CC BY
14
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДА ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Шамсутдинова Зухра Разифовна
Студентка 4 курса Института Управления, экономики и финансов Казанского (Приволжского) федерального университета, г. Казань
Каратаев Оскар Робиндарович Кандидат технических наук, доцент кафедры машиноведения Казанского национального исследовательского технологического университета, г.Казань
Среди множества технологий по обезвреживанию загрязняющих веществ сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий достаточный удельный вес занимает группа методов сепарации загрязнений. Из сточных вод данных заводов извлекаются и утилизируются нефть и нефтепродукты.
В настоящее время широкое распространение получили методы флотационной сепарации загрязнений производственных сточных вод. Как технологический процесс флотация зародилась более 100 лет назад в обогатительной промышленности, где применялись масленая, пленочная и воздушная (пенная) флотации. Наиболее эффективной и экономичной оказалась воздушная флотация, представляющая собой разновидность метода адсорбционно-пузырьковой сепарации загрязнений сточных вод. Воздушная флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз (воздух - вода), обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания [1, 65].
Процесс очистки методом флотации основывается на том, что находящиеся в сточных водах гидрофобные частицы способны прилипать к границе раздела фаз (жидкость-газ). Вероятность закрепления частицы определяется вероятностями прилипания и сохранения частицы на пузырьке. Силы тяжести или инерционные силы могут привести к отрыву частицы от поверхности пузырька. Эти силы достаточно велики для крупных частиц, так как пропорциональны кубу линейных размеров частицы (объему). Поэтому закрепление крупных частиц на пузырьке возможно лишь с помощью формирующегося в месте контакта трехфазного периметра смачивания, который может сопротивляться большим отрывным силам [2, 49].
Граница раздела фаз создается при насыщении очищаемой воды пузырьками газа. Пузырьки газа при всплы-вании сталкиваются с дисперсными частицами, в результате чего происходит их прилипание к поверхности пузырька, то есть образуются флотокомплексы «частица -пузырек воздуха». Дисперсная частица - пузырек поднимается на поверхность воды и создается пенный слой, в котором происходит концентрирование дисперсной фазы.
Суммарная энергия исходной системы, Дж:
'Wl Зж-г Ож-г + Зж-ч Ож-ч
(1)
где сж-г - коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость-газ, Дж/м2; в - краевой угол смачивания поверхности «флотируемая частица - жидкость» [град].
Таким образом, в результате образования агрегата «пузырек - частица» происходит уменьшение свободной энергии системы, значение которой пропорционально поверхности контакта частиц и пузырьков, поверхностному натяжению на границе «газ - жидкость» и краевому углу смачивания. Величина (1- cosв ) является мерой флотиру-емости частиц. Частицы с гидрофобной поверхностью ( в>900; 1 - cosв > 1) способны флотироваться. Частицы нефтепродуктов в сточных водах имеют ярко выраженную гидрофобную поверхность и поэтому хорошо флотируются. Эффективность флотационного процесса, наряду со свойствами поверхности флотируемых частиц, определяется также величиной удельной поверхности диспергированной газовой фазы Sу (м2/м3) и показателем эффективности захвата всплывающим пузырьком флотируемой частицы - коэффициентом захвата Е [3, 112].
Удельная поверхность является одной из важнейших характеристик газовой дисперсии, позволяющей судить об избыточной энергии дисперсной системы
ЛW=Wy*Sy, Дж/м2. Ее величина, м2/м3, для дисперсной системы газовых пузырьков, имеющих строго сферическую форму диаметром dп < 0,8 мм, может быть определена по формуле:
Sv = 6Т-,
У
dr.
(3)
где - коэффициент газонаполнения флотационного объ-
Ф =
Wr
Wr
(4)
где Sж-г и Sж-ч - площади поверхности раздела фаз «газ -жидкость» и «жидкость - флотируемая частица», м2, соответственно; о ж-г и ож-ч - коэффициенты поверхностного натяжения на границе раздела фаз «газ - жидкость» и «жидкость - частица», Дж/м2, соответственно.
