ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНЫХ СТАТИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЕЙ ДЛЯ СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ СО СТОЧНЫМИ ВОДАМИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 628.543

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНЫХ СТАТИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЕЙ ДЛЯ СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ СО СТОЧНЫМИ ВОДАМИ

Урецкий 1 Е.А., Николенко2 И.В., Мороз3 В.В.

^Республиканское уиитарное предприятие (РУП) Белорусский государственный проектный институт "БелГПИ" г. Витебск, Пушкина, 6, Республика Беларусь. 210602. e-mail: euretsky@yandex.by 2Академия строительства и архитектуры ФГАОУ ВО «КФУ им. Вернадского В.И., 254493, Республика Крым, г.Симферополь, ул Киевская 181, e-mail: energia-09@mail.ru ^Учреждение образования «Брестский государственный технический университет» 224017 Республика Беларусь г.Брест, ул.Московская, 267 , e-mail: vovavall@mail.ru

Аннотация. Проведено исследование эффективности работы малогабаритных статических смесителей. Разработаны малозатратные ресурсосберегающие установки для предварительного смешения реагентов со сточными водами и эффективного проведения процесса хлопьеобразования. При широком спектре расходов сточных вод и реагентов, они приближаются к идеальным смесителям, обеспечивая степень сегрегации реагентов и обрабатываемых сточных вод не менее 95%. Предмет исследования Эффективность работы малогабатитных статических смесителей для предварительного смешения реагентов со сточными водами и проведения процесса хлопьеобразования..

Материалы и методы исследования. В работе проведены экспериметальные исследования малогабариьных статических смесителей для предварительного смешения реагентов со сточными водами и проведения процесса хлопьеобразования. При прповедении исследований определены основные технологические параметры для малогабаритных статических смесителей, обеспечивающих максимальную степень сегргации реагентов и обрабатываемых сточных вод. Результаты. Для разработки малогабаритных статических смесителей, используемых в процессах очистки сточных вод, выполнены экспериментальные исследования по проведению предварительного смешения реагентов и сточных вод и процессов хлопьеобразования. Достигнута степень сегрегации реагентов и обрабатываемых сточных вод при широком спектре расходов сточных вод и реагентов не менее 95%.

Выводы. По результатам проведённых опытно-экспериментальных исследований на малогабаритных статических смесителях установлено, что использование их при очистике сточных вод обеспечивает многократное снижение метало- и энергоёмкости традиционно применяемой технологической аппаратуры для предварительного смешения реагентов и хло-пьеобразования

Ключевые слова, рН, химический реактор, механические мешалки, смеситель, гидродинамика, структура потоков, микроперемешивание, технологические трубопроводы, реагенты.

ВВЕДЕНИЕ

Перемешивание - одна из технологических операций, широко применяемых в химической промышленности для осуществления различных физических процессов и служащая для выравнивания полей концентраций и температур, и зачастую определяющая скорость протекания этих процессов, поскольку в этом случае оказывает влияние не только на скорость процесса, но и на качество очистки.

В химической промышленности широко используют аппараты с механическими мешалками [1, 2, 3, 4].

Состояния предварительной смешанности можно добиться в таких аппаратах с помощью специальных мер [5, 6, 7], но при этом необходимо обеспечить высокие скорости вращения мешалки, что приводит к значительному усложнению конструкции. В связи с этим важное значение приобретают малые по объёму смесители, в

которых для перемешивания реагентов используется кинетическая энергия потоков.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Широкое использование статических смесителей в промышленности ограничено из-за отсутствия методических материалов по их расчёту. Теоретическое описание перемешивания реагентов представляет значительные трудности, а систематических экспериментальных исследований пока недостаточно. Поэтому на базовом предприятии Брестском электромеханическом заводе (БЭМЗ) для проведения исследований. по работе статических смесителей была смонтирована установка, показанная на рис. 1.

Установка состоит из статического смесителя непрерывного действия, в который из ёмкостей 1 и 2 с помощью насоса 3 подаются растворы реагентов (едкого натрия и ацетилацетата). Расход реагентов регулируется с помощью вентилей 4 и регистрируется с помощью ротаметра 5.

