Ресурсоощадні процеси і апарати для кондиціювання води абсорбцією, десорбцією і окисленням домішок

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

На правах рукопису

УДК 628.322:661.43

РЕСУРСООЩАДНІ ПРОЦЕСИ КОНДИЦІЮВАННЯ ВОДИ

АБСОРБЦІЄЮ, ДЕСОРБЦІЄЮ І ОКИСЛЕННЯМ ДОМІШОК

05. 17. 08. - процеси та обладнання хімічної технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КАРПІНСЬКА ІНГА АНАТОЛІЇВНА

КИЇВ - 2000

АНОТАЦІЯ

Карпінська І.А. Ресурсоощадні процеси і апарати для кондиціювання води абсорбцією, десорбцією і окисленням домішок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.13 - машини та апарати хімічних виробництв. - Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено дослідженню кінетики ресурсоощадних процесів абсорбції кисню з повітря, десорбції діоксиду вуглецю та сірководню в краплях і плівках, які утворюються внаслідок розбризкування води при невеликих напорах (0,2 - 0,5 м), окислення двовалентного заліза та нафтопродуктів в електролізері та кавітаційному реакторі. Створені структурні математичні моделі кінетики масообміну в краплях та плівках, на основі експериментальних досліджень визначено кінетичні коефіцієнти та підтверджена адекватність математичних моделей. Розроблені методика та приклад розрахунку крапельно-плівкових десорберів СО₂, які впроваджено у виробництво. Виконана техніко-економічна оцінка результатів роботи, запропоновано новий спосіб окислення забруднень води та пристрій для нього з використанням нової конструкції кавітаційного реактора.

Ключові слова: ресурсоощадження, абсорбція, десорбція, окислення, краплі, плівки, кавітаційний реактор, електролізер.

АННОТАЦИЯ

Карпинская И.А. Ресурсосберегающие процессы и аппараты для кондиционирования воды. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 - машины и аппараты химических производств. - Национальный технический университет “Киевский политехнический институт”, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию кинетики ресурсосберегающих процессов абсорбции кислорода из воздуха, десорбции диоксида углерода и сероводорода в каплях и пленках, которые образуются в результате разбрызгивания воды при небольших напорах (0,2-0,5 м), окисление двухвалентного железа и нефтепродуктов в електролизере и кавитационном реакторе. В теоретической части работы разработаны структурные математические модели процессов массообмена в каплях. В экспериментальной части получены следующие результаты:

на лабораторных стендах определены диаметры капель, образующиеся при вытекании воды из отверстий, диаметрами 2 - 6 мм, скорости их падения и время пребывания в воздухе; определены толщина пленок, скорость их движения и время стекания при линейной плотности орошения q = м²/с и высоте трубы Н = 2 - 6,5 м;

по экспериментальным данным по кинетике абсорбции О₂ и десорбции СО₂ определены коэффициенты массоотдачи и проверены математические модели на адекватность;

показана целесообразность конечной стадии окисления Fe²⁺ и нефтепродуктов в кавитационном реакторе;

разработаны методики и примеры расчета кавитационных реакторов для окисления нефтепродуктов, а также полых капельно-пленочных десорберов СО_2, которые обеспечивают степень десорбции СО₂, H₂S, окисления Fe²⁺ около 50 %, экономию 20 - 30 % загрузки (песка) фильтров и внедрены в производство;

выполнена технико-экономическая оценка результатов работы, предложен новый способ конечной стадии окисления загрязнений воды и устройство для его осуществления с использованием кавитационного реактора и напорного флотатора.

Ключевые слова: ресурсосбережение, абсорбция, десорбция, окисление, капли, пленки, кавитационный реактор, электролизер.

ABSTRACT

Каrpinska I.A. Resourcesaving processes and apparatus for water conditioning. - Manuscript.

Thesis for acquiring the scientific degree of engineering science candidate on speciality 05.05.13 - Machines and apparatus of chemical productions. - The National technical university "Kyiv's polytechnical institute", Kyiv, 2000.

The thesis is dedicated to research in kinetics of resourcesaving processes for absorption of oxygen from air, desorption of carbon dioxide and hydrogen sulfide in drops and films, produced by sprinkling of water at small heads (0,2-0,5 m); oxidation of two-valence iron and petroleum products in electrolyzer and cavitational reactor. The structural mathematical models of massinterchange kinetics in drops and films have been created; the kinetic factors have been defined and adequacy of models has been confirmed. The calculation methods and practical example for drops-film CO₂ desorber have been developed and implemented into industrial production. Technical-economic evaluation of the work results has been carried out; the new methods for water contaminants oxidation and new device for that purpose have been offered using new construction of cavitational reactor.

