Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка локальных систем очистки промстоков с использованием центробежного сгустителя

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка локальных систем очистки промстоков с использованием центробежного сгустителя"

РГБ ОД

- 2 ОПТ 1995

На правах рукописи

ШСЛОЗ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ПРОМСТОКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СГУСТИТЕЛЯ

II.00.11 - Охрана окружающей среди и рациональное использование природных ресурсов.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 1995

Работа выпол.чзиа на кафедра ¡Я1 КС (мазиноведения, технологии ыаетнос'троешя к стандартизации) КГГУ,.ка ПО "Полимерфото", 110 "Синтетический каучук", "ПОЗИС". •

НаучжЯ руководитель - заслуженный деятель науки и техники

FT, профессор, доктор технических наук

Александровский A.A.

Официальные оггоонзнты: - профессор, доктор технических наук

_Николаев H.A. - доктор технических наук, профессор Плетнев 1\С.

Ведущая организация: - институт "Союзпромпроек?"

Защита состоится " 'f/f" Ofc-ffl. 199 г. в s/6 часов на заседании диссертационного совета К 063.37.06 при Казанской Государственном Технологическом Унизерситете.

Отзывы в 1-м экземпляра, заверенные гербовой печатью, 'просим направлять по адресу: 420015 г.Казань, ул.К.Маркса, 68,

КГГУ, Ученый Совет

Автореферат разослан " I99^~r.

Ученый секретарь

диссертационного совета кандидат технических наук / ^ ЗЛ.КхлевЕа

ОЕДАЯ ХАРА1СГЕРЛСТИКА РАБОТЫ *

Актуальность ту.';.1. Удовлетворение растущих потребностей че-ювечествп сопроромдается образованием огромного количества про-«галонних стокоп. Проблема очистка сточных вод от вредных отходов фнобрела обцесоииальнмй характер.

Б нпс то/п;ее прсз,.т промчал с-нние стоки с раз но образки.: содержимом примесей поступают в одну канализационную сеть предприятия, •до обрабатываются на станции очистки. Б ряде производств часть :т-окоп, объединяясь с городскими сточнкми водами, попадает на.цен-рчльнп'о очистное сооружения. Переработка такого количества сточ-ь'х сод па станциях очистки в аппаратах больной единичной мойное-и ярляетея экономически но вкгодноП.

В последние годы на ряде предприятий происходит внедрение без-тходнмх технологий на базе вйсоксгл^ектавных локальных систем очитки. Создание локальж-ос систем очистки должно сводиться к регене-аиии проми1иенш.!х отходов или их утилизации. Использование локаль-ь'х систем очистки определяет необходимость создания компактных пларптоп для сгуцення и разделения образующихся стоков на состсп-ттцие фазь!.

В связи с :5тим большой интерес представляет использование для-, злея повышения эффективности очистки сточных вод центробежных ап-, тратов и, в частности, центробежных сгустителей, о?личазп5!хсл вы-жай пропускной способность!), активным гидродинамическим реки .тем' когпактностьи проектируемых'на их основе очистных устройств. \нако отсутствие и н-кенернэобосно ванных методов расчетоп препят-'вует быстрейшему пропиленному внедрения таких аппаратов в лока->ннх системах очистки.

Цель работм. Опираясь на анализ технических реэений центрэйеж-х аппаратов разработать центробежный сгуститель, обладающий вы-•ними технологически;/)! характеристиками и на его основа усовер-нствовать локальные системы очистки промстоков.

Задачи диссертационной работы. Изучение локальных систем очистки промстоков-, содеряавдх механические примеси.

проведение анализа технических репений центробежных аппаратов и разработка новой конструкция центробежного сгустителя, поз-

В руководстве работой принимал участие д.т.н., проф.Ахмадиев Ф.Г.

ьолдощего сгущать и выделять механические примеси для §альнай-шей переработки.

3. Исследование гидродинамических характеристик предложенного аппарата с цель» разработки методов расчета. 4- Разработка методики расчета центробежного сгустителя. 5. Использование центробежного сгустителя в промышленных системах ' локальных очисток.

Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований на модели аппарата, испытаний опытного образца в усовершенствованных локальных системах очистки.

