее осветление с целью снижения концентрации сухого вещества до 1...2 %.

В результате анализа потенциальных возможностей различных способов осветления стоков и накопленного в этой области опыта определено, что наиболее эффективным из них является электрофлотация. Однако в связи с высокой энергонасыщенностью данного процесса необходимо найти его оптимальные параметры и конструктивные характеристики электрофлотационной установки, способные обеспечить требуемую концентрацию сухого органического вещества в жидкой фракции сброженного помета при минимальных затратах энергии.

Анализ работ академика П.А. Ребиндера, В.И. Классена. В.А. Глем-боцкого, Б.И. Матова, A.A. Мамакова, Б.В. Дерягина, С.С. Духина, H.H. Ру-лева, Г.Н. Назаровой, В. А. Чантурия, A.M. Гольмана, В.И. Приходченко, A.JI. Сергеева и других ученых по исследованию элекгрофлотационного разделения суспензий выявил закономерности данного процесса и направления его оптимизации. Определяющими стадиями электрофлотации являются формирование пузырьков электролизных газов, то есть создание разделительной фазы процесса, и образование флотокомплексов как средства выделения дисперсной фазы суспензии. Исследования элекгрофлотации различных суспензий показывают, что пузырьки электролизных газов во время образования могут получать поверхностный электрический заряд, причем разноименный для водорода и кислорода. Во многих случаях именно электростатический механизм взаимодействия частиц дисперсной фазы суспензии с пузырьками газов является основным фактором, обеспечивающим флотационное извлечение последней. Поэтому вопрос наличия разноименного поверхностного заряда единичных пузырьков водорода и кислорода, образованных в среде жидкой фракции сброженного помета представляет значительный интерес для исследования ее электрофлотационного осветления. Учитывая это положение, одним из путей минимизации затрат энергии на этот процесс может быть оп-

ределение рационального способа использования электролизных газов путем сравнительного анализа энергоемкости смешанного, селективного и раздельного их применения, определение энергосберегающих режимов работы и конструктивных параметров электрофлотационной установки

Другим способом уменьшения затрат энергии на процесс электрофлотации является предварительная коагуляция (агрегирование) частиц дисперсной фазы осветляемой суспензии при помощи различных химических реагентов. вводимых тем или иным методом в камеру флотации. Известно большое количество флотационных реагентов, используемых для этих целей, однако эффективность их применения зависит от свойств осветляемой суспензии. Известно также, что кроме вида реагента, на эффективность и энергоемкость процесса электрофлотации влияет и его доза, причем зависимость эта носит экстремальный характер. Таким образом, для минимизации энергозатрат на электрофлотационное осветление жидкой фракции сброженного помета необходимо не только теоретически и экспериментально обосновать вид химического реагента, но и определить дозу его введения.

Известно, что на скорость флотационного осветления влияет способ и режим удаления образующейся на поверхности системы пены. Поэтому одним из параметров флотационной установки, определяющим качество осветления и затраты энергии на его проведение, является тип и режим работы пено-съемного механизма, которые должны быть обоснованы в исследовании.

В результате проведенного литературного анализа в соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:

- установить наличие и знак поверхностного заряда единичных пузырьков электролизных газов, полученный ими при формировании в среде жидкой фракции сброженного помета.

- провести сравнительный анализ смешанного, селективного и раздельного применения электролизных газов при электрофлотационном осветлении исследуемой суспензии и найти оптимальный по эффективности и энергозатратам вариант.

- обосновать вид химического реагента для интенсификации процесса осветления, определить его оптимальную дозу и соответствующий режим процесса.

- обосновать режимы работы и параметры флотационной установки, обеспечивающей минимальные затраты энергии на электрофлотационное осветление.

- провести технико-экономическое обоснование применения элсктро-флотационной установки для осветления жидкой фракции сброженного помета перед удобрительными поливами.