Key words: resourcesaving, absorption, desorption, oxidation, drop, film, cavitational reactor.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час більшість джерел води в Україні, в тому числі і підземних, забруднено. Тому актуальною є задача не тільки кондиціювання води для потреб населення і промисловості відповідно з санітарно - гігієнічними та технічними вимогами, але й економія ресурсів (сировини, матеріалів, енергії, коштів тощо). Зекономити ресурси доцільно попереднім частковим кондиціюванням води у найпростіших безнасадкових апаратах для абсорбції О₂, десорбціїї СО₂, H₂S і окислення Fe²⁺, нафтопродуктів з розбризкуванням води під невеликими напорами (до 0,5 м) з малих висот падіння крапель і стікання плівок. Для процесів окислення доцільно також оцінити можливість використання електро- та кавітаційної обробки, які дешевші традиційного озонування.

На вивчення гідродинаміки і кінетики згаданих процесів, розробку методів інженерних розрахунків, нових способів, конструкцій апаратів і їх використання спрямована дана робота.

Мета роботи. Удосконалення існуючих та розробка нових процесів і апаратів для кондиціювання підземних та стічних вод з метою економії ресурсів; розробка методик розрахунку на підставі теоретичних та експериментальних досліджень гідродинаміки і кінетики абсорбції О₂ повітря, десорбції СО_2, H₂S, окислення Fe²⁺, нафтопродуктів в краплях, плівках з використанням малих напорів у розбризкувачах та висот падіння, а також в електролізерах і кавітаційних реакторах; розробка нових способів, апаратів та рекомендацій по використанню результатів роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до пріорітетного напрямку “Охорона навколишнього середовища” згідно Постанови Верховної Ради України № 2705 - 11 від 16.10.1992 р.; за держбюджетною темою Міносвіти України “Використання гідродинамічних кавітаційних реакторів в технології харчових виробництв для очищення та дезинфекції стічних вод”, № 0193 U 39367 держреєстрації, а також згідно плану науково - дослідних робіт кафедри обладнання харчових технологій Тернопільського державного технічного університету імені І. Пулюя (ТДТУ).

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання: вибір напрямку дослідження; розроблення нових і використання відомих найбільш прогностичних структурних математичних моделей процесів абсорбції, десорбції в краплях, плівках та через поверхню води в резервуарах; з урахуванням літературних рекомендацій та математичних моделей розроблення методик та виготовлення експериментальних стендів; вивчення закономірностей гідродинаміки і кінетики процесів дифузійного масообміну та окислення в системі рідина - газ, аналіз та узагальнення результатів; дослідження кінетики окислення Fe²⁺ та нафтопродуктів в електролізерах і кавітаційному реакторі (КР), визначення кінетичних констант та розробка методик і прикладів розрахунку крапельно-плівкових десорберів СО₂ та КР для окислення нафтопродуктів; розроблення нових конструкцій апаратів і їх впровадження, рекомендацій з використання результатів роботи та їх загальна економічна оцінка.

Наукова новизна. Вперше одержані та узагальнені наступні наукові результати, які виносяться на захист:

розроблені і перевірені на адекватність найбільш прогностичні структурні математичні моделі процесів абсорбції і десорбції в краплях та через горизонтальну поверхню води; чисельно розв'язана математична модель переносу маси в плівках (раніше це робилось у вигляді узагальнення експериментальних даних критеріальними рівняннями або чисельними методами);

експериментально вивчено розміри та швидкості падіння крапель, витікання струмин з висоти від 1 до 5 м під напорами до 0,5 м (раніше ці питання вивчались з метою одержання крапель високої дисперсності під напорами більше 20 м, які потребують більшої витрати енергії);

вивчена кінетика процесів абсорбції О₂, десорбції СО₂, Н₂S та окислення іонів Fe²⁺ в краплях, струминах, плівках води під малими напорами в розбризкувачах; одержано величини кінетичних коефіцієнтів для інженерних розрахунків при проектуванні апаратів;

вивчена кінетика окислення Fe²⁺ та нафтопродуктів, розчинених у воді, в електролізерах і кавітаційному реакторі; одержані величини кінетичних коефіцієнтів для проектування;

науково обгрунтовані методики визначення концентрацій нафтопродуктів по опору емульсії та спрощеного визначення коефіцієнтів масовіддачі; розрахунку апаратів для десорбції СО₂ в краплях і плівках та окислення Fe²⁺ в кавітаційних реакторах, нові способи та апарати.

