CC BY
70
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дорожные основания и покрытия из укрепленных грунтов / В.М. Безрук [и др.]. М.: Транспорт, 1966.
2. Безрук В.М. Методы укрепления грунтов в дорожном строительстве США. М., Изд. Оргтрансстрой Минстроя СССР, 1961.
3. ВСН 184-75 Вяжущиематериалыдляукрепленных оснований.
4. ГОСТ 23558-94. Смеси щебёночно-гравийные-песчанные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства.
5. Левченко Е.А., Воробчук В.А., Пешков А.В. Использование фторгипса для получения минерального вяжущего //ВестникИрГТУ №6 (89) 2014.
6. Методические рекомендации по строительству оснований дорожных одежд с использованием связных грунтов, укрепленных минеральными или органическими вяжущими с добавками пав и промышленных отходов 1985 г.
7. ОДН 218.046-01Проектирование нежестких дорожных одежд.
8. Совершенствование теоретических основ укрепления грунтов комплексными вяжущими с целью получения высокопрочных дорожных конструкций/ Росдорнии, Союз-дорнии. М., 2002.
9. СП 34.13330-2014. Актуализированная редакция СНИП 2.05.02-83 Автомобильные дороги.
Информация об авторе
Слободчикова Надежда Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги», тел.: 67-14-17, e-mail: Nslobodchikova@rambler.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the author
Slobodchikova N.A., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Automobile Thoroughfares Department, tel.: 89025771417, е-mail: Nslobodchikova@rambler.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
УДК 696/697(082)
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ФЛОТАЦИИ М.Ю. Толстой, Т.И. Шишелова, В.М. Толстой
В статье приводятся результаты исследований процесса флотации и его интенсификации при биологической очистке сточных вод, процессе обогащения полезных ископаемых и для других физико-химических процессов. Предложено использовать процесс введения акустических колебаний при газожидкостном процессе аэрации. Используется способ использования эффекта распределения вещества на упругой сферической оболочке.
Ключевые слова: вибрация; массоперенос; аэрация жидкости; эффект избирательного распределения вещества на упругой сферической оболочке.
INTENSIFICATION OF FLOTATION PROCESS M.Iu. Tolstoy, T.I. Shishelova, V.M. Tolstoy
In the article we show the research results of flotation process and its intensification during biological cleaning of sewage waters, process of enrichment of natural resources and for other physical and chemical processes. It was suggested to use the process of introduction of acoustic fluctuations during gas-liquid process of aeration. We use the effect of substance allocation on the solid spherical membrane.
Key words: vibration; mass transfer; liquid aeration; effect of selective substance allocation on the solid spherical membrane.
Введение
Аэрация жидкости необходима как для создания флотационных пузырьков в жидкости, так и для насыщения самой жидкости кислородом в зависимости от назначения химического или биохимического процесса в очистке воды, или другой отрасли промышленности, использующей аэрацию как основу технологического цикла.
Применение аэрирующих устройств для методов очистки сточных вод известно давно. Разнообразие способов аэрации жидкости и устройств для их осуществления требует не только классификации, что делалось многими авторами в различной интерпретации, но и фундаментального подхода для выявления физических закономерностей осуществления аэрации и создания более совершенных устройств и способов, необходимых для различных отраслей промышленности, таких, как обогащение полезных ископаемых, очистка сточных вод, биотехнологии, пищевая промышленность и другие.
Из всех известных способов аэрации жидкости наиболее перспективным является газожидкостный. Он позволяет не только генерировать пузырьки воздуха, но и управлять необходимыми параметрами аэрации, а именно: размерами образующихся пузырьков, их распределением в объеме, гидродинамикой потоков в камере аппарата, расходом реагентов и т.д.
Известные теории расчетов газожидкостных аэраторов основаны в основном на экспериментальных результатах исследований и описываются полуэмпирическими методами. Сложность решений уравнений движения, описывающих течение многофазных потоков, не позволяет исследователям теоретически обосновать применимость той или иной модели для различных конструкций и аппаратов. В связи с этим главной задачей статьи является попытка определить основы теории для расчета газожидкостных аэраторов и увязать ее в комплекс с другими исследованиями, определяющими гидродинамику газожидкостных потоков во флотационных аппаратах.
Выявление закономерностей, поддающихся теоретическому описанию, определяющих соотношение фаз газа и жидкости в газожидкостных аэраторах, понятие процесса формирования размеров газовой фазы, гидродинамический расчет факела аэрированной струи и создание на этой основе управляемой динамики флотационного аппарата являлось бы серьезной основой в дальнейшем совершенствовании флотационной техники.
