CC BY
36
УДК 628.1
Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Ветрова М.А., Калякина Г.Е.
БЕЗОПАСНЫЙ И ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ
Аверина Юлия Михайловна - к.т.н., доцент каф. ИМиЗК, председатель ОСМУСС РХТУ имени Д.И. Менделеева, e-mail: averinaj m@mail.ru
Курбатов Андрей Юрьевич - генеральный директор ООО «КОБГАРД» Ветрова Маргарита Александровна - студентка каф. ИМиЗК РХТУ имени Д.И. Менделеева; Калякина Галина Евгеньевна - студентка каф. ИМиЗК РХТУ имени Д.И. Менделеева; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская пл., 9
Статья посвящена современному исследованию в области экологически безопасных и одновременно эффективных методов для обработки воды. Показана принципиальная возможность использования кавитационныхявлений в жидкости с целью увеличения скорости процесса окисления растворённого железа. Приведен расчёт кавитационного гидродинамического генератора колебаний.
Ключевые слова: очистка воды, гидродинамическая обработка воды, кавитационные явления в жидкости, установка обработки воды, интенсификация процесса.
SAFE AND EFFECTIVE METHOD OF PROCESSING NATURAL WATER
Averina Yu.M., Kurbatov A.Yu., Vetrova M.A., Kalyakina G.E. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article is devoted to modern research in the field of ecologically safe and simultaneously effective methods for water treatment. The principal possibility of using cavitation phenomena in a liquid is shown to increase the rate of oxidation of dissolved iron. The calculation of the cavitation hydrodynamic oscillator is given.
Key words: water treatment, hydrodynamic water treatment, cavitation phenomena in a liquid, water treatment unit, process intensification.
Применение экологически безопасных и одновременно эффективных методов для обработки природной воды становиться приоритетной задачей уже в настоящее время. В связи с этим, одним из возможных решений текущих проблем в водоподготовке на текущем этапе можно считать многофункциональную и одновременно
экологичную технологию очистки природной воды, предназначенную для:
• обезжелезивания;
• деманганации;
• умягчения;
• аэрации;
• дегазации;
• обессоливанию;
• частичного обеззараживания.
Новизна и актуальность предлагаемого нами
решения состоит в том, что все перечисленные выше стадии обработки осуществляются при помощи одного единственного устройства -гидродинамического генератора колебаний (ГДГК) и без какого-либо применения химических реагентов. При прохождении через ГДГК в жидкости реализуются кавитационные (волновые) эффекты. Данное устройство способствует интенсификации массообменных процессов лишь за счёт использования собственной кинетической энергии обрабатываемого потока жидкости. Так же в
результате такой гидродинамической обработки возрастает насыщение воды воздухом, тем самым способствуя увеличению скорости процесса окисления растворимых форм железа.
Одним из основных недостатков широко применяемых сегодня технологий по обработке воды является их экологическая составляющая и узкий диапазон исходных параметров воды. Как известно, самым дешёвым методом очистки воды, (например, от железа и марганца) является метод с применением химических реагентов. В теплоэнергетике также самой дешевой водоподготовкой считается химический метод. Естественно, применение дополнительных химических реагентов отрицательно влияет на окружающую среду. Наряду с этим стоит отметить, что в последнее время усиливается контроль над сбросами сточных вод предприятий и хранению химикатов, что при различных нарушениях способствует увеличению финишной стоимости очистки воды.
С этим учётом можно констатировать, что перспективным развитием в области водоподготовки с целью очистки её от соединений железа и солей жёсткости являются методы очистки без применения дополнительных химических реагентов. В случае с содержанием в воде растворенного железа скорость его окисления ограничивается временем контакта очищаемой воды и воздуха [1], концентрации кислорода в обрабатываемой воде и от площади
поверхности, образованной на границе фаз воды и воздуха [2]. Следовательно, ключевым фактором в процессе окисления растворённого железа кислородом воздуха является значительное увеличение площади контакта фаз воды и воздуха.