Об'єкт дослідження - процеси та апарати для кондиціювання підземних і стічних вод абсорбцією О₂ повітря, десорбцією СО₂, H₂S та окисленням Fe²⁺ і нафтопродуктів з метою заощадження ресурсів (сировини, матеріалів, електроенергії, коштів тощо).

Предмет дослідження - кінетика процесів сорбції та окислення в краплях, плівках, струминах; в електролізерах та гідродинамічних кавітаційних реакторах.

Методи дослідження - теоретичні та експериментальні.

Теоретично шляхом інтегрування диференціальних рівнянь дифузії з вибраними граничними умовами одержані кількісні аналітичні залежності між основними параметрами, які описують кінетику процесів масообміну між газом і рідиною.

Експериментально визначались залежності концентрації О₂, СО₂, H₂S, Fe²⁺ та нафтопродуктів від часу на лабораторних стендах із зміною основних параметрів, які суттєво впливають на кінетику. Вони визначались математичними моделями та літературними даними. Для вимірювання концентрацій забруднень (крім нафтопродуктів та Fe²⁺ в електролізерах), витрат води та швидкостей руху крапель, плівок, струмин використовувались стандартні методики. Концентрацію нафтопродуктів вимірювали по електричному опору, а Fe²⁺ - по величині струму.

Практичне значення отриманих результатів. Вперше отримані наступні результати:

експериментально визначені кінетичні коефіцієнти вивчених процесів, які використано для вибору та розрахунку апаратів;

розроблено методики і приклади розрахунку крапельно-плівкового десорбера та кавітаційного реактора (КР) для окислення нафтопродуктів;

за результатами експериментальних досліджень та розроблення рекомендацій на їх використання отримано рішення Держпатенту України на видачу 2 - х патентів: на спосіб окислення забруднень і дезинфекції води та пристрій для його здійснення; на кавітаційний реактор для обробки суспензій;

розроблено схему локального кондиціювання води з використанням кавітаційного реактора нової конструкції та напірного флотатора;

розроблено і передано ДП “Тернопільводоканал” рекомендації з використання спрощеної аерації води її розбризкуванням у крапельно-плівковому абсорбері із суттєвим зменшенням (на 20 - 30 %) кількості піску для завантаження фільтрів та приміщень станції знезалізнення; очікуваний економічний ефект 40 - 50 тис. дол. США;

крапельно-плівковий абсорбер впроваджено на Плугівському водозаборі м. Львова з річним економічним ефектом 92 тис. крб у цінах 1989 року (біля 65 тис.дол. США) з часткою автора 25 %.

Достовірність отриманих результатів. Наукові положення, висновки і рекомендації, сформульовані в дисертації, теоретично обгрунтовані найбільш прогностичними структурними математичними моделями, розроб-леними на базі фундаментальних законів, а їх адекватність підтверджена результатами експери-ментальних досліджень. Для визначення вмісту О₂, СО₂, Н₂S, Fe²⁺ та нафтопродуктів використано стандартні методики. Доцільність застосування крапельно-плівкових абсорберів обгрунтована їх впровадженням, а кавітаційних реакторів - техніко - економічними розрахунками згідно до стандартних методик, виконаних Вітенько Т.М.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертації отримані та опубліковані самим автором. Виконано огляд літератури, на базі якого вибрано напрямки досліджень; сформульовано граничні умови математичних моделей та розроблено їх разом з проф. Мазяком З.Ю.; розроблено схеми та виготовлено стенди для абсорбції, десорбції в краплях, струминах, плівках; електрооброблення та проведено на них дослідження, результати яких узагальнено; на їх базі виконана перевірка математичних моделей на адекватність; розроблені методики та приклади розрахунку крапельно-плівкового десорбера CО₂ та кавітаційного реактора нової конструкції; разом з доц. Вітенько Т.М. розроблено, виготовлено та випробувано КР для окислення Fe²⁺ та нафтопродуктів; розроблена схема локальних очисних споруд з кавітаційним реактором; оформлені заявки на патенти. Особисто автором розроблено рекомендації з використання результатів роботи, виконана техніко - економічна оцінка, сформульовано висновки з роботи.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались на 4-х конферен-ціях: Українсько-Польській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод”, Львів, 1996; 3 - му Міжнародному симпозіумі інженерів - механіків, Львів, 1997; 3-му Міжнародному конгресі Экватэк - 98 “Вода: экология и технология”, Москва, 1998; конференції студентів, аспірантів та молодих вчених НТУ “Київський політехнічний інститут”, Київ, 1999; четвертій науково - технічній конференції ТДТУ "Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино - і приладобудуванні, Тернопіль, 2000.

