CC BY
63
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 628.356
Н.С. Ткач, A.A. Еськин, Г.А. Захаров, К.В. Цыганкова
ТКАЧ НАДЕЖДА СЕРГЕЕВНА - магистрант кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: tkach_nse@students.dvfu.ru
ЕСЬКИН АНТОН АНДРЕЕВИЧ - аспирант кафедры
инженерных систем зданий и сооружений Инженерной
школы (Дальневосточный федеральный университет,
Владивосток).
E-mail: eskin.aa@ dvfu.ru
ЗАХАРОВ ГЕННАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: zakharov.ga @dvfu.ru
ЦЫГАНКОВА КСЕНИЯ ВАСИЛЬЕВНА - старший преподаватель кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: tsygankova.kv@dvfu.ru
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ СТРУЙНОЙ АЭРАЦИИ
Представлен обзор исследований по теме взаимодействия свободной струи с поверхностью жидкости, описаны основные геометрические и режимные параметры, определяющие механизм захвата воздушной среды. Отмечено отсутствие данных по влиянию давления воздушной среды на рабочие процессы. Разработано техническое решение для интенсификации воздухонасыщения. Предложены аналитические расчетные зависимости для определения количества дополнительно вовлеченной воздушной фазы.
Ключевые слова: нефтесодержащие воды, очистка, струйная аэрация, воздухововлечение, коэффициент эжекции.
© Ткач Н.С., Еськин А.А., Захаров Г.А., Цыганкова К.В., 2013
Intensification of working processes of jet aeration. Nadezhda S. Tkach, Anton A. Eskin, Gennady A. Zakharov, Kseniya V. Tsygankova, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok.
The article presents a review of investigations on the aeration process. The principal geometric and operational parameters of working process are outlined in it. It proposes a technical solution to intensify air-saturation and analytical estimated dependencies to determine the amount of additionally involved air phase.
Key words: oily waste water, purification, jet aeration, air-saturation, ejection coefficient.
Одним из факторов риска загрязнения окружающей среды являются нефтесодержащие сточные воды - результат деятельности предприятий нефтеперерабатывающей и энергетической отраслей промышленности. Современные нормативные документы [1, 6] устанавливают жесткие требования по защите водных бассейнов. Что, в свою очередь, требует разработки и совершенствования устройств, позволяющих обеспечить предельно допустимые концентрации при очистке нефтесодержащих сточных вод. Один из способов - флотационная очистка на основе струйной аэрации. Теория рассматривает аэрационные процессы и геометрические параметры свободной струи рабочей жидкости, характеризуемые рядом гидродинамических и конструктивных факторов, которые влияют на ее воздухововлекающую способность. Аналитический обзор литературы по данной тематике [2, 3, 5, 8 и др.] показал, что существует несколько факторов, оказывающих влияние на эжекционную способность свободнопадающей струи.
В работе [8] указывается, что эффект воздухововлечения при струйной аэрации объясняется трением на границе раздела фаз и определяется площадью поверхности вертикальной свободной рабочей струи, вытекающей из насадка, расположенного на некоторой высоте над поверхностью аэрируемого объема, значит, струя кольцевого сечения имеет существенное преимущество перед сплошной круглой струей. Авторы работы [8]
3 3
проводили эксперименты при скоростях струй 3-10 м/с и расходах воды (1,73-5,8) 10- м /с. Объемные расходы газа, эжектируемого наружной и внутренней поверхностями кольцевой струи, рекомендовано определять по формулам:
Q? = 2, 1 ■ 1 0 - 3 TTdc(vrhWc)0' 5 Ret, (1)
Q? = 5- 1 0 -4TTd™(vrhWcBH)°, 5rJ, (2)
где , - наружный и внутренний диаметры струи на расстоянии от насадка,
dc = dH + 1, 6 ■ 1 0 - 4 №)°' 5 , (3)
\ Vjk /
d™ = d
BH
+ 1,6-1 0 -4(^) °5, (4)
здесь Шн- средняя скорость жидкости в насадке, с} с и с} свн - наружный и внутренний диаметры кольцевого отверстия насадка, и V г - кинематические вязкости жидкости и газа:
Ке н = (5)
скорость жидкости на наружной и внутренней поверхности струи
шс = = = 1'64Ке"026^. (6)
(1 + 56,2Л ( 412 )
Предлагаемые зависимости справедливы при длине струи h<0,3 м. При h>0,3 м расход эжектируемого газа оставался неизменным. Суммарный объемный расход газа, эжектируемый кольцевой струей,
(г = (Г + (Г. (7)
Авторы работ [5, 12, 14, 16] рассчитывают расход воздуха в зависимости от объема, заключенного между отдельными возмущениями поверхности струи (рис. 1). Относительный расход воздуха выражался зависимостью [5]
— = (^ - 1 , (8)
—к V с!н/ ' 4 '
0 21С11/2у 2Й1/3
(г = Ц,2 1 V Л , (9)
эта
где dе - диаметр возмущений, м (определяется фотосъемкой); с1н - диаметр струи, м;
V - скорость истечения струи, м/с; h - высота падения струи, м; а - угол падения струи.