Но второй главе - «Теоретическое исследование элсктрофлотацион-ного осветления жидкой фракции сброженного помета» - рассмотрены математические модели процесса электрофлотационного осветления фракции при 6

безреагентном режиме и режиме с использованием предварительной коагуляции ее дисперсной фазы, вопросы теоретического обоснования энергосберегающего способа применения электролизных газов при электрофлотационном осветлении фракции и рациональной конструкции камеры флотации, выбора вида химического реагента для увеличения скорости осветления и анализа энергетики его применения, а также тип пеносъемного механизма и оптимальный режим его работы.

Наиболее общее выражение, описывающее процесс флотации, представлено в литературе в следующем виде:

ас,

—кС(1)

а 1

где С - концентрация дисперсной фазы суспензии, %;

г - время процесса, с; к - константа скорости флотации; т - порядок процесса.

Величина порядка процесса является предметом длительной дискуссии и однозначно в литературных источниках не определена. Эту задачу можно решить лишь экспериментальным путем.

Очевидно, что скорость флотации связана с концентрацией газовой фазы во флотационной камере. Анализ результатов, полученных Б.М. Матовым, позволил предположить, что константа скорости электрофлотации при безреагентном режиме определится выражением: 1

к =-- (2)

ап+а1С +а„С

О \ г 2 г где - параметры флотации;

С^ - концентрация газовой фазы в камере флотации, %.

с,=

2

а^+а.С +а.С С0е 0 1 г 2 г /п=1

(3)

Тогда для определения текущей концентрации сухого вещества в осветляемой суспензии получаем математическую модель флотации (3), которая

может быть использована при исследовании осветления жидкой фракции сброженного помета при различных вариантах использования газовой фазы.

При введении в процесс электрофлотационного осветления химического реагента, учитывая исследования Б.М. Матова и В.И. Приходченко. константа скорости флотации может быть определена из выражения:

. 1

к =------. (4)

ъп+ъллс +ь.пс +ьплсг +ЬппСг+Ь^С с

О 11 г 12 к 21 г 22 к 23 г к где ^,...,¿22 - параметры флотации.

С^ - концентрация химического реагента, г/л.

Текущая концентрация сухого вещества суспензии при ее электрофлотационном осветлении под действием химического реагента определится уравнением (5):

г

с: = /

,171-1

О ' "1Гг ' ' "2Гг ' "22" к ' "23"г^к

(5)

1 2 12 к 21 г 22 к 23

\,т)\

Анализ моделей (3) и (5) показал, что их дальнейшая теоретическая конкретизация усложнена в связи с неопределенностью параметров и порядка процессов, являющихся характеристиками жидкой фракции сброженного помета, конструктивных особенностей электрофлотатора и природы химического реагента. Нахождение этих параметров возможно эмпирическим путем, что и являлось задачей экспериментального исследования.

Основываясь на теории гетерокоагуляции образования флотоком-плекса в работе рассмотрены три способа использования электролизных газов: их смешанное применение, селективное использование водорода и раздельное применение как водорода, так и кислорода.

Так как зависимость скорости процесса флотации от концентрации газовой фазы имеет экстремальный характер, существует оптимальное значение последней. В случае смешанного применения газов это значение слагается из суммарного числа пузырьков водорода н кислорода. Если же в процессе используется только водород, для достижения необходимой концентрации пузырьков необходимо повышать интенсивность выделения газа, что приводит к дополнительным энергозатратам Известно, что концентрация пузырьков водорода в элсктрофлотационных машинах в два раза больше, чем кис-

лорода, откуда следует, что при селективном применении водорода для поддержания оптимальной концентрации газовой фазы в камере флотации необходимо в 1,5 раза увеличивать интенсивность ее выделения.

С другой стороны, принимая во внимание положение о разноименно-сти зарядов единичных пузырьков водорода и кислорода и электростатические принципы образования флотокомплекса, можно предположить, что скорость осветления при селективном применении водорода будет выше, чем в смеси его с кислородом. Пузырьки этих газов, смешиваясь, будут электростатически взаимодействовать друг с другом, а их противоположные потенциалы взаимно нейтрализоваться. В результате такого взаимодействия до 2/3 образованной разделительной фазы может утратить поверхностный заряд до ее контакта с частицами дисперсной фазы осветляемой суспензии, и образование флотокомплекса станет затруднительным. Количественная оценка вытекает из пропорции концентрации пузырьков водорода и кислорода в камере флотации.