Публікації. Основний зміст роботи відображено в 11 наукових працях, в тому числі в 5 статтях, 6 тезах доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатків. Обсяг дисертації - 154 стор., включає 6 таблиць та 26 рис. в тексті і бібліографію 177 найменувань. Додатки мають об'єм 25 стор.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, визначена її мета та завдання.

У першому розділі розглянуто вимоги до якості води, критично проаналізовані існуючі процеси і апарати для абсорбції, десорбції, генерації озону для окислення домішок, а також основні фактори, які впливають на кінетику цих процесів. Розглянута загальна характеристика процесів масопереносу та хімічних перетворень, закономірності рівноваги та кінетики фізичної абсорбції. В результаті обрано та обгрунтовано напрямки, мету та завдання досліджень.

У другому розділі розроблені структурні математичні моделі процесів абсорбції і десорбції в краплях та розчинення кисню через горизонтальну поверхню води інтегруванням відомих диференціальних рівнянь дифузії:

; 0 < r < R(краплі) (1)

; 0 < x < Н (горизонтальна поверхня) (2)

; 0 < x < ; 0 < y < H (плівки) (3)

Початкова умова ; граничні умови: симетрія крапель ; баланс маси на границі краплі при основному опорі переносу в газовій фазі (СО₂) при десорбції:

.

При абсорбції в лівій частині рівняння балансу змінюються знаки. В процесах абсорбції О₂ при основному опорі в рідині:

.

Після інтегрування рівнянь (1) і (2) з вищевказа-ними граничними умовами операційним методом з перетвореннями Лапласа отримані такі математичні моделі:

, (4)

де для абсорбції СО₂

для десорбції СО₂

для крапель (5)

для абсорбції О₂ через горизонтальну поверхню (6).

Третій розділ містить опис об'єктів, методик та 3 - х стендів для дослідження гідродинаміки і кінетики масообміну та окислення.

1. Стенд для дослідження гідродинаміки і кінетики масообміну та окислення Fe²⁺ в краплях складався з ємностей для порцій розчину чи води у вигляді циліндрів з органічного скла діаметром 40 мм і висотою 800 мм, з отворами в дні діаметрами d₀ =2, 4_, 6 мм; для струмин і плівок використовувались баки ємністю 5 л, розташовані на висоті 6,5 м, з яких вода через шланг подавалась до насадок (струмини) під кутами 30, 45^о або до розбризкувачів, які фіксувались на різних висотах (2 - 6,5 м) у пластмасовій трубі висотою 6 м і внутрішнім діаметром 80 мм. Методика дослідів по гідродинаміці полягала у вимірюванні діаметрів крапель, які витікали з отворів d₀ та часу їх падіння з різної висоти Н (1 - 24 м); часу стікання плівки з різної висоти в трубі (2 - 6 м). Кінетика досліджувалась виливанням 1,5 л розчину з різної висоти у вигляді крапель чи плівок з наступним аналізом проб на вміст О₂, СО₂, Н₂S, Fe²⁺.

2. Стенд для дослідження окислення Fe²⁺ в електролізерах складався з 3 - х блоків: двох циліндричних електролізерів діаметром 40 мм і висотою 250 мм з плоскими графітовими електродами та з гострим графітовим анодом, розташованим перпендикулярно катоду; системи живлення у складі автотрансформатора, випрямляча напругою до 25 В, амперметра, вольтметра; системи пневматичного перемішування шляхом подачі стисненого повітря від компресора через витратомір і барботер. Методика дослідів полягала у вимірюванні струму при напрузі 12 В і різних віддалях між електродами (2 - 6 см) на протязі 60 хв через певний об'єм розчину Fe²⁺ різних концентрацій.

