Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Расчет флотационного разделения устойчивых жиросодержащих эмульсий

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Расчет флотационного разделения устойчивых жиросодержащих эмульсий"

На правах рукописи

Загоскина Нина Владимировна

РАСЧЕТ ФЛОТАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ЖИРОСОДЕРЖАЩИХ ЭМУЛЬСИЙ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1997

Работа выполнена в Казанском государственном технологическс университете.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Н.Х.Зиннатуллнн;

кандидат технических наук, старший научны сотрудник О.М.Соковшш. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ю.И. Азимов;

доктор технических наук, профессор, академик Инженерной академии РФ, лауреат Государственной премии СССР А.Ф. Махоткин.

Ведущая организация - АСГ'ТатНИИяефтемаш", г.Казань

Защита диссертации состоится ¿/./¿г*/ 1997 г.

в 14°° на заседании диссертационного совета К.63.37.06 Казанского государственного технологического университета по адресу. 420015, г.Казань, ул.К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанског государственного технологического университета.

Автореферат разослан " У 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К, 063.37,06, ^

кандидат технических наук З.Ш. Килеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование физико-химических методов разделения жидких неоднородных систем находит все более широкое применение при очистке сточных вод. Это объясняется относительной простотой их аппаратурного оформления и низкими удельными затратами, что позволяет обрабатывать значительные объемы сточных вод.

Для извлечения из сточных вод эмульгированных частиц жиров, масел, нефтепродуктов весьма перспективным является применение электрофлотации. ТТри расчете флотационного разделения подобных систем должна учитываться переменная вязкость дисперсионной среды, существенно влияющая на кинетику флотационного процесса.

Однако, в настоящее время имеется сравнительно мало исследований по вопросам флотационного разделения реологически сложных систем. Недостаточно изучены вязкостные свойства флотационных сред, практически отсутствуют теоретические исследования групповой скорости всплывания пузырьков в неньютоновских жидкостях при малых числах Рейнольдса ( так называемый "стоксовский режим" ), хотя именно этот гидродинамический режим характерен при использовании электрофлотационного метода очистки, когда размеры генерируемых пузырьков лежат в интервале от нескольких десятков до сотни микрометров.

В связи с этим актуальным является изучение гидродинамики флотационного разделения реологически сложных сред: определение их вязкостных характеристик, расчет групповой скорости всплывания пузырьков в этих средах, определение дисперсного состава генерируемых в процессе электрофлотации пузырьков и извлекаемых ими частиц загрязнений, разработка метода расчета электрофлотационного аппарата.

Целью работы является разработка методов расчета флотационного разделения реологически сложных гетерогенных жидких сред.

Научная новизна теоретико-экспериментальных результатов состоит в следующем.

В работе выявлены закономерности движения ансамбля пузырьков в неньютоновской жидкости для стоксовского режима в зависимости от газосодержания и реологических свойств среды.

Экспериментально определены реологические свойства ряда флотационных сред. Изучена зависимость дисперсного состава генерируемых в процессе электрофлотации пузырьков от плотности тока. Получены эмпирические формулы, связывающие средний размер пузырьков с плотностью тока для различных типов электродов.

Практическая ценность. Полученные выражения скорости всплывания пузырьков в реологически сложных средах могут быть

использованы при расчетах гидродинамики флотационного разделения таких сред. Результаты экспериментального исследования электрофлотационного разделения жиросодержащей эмульсии ( выбор материала электродов и их оптимального расположения, плотности тока, удельного расхода энергии и др. ) могут применяться при проектировании электрофлотационных аппаратов, предназначенных для разделения подобных систем. Разработана методика расчета и конструкция электрофлотационного аппарата для очистки жиросодержащих сточных вод. Флотационный аппарат использован в системе очистки сточных вод АО "Кировский маргариновый завод".

