Очистка декарбонізованої води на пінополістирольних фільтрах з водоповітряною промивкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

УДК 631.672:628.33

Спеціальність 05.23.04 - водопостачання, каналізація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Очистка декарбонізованої води на пінополістирольних фільтрах з водоповітряною промивкою

Гіроль Андрій Миколайович

Рівне - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Кравченко Віталій Сергійович, НУВГП, доцент кафедри водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Грабовський Петро Олександрович, Одеська державна академія будівництва та архітектури МОН України, професор кафедри водопостачання;

- кандидат технічних наук, доцент Благодарна Галина Іванівна, Харківська національна академія міського господарства МОН України, доцент кафедри водопостачання, водовідведення та очищення вод.

Захист дисертації відбудеться "13" березня 2008 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 у Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33028, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету водного господарства та природокористування за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий "08" лютого 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент В.П. Востріков.

Анотація

Гіроль А.М. Очистка декарбонізованої води на пінополістирольних фільтрах з водоповітряною промивкою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація. - Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, 2007.

В роботі науково обґрунтовано значення параметрів технологічного процесу фільтрування декарбонізованої води через плаваючий фільтруючий шар, оцінено вплив окремих технологічних факторів і вихідних параметрів якості води на режим роботи фільтра; приведено результати експериментальних досліджень та значення технологічних параметрів процесу водоповітряної промивки пінополістирольних фільтрів; представлено інженерну методику розрахунку основних конструктивних розмірів та технологічних параметрів пінополістирольних фільтрів з водоповітряною промивкою; у виробничих умовах перевірено отримані результати наукових досліджень.

Застосування представлених в дисертаційній роботі наукових розробок дозволяє знизити витрати води на промивку фільтрів, поліпшити ефективність процесу фільтрування та якість промивки фільтруючого шару, знизити питомі показники енерго- і матеріалоємності споруд.

Ключові слова: фільтр, фільтрування, інтенсивність, фільтроцикл, продуктивність, осад, втрати, ефективність, декарбонізація, промивка.

Аннотация

Гироль А.Н. Очистка декарбонизированной воды на пенополистирольных фильтрах с водовоздушной промывкой. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - водоснабжение, канализация. - Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Ривнэ, 2007.

Диссертация состоит из вступления, шести разделов, основных выводов, списка используемых источников из 158 наименований (в том числе 33 иностранные) и 2 приложений. Общий объем работы изложен на 167 страницах, в том числе 143 страниц основного текста, 13 таблиц, 50 рисунков.

В диссертационной работе научно обосновано значения параметров технологического процесса фильтрования декарбонизированной воды через плавающий фильтрующий слой, дана оценка влияния отдельных технологических факторов и входных параметров качества воды на режим работы фильтра; приведено результаты экспериментальных исследований и обосновано значения технологических параметров процесса водовоздушной промывки фильтров с плавающим фильтрующим слоем; представлено инженерную методику расчета основных конструктивных размеров и технологических параметров пенополистирольных фильтров с водовоздушной промывкой; в производственных условиях проверено результаты научных исследований.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили получить значения экспериментальных констант для уравнения, описывающего процесс изменения потерь напора в толще плавающего фильтрующего слоя при нисходящем движении фильтрационного потока. Определены значения экспериментальных констант для математической модели фильтрования предложенной Д.М. Минцем. Проведенные аналитические исследования решений математической модели фильтрования Д.М. Минца позволили получить упрощенное аппроксимационное выражение, которое с необходимой адекватностью описывает взаимосвязь между основными экспериментальными параметрами процесса фильтрования. Полученное уравнение использовано в обосновании рациональных значений основных технологических параметров, определяющих процесс фильтрования декарбонизированной воды на пенополистирольных фильтрах с водовоздушной промывкой.

Рассмотрены условия эффективной водовоздушной промывки плавающего фильтрующего слоя в зависимости от интенсивности подачи воды и воздуха. Обосновано размещение системы распределения воздуха под нижней границей фильтрующего слоя. При таком устройстве упомянутой системы удается достигнуть наилучшего перемешивания всего объема фильтрующего слоя во время его промывки.

Эффективное перемешивание всего объема зернистого фильтрующего шара достигается при расположении системы воздухопроводов в нижней части фильтрующего шара под уровнем воды. При этом в фильтре поддерживается уровень воды, при котором верхняя граница фильтрующего слоя не находится в контакте с верхней распределительной системой.

Проведены исследования зависимости относительного расширения сухого и смоченного фильтрующего слоя для разного его фракционного состава и разной интенсивности подачи воды и воздуха. Определены критические значения интенсивности подачи воды и воздуха, при которых начинается расширение фильтрующего слоя.

Исследовано кинетику выноса загрязнений из толщи фильтрующего слоя в течении водовоздушной промывки. При этом установлено взаимосвязь интенсивности подачи воздуха и воды, что позволило предложить функциональную зависимость указанных параметров от эффективности промывки фильтрующего слоя.

Определены значения технологических параметров процесса, при которых достигается качественная промывка фильтрующего слоя: интенсивность движения потока промывной воды 2-4 л/(с·м²); интенсивность подачи воздуха 10-14 л/(с·м²); продолжительность промывки 15-20 мин.

