Обґрунтування режимних характеристик виморожуючих установок для опріснення та очищення природної і промислової води
Моделювання теплофізичних властивостей та кріоскопічної різниці температур сольових розчинів та процесів масообміну при блочному виморожуванні води із них в умовах природної та вимушеної конвекції. Аналіз кінетики процесу сепарування та опріснення води.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | автореферат |
Язык | украинский |
Дата добавления | 10.09.2014 |
Размер файла | 55,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Спеціальність 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв
Обґрунтування режимних характеристик виморожуючих установок для опріснення та очищення природної і промислової води
Виконала Євдокимова Оксана Олександрівна
Одеса-2007
АНОТАЦІЯ
Євдокимова О.О. “Обґрунтування режимних характеристик виморожуючих установок для опріснення та очищення природної і промислової води”.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв, Одеська національна академія харчових технологій, Одеса, 2007.
Представлені результати математичного та експериментального моделювання теплофізичних властивостей та кріоскопічної різниці температур сольових розчинів, а також процесів тепло- і масообміну при блочному виморожуванні води із них в умовах природної та вимушеної конвекції. Наведені результати експериментальних досліджень полів температур і концентрацій в блочному виморожувачі, кінетики процесу сепарування, зміни хімічного складу природних і промислових вод до і після блочного виморожування. Результати узагальнення експериментальних досліджень представлені у вигляді рівнянь для розрахунку кріоскопічної різниці температур для морської води Чорного моря та промислових стоків, рівняння для розрахунку густини промислових стоків, критеріальних рівнянь для розрахунку коефіцієнтів тепло- і масовіддачі при блочному виморожуванні води із розчинів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину. Наведено методики розрахунку кінетичних, конструктивних та техніко-економічних параметрів блочного виморожувача та обґрунтовані режими його роботи при опріснені та очищені природних і промислових вод.
виморожування вода конвекція сепарування
1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Україна відноситься до країн, малозабезпечених ресурсами прісної води. Разом з тим, розвиток промисловості, техногенні аварії, зростання міст та покращення побутових умов для населення сприяють інтенсивному забрудненню природних водоймищ, підвищенню їх мінералізації і збільшенню дефіциту прісної води. Ще однією проблемою для України є низька якість питної води. Обумовлено це не тільки забрудненістю джерел питного водозабеспечення, а і незадовільним станом ряду очисних споруд та воднотранспортних мереж. Згідно інформаційних джерел, сьогодні до 45 % населення України, переважно в промислово - розвинутих регіонах споживає питну воду, що не відповідає існуючим стандартам і є причиною серйозних захворювань. Крім того, використання неякісної питної води при виробництві алкогольних і безалкогольних напоїв, відновлених соків та інших концентрованих продуктів негативно відображається на їх якості. В ситуації, що склалася, актуальними є дослідження, пов'язані із розробкою та вдосконаленням обладнання для опріснення природних і промислових вод, а також для доочищення питної води в побутових і промислових умовах. Підтвердженням цього є затверджена загальнодержавна програма “Питна вода в Україні” терміном на 2006…2020 роки.
Оскільки високомінералізована і питна вода, а також промислові стоки є водними розчинами неорганічних і органічних речовин, то для їх опріснення та доочищення використовуються процеси, метою яких є розділення розчину на чисту (або умовно чисту) воду та концентрат домішок. Одним із таких процесів є процес виморожування. Цей процес сьогодні широко не застосовується, однак ряд таких його переваг, як низька енергоємність процесу кристалізації води й унікальні властивості вимороженої води викликають до нього інтерес і є передумовою його подальшого вдосконалення.
Серед виморожуючих установок особливе місце займають установки, які здійснюють спрямовану кристалізацію води із розчину на теплопередаючій поверхні. До класу таких установок відноситься блочний виморожувач, розроблений в ОНАХТ. Застосування блочних виморожувачів для опріснення та доочищення природної води і промислових стоків стримується відсутністю методик розрахунку процесів тепло- і масообміну при блочному виморожуванні води із сольових розчинів, а також відсутністю обґрунтованих режимних характеристик процесу.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення методики розрахунку та обґрунтування режимних характеристик блочних виморожувачів для опріснення та очищення природної і промислової вод.
Для досягнення поставленої мети необхідно:
виконати аналітичне та експериментальне моделювання теплофізичних властивостей сольових розчинів, а також експериментальні дослідження кріоскопічних умов сольових розчинів;
вдосконалити математичну модель процесів тепло- і масопереносу при блочному виморожуванні води із сольових розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину;
виконати експериментальні дослідження кінетики процесів блочного виморожування води із сольових розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину;
узагальнити результати експериментальних досліджень;
визначити закономірності зміни фізико-хімічних показників сольових розчинів в процесі блочного виморожування;
розробити методику розрахунку блочного виморожувача для опріснення природних і промислових вод та доочищення питної води;
оптимізувати та обґрунтувати режимні характеристики процесу.
Об'єкт дослідження - процеси тепло- і масопереносу при блочному виморожуванні води із розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину.
Предмет дослідження - кінетика процесів блочного виморожування води із сольових розчинів, режимні характеристики процесу.
