автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка высокоинтенсивного действия для очистки сточных вод от взвешенных частиц

КАЗАХСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

УДК 628.349:66.063.8:541.182.65

п г с Л 1 пРавах рукописи

I' I О

; 3 Ул.5

АПСЕМЕТОВ АБДУЛХАК ТУРЕТАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО АППАРАТА СОВМЕЩЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД -ОТ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ

05.17.08. - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Шымкент-1996

Работа выполнена в Казахском химгасо-технологическо статуте на кафедре автоматизации технологических, процеа производств и в Российском химико-технологическом универс имени Д.И.Менделеева на кафедре кибернетики химико-техно ческих процессов.

Научные руководители:

- доктор технических профессор Гордеев.

доктор технических доцент Есенов Е.К.

Официальные оппоненты:

- доктор технических на> профессор Алтын бек о е

- кандидат техшгческих I доцент Мусин Н.А.

Ведущая организация:

АО "Шымкентнефть орган г. Шымкент

_^ащита диссертации состоится " 7 У " ЛСкЛ 1 в /4 часов на заседашш специализированного совета Д 1 < при Казахском химико-технолопгческом институте по а 486050, г.Шымкент, проспект Тауке хана, 5, КазХТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ] ского химико-технологического института.

Автореферат разослан " //" 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент Д.Сабыр

-------------------ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^КТурЛЧНГИУГЬ ПТ''>П.Й^МУ|.

Сточные воды большинства промышленных предприятия, в том числе и фосфорных производств, загрязнены в основном взвешенными веществами. При очистке таких стоков, с целью их повторного использования целесообразно удалить из них взвешенные частицы.

В процессах разделения твердых взвешенных веществ из жидкости большую трудность представляют частицы размерами менее 10 мкм, а . результаты седиментационного анализа показали, что свызэ 80 % взвешенных примесей сточных вод АО "Фосфор" имеют размери в диапазоне 1,6...9 мкм. Проведенные исследования станций очистки сточных вод ряда фосфорных производств, на которых используются традиционные технологические схемы и аппараты, показали, что степень осветления таких стоков очень низка и составляет порядка 50...60Х. Поэтому для интенсификации процессов агрегации взвешенных частиц и последующего их удаления из таких стоков требуется усовершенствование и разработка новых конструкция аппаратов.

Решение этой проблемы без понимания механизмов процессов, происходящих. на границе раздела фаз "твердое-яздкость", явлений переноса отдельных частиц и взаимодействия системы "частица-частица", представляется затруднительным.

В связи с этим, исследование гидродинамических и кинетических закономерностей и разработка математических моделей процессов агрегации взвешенных частиц в камерах хлопьеобразования проставляет большой, .научный к практический интерес, и весьма актуально, так как это открывает пути и возможности усовершенствования действующих и разработки новых конструкций аппаратов, а такса определить их оптимальные условия работы.

Работа выполнялась в соответствии с координационный планом научно-исследовательских работ Госплана Республики Казахстан и Ни-, нистерства образования Республики Казахстан, Приказ ШО КазССР * 297 от 01.07.Э1 г., регистрационный * 01860054255.

Цель ря^РТЖ. разработка научно-обоснованной конструкции высокоинтенсивного аппарата совмещённого действия для очистки сточных вод от взвешенных частиц и математической модели процесса хлопьеобразования, протекающего в нем, с целью интенсификация очистки сточных вод от взвешенных частиц.

тслвйованши

- анализ существующих аппаратов и методов очистки сточных вод от взвешенных примесей;

- теоретическое и экспершентальное исследование гидродинамических и кинетических закономерностей процессов агрегации к*весенних в воде частиц;

- разработка научно-обоснованной конструкции высокоинтенсявь'о-го аппарата соЕмещЗнкого действия для очистки сточных вод от взвешенных частиц и математической шдели процесса хлопьеобразозафся, протекающэго б н5м;

- разработка алгоритмов и программ расчЗта математической кололи процесса хлопьеобразования в разработанном аппарате, конструктивных и эксплуатационных параметров аппарата; ' "*

- выдача рекомендаций по интенсификации очистки сточных Ерд от взвешенных частиц.

Иаучтея нотоганя:

- на основе теоретических и экспериментальных исследоврвй! разработана ноезя конструкция аппарата - "Устройство дет перекашивания сточных вод", затаенная авторским СЕИдете^стЕом ¿ССР 1» 1576188, совмещающая в себе смеситель и камеру хлопьеобразования, позволяющая эффективно проюдать процессы ,&грзг|ади взЕе-ан-нкх частзщ;

- разработано ште-чатяческое опасение процессов агрегации взвешенных -частиц в аппарате совмещённого действия <? цилиндрическими перемешиващими устройствами;

- разработаны алгоритмы и программы расчёта 1ртештической модели процесса хлопьеобразования б нагон аппарате , кснструктив-тивных и эксплуатационных параметров аппарата сое?,:эе;5нного дейст- .. вия для очистки сточных еод от езегезнных частиц.

Пюстязагная, нвншиь;

- изготовлена и смонтирована ка 1-ой технологической нитке цеха переработки фосфорного шлама АО "Фосфор" полупромышленная установка, на которой проведены экспериментальные исследования с реальной сточной водой;

- получены количественные характеристики гидродинамической обстановки в аппарате, используемые при их проектировании;

- разработана методика расчета гидродинамики и переноса взез-шзнных частиц, которая коззт быть использована при проектировании

аппаратов для проведения процессов агрегации дисперсной фазы, з ^частности, з процессах очисти сточках вод от взвешенных частиц;

- результаты" научно-исследовательских работ внедрены на ¡Пш-хентском АО "Фосфор", Еаыбклсксм АО "КОД 40С" и Шымкентском городском управлении экологии и биоресурсов. ОяияаемыЯ эяокомкчэс-кий эффект составил 31 млн. руб. з ценах 1953 года.

