CC BY
20Экология и системы жизнеобеспечения
УДК 628.342+66.071.5+532.529 Р.Ш. Абиев1
Введение
На крупных промышленных предприятиях нередко образуются большие потоки сточных вод в результате промывки твердой фазы, например, при конденсации отпарного конденсата, в которых могут содержаться соединения фтора, хлора и др., на порядок и более превышающие ПДК. Для снижения концентрации этих соединений до уровня ниже ПДК экономически наиболее оправданным является использование химических методов очистки, а именно нейтрализации путем введения в очищаемую воду твердых частиц нейтрализующего вещества [1]. Как правило, скорость таких реакций чрезвычайно высока, и общая скорость процесса определяется интенсивностью массоотдачи от поверхности частиц.
Традиционный подход к проведению процесса нейтрализации сточных вод при растворении твердых частиц сводится к использованию аппаратов смесительного типа [1]. Однако в таких аппаратах, вследствие чрезвычайно высокой дисперсии времени пребывания, слишком высока вероятность проскока непрореагировавших макрообъемов жидкости [2]. По той же причине резко снижается интегральный коэффициент массоотдачи и, как следствие, возрастает продолжительность процесса и объем аппарата.
Первый путь решения проблемы - использование каскада аппаратов смесительного типа - представляется неэкономичным по двум причинам: во-первых, из-за высокой металлоемкости каскада аппаратов, во-вторых, из-за необходимости установки в каждом из аппаратов перемешивающего устройства с приводом и уплотнительным устройством.
В связи с этим более целесообразным для рассматриваемых процессов является применение аппаратов вытеснительного типа, или трубчатых [2]. Вместе с тем, для простейших аппаратов такого типа характерно обратное продольное перемешивание, что существенно снижает их характеристики, приводя к увеличению длины, а значит, и потерь энергии.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В ПУЛЬСАЦИОННОМ АППАРАТЕ ПРОТОЧНОГО ТИПА
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. 26
Выполнено экспериментальное исследование очистки промышленных сточных вод в пульсационном аппарате проточного типа путем их нейтрализации негашеной известью. Выявлена существенная интенсификация процесса за счет многократного ускорения массоотдачи от поверхности частиц негашеной извести. Впервые показано, что ввод инертного газа в пульсирующую суспензию позволяет дополнительно (до 3 раз по сравнению с тем же аппаратом без ввода газа) интенсифицировать массообмен от растворяемых твердых частиц. Для решения проблемы с возможными комочками извести предложено использовать вихревой струйный аппарат.
Ключевые слова: Очистка сточных вод, интенсификация массоотдачи, пульсационный аппарат, растворение твердых частиц, вихревой струйный аппарат.
|Т ~ тгтт^—твердые частицы (или жидкость)
ні Т“1
I! I— ■* жид КОСТЬ
> ;■ Гу
ііі I \
Рисунок 1. Схема пульсационного аппарата проточного типа: 1 - питающая емкость; 2-4 патрубки; 5 - насос; 6 - труба переменного сечения; 7 - участки с периодически изменяющимся по длине поперечным сечением; 8 - элементы типа трубы Вентури; 9 - участки с постоянным поперечным сечением; 10 - конфузор; 11 - горловина; 12 - диффузор;
13 - сборник; 14 - сливной патрубок.
Нами разработан новый тип вытеснительных аппаратов - пульсационные аппараты проточного типа (ПАПТ) [3-5]. Схема ПАПТ представлена на рисунке 1.
1 Абиев Руфат Шовкетович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, зам. декана по научной работе механического факультета, rufat.abiev@gmail.com
Дата поступления - 1 сентября 2011 года
Аппарат состоит из питающей емкости 1, патрубков подачи исходных компонентов 2, 3 и 4, насоса 5, трубы переменного сечения 6, которая, в свою очередь, состоит из последовательно соединенных участков 7 с периодически изменяющимся по длине поперечным сечением, включающих несколько элементов 8 типа трубы Вентури, и чередующихся с ними участков 9 с постоянным поперечным сечением. К насосу 5 может быть параллельно подключено несколько труб 6. Элементы 8 типа трубы Вентури состоят из конфузора 10, горловины 11 и диффузора 12.