3. Стенд з кавітаційним реактором (КР) 13 являє собою циркуляційний кон-тур, в якому досліджувана рідина двома послідовно з'єднаними насосами (для можливості міняти тиск в межах 0,1 - 0,5 МПа) циркулювала через КР 13 і абсорбер 8. Для збільшення тиску передбачений компресор 10 з ресивером 7. Повітря підсмоктувалось в каверну за перепоною через трубку з вентилем 20, а його витрата вимірюється приладом Піто-Прандтля 22 з мікроманометром 23. КР являє собою металічний корпус з перепоною, закріпленою у каналі ребрами. Методика дослідів полягала у відборі проб води з контура через певні проміжки часу з наступним аналізом на вміст Fe²⁺ та нафтопродуктів по стандартних методиках.

Четвертий розділ містить опис експериментальних результатів з гідродинаміки і кінетики масообміну, окислення та перевірки математичних моделей на адекватність.

1.Гідродинаміка:

середня швидкість падіння крапель W_k при h = 0,2 - 0,5 м:

W_k = 14,1 - 1,56 d_k , м / c; 1 < d₀ < 6 мм(9)

залежність діаметра крапель d_k від діаметра отворів d₀:

(10)

струмини розпадаються на краплі і для компактної частини потребують великих напорів; дальність бою L максимальна для кута нахилу і при Н = 5 м досягає біля 7,5 м з розвиненим факелом крапель, діаметри і кількість яких визначити не вдалось;

вивчено 2 режими течії плівок з лінійною густиною зрошення q > м²/с для забезпечення суцільності зрошення:

2. Кінетика

2.1. Абсорбція О₂ повітря краплями. Залежність концентрації кисню С_р від Н свідчить про наявність 2 режимів: інтенсивного при висоті падіння H < 6 м і регулярного при H > 6 м. При цьому ступінь насичення суттєво залежить від d₀. Це пояснюється різним ступенем турбулізації при формуванні крапель.

Тому доцільно використати інтенсивний режим, для якого визначено коефіцієнти масовіддачі при h < 6 м: м/с для d₀ = 2 мм; м/с для d₀ = 4 мм і м/с для d₀ = 6 мм. Залежність Nu_m від Fo_m для перевірки адекватності математичної моделі.

2.2. Абсорбція О₂ повітря плівками. При стіканні плівок з висоти 5 - 6,5 м (близькій до промислових умов) одержано:



2.3. Десорбція СО₂ з крапель. Одержані та узагальнені результати по десорбції при початкових концентраціях С_рп = 40 - 160 мг/л свідчать також про суттєву залежність кінцевої концентрації С_рк від d₀. Ступінь десорбції досягає 0,55 - 0,6 при H = 5 м, середнє значення Nu_m = 1630, Fo_m = .

2.4. Десорбція СО₂ із струмин. Визначено ступінь десорбції для наступних випадків: = 0,28, якщо струмини витікають зверху вниз вертикально з висоти Н = 5 м під напором h = 0,5 м і витраті Q = м³/с через циліндричну насадку з отворами d₀ = 6 мм;

струмини витікають вертикально вгору: при d₀ = 2 мм; Q = м³/с; =

= 0,2 при d₀ = 4 мм; Q = м³/с; а якщо струмини витікають при h = 5 м під кутом - при d₀ = 2 мм; при d₀ = 4 мм; при d₀ = 6 мм. Такі ж ступені десорбції досягаються з крапель при напорах h, на порядок менших.

2.5. Десорбція СО₂ в каскаді з 4 - х розбризкувачів d₀ = 3 - 6 мм, розташованих на висоті 1 м один від одного (загальна висота Н = 5 м) забезпечує , тобто на рівні крапель при тій же Н.

2.6. Десорбція Н₂S з крапель. При конструктивно доцільному d₀ = 6 м і Н = 4,5 м досягається ступінь десорбції при початкових концентраціях сірководню С_рп = 5 - 30 мг/л. Такі ж результати одержано і при десорбції СО₂, тому можна вважати, що в процесі десорбції СО₂ виділиться і Н₂S.

2.7. Десорбція СО₂ з плівок. При початкових концентраціях С_рп = 15 - 190 мг/л: = =0,35, Nu_m = 4 при Н = 4,5 м; та , Nu_m = 6,2 при Н = 6,5 м.

Результати розрахунку по спрощеній формулі (розділ 3) занижені порівняно з загальноприйнятою на 20 % при Н = 6,5 м і можуть використовуватись в інженерних розрахунках.

