ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 5, с. 595-605
УДК 532.546(2+6):66.067.122.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЪЕМНОГО ФИЛЬТРОВАНИЯ СУСПЕНЗИИ ЗОЛОВЫХ ЧАСТИЦ
© 2015 г. О. М. Соковнин, Н. В. Загоскина, С. Н. Загоскин
ООО "ОЛНИ", г. Киров osokovnin@mail.ru Поступила в редакцию 25.02.2014 г.
Предложен новый подход к экспериментальному определению коэффициентов закрепления и уноса взвешенных частиц в фильтрующем слое. На примере процесса объемного фильтрования осветленной воды теплоэлектростанции, содержащей золовые частицы, определены значения этих коэффициентов и показано, как с их помощью может быть рассчитана грязеемкость фильтрующей загрузки. Установлено влияние направления и скорости фильтрования на эффективность очистки и грязеемкость фильтрующей загрузки.
Ключевые слова: фильтрование, коэффициенты закрепления и уноса, потери напора, грязеемкость загрузки.
БО1: 10.7868/80040357115040156
ВВЕДЕНИЕ
Многие крупнотоннажные производства химической промышленности, теплоэнергетика и др. используют большие количества исходной природной воды и имеют соответствующие объемы сбросов. Снижение водопотребления подобных производств, актуальное как с экологической, так и экономической точек зрения, может быть обеспечено максимальным использованием оборотных вод в технологическом цикле и вспомогательных процессах. Однако, повторное применение таких вод, как правило, требует их очистки от загрязняющих веществ, в частности, — от взвешенных частиц.
Одним из наиболее оптимальных способов очистки больших объемов оборотных вод от содержащихся в них частиц взвесей является процесс фильтрования в зернистом слое, сочетающий весьма высокую эффективность с относительно низкими удельными затратами [1, 2].
Для описания кинетики объемного фильтрования используются два достаточно давно сформировавшихся принципиально различных подхода.
Первый подход предполагает, что взвешенная частица, попадая в зернистый слой, не будет уноситься из него потоком фильтруемой жидкости. При этом по мере заполнения межзерновых каналов скорость фильтруемого потока возрастает, что не позволяет взвешенным частицам в дальнейшем закрепляться на поверхности зерен загрузки. В данной модели скорость изменения массы осадка,
накапливающегося в единице объема фильтра др/д? (кг/м3 с), выражается уравнением [3]
др/д? = ХСЖ. (1)
Для стационарного режима фильтрования в рамках этого же подхода изменение концентрации улавливаемого вещества по высоте зернистого слоя дС/дг (кг/м3 м) описывается уравнением [3, 4]
дС/ дг = -X С. (2)
Второй подход рассматривает одновременно протекающие процессы накопления взвесей в зернистом слое вследствие адсорбции к поверхности зерен загрузки и их срыв с этой поверхности под действием сдвиговых напряжений потока фильтруемой жидкости. В данной модели кинетика объемного фильтрования описывается уравнением [5]
др/д? = хасж - кл9, (3)
где Ка, Ка — постоянные закрепления и уноса частиц в зернистом слое.
В обоих типах теоретических моделей фильтрования присутствуют эмпирические коэффициенты. Используемый в моделях первого типа коэффициент фильтрования X кроме того является функцией времени. Его значение предлагается определять из уравнения (2), измеряя через определенные интервалы времени концентрации взвешенных частиц на входе С1 ) и выходе С2 ) из зернистого слоя высотой Ь [4]. Так, например,
начальное значение коэффициента фильтрования составит
= 11П (4)
С (0)
Достоинством моделей второго типа является, в частности, то, что входящие в нее коэффициенты Ка, Ка остаются постоянными для данной системы в течение всего фильтрационного цикла. По данным работы [6] количественные значения Ка, для различных систем варьируются в пределах 6—9 м-1 и 2 х 10-4—2 х 10-3 ч-1 соответственно.
Большинство современных работ развивает указанные выше модели фильтрования. В них также используются эмпирические коэффициенты, характеризующие динамику накопления - срыва взвешенных частиц с поверхности зерен загрузки [7—14, 6].
Ранее авторами настоящей работы предложена математическая модель фильтрования [15], в которой рост слоя частиц 8 на поверхности загрузки принимался пропорциональным их концентрации в очищаемой жидкости
дЪ+/д1 = аС, (5)
а уменьшение величины 8 из-за срыва частиц с поверхности загрузки под действием гидродинамических сил — толщине образовавшегося слоя, т.е.
дь_/д1 = -у& (6)
Как и в рассмотренных выше моделях, коэффициенты а и у зависят от свойств конкретной системы "фильтрующий материал — улавливаемые частицы" и достоверно могут быть определены лишь экспериментально.