Методи досліджень - теорія подібності і метод аналізу розмірностей, методи теплофізичного моделювання; сучасні експериментальні методи з використанням контрольно-вимірювальних приладів; аналітичні дослідження з використанням обчислювальної техніки.
Наукова новизна одержаних результатів. В результаті аналітичних та експериментальних досліджень вперше:
- визначено рівняння для розрахунку густини промислових стоків виноробного підприємства в залежності від масової частки розчинних речовин та температури розчину, а також отримана кріоскопічна крива промислових стоків виноробного підприємства і уточнена кріоскопічна крива для морської води Чорного моря;
- отримані графічні залежності, що відображають кінетику процесів блочного виморожування води із сольових розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину;
- отримані критеріальні рівняння для розрахунку коефіцієнтів тепло- і масовіддачі в розчині при блочному виморожуванні води із сольових розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину;
- визначені фізико-хімічні показники зразків водопровідної, колодязної, морської вод та стоків виноробного підприємства до та після блочного виморожування.
Практичне значення одержаних результатів. На основі виконаних аналітичних і експериментальних досліджень розроблені методики та алгоритми для розрахунку: теплофізичних властивостей сольових розчинів; кріоскопічних температур сольових розчинів; процесів тепло- і масопереносу при блочному виморожуванні води із сольових розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину; конструктивних та техніко-економічних характеристик установки, які можуть використовуватися для проектування блочних виморожувачів.
В результаті проведеної оптимізації отримані доцільні режими роботи блочних виморожувачів для опріснення природної та промислової води та доочищення питної води. Отримано позитивне рішення на спосіб опрісненої води шляхом блочного виморожування.
В умовах лабораторії Українського науково-дослідного інституту медицини та транспорту (м. Одеса) отриманні характеристики хімічного складу природних та промислових вод до і після блочного виморожування. Дослідженнями підтверджено ефективність застосування цього способу для опріснення та доочищення води.
2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, показано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача в проведених дослідженнях та публікаціях за темою дисертаційної роботи.
В першому розділі “Стан питання по використанню виморожуючих установок для опріснення і доочищення природних і промислових вод” показано, яке значення вода має у життєдіяльності людини, сучасний рівень стану водних ресурсів, а також вплив якості природних і промислових вод на здоров'я людини, навколишнє середовище та технологічні процеси. Наведена характеристика способів опріснення та доочищення природних і промислових вод. Показано, що спосіб виморожування є перспективним для вирішення цих задач. Представлені теоретичні та технічні основи застосування виморожуючих установок для розділення сольових розчинів. Наведена характеристика, принцип роботи та відзначені переваги блочного виморожувача серед інших виморожуючих установок. В результаті аналізу робіт, присвячених вивченню процесів блочного виморожування (Бурдо О.Г., Аль-згул-Бассам, Коваленко О.О, Мілінчук С.І., Мординский В.П. та ін.) сформульовані задачі досліджень, які необхідно вирішити щоб створити методики розрахунку, вдосконалити та обґрунтувати режимні характеристики блочних виморожувачів для опріснення природних і промислових вод, а також доочищення питної води.
У другому розділі “Моделювання процесів блочного виморожування води із сольових розчинів” наведено фізичні моделі процесів блочного виморожування води із сольових розчинів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину. На основі уявлень про фізичні моделі, представлені рівняння матеріального і теплового балансу. Кінетика процесів тепло- і масообміну в блочному виморожувачі відображена рівняннями потоків теплоти і маси в структурних елементах моделі. Аналіз кінетичної моделі показав, що для практичного її застосування необхідним є визначення середніх коефіцієнтів тепло- (, Вт/ (м2К)) і масовіддачі (, м/с) у розчині. Також необхідними є відомості про теплофізичні властивості розчину (густину (ср, кг/м3); динамічний коефіцієнт в'язкості (мр, кг/(мс)); питому теплоємність (, Дж/(кгК)); коефіцієнт теплопровідності (лр, Вт/(мК)), температурний коефіцієнт об'ємного розширення (гр, К-1) і кріоскопічну температуру (tкр, °С)). Для визначення коефіцієнтів і в умовах природної конвекції використовувались рівняння традиційної структури, а саме для розрахунку тепловіддачі
,
а для розрахунку масовіддачі
.
В цих рівняннях Sh, Gr, Sc, Nu, Pr- числа подібності Шервуда, Грасгофа, Шмідта, Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля, відповідно, а С, А, а, d - константи та показники степеню, що визначаються експериментально і відображають особливості тепло- і масовіддачі в розчині в умовах блочного виморожування.
Для умов механічного перемішування розчину вид рівнянь для розрахунку і було отримано з використанням принципів теорії подібності і методу аналізу розмірностей. При формуванні рівняння для розрахунку тепловіддачі в розчині в якості незалежних змінних були прийняті наступні параметри: товщина зазору між внутрішньою стінкою ємності для розчину і фронтом кристалізації (др, м); діаметр мішалки (dм, м); частота обертів мішалки (nмеш., с-1); ср; мр; ; лр. Після розв'язання системи рівнянь, складеної для основних одиниць, і пошуку комбінацій одержано структуру рівняння в узагальнених змінних для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі:
, (1)
де С, d, f, a, - константа та показники степеню, що визначаються в результаті математичної обробки комплексу експериментальних даних; К - безрозмірний параметр, який розраховується наступним чином:
.
