CC BY
73
университета
^HHU водных дДДДтдр коммуникации
6. Резников К. М. Вода жизни // Журнал «Прикладные информационные аспекты медицины». Том 4. № 2, 2001.
7. Волошин В. П., Наберухин Ю. И. Распределение времени жизни водородной связи в компьютерных моделях воды // Журнал структурной химии. — 2009. — Т. 50. — № 1.
8. Ефанов Л. Н. О влиянии геометрии водородного мостика на колебательные спектры воды: простейшие модели потенциала Н-связи // Журнал структурной химии. — 2008. — Т. 49. — № 2.
9. Бульенков Н. А. Самоорганизация водных биологических систем // «Биофизика». — 2005. — Т. 50. — № 5.
10. Желиговская Е. А. Изучение кристаллических водных льдов методом молекулярной динамики // Журнал структурной химии. — 2008. — Т. 49. — № 3.
11. Масару Эмото. Послания воды. Тайные коды кристаллов льда: Перевод с англ. — М.: ООО «Издательский дом «София», 2005.
12. ДерягинБ. В., ЧураевН. В. Новые свойства жидкостей. — М.: Издательство «Наука», 1971.
13. Голодец Г. И. Гетерогенно-каталитические реакции с участием молекулярного кислорода. — Киев.: Наукова думка, 1977.
14. ВуксМ. Ф. Рассеяние света в газах, жидкостях и растворах. — Л.: Издательство ЛГУ, 1977.
15. Гуриков Ю. В. Структурные изменения воды под влиянием примесей // Сборник конференции «Физико-химические аспекты реакции водных систем на физические воздействия». — Л.: Агрофизический институт. 1979.
16. Hojer G, Keller I. J. Quantum Chem. Symp. — 1974. — № 8. — P. 1478.
17. Классен В. И., Шафеев Р. Ш., Хажинская Г. Н., Корюкин Б. М., Стецкая С. А. // Доклады АН СССР. — 1970. — Т. 190. — № 6.
18. Ершова Г. Ф., Чураев Н. В. Журнал физической химии. — 1979. — Т. 53. — № 6.
УДК 621.791.94 Т. А. Михеева,
канд. техн. наук, ст. преподаватель, ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»
ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ ВОДЫ В СИСТЕМЕ «WATER TABLE»
SUBSTANTIATION OF PRODUCTIVITY AND CALCULATION OF THE BASIC KNOTS OF INSTALLATION OF WATER TREATING IN SYSTEM «WATER TABLE»
В статье выполняется обоснование производительности и расчет узлов установки очистки технической воды раскройных столов системы «Water table». Потребность в расчете возникла в связи с попыт- | кой решить вопрос обеспечения экологической безопасности механизированной плазменной резки посред- о ством применения водяных раскройных столов оборотного водоснабжения. В настоящее время имеется i-1 реальная возможность данным оборудованием оснастить машины плазменной резки типа «Кристалл», К 119 «Ритм» и т. п.
In article the substantiation of productivity and calculation of knots of installation of clearing of technical water cutting system tables «Water table» is carried out. The requirement for calculation has arisen in connection with attempt to solve the problem of maintenance of ecological safety of mechanized plasma flame cutting by means of application water cutting tables of turnaround water supply. Now there is a real possibility to equip plasma flame cutting machines of «Crystal», «Phythm» type with this equipment.
университета ШИПИ водных коммуникации
Ключевые слова: водяной раскройный стол, производительность установки, система оборотного водоснабжения, основные узлы установки.
Key words: water cutting table, productivity of installation, system of turnaround water supply, the basic-components of installation.
СУДОСТРОЕНИИ и судоремонте в общем объеме производства значительное место занимает механизированная резка металла, которая осуществляется различными способами: газокислородным, плазменным, лазерным. Среди этих способов наиболее технологичным и эффективным является плазменный, который чаще всего применяется в судостроительном производстве.