Качество профильтрованной воды в обратной пропорции зависит от массы остаточных загрязнений в толще фильтрующего слоя. Предельное значение этого показателя, при котором фильтр работает удовлетворительно, не должно превышать 0,14 кг/м³.

Приведена методика инженерного расчета основных конструктивных размеров и технологических параметров пенополистирольных фильтров с водовоздушной промывкой. Практическое применение материалов исследований позволяет снизить расход воды на промывку фильтров, повысить эффективность процесса фильтрования, снизить удельные показатели энерго- и материалоемкости сооружений.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке рекомендаций по реконструкции фильтров станции декарбонизации ВАТ "Ривнэазот" на пенополистирольные фильтры с водовоздушной промывкой, вошли в учебник "Водопостачання і водовідведення". - Ривнэ: издательство НУВХП, 2007 - 432 с.: ил.

Ключевые слова: фильтр, фильтрование, промывка, фильтроцикл, интенсивность, декарбонизация, осадок, эффективность, потери.

Summary

Girol A.M. Purification of decarbonated water in expanded polystyrene filters with air-water backwashing. - Manuscript.

Thesis for academic degree of candidate of technical sciences on specialty 05.23.04 - water supply, sewerage management - National university of water management and natural resources use. Rivne. 2007.

The values of technological process of filtering of decarbonised water through floating filter layer are science- substantiated in dissertation work. The influence of separate technological factors and inlet parameters of water quality on filters' operating conditions is defined. The results of experimental researches and values of technological parameters of filters' backwashing process with floating filter layer are shown. The engineering methodology of calculation of basic structural dimensions and technological parameters of expanded polystyrene filters with air-water backwashing is presented in thesis. The received results of researches are approved in experimental way at real objects.

The introduction of presented science results in working conditions allow to decrease water consumption on backwashing process and specific energy consumption and building material capacity index, to improve the effectiveness of filtering process and the quality of backwashing of filter layer.

Keywords: filter; filtering, intensity, filter run, productivity, sludge, losses, widening, efficiency; decarburization, backwashing.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Створений в Україні багатогалузевий господарський комплекс споживає значні об'єми водних ресурсів. З природних джерел щорічно забирається близько 10 млрд. м³ води, в тому числі 5 млрд. м³ - для промисловості. Значна частина води, що забирається на виробничі потреби підприємств, особливо енергетичних установок, потребує декарбонізації - вилучення солей карбонату кальцію і магнію. Однією з основних споруд технологічної схеми декарбонізації води є зернисті фільтри, від ефективності роботи яких значною мірою залежить ефективність роботи енергетичного комплексу підприємств. В якості фільтруючого матеріалу зернистих фільтрів застосовуються дрібні фракції гірських порід, подрібнені матеріали природного або штучного походження, гранульовані полімерні матеріали тощо. Серед гранульованих полімерних матеріалів найбільшого поширення набули полістироли, що здатні спінюватися. Питома вага спінених гранул полістиролу менша від густини води, а тому фільтруючий шар з таких гранул перебуває в плаваючому стані. Умови протікання технологічних процесів - фільтрування, промивка - у фільтрах з плаваючим полімерним матеріалом характеризуються рядом відмінностей від умов протікання аналогічних процесів у фільтрах, питома вага зерен матеріалу яких більша від густини води. Проте надмірні витрати води на промивку фільтрів слугують перепоною на шляху широкого запровадження цих ефективних технічних рішень. З метою зменшення об'ємів води на промивку фільтрів з пінополістирольним фільтруючим шаром актуальним є пошук нових способів промивки, одним з напрямків якого може бути водоповітряна промивка.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до планів держбюджетних тем №0104U003124 - "Наукові аспекти процесу очищення води в шарах полімерних матеріалів та магнітокомпозитів" (2004-2006 рр.) та "Розробка і дослідження раціональних технологічних схем очистки стічних вод" (2006р.) №0106U009239, планів реконструкції фільтрувальної станції цеху хімічної підготовки води ВАТ "Рівнеазот", співвиконавцем яких був автор.

Мета і завдання роботи. Метою роботи є обґрунтування параметрів водоповітряної промивки пінополістирольних фільтрів та процесу очистки декарбонізованої води.

У відповідності до вказаної мети були визначені такі задачі досліджень:

· обґрунтувати параметри технологічного процесу фільтрування декарбонізованої води на пінополістирольних фільтрах з водоповітряною промивкою та оцінити вплив окремих факторів і вихідних параметрів на режим роботи фільтра;

· обґрунтувати значення технологічних параметрів процесу водоповітряної промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром;

· розробити інженерну методику розрахунку основних конструктивних розмірів фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром, обладнаних системою водоповітряної промивки;

· провести у виробничих умовах перевірку отриманих результатів наукових досліджень процесу фільтрування декарбонізованої води на пінополістирольних фільтрах із водоповітряною промивкою.

Об'єкт досліджень - очищення води на пінополістирольних фільтрах із водоповітряною промивкою.

Предмет досліджень - водоповітряна промивка пінополістирольних фільтрів в технологічній схемі очистки декарбонізованої води.