При формуванні рівняння для розрахунку масовіддачі в розчині в якості незалежних змінних були прийняті наступні параметри: др; dм; nміш; ср; мр; коефіцієнт дифузії компоненту, який переважає у розчині (D, м2/с). Аналогічним чином, як і у випадку з визначенням залежності для коефіцієнту тепловіддачі, було одержано структуру рівняння в узагальнених змінних для розрахунку коефіцієнта масовіддачі:
(2)
де А, с, h, b - константа та показники степеню, що визначаються в результаті математичної обробки комплексу експериментальних даних.
В якості визначаючих параметрів при розрахунку тепло- і масовіддачі в розчині як для умов природної конвекції, так і для умов механічного перемішування розчину використовувались температура, масова частка розчинних речовин і конструктивний розмір. Для розрахунку теплофізичних властивостей морської води, модельних розчинів NaCl та питної води наведені рівняння, які отримані в результаті математичної обробки літературних даних.
Представлені методики експериментального моделювання коефіцієнтів тепло- і масовіддачі в розчині при блочному виморожуванні з нього води в умовах природної конвекції і при механічному перемішуванні. Також наведені методики для визначення: кріоскопічних температур сольових розчинів; характеристик розчинів (температури, маси, об'єму, масової частки розчинних речовин у розчині) і блоку льоду (висоти, діаметру), а також конструктивних елементів установки (діаметру та висоти кристалізатора і ємності для розчину). Представлені методики узагальнення експериментальних досліджень процесів тепло - і масовіддачі в розчині. Наведені методики оцінки похибок досліджень.
У третьому розділі “Експериментальні дослідження процесів тепло- і масообміну при блочному виморожуванні води із сольових розчинів” представлені результати експериментальних досліджень кріоскопічних температур сольових розчинів та густини. Також представлені результати експериментальних досліджень кінетики процесів блочного виморожування в умовах природної конвекції і при механічному перемішуванні розчину. Наведені результати узагальнення експериментальних досліджень.
Експериментальні дослідження кріоскопічних температур (tкр, °С) проводились для морської води Чорного моря (м. Одеса) і промислових стоків виноробного підприємства, що утворюються після миття тари і обладнання (м. Одеса). Результати цих досліджень представлені у вигляді кривих охолодження і кріоскопічних кривих.
В результаті математичної обробки експериментальних даних за кріоскопічними дослідженнями отриманні рівняння для розрахунку tкр, °С:
- морської води:
tкр= - 0,0084· + 0,0074·- 0,9524·, (3)
- стоків виноробного підприємства:
tкр = -2,0267· + 10,486· - 12,72· - 2,4398·, (4)
Рівняння (3) справедливе в діапазоні зміни щр-ну від 1 до 5 %, а рівняння (4) в діапазоні зміни щр-ну від 0,1 до 1 %. Відносна похибка розрахунків за рівнянням (3) складає 0,7 %, а за рівнянням (4) - 2,3 %. При експериментальних дослідженнях густини стоків виноробного підприємства (ср, кг/м3) вивчався вплив tр-ну і щр-ну на зміну значення цього показника. В результаті математичної обробки експериментальних даних отримано:
ср = 999,6 + 0,04·tр-ну - 24,6·щр-ну - 0,0053·- 0,33·t р-ну ·щр-ну + 310,6·, (5)
Метою кінетичних досліджень процесів блочного виморожування води із сольових розчинів в умовах природної конвекції було визначення впливу початкової масової частки розчинних речовин розчину (щп.р-ну, %), температурного режиму роботи установки (tхл, °C), а також конструктивних параметрів установки, а саме діаметру та висоти кристалізатора (dк, hк, м) і діаметру ємності (dє, м) на поточні значення: щр-ну, tр-ну, маси розчину (mр-ну, кг), об'єму розчину (Vр-ну, м3), діаметру (dльоду, м) і висоти блоку льоду (hльоду, м). На основі отриманих даних розраховувалися: ступінь концентрування розчину (щр-ну/щп.р-ну), масова частка розчинних речовин розплаву блоку льоду (щльоду, %), об'єм (Vльоду, м3) і маса блоку льоду (mльоду, кг).
Також метою кінетичних досліджень було вивчення характеру радіального розподілу температур і концентрацій в структурних елементах блочного виморожувача. Діапазон зміни режимних параметрів кінетичних досліджень процесів блочного виморожування води із сольових розчинів в умовах природної конвекції представлено в табл. 1.