Удельные затраты электроэнергии на процесс электрофлотации можно определить из выражения:

Г = УбОР*' (6)

где IV - затраты энергии, кВтч/м3;

Р - удельная мощность газогенератора. кВт/м3; I - время процесса, мин.

Для удельной мощности газогенератора можно получить: 1 ?

Р =-упс11п , (7)

ЮООУ

где п - число электродов;

у - удельное сопротивление суспензии, Ом м; г - расстояние между электродами, м; ё н 1 - диаметр и длина электрода, м; ; - плотность тока электролиза, А/м2; V - объем камеры флотации, м3.

Для определения концентрации газовой фазы в камере флотации Б.М. Матовым была получена следующая зависимость:

С (8)

г р V Г ^ г

где о • плотность газа, кг/м3; Гг

Р - коэффициент газообразования. %, V - скорость подъема газового пузырька, м/с.

Из выражений (7) и (8) имеем:

1 РРг

ТОООИ^^

, ¥р V 0 „

Р = —упсИг(—т4-) £ (9)

1 2

Или, приняв 5 =--~уПСИг{-77—) .

* р юоог' у А/з

Р = В С2 (10)

р г

Зависимость, описываемую выражением (10) можно считать энергетической характеристикой газогенератора для определенного вида суспензии. Уравнение (6) тогда примет вид:

\у=У.пв сЬ (П)

/60 р г

Однако, исходя из вышеприведенных рассуждений, удельные затраты энергии при смешанном и селективном применении газовой фазы будут различными. что необходимо учесть в выражении (11) коэффициентом энергоемкости кк :

]¥ = УбЪк\чВрС11 (12)

Для обоих способов использования газовой фазы характерен рост энергоемкости процесса электрофлотации из-за снижения активности пузырьков газовой фазы при смешанном ее применении и уменьшении концентрации электролизных газов в камере флотации при селективном использовании водорода.

Оба способа, тем не менее, имеют свои преимущества. Представляется возможным объединить эти преимущества, используя в процессе флотации как пузырьки водорода, так и кислорода, исключив их смешивание и электростатическое взаимодействие. Этого можно добиться, разделив камеру флотации на секции по числу электродов изолирующими перегородками так, чтобы последние не препятствовали прохождению тока в цепи флотатора, но предотвращали смешивание пузырьков различных газов после отрыва их от электродов (рис.1).

Принимая во внимание пропорцию концентрации пузырьков водорода и кислорода во флотационных машинах, размеры водородных и кислородных секций должны быть различны и соответствовать соотношению объемов 2:1. Раздельное использование электролизных газов при помощи предлагаемой конструкции камеры флотации обеспечит уровень оптимальной концентрации газовой фазы, характерной для смешанного способа применения газов, но. за счет сохранения поверхностного заряда пузырьков, полное их

Рис. 1. Конструкция секционной камеры флотации:

1 - корпус; 2 - анод; 3 - катод; 4 - изолирующие перегородки; 5 - анодная секция; б - катодная секция.

использование в образовании флотокомплекса. Энергозатраты процесса электрофлогационного осветления в этом случае определятся выражением (11), и будут ниже, чем при селективном применении водорода и смешанном использовании газовой фазы. Таким образом, раздельное применение электролизных газов в конструкции электрофлогатора с соотношением объемов водородных и кислородных секций 2:1 будет являться искомым энергосберегающим способом использования газовой фазы. Это теоретическое положение должно быть подтверждено экспериментальными исследованиями путем построения на основании опытных данных математических моделей каждого из трех вариантов процесса и энергетических характеристик применяемых газогенераторов, их оптимизации и сравнительного анализа.

Анализ опыта использования при электрофлотации химических реагентов позволил предложить в качестве коагулянта дисперсной фазы жидкой фракции сброженного помета порошкообразный фосфогипс. являющийся отходом химической промышленности, в большом количестве накопленном в Ставропольском крае. Установлено, чти доза этого реагента, обеспечивающая минимальные затраты на осветление последней может быть определена эмпирическим путем.