2.8. Окислення Fe²⁺ в краплях і плівках. Як і при абсорбції та десорбції, існує інтенсивний режим при Н = 6 м. Тому детально виконано дослідження кінетики при менших висотах і початкових концентраціях С_рп = 5, 15 мг/л, які найчастіше зустрічаються: визначено коефіцієнти швидкості реакцій при Н = 4 м: К = 0,34 с^-1, = =0,2 для С_рп = 5 мг/л, d₀ = 6 мм; K = 0,08 c^-1, = 0,04 для С_рп = 15 мг/л, d₀ = 6 мм. В плівках для С_рп = 10 мг/л при Н = 6,5 м і при Н = 3,5 м, тобто практично однакові результати.

2.9.Окислення Fe²⁺ в електролізерах . При напрузі 12 В і різних віддалях між електродами перевагу мають плоскі електроди при = 4 - 6 см. Вони забезпечують , тоді як з гострим анодом для часу хв. відповідно.

2.10. Окислення Fe²⁺ та нафтопродуктів у кавітаційному реакторі. Зменшення концентрації з часом циркуляції показано на рис. 3 і 4 .

3. Перевірка математичних моделей на адекватність. Для процесів абсорбції О₂ краплями використано рівняння, отримане Аксельрудом Г.А. та Рудобаштою С.П. для масопровідності у твердій фазі при n = 1: . З графіків залежностей - ln A = f (Fo_m) визначено наступні величини для одного першого члена ряду: ; B = 0,97; середнє експериментальне значення Nu_m = 152, розрахункове Nu_mp = 118 (заниження на 22 %); при абсорбції О₂ води через її горизонтальну поверхню розбіжність розрахункових по рівняннях (4) і (6) при n = 1 та експериментальних даних складає 5,7%.

Для процесів переносу маси з основним опором в газовій фазі (СО₂) розглянуто два підходи:

перевірка адекватності рівнянь (1) і (3) розрахунками на ЕОМ з використанням коренів ; що досягається при наявності трьох коренів.

- перевірка адекватності рівняння (4) при n = 1 із заміною В і на емпіричні коефіцієнти [a] і [b] з метою спрощення розрахунків; для десорбції СО₂ з крапель.

Розділ п'ятий містить рекомендації з використання результатів роботи. Розроблено спосіб окислення забруднень і дезинфекції води та пристрій для його здійснення (рішення на видачу патента України по заявці № 95083666), який об'єднує два паралельно працюючі циркуляційні контури: флотаційний у складі приймального резервуару, флотатора, насосу та абсорбера; абсорбційний за схемою рис. 1, з циркуляційним насосом кавітаційного реактора (КР) і абсорбера флотаційного контуру. Вода неперервно подається у флотатор і після багатократної циркуляції в КР неперервно відводиться з абсорбера через зворотній клапан для запобігання проскоку повітря в насос. Перевагами цього способу є попереднє флотаційне вловлювання плаваючих та частина емульгованих нафтопродуктів і використання повітря, яке підсмоктується в контур кавітаційним реактором, стискується та розчиняється в абсорбері.

Відомі конструкції кавітаційних реакторів мають малі зазори між корпусом і перепоною для забезпечення швидкості обтікання 10 - 30 м/с. Це може вивести КР з роботи при наявності у воді крупних твердих частинок. У новій конструкції КР (рішення на видачу патента України № 9812454) перепона винесена з корпусу і закріплена на корпусі сопла для збільшення надійності роботи внаслідок суттєвого збільшення зазору. Крім того, він має простішу конструкцію і може монтуватися в трубопроводі.

На основі математичних моделей та експериментальних даних розроблено методики та приклад розрахунку крапельно-плівкового десорбера для СО₂ та КР для окислення нафтопродуктів. Розроблена безнасадкова конструкція десорбера СО₂ у вигляді стандартної труби діаметром 1420 мм і висотою 5 м з розбризкувачем .

Виконана загальна техніко - економічна оцінка результатів роботи за бальною системою, а також розраховано економічний ефект від впровадження 8 десорберів на Плугівському водозаборі м. Львова (92,6 тис. крб в цінах 1989 р. або біля 65 тис.дол.США). ДКП “Тернопільводоканал” передано пропозиції з використання цих десор-берів у проекті станції знезалізнення з очікуваним економічним ефектом 40-50 тис.дол. США за рахунок зменшення площі приміщень і маси піску.