Основная идея, заложенная в конструкцию и принцип действия ПАПТ - генерирование пульсаций скорости, давления и ускорения вдоль линий тока за счет периодически изменяющегося по длине сечения. При изменении сечения меняется скорость (и ускорение), а в соответствии с законом сохранения энергии меняется и давление. В [6] показано, что при скорости в широком сечении порядка 2.5 м/с и отношении диаметров элементов типа трубы Вентури 1:2 пульсации давления имеют порядок 0.5 бар, а амплитуда пульсаций конвективного ускорения превышает 1000д.
Преимуществами пульсационных аппаратов проточного типа являются: 1) минимально возможное гидравлическое сопротивление, достигаемое за счет оптимальной формы образующей [6, 7]; 2) отсутствие застойных зон, обратного перемешивания [8]; 3) генерирование пульсаций давления вдоль оси аппарата с частотой порядка нескольких десятков герц и амплитудой до 0.5 бар, больших мгновенных относительных скоростей фаз [6-8]; 4) минимальные затраты энергии за счет исключения зон вторичного вихреобразования (см. также п. 1) [8]; 5) возможность концентрирования вводимой энергии в единице объема рабочей среды и практически равномерное ее распределение по поверхности частиц [3, 8, 9]; 6) как следствие п. 5 - высокие коэффициенты массоотдачи от поверхности дисперсных частиц к жидкости [9]; 7) более высокий по сравнению с другими типами аппаратов коэффициент трансформации вводимой в аппарат энергии в полезную работу по конвективной диффузии вещества от поверхности частиц [3].
Важно отметить, что в ПАПТ ключевой идеей является именно генерирование пульсаций как способа интенсификации массообмена, реализуемого за счет резкого увеличения средней за период колебаний скорости движения частиц относительно жидкости [3, 9]. Очевидно, что такое колебательное движение тем интенсивней, чем больше разность плотностей фаз и размеры частицы. Поскольку средняя скорость потока остается умеренной, время пребывания частицы при этом не снижается, что позволяет не увеличивать длину аппарата для достижения заданной степени растворения частиц. Турбулентность, возникающая при течении гетерогенной среды в ПАПТ порядка диаметром 20 мм или более, рассматривается нами как нежелательное побочное явление, также способствующее интенсификации массообмена, но за счет гораздо более высоких затрат энергии [3].
Эта особенность отличает ПАПт от трубчатых турбулентных реакторов вытеснения (ТТРВ), разработанных нашими коллегами [10-12]. В ТТРВ основным фактором, интенсифицирующим процессы переноса вещества, является турбулентность, и для генерирования турбулентности в ТТРВ инсталлированы элементы в виде дроссельных шайб различной конфигурации. В работе [3] уже отмечалось, что интенсификация массоотдачи пропорциональна числу Рейнольдса в степени не более 0.5, тогда как затраты мощности при развитой турбулентности растут кубично относительно числа Рейнольдса. И в ПАПТ, и в ТТРВ потери энергии пропорциональны числу Рейнольдса, определяемому по средней скорости потока, но коэффициент сопротивления в ТТРВ выше (примерно в
8 раз [8]). В ПАПТ возможно снизить среднюю скорость потока (а значит, и потери энергии), а коэффициент мас-соотдачи в нем связан с числом Рейнольдса относительного движения.
Таким образом, ПАПТ имеют явные преимущества по полезной работе по сравнению с ТТВТ при равных затратах энергии по критерию "интенсификация массооб-мена, отнесенная к затраченной мощности".
Специалистами центральной химической лаборатории ОАО "Акрон" (В. Новгород) была предложена технология нейтрализации фтора твердыми частицами негашеной извести, вводимыми в стоки. Однако вопрос выбора наиболее эффективного оборудования для промышленной реализации процесса обесфторивания оставался не решенным. Нами была поставлена задача определения оптимального способа обесфторивания отпарного конденсата (фторсодержащей сточной воды) с применением пульсаций и разработки соответствующего оборудования на основании собственных исследований и расчетов.