Автор защищает:

- результаты теоретического и экспериментального исследования скорости всплывания пузырьков в неньютонвской жидкости при малых числах Рейнольдса ;

результаты экспериментального исследования реологически:: свойств флотационных сред ;

полученные зависимости среднего размера генерируемых м;". электрофлотации пузырьков от плотности тока для различных типоь электродов ;

результаты экспериментального исследование

электрофлотационного разделения жиросодержащей эмульсии. - методику инженерного расчета электрофлотационного аппарата очистки жиросодержащих сточных вод.

Апробация работы. Основные положения диссертацш

изложены на республиканской научно-технической конференцш "Почва , отходы производства и потребления: проблемы охраны I контроля" ( Пенза, 1996 г.) и международной научно-практическо! конференции "Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемь очистки и использования" (Пенза, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научны) работ.

Объем н структура работы. Диссертация изложена на 116 стр и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений Библиография содержит 110 наименований.

Основное содержание работы

В первой главе дан обзор методов расчета флотационноп разделения. Рассмотрены области его применения и основные типь используемых флотационных аппаратов. Приведены основньк методы расчета флотаторов. В результате проведенного критическоп анализа сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы кинетики флотационноп разделения неньютоновских сред.

Проведены вискозиметрические исследования жиросодержаще! эмульсии маргаринового завода при различной температуре I дрожжевой суспензии биохимического завода с различно;

концентрацией дрожжей. Установлено, что исследованные жидкие среды обладают переменной вязкостью: для жиросодержащей эмульсии значение эффективной вязкости убывает, а для дрожжевой суспензии - возрастает с ростом скорости сдвига. Математическая обработка экспериментальных данных показала, что реологические свойства исследованных сред хорошо описываются степенным законом цЭФ = КЕ""1 . При этом индекс течения п для жиросодержащей эмульсии был меньше 1 (псевдопластичная среда), а для дрожжевой суспензии - больше 1 (дилатантная среда).

Необходимая для расчета процесса флотации групповая скорость всплывания пузырьков в неньютоновской ' жидкой среде рассчитывалась для стоксовского режима с использованием ячеечной модели, при которой движение пузырька рассматривается в центре сферы радиуса II - И.,, ' <р"1/3. В качестве исходных были приняты выражения компонентов поля скоростей неньютоновской жидкости, обтекающей пузырек в стоксовском режиме

зи.

3 + 2ф3

*п Я2 |

~ + —5-ф3

я3 кп2

( 51 5

3+2ф3 -Зф3-2

V /

сое 0,

О)

к

V» =•

зи.

3 + 2<р

2Я-

9

ЙП

Я

5 Л

3 + 2ф-

+ Зф3 +2

это,

(2)

где

и5 =

2рж-9'Кп 9ц

(з;

Групповая скорость всплывания пузырьков определялась че радиальную составляющую скорости движения окружающей пузы]

внешней сферы радиуса Я ф 3 при 6-0

и=-У ,

ЗЦз 2

^ 5 2-Зф3 +3<р3 -2ф2

5

3 +2ф3

(4

Полученное выражение значения интенсивности скорос деформации жидкости Е содержало зависимости от координаты И в, поэтому значение эффективной вязкости жидкой сре определялись при Я = Кп (на поверхности пузырька в зоне конта! фаз) и затем величина Цэф осреднялась по угловой координате:

Изф =

4^л2 Г»**

ds

(5)

откуда после преобразований имеем :

Дэф =

К

1 "

Рж9Кп

5

$ 3 +2ф3

п—1 п

(6)

/

Здесь

п-1

2соэ2 8

9 - -— -5ф3+ 5ф 3

5 10

З6 + 12ф3 +ф 3

sinOd0 (7)

Значен™ величины последнего интеграла определялись численным методом. Подставляя значение щ в формулу (4) получаем выражение групповой скорости всплывания пузырьков ?. неньютоновской жидкости

и =

2ржЭ

5 А

3 + 2ф;

к и

п+1

2-Зф3 +3ф3 -2ф2

(8)

Полученное решение позволило рассчитать скорости всплывания пузырьков в неньютоновской жидкости. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными (в том числе и других исследователей) показали их удовлетворительное совпадение.

