CC BY
64
628.334.13
РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ГРУБОДИСПЕРСНЫХ ПРИМЕСЕЙ
В.Г. ЖУКОВ, Л.Л. НИКИФОРОВ, О.Е. ХОРУНЖЕВА, И.В. ЧЕЧИКОВ
Московский государственный университет прикладной биотехнологии,
109036, г. Москва, ул. Талалихина, 33; электронная почта: z-v-gr@mail.ru
Разработана конструкция устройства с сетчатой фильтрующей поверхностью для очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности от грубодисперсных примесей. Для разработки метода расчета устройства рассмотрены два варианта осуществления процесса фильтрования. В результате получены математические выражения, учитывающие как технологические особенности процесса, так и конструкторские параметры устройства.
Ключевые слова: очистка сточных вод, фильтроэлементы, процесс фильтрования, суспензия, фильтрат.
Начальным этапом очистки сточных вод промышленного происхождения является очистка от грубодисперсных примесей.
В связи с тем, что промышленные предприятия имеют различающиеся технологии и обладают различными производственными мощностями и различными объемами и спецификой загрязнений сбрасываемых сточных вод, им требуются очистные сооружения разной производительности, работающие в различных режимах. Чтобы правильно подобрать очистное оборудование для конкретного предприятия, необходимо провести его расчет.
На рис. 1 представлена установка для очистки сточных вод, защищенная патентом РФ [1]. Она предназначена для очистки от грубодисперсных примесей промышленных сточных вод, преимущественно производственных стоков мясной и пищевой промышленности.
Фильтрование на конических поверхностях имеет ряд преимуществ. Во-первых, работает практически вся поверхность фильтрования, чего невозможно добиться в горизонтальных цилиндрических процеживателях. Во-вторых, установка занимает меньшую пло-
Рис. 1
щадь. Кроме того, значительно облегчена выгрузка шлама.
Установка работает следующим образом: необработанная жидкость поступает через патрубок 1 и попадает на фильтрующую поверхность 2. Жидкость, процеживающаяся через фильтрующую поверхность 2, попадает в кожух слива 3 и вытекает из установки снизу. Лопасти 4 конусного шнека 5, вращаясь, поднимают остающийся на фильтрующей поверхности шлам к полке его отвода 6 и, тем самым, очищают фильтрующую поверхность 2. Отфильтрованный шлам выгружается через полку 6.
Предложенное устройство позволяет быстро и качественно осуществлять очистку сточных вод на этапах их предварительной обработки. Следует отметить, что надежность работы такого устройства в значительной степени зависит от регенерации фильтрующего полотна.
В настоящее время существует ряд методов для расчета фильтрационных установок, однако установка, показанная на рис. 1, имеет конструкторскую и эксплуатационную специфику. В связи с этим рассмотрены два предельных варианта осуществления процесса фильтрования: осадок быстро снимается лопастями шнека и его сопротивлением можно пренебречь и, напротив, сопротивление фильтрующей сетки незначительно, все сопротивление создается осадком.
Исходные данные: необходимо извлечь твердую составляющую из потока Q исходной суспензии в аппарате (рис. 2), состоящем из неподвижного тонкостенного корпуса с конической фильтрующей поверхностью (ФП). При этом осадок выгружается шнеком со стороны большего основания конуса. Общий объем суспензии V
Цель расчета - определить время АТ очистки объема V суспензии, пропускаемой через коническую фильтрующую поверхность аппарата.
Вводимые ограничения:
суспензия равномерно распределяется по окружности;
объемная концентрация твердых частиц мала;
w.
ф
(3)
где Цс ~Цф = Ц - динамическая вязкость суспензии, фильтрата, Па ■ с; АР - перепад давления, Па.
По рис. 2 имеем
AP=PB - Рнар = Ро - 0 =Po, Po = pg& - z). (4)
Преобразуя выражения (3) и (4), получаем _ kс Рсg(z2 - z )
- ф
(5)
Производительность по фильтрату через элементарную кольцевую площадку определяется с учетом (2) выражением
dQ4 = wф Р с 2nrdz = 2тф с чф tg zdz.