При образовании единицы площади контакта фло-токомплекса происходит уменьшение свободной энергии системы, Дж/м2:
W у=Ож -г(1 - cos 0), (2)
где Wф - объем флотационного бассейна, м3; Wг и Wж -объем газовой и жидкой фазы. Согласно современным теоретическим моделям процесса флотации эффективность захвата дисперсной частицы Е всплывающим пузырьком воздуха прямо пропорциональна отношению квадратов радиусов дисперсной частицы и пузырька воздуха. Поскольку размер капелек частиц дисперсной нефтяной эмульсии в нефтесодержащих сточных водах колеблется в пределах гч=50...70 мкм, то процесс безреа-гентной флотации будет эффективен лишь при дисперсности пузырьков газа R0=60...85 мкм. Среди методов получения пузырьков достаточно малого размера в настоящее время наиболее широко используется метод напорной флотации (выделение газа из пересыщенного раствора жидкости), который предусматривает насыщение сточных вод воздухом под избыточным давлением и выделение из сточных вод тонкодисперсных пузырьков воздуха после сброса давления [4, 75].
На первом этапе после сброса давления в жидкости образуются зародышевые пузырьки газа, размер которых равен:
3
ема, м3:
Язл. —
2а™
. (5)
Р1-Р2
где р1 и р2 - соответственно давления до и после дросселирующего устройства, Па.
Во второй фазе происходит выделение растворенного газа, объем которого тем больше, чем выше пересыщение жидкости газом. При пересыщении в 200 % средний размер образующихся пузырьков воздуха составляет ^=45 мкм, коэффициент газонаполнения при этом составляет ^ =0,035; при пересыщении 400 % - ^=75 мкм; ^ =0,07; при пересыщении 800 % - ^=110 мкм, ^ =0,14.
В настоящее время широкое распространение для очистки производственных сточных вод получили напорные флотаторы, позволяющие генерировать мелкодисперсную водовоздушную смесь ^п=20-90 мкм) из пересыщенного раствора, приготовляемого при избыточном давлении в сатураторе. При этом требуется определить оптимальный расход воздуха [5, 46].
Оптимальный расход воздуха, которое необходимо для создания условий всплывания агрегатов пузырьков с твердыми частицами (1 - 1,6 л/кг). Однако большой избыток воздуха может привести к тому, что пузырьки будут накапливаться под слоем выделенного шлама, и толщина верхнего шламово-воздушного слоя, увеличиваясь, может достичь области гидравлических возмущений, создаваемой впускными устройствами. Это ухудшает эффект флотации, поскольку пузырьки и частицы выносятся с осветленной водой. Поэтому высота накапливаемого шлама не должна превышать 0,5 м и ограничивается нагрузка по сухому веществу на 1 м2 поверхности водного зеркала флотационной камеры. задаваемое соотношение между этими двумя величинами определяется требуемым качеством очищаемой воды. График зависимости максимально допустимой нагрузки по сухому веществу при глубине рабочей камеры Ьз=1 м приведен на рис. 1. С увеличением рабочей глубины прямо пропорционально возрастают максимально допустимые нагрузки [6, 235].
40
120
В8
10
V1 // 2
- -
_1_ —1_1-
12
10:
I
Расчетная концентрация твердой фазы, г/л
Рис. 1 - Зависимость удельного расхода воздуха и нагрузки по сухому веществу от концентрации твердой фазы: 1 - удельный расход воздуха на 1 кг извлекаемых загрязнений, 2 - максимально допустимая нагрузка
по сухому веществу при Ь0=1 м.
Эффективность флотационного процесса также определяется температурой сточных вод, рН воды на входе в очистные сооружения, концентрацией нефтепродуктов в сточных водах, нагрузкой на очистные сооружения, устойчивостью нефтяных эмульсий.
На входе в очистное сооружение в зависимости от сезона и режимов производства температура сточных вод может варьироваться в интервале 10 - 250С. Но при выбросе горячих промышленных вод или вод котельных цехов она может превышать 40 0С, в следствие чего снижается растворимость компонентов воздуха в воде [7, 58].
Растворимость газа в воде зависит от его физических свойств, давления, температуры и для сравнительно
Таблица 1
Растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении_
Температура, 0С Растворимость воздуха в воде, мг/л
10 29,2
20 23,6
30 19,9
40 17,0
50 14,7
60 12,7
небольших давлений (до 2-3 МПа) выражается законом Генри, в соответствии с которым растворенное в воде количество газа пропорцио- нально его парциальному давлению над раствором.
С =к*Р, (6)
где С - концентрация газа в растворе, кг/м3; Р - давление над раствором Па; к - коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), кг/(м3Па). Для практических расчетов значение коэффициента Генри принимается в виде значения растворимости воздуха в воде при атмосферном давлении (см. таблицу).
При понижении давления раствор воздуха в воде становится пересыщенным и избыточное количество газа выделяется из раствора в виде мелкодисперсных пузырьков. При температуре 40 0С флотация практически прекращается из-за недостаточной растворимости компонентов воздуха и эффективность очистки значительно снижается. Для качественной работы установки необходимо или рассредоточить по времени сброс сточных вод с повышенной температурой или организовать предварительное охлаждение стоков [8, 295].