Кроме того, как показывает ряд исследований, применение химического реагента в процессе флотации оказывает существенное влияние на зави-

11

симости, описывающие кинетику' этого процесса и может изменять энергетические характеристики газогенератора и оптимальные режимы работы электрофлотационной машины. Учитывая зависимость удельного сопротивления исследуемой суспензии от дозы вводимого фосфогипса и используя накопленный в этой области опыт, можно предположить, что энергетическая характеристика газогенератора, работающего в условиях реагентного режима, определится как:

Р = С2(ап + а,С , +а-С2л + а.С3.), (13)

г 4 0 1 ф 2 ф 3 ф'

где - параметры коагулянта и осветляемой суспензии;

Сф - доза введения фосфогипса, г/л.

Таким образом, кроме задачи нахождения оптимальной дозы реагента, для оценки затрат энергии и необходимой мощности газогенератора и реагентом режиме электрофлотационного осветления суспензии, в исследовании необходимо получить неизвестные параметры энергетической характеристики газогенератора (13).

Обзор литературных источников показал, что оптимальным техническим решением для пеносьемного механизма является скребковый транспортер. Основными технологическими параметрами данного механизма является высота скребка и расстояние между ними, режим его работы определяется скоростью движения несущей скребки цепи.

Установлено, что высоту скребка и скорость его движения можно обосновать теоретически, основываясь на ранее проведенных исследованиях. Расстояние между скребками зависит от скорости образования слоя флотационной пены и может быть определено по результатам экспериментального исследования.

В третьей главе - «Программа и методика экспериментального исследования» - изложены общая и частные методики, описываются применяемое оборудование и условия проведения опытов.

В соответствии с общими задачами и полученными теоретическими результатами определена программа экспериментальных исследований, включающая получение необходимых данных для:

- установления поверхностного потенциала единичных пузырьков электролизных газов, образованных в срсде жидкой фракции сброженного помета.

- определения численных значений коэффициентов и порядка математических моделей процесса для смешанного, селективного и раздельного применения электролизных газов, оптимального режима процесса элсктро-флотационного осветления;

- определения коэффициентов энергетических характеристик используемых вариантов газогенераторов;

- нахождения зоны оптимального значения дозы фосфогипса как химического реагента, обеспечивающего предварительную коагуляцию дисперсной фазы и увеличение скорости электрофлотационного осветления:

- определения коэффициентов математической модели процесса, предусматривающего предварительную коагуляцию, оптимальной дозы (}юсфо-гипса и соответствующего ей режима работы флотационной установки:

- нахождение параметров энергетической характеристики газогенератора, работающего в режиме предварительной коагуляции:

- установления зависимости высоты слоя пены, образующейся в результате осветления от времени работы флотатора.

Регистрация отрицательного заряда пузырька водорода и положительного - кислорода проводилась по методике, основанной на определении тангенса угла отклонения траектории пузырька от вертикали в магнитном поле соленоида. Траектории движения пузырьков фиксировались на фотопленку, затем кадр проецировался на экран, где с помощью координатной сетки определялись относительные координаты пузырьков водорода и кислорода, попавших в кадр. Таким образом были получены 30 массивов точек, характеризующих положение пузырьков электролизных газов в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции при пяти различных значениях силы тока в соленоиде. В дальнейшем эти данные анализировались при помощи статистических методов обработки.

Определение неизвестных параметров математических моделей электрофлотационного осветления исследуемой суспензии для различных способов применения электролизных газов велось с помощью регрессионного анализа экспериментальных зависимостей содержания сухого вещества в жидкой фракции сброженного помета от концентрации газовой фазы в камере флотации и времени флотации.

Для проведения исследования была изготовлена лабораторная установка. представляющая собой сосуд из органического стекла в форме параллелепипеда с размещенным на его дне электрогазогенератором (рис.2). Смешанное, селективное и раздельное применение электролизных газов обеспечивалось тремя различными конструкциями газогенераторов.