абсорбція плівка нафтопродукт електролізер

ВИСНОВКИ

1.На підставі грунтовного аналізу літератури, патентів, пропозицій фірм показано, що для кондиціювання води з підземних джерел доцільно використати ресурсоощадні процеси та апарати для абсорбції О₂ і десорбції СО₂, H₂S в краплях і плівках, які утворюються при розбризкуванні води під мінімальними напорами до 0,5 м. Для окислення Fe²⁺ і нафтопродуктів доцільно дослідити можливість використання електролізу та кавітації замість ресурсоємного озонування.

2.У дисертації наведені теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі, що виявляється в удосконаленні існуюючих і розробці нових методів та апаратів для кондиціювання питної і стічних вод, їх методик розрахунку на підставі теоретичних та експериментальних досліджень кінетики масообміну та окислення з метою економії ресурсів (сировини, матеріалів, електроенергії, коштів).

3. Головні наукові результати наступні:

3.1. В теоретичній частині роботи розроблені вперше:

- найбільш прогностичні структурні математичні моделі кінетики процесів абсорбції та десорбції: з крапель при основному опорі переносу маси в газовій фазі; через горизонтальну поверхню рідини при основному опорі переносу маси в рідині; чисельним методом розв'язане диференціальне рівняння конвективної дифузії в плівках для випадків основного опору переносу маси в газі; обгрунтовано можливість використання математичних моделей кінетики масообміну в пористих кулях твердих речовин Аксельруда Г.А. та Рудобашти С.П. для опису процесів масообміну, коли основний опір переносу зосереджено в рідині;

- теоретично обгрунтована методика визначення концентрації нафтопродуктів по електричному опору емульсії, яка дозволяє відмовитись від хімічного аналізу з використанням шкідливих для здоров'я реагентів (ефірів);

- запропонована теоретично обгрунтована спрощена методика розрахунку коефіцієнтів масовіддачі в краплях і плівках по експериментальних даних на основі закону Фіка.

3.2. В експериментальній частині роботи вперше отримано наступні результати:

визначено діаметри крапель, які утворюються при витіканні з отворів діаметром 2 -

6 мм, швидкості їх падіння та час перебування в повітрі; визначено товщину плівок;

швидкості їх руху та час стікання при лінійній густині зрошування q

м²/с і висоті труби Н = 2 - 6,5 м;

експериментальні результати показали можливість досягнення ступенів десорбції СО₂

з крапель і плівок = 0,55 - 0,6. Вони узагальнені з визначенням коефіцієнтів масовіддачі та дифузійних чисел Fo_m і Nu_m, які входять у математичні моделі. По цих даних перевірено математичні моделі на адекватність і показана можливість їх використання для інженерних розрахунків апаратів з відносною похибкою 22 % для крапель і 10,7 % для плівок;

- вивчена кінетика окислення Fe²⁺ в електролізерах з плоским та гострим анодом, визначено константи швидкості окислення для розрахунку апаратів. Показано, що ефект окислення вищий в електролізері з плоским анодом при оптимальній віддалі між електродами 4 - 5 см;

- доведена доцільність фінішного окислення Fe²⁺ та нафтопродуктів у кавітаційному реакторі, визначено коефіцієнти швидкості окислення для розрахунку реакторів;

- розроблені методики та приклади розрахунку крапельно-плівкових десорберів і кавітаційних реакторів;

- розроблено спосіб та апарат для окислення забруднень води з використання кавітаційного реактора, на які одержано рішення на видачу патенту по заявці № 950836- 66 та патенту на КР по заявці № 9812454.

- впроваджено крапельно-плівковий апарат для десорбції СО₂, H₂S та окислення Fe²⁺ на Плугівському водозаборі м. Львова з економічним ефектом 92,6 тис.крб. в цінах 1989 р. (біля 65 тис. доларів США) з часткою автора 25 % та передано ДП “Тернопільво-доканал” для використання в проекті станції знезалізнення з очікуваним економічним ефектом 40 - 50 тис.дол. США.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1.Мазяк З.Ю., Карпінська І.А., Завойко Б.М. Математична модель процесу дифузії кисню в біологічному ставку періодичної дії. // Вісник ТДТУ.- 1997,- Т.2 - Ч.1.- С. 69-73.

2.Карпінська І.А. , Кравчук О.О., Слотюк О.Г. Гідродинаміка аераторів з розбризкуванням води через перфоровані днища. // Вісник ТДТУ. - 1998. - Т.3, - Ч.3. - С.