Иа аянгеггу яннолятпя:

- принципиально новая конструкция гнссмннтзкеиЕного аппарата совмещённого действия, сочетет^его в себе смеситель и кашру пьеобразовашя, с цилиндрическиш перемешивающими устройстваш;

- катематическая модель процесса агрегации взвешенных частиц з аппарате совмещённого действия с цилиндрические перемешивающими устройствами;

- результаты теоретических и экспериментальных исследования на полупромышленной установке;

- алгоритмы и программы расчёта математической модели процесса' хлспьеобразовання в разработанном аппарате, конструкткгннх и и эксплуатационная параметров аппарата совмещённого действие очистки сточных гад от взвешенных частиц.

Личный вкпэл соискателя я ттравздакнне исследования заключается: з прОЕ9Дв;п£и экспериментальных исследований и обобзенп: ,ix результатов; разработке принципиально новой конструкции висопэх. тенсивного аппарата совмещённого действия для очистки сточных во/: от взвешеннее частиц; разработке математического описания проце*. сов агрегации взвешенных частиц в разработанном аппарате с цилиндрическими пэремеииващкми устрсйсткш» алгоритмов и програм... расчёта этой аатехатичеслоЛ копали, кснструкошнк^ » s, ¡и,- j&.z^.-. ohhhz параметров данного алларата; внедрении результатов научно-исследовательских работ.

Атзобяция mflnrw.

Результаты работа доложены на Международной иаучяо-тр кой и учебно-методической конференции "Актуальные проблем« 'каутяь. технологии, произволе тн:: и образования" (Еымкент, 1992 "'.). ип. Всесоквной взкфврекжа *Современные довдш и аппаретЕ ^

производств" (Чимкент, 1988 г.), на III Всесоюзной научной конференции "Методы кибернетики хю-госо-техкологических процессов" (Москва, 19СЭ), на III Всесоюзной научной конференции "Динамика, процессов и аппаратов химической технологии" (Боронея, 1990 г.).

Пуо.п-,гкягак.

По тема диссертации опубликовано 8 печатных забот, в той числе авторское свидетельство на изобретзние.

Структура и объЕн гдоотн. .

Днссэргацая состоит из введения, четырех .глав, вьшоддв, списка литературы к приложений. Работа изложена на 148 страшцах основного текста, содержит 34 рисунка, 22 таблицы. Список литературы содзрзит 107 наименований. .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вп введении обоснована • актуальность теш диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследовашя.

д пярдпй гляпй дан анализ формирования сточных вод фосфорных производств и особенности их характеристики. На очистку для последующего повторного использования поступают стоки из печного цеха, из хранилищ фосфора цеха термической фосфорной кислоты, со склада фосфора, от промывки коммуникация и азлезнодо розовых цистерн из-под фосфора. В главе приведены диаграммы изманещя состава и содержания сточных вод в течение месяца. Анализ этих диаграмм показывает, что содержание взвешенных веществ в сточной врде печ-. -кого цеха изменяется от 500 до 20С0 мг/л, достигая иногда до 6000 иг/л, сточные вода цеха термическое фосфорной кислоты содержат 1000...2500 мг/л до 6000 мг/л взвешенных веществ, .в сточной воде со склада желтого фосфора содержится 500... 1500 мг/л, иногда достигая 3000...5000 мг/л взвешенных веществ. Из этого следует, что стоки фосфорных производств характеризуется высоким содераанием взведенных примесей твердой фазы.

Присутствующие в очищенной воде растворённые примеси, специфические для данного производства, не оказывает существенного отрицательного влияния на технологические процессы и качество получаемых продуктов производства. Но взвеси твЗвдой фазы вызывают инкрустации и забивание технологических трубопроводов и аппаратов, оседав® в буферных емкостях оборотного водоснабжения, вызывая необходимость периодической их остановки да удаления осадка.

Исходя из вышеизложенного, моено сделать вывод, что при очистке сточных вод фосфорных производств с целью их повторного, использования, целесообразно ограничиться удалением из них взвесзн-ных частиц.,

Проблему интенсификации очистки сточша вод от взвешнных час-

Чип решают, з основном, лв^х ьакревлзкиях: лервоз - подбор ргз-г=тов (злектре-т.'тсв. оргзкгчвсккх к синтетических флокулянтог;; второе - создание оптимальной гадродикзмкчесюЯ обстановки в ац-пср&зе, в котором протекает процесс агрегаши частиц. Учитывая возрастаю®» затраты на реагенты и ухе достигнутой стевните^но высокий уровень разработок полимерных флокулянтов, резервы з х;-текскфикациа грзцзеса хлопьеобразоваиия, а, следовательно, и очистки сточных вод от взвешенных частиц можно видеть в рзшении воп-. росса аппаратурного оформления процессов згрегащс: "¡аслщ,.

Необходимо организовать реям потока, обеспечивающий на пэр-вой стадии быстрое и однородное смешение раствора флокулянта с обрабатываемой водой, адсорбцию макромолекул полимэра на частицах взвесей и образование микрохлопьев, а затем; на последующей стадии, обеспечить максимальную частоту соударений микрохлопьев «езду собой, Но чтобы при этом, хлопья вновь не разрушались за сч5т высокой энергии столкновения, в формировались бы крупные, близкие по размерам и прочные агрегаты частиц, лзпоудалявннэ кз волн на стадии мз*аничес«ого разделения.