Богатый опыт и фундаментальная база по исследованию гидродинамики гетеро-фазных сред накоплен учеными в области ракетной техники и космонавтики, в создании и проектировании двигателей внутреннего сгорания - Л.Д. Ландау, В.Г. Левичем, С.С. Григоряном, Р.И. Нигматулиным, В.Е. Накоряковым, А.С. Лышевским. Это дает возможность использовать уже известные математические модели и результаты экспериментальных исследований как аналогию процессов вразличного типа форсунках давления и в газожидкостных аэраторах. Применение такого подхода к исследованию гидродинамики газожидкостных аэраторов существенно меняет взгляды на уже известные теоретические разработки в этой области. А если учесть экспериментальные исследования применения газо-
жидкостных напорных аэраторов в процессах флотации, показавших результаты на порядок превышающие известные аналоги, то, несомненно, наиболее актуальной становится задача теоретического изучения и описания обнаруженных эффектов.
Постановка проблемы
В результате изучения процессов флотации и их интенсификации были предложены различные пути решения [1-3]. Авторами была опробована методика экспериментального исследования данных процессов.
Лабораторные испытания по интенсификации процесса флотации заключаются в создании колебаний в жидкости путем вибрационного воздействия. Для данных исследований был использован вибростенд одного из ведущих мировых производителей виброиспытательного оборудования - компании «TIRA GmbH» (Германия). Эта компания предлагает вибраторы на постоянных магнитах, которые можно использовать в качестве как мобильных, так и стационарных систем для имитации вибраций окружающей среды.
Рис. 1. Установка стенда вибрации
Данная установка выглядит следующим образом (рис.1.). Она включает в себя испытательный резервуар (1) с аэрируемой жидкостью, магнитный вибратор (2) модели S511 с диапазоном частот 2-7000 Гц и усилитель мощности (3) ВАА120 TIRA с синусоидальной мощностью на выходе до 2 кВт. Этот тип усилителей работает со всеми виброгенераторами на постоянных магнитах, а также с генераторами до 1600Н. Они оборудованы современными МОП-транзисторами и, в зависимости от ситуации, могут работать по току/напряжению. Также они оснащены дисплеем с подсветкой, и поэтому удобны для пользователя. Система контроля безопасности производит мониторинг параметров: температуры, перегрузки по току, смещения, и исключает выход усилителя из строя при коротком замыкании. Запуск системы производится дистанционно через пульт управления (4), который связан с компьютером (5) с установленным на него специализированным программным обеспечением. В программном обеспечении предварительно задаются требуемые параметры: частота (Гц), амплитуда движения (мм) и ускорение (G) и производится пуск системы. Колебательные движения от вибратора (2) предаются в резервуар (1) через соединительную мембрану (7). Также, датчики вибрации (6), установленные на подвижной части виброгенератора (2), позволяют следить, на экране компьютера, за ходом
работы и изменениям ранее заданных параметров. Эксперименты фиксируются на высокоскоростную камеру (8) pco.1200s.
Методика исследований
Исследования влияния вибрации на эффективность аэрации
Создание колебаний в жидкости путем вибрационного воздействия или так называемого акустического поля известно давно. В этих работах обнаружен ряд специфических эффектов резонансного характера. Анализ этих эффектов условно разбит на три группы: низкочастотная (пульсационная), среднечастотная (акустическая) и высокочастотная (ультразвуковая).
Акустические воздействия на жидкость вызывают колебания поверхности пузырька, который при этом может принимать условно формы «многогранников» (тетраэдр, но-наэдр, декаэдр и т.д.) (рис.2.).
То есть, вибрирующая оболочка пузыря принимает отчетливые очертания плоских граней, хотя в данный момент эти грани (весь пузырек) совершают колебания с определенной частотой. Наблюдается интересный эффект, который принято называть «огранкой».
Явление «огранки» появляется как бы в резонансе совпадающих частот колебаний жидкости и собственных колебаний оболочки. Причем отдельно взятая грань пузырька колеблется от полного сферического положения (2) до вогнутого положения (3), проходя при этом промежуточное положение (4), которое обычно называют резонансным.