По оценкам специалистов ОАО "Акрон", при использовании для этих целей аппарата с мешалкой потребовалось бы время пребывания в нем не менее 20 минут, а объем аппарата при заданной производительности составил бы 100-120 м3. Кроме того, в аппарате с мешалкой едва ли можно гарантировать стабильно низкую концентрацию ионов фтора на выходе вследствие высокой дисперсии времени пребывания и, как следствие, вероятного проскока.
В силу того, что средний размер частиц извести составлял 0.7 мм, а максимальный - до 20 мм, при этом плотность извести равна 3400 кг/м3, возможность интенсификации процесса ее быстрого растворения в воде при использовании пульсаций представлялась перспективной. Для предварительного насыщения крупных комков извести (более 4 мм) водой было предложено использовать вихревой струйный аппарат (ВСА), принцип действия и особенности работы которого изложены в [12-14].
В лаборатории кафедры ОХБА проведены эксперименты по обесфториванию образцов промышленных сточных вод на двух установках: 1) в пульсационном аппарате и-образного типа (периодического действия); 2) в ПАПТ (непрерывного действия).
Результаты экспериментов
1) Эксперименты, выполненные в пульсационном аппарате и-образного типа, были направлены на выявление влияния частоты пульсаций на качество процесса обесфторивания реального стока. Аппарат представлял собой и-образную трубу диаметром 40 мм (описание аппарата дано в работах [15, 16]), подключенную к генератору пульсаций сжатого воздуха. Объем жидкости в аппарате составлял 14 = 0.5 л. Частота пульсаций измерялась при помощи электронного цифрового тахометра, амплитуда колебаний А жидкости определялась по миллиметровой шкале с использованием кадров видеосъемки, температура t - ртутным термометром. Продолжительность первой стадии -ц (взаимодействие стока с порошком негашеной извести массой тизв) в опытах составляла от 5 до 10 мин с последующей обработкой флокулянтом объемом 1/фл в течение 10 мин. В опытах использовались два разных стока с концентрацией ионов фтора /0: в первом 256 мг/л, во втором 204 мг/л. Условия проведения опытов, измеренные величины и результаты анализа содержания фтора в обработанном стоке представлены в таблице 1. Анализ проб проводился в ЦХЛ ОАО "Акрон". В качестве критерия очистки стоков от ионов фтора служило отношение /Ь//к, где /к - конечная концентрация фтора в аппарате.
Из представленных в таблице 1 данных сделан вывод о том, что в исследованном диапазоне частот колебаний (от 1.1 до 3.1 Гц) частота колебаний слабо влияет на эффективность процесса обесфторивания. Во всех опытах (исключая опыт №5, проведенный при удвоенной массе извести), достигается снижение концентрации фтора в среднем в 10.4 раза со среднеквадратичным отклонением 2.3.
Таблица 1. Условия и результаты экспериментов по обработке реальных стоков в и-образном ________ пульсационном аппарате
№ оп. /о, мг/л т,зв, г Ті, мин £ Гц А, мм £ °С Ифл, мл /к, мг/л №
1 256.5 0.46 5 1.1 20 21 0.4 21.38 12.00
2 204.0 0.34 10 1.1 20 22 4 14.82 13.80
3 204.0 0.34 10 1.1 20 22 4 19.00 10.70
3 контр1' 204.0 0.34 10 — — 21 4 19.00 10.70
4 204.0 0.34 7 2.6 22 21 4+1 15.96 12.80
5 204.0 0.68 7 2.5 22 21 4 11.21 18.20
6 204.0 0.34 10 1.3 22 21 4 22.33 9.13
7 204.0 0.34 10 2 22 22 5 24.23 8.42
8 204.0 0.34 10 1.1 22 21 4 27.55 7.40
9 204.0 0.34 10 3.1 12 22 4 23.75 8.59
Примечание. 1) В опыте 3 контр вместо пульсаций использовали перемешивание стеклянной палочкой.
Столь слабое влияние частоты можно объяснить, во-первых, довольно узким диапазоном частоты (в данной установке) при практически постоянной амплитуде пульсаций, что приводило практически к одинаковой скорости относительного движения фаз. Разброс данных (даже при одинаковых частотах) обусловлен тем, что в опытах использовались малые навески извести, которая обладает полидисперсным составом.