С позйций системного анализа процессов агрегации частиц (коагуляции, флокуляции), происходящие з камерах хлопьеобразовагсы, вси совокупность . протэканцнх в них явлений моано условно раз,?*-.гсть на два уровня: никро- и макроуровень. Скорость агрэгац&. обеспечивается, б основном, частотой столкновения частиц.

Процессы пэрзноса- обеспечиваемые соответствующей гидродинамической обстановкой в аппарате, т.е. явления макроуровня, гсн\'> рые приводят к сщкновенив частиц, протекает медленнее, чем процессы дестабялизйцяи я поэтому являются определяющими (ликиткрул • щими) с.лорссчь общего процесса хлопьеобраговагса».

В связи с этим интенсифицировать процесс хлопьеобразования, а, следовательно, и очистку сточных вод от взвешенных частиц юаю, решая вопросы -аппаратурного оформления этого процесса.

Техгялогачесхая -'леи-л очистки сточных вод (рис. 1), де.-г^., едя ка фосфорных заводам, вклжчазт следующие операции:

1. Поступление фосфорсодержащих сточных вод от кастого цеха по отдельным трубопроводам в коллектор ловушки фосфора.

2. Процесс первичного осветления в отстойниках-сгустителях непрерывного действия одноярусного типа.

3. Нейтрализации осветленной воды с одновременным получением взвеси фосфатов и фторида кальция.

4. Вторичное осветление нейтрализованной вода, обработанной флокулянтом. ■ •

Вторично осветленная вода направляется в накопители для повторного использования.

Как видно из схемы, флокулянт дозируется непосредстввдею в трубопровод, соединяющий нейтрализатор с отстойником второй - ступени (точка т.1). Отсутствует вапшй элемент для интенсивно^ формирования крупных агрегатов частиц, легкоосаадввдихся в отстойниках - смеситель флокулянта с очищаемой водой в каюра хлопьеобразования, ^ем обусловлено неудовлетворительное качество очистки сточных вод ст взвесей твердой фазы.

сточная вода

Раствор СаОН

накопитель

Рис.1 Узел нейтрализации сточных вод. 1 - отстойник 1-ой ступени;

2 - нейтрализатор; 3 - отстойник 11-ой ступени

Ввиду этого возникает задача модернизировать технологическую схему очистки сточных вод фосфорных производств, введением в не9 между нейтрализатором и отстойником второй ступени смесителя и камеры, хлопьеобразования. Но щи этом необходимо разработать высокоинтенсивный аппарат, совмещающий в себе смеситель и камеру хлопьеобразования.

При описании кинетики процессов хлопьеобразования необходимо учитывать скорость формирования агрегатов частиц и скорость разрушения сформировавшихся хлопьев. Из анализа литературных данных наш выбраны следупцие соотношения: для скорости формирования хлопьэв (убывания численной концентрации пвршганых частиц)

•5 = - дя./дг , (1)

г,

Ф

*ф-п1

для скорости разрушения сформировавшихся хлопьев:

' Гр»Кр-П2-бВ'

гг.?: гл к гл - соотЕвтсгвеяда скорость форсирования к разрупеняд ллолзез; Кф'.ч К - ссоиззгагавино коэффициенты формирования и рая-руьгикг. хлспьев; - чпсдзннал ксшентрашш лерзгпси чгстиц; •>„-численная ^онаентрзш* гграгдаот из первичных честга: G - сргг^гЗ градиент скбтости полота; г» - по.-стгстель степени (у бэхьакнсгг? гвюгсз и = 2): - аррцч.

г» ятотоа . глпва проведан анализ смесителей и кзмер хлопьеобра-зованкя в систем'1 ^"""''"СТ":, ¡¿ис^рукиш! и ла-т-окм конс^г^ктиЕчнт тгаряметрсз. Ваяглвнс, что недостаткам» гядраздячсс-ких камер хлопьеобразсвакил являются: сильная зависимость структуры потоков от расхода обрабатываемой Еода, невозможность изменения интенсивности турбулизадаи при изменении Бнешних условий. Jhtz механически камер хлопьеобразования, характерно: формирование в аппаратах потоков с крупномасштабными вихрями, нз способстзущкх столкновёйиа ', мелкодисперсных частиц мезгду собой, разругайте уиз сформировавшихся крупных агрегатов частиц; неравномерное рзс.ггпяде-дгкае (струйность) потеха веда по поперечному очзжю аг-згат^: наличие зон о различной степень» имексавностк турбулиза!Г-ш г.с кз (непосредственна у ос;: метался нискйй градиент скорост:» у, хг ryi возникать зас.здйнде зоны, г, нгпосре.цстзе-'-но у кразз лслат---f''-'ень Bbico'.os о-еоо'зот^-.ее напряжение craira и утр оформи*:*:: «л. . оя хлепьл з гг"->.£ ягсго: вновь разрушаются;.