На практике добиваются этого эффекта различными способами:
■ диспергированием воздуха в потоке жидкости [3];
■ диспергированием потока жидкости до капельного состояния [4];
■ кавитационной обработкой жидкости [5].
Изучение размеров пузырьков, полученных при
барботировании воздуха в жидкость через мелкопористые элементы [6], дало возможность предположить, что можно добиться ещё меньшего размера пузырьков воздуха в воде, что в значительной степени увеличит площадь соприкосновения фаз воды и воздуха, а так же времени контакта растворённого железа и кислорода, за счёт увеличения времени всплытия более мелких по размерам пузырьков воздуха.
Процесс протекания кавитационных явлений в жидкости способствует максимальному
диспергированию воздуха в жидкости (при подаче воздуха из вне), что в свою очередь интенсифицирует процесс окисления форм двухвалентного железа [7]. Использование кавитационных явлений в жидкости с целью увеличения скорости процесса окисления растворённого железа даёт возможность не использовать дополнительных химических реагентов, а так же производить обработку воды за более ускоренный период времени [8].
Природа возникновения кавитационных явлений в жидкости может иметь как акустическую природу так и гидродинамическую, но всегда необходимым условием для возникновения кавитационных процессов в жидкости является наличие растворённых в этой жидкости газов.
Образование кавитационных процессов в жидкости за счёт акустической составляющей происходит в результате распространения в этой жидкости ультразвуковых волн, генерируемых источником. При распространении волн растяжения и сжатия в объёме жидкости происходят разрывы её сплошности, в результате чего и возникают кавитационные процессы. Существенным
недостатком акустической кавитационной обработки жидкости является тот факт, что интенсивность излучателей ультразвуковых волн обратно пропорциональна расстоянию от точки жидкости до самого излучателя, что свидетельствует о том, что наиболее интенсивные кавитационные процессы будут протекать ближе к источнику излучения, что в свою очередь приведёт к разрушению самого источника.
Образование кавитационных процессов за счёт гидродинамической составляющей происходит при нарушении сплошности потока обрабатываемой жидкости при резком изменении
гидродинамических характеристик самого потока
жидкости. Данные эффекты происходят, к примеру, при резком сужении или расширении потока, при обтекании потоком жидкости твёрдого тела с определённой скоростью, при закручивании потока жидкости для придания ему центростремительного ускорения. На практике использование кавитационных процессов за счет резкого изменения гидродинамики потока жидкости, в сравнении с акустическим аналогом, показывает, что КПД у гидродинамической кавитации в разы больше, чем у акустической [9].
Как было сказано ранее, в процессе схлопывания кавитационных пузырьков происходит
возникновение акустических волн, имеющих скорость, не ниже скорости звука. Также стоит отметить, что в процессе кавитационной обработки жидкости происходит образование акустических волн, имеющих свою частоту со средней амплитудой. В этом плане обработку жидкости, с использованием кавитационных гидродинамических устройств, в общем случае, можно именовать волновой обработкой среды. Условия для создания волновых и кавитационных явлений в жидкости проявляется при соотношении определённых параметров воздействия на эту жидкость и гидродинамических составляющих этой жидкости.
В работах [10-13], показана возможность осуществления насыщения жидкости газами. На рисунке 1 представлена принципиальная схема кавитационного гидродинамического устройства.
I г _ —1
IггТТгтТмН Яп"~ .
IV рщщ ч ■
Рис. 1. Схема для расчёта кавитационного гидродинамического генератора колебаний (ГДГК): и -диаметр входных тангенциальных каналов; К - радиус рабочей камеры; Ь - длина рабочей камеры.
Гидродинамический генератор колебаний состоит из рабочей камеры куда через тангенциальные каналы под определённой скоростью поступает обрабатываемая вода. При попадании жидкости в рабочую камеру её поток претерпевает закручивание, с приобретением центростремительного ускорения, способствующего возникновению разрежения по оси движения потока жидкости в рабочей камеры, что в свою очередь вызывает образование кавитационных явлений в обрабатываемом потоке жидкости [13].