Сравниваемость результатов экспериментов обеспечивалась фиксацией основных факторов, обуславливающих кинетику флотации, на постоянном уровне. К таким факторам были отнесены характеристики осветляемой суспензии - температура, исходная концентрация сухого вещества и показатель активной реакции среды, а также конструктивные параметры электрофлотатора - высота столба суспензии, материал и геометрия электродов, ме-жэлсктродное расстояние. Исходная и конечная концентрации сухого веще-

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования смешанного, селективного и раздельного применения электролизных газов: 1 - камера флотации; 2 - газогенератор; 3 - блок питания; 4, 5 - электроизмерительные приборы; 6 - термометр; 7- рН-метр.

сгва определялись по стандартной методике, pH-показатель - прибором рН-222. температура - термометром ТС-16. Соответствие конструктивных параметров электрофлотатора обеспечивалось при изготовлении экспериментальных газогенераторов. Фактор концентрации газовой фазы в камере флотации устанавливался при помощи тарировочного графика, полученного по известной методике, основанной на измерении объема вытесненной газом жидкости.

Регрессионный анализ экспериментальных данных позволил определить неизвестные коэффициенты и порядок математических моделей электрофлотационного осветления жидкой фракции сброженного помета для трех вариантов применения электролизных газов (3). В дальнейшем путем исследования полученных уравнений на условие С, —> min были определены режимные параметры, обеспечивающие максимальную эффективность осветления для каждого из трех вариантов использования газов.

Для исследования влияния предварительной коагуляции дисперсной фазы жидкой фракции сброженного помета фосфогипсом на ее электрофлотационное осветление на первом этапе был применен метод крутого восхождения. с помощью которого опрополилась юна оптимум*) дон? введения этого реагента. Затем в зоне оптимума был поставлен факторный -жеперимент. по результатам которого получены данные зависимости концентрации сухого вещества в осветляемой суспензии от концентрации газовой фазы в камере флотации, времени процесса и дозы коагулянте!. Регрессионный анализ полу-

ченных данных позволил определить неизвестные параметры уравнения (5), а исследование его на условие С, —» min - оптимальные режим работы электрофлотационной установки и дозу фосфогипса.

Эксперимент реализовывался с помощью лабораторной установки и методики получения опытных данных, описанных выше, применялся газогенератор. позволяющий раздельно использовать электролизные газы.

Задача определения энергетических характеристик газогенераторов, обеспечивающих различные варианты использования электролизных газов, в том числе и в режиме предварительной коагуляции, решалась путем измерения потребляемой газогенератором мощности при выполнении матрицы соответствующего эксперимента.

Для определения скорости накопления флотационной пены исследовался характер изменения во времени объема пены, получаемого с единицы площади поверхности жидкой фракции сброженного помета во флотационной камере. Экспериментальные данные обрабатывались с помощью аппарата регрессионного анализа.

Апробация и уточнение полученных результатов в производственных условиях проведены при помощи опытного образца электрофлотационной машины на птицефабрике «Шпаковская» Ставропольского края. Переход от лабораторной установки к опытной конструкции электрофлотатора был осуществлен с использованием критериев подобия флотационных аппаратов.

В четвертой главе - «Результаты экспериментального исследования и их анализ» - изложены материалы исследований, подтверждающие достоверность основных теоретических положений диссертационной работы.

Результаты изучения траектории движения единичных пузырьков водорода и кислорода, образованных в среде жидкой фракции сброженного помета и помещенных в однородное магнитное поле, позволили заключить, что, после отрыва от электродов пузырьки движутся по траектории, образующей с вертикалью некоторый угол, тангенс которого прямо пропорционален силе тока соленоида, создающего это поле (рнс.З); направление отклонения траектории различно для пузырьков водорода и кислорода и, согласно закону Лоренца, соответствует отрицательному заряду водородного пузырька и положительному - кислородного.

Анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании трех способов применения электролизных газов, позволил найти следующие зависимости для концентрации сухого вещества в жидкой фракции сброженного помета при безреагентном режиме элекгрофлотации:

- для смешанного применения газов

v

0/5 0/0 0,05 О

-0,05 -0,-10 -0/5 -0,20

Рис.3. Зависимости тангенса угла отклонения траектории движения пузырька водорода (1) и кислорода (2) в однородном магнитном поле от силы тока в соленоиде, создающем это поле.