Научная новизна. Рассмотрены и классифицированы способы повышения эффективности расслоения сточных вод в центрифугах. Предложе высокоэф$ективннй центробежный сгуститель для локальных систем очи стки.Разработана математическая модель течения сточных вод в центробежном сгустителе. Предложена методика расчета центробежного cry стателя дяк различных по составу промстоков. Проведена проверка адекватности математической модели процесса сгудекия. Выявлены 3 режима работы центробежного сгустителя. Разработаны более эффективные локальные системы очистки ряда производств.

Практическая ценность. На основе теоретических расчетов разработана, изготовлена и исследована физическая модель аппарата, пс зволшцая снизить гидравлическую нагрузку на очистные сооружения предприятия. Получены экспериментальные зависимости эффекта осветления сточных вод от режимов работы, позволяйте создать оптималы конструкцию сгустителя.

Результаты испытаний на ПО "ПОЛИЫЕЗДОТО", ПО "CK", "ПОЗИС" позволили снизить концентрации загрязнений в сточных водах в несколько раз; суммарный ожидаемый эффект от внедрения составляет 124,8 тыс.рублей в ценах 198Э года.

Апробаггия работы. Основные положения диссертационной работы доложены.на ежегодных отчетных конференциях Казанского государственного технологического университета 1982 - 1991 г.г., на 2-х ко нференциях молодых ученых 1982, 1333 г.г., на Всесоюзной научной конференции "Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими резишын для текстильной промышленности и производства химических волокон" г.Москва, 1981г.

— —

По материалам диссертации получено I авторское свидетельство на изобретении, опубликовано 7 стптеП.

Объем и структура работ». Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, приложений. Она содержит 138 страниц, в том числе 103 страницы текста, 15 таблиц, 27 рисунков.

С0ДЕРХ!ШЕ PAC071J

Зо введении. Определяется актуальность тематики, ставится вопрос о направление и ходе исследований, укаэквается практическая ценность работы.

3 первой главе приведен анализ современных систем локальной очистки промышленных стоков и оборудования для их функционирования.' На рис. I приводятся различные схем» очистки промстоков.

В I варианте показана традиционная система очистки производств, где (I) и (2) соответственно станция очистки и промышленные объекты. Но в настоящее время г/ногке предприятия переводят на переработку гточных вод от отдельных производств в локальньга схемах очистки (3)„ Наиболее характерные системы приведены во П варианте. Механические '■' нриьееи после обработки могут сбрасываться в шгам или возвращаться а производство. Это наиболее перспективный способ очистки сточных вод. Его внедрение одерживает низкая эффективность очистки в связи ; большой гидравлической нагрузкой на аппараты по переработке сто-ÏHHX вод.

На основании изученного и систематизированного опыта было предложено в качестве основы другое технологическое репгашо. В Q пари-юте показаны примеры использования принципа предварительного сгущения и отделения механических примесей (4). При этом снижается , гидравлическая нагрузка на аппараты, что позволяет поеысить эффектность переработки сгущенной твердой фазы. Осветленная сточная, зода минует перердбатьгаапщив аппараты а сбрасывается а обцуп,кана~ шзации или в биологические пруды. Предлагаемы.! подхзд позволяет ш только очищать качественно промстоки цеха: или производства, но « отдельных установок. * ^

о Анализ оборудования для локальных систем очистки подсказал гепользование центрифуги или центробежного сгустителя в предлагаемых схемах. Обладая компактностьп, такие аппараты ииеют еще высо—

,, о

¡•у» оф&ентивность очистки. Установка таких аппаратов внутри поселений цехов не "вызовет больиих изменений в планировке. В рамках Известкой классификации рассмотрен!; конструктивные ршекия центробежных устройств к установлены пути возможного ссвграенстзованпя центрифуг, направленные на повышение их производительности, эффективности к сни.уен;1я гидравлического сопротивления. • На основе требований к счистке сточных вод от механических Примесей с их утилизацией была предложена конструкция центробежного сгустители по A.C. V> 11474-35, покав-днкая на рис.2.