В связи с постоянным ужесточением экологических требований и норм механизированная плазменная резка металла требует совершенствования технологического процесса в целях снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду.
Сотрудниками ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» была разработана и предложена для внедрения в производство, как наиболее эффек-
тивная по обеспечению экологической безопасности на сегодняшний день, технология плазменной резки на водяном столе (система «Water table») с использованием 100 % рециркуляции воды, которая проходит очистку в специальной установке. Принципиальная схема этой установки приведена на рис. 1 [1].
Для обоснования требуемой производительности установки очистки технической воды в оборотных системах водоснабжения раскройных столов системы «Water table» необходимо располагать подробными данными об объеме очищаемой воды и ее качественном составе, а также данными, которые характеризуют санитарные условия системы очистки.
Кроме этого, необходимо учитывать закономерности протекания соответствующих химических реакций, описывающих процессы поэтапной нейтрализации вредных ве-
л ей
M2Ôj
Рис. 1. Принципиальная схема оборотного водоснабжения раскройного стола машин тепловой резки листового проката
А — блок финишной очистки воды; Б — блок предварительной очистки воды; 1 — дегазатор; 2 — фильтр контактный; 3 — эжектор; 4 — генератор озона; 5 — емкость для катализатора; 6 — насос-дозатор; 7 — смеситель; 8 — циркуляционный насос; 9 — сетчатый барабанный фильтр; 10 — грязевая коробка; 11 — патрубок отвода воды в канализацию; 12 — поддон раскройного стола; 13 — реле уровня воды; 14 — машина для тепловой резки «Кристалл»
ществ, которые образуются при выполнении механизированной плазменной резки и затем попадают в поддон стола системы «Water table».
Как показывает практика, наиболее доступным, безопасным и эффективным реагентом для нейтрализации вредных веществ (Н2СО3, N2O3 и H2SO4), образующихся в результате термокаталитического химического взаимодействия газообразных продуктов резки с водой, является известь Са(ОН)2 [2]. Нейтрализующее вещество получается при взаимодействии окиси кальция СаО с водой по реакции
Н2О + СаО = Са(ОН)2. (1)
В этом случае угольная кислота взаимодействует с нейтрализатором по следующей реакции:
Н2 СО3 + Са(ОН)2 = СаСО3 + 2Н2О. (2)
Получаемое при этом соединение СаСО3 выпадает в виде осадка, представляющего собой малорастворимое в воде вещество.
Оксид азота также может быть нейтрализован известью по реакции N2O3 + Са(ОН)2 = Са(Ш2 )2 + Н2О. (3)
Получаемое при этом вещество Са^02 )2 выпадает в виде осадка.
Серная кислота тоже нейтрализуется гидроксидом кальция в соответствии со следующей реакцией:
H2S04 + Са(ОН)2 = СаS04 + 2Н2О, (4)
где СаS04 — хорошо отфильтровывающееся кристаллическое вещество.
Указанные реакции протекают в узле предварительной очистки и нейтрализации технической воды (блок Б), состоящий из емкости с нейтрализующим веществом, системы трубопроводов, насоса-дозатора и смесителя (рис. 1).
Оксид кальция поступает в смеситель посредством насоса-дозатора 6. Важным представляется точный расчет количества щелочного реагента. Теоретический расход реагента на нейтрализацию кислотной среды, г/л, можно рассчитать по формуле вида Х = С • Щ/К, (5)
где: С — концентрация кислоты или ионов металла в растворе, г/л;
Щ — эквивалентная масса используемого щелочного реагента, г/г-экв.;
К — эквивалентная масса кислоты или ионов металла, г/г-экв.
Если известна величина водородного показателя воды, то пересчет концентраций содержащихся в ней кислот производится по формуле:
рн- igf
(6)
где: Ск — концентрация кислоты, г/л;
К — эквивалентная масса кислоты,
г-экв.