Таблиця 1. Діапазон зміни режимних параметрів в кінетичних дослідженнях
Параметри |
Розчин |
||||
модельний розчин NaCl |
морська вода |
стоки виноробного підприємства |
водопровідна вода |
||
щп.р-ну, % |
0,002 - 0,25 |
1 - 1,25 |
0,15- 0,19 |
0,04 |
|
tп.р-ну, єС |
5,5 - 21,5 |
7 - 15,6 |
4,7 - 10,5 |
12 |
|
Vп.р-ну, 10-3 м3 |
0,2 - 1,5 |
1 - 1,5 |
1 - 1,5 |
1 |
|
tхл, єС |
-2,5 - -7 |
-4,5 - -6,6 |
-5 - -10 |
-3,5 - -7 |
Дослідження кінетики процесів тепло- і масообміну в блочному виморожувачі здійснювались на модельних розчинах NaCl, морській воді, стоках виноробного підприємства, водопровідній воді. Експериментальні дослідження проводились на трьох установках, які відрізнялися конструктивними розмірами та системами охолодження. В розділі наведені їх схеми та характеристика. Деякі результати експериментальних досліджень процесів блочного виморожування води із сольових розчинів в умовах природної конвекції представлені у вигляді графічних залежностей. Залежності відображають зміну кінетичних параметрів розчину і блоку льоду протягом процесу виморожування.
Таблиця 2. Характеристика розчинів
№ |
Розчин |
щп.р-ну, % |
Vп.р-ну, м3 |
tхл., єС |
dк, м |
dє, м |
|
1 |
модельний розчин NaCl |
0,1 |
0,2510-3 |
-3,5 |
0,018 |
6,510-2 |
|
2 |
-5 |
||||||
3 |
-7 |
||||||
4 |
0,02 |
-5 |
|||||
5 |
0,25 |
-5 |
|||||
6 |
0,1 |
-5 |
510-2 |
||||
7 |
морська вода |
1 |
110-3 |
-6 |
8,510-2 |
||
8 |
-5 |
||||||
9 |
стоки виноробного підприємства |
0,19 |
110-3 |
-5 |
|||
10 |
морська вода |
1,27 |
1,510-3 |
-5 |
0,045 |
1510-2 |
Аналіз результатів кінетичних досліджень процесів тепло- і масообміну в блочному виморожувачі в умовах природної конвекції, дозволив сформулювати характерні закономірності цих процесів:
– із зниженням tхл збільшується швидкість охолодження розчину, при цьому конструктивні параметри блоку льоду збільшуються, а щр-ну/ щп.р-ну зменшується;
– із зростанням щп.р-ну зменшується щр-ну/ щп.р-ну, збільшується щльоду., а охолодження розчину та інтенсивність виморожування води із розчину відбувається більш повільніше;
– із зменшенням dє зростає швидкість охолодження розчину та виморожування з нього води відбувається більш інтенсивніше, але вміст розчинних речовин у розплаві блоку льоду також зростає.
В розділі також наведені результати хімічних досліджень зразків водопровідної води (м. Одеса), морської води Чорного моря, стоків виноробного підприємства, колодязної води (с. Олександрівка, Одеської обл.) до та після блочного виморожування. Аналіз цих досліджень показав, що блочне виморожування є ефективним при очищенні таких розчинів. Наприклад, результати хімічного аналізу колодязної води, показали, що суттєво знизився вміст кальцію, магнію, гідрокарбонатів, хлоридів, нітратів, заліза, сульфатів і практично не змінився вміст алюмінію та показник рН.
В результаті досліджень характеру радіального розподілу температур в структурних елементах блочного виморожувача “ізоляція-стінка ємності для розчину - розчин - блок льоду - стінка кристалізатора - холодоносій” і концентрацій в розчині отриманні залежності.
Аналіз цих досліджень дозволив зробити наступні висновки:
– температурне поле в блочному виморожувачі нерівномірне;
– в перші 30…60 хв процес виморожування відбувається при значному градієнті температур між температурою розчину і температурою теплопередаючої поверхні. При цьому інтенсивність охолодження розчину і блоку льоду висока, а зміна масової частки розчинних речовин у розчині дуже не значна, хоча поблизу приграничного шару вона в 1,6…1,7 рази вище, ніж у розчині. Очевидно, що в блок льоду переходить значна кількість розчинних речовин розчину. Це обумовлює зменшення коефіцієнту теплопровідності вимороженого шару, зниження швидкості охолодження розчину і виморожування з нього води.
– наступний період процесу характеризується зниженням інтенсивності теплових процесів і підвищенням інтенсивності переносу розчинних речовин від приграничного шару в розчин. Підтвердженням цього є зростання масової частки розчинних речовин у розчині і зниження кількості розчинних речовин, які потрапляють у блок льоду.
Представлені результати досліджень кінетики процесу сепарування блоку льоду. Вивчався вплив температурного режиму процесу сепарування на зміну кінцевих параметрів блоку льоду (щк.льоду, Vк.льоду). Аналіз цих досліджень показав, що із зниженням температурного режиму процесу сепарування, підвищується якість очищення блоку льоду від розчину, який знаходиться в його порах. Однак при цьому тривалість процесу сепарування збільшується. Дослідження полів температур і концентрацій, а також кінетики процесу сепарування показали необхідність інтенсифікації процесів тепло- і масообміну в блочному виморожувачі з метою впливу на приграничний шар для зменшення масової частки розчинних речовин в ньому. Показано, що одним із шляхів вирішення такої задачі є організація процесу блочного виморожування з механічним перемішуванням розчину.