В рябочоу -состоянии ротор I аппарата заполняется промстоками. Под действием, центробежного поля во вращающемся роторе происходит расслоение сточных вод. Сгущенная фаза, которая располагается на nsp'/Lsp'.r/ ротора, и осветленная жидкая фаза, расположенная ближе я оси вращения, двигаятся вдоль ротора в направлении наклона. IIa выходе из ротора расслоенные потоки разделяется за-остракной кройкой стакана 6 на две части. Осветленная жидкая фаза поступает вс внутрь стакана и через переливной порог 10 выходит ■наружуо Сгущенная твердая фаза движется вдоль наружной поверхности стакана н через кольцезум щель разгрузочного устройства 8 поступает в емкость. При изменении концентрации твердой фазы в пром-сгоках изменяется положение стакана б.

" - Б отличии ст су-цествуодих иентробежаых аппаратов, в предложенном стакан б позволязт плавно, без нарушения ламинарности потока, отделять сгущенные механические примеси от осветленной фазы. Конструктивные особенности центробежного сгустителя позволяют проводить процесс очистки сточных вод с различной концентрацией твердой фазы и дисперсностью частиц.

Во второй главе призодится теоретический анализ процесса расслоения промстоков ъ ротора центробежного сгустителя.

Движение потока рассматривается как движение многоскорост-111« континуумов, обладающих споили параметрами. Используя уравнения- сохранения массы » импульса двухфазной среды при отсутствии фазовых переходов; при определенных соотношениях тензора

Ркс. I Cuereua локальной очистки

Рис. 2 Центробежный сгуститель па

A.C. №1147435 I - ротор, 2 - фланец, 3 - радиальные пластины, 4 - питающая труба, 5 - перфорированный ротор, 6 - стакан, 7 - диск, 8 - сборник илама, 9 г. устройство сыгрузки, 10 - перелньнсЯ порог

вязких напряжений и силы межфазного взаимодоверия Р у

+ V ОМ =0

$ ¡¿^к = + Я,,а

Определяем эпюры скоростей различии: фаз. При этом использовали схему расчета, основанную на рис. 3.

Решение уравнений позволило определить скорости по двум

осям

Здесь' следует отметить, что полученные решения гидродинамических задач будут приближенно справедливыми как для монодисперсной смеси, так и для частиц любого размера в полидисперсной смеси. При этом

«Ч-'^/а6?^0 > • <3>

где ^ (а) - функния распределения частии по размерам.

Зависимости (2* и (3) позволяет определить поля скоростей рис.4, распределение толщин фаз, траектории движения частиц рас ной крупности рис.5. Для расчетов были вы5раны числовые значен1, модельных жидкостей близких к реальным лремьшленньш стокам, гд£ несущей фазой является вода. Так на рис.4 рассмотрена система вода - костная.крошка при расходе 0 = 0,5 (мР/ч) и длинах I, -

= 0; 2,-Ь =0,22(м)}3, - =0,52(м), а на рис.5 приводятся Траектории частиц разной крупности I, - а =5» 10""® (м); 2,-а=10~^ (ы); 3,-а=1,5*1СГ^ (ы), попавшие е ротор на различных уровнях.

В расчетах производительность ротора была определена из •условия движения критической частицы из самого невыгодного положения. Зависимость производительности ротора от критического диаыетра частицы можно выразить функцией Ц * | (с! *р). При это! удобно определять зависимость ф от с/ кр по зависимости

цсыся роторе

Я* - радиус до свободной поверхности стоков.

- радиус ротора. £ - граница раздела осветленной фазы и стоков.

($1 - граница раздела сгуцгнной фазы и стоков,

0 UM)

Рис. 4

Рис. 5

Графическое значение т^кой зависимости позволяет достаточно тсуно находить значение производительности Ц от заданных критических размеров частиц о , после одного предварительного расчета чли экспериментального опредешзнич Ро при каким-то значении с1у:р0. При раэлттж значениях частоты вращения определены зависимости = кр). 3 этом случае , для кагдого конкретного значения (л^р соответствует множество пар( С? , и) '). Выбирается необходимое значение $ .

Используя предложенные формулы 2, 3;рис.5;билячо^ехсчичес-кия сеойстна компонентов разделяемых фаз, была предложена методика инженерного расчета.

В третьей глаое приводятся экспериментальные исследования для оценки адекватности полученной «ггемзтической модели.