Все эти Нлзосуятгг. льиЕидя? к мгоокзиу спектру зпкня отдзj;otz.r <:>v",o •: ^стьссчу гс.зС;ъсу ~:о оао.лерду: . •..•;.- -шесся алолъзз, чго cjauji^ijT охриадтельно» влияние на чглество очистки (высокая сстг-гочная kokusktwkw:? -ж-рога-а тв^р?"" • :гг.? " ос^б-глвг.:»*-" '■-

i'oo'.-e э' д. . - _4 ___ср^зльыся .«чг-.-..-ui i-py-

буется значительное spe/i ;гребкэан:;я отезгюя кда в stjo: одларз-тах я при большнх объекте. озс"од?.™ очевидна необходимее."" —r^-?:-

ЧЗ.ЧИЯ размеров КШяЗР

«зр о. .¿¡^¿с&жяъ разработки десогсяя-

>:._ о:.-; : yzt:"/. Z'-.kzz ■ ■ .г -

частиц, то: и одетроднуа мзлкомаегтабнуа турбулентность по всему объёму, гатейсигсаярущ&го процесс агрзганаа взвззз:-:-«." частиц. Это даёт возкйкность у>»эньтеть необходммоз обпее время пребывания очищаемой годи, зеледотпп чего уменьшается размер апка-

рата и его мсшю установить непосредственно над отстойником второй ступени.

Исходя из этого, при разработке аппарата сошещЗнного действия необходимо обеспечить в Н5м ограниченное продольное перемеак-Еание для уменьшения спектра времени пребывания отдельных частиц; однородное поле градиента скорости 5 в объЗме.реакгфра.

Зтим требованиям отвечал аппараты с щшшдричеокими перзые-шивашими устройствами, у которых в-кольцевой зазоре мегду двумя коаксиально установленным!! цилиндрами, при неподвижном внешней, незначительное вращение внутреннего цилиндра вызывает пояздвние вторичного потока в виде двух проигаэподюгноналра^леннкх воля. При дальнейшем увеличении числа оборотов этот ламинарный потек скачкообразно переходит в нестабильную, так называемую, лашнврно-ячеечную форму. При этом обе волны разбиваются на множество мелких кольцевых волн.

В качестве параметров воздействия на структуру потока *в данном аппарате рассматривается: г, - угловая скорость вращения внутреннего цилиндра; йт = (г^^) - средний диаметр аппарата о цилиндрической мешалкой; ^¿"(г^-г^) - гидравлический радиус аппарата; V - кинематическая вязкость гидкости; я -- средняя скорость потека в осевом направлении. Здесь: га и г1 - радиусы соответственно внешнего и внутреннего цилиндров. Эти пять параметров связаны функциональной зависимостью: Нуг., (3 , с1„, v, «)=0. Они включают две

,1 и п

основные величины - .длину и время. Поэтому по Пи-теореме получается функция: £(П1, П2, П3)=0. После проведения анализа размерностей получены следующие критерии:

-(г-г.) 2-»-(г-г.) ^-г2!

2-у (3) г' (4) -1» (5)

Переход ламинарного в ламинарно-ячеечный поток характеризуется критическим числом Та*:

. (г - г,)3 2 / <1+г,/г )3-Та* Та =2 -г? • * „ * • (Та = /-----*-

Га + Г1 " у (6) 8-(г,/г )2-(1-г./г ) (7)

X «» 1 а

Для граничного .случая, когда Б — 0, критическое значение Та* ~ 1700. С увеличением Б, Та* постоянно растет.

При отсутствии осевого потока и постепенном увеличении числа оборотов вращения внутреннего цилиндра .наблэдзатся следунцяэ формы потока: ламинарный; ламинарно-ячеечный без вторичных вихрей;

ламикарда-ячеечннй со вторичными вихрями; турбулентно-ячеечный без вторичных вихрей; турбулентно-ячеечный со вторичными вихрями; турбулентный поток.

Для ламинарно-ячеечного потока до достигения полностьстью турбулентного потока мощность перемешивания Р зависит от следующих параметров, т.е. является функцией:

Р = (г.-г,), (г^+г,), р, V, 1Л, (8)

где: р - плотность гидзости; и - длина- аппарата.

Вели Р разделить на Ь, то последняя выпадает как параметр влияния и чийло Ньютона определяется как:

Ие* = -=-Л—--- (9) Ыа*= К Та, Б) (10)

Х-Ь-р-»^ -(Г^^) -(Г^-^)

1еп<аг разделил результаты своих исследований на 4 области. Нас интересует четвертая область (область турбулентного потока):

л 2-Та ?

10 <--г; ю , (11)

1+г /г,

а 1

для которой характерно число Ньютона:

0.3 0.3 0.25

0.0593 г, (г +г.) • (г -г.)

Ма=____1 * *_1 '__{ 10)

Та0'3 г1'75

а

Для оценки производительности перемешивающего устройства долями быть. известны энергозатраты, определяемые как. произведение мощности Р на время перемешивания гу: Б = Р-+,/

Безразмерная величина, характеризующая энергозатраты, определяемся числом Кэмпа Са:

Са " * тРГ хрГ К '

где: п - дкиаккчестя "зкость зидкестк; - объём кольцевого зазора мекду цилиндрами, заполненный жидкостью.

Средний градиент скорости й определяется выражением:

- - / Р

0 * тГ7 ' * тогда Са= (14)

Используя последнее выражение, с учйтом .уравнения мощности (12) и выражения для числа Тейлора (3), получено число энергозатрат Саг в жидкости, находящейся л аппарате при отсутствии осеЕо-го потока и вращении внутреннего цилиндра - для области 4:

1.6 0.123

0.6868-у-г, -г Са =--

Г •(уг1),Л5-(г1-г1)1-675

1.35

•Та ^

При наличии осевого потока и отсутствии вращения цилиндров энергозатраты Саос в жидкости, находящейся в кольцевом зазоре меж-

ду ними, шгуг определяться случая:

через падение напора ДР и для этого

Са

•Ф /(2-г„-йн-у)

(16) ■

где: ф - коэффициент, учитывающий сопротивление, ламинарного течения в кольцевом зазоре между цилиндрами.