Сравнение результатов расчетов по формуле (9) и экспериментальных данных
приведено на рис. 2 [14] и показывает удовлетворительную сходимость.
Влияние турбулентности, определяющей размер начальных возмущений струи на
расход эжектируемого воздуха, рассмотрено в работе [13], в результате чего авторами
получена зависимость
2 - - -.о.б
1,4
0.Ж
(;) О -1
(10)
где: 8 - размеры возмущений струи, определяемые фотосъемкой, г - радиус струи.
Рис. 1. Схема поверхности струи Рис. 2. Зависимость относительного расхода
воздуха от размера возмущений на поверхности струи [14]
На основе аналитических и экспериментальных исследований [9] предложена полуэмпирическая зависимость для расчета количества воздуха, вовлекаемого турбулентной струей, учитывающая закономерность развития возмущений на поверхности турбулентной струи
^ = 0,05 5( 1 + 0,2 5с о 5 ос)Же0' 3 3Д е"02 ^г0' 0 8 Г-)', (11)
где: а - угол падения струи (а >30о); We - число Вебера в диапазоне от 25 до 8104; Яе -
2 5 4
число Рейнольдса - от 8^10 до 5^10 ; Бг - число Фруда - от 2 до 10 ; Ь/ё - относительная длина струи в диапазоне от 10 до 300.
В работе [10] предложена упрощенная модель процесса захвата воздуха круглой струей жидкости, основанная на общих положениях теории пограничного слоя.
Ориентировочное значение числа Рейнольдса в нижнем сечении струи принято:
д е=^<5-1 0 5. (12)
т/г
Тогда толщина пограничного слоя принимается
< = * 5 , 03)
где К - коэффициент пропорциональности, К > 1.
Для гладкой струи расход эжектируемого воздуха представляется зависимостью
Угу = <}}С + 5 г) и(у)сСи = тг(} + 5 г)Шс5 *, (14)
где и(у) - функция, характеризующая профиль скорости газа в пограничном слое (рис. 3), <5* - толщина вытеснения. При соблюдении условия (12) принято
5 г * = "5 г. (15)
Рис. 3. Профили скоростей жидкости и спутного газа при движении турбулентной струи жидкости в газовой среде [10]
При этом шероховатость реальной струи и перенос некоторой части газа в полостях разрывов поверхности струи учитывались введением коэффициента пропорциональности К>1, а для упрощения дальнейших преобразований исключалась величина 5г, так как б^^^ Отсюда выражение (14) принимает вид [10]
Угу = л^Нс1с( Жс/шг)0' 5. (16)
В работе [18] приводится зависимость для расчета эжектируемого воздуха для аэраторов с короткими, не распавшимися струями:
(г = 0^1^, (17)
где Qг - расход газа, dc и dн - диаметры соответственно струи и насадка, v - скорость истечения струи, h - высота падения струи, а - угол падения струи.