В третьей главе проведено исследование дисперсного состава частиц, извлекаемых при флотационном разделении. Методом микроскопии были исследованы частицы жиров, эмульгированные в сточных водах цеха рафинации маргаринового завода, и частицы нефтепродуктов, содержащиеся в сточных водах различных производств, и определены их форма и средние размеры.

Сделан выбор способа генерирования пузырьков для флотационного разделения жиросодержащей эмульсии.

ч

Предлагаемый способ должен отвечать следующим требованиям:

высока я дисперсность генерируемых пузырьков, т..к. эмульгируемые частицы также являются высокодисперсными, а эффективность их захвата пропорциональна отношению размеров частицы и пузырька;

возможность плавного регулирования размеров пузырьков в процессе флотации, поскольку дисперсность извлекаемых частиц может изменяться с течением времени;

максимальная степень монодисперсности генерируемых пузырьков, что увеличивает эффективность использования барботируемого газа, а также дает возможность более точного расчета флотационного процесса, снижая общие энергозатраты на его осуществление.

Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяет электрофлотационный способ генерирования пузырьков. Поскольку для расчета кинетики флотационного разделения необходимо знание дисперсного состава генерируемых пузырьков, а при работе флотационного аппарата удобно контролировать и регулировать величину плотности тока, были проведены экспериментальные исследования, установившие зависимость между этими параметрами. Исследована зависимость среднего размера генерируемых пузырьков от платности тока для алюминиевых электродов, а также для электродов из нержавеющей стали и стальной нержавеющей сетки.

С целью получения функциональных зависимостей, связывакшцгх дисперсность генерируемых пузырьков с плотностью тока, проведена

математическая обработка результатов экспериментов и получены следующие выражения.

Для пластинчатых алюминиевых электродов:

с!п=40 + 298Г0'65, (9)

Для сеточных стальных электродов:

С1П = 64 + 270Г°'84, (10)

Для пластинчатых стальных электродов:

с*п =75+ 276 Г0'90, (11)

Размерность входящих в формулы (9) - (11) величин с!п - мкм, \ - мА/см2.

В четвертой главе описана разработка электрофлотационного аппарата для разделения жиросодержащих эмульсий, являющихся основным компонентом сточных вод маргаринового производства.

В ходе экспериментального исследования флотационного разделения определено влияние расположения электродов на эффективность очистки. Установлено, что эффективность разделения при одинаковом количестве пропущенного электричества значительно выше с вертикальным расположением электродов. Это объясняется лучшими гидродинамическими условиями всплывания пузырьков. Исследовано влияние материала электродов на эффективность разделения. Установлено, что эффективность разделения достаточно высока как при использовании нерастворимых, так и растворимых электродов. Однако в последнем случае степень осветления исходной жидкости выше, что связано с эффектом выделения коагулянта -гидроокиси алюминия и более высокой дисперсностью генерируемых пузырьков.

В результате проведенных исследований был принят к разработ вариант промышленного электрофлотатора с вертикальным блок алюминиевых электродов.

В качестве исходных данных для расчета промышленн установки были приняты следующие параметры:

- расход очищаемой жидкости;

- начальные и конечные концентрации жира;

- количество пропущенного электричества и плотность тока.

В ходе расчета предварительно определялась площадь активн поверхности электродов, их количество, объем выделяющегося единицу времени газа и газосодержание эмульсии.

В результате рассчитаны необходимое время пребывания жидкое во флотационной камере и ее объем.

При расчете были учтены неньютоновские реологические свойст разделяемой эмульсии, дисперсный состав извлекаемых частиц жи] Размеры генерируемых пузырьков определялись по формуле (9).

Основные результаты и выводы

1. Экспериментально исследован дисперсный сост загрязняющих частиц, содержащихся в водных эмульеш Использование метода микроскопии позволило определить к размеры так и форму взвешенных частиц. Получены крив] плотности распределения взвешенных частиц по размерам.

2. В результате реологических исследований установлено, ч флотационные среды обладают переменной вязкостью: д

жиросодержащей эмульсии значение эффективной вязкости убывает (псевдопластичная среда), а для дрожжевой суспензии - возрастает (дилатантная среда) с ростом скорости сдвига.