125-129.

3.Мазяк З.Ю. , Карпинская И.А. Математическая модель процесса десорбции газов из воды в вертикальном пленочном аппарате// “ Химия и технология воды “. - Киев. - 1998. Т.20, - №4. - С. 346 - 353.

4.Завойко Б.М., Тіхонова І.А., Тазалова Н.М., Карпінська І.А. Знезалізнення води при її розбризкуванні. // Вісник ДУ "Львівська політехніка". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація, 1999, № 378. - С. 40 - 43.

5.Молчанов А.Д. , Тазалова Н.М. , Вітенько Т.М. , Карпінська І.А. Використання гідродинамічного озонатора для очищення та дезинфекції стічних вод . // Доповіді на Українсько-Польській науково-технічній конференції "Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод” - Львів. - 1996.- С. 349 - 356 .

6.Вітенько Т.М. , Карпінська І.А., Пилипець О.С. Використання гідродинамічного кавітаційного озонатора для покращення екологічного становища у машинобудуванні . // Тези доповідей на 3-му міжнародному симпозіуму українських інженерів-механіків. - Львів. - 1997. - С. 182 - 183.

7.Молчанов А.Д. , Витенько Т.Н. , Карпинская И.А. Способ обработки питьевой и сточных вод в гидродинамическом кавитационном реакторе. // Тезисы докладов 3-го международного конгресса “ Вода : экология и технология “ , ЭКВАТЄК - 98 . - Москва. - С. 282 -283.

7. Вітенько Т.М. , Карпінська І.А., Лясота О.М. Дослідження очищення стічних вод від нафтопродуктів в кавітаційному реакторі. Тези доповідей 2 Всеукраїнської конференції студентів , аспірантів та молодих вчених у НТУ “ Київський політехнічний інститут. - Київ, 1999. - С. 44 -45.

8. Молчанов А.Д., Карпінська І.А., Чорномаз Н.Ю., Тазалова Н.М. Ресурсоощадний процес окислення двовалентного заліза води в електролізері. // Тези доповідей Х міжнародної конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ІССЕ - 99). - Львів, - 1999.- С. 115 -116.

10. Неоніла Тазалова, Інга Карпінська. Ресурсоощадний процес знезалізнення води з під- земних джерел. // Доповіді на польсько-українському симпозіумі "Виклик комунальним системам водопровідно-аналізаційного господарства на порозі ХХІ століття". - Познань - Ржешув - Львів, - 1999. - С. 63 - 65.

11. Н. Тазалова, І. Карпінська, Б. Завойко, Н. Чорномаз. Випробування процесу знезалізнення води з підземних джерел в краплях. Тези доповіді на IV науково-технічній конференції Тернопільського державного університету "Прогресивні, матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні", Тернопіль, 17 - 19.05. 2000. - С. - 162.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

d₀, d_k - діаметри отворів та крапель, м;

h - напір перед отвором, м ;

H - висота плівки, глибина резервуару, м;

W_к, W_пл - швидкість падіння струмин, крапель та стікання плівки, м/с ;

Q - витрата води, м³/с ;

- коефіцієнти швидкості та витрати води через отвір ;

,- коефіцієнти кінематичної в'язкості газу та рідини, м²/с ;

- коефіцієнт стискання струмини, ступінь абсорбції, десорбції, окислення ;

- поверхневий натяг рідини, Н/м ;

- густина газу та рідини, кг/м³ ;

- число Вебера ;

- число Лапласа;

q - лінійна густина зрошення ;

,- коефіцієнти масовіддачі в рідкій та газовій фазах, м/с;

- товщина плівки, м;

, - числа Нуссельта для плівки і для краплі ; С_г - концентрація компонента в газі, мольні частки;

С_рп, С_рк, С_s - початкова, кінцева та рівноважна концентрації розчиненого газу в рідині, кг/м³ ;

D - коефіцієнт дифузії в рідині, м²/с;

Fo_m = , - числа Фур'є для крапель і плівки;

F - поверхня плівки,м²;

- корінь характеристичного рівняння;

x - віддаль по нормалі до поверхні, м;

E - коефіцієнт Генрі, Н/м²;

P - загальний тиск, Н/м²;

k - константа швидкості реакції, с^-1;

n - порядок реакції; a, b - емпіричні константи; m - коефіцієнт розподілу.

Размещено на Allbest.ru

...