Опыты в пульсационном аппарате и-образного типа показали, что пульсации позволяют на порядок сократить концентрацию фтора за 5-10 минут, при этом эффективность растворения примерно в 2 раза выше, чем при механическом перемешивании. Вместе с тем, целью исследования являлось более существенное сокращение продолжительности, поскольку именно оно позволило бы значительно уменьшить объем аппарата.
В аппаратах периодического действия, вследствие их большого объема, трудно реализовать высокую частоту пульсаций [17], а значит, трудно добиться большего увеличения массоотдачи от поверхности частиц. Кроме того, в них трудно повысить однородность концентрации на выходе. Одновременное решение обеих проблем оказалось возможным в ПАПТ.
Кроме того, ПАПТ удобно моделировать, так как в лабораторном аппарате можно создать ту же частоту и амплитуду пульсаций, что и в промышленном, согласовав расход жидкости с геометрией аппарата. Наконец, важным для практики аспектом является повышение надежности аппарата за счет исключения из его конструкции подвижных частей (пульсатора, мешалки) и уплотнений вала.
Таблица 2. Условия и результаты предварительных экспериментов по обработке _____________________реальных стоков в ПАПТ
№ оп. /0, мг/л Иж, л т,зв, г Ті, мин Кіроб, л £ °С Ифл, мл /к, мг/л /о//к
10-1 204.0 10 6.7 2 0.5 30 4 13.68 14.91
10-2 6 0.5 35 4 12.54 16.27
10-3 8 0.5 37 4 14.06 14.51
10-4 10 0.5 37 4 14.06 14.51
11-1 204.0 15 10.1 2 0.5 31 4 16.34 12.48
11-2 5 0.5 36 4 15.96 12.78
11-3 7 0.5 39 4 16.34 12.48
2) Об эффективности пульсационных воздействий на укрупненной установке, включающей ПАПТ, можно судить по данным, приведенным в таблице 2. Установка (схема показана на рисунке 1) представляла собой бак с подключенным к нему насосом и ПАПТ длиной 0.85 м и цилиндрической трубой длиной около 25 м со специальными элементами, позволяющими создавать пульсации потока в этой трубе. Расчетная частота пульсаций составляла 37-38 Гц. Предварительно проведено 2 опыта - №
10 и № 11.
Из данных таблицы 2 видно, что в обоих опытах стационарная концентрация устанавливается уже за 2 минуты (в пределах погрешности измерений). При этом коэффициент снижения концентрации фтора оказался в среднем примерно на 20-40% выше, чем в модели 11-образного аппарата.
Таблица 3. Условия и результаты детальных экспериментов по обработке реальных стоков в ПАПТ (объем жидкости в аппарате около 20 л)
№ о п. № пр об ы Т, с /к, мг/ л * С °С Я, м3/с м/с £ Гц /к/ 0 Т, с При- меч.
12 0 0 380 28 7.00-104 8.913 44.2 1.000 28.57 В аппа- рат введен воздух
1 15 20 0.053
2 300 9.74 0.026
13 0 0 313.5 29 1.12-104 1.422 7.05 1.000 179.05 Не- сколько комоч- ков извести не раство- рилось
1 15 228 0.727
2 45 12.6 0.040
3 60 13.3 0.042
4 120 19 0.061
5 195 87.4 0.279
6 300 136.8 34 0.436
14 0 0 332.5 256-ИГ4 3.259 16.2 1.000 78.13
1 15 16 0.048
2 45 14.8 0.045
3 75 15.2 0.046
4 120 30.4 0.091
5 180 57 0.171
6 300 15.2 0.046
15 0 0 370.5 29 3.03-10-4 3.854 19.1 1.000 66.07
1 15 12.16 0.033
2 45 119.7 0.323
3 70 266 0.718
4 120 313.5 0.846
5 180 17.86 32 0.048
6 300 22.8 35 0.062
16 0 0 370.5 35 7.00-10-4 8.913 44.2 1.000 28.57
1 15 41.8 0.113
2 30 19 0.051
3 70 19 0.051
4 120 17.1 0.046
5 180 15.96 40 0.043
6 300 15.96 42 0.043
Q - расход жидкости,
Т - длительность одного цикла (время пребывания в аппарате) * для пробы с номером 0 /к = Р0.