Методи досліджень - фізичне і математичне моделювання процесу водоповітряної промивки фільтра та фільтрування декарбонізованої води через плаваючий фільтруючий шар; фізичний експеримент; сучасні математичні методи обробки отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів:

· вперше одержано спрощений вираз розв'язку математичної моделі процесу фільтрування, який адекватно описує взаємозв'язок між основними параметрами фільтрування, та визначено для декарбонізованої води значення емпіричних констант, які характеризують сукупний вплив усіх фізичних та фізично-хімічних властивостей води і домішок;

· розроблено метод промивки пінополістирольних фільтрів водоповітряною сумішшю, що проводиться у висхідному потоці повітря при одночасному зрошуванні фільтруючого шару водою;

· встановлено математичну залежність ефективності промивки фільтруючого шару водоповітряною сумішшю від інтенсивності подачі води та повітря.

Достовірність отриманих результатів підтверджується застосуванням загальноприйнятих методик проведення аналізів якості води, використанням сучасних методик та приладів для проведення вимірювань, порівнянням отриманих результатів із результатами, отриманими у виробничих умовах та результатами, отриманими іншими авторами.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

· розроблено фільтр з плаваючим фільтруючим шаром, обладнаний системою водоповітряної промивки (Патент України №51169А Бюл.№11. 15.11.2002. Спосіб промивки фільтра, Патент України №58190А, Бюл.№7. 15.07.2003. Фільтр для очистки води), який дозволяє: створити умови запобігання формування зон замулювання фільтруючого шару з гранул великих розмірів; скоротити витрати води на промивку фільтрів; зменшити розміри фільтрів та технологічних трубопроводів станції фільтрування декарбонізованої води;

· запропоновано рекомендації для інженерного розрахунку основних технологічних параметрів процесу очистки декарбонізованої води фільтруванням та визначено параметри водоповітряної промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром;

· розроблено ряд конструкцій фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром, новизну яких захищено патентами України;

· визначено раціональні значення основних технологічних параметрів процесу фільтрування декарбонізованої води на фільтрах з плаваючим фільтруючим шаром, встановлено значення параметрів їх промивки, визначені емпіричні константи залежностей, що характеризують досліджувані процеси.

Особистий внесок автора. Наукові результати, що викладено в дисертації, отримано особисто здобувачем на основі виконаного аналізу роботи існуючих фільтрувальних споруд, що застосовуються в схемах декарбонізації води. Запропоновано спосіб водоповітряної промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром та запропоновано конструкцію фільтра. Проведено наукове обґрунтування процесу очистки декарбонізованої води фільтруванням та водоповітряної промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром. Запропоновано методику інженерного розрахунку розробленого технічного рішення. Автору належить розробка методики проведення та організація експерименту, обробка та представлення отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертації доповідалися на конференціях:

· міжнародна науково-практична конференція "Водопостачання, водовідведення й охорона водних ресурсів", присвячена всесвітньому дню водних ресурсів (березень 2005 р., м. Макіївка);

· Ювілейна науково-технічна конференція, присвячена 75-річчю Одеської державної академії будівництва та архітектури та 40-річчю кафедри водопостачання (вересень 2005 р., м. Одеса);

· Науково-практична конференція "Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод" (квітень 2007 р., м. Миргород);

· ІІ міжнародна науково-технічна конференція "Актуальні проблеми водного господарства та природокористування" (жовтень 2007 р., м. Рівне);

· V симпозіум "Застосування сучасних технологій в охороні середовища" (листопад 2007 р., м. Люблін, Польща).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 12 статей і тез - включно з 10-ма статтями у фахових виданнях, з них 4 без співавторів, отримано 3 патенти України на винахід.

Структура дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, основних висновків, 2 додатків, списку використаних джерел із 158 найменувань (з них 33 іноземні). Загальний обсяг роботи складає 166 сторінок, в тому числі 143 сторінки основного тексту, 13 таблиць, 50 рисунків.

2. Основний зміст роботи

У першому розділі "Сучасний стан проблем очистки води фільтруванням на зернистих фільтрах" висвітлено сучасний стан проблеми декарбонізації води в прояснювачі із завислим шаром осаду та наступним фільтруванням на зернистих фільтрах, розглянуто математичні моделі процесу фільтрування води через зернисті фільтри та математичні моделі процесу їх промивки.

Показано, що процес фільтрування води, обробленої вапном при рН 10.4, яка пройшла прояснювач із завислим шаром осаду, подібний до процесу фільтрування на швидких фільтрах. Дослідженню процесу вибору основних технологічних параметрів фільтрів, таких як тривалість захисної дії tз, час досягнення граничних втрат напору tн, визначення параметрів фільтруючого шару, ефективності очистки води, швидкості фільтрування тощо, приділяли значну увагу Д.М. Мінц, Ю.М. Шехтман, Л.А. Кульский, Н.В. Ярошевська, П.Г. Романков, М.І. Курочкіна, В.А. Жужиков, О.Я. Олійник, І.А. Шеренков, В.Л. Поляков, М.Г. Журба, П.О. Грабовський, С.С. Душкін, Г.І. Ніколадзе, В.П. Хоружий, А.М. Тугай, В.О. Терновцев, В.О. Орлов, М.І. Артеменок, І.Т. Прокопчук, А.М. Фоминих, В.Й. Прогульний, Zielina M., Dabrowski W. та ін.