-чиынынь

ЧХп

<эч

I 5

U7

аГ I

1

rtxi-

~d

Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а.с. на изобретение № 160616) 1, 2 - ёмкости для реагентов; 3 - насосы; 4 - вентили; 5 - ротаметры; 6 - смеситель;

7 - кондуктометрическая ячейка; 8 - система для замера электропроводности Fig. 1. Scheme of the experimental setup (author's certificate for invention No. 160616) 1, 2 - containers for reagents; 3 - pumps; 4 - valves; 5 - rotameters; 6 - mixer; 7 - conductometric cell; 8 - system for measuring electrical conductivity

Растворы реагентов поступают в смеситель, перемешиваются и вступают в химическое взаимодействие, а затем проходят кондуктометрическую ячейку 7 и поступают в сборную ёмкость, из которой периодически сливаются. Электропроводность смеси, а вместе с ней и степень превращения реагентов регистрируются с помощью измерительной системы. Параллельно с замером электропроводности брали пробы реакционной массы. Степень превращения определялась методом потенциометрического титрования. Температура смеси в аппарате фиксировалась с помощью термопары и потенциометра.

Смеситель представляет собой аппарат объёмом 110 см3. Он состоит из цилиндрического корпуса диаметром 64 мм, закрытого с обеих сторон крышками и снабжённым тангенциальным патрубком и двумя штуцерами для подачи реагентов. Для вывода смеси используется осевой отводящий патрубок. Перемешивание реагентов в статическом смесителе осуществляется за счёт турбулизации потока во всём объёме смесителя.

Эффективность перемешивания в аппарате оценивалась как на макро- так и на молекулярном уровне, т.е. микроперемешиванию.

Структура потоков в аппарате исследовалась путём анализа кривых отклика на импульсное возмущение. По одному из штуцеров в аппарат подавалась дистиллированная вода с постоянным расходом. Затем в поток с помощью шприца впрыскивался раствор хлористого натрия.

Одновременно момент впрыска отмечался на ленте самописца. Электропроводность выходящего потока регистрировалась с помощью измерительной системы и записывалась на ленте самописца. Измерения прекращались, когда уровень электропроводности падал до значений, соответствующих дистиллированной воде. Был произведен перевод кривых РВП в безразмерные координаты:

0 = к,

C( 0,) = X

т:

X

C(ti) I C(ti)At

ZC(t,.)t,. IC(t,) '

где ©1 - безразмерное время; С(©0 - безразмерная координата; С(й) - текущее значение концентрации индикатора на выходе из аппарата; Дъ - шаг по времени между соседними значениями концентраций индикатора.

Затем вычислялись значения интегральной функции РВП. Полученные данные представляли в полулогарифмических координатах. Для исследования процесса микроперемешивания реагентов использовалась известная и хорошо изученная реакция омыления ацетата.

8

5

4

6

1

2

3

3

к ч

СН3СООС2Н5 + №ОН-> С2Н5ОН +СНзСОО№

А В

Данная реакция является гомогенной реакцией второго порядка, скорость которой описывается следующим выражением:

а

Рассматривались возможность применения малых концентраций химических реагентов (Со = 0,01 - 0,25 моль/л), а также протекание химического превращения при комнатных температурах обеспечили широкое применение

данной реакции для изучения процесса перемешивания в химических реакторах. Константа скорости данной реакции определяется выражением:

11400

К = 2,365- 107 •ехр(-11400) [ № ;

, дм3/молкс

При изучении микроперемешивания использовали следующую методику: в ёмкости заливали растворы реагентов с требуемой начальной концентрацией, затем тарировали ротаметры по каждому потоку, после чего подавали оба реагента через смеситель. На выходе через определённые интервалы времени брали пробы реакционной массы. Реакция в пробе останавливалась раствором щавелевой кислоты, избыток которой потом оттитровывался раствором щёлочи на приборе ЭВ-74. При этом каждый эксперимент повторялся 2.. .3 раза, а расчёт степени превращения вещества Хв осуществлялся как

среднее в нескольких (трёх-четырех) параллельных опытах, что позволило достигать точности 0,5 -1,0 % по Хв.

В опытах варьировались начальные и конечные концентрации реагентов, расходы и соотношения реагентов, скорости истечения реагентов из сопел, температура смеси.