_ Cq(798,06-3750,41Сг +10432,26С^) 1 Cq/+798,06-3750,47C2+10432,26C^

- для селективного использования водорода

(14)

с,=

С0(610,55 - 2591,90С +5788,59Ср

Сл + 610,55-2591,90С +5788,59С2 0 'г г

(15)

- для раздельного применения газов

С,

С0 (623,90-323 5,64Сг +8903, ЗЗСГ)

(16)

С0*+623,90-3235,64Сг +8903, ЗЗС-Г Исследование выражений (14-16) на условие С, —> min показало, что эти функции характеризуются экстремальным значением концентрации газовой фазы, соответствующим минимальному содержанию сухого вещества в осветляемой суспензии (табл. 1). Исходя из принятого условия, данные значения можно считать оптимальными. Выражения (14-16), таким образом, в общем виде соответствуют уравнению:

■ С. =

сод

CQt+B

(17)

О I гор1 2 гор/

Графики функции (17) д_пя смешанного, селективного и раздельного применения газовой фазы представлены на рис. 4

2,4

2,3 2,2 Ы ¿,0

О 5 10 45 ¿0 2.5 30 25 ±,мнн

Рис.4. Зависимость концентрации сухого вещества С, в жидкой фракции сброженного помета при ее электрофлотационном осветлении от времени I:

1- смешанное применение электролизных газов; 2 - селективное применение водорода; 3 - раздельное использование обоих газов.

Таблица 1

Результаты оптимизации моделей электрофлотационного осветления исследуемой суспензии при трех вариантах применения электролизных газов и соответствующие значения оптимальной мощности газогенераторов

Способ применения газов Оптимальная концентрация газов. % Удельная мощность газогенератора, кВт/м3

Смешанное 0.180 0,87

Селективное водорода 0.224 1.32

Раздельное 0.182 0.89

Проведенные измерения мощности, потребляемой газогенератором позволили получить массивы данных, характеризующие энергетические показатели каждого из трех генераторов. Обработка этих данных свидетельствует, что энергетические характеристики применяемых газогенераторов фактически совпадают к имеют нид для смешанного и раздельного применения газов Р = 26,ЗС~ ; для селективного использования водорода: Р - 27,0( *"

Используя результаты оптимизации моделей (14-16) и энергетические характеристики соответствующих газогенераторов, можно получить величины удельной мощности Рор,. необходимые для обеспечения оптимальной концентрации газовой фазы в камере флотации (табл.1). Тогда для расчета количества электроэнергии, необходимой для определенной степени осветления 1 м3 жидкой фракции сброженного помета имеем:

1/ Вр{-С0~С/> У Р р у { /60 ор( г г 0 /

(18)

Графики выражения (18) для смешанного, селективного и раздельного применения газовой фазы представлены на рис. 5.

УкЪтч/к? ОЛ

0,6 о,н 0,2 О

1,9 1,0 2,Н 2,2 2,Ъ 2,М С,%

Рис. 5. Зависимость удельного расхода энергии на процесс электрофлота ции \¥ от конечной концентрации сухого вещества С: 1- смешанное применение газов; 2 - селективное применение водорода; 3 - раздельное применение обоих газов.

Для сравнительной оценки энергозатрат на электрофлотационное осветление исследуемой суспензии при различных способах применения электролизных газов по данным эксперимента были рассчитаны удельные затраты энергии и коэффициенты энергоемкости к», (табл.2). Из анализа табл.2 следует, что принят.- в теоретической части работы допущение о нейтрализации 2/3 газовой фазы при се смешанном применении завышено и в действительности большее число пузырьков электролизных газов находятся на расстоянии, недостаточном для взаимного электростатического взаимодействия;

1 1

АХ

раздельное применение электролизных газов с помощью предложенной конструкции электрофлотатора, требует в равных условиях наименьших энергозатрат и является в 1.37 и 1.44 рам энергетически выгоднее смешанного использования газов и селективного применения водорода соответственно.