. Таким образом, в проточном аппарате при вращении внутреннего': цилиндрического ротора общее значение энергозатрат складываемся

(17)

из Са„ и Са„„:

I* ос

Са = Са + Са„„

г ОС

Нами разработана конструкция высокоинтенсивного аппарата сов-мещЗнного действия дяя очистки сточных вод от взвешенных частиц (А-с. СССР * 1576188). Этот аппарат совмещает в себе смеситель и камеру хлопъеобразования (рис.2). 7

Рис.2. Высокоинтенсивный аппарат совмещённого действия для очистки сточных вод от взвешенных частиц.

1 - цилиндрический корпус, 2 -патрубок ввода, 3 - патрубок вывода, 4 - внешний ротору 5 -внутренний ротор, 6 - вал, 7 -привод, 8 - подшипники, 9 - пе-передаточные колеса.

Ширина кольцевого зазора между стенкой корпуса 1 и внешним ротором 4 определяется безразмерным параметром:

(18)

3 =

где: гк- внутренний .радиус корпуса, гн- наружный радиус внешнего ротора. Наружный радиус внутреннего ротора 5 определяется соотношением:

(0,62...0,72) тв , (19)

где: г„ - внутренний радиус внешнего ротора. Постоянный уровень в в

аппарате поддерзиЕается за счет перелива через патрубок 3.

Этот аппарат работает следующим образом. Поток обрабатываемой воды с предварительным дозированием 0.05&-ного рас-ара лодиакрил-амида через патрубок 2 сквозь отверстия перфорации в верхнем основании ротора 5 поступает во внутреннюю полость этого цилиндра, затем сквозь отверстия перфорации в низнэм основании через нигяий край боковой поверхности передавливается в кольцевой зазор кеяду роторами 5 и 4, вращаодимися в противоположные стороны, где в интенсивном однородном турбулентном потоке по мере подъЗма по высоте аппарата происходит однородное смешение флокулянта с обрабатываемой водой, адсорбция макромолекул полимера на частицах взвеси и формирование микрохлопьев загрязнений. ПЬсле чего эта суспензия через верхний край боковой поверхности цилиндрического ротора 4 перетекает в кольцевой зазор мевду стенкой корпуса 1 к ротором <*, где в однородном турбулентном потоке меньшей интенсивности происходит дальнейший рост агрегатов частиц. Обработанная флокулянтом сточная вода через патрубок 3 отводится в отстойник для отделения сформировавшихся агрегатов частиц твердых примесей от воды.

Принципиальная новизна и эффективность разработанного аппарата заключаются в том, что, во-первых, в н5м совмещён высокоинтен-сибный смеситель (меаду вращающимися з противоположные стороны цилиндрическими роторами 4 и 5), с каыерой хлопьеобразоЕания (з кольцевом зазоре между, вращающимся . цилиндрическим ротором 4 и стенкой неподшяного корпуса 1), во-вторых, коэффициент формирования агрегатов частиц на 4...5 порядка выше коэффициента их разрушения. Благодаря этому на выходе аппарата формируются крупные хлопья однородного размера, легко и быстро удаляемые из юды на стадии последующего механического разделения в отстойниках.

Модель процесса хлопьеобразовалия в реакторе с конечным про. дольным перемешиванием состоит из материального баланса измеренной общей концентрации лерничных частиц С1 и соответствующих граничных условий, с учетом скоростей формирования и разрушения агрегатов частиц:

2

+ _ к с д + к-с,-с" = 0 (20)

йх йх ф 1 ^ 2

при следующих граничных условиях:

и-С.____ = »'О.1 - п - —1

-1|х=-0 а |х=+0 " л

АС,

и

=0 , (21)

х=Ь

х=+о йх

гдз: Б - коэффициент продольной диффузии; х - координата по дайне аппарата; С2 - массовая концентрация агрегатов, состоящих из первичных частиц.

Если концентрации С^ и С2 рассматривать в качество массы твёрдой фазы на единицу объёма, то поступающая в реактор масса твёрдой фазы:

.. С1,0=С1^2 • (22) При нормировании последних величин приходим к виду:

С = С/С1,0 С2 =С2/С1,0 <23)

Введём безразмерную длину: 1 = х/1; число Пекле: Ро = у-Ъ/Ъ к число Кэмпа: Са = <Му

Решение уравнения . (20) с граничными условиями (21) даёт выра-ьеккэ для определения относительной концентрации первичных частиц на выходе аппарата ко входной её концентрации:

(к, - к2)-Кф-Ре-еРв Кр-С

С| --_---, (24)

2-1 <*ф+КРВ ) Кф^-Й

где: к. , = — * + Кд-Ре-Са + К -в -Ре-Са (25)

1.2 о V .9 » р

Из последних уравнений видно, что относительная концентрация первичных частиц на выходе аппарата в точко Ъ= 1 ко входной является функцией четырёх параметров С|2т1=Г(Кф, Кр-б, Ре и Са).

Для расчёта уравнений математической модели (24, 25) "разработаны алгоритм и программа.

я третьей гляря приводятся результаты экспериментальных исследований и оценка точности математической модели. Для проведения экспериментальных исследований, разработанная конструкция аппарата совмещённого действия с цилиндрическими пэрамешивашими устройствами изготовлена, смонтирована и установлена на 1-ой технологической нитке цеха переработки фосфорного шлама Иымкентского АО "Фосфор" мевду нейтрализатором и отстойником второй ступени.

На этой полупромышленной установке были сняты С-кривке при

различна* обь5ыш£С расходах годы. Дяя_ сбрабохки_этих_кривых,рвзра-'ботьчз программа, по- к-.-'^г^ з^аслзкн зречч пребывания и веж-и-щ р^ аспсльзу^ки5) ■сечйтч "ятеу^тл-ег^о." юдзяя процесс:, х отпьеобрчзовяни? ч (?гсг®рате сог^е^ннзгс дзйст^тя.