/ N х
£ / 1 \ ч \
/ / \
1 \ ^ --. 1
/ ^^ X. N 4
/
\ \ ч / / /
"--- / / Г /ч. У / г
\ \
X. 4 ) ( у
3
Рис. 2. Три устойчивые формы поверхности резонансных колебаний пузырька в жидкости под воздействием вибрации: 1- колебание оболочки пузырька; 2 - основное (нормальное) положение оболочки; 3 - вогнутое (сжатое) положение оболочки; 4 - резонансное (промежуточное) положение оболочки
Рис. 3. Изменение поверхности пузырька под воздействием вибрации:
1 - частица; А-А - сечение, в плоскости которого изменяется кривизна поверхности пузыря; 4 жидкости, изменившие направление под действием колебания пузыря
линии тока
На рис.3 показан один из вариантов почти кубической формы. При этом заметно, что колебания оболочки пузырька заставляют линии тока жидкости - 3 искривляться - 4 и приближаться к пузырю, повторяя изменения кривизны его оболочки. Это позволяет оседать на пузыре малым частицам, которые раньше (без применения колебаний) проходили мимо пузыря, огибая его вместе с потенциальным течением жидкости.
Таким образом, можно сказать, что колебания пузыря в форме, близкой к геометрически правильным многогранникам, способствует осаждению на пузыре частиц, которые раньше проходили мимо, вдоль линий тока жидкости, не оседая на пузыре. Следовательно, геометрически правильные колебания пузыря, вызванные вибрационным воздействием, повышают эффективность осаждения частиц, которая прямо пропорционально зависит от амплитуды и частоты возмущения, площади колеблющейся поверхности пузыря и плотности частицы и обратно пропорционально - от размеров пузыря и радиуса кривизны линий тока жидкости.
Рис. 4. «Ограненный» пузырек
На рис. 4. показана «огранка» реального воздушного пузырька размером 2 мм, закрепленного на специальной подложке в жидкости, подверженной вибрационным воздействиям.
Рис. 5. Эффект распределения вещества на упругой сферической оболочке
На рис. 5 показан эффект распределения твердых частиц загрязнений на поверхности упругой колеблющейся искусственной оболочки размером 40 мм, закрепленной в жидкости.
Заключение
Полученные результаты позволяют утверждать, что колебания поверхности пузыря, вызванные вибрационным воздействием, повышают степень извлечения и соответственно эффективность элементарного акта флотации. Это, в свою очередь, дает возможность снизить концентрацию применяемых флотореагентов, что удешевляет процесс флотации и уменьшает количество загрязнений в очищенной воде.
Кроме того, уменьшение количества гидрофобизаторов понижает плотность жидкости, что увеличивает эффективность осаждения частиц на пузыре. Также это уменьшает толщину оболочки пузыря и увеличивает амплитуду его колебаний.
Многочисленные экспериментальные исследования колебаний воздушных пузырьков под воздействием вибраций позволили обнаружить еще несколько эффектов, касающихся поведения мелких пузырьков. То есть по мере изменения параметров вибрации разрозненные пузырьки воздуха, всплывающие в жидкости, начинали группироваться в отдельные скопления или накапливаться в виде роя пузырей в отдельных зонах камеры флотации.
Устойчивое повторение обнаруженных эффектов предопределило теоретическое и экспериментальное изучение возможности их использования для интенсификации процессов аэрации и флотации.
Статья поступила 11.02.2015 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Леонов С.Б., Казаков В.Д., Федотов К.В., Ратинер М.М., Толстой М.Ю. Эффект избирательного распределения вещества на упругой сферической оболочке // Известия вузов. Цв. металлургия. 1989. № 2. С. 5-8.
2. Толстой М.Ю. Моделирование работы вращающегося пневмогидравлического аэратора // Научно-технический журнал Вестник МГСУ, Периодическое научное издание. Москва, МГСУ. 2008. № 3 С. 142- 145.
3. Толстой М.Ю., Василевич Э.Э., Лапковский А.А., Васильева А.А. Очистка сточных вод катализаторами «КАТАН» при разной степени аэрации различной массовой концентрации активного ила // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8 (55). С. 66-70.
Информация об авторах
Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, директор инновационного центра «Энергоэффективность», тел.: (3952) 40-56-09, 89149271445, e-mail: tol-stoi@istu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Шишелова Тамара Ильинична, доктор технических наук, профессор кафедры физики, тел.: 89149214654, e-mail: tamara.shishelova@gmail.com; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Толстой Василий Михайлович, студент гр. ГСХб-13 института архитектуры и строительства, тел.: 89149434477, e-mail: vastlistjj@yandex.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Tolstoy M.Yu., сandidate of technical sciences, professor, department of engineering services and life-support systems, tel.: (3952) 40-56-09, 89149271445, e-mail: tolstoi@istu.edu; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Shishelova T.I., Doctor of Technical science, professor, department of physics, tel.: 89149214654, e-mail: tamara.shishelova@gmail.com; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Tolstoy V.M., undergraduate, tel.: 89149434477, e-mail: vastlistjj@yandex.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