В розділі наведена характеристика експериментального стенду і методика досліджень. Метою експериментальних досліджень кінетики блочного виморожування води із сольових розчинів при механічному перемішуванні розчину було вивчення впливу частоти обертів мішалки (nміш, об/хв) на зміну поточних значень параметрів розчину (щр-ну, tр-ну, Vр-ну) та блоку льоду (dльоду hльоду). На основі отриманих даних розраховувалися наступні параметри: щр-ну/ щп.р-ну , щльоду, Vльоду, mльоду. Діапазон зміни режимних параметрів процесу наведено в табл. 3. Число Reм (табл. 3) відповідає початковим умовам процесу.
Таблиця 3. Діапазон зміни режимних параметрів
Параметри |
№ кривої |
|||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
||
щп.р-ну, % |
0,1 |
0,25 |
||||||
tп.р-ну, єС |
21,2 |
20,9 |
21,2 |
21,2 |
21,2 |
23 |
22,9 |
|
nміш, об/хв |
100 |
240 |
380 |
520 |
660 |
380 |
660 |
|
Число Рейнольдса, Reм |
543 |
1300 |
2050 |
2830 |
3570 |
2100 |
3700 |
Дослідження проводилися на модельному розчину NaCl, при tхл. = -5 єС; Vп.р-ну = 0,00025 м3. Результати експериментальних досліджень процесів виморожування при механічному перемішуванні розчину представлені у вигляді графічних залежностей. Аналіз результатів цих досліджень дозволив сформулювати наступні характерні закономірності:
– в діапазоні 100 nміш 660 об/хв ступінь концентрування розчину збільшується, інтенсивність охолодження розчину і виморожування води із нього підвищується.
– при подальшому збільшені nміш інтенсивність процесу теплообміну зростає, а масообміну зменшується. Свідченням цього є зменшення ступеня концентрування розчину і збільшення масової частки розчинних речовин в блоці льоду.
В результаті математичної обробки кінетичних експериментальних досліджень розраховані (при tхл. = -5 єС, щп.р-ну = 0,1 % і Vп.р-ну = 0,00025 м3) середні значення і для умов природної конвекції у розчині і при його механічному перемішуванні. Результати порівняння експериментальних і розрахункових значень і представлені на рис. 8 і в табл. 4. Порівняльний аналіз показав, що використання механічного перемішування при блочному виморожуванні води із сольових розчинів інтенсифікує процеси тепло- і масовіддачі в 1,5…1,7 рази і 2,2…2,5 рази відповідно.
Таблиця 4. Порівняльний аналіз для умов природної конвекції у розчині і при його механічному перемішуванні
ф, с |
, Вт/(м2К) |
||
nміш = 520 об/хв |
без перемішування |
||
600 |
620,2 |
365,9 |
|
1200 |
8,06 |
10,5 |
|
1800 |
1,18 |
4,28 |
|
5400 |
0,03 |
0,24 |
Експериментальні дослідження по тепло- і масовіддачі в сольових розчинах при блочному виморожуванні з них води узагальненні у вигляді критеріальних рівнянь. Результати узагальнення наведені в табл. 5.
Таблиця 5. Результати узагальнення експериментальних даних
Рівняння |
Діапазон зміни чисел подібності, похибка рівняння |
|
Блочне виморожування в умовах природної конвекції у розчині |
||
тепловіддача в розчині: |
660<<23,6105; 8,2·10-4< Nu <18 похибка рівняння - 13 % |
|
масовіддача в розчині: |
15·105<(Gr·Sc)<27·106; 260<<3220, похибка рівняння - 8 % |
|
Блочне виморожування при механічному перемішуванні розчину |
||
тепловіддача в розчині: |
400 < Reм < 3700; 8,6 < Pr < 13; 0,525 <К< 0,875; 1,410-2 < Nu < 28, похибка рівняння - 16 % 400 < Reм < 3700; 8,6 < Pr < 13; 0,142 <К< 0,525; 310-4 < Nu < 1,410-2, похибка рівняння - 18 % |
|
масовіддача в розчині: |
400 < Re< 3700; 1114 < Sc<1338; 0,142<К<0,875; 1010<<11000, похибка рівняння - 12 % |
У четвертому розділі “Інженерні методи розрахунку блочних виморожувачів води із сольових розчинів” представлена загальна структура розрахунку блочного виморожувача, а також методики і алгоритми для розрахунку: теплофізичних властивостей і кріоскопічних температур сольових розчинів; кінетики процесів тепло- і масообміну в блочному виморожувачі для умов природної конвекції в розчині і при його механічному перемішуванні; конструктивних розмірів, холодопродуктивності, потужності та техніко-економічних параметрів установки. Методики базуються на результатах аналітичних та експериментальних досліджень, представлених в розділах 2 і 3.
Наведені результати порівняння експериментальних і розрахованих за методиками кінетичних параметрів процесу. Аналіз цих результатів показав, що розбіжність між експериментальними і розрахунковими значеннями параметрів знаходиться в прийнятних для технічних розрахунків межах.