Ди оценки эдзкзэткости разработанной математической '/о,;:^.:^ были прсввдеш дополнительныэ экспериментальные исследования с рн-альноЯ ст-ечнсй водой. При этом, часть сточной год после нвйттаи,-затопа с. обгвшаи расхо/^н О » 3,8 м3.'час самотёк»! лоступас" ; аппарат. Сюда же подаэтсй 0,05 Л-ккй раствор полиакрилакида с объ-рас^одсы С.ОСС м5/час из расчйга 10 „итов ия ■> м- "чг^^-лизованнсй вода. Сбъёьйшй расход нейтрализованной вода определяется стеклянным ротаметром РМ-2,5 273 с утяжелённым поплавком. а объемный расход 0.05 2-го рзствсра полиакраж.мзда - стеклянным ротаметром РМ-0,25 КУЗ с облегченным поплавком. Для измерения • совой концентрации взвешенных частщ твЗвдой. фазы 5 исходной сточкой и осветлённой воде отобранные пробы заливаются в кевзту, которая устанавливается в промышленный мутноыар .»-101. Показания прибора сведенч в таблицу:

Концентрация взгеаа^ньгх 'частгц з обработанной $кюку;зг-

Ввемя Концентрация Езззвеы-йк част:^ в аХ/Д С * 1«1\ Г |

отстаивания в 'исходно* вс.д5 после нэйзг&гирсто -я 4бсо ;

(мхн) об габот^гкс:". в аппоглгу! бог обрабс ч з " " !

10 юо ! I 2550 \

15 75 | 2520

20 _ ее '

30 би | 2500

. Из таблицы видно, что концентрация взвесей твёрдой фазы з .годэ лсс.~; нейтрализатора составлявсолбз 4500 кг/л, а оста гг-та.-: кэнцэитзаши зззегйнкиг -}&сткц з отстоевной з течение 30 и •

де, обработанной з аппарате совмей?нного дэйствпт, ссст":" ^ *"? 50 нг/л. 3 то ге врзкя, лгтзточнгя концентрация взвешенных «гл.*; ^ отстоенксй з хечг»« г® зэ X кикуг воде, не обработанное з аппарате, составила 2500 ыт/л. Таким образом, оттозение остгтсчтой концентрации .ззвеизнннх частиц в ссвэтлбннсй воде к их контора-

шаг в исходной нейтрализованной воде в первом случае составляет 0,011, а во втором - 0,55, т.е. использование нового аппарата почти в 55 раз увеличивает степень очистки сточных вод от взвешенных частил. Это говорит о высокой эффективности разработанного аппарата совмещенного действия для очистки сточных вод' от взвешенных частиц.

По разработанной программе вычислили отношение концентрации первичных частиц на выходе аппарата к начальной, общей концентрации взвешенных частиц на входе б него. Эта величина с|„=1=0,01 , т.е. практически совпадает со значением, полученным при экспериментальном исследовании на полупромышленной установке на реальных стоках АО "Фосфор". Это говорит о достоверности разработанной модели и еб адекватности процессу хлопьеобразоЕания в аппарате сов- -мэщЗнного действия. .

а чатрЗртгй главе проводится анализ результатов исследований и даккгся практические рекомендации по интенсификации процессов очистки сточных вод фосфорных производств от взвешенных частиц с использова£шеМ' аппарата соЕмещбкного действия с цилиндрическими перемешивакщкми устройствами.

Разработаны алгоритмы и программы расчёта С|„=1 при различных значениях параметров: Кр-С, Ре, tv и Са. По результатам расчЗтов построены графики, позволяющие исследовать зависимость относительней концентрации первичных частиц на выходе аппарата совмещенного

действия к концентрация 5звесей на входе в него С[„=1 ров модели и рвгимов работы аппарата.

от щрамет-

1.0

0.5

0. 1

о

1 - Ре=5.18

2 - Ре=5,59

3 - Ре=5,13

Рис.3. График зависимости относительной концентрация первичных чзстиц на Еыходе аппарата от Ееличины энергозатрат Са.

Анализ графика на ркс.З. показывает, что относительная инцзн-трацкя -первичных частиц сокращается с увеличением значения Са, достигая минимума при значении Са-1СЮОО. Дальнейшее "увеличение Са празодит лишь 'к незначительному сокращению величины ■ и к не-

рзиконадьнсму рзоходу энергии. Число энергозатрат Оа является функцией двух параметров; среднего градиента_скорости 5 и среднего времени пргбывакия Т,г. " сзо» очередь, среднее время пребыве-®а I зависит от объёмного расхода по ступающей воды л объёма аппарата, т.е. нэуттргзляемих параметров. Поэтому нами исследована

лишь зависимость С

C|z-it ио[

0. 03

z=1

градиента скорости G (pic.4).

• Рис.4. График зависимости относительной концентрации первичных частиц на выхода аппарата от г«ли<заш среднего градиента скорости G.

1 - tv=15.3 тт., Ре=5,13

2 - t =13.6 мин., Ре=5,59

3 - tv-ll.l мин., Ре=8,18

4 - tv»5 мин., Ре=10 tv=2 мин., Рв=15

0.005

0.001 _|_(__|_[

10 50 100 150 200 250 G

Из графика видно, что при увеличении величины G до значения G=40 с*"1 происходит уменьшение относительной концентрации первичных частиц, а затем при G>140 с-1 вновь увеличивается. Таким образом, оптимальный диапазон значения среднего градиента скорости

находится в пределах 40.-.140 с"

ci

|2=»1

0. Э

0.2

! 3

О. И • о1-

10'

13

20

Рис.5. График зависимости относительной конц-. tcpsüew первичных частиц на выходе аппарата от величины Ра.