сф
(6)
осадок мгновенно оседает на ФП и выгружается шнеком;
свойства осадка неизменны;
осадок заполняет сетку ФП, и можно считать его имеющим единый коэффициент фильтрации Кф по всей высоте фильтрующей перегородки [2]
К ф = k/vp = const, (1)
где k - проницаемость общая, м2; v - кинематическая вязкость, м2/с; р - плотность суспензии, кг/м3 (Н ■ с2/м4);
объем суспензии, направляемой на разделение, V много больше объема фильтрующего конуса аппарата
V >> VK,
где V; - объем жидкости, находящейся в аппарате, м3.
Имеем:
H = const; P0 = const,
где H- высота заполненного суспензией объема аппарата; Po - избыточное давление суспензии на поверхности осадка, Н/м2.
Осадок счищается непрерывно или периодически. «Истинная» осредненная скорость фильтрации Чф связана с объемной скоростью w соотношением [3]
Чф = Ч ft (2)
где Р - просветность пористого тела.
Первый вариант условий: сопротивление слоя осадка несущественно. Осадок представляет собой суспензию из относительно крупных частиц. Осадок нарастает медленно и периодически снимается шнеком. Сопротивлением осадка при фильтрации пренебрегаем. Все сопротивление фильтрации в виде коэффициента k определяется сопротивлением фильтрующей стенки аппарата кс, т. е. k = kc, и толщина осадка много меньше радиуса Як, т. е. 5ф = 5с = const << Як, где 8ф = = 8ос + 8с - толщина фильтрующего слоя, м; 8ос, 8с - толщина осадка и фильтрующей стенки, м.
Скорость фильтрации определяется по формуле Дарси [2], которая вследствие незначительной величины 8с и с учетом (1) может быть записана как
k AP
где Qф = Q(1 - С) - объемная производительность по фильтрату, м3/с; Q - объемная производительность по суспензии, м3/с; С - объемная концентрация твердой фазы в суспензии.
Подставляя (5) в (4) и интегрируя, получаем
*2 k
0=/2^Р сW^g zdz=2np ctg
- ф
3 2 3'
£2 _ z2 zi + £l
6 2 3
.(7)
С учетом (1) объем V(м ) профильтрованной за время АТ (с) суспензии V = QАT. Значит, время очистки суспензии объемом V в аппарате определяется из (7)
A4= H = (1_С)
V- . 8
фс
1
2^Р ^g kс Рсg
Hi
6
3
Второй вариант условий: сопротивление фильтрующей стенки аппарата несущественно. Осадок очищается витками шнека, вращающегося с настолько малой угловой скоростью ю = const, что центробежными силами можно пренебречь (рис. 3, а и б). За витками шнека вновь постепенно нарастает осадок от 0 сразу за витком до 8max непосредственно перед следующим витком. При этом, как и ранее, имеем 8max < Лк. Рассмотрим задачу, в которой сопротивление фильтрации определяется сопротивлением осадка: k^ << k^ поэтому сопротивлением фильтрующей стенки аппарата пренебрегаем: kc« 0.
На рис. 3 представлен поперечный разрез конического аппарата в координате z, где 1 - перфорированная коническая стенка аппарата, 2 - витки шнека, 3 - оса-
с
z
б
а
док, 4 - суспензия, Ф - угол сектора между смежными витками шнека, ф - текущее значение угла от задней стороны витка шнека, ю - угловая скорость вращения шнека, h - толщина витка шнека в сечении (h << ^кФ), м.
По условиям задачи с учетом h << ^кАФ имеем ю = dФ/d = АФ/А = const, откуда промежуток времени, необходимый для поворота n витков шнека на угол АФ = 2л/n между ними, равен
(8)
k ос AP _ k ос Po
- ф б
(9)
ф ос
поскольку с учетом Р\г = Г1 = Р0 , Р\г=Дк = Рнар = 0, АР = Р.