Теоретические расходы реагентов определяются на основании уравнений реакции нейтрализации. В соответствии с [3] для нейтрализации кислот применяют гидроокись кальция (гашеную известь) в виде 5%-го известкового молока или отходы щелочей (едкого натра или калия) в виде 5% растворов.
На практике дозу реагента для нейтрализации технической воды принимают на 10 % больше теоретической, полученной по расчету. Расход реагентов QРeaг, кг/час, для нейтрализации находят по формуле
, (7)
х-гРеаг з час к,щ ' 4 7
где: к з — коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим. Для известкового молока кз = 1,1, для известкового теста и сухой извести к з = 1,5;
вчас — расход сточных вод, м3/ч;
а — теоретический расход реагента на нейтрализацию, кг/кг;
Ск — концентрация кислоты или щелочи в стоках, кг/м3.
Так как в кислой технической воде практически всегда присутствуют ионы металлов, дозу реагента (кг/час), определим с учетом выпадения в осадок солей и гидроксидов тяжелых металлов:
Сме1 + Ь2СМе2 + ...
, (8)
где: Ъ. — расход реагента на осаждение металлов, кг/кг;
СМе. — концентрация металлов в сточных водах, кг/м3.
Количество сухого вещества осадка М, кг/м3, образующегося при нейтрализации 1 м3 воды, содержащей свободную серную кислоту и соли тяжелых металлов, определяют по формуле [3]:
л со
, (9)
а
где В — количество активной части в товарном продукте, %;
А1 — количество активного СаО, необходимое для осаждения металлов, кг/м3;
А2 — количество активного оксида кальция, необходимого для нейтрализации свободной серной кислоты, кг/м3;
А3 — количество образующихся гидрок-сидов металлов, кг/м3;
Е1 — количество сульфата кальция, образующегося при осаждении металлов, кг/м3;
Е2 — количество сульфата кальция, образующегося при нейтрализации свободной кислоты, кг/м3.
Если выполняется условие: Е1 + Е2 < 2, то третий член выражения (9) не учитывается, поскольку весь образующийся при нейтрализации сульфат кальция находится в растворенном виде.
Объем осадка (%), образующегося при нейтрализации 1 м3 воды, вычисляется по выражению
, (10)
ос юо-Ж
ОС
где Жос — влажность удаляемого осадка, %.
Общий объем образующегося за час осадка, м3/ч, составит:
00^=^-^/100. (11)
Объем емкости V, м3, определяется по выражению
(12)
v = ®реаг-п -Ш%
Cea' Р
где: n — время работы установки за сутки, ч;
ССа = 5 % — концентрация известкового молока по активному CaO;
р — плотность известкового молока,
кг/м3.
Число заготовок известкового молока зависит от расхода реагента и продолжительности работы узла нейтрализации. Обычно это значение находится в пределах 2-4.
Трубопроводы при напорной подаче очищенного известкового молока должны иметь диаметр не менее 25 мм, не очищенного — не менее 50 мм, при самотечной по-
даче — не менее 50 мм. Скорость движения в трубопроводах должна составлять не менее 0,8 м/с. Напорные трубопроводы проектируются с уклоном к насосу не менее 0,02, самотечные трубопроводы должны иметь уклон к выпуску не менее 0,03. Насосы и дозирующие устройства должны быть приспособлены для работы с суспензиями [4, 5].
В дальнейшем оборудование узла нейтрализации должно рассчитываться на суммарный расход нейтрализуемой воды О , м3/ час, и известкового раствора О :
^час Г Г ^ реаг
Смешивание реагента с водой наиболее целесообразно осуществлять в смесителях гидравлического (вихревых, перегородчатых) или механического типов. Продолжительность контакта нейтрализуемой воды и реагента для кислых вод составляет 5 мин. Для обеззараживания воды в установке используется один из самых сильных окислителей — озон.