В работах [10-13] приведено, установленное экспериментальным путём, оптимальное отношение площади поперечного сечения к площади боковой поверхности рабочей камеры применяемого кавитационного гидродинамического устройства:
S3 = 0.325 LQ
S, S3 R
N
M -1 #2 % WM + N ■
IQ
2 S2
где
Q - расход жидкости м3/с, L - длина рабочей камеры, м;
Я - радиус рабочей камеры, равный ' Л , м;
Б3 - площадь поперечного сечения рабочей камеры,
м2;
Б4 - площадь боковой поверхности рабочей камеры, м2;
Б5 - суммарная площадь сечения входных тангенциальных каналов, м2; d - диаметр входных тангенциальных каналов, м,
21^
равный 1 пп , где п - количество тангенциальных каналов в устройстве;
Ро - входное давление, Па;
^ - плотность жидкости, кг/м3; Н - высота столба жидкости в подводящем трубопроводе, м; Г
2 - коэффициент гидравлических потерь во входных каналах;
12
N = % cos2
s52
arcsin
1 -±
2R
P
M = P + gH P •
В процессе схлопывания кавитационных пузырьков суммарно возникают определённые акустические волны с частото «О»:
п=+(рм -1 й £) 1
1 S5S, (P 2 b2 SJ) p(R - r„)]
, где:
Р - давление жидкости на входе в кавитационное гидродинамическое устройство Па,
Р0 +р-g ■ H равное 0 ^ ° ;
гк - радиус кавитационной каверны, м.
Процесс протекания кавитационных явлений в жидкости способствует максимальному диспергированию воздуха в жидкости (при подаче воздуха из вне), что в свою очередь интенсифицирует процесс окисления форм двухвалентного железа. Использование
кавитационных явлений в жидкости с целью увеличения скорости процесса окисления растворённого железа даёт возможность не использовать дополнительных химических реагентов, а так же производить обработку воды за
более ускоренный период времени. Предложенный способ может быть использован в области водоподготовки для частных домов, коттеджей и промышленных предприятий, а также сельского и коммунального хозяйства, как в централизованных, так и децентрализованных системах водоснабжения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева. Номер проекта X032-2018.
список литературы
1. Николадзе Г.И., Минц Д.М., Кастальский А.А. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. - М.: Высшая школа. 1984. 368 с.
2. Курбатов А.Ю., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А. Способы очистки воды от растворенного железа и марганца. Химическая промышленность сегодня. Москва, 2012. № 4. - С. 48-56.
3. Эжектор и способ его работы: патент RU 2209350 Российская Федерация. Опубликовано 27.07.2003.
4. Установка для обработки и очистки воды: патент RU 2347758 Российская Федерация. Опубликовано 27.02.2009.
5. Установка для обезжелезивания воды: патент RU 2134660 Российская Федерация. Опубликовано 20.08.1999.
6. Аверина Ю.М., Терпугов Г.В., Павлов Д.В., Вараксин С.О. Комплексный подход к проблеме обезжелезивания воды. Водоподготовка. Москва, 2010. № 12 (декабрь). - С. 23-26.
7. Кулагин В.А. Гидродинамические воздействия на жидкости, золи, смеси и твердые границы потоков // Вестник КГТУ. Вып.8. Красноярск: КГТУ, 1997. С. 2643.
8. Федоткин И.М. Физические эффекты при гидродинамической кавитации и их практическое применение. Киев. 2001.
9. Swirling fluid jet cavitation method and system for efficient decontamination of liquids: patent 6,221,260 United States. A61L 2/02. April 2, 1999.
10. Костров С.А. Автоколебательные режимы движения в системах с жидкостью и газом. 1988, 153 с.
11. Калашников Г. А. Автоколебательные режимы в вихревых гидродинамических генераторах колебаний: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук/ Российская академия наук. Ин-т машиноведения. - М., 1993. 24 с.
12. Украинский Л. Е. Динамические основы волновой технологии: Дис. ... д-ра техн. наук: М., 2006. 239 c.
13. Гидродинамический генератор колебаний: патент RU 2015749 Российская Федерация. Опубликовано 15.07.1994.
1.5
5
3