Сброс сточной воды с различной рН неравными интервалами времени создает проблему необходимости изменения рН путем подкисления или подщелачивания, так как коагулирующая способность зависит от реакционной среды. Образование крупнодисперсными частицами пленки, которая практически не содержит воду, попадание в промышленные сточные воды бытовых и ливневых стоков также осложняют процесс флотации. Собирающуюся на поверхности сточных вод пленку возможно удалить при помощи насоса, который будет выкачивать отстоявшиеся нефтепродукты в специальную емкость, тогда эффективность напорной флотации возрастет.
Попадания грунтовых вод, а вместе с ними глины, соединений железа необходимо избегать путем надлежащей проверки состояния и ремонта канализационных люков, коллекторов. При очистке воды, направляемой после промывания установок, на которых могут находиться поверхностно-активные вещества, мазут, масла, увеличивается стойкость образующихся эмульсий. Это приводит к ухудшению качества флотации. Устойчивость таких эмульсий находится в верхних пределах от месяцев до нескольких лет. Кислотная обработка вод, содержащих
стойкие эмульсии, до выброса этих вод к остальным потокам воды позволит обеспечить нормальную работу напорной флотационной установки.
Литература
1. Дерягин, Б.В. Основы и контроль процессов флотации [Текст] / Б.В. Дерягин, С.С. Духин, Н.Н. Рулев. - М.: Недра, 1980.
2. Классен, В.И. Введение в теорию флотации [Текст] / В.И. Классен, В.А. Мокроусов. - М.: Госгормехиз-дат, 1959.
3. Фрумкин, А.Н. Физико-химические основы теории флотации [Текст] /А.Н. Фрумкин. - М.: АН СССР, 1932.
4. Рулев, Н.Н. Теория флотации мелких частиц и флотационной водоочистки [Текст]: дис.... к.х.н. / Н.Н. Рулев. - Киев, 1977.
5. Каратаев О.Р., Новиков В.Ф., Шамсутдинова З.Р. /Моделирование процессов растворения химических реагентов в потоках воды// Вестник Казанского технологического университета. № 22, 2013г. с. 45-47
6. Стахов, Е.А. Очистка нефтесодержащих вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов / Е.А. Стахов. - Л.: Недра, 1983. - 264 с.
7. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. - М.: Химия, 1983. - 288 с., ил
8. Валеев С.И., Булкин В.А. /Применение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения// Вестник Казанского технологического университета. № 15, 2013г. с. 294-296
COMPARISON OF FEATURE DESCRIPTORS
Shimanskiy Nikolay Dmitrievich
Master of Kostanay State University named after Baitursynov, Kostanay
Zharlykasov Bakhtiyar Zhumalyevich Lecturer of Kostanay State University named after Baitursynov, Kostanay
Muslimova Agima Zeynagatdinovna
Ph.D. Kostanay State University named after Baitursynov, Kostanay
Introduction
Feature descriptors are commonly used in lots of computer vision algorithms - object recognition, tracking, image stitching camera calibration and etc. We used it in three different types of tasks - tracking for AR, object recognition and visual classification. Recently We conducted a detail analysis of the state-of-the-art detectors and descriptor-generators, since We are considering to try different algorithms in some of my undergoing research projects as well as for the purpose of our paper revision.
SIFT
SIFT descriptor is a classic approach, also the "original" inspiration for most of the descriptors proposed later. Up to date, it still outperforms most of the descriptors in the field. The drawback is that it is mathematically complicated and computationally heavy. Main issues it addresses are the scaling-invariance and orientation-invariance in describing the features.
Detector: The keypoint is selected based on the Difference of Gaussian - detecting locations that are invariant
to scale change of the image can be accomplished by searching for stable features across all possible scales, using a continuous function of scale known as scale space. To detect the keypoints, scale octave is generated and the local extrema is detected by comparing the centre pixel with the neighbors in space [1, p.5].
Descriptor: To describe the keypoints, SIFT make uses of the local gradient values and orientations of pixels around the keypoint. A keypoint describer is created by first computing the gradient magnitude and orientation at each image sample point in a region around the keypoint location, as shown on the left. These are weighted by a Gaussian window, indicated by the overlaid circle [2, p.130]. These samples are then accumulated into orientation histograms summarizing the contents over 4x4 subregions, as shown on the right, with the length of each arrow corresponding to the sum of the gradient magnitude near that direction within the region.