В последующих экспериментах (опыты №№ 13-16 в таблице 3) удалось сократить продолжительность процесса до
30 секунд при снижении концентрации ионов фтора примерно в 20 раз (см. опыт №16). При этом выявлена связь между длительностью цикла (установка работала с рециклом) и концентрацией проб на выходе из ПАПТ (см. опыты №№13-15). Длительность одного цикла Т определялось по формуле [2]
Т = V/® (1)
Где V - объем аппарата, м3 (V = 0,02 м3); ® - расход жидкости, м3/с.
Влияние расхода (скорости) жидкости на скорость растворения извести легко проследить по данным опытов №№13-16: поскольку с увеличением скорости движения жидкости увеличивается частота пульсаций и скорость относительного движения фаз, возрастает и скорость массообмена.
Заметим, что при недостаточно высоких расходах воды (опыты №№13-15) концентрация ионов фтора на выходе из аппарата менялась циклически, что свидетельствует о неполном протекании реакции, обусловленном недостаточной интенсификацией массоотдачи от поверхности частиц извести при малых скоростях относительного движения фаз. В опыте 16 концентрация ионов фтора на выходе из аппарата снижалась монотонно, снизившись в 20 раз (по отношению к начальной) за один цикл (проба 2 опыта №16, т = 30 с я Т = 28.6 с), а затем снижалась незначительно. Этот эффект подтверждает необходимость создания в аппарате минимально необходимой скорости относительного движения фаз, достигнутой в опыте №16.
Для усиления эффекта, в соответствии с публикацией [5], было предложено ввести в аппарат дополнительно инертный газ (воздух, опыт №12) с объемным расходом не более 5-6% от расхода жидкости. Снижение ионов фтора в 29 раз в опыте №12 произошло уже через 15 сек, в 39 раз - через 5 мин. Сравнение с пробами, полученными при тех же условиях, но без ввода воздуха (опыт №16, снижение ионов фтора в
9 раз за 15 сек, в 24 раза - за 5 мин) свидетельствует о допол-
нительной интенсификации массообмена при вводе в аппарат инертного газа. Как показано в работах [18, 19], этот эффект дополнительной интенсификации массоотдачи от поверхности частиц в воду достигается за счет пульсаций пузырьков воздуха в суспензии растворяемых частиц в жидкости и сопутствующих им радиальных микротечений жидкости. Кроме того, дополнительная интенсификация массопереноса может быть обусловлена резким снижением акустического импеданса суспензии при вводе в нее газа, что влечет за собой увеличение относительной амплитуды колебаний фаз.
Таким образом, применение ПАПТ позволяет снизить концентрацию ионов фтора при растворении негашеной извести до 20 раз за 30 секунд, и в 29 раз за 15 секунд при одновременном вводе воздуха. Благодаря этому удается существенно сократить длину аппарата и снизить потери энергии на трение при перемещении жидкости.
Особенностью процесса нейтрализации фтора известью является то, что часть извести поступает в аппарат в виде комочков. Сконструированная установка, включающая ВСА, где благодаря снижению давления происходит насыщение комочков жидкостью и их последующее дробление, позволяет непрерывно вводить в приемный бак сточные воды и известь, а далее эти компоненты! смешиваются в ПАПТ, и на выходе из ПАПТ мы получаем обесфторенный сток, который далее может подаваться на флокуляцию и последующее отделение хлопьев.
В испытанной установке не использовались какие-либо сложные устройства типа генератора пульсаций, пульсатора, пневмоклапанов и т. п., лимитирущие безотказность и долговечность. Энергия вводится в систему стандартным серийно выпускаемым насосом. Таким образом, нам удалось достичь повышения надежности системы.