Особливістю роботи зернистих фільтрів є інтенсивне замулювання фільтруючого шару, що негативно впливає на якість профільтрованої води. Промивка фільтруючого шару зернистих фільтрів відбувається в розширеному стані при інтенсивному русі потоку промивної води в напрямку, протилежному напрямку вектора гідравлічної крупності зерен. Ефективність промивки значною мірою визначається швидкістю руху потоку промивної води і величиною відносного розширення фільтруючого шару. Вивченню взаємозв'язку між цими параметрами приділяли значну увагу О.С. Шуберт, П.Г. Романков, М.І. Курочкіна, В.А. Жужиков, П.О. Грабовський, Г.М. Бас, Ж.М. Говорова, В.Й. Прогульний, Г.М. Ларкіна, А.А. Триль, В.Ф. Тюрев, Sakkas , N.D і інші.

Застосовування в якості фільтруючого шару замість кварцового піску спінених гранул полістиролу з діаметром ~ 2,5 мм сприяє вирішенню проблеми очистки декарбонізованої води фільтруванням, проте вимагає значних витрат промивної води та супроводжується зростанням розмірів технологічного обладнання і розмірів фільтрувальної станції. За цих умов величина витрат води на промивку фільтрів сягає 10%, що є надмірним. Розробкою та дослідженнями фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром займалися В.Г. Ільїн, С.І. Мороз, М.Г. Журба, Д.Д. Мягкий, В.О. Орлов, П.Д. Хоружий, В.О. Мякішев, В.К. Шабратько, В.П. Приходько, Б.Н. Якимчук, Т.П. Хомутецька та інші дослідники.

На основі виконаного аналізу даних теоретичних і експериментальних досліджень процесу фільтрування води через зернисті, особливо плаваючі крупногранульні матеріали, постала необхідність подальшого дослідження та вдосконалення цих в цілому ефективних конструкцій фільтрів, вивчення умов застосування водоповітряної промивки, розробки методів розрахунку. Для вирішення зазначеного було сформульовано конкретні задачі досліджень. промивка фільтр водоповітряний

Другий розділ "Експериментальні установки фільтра та методики дослідження процесу фільтрування декарбонізованої води і умов водоповітряної промивки фільтруючого шару" присвячений висвітленню методики проведення досліджень та методики представлення результатів експериментів.

Експериментальні дослідження геометричних, гідравлічних та інших властивостей фільтруючого шару проводились в лабораторних умовах. Експериментальні дослідження процесу очистки води після прояснювачів та процесу водоповітряної промивки фільтруючого шару проводились на пілотній установці фільтра з розмірами 1Ч1Ч4,2 м. Еквівалентний діаметр d гранул і товщина l фільтруючого шару, що використовувався в експериментах, складав d=2,63 мм, l=1,4 м; d=2,18 мм, l=1,4 м; d=1,76 мм, l=1,2 м. Пілотна установка фільтра з плаваючим фільтруючим шаром встановлена в цеху декарбонізації ВАТ "Рівнеазот" та підключена до технологічної схеми декарбонізації води підприємства.

Контроль витрат води, що подавалась на фільтр, проводився за допомогою лічильника ВВ-80, контроль витрат повітря - за допомогою лічильника марки ВРСГ-1, контроль зміни втрат напору в товщі фільтруючого шару - за допомогою п'єзометрів. Відбір проб води та проб фільтруючого шару здійснювався через знімні п'єзометри. Проби води відбиралися з інтервалом в 4 години. Відбір проб промивної води проводився кожні 60 с від початку промивки фільтруючого шару. Аналізи проводилися в центральній заводській лабораторії. Тривалість фільтроцикла визначалась часом перевищення вмісту домішок в профільтрованій воді 2 мг/л.

Перевірка адекватності отриманих емпіричних залежностей здійснювалася шляхом визначення величин відхилень між розрахунковими і експериментальними значеннями параметрів досліджуваних процесів та обчислення довірчого інтервалу.

У третьому розділі "Дослідження процесу фільтрування декарбонізованої води на фільтрах із плаваючим фільтруючим шаром, що працюють при низхідному напрямку руху фільтраційного потоку" висвітлені результати досліджень процесу фільтрування декарбонізованої води на фільтрах з плаваючим фільтруючим шаром, що працюють за низхідного напрямку руху фільтраційного потоку. Концентрація завислих речовин у вихідній воді, що потрапляла з проснювача із завислим шаром на експериментальний фільтр, змінювалась в межах Со=4…7 мг/л. При швидкості фільтрування v=4,2 м/год через фільтруючий шар товщиною l=1,4 м з діаметром гранул d=2,63 мм концентрація завислих речовин в профільтрованій воді впродовж майже tз=50 годин не перевищувала C=2 мг/л. Зі зростанням величини параметра v при відносно сталій величині Со і C?2 мг/л значення параметра t зменшується (рис.1). Так, при v=7,9 м/год і С/Со=0,4 для умов проведених дослідів величина параметра tз сягала ?20 год. Проведені за цих умов дослідження кінетики затримки домішок по висоті фільтруючого шару свідчать про прийнятність значення параметра l=1,4 м.