Для слоя единичной высоты по г производительность по фильтрату дф определяется формулой
q,i, = ^ф/dz
(10)
qO
P 0
(11)
dqa
І
d iiOL =_________________
ds є ос ndфR к1 є о
где - элементарная площадка кольцевого сектора единичной высоты (рис. 3, б).
В результате ряда преобразований с учетом линейного нарастания осадка и соотношения дф = wg2кRк • 1, получим
Є ос 1 С w ср k ос Po
-----------------w_ —----------------------
P ос С
(ІЗ)
б Г = 2б ор = 2 ^ ^ -^Po A Ує ос - ф 1_C
(І4)
Единичная производительность по фильтрату через весь кольцевой осадок ^ф при ф = Фи = 2л равна с учетом (8), (13) и (14)
kP
q ф = w P ос 2*R к = P ос — dr qф nR«
- ф б ор
k
2*P R к P о
(ІЗ)
- ф P* К 2nPo
УЄ ос - ф 1_C є ос ПЮ
Так как 5ос << Дк, то движение фильтрата в порах осадка можно принять радиальным.
Уравнение Дарси для этого случая будет иметь вид
и общая производительность по фильтрату будет равна с учетом (10) и (ІЗ)
QФ =/дф ^=В / (г2 — г )2 zdz, (16)
где В = I—— 2я -—Спюрсgtg .
\ Цф Е ос С
Окончательно получим выражение, взятое в пределах от г1 до г2 с учетом (14)
Назовем ее единичной объемной производительностью по фильтрату.
Связь между единичными производительностями по осадку дос и фильтрату дф имеет вид
Qф = 2 р-^2* Х_С пюРсgtg
11 - ф Єос С
(z2 _ z1)2 „ (z2 _ z1)2
(17)
Скорость нарастания осадка ^ос с неизменяющейся пористостью Бос можно записать в виде
Период времени АТ, необходимого для очистки суспензии объемом ^вычисляется по формуле
V
AT = — (1_C),
Qф '
(12)
где Q берется по (17).
ВЫВОДЫ
где 8орС — средняя толщина осадка, м; и^ - средняя скорость нарастания осадка.
Промежуток времени Ат = 0...т соответствует времени повторной очистки следующим из п витков шнека. Таким образом можно определить максимальную высоту слоя наросшего осадка в координате г по высоте аппарата
где Р0 определяется выражением (4). Это значение необходимо для выбора конструкции витков шнека для транспортирования им осадка к патрубку выгрузки.
1. Разработана конструкция оборудования для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей с использованием сеток с различными размерами отверстий и предложена методика ее расчета.
2. Аналитически решена задача определения параметров фильтрации в установке для двух предельных вариантов условий: сопротивление осадка несущественно, сопротивление фильтрующей стенки аппарата несущественно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2142416 РФ, МКИ С 02 Б 1/00, В 01 Б 29/64. Установка для очистки сточных вод / М.И. Ермолаев, Л.Л. Никифоров // БИПМ. - 1999. - № 34.
2. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. - М.: ОГИЗ Гостехиздат, 1947. - 244 с.
3. Жуков В.Г. Центробежная фильтрация при несжимаемом осадке // Теор. основы хим. технологии / АН СССР. - 1981. -Т. XV. - № 6. - С. 884-889.
Поступила 22.06.09 г.
2
З
З
METHOD OF CALCULATION OF THE DEVICE FOR WESTE WATERS TREATMENT FROM COARSE-DISPERSION IMPURITY
V.G. ZHUKOV, L.L. NIKIFOROV, O.E. KHORUNZHEVA, I.V. CHECHIKOV
Moscow State University of Applied Biotechnology,
33, Talalikhin st., Moscow, 109036; ph./fax: (495) 677-07-88, e-mail: z-v-gr@mail.ru
Device construction with mesh filtering surface of sewage treatment from coarse-dispersion impurity for food-processing industry enterprises is developed. For working out of the device calculation method two variants of process of filtering are considered. As a result mathematical expressions which consider both technological features of process, and device design data are received.