При любых технологических условиях соблюдалось требование, что средние значения концентраций реагентов по всему объёму смесителя равны между собой Сао = Сво. Степень превращения веществ Хв по результатам титрования вычислялась по формуле

= 1 = 1 -

в сп„

2пХ-0г -•Ст

СВ!-ПV

пр

где Упр - объём пробы после добавления в щавелевую кислоту реакционной массы; Уг - объём раствора, отбираемого на анализ; Ут - объём раствора щёлочи, пошедшей на титрование; Ст -концентрация раствора щёлочи, применяемая для титрования; Сг - концентрация щавелевой кислоты, применяемой для остановки реакции в пробе; п -доля объёма пробы, взятой на титрование.

Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 2 и рис. 3.

Результаты исследований показали, что во всём диапазоне изменения расходов потоков реагентов

структура потоков в статическом смесителе соответствует модели идеального перемешивания.

Таким образом, с точки зрения структуры потоков, изменение нагрузки не сказывается на характеристиках аппаратов. Исследования на модельной реакции в том же диапазоне изменения нагрузок показали, что эффективность работы в данном случае оценивалась по степени превращения вещества Хв, достигаемой на выходе аппарата. Максимальная степень превращения соответствовала вычисленному по интегралу Данкверста.

Рис. 2. Зависимость отклонения экспериментальной степени превращения от теоретической (X) от

относительной скорости истечения струй 1 - Да = 0,2; 2 - Да = 0,4; 3 - Да = 0,5; 4. - Да = 0,6.

Fig. 2. Dependence of the deviation of the experimental degree of transformation from the theoretical one (X) on

the relative velocity of the jets 1 - Да = 0,2; 2 - Да = 0,4; 3 - Да = 0,5; 4. - Да = 0,6.

Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований зависимости степени превращения от числа

Дамкеллера

1 - (СВо = 0,200 моль/дмЗ; 2 - СВо = 0,127 моль/дмЗ) - равные расходы, расчётные для модели

идеального перемешивания; 3 - СВо = 0,200 моль/дмЗ - разные расходы. Fig. 3. Results of experimental studies of the dependence of the degree of transformation on the Damkeller

numbe

1 - (СВо = 0.200 mol/dm3; 2 - СВо = 0.127 mol/dm3) - equal flow rates calculated for the ideal mixing model; 3 - CB = 0.200 mol/dm3 - different costs.

Хе - Ч

к „ ®

е-©d©

о 1+йа •©'

где © - относительное время; Эа = 0 Ь _ числ0

Дамкелера; ^ - среднее время пребывания.

Число (критерий) Дамкелера Da - безразмерная величина, которая определяется отношением скорости протекания химической реакции со скоростью транспортных явлений, происходящих в системе. Анализ результатов, представленных на рис. 2 показывает, что при увеличении Da до 0,5, эффективность работы смесителя возрастает при любых соотношениях расходов реагентов. При дальнейшем увеличении числа Da степень превращения, а следовательно, эффективность

падает.

Значительное влияние на эффективность смешения также оказывает соотношение скоростей истечения струй из сопел:

V - V .

д _ тах тт

= V. '

тт

где ^пах., Ушт. - скорости истечения струй, большая и меньшая соответственно. По мере уменьшения Da влияние Д на эффективность несколько падает, рис. 3, но характер кривых сохраняет свой вид. По оси ординат на рис. 2 отложена разность между рассчитанным по интегралу Данквертса значением степени превращения и её экспериментальным значением, равная

АХ = Хтеор - Хэксп

В своё время авторами статьи в содружестве с сотрудниками кафедры "Процессы и аппараты химической технологии" ВолгПИ д.т.н. Дарманяном и д.т.н. Тишиным была проделана работа для изучения режимов работы статического смесителя, совместно с которыми была создана соответствующая конструкция, защищённая а.с. № 1606167 на изобретение, приведенная на рис. 4.