Процес затримки в товщі плаваючого фільтруючого шару домішок декарбонізованої води подібний до процесу фільтрування суспензій з малою концентрацією і може описуватися рівняннями, запропонованими Д.М. Мінцем. Отримані для цих умов значення експериментальних констант, що враховують сукупний вплив усіх фізичних і фізично-хімічних властивостей води і домішок, становлять в=2,14Ч10-4, б=1,74Ч10-5. Проведені числові дослідження ряду, запропонованого для рішення загального рівняння, для описуваних умов проведення досліджень дозволили отримати спрощений вираз, що з необхідною адекватністю описує взаємозв'язок між основними параметрами процесу фільтрування.

Особливістю процесу фільтрування на фільтрах з плаваючим шаром, що працюють з низхідним напрямком фільтраційного потоку, є існування граничного значення втрат напору h в товщі фільтруючого шару, що визначається умовами його рівноваги. Надмірне накопичення завислих речовин у фільтруючому шарі зумовлює його розширення, і, як наслідок, призводить до виносу затриманих домішок з профільтрованою водою.

Іншим важливим параметром раціональної роботи фільтрів є товщина фільтруючого шару (lо). Недостатнє значення цього параметру призводить до частих промивок фільтра, перевитрат води, пов'язаних із цим процесом, та супроводжується погіршенням якості профільтрованої води. Надмірна товщина зумовлює перевитрату коштів. Пошуку раціонального значення висоти фільтруючого шару сприяє вивчення кінетики затримки домішок по висоті фільтруючого шару та встановлення закономірностей впливу на величну відносної концентрації (С/Со) таких основних параметрів роботи фільтра, як діаметр гранул фільтруючого шару (d) і швидкість фільтрування (v).

Від тривалості фільтроциклу залежить кількість промивок (n) фільтра впродовж доби. Так, зі зменшенням величини параметра v зменшуватиметься величина параметра nз, а відповідно, зменшуватиметься і об'єм води, що витрачається на промивку фільтра.

Об'єм води, необхідної для водяної промивки фільтра, пропорційний її інтенсивності, яка в свою чергу залежить від розмірів гранул. Для досягнення величини відносного розширення е=20% фільтруючим шаром з діаметром гранул d=2,5 мм необхідно забезпечити інтенсивність руху потоку промивної води q=37 л/(с·м²). В разі потреби забезпечити величину параметра е=50% величина параметра q зростає до 60 л/(с·м²). За цих умов при існуючих нормативах тривалості промивки 3-4 хв. витрати води на проведення промивки 1 м² площі фільтра сягатимуть, відповідно, W=7-12 м³, що є надмірним. Така проблема набуває особливого загострення при необхідності застосування фільтруючих шарів, виконаних із гранул великих діаметрів (d=2,5-3 мм).

З метою скорочення витрат води на промивку фільтрів в основу цієї роботи покладено гіпотезу можливості заміни водяної їх промивки на водоповітряну.

В четвертому розділі "Дослідження процесу промивки плаваючого фільтруючого шару" висвітлено результати досліджень процесу водоповітряної промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром. Результати експериментальних досліджень засвідчили, що ефективності промивки фільтруючого шару сприяє зниження рівня води в корпусі фільтра і постійне зрошення його поверхні вихідною водою з інтенсивністю ~2-4 л/(с·м²). Проте розташування системи розподілу повітря в товщі фільтруючого шару не дозволило отримати бажаного ефекту. При швидкості руху повітря у висхідному напрямку, за якої розпочинається розширення сухого фільтруючого шару 1,2·vкр, по висоті спостерігається формування повітряних розривів або повітряних каналів. Формування повітряних каналів супроводжується нестабільністю величини відносного розширення. Рух по повітряних каналах повітря практично не впливає на розширення шару. Якість промивки є незадовільною.

Умови ефективної промивки фільтра досягаються при розташуванні системи розподілу повітря під нижньою межею вільно плаваючого фільтруючого шару. Повітря, що потрапляє під рівень води, спричиняє інтенсивне її перемішування, що в свою чергу змушує перемішуватися весь зернистий шар. За цих умов навіть неінтенсивне зрошування поверхні (qn?2 л/(с·м²)) сприяє транспортуванню відмитих дисперсних часток за межі корпусу фільтра. Постійне змішування гранул зернистого шару з об'ємом води фільтра сприяє ефективності його відмивки.

Проведення промивки при інтенсивному русі повітря і відсутності зрошування фільтруючого шару водою практично зводить нанівець його відмивку. В верхній частині шару, розташованій над рівнем води, потоки повітря формують повітряні канали, через які повітря вільно проходить в надфільтровий простір. Ця частина шару під час такої промивки перебуває в нерухомому стані і затримані домішки не виносяться з нього.

За малої інтенсивності руху промивної води і потоку повітря відбувається незначне перемішування фільтруючого шару. Процес відмивки шару відбувається повільно.