Авторы работы [15] изучали воздухововлечение наклонной струей на основе общей зависимости, полученной [11] для одной вертикальной затопленной струи:
—г = 0 , 0 4 Р г 028(^)°' 4, (18)
(к
р Г = 4, (19)
где Qг и QL - расходы соответственно газа и жидкости, d0 - диаметр сопла, скорость струи, - высота падения струи, а - угол падения струи.
Аналогичным образом воздухововлечение наклонной струей выражено расчетной зависимостью [15]
— = 0, 0 3 Р г 023 (Ь°)0' 49 ( 5 1 п а)" 083, (20)
решение которой хорошо согласуется с результатами эксперимента.
Недостатком рассмотренных нами работ является отсутствие данных по влиянию давления воздуха над свободной поверхностью жидкости на дисперсность воздушной среды в эжектируемом факеле. Также не освещены вопросы возможности интенсификации воздухонасыщения за счет дополнительного воздухововлечения из воздушного объема над зеркалом рабочей жидкости, что осуществлено авторами в известном устройстве для аэрационной очистки нефтесодержащих сточных вод [4], представленном на рис. 4. В представленном устройстве аэрируемый факел подается в придонную область аэрируемого объема рабочей жидкости наклонными струями, что позволяет осуществить равномерное воздухонасыщение по площади и высоте объема жидкости при всплытии воздушной фазы.
В предложенном техническом решении интенсификация воздухонасыщения может быть оценена путем расчета дополнительных объемов эжектируемого воздуха на основе известных методик [7], согласно которым коэффициент эжекции определяется
Щ = 7, (21)
где Ув - объемный расход эжектируемой среды, объемный расход рабочей среды, который представляет собой сумму расходов исходной рабочей среды и воздуха, эжектированного наклонной струей.
Выход очищенной Воды
а) б)
Рис. 4. а - устройство для аэрационной очистки нефтесодержащих сточных вод, б - узел устройства
При этом
и0 = 0, 8 5 & -1 ,
0 л| Дрс
(22)
где Д Рр = Рр — рн - располагаемый перепад давлений рабочей среды; Д р с = р с — р н -перепад давлений, создаваемый эжектором; , , - давление рабочей, эжектируемой и
ДРр Л 4Г 4Г
сжатой сред; «— , где /ь /2 - площадь сечения камеры смешения и сопла
Ар С /2
соответственно.
Тогда количество дополнительно зависимостью
ДУ» = (0'8 фг 1)%
эжектированного воздуха определится
(23)
Полученное нами на основе рассмотренных работ аналитическое решение процесса интенсификации воздухонасыщения рабочей жидкости при струйной аэрации нуждается в последующей экспериментальной проверке.
Исследование выполнено при поддержке программы «Научный фонд» ДВФУ, грант № 12-08-13023-м-18/13.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГН 2.1.5.689-98. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
2. Дмухайло Е.И., Овсяников В.Г., Васин Н.В. Массопередача кислорода для поверхностной струйной аэрации // Водное хозяйство и гидротехническое строительство. Мн. 1987. № 16. С. 21-24.
3. Мещеряков Н.Ф., Рябов Ю.В. Некоторые закономерности аэрации жидкости струями // ГИГХС: сб. науч. тр. Вып. 51. 1981. С. 5-11.
4. Патент № 113732 Российская Федерация: МПК C02F1/40. Устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод / А.А. Еськин, К.В. Цыганкова, Г.А. Захаров, Д.С. Морозов, Н.С. Ткач, М.В. Тищенко; Владивосток, ДВФУ. № 2011141967/05, заявл. 17.10.2011, опубл. 27.02.2012. URL: http://www.fips.ru/cdfi/Fips2009.dll/CurrDoc?SessionKey=U7B2FZ1RBJTUV8 8GYUN2&GotoDoc=1&Query=1/
5. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. М.: Стройиздат, 1986. 136 с.
6. Приказ Федерального агентства по рыболовству от 18 января 2010 г. N 20 г. Москва «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения». URL:
http://89.107.122.151/bpa/bpa_doc.asp?KL=6096&TDoc=47&nb=0 (дата обращения: 1.11.2013).
7. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. 3-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1989. 352 с.