Для визначення раціонального режиму роботи блочного виморожувача була проведена оптимізація режимних характеристик установки. В якості критерію оптимізації було прийнято питому собівартість 1 м3 вимороженої води (С, грн/м3). Метою оптимізації було визначення температурного режиму і режиму перемішування, при яких критерій оптимізації має мінімум. Для визначення оптимальних режимів роботи блочного виморожувача проводили серію комп'ютерних експериментів. Аналіз результатів цих експериментів показав, що при tхл.= -5 єС критерій оптимізації має мінімум, рис. 9.
Аналіз результатів оптимізації режиму роботи блочного виморожувача при механічному перемішуванні розчину, показав, що питома собівартість 1 м3 вимороженої води має мінімум Reм = 2830.
Таким чином, встановлено, що раціональними режимами блочного виморожування води із природних і промислових вод з метою їх опріснення та очищення є температурний режим роботи установки, який відповідає tхл.= -5 єС для умов природної конвекції в розчині, а для умов механічного перемішування раціональним є режим, який відповідає Reм = 2830.
ВИСНОВКИ
1. В роботі, на основі аналітичних і експериментальних досліджень, оптимізації та апробації експериментальних апаратів доведено, що блочні виморожувачі є перспективними для опріснення та очищення природних і промислових вод. Розроблена методика розрахунку блочних виморожувачів та обґрунтовані їх режимні характеристики.
2. Отримано експериментальні моделі кріоскопічних температур у вигляді регресійних рівнянь з урахуванням масової частки розчинних речовин у розчині для стоків виноробного підприємства в діапазоні від 0,1 до 1 % і для морської води Чорного моря від 1 до 5 %. Також отримано регресійне рівняння для розрахунку густини промислових стоків виноробного підприємства з урахуванням масової частки розчинних речовин у розчині в діапазоні від 0,1 до 1 % та температур від 0 до 15 °C.
3. Встановлені кінетичні закономірності процесів тепло- і масообміну при блочному виморожуванні води із сольових розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів в умовах природної конвекції:
– при підвищенні початкової масової частки розчинних речовин у розчині в 2,5… 12,5 рази ступінь концентрування розчину зменшується в 1,14…1,54 рази, розчин охолоджується повільніше в 2…2,2 рази, а інтенсивність виморожування води із розчину зменшується в 1,1…1,6 рази;
– при зниженні температурного режиму роботи установки в 2 рази ступінь концентрування розчину зменшується в 1,05…1,12 рази, кінцева температура розчину - в 2,1 рази, а кінцева маса розчину - в 1,17 рази;
– при зменшенні діаметру ємності в 1,3 рази розчин охолоджується швидше і інтенсивність виморожування води із розчину зростає в 1,96 - 2,55 рази.
4. Встановлено, що в процесі блочного виморожування кольоровість і мутність, наприклад колодязної води, знизилися у 2,5 рази, жорсткість у 5 разів, лужність у 2 рази, вміст кальцію, натрію, гідрокарбонатів, хлоридів, нітратів, сульфатів у 4…7,5 рази, а нітритів у 10 разів, що підтверджує ефективність блочного виморожування для опріснення та очищення природних і промислових вод.
5. Встановлено, що масова частка розчинних речовин поблизу приграничного шару протягом першого періоду процесу в 1,6…1,7 разів перевищує масову частку розчинних речовин у розчині. Це є причиною погіршення якості опріснення розчину і вказує на необхідність інтенсифікації процесів тепло- і масообміну в блочному виморожувачі.
6. Встановлено вплив режиму перемішування на кінетичні закономірності процесів блочного виморожування води із сольових розчинів на поверхні вертикальних кристалізаторів:
– в діапазоні 100 nміш 660 об/хв ступінь концентрування розчину зростає в 1,4 рази, а масова частка розчинних речовин у блоці льоду зменшується в 1,5 рази, розчин швидше охолоджується і інтенсивність виморожування води із розчину підвищується в 1,4 рази;
– при подальшому збільшені частоти обертів мішалки, інтенсивність процесів теплообміну зростає, а масообміну - зменшується.
7. Отримано критеріальні рівняння для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі і масовіддачі при блочному виморожуванні води із сольових розчинів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину.
8. Розроблена інженерна методика розрахунку блочного виморожувача, яка може використовуватись для проектування промислових установок та оптимізації їх режимних характеристик.
9. Обґрунтовані раціональні режимні характеристики блочного виморожувача, а саме для блочного виморожування при природній конвекції у розчині є режим при tхл.= - 5 єС, а при перемішуванні є режим, якому відповідає Reм = 2830.
10. Економічний ефект від впровадження блочного виморожувача (продуктивність - 0,25 м3 на добу за вимороженою водою, кількість робочих днів за сезон - 120) на базі відпочинку “Парус” становитиме 9000 грн., а сума економічного ефекту від впровадження блочного виморожувача (продуктивність - 0,7 м3/год за вимороженою водою) у схему водопідготовки на підприємстві АТ Миколаївський пивзавод “Янтар” становитиме 169 тис. грн., при цьому термін окупності становитиме 2,2 роки.