Key words: treatment of impurity, filtering surface, process of filtering, suspension, filtrate.
6644.8.036:62
АППАРАТ ДЛЯ РОТАЦИОННОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТУПЕНЧАТОГО НАГРЕВА И ВОЗДУШНО-ВОДОИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
А.Ф. ДЕМИРОВА, Т.А. ИСМАИЛОВ, М.Э. АХМЕДОВ
Дагестанский государственный технический университет,
367015, г. Махачкала, просп. И. Шамиля, 70; тел.: (8722) 62-37-61, факс: (8722) 62-37-97, электронная почта: dstu@dstu.ru
Представлен аппарат для стерилизации консервов с использованием ступенчатого нагрева и воздушно-водоиспарительного охлаждения с вращением тары с «донышка на крышку». Приведена схема аппарата и принцип его работы. Аппарат обеспечивает значительное сокращение продолжительности процесса стерилизации консервов, а также равномерность тепловой обработки, что способствует повышению качества готовой продукции.
Ключевые слова: стерилизация консервов, ступенчатый нагрев, вращение тары.
В процессе тепловой стерилизации пищевых продуктов температура играет основную роль в подавлении жизнедеятельности микроорганизмов в комплексе со временем тепловой обработки. Первостепенной задачей совершенствования процесса консервирования пищевых продуктов посредством тепловой стерилизации является изыскание наиболее эффективных теплообменных процессов и аппаратов для стерилизации консервов, обеспечивающих промышленную стерильность готовой продукции и более полное сохранение ее пищевой ценности.
Для обеспечения процесса нагрева консервов при стерилизации в различных аппаратах, эксплуатируемых в промышленности, в качестве греющих сред (теплоносителей) используют преимущественно пар или горячую воду. С теплотехнической точки зрения их использование в качестве греющих сред имеет существенное преимущество благодаря относительно большим величинам коэффициента теплоотдачи. Однако использование их в аппаратах непрерывного действия создает существенные трудности технического характера. В частности, при их использовании необходимо создавать герметичные аппараты для обеспечения высоких температур. А герметичные аппараты в конструктивном отношении сложны, громоздки и металлоемки.
В ряде работ [1] доказана возможность и целесообразность стерилизации консервов в горячей воде с использованием вращения банок с «донышка на крышку». Установлено [2], что при таком техническом оснащении интенсифицируется процесс теплообмена и
устраняется неравномерность тепловой обработки консервов, что подтверждено и нашими исследованиями по прогреваемости консервов в горячей воде с вращением банок. Нами выявлена эффективность ступенчатой тепловой стерилизации консервов с вращением тары [3].
Для практической реализации способов ротационной стерилизации консервов с использованием ступенчатого нагрева и воздушно-водоиспарительного охлаждения нами разработана конструкция аппарата, которая лишена недостатков известных конструкций стерилизаторов: большой продолжительности и неравномерности тепловой обработки консервов, значительного расхода охлаждающей воды в зоне охлаждения, невозможности стерилизации консервов при температуре выше 100°С и др.
Предложенное нами техническое решение, помимо устранения указанных недостатков, позволяет снизить металлоемкость оборудования за счет того, что в качестве транспортирующего механизма для банок используются закрепленные шарнирно к двум роликовтулочным цепям носители, обеспечивающие механический зажим банок для предотвращения срыва крышек при нагреве. На концах валов носителей установлены ступенчатые шкивы, позволяющие регулировать скорости вращения носителей с банками вокруг своих осей. В секции охлаждения, расположенной под секцией нагрева, на определенном расстоянии друг от друга установлены разбрызгиватели воды различной температуры, обеспечивающие попеременное нанесение на поверхность банок водяной пленки.