Таблиця 1

Параметри промивки фільтруючого шару

№	Відносне розширення, е,%	Інтенсивність подачі повітря, qn, л/(с?м2)	Інтенсивність подачі води, qв, л/(с?м2)	Ефективність промивки, Еп,%	Брудоємність Г, кг/м3
Промивка водою
1	5	0	24	15	0,9
2	15	0	33	61	0,66
3	35	0	50	98	0,56
Водоповітряна промивка
4	0	4	5	9	0,68
5	0	4	10	78	0,67
6	0	4	15	96	0,70
7	0	6	5	46	0,60
8	0	6	10	99	0,56
9	0	12	2	10	0,54
10	0	12	5	98	0,57

Криві динаміки виносу домішок з потоком промивної води мають ряд характерних точок (рис.4). На початковому етапі промивки якість промивної води, що відводиться з фільтра, майже не відрізняється від якості води, що перебувала в підфільтровому просторі при роботі фільтра в режимі фільтрування. Проте з часом концентрація домішок в промивній воді (С) наростає і через деякий час (ф =hпф./v) досягає свого максимуму.

Після досягнення максимального значення параметра С спостерігається процес його зниження. Цей період перевищує перший період майже в 4 рази, а загальна тривалість промивки сягає to?5.ф.

Достатня ефективність промивки фільтруючого шару (d=2,63 мм) досягається за водяної промивки при інтенсивності руху промивної води 50 л/(с·м²), та величині відносного розширення - е=35% (табл. 1). За менших значень інтенсивності потоку промивної води ефективність промивки суттєво зменшується. Подача повітря з інтенсивністю навіть 4 л/(с·м²) дозволяє знизити інтенсивність водяної промивки більше, ніж в три рази.

Зі зростанням інтенсивності подачі повітря до 12 л/(с·м²) інтенсивність подачі води вдається скоротити до 3-5 л/(с·м²).

Варто звернути увагу на те, що зі зменшенням інтенсивності подачі промивної води тривалість промивки суттєво зростає. Так, за водяної промивки з інтенсивністю 50 л/(с·м²) її тривалість сягає t?200 с, необхідний для промивки об'єм води складає ~10 м³. В той час, як при qn=5 л/(с·м²) і qв=12 л/(с·м²) величина параметра t сягає 700-800 с, а необхідний для промивки об'єм води ~3-4 м³ (рис.4).

Для досягнення необхідної ефективності виносу домішок з фільтруючого шару в період його промивки при малих значеннях qв надто відчутна навіть незначна його зміна. Так, при qп=12 л/(с·м²) і qв=2 л/(с·м²) величина ефективності промивки складає тільки Е=10%, тоді як при qп=12 л/(с·м²) і qв=5 л/(с·м²) величина параметра Е сягає 98%. Є очевидним, що раціональне значення параметра qв знаходиться між наведеними значеннями, тобто 2 л/(с·м²) < qв < 5 л/(с·м²).

Цікавим є те, що після водоповітряної промивки структура фільтруючого шару суттєво відрізняється від його структури, що формується після тільки водяної промивки. В цьому випадку гідравлічна класифікація гранул по висоті шару практично відсутня. У фільтрі відбувається процес фільтрування води через товщу плаваючого неоднорідного за фракційним складом, змішаного по висоті фільтруючого шару.

В результаті обробки експериментальних даних, отримано математичну залежність, яка описує взаємозв'язок між ефективністю промивки (Е), інтенсивністю подачі повітря та води і дозволяє проводити певні прогнозні розрахунки параметрів процесу промивки фільтра.

За малих значень параметрів q і b величина ефективності промивки є надто незначною. Так, при q=3 л/(с·м²) і b=0 л/(с·м2) величина ефективності промивки фільтруючого шару не перевищує 1%. З зростанням величини параметра q до 60 л/(с·м²) величина параметра Е зростає до 90%. Аналогічного показника ефективності можна досягнути при значно меншій величині параметра q, але за умов подачі повітря в нижню частину фільтруючого шару. Так, при q=3 л/(с·м²) і b=14 л/(с·м²) величина ефективності промивки фільтруючого шару перевищує 98%. З результатів проведеного аналізу є очевидним, що завдяки застосуванню водоповітряної промивки інтенсивність подачі води може бути значно скорочена.

Контроль залишкових забруднень (Зз) в товщі фільтруючого шару в різних точках по його висоті засвідчив, що за надмірних їх значень якість профільтрованої води в наступному фільтроциклі знижувалась (табл. 2).

Таблиця 2

Вплив залишкових забруднень на ефективність очистки води

Залишкові забруднення (Зз), кг/м2	0,83	0,71	0,48	0,14	0,03	0,01
Ефективність очистки води (Е), %	4	6	17	57	74	81

З результатів проведених експериментів є очевидним, що існує певна межа, за якої залишкові забруднення не сприяють погіршенню якості профільтрованої води, а їх присутність позитивно позначається на скороченні періоду стабілізації роботи фільтра після його промивки. При вмісті домішок у вихідній воді 4 мг/л та при Е?57% якість профільтрованої води в повній мірі відповідає вимогам виробництва, а величину залишкових забруднень ?0,14 кг/м² можна вважати для умов проведених експериментів прийнятною.

У п'ятому розділі "Перевірка в виробничих умовах та техніко-економічне обґрунтування конструктивних і технологічних параметрів фільтрів із плаваючим фільтруючим шаром, обладнаних системою водоповітряної промивки" приведені відомості про реконструкцію фільтрувальної станції цеху хімводопідготовки ВАТ "Рівнеазот", результати промислових спостережень за реконструйованими фільтрами та результати техніко-економічних досліджень.