ПУБЛІКАЦІЇ
1. Евдокимова О.А. Применение метода вымораживания для водоподготовки в пищевых производствах / О.А. Евдокимова, Е.А. Коваленко // Зб. наук. пр. ОНАХТ - 2006. - Вип. 28. - Т. 1. - С. 110 - 115.
2. Евдокимова О.А. Экспериментальные исследования кинетики процессов опреснения морской воды и обезвоживания сточных вод методом блочного вымораживания / О.А. Евдокимова, Е.А. Коваленко // Зб. наук. пр. ОНАХТ - 2006. - Вип. 28. - Т. 2. - С.16 - 21.
3. Евдокимова О.А. Обобщение экспериментальных исследований процессов блочного вымораживания воды из солевых растворов в условиях механического перемешивания раствора / О.А. Евдокимова, Е.А. Коваленко // Зб. наук. пр. ОНАХТ - 2007. - Вип. 30, - Т. 1. - С.157 - 163.
4. Бурдо О.Г. Процессы низкотемпературного опреснения природных вод и обезвоживания промышленных стоков /О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко, О.А. Евдокимова // Харків: ХНТУСГ ім. Петра Василенка, 2006. - Вип. 45. - С. 108 - 114.
5. Коваленко О.О. Технології виморожування води із розчинів та їх роль у вирішені актуальних проблем харчових виробництв / О.О. Коваленко, О.О. Євдокимова, Л.П. Ремінна // Аграрний вісник Причорномор'я. Вип. 37. - Одеса: Імідж - Прес, 2007. - С. 134 - 137
6. Коваленко О. Кріотехнології. Можливості їх застосування у харчовій промисловості / О. Коваленко, О. Євдокимова, Л. Реміна // Харчова і переробна промисловість - 2007. - № 8 - 9. - С. 27 - 29.
7. Коваленко Е.А. Опреснение и очистка природных вод и промышленных стоков методом блочного вымораживания / Е.А. Коваленко, О.А. Евдокимова // Тези 71 наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті. - Київ, НУХТ. - Ч 2. - 2005. - С.127.
8. Коваленко Е.А. Вымораживающие установки для водоподготовки в пищевых производствах / Е.А. Коваленко, О.А. Євдокимова // Тези доп. Міжн. наук. - практ. конф. “Харчові технології - 2005”. - Одеса. 2005. - С. 25.
9. Євдокимова О.О. Блочні виморожувачі для опріснення природних вод і обезвоження промислових стоків / О.О. Євдокимова, О.О. Коваленко, О.Г. Бурдо // Тези доп. Міжн. наук.-техн. конф. “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка” - Донецьк: ДонДУЕТ, 2005. - С. 62 - 63.
10. Коваленко Е.А. Доочистка, обессоливание и обезвоживание солевых растворов пищевых производств методом блочного вымораживания / Е.А. Коваленко, О.А. Евдокимова, С.А. Малашевич // Тези доп. II Міжн. наук. - практ. конф. “Харчові технології - 2006”. - Одеса. - 2006. - С. 75.
11. Євдокимова О.О. Інтенсифікація процесів виморожування води із сольових розчинів / О.О. Євдокимова, О.О. Коваленко // Тези 73 наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті. - Київ, НУХТ. - 2007 - С. 147.
12. Євдокимова О.О. Розробка блочного виморожувача для знесолення високомінералізованих природних вод та обезвожування промислових стоків / О.О. Євдокимова, О.О. Коваленко // Збірка доп. VI Міжн. наук. конф. асп. і студ.“Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” - Т. 1 - Донецьк.: ДонНТУ, ДонНу, - 2007. - С. 116 - 117.
13. Євдокимова О.А. Проблема дефицита пресной воды и пути ее решения с помощью холодильных технологий / О.А. Євдокимова, Е.А. Коваленко // Зб. доп. III Міжн. наук. - практ. конф. “Наукові дослідження - теорія та експеримент 2007” - Т. 8. - Полтава. - 2007. - С. 22 - 26.
14. Позит. рішення на заявку № u 2007 03845 Спосіб отримання прісної води шляхом виморожування / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко, О.О. Євдокимова, заявл. 06.04.07., опубл.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Фізико-хімічні основи процесу очищення води методом озонування. Технологічна схема очищення з обґрунтуванням вибору основного обладнання. Принцип дії апаратів, їх розрахунок. Екологічне та економічне обґрунтування впровадження нового устаткування.
дипломная работа [635,2 K], добавлен 10.04.2014Залежність надійної та економічної роботи котельних установок від якості води для підживлення котлів. Природні води, домішки, які вони містять. Докотлова та внутрішньокотлова обробка води. Сепараційний пристрій відбійно-щитового типу для сепарації води.
реферат [2,0 M], добавлен 25.09.2009Огляд проблем, спричинених твердістю води. Аналіз фізико-хімічних властивостей води та забезпечення оцінювання якості. Дослідження імітансу води як багатоелементного двополюсника. Опис залежності параметрів імітансу комірки від частоти тестового сигналу.