Экспериментальные исследования проведены на специально спроектированном стенде (риг.7), включающем бак 3 с барбнтероы 3, систему подачи ( насос 4, ротаметр ) и модель центробежного сгустителя 1 с приводом 7. Длина ротора аппарата выбрана из расчета по предлагаемой методике. 3 качестве твердой фазы в модельных системах взяты частицы с разным распределением по размерам: песок, преципитат, костная крогако. Концентрация твердых частиц б сточной воде на входе и выходе из аппарата определялась путем отбора проба.

Массовый состав твердых частиц определялся путем фильтрования на мембранном аналитическом фильтре и взвешиванием фильтра на весах ДДВ - 200 с точность» до 0,0001 г. Одновременно определялся дисперсный состав частиц. Анализ проводился на приборе 023М, на который устанавливался набор из стандартных сит РйО с поддоном м крышюй.

Для определения адекватности ¡«тематической подели были заданы нормативы на концентрации твердой фазы в осветленной фаза, физические свойства составлявших фаз и дисперсионный состав. При рапчитанных расходах смеси С} были проведены эксп-эриме-

là-я.) IHKJO

Рис. б Проверка адекватности модели по анализу остатков

! - ц/í сгуститель, 2 - ротаметр. 3 - oair, 4 - насос, 5 - газодуака, С - cí'jJhvik ялоиа, ? - ^ле.чтродвигате-ль, 6 - вентиль, 9 - СарЛот^р

ты при расчетных значения:: угловой скорости и) . Данные расчетов и окспериментов приведены на рис.6. Сравнение значений -•средних размеров покапывает, что приведенный метод расчета применим для описания процесса расслоения промстоков в центробежном сгустителе.

На основании дополнительных окспериментов были определены режимы работы центробежного сгустителя. Первый режим

Ю -С 400 об/мин. Характеризуется влиянием на эффективность осветления физико-химических свойств стоков. Этому режиму соответствует образование жидкостного водяного кольиа внутри ротора. Второй режим 400 П < 1600 об/мин. характеризуется ростом эффективности осветления с увеличением скорости вращения ротора. Третий режим И >1600 об/мин свойственно налипание частиц на стенке ротора.

Наиболее перспективным для сгущения твердой Фазы представляется второй режим, который был рекомендован для использования при проектировании техники для локальных систем очистки с применением центробежного сгустителя. Рекомендации приводятся в работе.

В четвертой главе на примере производственного объединения "ПОЛИМЕРНОГО" показана последовательность испытания опыт-но-промиюленнмх установок. При производстве шроты, возникла необходимость дополнительной очистки сточных вод от костной крошки. Используемая локальная система очистки не позволяла достаточно качественно очищать сточные воды. Концентрация жира, белка и кости превышала нормы ДДК в 10 раз. Нами была изготовлена опытно-промышленная установка центробежного сгустителя. Размеры ротора выбраны на основание математических расчетов. Аппарат был установлен в локальной системе очистки по 2 линии Ш варианта (рис.П. Полная схема локальной системы очистки приведена на рис. О л состояла из.следующих основных узлов: рабочий ротор I; привод центробежного сгустителя, узел выгрузки 2,3; узел отстоя и дожима костной кроики 4, 5, 6 и узел сушки 7.

Проведя оптимизацию работы центробежного сгустителя, была определена наиболее высокая эффективность осветления промстоков. Экспериментальные данные сравнивались с теоретическими

Рис. 9 Локальная система очистил но ПО "Синтетический каучук"

I - аэротенк, 2 - барботер, 3 - эрлифт, 4 - отстойлик, 5 - и/б сгуститель,. 6 - регенератор

Рис. 8 Локальная система очистки на ПО "Полимерного" I - ц/б сгуститель, 2 - сборник осветленноЯ <*.а.чи, 3 - сборник слама, 4 - гравитационный отстойник, 5 - икек, 6 - транспортер, 7 - супна

I - станов; 2 - ц/б сгуститель; 3 - сборник осветленной фазы; 4 - сборник шлама; ^ - ленточный Фильтр; 6 - гравитационный отстойник.

расчетами. Расхокдения составляли около 15» и обуславливались разбросом в качество кости £ говяжья, баранья, свиная). Качество очистки составило 900 4 1300 мг/л, при исходной концентрации 5000 ~г 6000 мг/л.