Фільтрувальна станція складається з 5 фільтрів розмірами 6,8Ч6,4Ч4,8 м. Проектна продуктивність фільтрувальної станції 25000 м³/добу. В процесі реконструкції існуючі фільтри переобладнано на фільтри з плаваючим фільтруючим шаром, обладнані системою водоповітряної промивки.

Верхня система виконана у вигляді решітки, присипаної шаром гравію. Система розташована на рівні розподільчих жолобів і прикріплена до них та стінок корпусу фільтра. В якості нижньої системи використано існуючу дренажну систему, розраховану на пропуск промивної води з інтенсивністю ~8 л/(с·м²). Система розподілу повітря виконана згідно з вимогами до аналогічних систем кварцових фільтрів.

Випробовування реконструйованих фільтрів дозволили визначити значення технологічних параметрів придатних для використання при проектуванні таких споруд на інших подібних об'єктах. Значення згаданих параметрів наведено в таблиці 3.

Таблиця 3

Значення основних розрахункових параметрів фільтрів

№	Назва параметра	Одиниця виміру	Значення
1	Швидкість фільтрування	м/год	8...10
2	Тривалість фільтроциклу	год	20
3	Діаметр гранул фільтруючого шару	мм	2,2...3,0
4	Товщина фільтруючого шару	м	1,2...1,4
5	Інтенсивність подачі промивної води	л/(с·м2)	2...4
6	Інтенсивність подачі повітря	л/(с·м2)	10...14

З метою обґрунтування розробленого технічного рішення було проведено відповідні техніко-економічні розрахунки. За об'єкт економічного дослідження обрано два альтернативні варіанти фільтрувальних станцій, обладнаних фільтрами з плаваючим фільтруючим шаром, що працюють при низхідному напрямку руху фільтраційного потоку. Продуктивність (10000 м³/добу) фільтрів в обох випадках, якість вихідної (завислі частки Со=5 мг/л) та профільтрованої (завислі частки Сі=2 мг/л) води прийнято однаковими.

Загальна характеристика відмінностей альтернативних варіантів:

· фільтри з плаваючим фільтруючим шаром, промивка яких проводиться водою необхідної інтенсивності. Промивка проводиться за умов розширення фільтруючого шару в межах 30% від його товщини. Фільтрування проводиться при русі фільтраційного потоку води в напрямку зверху вниз (базовий варіант);

· фільтри з плаваючим фільтруючим шаром, обладнані системою водоповітряної промивки (новий варіант).

За критерій раціональності визначено: питомі витрати електроенергії, яка необхідна на подачу води на фільтри; витрати води на промивку фільтрів; питомі витрати бетонних конструкцій необхідних на будівництво споруд, тобто ті показники, які вирішальним чином позначаються на ефективності фільтрувальної станції в цілому.

Розрахунки проведено за укрупненими показниками та з застосуванням ліцензованих комп'ютерних програм, що використовуються при складанні кошторисів. В основу методики обчислень параметрів для базового варіанту використано діючу нормативну базу. При обчисленнях для нового варіанту, окрім згаданої літератури, використовувалися результати дисертаційних досліджень (табл. 4).

Для нового варіанту було враховано витрати електроенергії для подачі повітря під час промивки фільтра.

Слід зазначити, що в конструктивному плані фільтри, обладнані системою водоповітряної промивки, не потребують зберігання води для їх промивки в надфільтровому просторі, тому відпадає потреба влаштування спільного надфільтрового простору.

Таблиця 4

Зведені результати обчислень техніко-економічних показників альтернативних варіантів фільтрів віднесені до 1 м³ добової продуктивності фільтрів

№	Найменування елемента	Одиниці виміру	Значення за варіантами
			Базовий	Новий
1	Питомі витрати електроенергії на подачу води на фільтр (Еееі)	кВт·год/м3	0,014	0,0072
2	Витрати води на промивку фільтрів (Евві)	% від загальної продуктивності	13,39	6,12
3	Питомі витрати бетонних конструкцій при будівництві нових споруд (Ебкі)	м3/м3	0,092	0,057
4	Питомі витрати металевих конструкцій при будівництві нових споруд (Ебмі)	кг/м3	24,96	19,81

Аналіз техніко-економічних досліджень засвідчує відчутну перевагу розробленого рішення перед відомими аналогами. Так, значення параметрів питомих витрат електроенергії на подачу води на фільтр (Еееі), витрат води на промивку фільтрів (Евві), питомих витрат бетонних конструкцій при будівництві нових споруд (Ебкі), питомих витрат металевих конструкцій при будівництві нових споруд (Ебмі) скорочується відповідно на 49%, 54%, 38% і 21%.

Висновки

1. У дисертаційній роботі наведене нове вирішення наукової задачі удосконалення методів промивки пінополістирольних фільтрів, що полягає у науковому обґрунтуванні водоповітряної промивки фільтрів, на прикладі технологічної схеми очистки декарбонізованої води, що дозволило підвищити ефективність процесу фільтрування, поліпшити умови промивки фільтруючого шару, знизити питомі показники енерго-, та металоємності споруд.

2. На підставі результатів проведених експериментів, визначено взаємозв'язок тривалості та швидкості фільтрування для різних значень діаметра гранул фільтруючого шару, який описується рівнянням (6).