8. Соколов В.Н., Яблокова А.В., Сугак А.В. Инжектирующая способность свободной струи жидкости // Химия и химическая технология: изв. вузов. 1987. Т. 30, № 3. С. 109-111.
9. Фетисов Ю.М. Захват воздуха при взаимодействии струи с покоящейся жидкостью: дис. ... канд. техн. наук / Моск. гос. строит. ун-т. М., 1995. 216 с.
10. Яблокова М.А. Аппараты с инжектированием и диспергированием газа турбулентными струями жидкости: дис. ... д-ра техн. наук. СПб. гос. технолог. ин-т (технический университет), 1995. 360 с.
11. Bin A.K., Gas entrainment by plunging liquid jets, Chem. Eng. Sci, 1997;(48): 3585-3630.
12. Burgess J.M., Molloy N.A., McCartny M.J., A note on the plunging liquid jet reactor, Chem. Eng. Science, 1972;(27): 442-445.
13. Ervine D.A., McKeogh E.J., Elsawy E.M., Effect of turbulence intensity of the rate of aurentraiment by plunging mater jets, Proc. Insth. Civ. Engrs, part 2, 1980;(69): 425-455.
14. Henderson J.B., McCartny M.J., Molloy N.A., Entrainment by plunging jets, Proc. Chemica, Conf., Australia, Sec. 2. 1970, pp. 86-100.
15. Mahad S. Baawain, Mohamed Gamal El-Din, Smith D.W., Characterizing two inclined circular water jets plunging into an aeration tank., Intern. J. of Multiphase Flow, 2012;(40):158-165.
16. McCartny M.J., Molloy N.A., Rev. of Stability of Liquid Jets and the Influence of Nozzle Design, Chem. Eng. J., 1974;(7):1-20.
17. McKeogh E.J., Elsawy E.M. Air Retained in Pool by Plunging Water Jet., Journal Hyd. Div., 1980: 1577-1593.
18. Van de Sande E., Air Entrainment by Plunging Water Jets., Ph. D. Thesis. Delft, Delfise Univ. Press, 1974, 123 p., Netherlands.
REFERENCES
1. Dmuhaylo E.I., Ovsianikov V.G., Vasin N.V., Mass transfer of oxygen to the surface jet aeration, Water management and hydraulic engineering. Minsk, 1987;16: 21-24. [Dmuhajlo E.I., Ovsjanikov V.G. Vasin N.V. Massoperedacha kisloroda dlja poverhnostnoj strujnoj ajeracii // Vodnoe hozjajstvo i gidrotehnicheskoe stroitel'stvo. Minsk. 1987. № 16. S. 21-24].
2. Fetisov Ju.M. Entrainment of air in the interaction of the jet with a quiescent fluid: Ph.D., Thesis in Engineering Science, Moscow State Builds. Univ. M., 1995. 216 р. [Fetisov Ju.M. Zahvat vozduha pri vzaimodejstvii strui s pokojashhejsja zhidkost'ju: diss. ... kand. tehn. nauk. / Moskovskij gos. stroit. un-t. M., 1995. 216 s.].
3. HN 2.1.5.689-98 Maximum allowable concentration (MAC) of chemical substances in water bodies of potable and cultural and community water using [GN 2.1.5.689-98 Predel'no dopustimye koncentracii (PDK) himicheskih veshhestv v vode vodnyh ob'ektov hozjajstvenno-pit'evogo i kul'turno-bytovogo vodopol'zovanija].
4. Mescheryakov N.F., Ryabov Y., Some laws of aeration of fluid by jets, GIGHS: Sat scientific. tr. MY. 51, 1981, pp. 5-11. [Meshherjakov N.F., Rjabov Ju.V. Nekotorye zakonomernosti ajeracii zhidkosti strujami // GIGHS: sb. nauch. tr. Vyp. 51. 1981. S. 5-11].