Таблица 2

Удельные затраты энергии при различных способах применения газовой фазы

Способ применения газовой фазы Раздельное Селективное Смешанное

Удельные затраты энергии, кВтч/м1 0,489 0,705 0.668

Значение коэффициента энергоемкости 1 1,44 1.37

После определения зоны оптимума дозы внесения фосфогипса был поставлен факторный эксперимент, статистическая обработка данных которого позволила получить следующую модель процесса электрофлотационного осветления жидкой фракции сброженного помета при раздельном использовании газов и использовании предварительной коагуляции:

367,95-2252,83С -4,31С , +5831,26С2+0,0338С2

г ф г ф (19)

с/=со3

3C^/+367,95-2252,83С -4,31С . +583 1,26С2+0,338С2 О г ф г ф

Исследование уравнения (19) на условие С, -> min показало, что она характеризуется экстремальными значениями концентрации газовой фазы и дозы фосфогипса, соответствующим и минимальному содержанию су хого вещества в осветляемой суспензии. Они определены гак Сгир, =0,19...0.20 % и C,t)opt = 63...64 г/л.

Выражение (19). таким образом, можно представить:

С,=с oJj — ■ т

где В =367.95-2252.83С -4,31С +5831.26Г2 +0.034С2 ф горI <¡)opt горI форt

График выражения (20) для оптимальных значений концентрации газовой фазы и дозы фосфогипса представлен на рис. 6.

Для удельной мощности газогенератора, работающего в условиях предварительном коагуляции фракции (|юс(|югипсом в результате анализа экспериментальных данных получено выражение (21).

с%

2,2

2.0 <&

4,6 ^

4,2 4,0 ОА

О 2 4 6 8 40 12 16 46 ь.мич

Рис.6. Зависимость концентрации сухого вещества в жидкой фракции сброженного помета С при ее электрофлотационном осветлении в оптимальном режиме с использованием фосфогипса от времени процесса осветления I.

V—

X

N V

\

—=

Р = С^(26,93 + 0,129Сф - 5,853 • 10 +2,724 10 (21)

Учитывая результаты эксперимента, имеем Р = 0,45 кВт/м3.

Удельные затраты энергии в оптимальном режиме определятся, как:

„ 1/р Усо-с/>

УУорС/Жор1 Г3Г3 (22)

В графическом виде выражение (22) для данных эксперимента представлено на рис. 7.

Сравнивая полученные результаты с данными исследования безреа-гентных режимов осветления, можно сделать вывод, что использование предварительной коагуляции при раздельном применении электролизных газов не только обеспечивает требуемую для удобрительных поливов концентрацию сухого вещества в жидкой фракции сброженного помета, но и в 49 раз снижает затраты электроэнергии на процесс ее осветления.

Исследования кинетики накопления флотационной пены позволили определить основные конструктивные характеристики и режим работы пено-съсмного механизма.

флотационное осветление жидкой фракции сброженного помета в оптимальном режиме при использовании фосфогипса от конечной концентрации в ней сухого вещества С.

Апробация экспериментальных данных в производственных условиях в целом их подтвердила.

В пятой главе - «Технико-экономическое обоснование процесса электрофлотационного осветления жидкой фракции сброженного помета» -выполнен технологический расчет применяемого для осветления оборудования и проведен экономический и энергетический анализ применения электрофлотационного осветления жидкой фракции сброженного помета путем сравнивания режимов раздельного использования газовой фазы и его совмещения с предварительной коагуляцией фракции фосфогипсом при снижении концентрации сухого вещества до 2 %. Дополнительно были рассчитаны показатели для режима коагуляции при более глу боком (до 1 %) осветлении.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ методов и средств утилизации помета показал, что его метановое сбраживание необходимо дополнить переработкой сброженного ос-г.ггка с последующим раздельным использованием его фракции. Применение жидкой фракции сброженного птичьего помета в удобрительных поливах нуждается в дополнительном осветлении в связи с агромелиоративными требованиями (не более 2 % сухого вещества).

2. По результатам теоретического и экспериментального исследования установлено, что единичные пузырьки электролизных газов, образованных в среде жидкой фракции сброженного помета, обладают поверхностным электрическим зарядом, что позволило применить при рассмотрении взаимодействия единичного пузырька газа и частицы дисперсной фазы фракции теорию гетерокоагуляции и исследовать, наряду со смешанным, альтернативные режимы использования газов - раздельный и селективный.