Во многих системах очистки воды озон получают из воздуха в озонаторах посредством синтеза в высоковольтном электрическом газовом разряде. Озонатор (генератор озона) 4 на рис. 1 содержит один или несколько озонирующих элементов (ОЭ), которые, в свою очередь, состоят из двух электродов, разделенных между собой диэлектриком. Расстояние между электродами определяет разрядную зону. В целом ОЭ представляет собой герметичную конструкцию с подводом воздуха и воды и отводом озоно-воздушной смеси и охлаждающей воды.
Кроме ОЭ в состав озонатора входит блок электрического питания с высоковольтным трансформатором и, при необходимости, преобразователем частоты электротока.
Основным параметром, характеризующим обработку воды озоном, как показано в работах В. Л. Этина [6, 7] и А. С. Курникова [8], является доза озона, г/м3, которая дает полную и однозначную количественную картину воздействия озона на любой показатель качества воды:
&оз
Qi
(13)
н
где G — производительность озонатора, г/ч.
л са
Определение максимально возможной величины давления сжатия Р при которой произойдет «срыв» эжекции (Р = Р «101 кПа, Ь = 0), производится
4 н атм г '' Г
по формуле
/ Л у
1,39-
101 =
0
+ 1
\Р 1 -Р
I_ сж Л р
1,39-
\2
(20)
бя
+ 1
-1
Тогда:
Р +39 4
Гр
1г сж J
(21)
1,39
Другим важным параметром эжектора является оптимальное отношение сечения камеры смешения и сопла, которое также может быть вычислено по эмпирическому уравнению:
(22)
где: РК — площадь камеры смешения, м2;
(Р л Г к = 0,877 (Р СЖ \
1 р р) опт [РР ~РJ
площадь выходного отверстия
сопла, м2.
Для извлечения выпадающих в осадок соединений в рассматриваемом случае наиболее приемлемы фильтры с песчаной загрузкой, в которых и обеспечивается необходимое время контакта. Расчет фильтра производится по СНиП 2.04.03-85.
В целях компактного размещения узла финишной фильтрации (блок финишной очистки воды А (рис. 1) технической воды необходимо воспользоваться идеей объединения двух узлов систем водоочистки (фильтра и контактной колонны) в единую конструкцию — «контактный фильтр» 2. Такой подход позволит значительно уменьшить объемы данных узлов с одновременным упрощением общей конструкции, сократить количество и сопротивление трубопроводов, их соединяющих, а также позволит обеспечить более качественное смешение озона с водой и требуемое время их контакта.
Расчет основных параметров фильтра сводится к следующему.
Общий объем контакта озона с водой, образуемый контактной колонной и свободной полостью фильтра:
, (23)
ке ^ ф ^ \ кф кк / ф ^ кк ' V /
где: У — минимальная часть свободного от загрузки объема фильтра, предназначенная для расширения загрузки при ее регенерации [10];
Нф — высота контактного фильтра, м; Б — диаметр корпуса фильтра, м;
кф
Б — диаметр контактной колонны, м.
кк
Этот объем также можно вычислить по регламентируемому времени контакта озона с водой, тк, которое согласно [11, 12] должно быть не менее 720 с:
Г„=тквн =720-вн. (24)
Решение двух этих уравнений относительно (р1ф-Р>1к} дает: 864О0Я
(25)
Необходимую площадь фильтрования воды можно определить по формуле [15]:
4 7 (оф
где Юф — скорость фильтрования, м/с. Тогда:
.
(26)
71Ю ,
Совместное решение уравнений (23) и (24) позволяет определить диаметр контактной колонны:
А
1
3кНф<оф
(27)
Из выражения (25) можно определить также общий диаметр контактного фильтра Б
кф
д
кф
V
71(0
(28)
Ф
Представляет определенный интерес сравнение объемов, занимаемых контактной колонной и фильтром, установленных последовательно по традиционной схеме и предлагаемым конструктивным вариантам:
V = гкк + гф =
тю:
-Нф+-
пП
Ф
н.
ф