В настоящей работе предложен новый подход к определению коэффициентов закрепления и уноса для теоретических моделей объемного фильтрования, учитывающих одновременность протекания процессов нарастания — срыва взвешенных частиц в фильтрующем слое. Также выполнен сравнительный анализ различных гидродинамических режимов проведения объемного фильтрования и их влияние на основные характеристики процесса (эффективность улавливания частиц и величину потерь давления в фильтрующем слое).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве модельной среды при исследовании процесса фильтрования использовалась осветленная вода теплоэлектростанции, содержащая взвешенные частицы золы. Эта оборотная вода после отстаивания на золоотвале находит применение во вспомогательных техпроцессах станции. Особенно необходима очистка той части осветленной воды, которая идет на орошение скрубберов-золоуловителей (т.н. оросительная вода), поскольку содержащиеся в ней высокодисперсные золовые частицы обладают вяжущими свойства-
ми и откладываются в каналах распылительных форсунок скрубберов, снижая эффективность золоулавливания [16].
Фильтрование осветленной воды проводились на установке (рис. 1), которая включала в себя фильтровальную колонку 1 с поддерживающими решетками 2, соединенный с ней гибким трубопроводом бак осветленной воды 3, задвижку 4, регулировочный 5 и сливной 6 вентили, пьезометры 7, трубопровод 8 подачи исходной воды в бак 3. Загрузка фильтровальной колонки — керамзит М450 [17]: фракция 5—10 мм; плотность насыпная — 0.45 г/см3; плотность пикнометриче-ская — 1.7 г/см3. Расход фильтруемой жидкости измерялся объемным методом в точке II схемы, а концентрации содержащихся в ней взвешенных частиц — стандартным весовым методом [18] в точках I и II схемы. Отбор проб (одновременно 3 пробы по 100 мл) проводился в установившемся режиме работы с интервалом 0.5—2 ч в зависимости от скорости фильтрования.
Установка бака осветленной воды над фильтровальной колонкой (около 1.5 м) обеспечивала избыточное гидростатическое давление для создания необходимой скорости фильтрования. Изменение скорости фильтрования и поддержание ее заданной величины производилось регулировочным вентилем 5. Для контроля потерь напора в слое загрузки использовались пьезометры 7, которые с помощью гибких герметичных трубок присоединялись к штуцерам в верхней и нижней части фильтровальной колонки.
Помимо приведенного на схеме варианта фильтрования осветленной воды сверху вниз, процесс фильтрования на установке мог проводиться и в противоположном направлении. При этом гибкий трубопровод от бака осветленной воды присоединялся к нижнему патрубку фильтровальной колонки, а пробы фильтрата отбирались на выходе из ее верхнего патрубка.
Регенерация фильтрующей загрузки осуществлялась после каждого фильтроцикла промывкой водопроводной водой снизу вверх. При этом наличие над фильтрующим слоем свободного пространства (примерно 25% объема фильтрующей загрузки) обеспечивало ее расширение, что повышало эффективность регенерации. Длительность регенерации определялась отсутствием выноса взвешенных частиц с промывной водой и составляла 5.. .6 мин при расходе промывной воды 0.10— 0.15 дм3/с (6—9 л/мин).
В ходе исследовании процесса контролировались следующие параметры:
— расход 0, направление и скорость фильтрования Щ осветленной воды;
— концентрация взвешенных частиц в исходной воде С1 и в фильтрате С2;
— потери давления в слое загрузки при фильтровании АН.
4
5
□Jes-
у/////////////////
777777777777777777
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — фильтровальная колонка; 2 — поддерживающие решетки; 3 — бак осветленной воды; 4 — задвижка; 5, 6 — регулировочный и сливной вентили; 7 — пьезометры; 8 — трубопровод исходной воды. I, II — точки замера концентрации; II — точка замера расхода.
Порядок экспериментальных исследований.
1. Определялось предпочтительное направление фильтрования (снизу вверх или сверху вниз) при расходах осветленной воды, различающихся примерно на порядок 0.012 и 0.113 дм3/с (0.7 и 6.8 л/мин). Значения минимального и максимального расходов в экспериментах соответствовало скоростям фильтрования 0.001 и 0.010 м/с или 3.6 и 36.0 м/ч. Длительность фильтрования при каждом из расходов ограничивалась условием
С2/С1 < 0.2, (7)
т.е. проскоком взвесей в фильтрат до 20% их концентрации в исходной воде.
Известно, что нижняя подача обеспечивает более равномерное распределение фильтруемой жидкости по сечению аппарата и лучшее использование загрузки, а верхняя — меньшие потери давления, т.е. является менее энергоемкой. Эти факторы могут быть значимы как при исследовании пилотных установок, так и при эксплуатации промышленных фильтров.
2. Для выбранного направления фильтрования при расходах осветленной воды 0.023, 0.047 и 0.078 дм3/с (1.4, 2.8 и 4.7 л/мин) определялось изменение концентрации взвесей в фильтрате и значения коэффициентов а и у ранее предложенной модели фильтрования. Длительность основ-
ной стадии фильтроцикла при каждом из расходов также ограничивалась условием (7).
При вычислении указанных коэффициентов предполагалось, что скорость нарастания—срыва слоя осадка дб/д/ на поверхности зерен загрузки прямо пропорциональна изменению массы частиц, уловленных единицей объема фильтрующего слоя в единицу времени др/д/. С учетом этого, полученные из формул (5) и (6) выражения искомых коэффициентов, примут вид
Рт
а = tT
Ро
CT
Y = -ln РГ, T Ро
(8)
(9)
где р0, рт — масса взвешенных частиц в еди
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.