3. Установлено, что раздельное применение электролизных газов уменьшает затраты энергии на осветление данной суспензии в 1,37 раза по сравнению со смешанным их использованием ив 1.44 раза по сравнению с селективным применением водорода.

4. Предложена принципиально новая конструкция электрофлотационной установки, обеспечивающая раздельное применение газовой фазы.

5. В качестве химического реагента, обеспечивающего интенсификацию процесса электрофлотационного осветления исследуемой суспензии предложено использование порошкообразного фосфогипса и определена оптимальная доза его ввведения в количестве 63... 64 г на 1 л фракции.

6. Раздельное применение электролизных газов при обеспечении концентрации газовой фазы в камере флотации 0,19...0.20 % и введение в жидкую фракцию сброженного помета фосфогипса позволяет уменьшить энергоемкость осветления фракции с 0,49 до 0,014 кВтч/м3 и снизить остаточную концентрацию сухого вещества фракции до 1 %. Время экспозиции при остаточном содержании сухого вещества 2% составляет 0,02 ч. 1 % - 0,16...0,20 ч.

7. В качестве пеносьемного механизма необходимо применить скребковый транспортер, имеющий расстояние между скребками 0.27...0.55 м.

8. Применение электрофлотационной установки усовершенствованной конструкции на птицефабрике «Щпаковская» в линии комплексной утилизации птичьего помета в сравнении с установками, известными ранее, позволило уменьшить эксплуатационные издержки на 33.2%, приведенные затраты на 37,5 %, общие затраты энергии на 21.7 %. Годовой экономический эффект составляет 18396 тыс. руб. в ценах 1997 г.

Основные положении диссертации опубликованы в работах:

1. Пастухов O.E.. Гребенник В.И. Влияние электрического поля на процесс разделения птичьего помета на фракции в электрофлотационных аппаратах/Механизация процессов кормопроизводства и переработки продукции: Сб.науч.тр. ССХИ. - Ставрополь. 1992. - С. 23-26.

2 Пастухов O.E.. Гребенник В.И Аппарат элсктрофлотационный Информ. листок о науч.-технич. достижении № 53-96. - Ставрополь: ЦНТИ. 1996. - 4 с.

3. Пастухов O.E.. Гребенник Д.В. Сравнительный анализ смешанного и селективного применения электролизных газов при флотации сброженного шлама птичьего помета// Тезисы докл. Всеросс. конференции "Современные достижения биотехнологии". - Ставрополь. 1996. - С. 64.

4. Пастухов O.E. Влияние химического реагента на процесс флотации сброженного шлама птичьего помета// Там же. - С. 65.

5. Марченко В.И.. Пастухов O.E., Гребенник Д.В. Безотходная энергосберегающая технология переработки отходов птицеводства// Материалы совещ.-семин. "Новые направления в непрерывном эколого-биологическом дополнительном образовании". _ Ставрополь, 1997. - С. 83-85.

6. Пастухов O.E., Гребенник Д.В. Обоснование химического реагента для интенсификации флотационного осветления жидкой фракции сброженного помета// Механизация сельскохозяйственного производства: Сб.научн.тр. СтГСХА. - Ставрополь, 1997. - С. 61-63.

7. Пастухов O.E. Применение электролизных газов при флотационном осветлении жидкой фракции сброженного помета//Там же. - С. 130-135.

8. Патент № 2083502, МКИ С02 F 1/465. Способ разделения сброженного шлама птичьего помета / O.E. Пастухов, В.И. Гребенник. Д.В. Гребенник. № 95103952/25; Заявлено 20.03.95; Опубл. 10.07.97, Бюл. № 19. - 3 с.

9. Решение о выдаче патента на изобретение от 7.10.96, МКИ С02 F 1/465. Электрофлотатор / Пастухов O.E. № 95111514/25(019598); Заявлено 4.07.95.

Заказ № 19. тираж 100 экз.. Печ. л. 1. СтГСХА. 1998 г.