Качественный анализ результатов
Первая реализация пульсационных аппаратов -пульсационные колонны, разработанные С. М. Карпачевой с сотр. в 60-е гг. 20 века, хорошо зарекомендовали себя в процессах жидкостной экстракции (в основном в радиохимической промышленности). Из публикаций С.М. Карпачевой [20-23] известно, что рабочий диапазон частот в этих колоннах составляет примерно от 0.01 до 0.1 Гц. Интенсивность процесса растворения, сопровождающего химическую реакцию, определяется коэффициентом массоотдачи р от поверхности частиц, а в критериальном виде — числом Шервуда (диффузионное число Нуссельта):
Sh = Pd/D, (2)
где d - размер частицы (диаметр), м; D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с.
Из теории массопередачи известно, что в общем виде число Шервуда определяется числами Рейнольдса Re = Voi-hA/v при относительном движении фаз и числом Шмидта Sc = v/D (диффузионное число Прандтля)
Sh = С Rem Scn, (3)
гдеС, m, n - положительные величины, зависящие от вида течения, геометрии тела и т. п.; voth - относительная скорость движения фаз; v - кинематическая вязкость жидкости.
Таким образом, при заданных свойствах среды и размерах частиц (d = const, D = const, v = const) единственной физической величиной, определяющей процесс растворения, является относительная скорость фаз.
При очень низких частотах f (порядка 0.01 - 0.1 Гц), характерных для пульсационных колонн, амплитуда колебаний жидкой среды на практике составляет порядка 10 мм. При низких частотах силы инерции малы, и частицы практически повторяют колебательные перемещения жидкой среды, т. е. сдвиг по фазе между колебаниями жидкости и частиц мало отличается от нуля. Это означает, что амплитуда относительного перемещения фаз Аотн чрезвычайно низка [24, 25]. Следовательно, невелика и амплитуда относительной скорости фаз
УОТН _ 2п^А0ТЧ, (4)
причем для низких частот мала еще и сама величина % что также отражается на снижении величины уоТн.
При ультравысоких частотах (ультразвуковой диапазон) частицы, даже мелкие, не успевают следовать за быстро колеблющимся потоком жидкости, т. е. практически остаются на месте, и амплитуда относительных колебаний при этом, казалось бы, должна быть выше. Действительно, сдвиг по фазе между колебаниями жидкости и частиц близок к п. Однако при ультразвуковых колебаниях сама амплитуда колебаний жидкости столь мала (порядка 0.1 мм и менее), что скорость относительного движения фаз и эффективность растворения при этом также незначительны.
Очевидно, существует некий оптимальный диапазон частот колебаний, при которых, с одной стороны, и амплитуда колебаний жидкости еще достаточно велика (порядка 10 мм), с другой — частота должна быть достаточно большой, чтобы частицы отставали по фазе от жидкости. Наши исследования, проведенные на различных модельных средах [9, 16, 17], показали, что эти частоты составляют порядка единиц и десятков Г ц.
Это позволяет на качественном уровне объяснить, почему в исследованном аппарате типа ПАПТ удалось добиться более быстрого растворения частиц извести по сравнению с "низкочастотным" пульсационным аппаратом. Что касается энергетики ПАПТ, в работе [8] показано, что по сравнению с существующими аналогами в ПАПТ затрачивается на порядок меньше энергии при равных прочих условиях, что обусловлено оптимальной гидродинамической конфигурацией ПАПт.
Разработанная схема очистки сточных вод
По результатам экспериментов для промышленной реализации на ОАО "Акрон" разработана схема, представленная на рис. 2. На первой стадии для гарантированного разрушения комочков извести и предварительного ее растворения использован ВСА, на второй, основной стадии, выбран ПАПТ.
Рисунок 2. Схема установки для очистки отпарного конденсата от фтора: 1 -камера ввода и классификации извести; 2 - напорный бак (с крышкой и воздушником); 3 - вихревой струйный аппарат; 4 - дефлектор; 5 - насос центробежный (Н = 90-100м, Q = 25-28мР/ч); 6 - реактор пульсационный; 7 - автономный компрессор; 8- жёлоб для смешения обработанного конденсата с флокулянтом; 9 - отстойник; 10-12,17-20 - задвижки; 13,16- клапаны регулирующие; 14- электродвигатель с регулятором частоты вращения; 15 -клапан аварийной промывки; 21-23 - вентили для переключения потока воздуха; 24 - обратные клапаны; 25 - газоотделитель (циклон или прямоугольная инерционная камера); 26 - рециркуляционный насос; 27 - дроссель (вентиль).