Подобные подходи были использованы при создании опытно-промышленных локальных систем очистки на ПО " Синтетический каучук " (рис.9) и на ПО " Завод им. Серго " (рис.ТО). В первом случае технологическая схема была собрана по 3 линии Ш - варианта. Во втором случае по I линии - Ш варианта. На всех испытательных стендах били получены положительный результаты. Акты внедрения* приводятся в работе. Экономический расчет природоохранных сооружений на 1989 год по " ПОЗЯС" составлял 83,3 тыс.руб./год.

Результаты экспериментов позволили рекомендовать разработку промышленного варианта центробежного сгустителя. Приведенный в работе масштабный переход позволит создать промышленный аппарат с максимально приближенными технологичеокими, геометрическими и гидродинамическими параметрами.

Основные пгплд» по т>я^то.

1. Определено перспективнее направление развития - сгук^ниь твердой фазы из промстоков с последующей ее обработкой. Усопе[Ож-нствэванная cncrovn очистки невозможна без разработки аппарата для непрерывного сгуценля твердой фазы.

2. Разработана новая конструкция центробежного сгустителя для предложенной локальной системы счистки.

3. Теоретически обоснована и разработана математическая модель процесса разделения промстоков внутри ротора центробежного сгустителя.

4. На основе теоретических расчетов разработана и изготовлена физическая модель аппарата. Проведена проверка адекватности математической модели процесса сгудения. Расхоаденик составляли не более Iii?.

э. Выявлены 3 редима работы центробежного сгустителя. Наиболее приемли;.'!-.".! является частота вращения :/енеэ I6C0 об/мин, которая не приводит к образованию осадка на стенко ротора.

6. Разработана методика расчета центробежного сгустителя.

7. Созданы 3 опытно-промылленные системы локальной очистки

с различной установкой в них центробежного сгустителя. Экономически," аффект от использования локальной системы очистки по предлагаемого схеме на ПО "Завод имени Серго" составлял ЬЗ.З тыс. руб/год, общий эффект 124,6 тис. ру/год на I9ö9 год.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикь-

циях:

Г. А.А.Александровский, £.Г.Ахмядиев, И.Н.;.'лсл'>в. Исследи t>j-ние процесса обработки отходов полимерных производств - л1 о рое Всесоюзное научно-техническое совещание "Создание и внелр-зпио стременных аппаратов с активными гидродинамическими ретхи^а.'.м для текстильной промышленности". Тезисы докладов - ''ГЛ: Моекьа, 1 .<• iI, с.27.

2. Маслов И.Н., Демьянов А.К. Разработка и -жопчри.'геталыг,'! исследование сгустителя для разделения многофазных систем - Ь сб.; Разработки ыолодых ученых, специалистов и студентов - пр./ль .?.':, -ву. Мат. П научн-,-техническ~й конференции, '¡ечисг Z'. ;; os , :'./..<'., 1333, С.2&-2Э. ' ' '

3. Маслов И.Н., Ахмадиев -Ф.Р. К определению оптимальных конструктивных и режимных параметров работы центробежного сгустителя. - Межвузовский сборник научных трудов "Современные аппараты для обработки гетерогенных сред", ЛТИ - Ленинград, I9U4, с.97-101.

4. A.C.II47435 (СССР). Центрифуга для обезвоживания иловой массы. Авт.изобрет. Мзслов H.H., Ахмадиев Ф.Г., Александровский A.A., Смородинов А.Д. - опубл. в Б.И., 1985, .V 12.

5. f/лслов H.H., Чураков B.C. Эффективность использования центробежного сгустителя для завода "ПОЛИMSPÍОТО". В сб.: экономия сырьевых, материальных и топливно-энергетических ресурсов в химичоской и нефтехимической промышленности - ВХО, Казань 1986, с. 29.

6. Маслов H.H., Шкляр Ю.Л., Чернобровкин А.Н. Разработка локальных схем очистки сточных вод с использованием центробежного сгустителя. В сб.: Охрана окружающей среды от загрязнений не производстве химической и нефтехимической продукции. - ВХО, Казань, 1987, с.28.

7. Александровский A.A., К'лслов H.H., Исследование процесса очистки сточных вод от взвешенных веществ: - отчет ,N"0080744, 1984, с.25.

Соискатель ^^У^ И.Н.Маслов

Тираж 80 экз . заказ Ш '

Казанский государственный технологический университет Офсетная лаборатория

420015, Казань, К.Ыаркса, 68