3. На основе использования ячеечной модели решена задача и получены формулы для определения скорости всплывания пузырькоз в неньютоновской жидкости с учетом ее фактического газосодержания при малых числах Рейнольдса. Установлено, что с ростом газосодержания и индекса течения неньютоновской жидкости происходит уменьшение скорости движения пузырьков Сопоставление найденных теоретических зависимостей с экспериментальными данными (в том числе других исследователей) показали их удовлетворительное соответствие.

4. Обоснован наиболее приемлемый способ генерирования пузырьков для разделения устойчивых жиросодержащих эмульсий. Определена зависимость та размеров от плотности тока для ряда электродов (растворимых и нерастворимых). Установлено, что д-я всех типов электродов средняя дисперсность пузьрьков уменьшается с ростом плотности тока, наиболее высокодисперсные пузырь, образуются при использовании растворимых электродов. Получ? -I эмпирические формулы, связывающие функциональной зависимость." среднюю дисперсность генерируемых пузырьков с величиной плотности тока на электродах.

5. В результате экспериментального исследования электрофлотационного разделения жиросодержащей эмульсии установлены оптимальные параметры проведения процесса. Рекомендовано использование алюминиевых пластинчатых

электродов вертикального расположения. Плотность тока долу составлять от 60 до 120 А/м2 при непрерывном режиме флотации.

6. Разработана методика инженерного расч

электрофлотационной установки очистки жиросодержащих сточу вод, учитывающая неньютоновские свойства флотационной сре, дисперсность извлекаемых жировых частиц, параметры проведе! электродного процесса (плотность тока, напряжение на электрод? Аппарат внедрен в АО "Кировский маргариновый завод", пом* экологического эффекта его использование позволяет улавлив: дополнительное количество технического жира.

Обозначения основных величин

Е - интенсивность скоростей деформации, с"1; К - м< консистенции, Па сп; Яп - радиус пузырька, м ; I) - группо] скорость всплывания пузырьков, м/с ; 1Л - скорость всплывав одиночного пузырька в стоксовском режиме, м/с; К,6 - сферичеа координаты; Х/я, \/0 - радиальная и тангенциальная компонен скорости движения газового пузырька, м/с; с1 - диаметр, м; С ускорение свободного падения , м/ с2; I - плотность тока, А / П - индекс течения ; ц - коэффициент динамической вязкое Па с; р - плотность, кг/ м3; ф - газосодержание.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Соковнин О.М., Загоскина Н.В., Зиннатуллин Н.Х. Разработка метода расчета улавливания взвешенных частиц и их утилизации. // Республиканская научно-техническая конференция "Почва , отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля". докл. Пенза, 27-28 марта 1996 г. - с. 35.

2. Соковнин О.М., Загоскина Н,В. Дисперсный и морфологический анализ взвешенных промышленных отходов. // Гам же. - с. 69.

3. Соковнин О.М., Загоскина Н.В. Вискозиметрическиа исследования флотационных сред. / Вятский гос. техн. ун-т. - Киров, 1996. - 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.08.96, № 2739 - В96.

4. Соковнин О.М., Загоскина Н.В., Зиннатуллин Н.Х. Исследование движения пузырьков в неньютоновской жидкости при малых числах Рейнольдса. / Вятский гос. техн. ун-т. - Киров, 1996, -12 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.08.96, № 2740 - В96.

5. Загоскина Н.В., Загоскин Н.Н., Соковнин О М. Очистка жиросодержащих сточных вод. // Международная научно-практическая конференция "Хозяйственно-питьевая и сточные воды, проблемы очистки и использования". Тез. докл. Пенза, 27-28 ноября 1996 г.,- с. 44.

6. Соковнин О.М., Загоскина Н.В., Загоскин H.H. Разрабо электрофлотацнонного аппарата очистки жиросодержащих сточь вод. //Там же. - с. 102.

Заказ____Тираж 100 экз.

Офсетная лаборатория КГТУ 420015, Казань, ул. К.Маркса , 68.