5. Patent № 113732 Russian Federation: IPC S02F1/40, Device for treatment of oily wastewater, A.A. Eskin, K.V. Tsygankova, G.A. Zakharov, D.S. Morozov, N.S. Tkach, M.V. Tishchenko, Vladivostok, Far Eastern Federal University. N 2011141967/05, appl. 17.10.2011, publ. 27.02.2012. [Patent № 113732 Rossijskaja Federacija: MPK S02F1/40. Ustrojstvo dlja ochistki neftesoderzhashhih stochnyh vod. / A.A. Es'kin, K.V. Tsygankova, G.A. Zaharov, D.S. Morozov, N.S. Tkach, M.V. Tishhenko; Vladivostok, DVFU. № 2011141967/05, zajavl. 17.10.2011, opubl. 27.02.2012.].
6. Popkovich G.S., Repin B.N., Aeration system of wastewater. M., Stroyizdat, 1986, 136. [Popkovich G.S., Repin B.N. Sistemy ajeracii stochnyh vod. M.: Strojizdat, 1986. 136 s.].
7. Precept of the Federal Agency for Fisheries of January 18, 2010, N 20 Moscow «On approval of water quality standards fishery water bodies, including standards of maximum permissible concentrations of harmful substances in the waters fishery water bodies» [Prikaz Federal'nogo agentstva po rybolovstvu ot 18 janvarja 2010 g. N 20 g. Moskva «Ob utverzhdenii normativov kachestva vody vodnyh ob#ektov rybohozjajstvennogo znachenija, v tom chisle normativov predel'no dopustimyh koncentracij vrednyh veshhestv v vodah vodnyh ob#ektov rybohozjajstvennogo znachenija»].
8. Sokolov E.Y., Singer N.M., The jet device, 3rd ed., Rev. M., Energoatomizdat, 1989. 352 p. [Sokolov E.Ja., Zinger N.M. Strujnye apparaty. 3-e izd., pererab. M: Jenergoatomizdat, 1989. 352 s.].
9. Sokolov V.N., Yablokov A.V., Sugak A.V. Ability of inject of free liquid jet, Chemistry and chemical technology: Gre. Universities. 1987;30(3): 109-111. [Sokolov V.N., Jablokova A.V., Sugak A.V. Inzhektirujushhaja sposobnost' svobodnoj strui zhidkosti // Himija i himicheskaja tehnologija: izv. vuzov. 1987. T. 30, № 3. S. 109-111].
10. Yablokova M.A., Devices with injecting and dispersing gas by turbulent liquid jets: doctoral thesis St. Petersburg. State. Technologist. Institute (Technical University), 1995. 360 p. [Yablokova M.A. Apparaty s inzhektirovaniem i dispergirovaniem gaza turbulentnymi strujami zhidkosti: diss. ... d-ra tehn. nauk. SPb. gos. tehnol. in-t (tehnicheskij universitet), 1995. 360 s.].
11. Bin A.K., Gas entrainment by plunging liquid jets, Chem. Eng. Sci, 1997;(48): 3585-3630.
12. Burgess J.M., Molloy N.A., McCartny M.J., A note on the plunging liquid jet reactor, Chem. Eng. Science, 1972;(27): 442-445.
13. Ervine D.A., McKeogh E.J., Elsawy E.M., Effect of turbulence intensity of the rate of aurentraiment by plunging mater jets, Proc. Insth. Civ. Engrs, part 2, 1980;(69): 425-455.
14. Henderson J.B., McCartny M.J., Molloy N.A., Entrainment by plunging jets, Proc. Chemica, Conf., Australia, Sec. 2. 1970, pp. 86-100.
15. Mahad S. Baawain, Mohamed Gamal El-Din, Smith D.W., Characterizing two inclined circular water jets plunging into an aeration tank., Intern. J. of Multiphase Flow, 2012;(40):158-165.
16. McCartny M.J., Molloy N.A., Rev. of Stability of Liquid Jets and the Influence of Nozzle Design, Chem. Eng. J., 1974;(7): 1-20.
17. McKeogh E.J., Elsawy E.M., Air Retained in Pool by Plunging Water Jet., Journal Hyd. Div., 1980:1577-1593.
18. Van de Sande E., Air Entrainment by Plunging Water Jets., Ph. D. Thesis. Delft, Delfise Univ. Press, 1974, 123 p., Netherlands.