1 - Ca=5-lü3

2 - Ca=7.5-;ü3

3 - Са=1-1£Г

Pe

о

С увеличением величины Ре относительная остаточная концентрация-первичных частиц на гыходе аппарата сокращается незначительно, достигая предельного значения <3^=0,1 при Ре>20 (рис.5.).

• Для расчёта конструктивных и эксплуатационных параметров аппарата, совмещённого действия при их проектировании разработаны алгоритм и соответствующая программа. Исходными данным^ для расчёта является: объёмный расход очищаемой вода; гзлаекая степень очистка; высотз аппарата, а результатами расчёта: радиусы корпуса аппарата и цилиндрических роторов; число оборотов вращения внеинего ротора.

• ОСВОЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основа теоретических и экспериментальных исследований разработана научно-обоснованная конструкция высокоинтенсивного аппарата совмещённого действия для очистки сточных вод от. взвешенных частиц, защищенная авторским свидетельством СССР а 1575188.

2. Разработана математическая модель процесса хлольеобразова-ния, учитывающая гидродинамическую обстановку в аппарат® совнэщЗн-ного действия и кинетические закономерности формирования и разрушения агрегатов частиц. . .

3. Изготовлена и смонтирована полупромышленная установка (высотой 1,8 м, диаметром 0,79 м) на 1-ой технологической нитке цеха переработки фосфорного шлама АО "Фосфор"

4. Проведены экспериментальные исследования гидродинамической обстановки в аппарате на полупромышленной установке. Получены данные о структура потока в этом аппарате, результаты которых свидетельствует о том, что она шкет быть описана диффузионной моделью.

5. Разработаны алгоритм и программа расчета конструктивных и эксплуатационных параметров аппарата совмещённого действия для очистки сточных вод от взвешенных частиц, которые могут быть использованы при их проектировании. Предлонены рекомендации по интенсификации процессов очистки сточных вод фосфорных производств от взвешенных частиц .

6. Экспериментальные исследования в промышленных условиях на реальных стоках показали, что использование разработанного аппарата совмещённого действия позволяет увеличить степень осаадения взвесей твёрдой фазы в отстойнике второй ступени. Так, остаточная концентрация взвешенных частиц в отстоенной в течение 30 минут ео-вода, обработанной в аппарате, составляет 1...2 2 от первоначаль-

ксЯ с-ё 1лг.иентгашг,1, тогда кзх эта зе.гачжа в воде, поступашеа в отстойник втсроЛ стул.3;!!, öss ебркотхи_ з KJBCH аппарате, соста-

• ОС'-'Я 51"' .

7. Результат:-: не:/,'но-;есследовзгел>скис ребог на Скг-

кентском АО "Фосфор", Вамбялскэи АО "КОД «ОС" к Ипмкентскем городском управлении экологии и биоресурсоз. Озидаемкй экономически.! эффект- составил 31 млн. руб. з год в ценах 1S93 года.

Услодш.;? обозначения: Гф - скорость формирования хлопьев; гр - скорость .разрушения хлопьев; Кф - коэффициент формирования хлопьев; Кр -"коэффициент разрушения хлопьев; п< - численная кон-^знтрзцге гарпгпзк частиц; г., - чиодзнкая концентрация агрегатов, состоящих из первичных частиц; G - средний градиент скорости потока; m - показатель степени; t'- время; - угловая скорость вращения внутреннего цилиндра; dQ - средний диаметр аппарата с цилиндрической мешалкой; dH - гидравлический радиус аппарата; v -ю&еиатическая вязкость тадкосга; v - средняя скорость поюуя в осевом направлении; га - радиус внепиего цилиндра; г± - раттус внутреннего цилиндра; Та - число Тейлора; Re - число Рейнас-тза; S - безразмерна пзрзтлзтр, спродзляхда отношение радкусо? линдров; р - плотность жидкости; L - длина аппарата, Р - moj^octs перемешивания; 'tis - число Ньютона; Е - энергозатраты; t -перемешивания; f üa - безразмерное число Кэмла; т) - динамичес?^ * вязкость гидкости; V - объЗм кольцевого зазора между цилиндр?:л-ДР - падение напора; ф - коэффициент, учитывающий сопротчвлг1""

ламинарного течения в кольцевой зазотв между цилиндра v.; <;• - ?-г"

к

тренний радиус корпуса; гн- наруэшй т*»таус внешнего pov-r»: г^ нар-гнный радиус внутреннего рсгота; г, - внуттанниЯ негб ротора; С1 - общая концентрация первичных частиц; D -фкпиект продольной диффузии; у - координата ло дли1? -jm^^T:5г С2 - массовая концэнттаг^л агрегатов, состояпг-гх из перс-'^с-тиц; Z - безразмерная дайка; Ре - число Пекле; Cj2„, - ог-осл-тельная концентрация первичных частиц на выходе аппарйгз " кх концентрации на входа; Q - обйыннй расход; tw - сред-;:--: г,ре;-я

irpeoHraiviii.

ОСНОВНОЕ СГИ1ЕРНАЯ>!В ?МССР?Т.ШЯИ УЗЛСЕ^НО В РАБОТА?"

A.c. • oc:;- i.-" -01 ? 7/га. Устройстве ¿..-г . ■

мешивания ст-зчкых вед/ кафароз 3.3., ГЪрдеез Л.С., Ееек^ .".К.,

Апсеиетов А.Т., Еулънлков В.В. (СССР).