Отпарной конденсат из аппарата DA 511 через задвижку 10 подается под решетку камеры 1, в которую непрерывно дозируется известь. Частицы извести переходят во взвешенное состояние и засасываются в сопло вихревого струйного аппарата 3. При этом наиболее мелкие частицы могут уноситься с избытком жидкости, переливающейся через верх камеры 1 в напорный бак 2. Самые крупные частицы (комки извести до 20 мм), напротив, задерживаются на решетке, непрерывно омываются свежими порциями конденсата, постепенно растворяясь и уменьшаясь в размерах. При достижении критического размера они также уносятся из камеры 1
в аппарат 3 через переливную трубу. В аппарате под действием больших ускорений и центробежных сил происходит интенсивное взаимодействие конденсата с частицами извести, агломераты частиц подвергаются разрушению. Суспензия из аппарата 3 попадает в напорный бак 2, в сужении которого установлен дефлектор 4, и далее — во всасывающий патрубок насоса 5. К напорной линии насоса подключен пульсационный реактор 6 типа ПАПТ, состоящий из цилиндрических участков диаметром 60 мм, перемежающихся участками с переменным поперечным сечением. В целом реактор состоит из 5 пролетов длиной по 20 м, соединенных при помощи отводами (калачами). В реактор при помощи компрессора 7 (или из линии сжатого воздуха) подается воздух. Прореагировавший конденсат поступает в жёлоб 8, где происходит его "мягкое" (без вредной для флокулянта турбулизации) смешение с раствором флокулянта, и далее смесь попадает в отстойник 9, откуда выводится обесфторенный конденсат.
Как следует из проведенных нами исследований, разработанная схема позволит осуществлять процесс обес-фторивания за 15-30 сек в непрерывном режиме. В настоящее время в центральном конструкторском бюро ОАО "Акрон" ведется разработка конструкторской документации на установку, схема которой представлена на рисунке 2.
Выводы
На основании проведенных в СПбГТИ исследований сделан вывод о преимуществах пульсационного аппарата проточного типа - новой разновидности реактора вытеснительного типа - перед реакторами других типов.
Преимущества ПАПТ можно свести к следующим
пунктам:
■ в пульсационном аппарате проточного типа значительно проще организовать непрерывный процесс с гарантированной степенью превращения;
■ продолжительность процесса обесфторивания в нем может быть сокращена до 15-30 сек при сокращении концентрации фтора примерно в 30 раз;
■ пульсационный аппарат проточного типа не нуждается в подвижных уплотнениях, мешалках, в сложных в изготовлении и обслуживании элементах типа "пульсатор", "генератор пульсаций", а пульсации скорости и давления в нем обеспечиваются за счет пространственно-периодической геометрии канала;
■ вводимый в реактор газ повышает эффективность воздействия колебаний на обрабатываемую реакционную среду; пузырьки газа выполняют функцию вторичного источника пульсаций, перераспределяя энергию колебаний по всему объему обрабатываемого конденсата.
Таким образом, с учетом малой продолжительности реакции нейтрализации, достигаемой при наложении пульсаций за счет снижения диффузионного сопротивления, использование пульсационного реактора непрерывного действия типа ПАПТ можно считать целесообразным для очистки промышленных сточных вод, а также для других быстропротекающих гетерогенных реакций, общая скорость которых лимитируется диффузией.
Литература
1. КогановскийА.М. [и др.].Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983. 288 с.
2. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969. 624 с.
3. Абиев Р.Ш. Пульсационные аппараты нового поколения - энерго- и ресурсосберегающее оборудование химических производств // Хим. пром. Сегодня. 2008. № 4. С. 46-54.
4. Устройство для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц: пат. 2064319 Рос. Федерация, № 94008760/26; заявл. 14.03.1994; опубл. 27.07.1996. Бюл.. №
21. 3 с.