Рис. 4. Вихревой смеситель (а.с. № 1606167 на изобретение.) 1 - цилиндрический корпус; 2 - крышка; 3 - тангенциальный патрубок; 4 - входной патрубок; 5 - выходной патрубок; 6 - турбулизаторы Fig. 4. Vortex mixer ((author's certificate No. 1606167 for the invention.) 1 - cylindrical body; 2 - cover; 3 - tangential branch pipe; 4 - inlet pipe; 5 - outlet pipe; 6 - tabulators

В продолжение работ по конструированию статических смесителей авторами статьи была разработана малозатратная, энергосберегающяя установка для предварительного смешения реагентов и эффективного проведения процесса хлопьеобразования, защищённая патентом на полезную модель BY 4810 [8], которая обеспечивала предварительное смешение реагентов со сточными водами до 90% в защищённом патентом устройстве для проведения физико-химических процессов [9].

Основной фрагмент этой установки приведен на рис. 5, согласно которому поток сточных вод подлежащих обработке, поступают во входной тангенциальный патрубок (вихревой смеситель) 2, который сплющен в двух взаимно

перпендикулярных направлениях 3, 4. Поток воды, проходя через сжатые овальные сечения и ускоряется и приобретает винтовой характер, чем достигается интенсивное смешение в полном объёме жидкости на выходе.

Непосредственно перед входом в корпус 1 через насадки 5 и 6, расположенным под углом к боковым сжатым сечениям, вводятся реагенты. Далее смесь воды и реагентов поступает в устройство для проведения физико-химических процессов в котором завершается процесс перемешивания сточных вод и реагентов [9].

Пережатие трубы в 2-х взаимно-

Рис.5. Фрагмент установки для проведения процессов предварительного смешения и последующего хлопье-

образования (патент, на полезную модель BY 4810) 1 - камера конического смесителя; 2 - входной тангенциальный патрубок; 3 и 4 - развёрнутые под углом 90о сжатые овальные сечения; 5, 6 - насадки для ввода реагентов Fig. 5. Fragment of the installation for carrying out the processes of pre-mixing and subsequent flocculation (patent

for a utility model BY 4810) 1 - chamber of the conical mixer; 2 - inlet tangential branch pipe; 3 and 4 - compressed oval sections turned at an angle of 90o; 5, 6 - nozzles for introducing reagents

Как показали исследования, проведенные соавтором патента доцентом БрГТУ Дмухайло Е.И., степень сегрегации реагентов и обрабатываемых стоков при последовательном прохождении их через входной тангенциальный патрубок 7 в верхнюю зону устройства [9] - не менее 95%.

Практически совокупность этих стадий перемешивания при широком спектре расходов стоков и реагентов, обеспечивает прохождение технологического процесса приближенному к идеальному смесителю.

ВЫВОДЫ

1. На качество и скорость процесса очистки сточной воды существенное влияние оказывает технологическая операция перемешивание, которая предназначена для осуществления различных физических процессов и служащая для выравнивания полей концентраций и температур.

2. Результаты исследований на экспериментальной установки показали, что во всём диапазоне изменения расходов потоков реагентов структура потоков в статическом смесителе соответствует модели идеального перемешивания, а для обеспечения эффективной работы смесителей необходимо обеспечить следующие их параметры: число Дамкелера Ба = 0.4 и соотношение скоростей истечения струй из сопел Д= 0,4...0,5.

3. Использование статических смесителей предложенных конструкций позволит интенсифицировать процессы перемешивания химических реагентов степень сегрегации реагентов и обрабатываемых стоков не менее 95%.

4. Представлены расчетные зависимости, которые предназначены для проектных расчётов статических смесителей, обеспечивающих идеальное смешение.

ЛИТЕРАТУРА

1 Degremont. Справочник по обработке воды: в 2-х т. пер. с фр. - СПб. Новый журнал. 2007. 1696 с.

2. Очистка промышленных сточных вод: пер. с нем. - СПб: Новый журнал. - 2012 - 384 с.

3. Справочник по современным методам и технологиям очистки природных и сточных вод и оборудованию / ДАНСЕЕ, отдел по Восточной Европе. - Копенгаген, 2001. - 253 с.

4. Новый справочник химика. Ч II. - СПб: НПО. «Профессионал». Процессы и аппараты химических технологий. МММ, 2006. - 916 с.

5. Разработка и внедрение новой бессточной и безотходной технологической системы водного хозяйства защитных покрытий приборо- и машиностроения. т.1. Материалы, выдвинутые на соискание Премии Совмина СССР в области науки и техники. М., 1989.