презентация [470,5 K], добавлен 07.12.2015Характеристика природної води та її домішок, органолептичні та хімічні показники якості. Аналіз вимог до води за органолептичними, фізико-хімічними та токсичними показниками, методи її очистки для безалкогольного та лікеро-горілчаного виробництва.
реферат [46,9 K], добавлен 12.09.2010Фізико-хімічні основи вапнування, коагуляції та іонного обміну з метою освітлення, зм'якшування і знесолювання води. Технологічна схема і апаратурне оформлення процесу отримання знесоленої води методом іонного обміну. Характеристика системи PLANT SCAP.
курсовая работа [40,6 K], добавлен 06.04.2012Проектування і реалізація окремих елементів САУ процесу очистки води у другому контурі блоку №3 Рівненської АЕС. Розробка ФСА дослідженого технологічного процесу і складання карти технологічних параметрів. Проектування основних заходів з охорони праці.
дипломная работа [4,0 M], добавлен 25.08.2010Екологічні проблеми забруднення стічних вод. Вимоги до складу та властивостей стічних вод, які скидаються у міську каналізацію. Суть і сфери застосування технології біологічного очищення води. Обробка стічних хлором та речовинами, що його вміщують.
курсовая работа [113,9 K], добавлен 16.03.2011Аналіз призначення та загальні характеристики промислових контролерів. Особливості конструкції програмованого логічного контролера ОВЕН ПЛК. Схемотехнічна побудова модулів вводу-виводу програмованого контролера. Розробка системи керування рівнем води.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 22.07.2011Установка знешкодження води травильного відділення трубного виробництва як об'єкт автоматизації. Фізико-хімічні основи процесу. Апаратне оформлення технологічного процесу. Норми технологічного режиму. Розробка системи керування технологічним процесом.
реферат [41,3 K], добавлен 02.02.2014Типи водоспоживачів і режим водоспоживання. Визначення кількості води, що споживається, і режиму її витрачання на перспективний (розрахунковий) період. Системи та схеми водопостачання. Добування води, поліпшення її якості, зберігання і транспортування.
реферат [977,6 K], добавлен 26.09.2009Теоретичні основи абсорбції. Порівняльна характеристика апаратів для здійснення процесу абсорбції. Основні властивості робочих середовищ. Коефіцієнти Генрі для водних розчинів. Маса сірководню, яка поглинається за одиницю часу, витрата води на абсорбцію.
контрольная работа [98,1 K], добавлен 17.04.2012Розрахунок поверхневого протитечійного теплообмінника для підігріву водопровідної води скидною водою. Визначення середньологарифмічного температурного напору, числа і компоновки пластин в апараті. Особливості конструювання добового бака-акумулятора.
контрольная работа [172,3 K], добавлен 06.08.2013Класифікація сировини, її якість, раціональне і комплексне використання. Підготовка мінеральної сировини перед використанням (подрібнення, збагачення, агломерація). Застосування води в промисловості, способи очищення та показники, які визначають якість.
реферат [1021,5 K], добавлен 05.11.2010Гігієнічні вимоги до якості питної води з підземних джерел та показники її якості. Захист та охорона вiд забруднення джерел питного водопостачання. Функціонування водозабiрних споруд пiдземних вод. Причини зменшення продуктивності водозабірних свердловин.
реферат [2,9 M], добавлен 01.12.2010Основні переваги процесу екстракції, порівняно з іншими процесами розділення рідких сумішей. Розрахунок роторно-дискового екстрактора. Вибір конструкційного матеріалу екстракційної установки: термоміцна сталь Х18Н10Т і сталь 3сп. для виготовлення труб.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.09.2015Системи збору нафти, газу і води на нафтових промислах. Необхідність зменшення втрат вуглеводнів при зборі нафтопромислової продукції. Розробка та застосування групових напірних герметизованих систем збору. Вимір нафтопромислової продукції свердловин.
контрольная работа [192,6 K], добавлен 28.07.2013Характеристика умов випуску стічної води. Оцінка концентрацій забруднень в стоках. Визначення необхідного ступеня очистки за завислими і органічними речовинами. Розрахунок споруд для механічного, біологічного очищення та дезінфекції каналізаційних вод.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.10.2010Основні параметри процесу очищення конденсату парової турбіни. Опис принципової електричної схеми імпульсної сигналізації. Визначення особливостей проекту згідно галузевих стандартів. Обґрунтування розміщення засобів автоматизації на щиті і пульті.
курсовая работа [489,7 K], добавлен 26.12.2014Характеристика деталей, вибір виду і товщини покриття при розробці технологічного процесу одержання цинкового покриття. Розрахунки кількості хімікатів і води для приготування електролітів, анодів для ванн електрохімічної обробки, витяжної вентиляції.
дипломная работа [213,3 K], добавлен 19.08.2011Сутність киснево-конвертерного процесу із верхньою продувкою. Контрольовані параметри конвертерної плавки. Інформаційні і управляючі функції, вимоги до роботи конвертера. Автоматизація контролю температури охолоджуючої води кисневої фурми, подачі кисню.
курсовая работа [865,5 K], добавлен 06.01.2015