3. Розроблено математичну залежність (1), яка з необхідною адекватністю описує взаємозв'язок між основними параметрами процесу фільтрування та встановлено значення констант фільтрування, що враховують сукупний вплив усіх фізичних і фізично-хімічних властивостей води і домішок для декарбонізованої води при її очищенні на фільтрах з плаваючим фільтруючим шаром: в=0,00021; б=0,0000173.

4. Визначено розмірний коефіцієнт втрат напору в товщі фільтруючого шару при фільтруванні декарбонізованої води, величина якого сягає n=0,003 м-1.

5. Встановлено, що перемішування всього об'єму зернистого шару досягається при розташуванні системи повітропроводів у нижній частині шару під рівнем води. Причому у фільтрі підтримується рівень води за якого верхня межа шару не перебуває в контакті з верхньою розподільчою системою.

6. Розроблено математичну залежність (9) для визначення ефективності водоповітряної промивки при різних значеннях інтенсивності подачі промивної води та стисненого повітря. Запропонований вираз змінюється експоненційно та з необхідною адекватністю описує взаємозв'язок між наведеними параметрами промивки.

7. Встановлено, що якісна водоповітряна промивка плаваючого фільтруючого шару досягається при наступних технологічних параметрах процесу: інтенсивність руху потоку промивної води 2-4 л/(с·м²); інтенсивність подачі повітря 10-14 л/(с·м²); тривалість промивки 15-20 хв.

8. Результати досліджень використані при розробці рекомендацій на проектування та реконструкцію фільтрувальної станції цеху декарбонізації ВАТ "Рівнеазот".

9. Запроваджене технічне рішення дозволило підвищити на 25% ефективність очистки декарбонізованої води, скоротити на 45% витрати води на промивку, збільшити в 2 рази тривалість фільтроцикла. Економічний ефект від впровадження розробленої технології на фільтрувальній станції цеху декарбонізації води ВАТ "Рівнеазот" складає 1,69 млн. грн.

Список опублікованих праць

Статті у фахових виданнях

1. Гіроль А.М. Дослідження техніко-економічних параметрів процесу приготування фільтруючого шару фільтрів зі спіненими гранулами полістиролу. "Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво" Випуск 28, Рівне: 2003. - с. 60-67.

2. Гіроль А.М. Дослідження коефіцієнта форми гранул полістиролу фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром. Науково-технічний збірник "Проблеми водопостачання та гідравліки", Випуск 3, Київ: 2004, КНУБА, с. 35-44

3. Кравченко В.С., Якимчук Б.Н., Гіроль А.М. Раціоналізація конструктивних і технологічних параметрів фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром. "Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури",випуск 2005-6(54) "Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві", Макіївка: 2005. - с. 15-19 (Особистий внесок автора: визначена залежність між кількістю промивної води для різних значень критерію Архімеда відповідно для промивки водою та водоповітряною сумішшю).

4. Гіроль А.М., Якимчук Б.Н., Дикий В.П. Очищення декарбонизированной воды на фильтрах с плавающей загрузкой. "Вісник одеської державної академії будівництва та архітектури" Випуск №19, Одеса: 2005. - с. 114-119 (Особистий внесок автора: аналітична обробка експериментальних даних спостереження за роботою фільтрів станції ХПВ ВАТ "Рівнеазот").

5. Гіроль А.М., Якимчук Б.Н., Кравченко В.С., Ковальский Д., Дослідження динаміки виносу забруднень з потоком промивної води при промиванні фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром. Науково-технічний збірник "Проблеми водопостачання та гідравліки", Випуск 5, Київ: 2005. КНУБА. - с. 15-24 (Особистий внесок автора: отримав формули для визначення параметрів процесу промивки та визначив значення емпіричних констант).

Патенти на винаходи

1. Гіроль М.М., Якимчук Б.Н., Дикий В.П., Кучма П.І., Гіроль А.М. Фільтр для очистки води. Патент України №58190А Бюл.№7. 15.07.2003. (Особистий внесок автора: запропоновано конструкцію фільтра).

2. Гіроль М.М., Якимчук Б.Н., Гіроль А.М. Спосіб промивки фільтра. Патент України №51169А Бюл.№11. 15.11.2002. (Особистий внесок автора: запропоновано спосіб водоповітряної промивки).

3. Гіроль М.М., Якимчук Б.Н., Гандзюк Є.О., Дикий В.П., Кучма П.І., Гіроль А.М. Фільтр для очистки води. Патент України №45839А Бюл.№4. 15.04.2002. (Особистий внесок автора: запропоновано конструкцію верхньої розподільчої системи).

Інші статті, тези доповідей

1. Гіроль А.М. Дослідження взаємозв'язку коефіцієнтів неоднорідності фракційного складу плаваючого фільтруючого шару водоочисних фільтрів, визначених за масою та об'ємом. "Коммунальное хозяйство городов", Випуск 53, Київ: 2003. - с. 59-66.

2. Гіроль М.М., Кравченко В.С., Гіроль А.М. Техніко-економічний аналіз різних методів промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром. "Вісник національного університету водного господарства та природокористування" Випуск (29), Рівне: 2005. - с. 105-112. (Особистий внесок автора: провів числові експерименти з обґрунтування параметрів процесу промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром)

Размещено на Allbest.ru

...