2. Апсеметов А.Т., Гордеев Л.С., Есенов Е.К. Математическое ,, моделирование лроцессов очистки сточных вод в аппарате с цшкндри- >

» ческой мешалкой// III Всесогон. научн. конф."Методы кибернетики химшо-техшдогических процессов": Тез. . 46.

3. Есенов Б. К., Апсеметов А.Т.0 разработке камеры хзгапьеобра-зования с цельо интенсификации очистки сточных вод от взвешенных примесей// Труда Международной научно-тепшчзсной и учзбко-методи-ческой конференции "Актуальные проблемы науки, технологии, производства и образования" -Шымкент, 1993. -Toa 2. -С. 230-231.

4. Есеноз Е.К., Гордеев Л. С. , Апсеметов А. Т. Математическое описание динамики продассафлокуляцик.в.аппарате.:,с . коаксца^ьнрг.га цилиндрическими роторами// III Всесохвн. научн.' конф. "Динамика процессов и аппаратов химической технологии": Тез. докл. т Вороша, 1990. -С. 44-45.

5. Гордеев Л.С.," Есенов Е.К., Апсеметов А.Т., Федорова Г.О. Повышение эффективности очистки сточных вод предприятий. фосфорной промышленности// Всесоюзн. конф. "Современные лишшы и аппараты

' химических производств": Тез. докл. - Шышсвнт, 1988. Часть III. -С. 402-403.

6. Апсеметов А.Т., Есенов Е.К. Интенсификация очистки сточных вод от взвешенных примесей. Мымкент, 1933. -14 с. - Деп. в Казгос-ИНГИ JM445-Ka.

7. Есенов Е.К., Апсеметов А.Т. Математическое моделирование и интенсификация, процессов очистки сточных вод фосфорных производств// "Наука и образование Южного Казахстана: Республиканский научный журнал. Серия "Химическая технология, процессы и аппараты, катализ".-1995.-J82.-C. 58-61.

8. Есенов Е.К., Апсеметов А. Т. Разработка высокоинтенсивного аппарата совмещенного действия для очистки сточных вод от взвеиен-ных частиц// Наука и образование Южного Казахстана: Республиканский научный журнал. Серия "Химическая технология, процессы и аппараты, катализ" .-1995.-JS2.-C.71 -73.

К О Р ы т ы н л я.

АПСЕМЕТСВ АБЛУЛХАК Т0РЕТАЛУЛЫ

Ластанган сулзрды киыриыкч белшектерден таэартзтык хогаргы интэнсиви б1р1ккек апнаратты к*РУ-

05. 17. 08 - Химиялык технологиянын, процеетер! жеке аппарат-тары цамандыгы бойынша техника гнлнмнннн кандидаты гидыш: дережеС1Н алуга зрналган диссертация

! I

Бтл Диссертация ластацгак суларды кдаырпьщ белшактепден йнпгнтын когаргч нитенскг?! опирая <ируг« аонрлгзя.

Циликдрлх жылжымалы к^рылгыдан ттратьш б* л аппарат зрзластыру жэне глпек лайда болатын камералардая к*ргстырылгак.

Улпек пзйда болу процестер!н:ц мате.матикалык, модед1 келт1р1лг^н. Б*л модель Солса аппараттагы гидродинамикздыц яагдайды ескере отырнп, ондагы белшэктерд:н бел1яу1 мен пайда болу за!уЫлык2арын ескеред*.

Эксперимент: зертеу хзсау гшя яартылзй е.чдарютхк аппарат - 1Стал1Я1П. очя-гн гк2?сз!;::.>мя;*ял«к •-зг^йЛлац з^'ртт--

льк сол &п?гра??зру ;„'»:122 5елЕ<?кг$рд:.ч агрб"?.;да*нк л•.>•'>•

Б1Р1ККЙЯ апазрзттк егептег упи: зокг-аы алгсрят!» ::ек про-рз.чмз «азыАгак

вид-.с-.с-п:* гл-?.?. "ак? "пар:

тм нзлдакгйнд? к:?^л^^грылд:: Зол^г-.те' :: кс

Оолады. • '

1993 жилгы Сагамен Караганда осы жгыысты вндар1ске енпзудев 31 млн1 сом зкономикадык эффект ктт1л1нуде.

RESUME

Apsemetov. Abdulhak Turetaevich

High intensification united action apparatus working out for -the wastewaters treatment iron suspended

. particles. • " >- ■ ■

Deference of thesis for a candidate degree speciality 05.17.08 - Processes and apparates of chemical technology.

The these of the paper is to work out the high Intensification united action apparatus for the wastewaters treatment from suspended particles. The apparatus with the cylindrical mixing devices consists of the mixer and of the flaking chamber. '" Flaking process mathematical model Is worked out, which takes into consideration the apparatus hydrodynamlc conditions and particle aggregates formation and destruction kinetic objectives.

A pilot set was made to conduct experimental researches studying hydrodynamlc condition in the apparatus in order compare a test model with the real process. A given diffusion model describes the suspended particle aggregation process in the apparatus adequately.

Algorithm and calculation program of the apparatus constructive and exploitation-parameters of the united action are given.

Production tests on wastewaters have shown a new apparatus usage increases suspension precipitation in the second grade chamber. Residue concentration of the suspended particles is 1...2 5S of the initial.

• Some recommendations for phosphorus plants wastewater treatment from suspended particles processes intensification.

Economic effect to be waited after the adaption of this work is 31 mln roubles {1993 prices).