5. Способ интенсификации реакционных и массооб-
менных процессов в гетерогенных системах и аппарат для его осуществления: пат. 2264847 Рос. Федерация; №
2004103160/15; заявл. 03.02.2004; опубл. 03.02.2004. Бюл. № 33. 7 с.
6. Абиев Р.Ш. Течение однородной несжимаемой жидкости в трубе с периодически меняющимся сечением // Журн. хим. и нефтегаз. машиностр. 2003. № 1. С. 6-10.
7. Абиев Р.Ш. Исследование течения газожидкостной системы в трубе с периодически меняющимся сечением // Химическая промышленность. 2003. Т. 80. № 12. С. 600-607.
8. Галушко А.С., Абиев Р.Ш. Исследование гидродинамики газожидкостной смеси в пульсационном аппарате проточного типа // Вестник Казан. Технол. Ун-та. 2008. № 6. С. 199-205.
9. Галушко А.С., Абиев Р.Ш., Курилова Т.А. Массопе-ренос на границе газ-жидкость в аппарате с периодически изменяющимся поперечным сечением // Мат. методы в технике и технологии. Тез. докл. междунар. конф. г. Ярославль 28 -
31 мая 2007 г. Ярославль: ЯГТУ, 2007. С. 92-93.
10. Берлин, А.А., Минскер К.С., Захаров В.П. О новом типе реакторов для проведения быстрых процессов // Докл. РАН. 1999. Т. 365. № 3. С. 360 - 363
11. Тахавутдинов Р.Г. [и др.]Турбулентное смешение в малогабаритных аппаратах химической технологии // Хим. пром. 2000. № 5. С. 41-49.
12. Минскер К.С., Захаров В.П. Берлин, А.А. Трубчатые турбулентные реакторы вытеснения - новый тип промышленных аппаратов // Теоретические основы химической технологии. 2001. Т. 35. №2. С. 172-177.
13. Абиев Р.Ш. Берегова Е.М., Шувалов А.Е. Исследование вихревого струйного аппарата в качестве генератора пены // Проблемы управления рисками в техносфере. 2009. № 4 (12). С. 46-56.
14. Вихревой струйный аппарат и способы его включения (варианты): пат.2262008 Рос. Федерация; №
2004101919/06; заявл. 21.01.2004; опубл. 10.10.2005. Бюл. № 28. 13 с.
15. Островский Г.М., Абиев Р.Ш. Пульсационная резонансная аппаратура для процессов в жидкофазных средах // Хим. пром. 1998. № 8. С. 468-478.
16. Абиев Р.Ш. Моделирование пульсационного экстрактора U-образного типа // Хим. и нефтегаз. Машиностр. 2000. № 8. С. 11-14.
17. Абиев Р.Ш. Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии. СПб.: Изд-во вВм, 2006. 188 с.
18. ДолинскийА.А., Иваницкий Г.К Принципы разработки новых энерго-ресурсосберегающих технологий и оборудования на основе методов дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. 1997. Т. 19. №4-5. С.13-25.
19. ДолинскийА.А., НакорчевскийА.И Принципы оптимизации массообменных технологий на основе метода дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. 1997. Т. 19. №6. С.5-9.
20. Карпачева С.М. Интенсификация химикотехнологических процессов применением пульсационной аппаратуры // Журн. прикл. химии. 1990. Т. 63. № 8. С. 16491658.
21. Карпачева С.М., Захаров Е.И Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов М.: Атомиздат, 1980. 256 с.
22. Карпачева С.М., Рагинский Л.С., Муратов В.М. Основы теории и расчета горизонтальных пульсационных аппаратов и пульсаторов М.: Атомиздат, 1981. 192 с.
23. Карпачева С.М., Рябчиков Б.Е. Пульсационная аппаратура в химической технологии М.: Химия, 1983. 224 с.
24. Накоряков В.Е.,. Бурдуков А.П., Болдарев А.М., Терлеев П.Н. Тепло- и массообмен в звуковом поле / под ред. СС Кутателадзе. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1970. 253 с.
25. Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело-жидкость Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. 188 с.