6. Урецкий Е.А. Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий. Монография. - Брест, изд-во БГТУ, 2007. -396 с.

7. Евгений Урецкий. Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий. Монография- изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing, Germany. - 2014. 360 с.

8. Е.А. Урецкий, В. В. Мороз, Е.И. Дмухайло. Вихревой аппарат: пат. 4810 Респ. Беларусь /; заявитель БрГТУ- № u 20080317; опубл. 04.08.2008/ Гос. реестр полезн. моделей.

9. Е. А. Урецкий и др. Вихревой аппарат: пат. 1606167. Заявитель ВолгПИ/ Государственный реестр изобретений.

REFERENCES

1. Degremont. Handbook of water treatment: in 2 volumes per. from fr. - St. Petersburg. New magazine. 2007. 1696 p.

2. Purification of industrial waste water: per. with him. - St. Petersburg: New magazine, 2012. - 384 p.

3. Handbook of modern methods and technologies for natural and waste water treatment and equipment / DANCEE, Department for Eastern Europe. - Copenhagen, 2001. - 253 p.

4. A new chemist's handbook. CH II. - St. Petersburg: NGO. "Professional". Processes and apparatuses of chemical technologies. MMIM, 2006. - 916 p.

5. Development and implementation of a new drainless and waste-free technological system for water management of protective coatings for instrumentation and machine building. v.1. Materials nominated for the Prize of

the USSR Council of Ministers in the field of science and technology. M. - 1989.

6. Uretsky E.A. Resource-saving technologies in the water management of industrial enterprises. Monograph. -Brest, publishing house of BSTU, 2007. - 396 p.

7. Evgeny Uretsky. Resource-saving technologies in the water management of industrial enterprises. Monograph - LAP LAMBERT Academic Publishing, Germany, 2014. - 360 p.

8. E.A. Uretsky, V.V. Moroz, E.I. Dmukhailo. Vortex apparatus: Pat. 4810 Rep. Belarus /; applicant BrGTU -No. u 20080317; publ. 08/04/2008 / State. register is useful. models.

9. E. A. Uretsky et al. Vortex apparatus: Pat. 160 61 67. Applicant VolgPI / State Register of Inventions 15.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF SMALL-CAPACITY STATIC MIXERS FOR MIXING REAGENTS WITH WASTEWATER

Uretsky 1 E.A., Nikolenko 2 I.V., Moroz 3 V.V.

'Belarusian State Design Institute "BelGPI" Vitebsk, Pushkin, 6, Republic of Belarus. 210602. e-mail: euretsky@yandex.by 2 V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Academy of construction and architecture, 181, Kievskaya str., Simferopol, 295050, Russian Federation, energia-09@mail.ru 3. Brest State Technical University 224017 Republic of Belarus Brest, Moskovskaya str., 267, vovavall@mail.ru

Abstract. A study of the efficiency of small-sized static mixers has been conducted. Low-cost resource-saving installations for preliminary mixing of reagents with wastewater and efficient flocculation process have been developed. With a wide range of wastewater and reagent costs, they approach ideal mixers, providing a degree of segregation of reagents and treated wastewater of at least 95%. The subject of the study. The efficiency of small-capacity static mixers for pre-mixing reagents with wastewater and carrying out the flocculation process.

Materials and methods of research. In the work, experimental studies of small-capacity static mixers for preliminary mixing of reagents with wastewater and the flocculation process were carried out. During the research, the main technological parameters for small-sized static mixers providing the maximum degree of segregation of reagents and treated wastewater were determined. Results. To develop small-sized static mixers used in wastewater treatment processes, experimental studies have been carried out on the preliminary mixing of reagents and wastewater and flocculation processes. The degree of segregation of reagents and treated wastewater has been achieved with a wide range of wastewater and reagent costs of at least 95%.

Conclusions. According to the results of experimental studies conducted on small-sized static mixers, it was found that their use in wastewater treatment provides a multiple reduction in the metal and energy consumption of traditionally used technological equipment for pre-mixing of reagents and flocculation

Key words: pH, chemical reactor, mechanical agitators, mixer, hydrodynamics, flow structure, micro-mixing, process pipelines, reagents.