CC BY
31
УДК 658.567.1:669.2.012.3.004.18
Изложены теоретические основы гидро- и газодинамики исследуемых микрогетерогенных систем при взаимодействии газожидкостных струй реагирующих компонентов, предложены решения теоретических задач по определению параметров тепло-массообмена в исследуемых системах, установлены зависимости характеристик высокотемпературных газо-капельных струй от технологических особенностей основных процессов
РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО МЕТОДА ВЫДЕЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ
СТРУЙ
А.М. Касимов
Доктор технических наук, профессор, заведующий
лабораторией
Лаборатория систем и методов управления промышленными отходами и выбросами в атмосферу*
А.В. Поваляева
Аспирант*
А.А. Ковалёв
Аспирант* УкрНИИЭП
ул. Бакулина, д.6, г. Харьков, Украина тел. 8-057-702-07-37 Email: ecolab25@niiep.kharkov.ua, al_kuh@rambler.ru
Соединения редких и тяжелых металлов (РТМ) играют большую роль в научно-техническом прогрессе всех индустриально развитых стран. Эти металлы и их сплавы используются в атомной, космической и ракетной технике, применяются в черной металлургии при легировании сталей, в цветной металлургии, химической промышленности и др. отраслях народного хозяйства. С другой стороны эти соединения токсичны и их присутствие в сточных водах, поступающих
в окружающую природную среду (ОПС) приводит к отрицательным последствиям.
Неуклонный рост потребления РТМ требует обеспечение роста их производства не только за счет увеличения объемов переработки сырьевых материалов, но и путем повышения степени их извлечения из первичного и вторичного сырья. Для решения данной задачи с учетом проблем охраны ОПС и здоровья населения, необходимо разработать технологические
уз
схемы и способы, позволяющие значительно повысить степень извлечения ТРМ и существенно сократить объем поступления токсичных соединений в ОПС.
Молекулярно-кинетическая теория Косселя-Странского-Каишева описывает "блоковый" механизм образования в растворах зародышей кристаллов за счет слияния квазикристаллических частиц. Одно- и двумерные "блоки" ионов срастаются в трехмерные.
Частица критического размера, находящаяся в кинетическом равновесии с раствором, растет далее за счет молекулярной диффузии [1-4].
В равновесных жидкостных системах, согласно теории флуктуаций Фольмера, в результате термодинамических флуктуаций создается повышенная концентрация вещества в отдельных микрозонах. В микрогетерогенной системе с растущими кристалла
Рисунок 1. Принципиальная схема основных процессов, протекающих в каплях перерабатываемого металлсодержащего раствора под действием вихря Хилла в стесненных условиях движения газо-капельной струи
ми движение жидкости относительно неустойчивых субмикроэародышей твердой фазы позволяет последним превратиться в устойчивые, благодаря их перемещению в богатые кристаллизантом зоны, быстрому подводу свежих порций раствора к граням растущего кристалла и отводу продуктов реакции.
Принципиальная схема основных процессов, протекающих в каплях перерабатываемого металлсодержащего раствора под действием вихря Хилла в стесненных условиях газо-капельной струи представлена на рис.1. [1-6].
Свойства поверхностных слоев раствора значительно отличаются от его свойств в макрообъеме. С ростом поверхности контакта фаз влияние поверхностных свойств и кривизны поверхности жидкости резко возрастают. Диспергирование раствора на капли вызывает увеличение энергии Гиббса, давления насыщенного пара, смещение равновесия химических реакций, может играть основную роль в образовании новых фаз.
Гидролиз металлсодержащих растворов при температурах выше 373К позволяет получать интересные о научно- практической точки зрения продукты. К преимуществам высокотемпературной кристаллизации твердой фазы в растворах относятся ускорение в десятки раз процесса кристаллообразования, снижение остаточной концентрации выделяемого вещества, иногда ниже равновесной, с кратковременным "замораживанием" неравновесного состояния, улучшение фильтруемости получаемого осадка [5-8].
Максимального эффекта можно достичь при сочетании высоких температур, стабильно повышенных или пульсирующих давлений, развитой поверхности контакта реагирующих фаз и высоких скоростей их взаимного движения.
На основании изложенного разработан принципиально новый способ выделения некоторых переходных металлов из растворов в высокотемпературных газожидкостных струях с пульсирующим давлением в реакционной зоне.
Кинетика роста кристаллов в растворах подчиняется зависимости [5,6]:
1/W = 1/Wo+^V™ + 1/Wn ,
(1)
где W - линейная скорость роста кристалла; W0 - скорость его роста в неподвижном растворе; Wn - скорость поверхностной реакции; Vтв - скорость кристалла относительно раствора; а1-постоянная.
Уравнение (1) показывает, что рост кристалла включает стадии подвода вещества из объема раствора к его поверхности со скоростью W0+а1Vтв и перехода его в кристаллическую решетку со скоростью Wn. Первый член правой части в (1) характеризует перенос вещества диффузией и потоком массы (а^тв).
Важно количественно оценить градиент взаимных скоростей движения кристалла и раствора. При Vтв = 0 и Wn ^ = W0 , т. е. скорость роста кристалла зависит от скорости молекулярной диффузии. При УрВ = Шп , т.е. скорость роста кристалла
определяется скоростью кристаллохимической стадии [5-8].
В струйном реакторе находящееся в каждой капле вещество расходуется на образование определенного
числа микрозародышеи с достижением меньшей остаточной концентрации его, чем в макрообъеме раствора. Важное значение имеет явление слияния капель, уже содержащих затравку твердой фазы, с каплями, где еще отсутствуют центры ее кристаллизации. Свежеобразованные микрозародыши твердой фазы приобретают в движущихся каплях скорости, отличные от скорости движения раствора.
При этом несущий газ фильтруется через систему движущихся в нем капель. В реакционной зоне между сетчатыми перегородками проходит газо-ка-пельная смесь. Капли обрабатываемого раствора приближаются к сетке, постепенно замедляя движение. Под действием сил вязкости вблизи сетки происходит рост удельного насыщения газа каплями и поверхности контакта фаз при постоянном расходе реагентов (рис.2).
При этом в каждой капле в стесненных условиях полета возникает торообразный вихрь Хилла, в микрогетерогенной системе капель создаются лучшие условия кристаллизации благодаря интенсивному тепло-массообмену (рис. 2) [5-8].
Уравнение фильтрации газа через слой капель и уравнение неразрывности одномерного потока:
m/g [d/dt (Vx/m)] +dh/dx + Vx/f = 0;(2) d(m J)/dt + div(J, V) = 0, (3)
где g-гравитационная постоянная; Vx - скорость фильтрации газа; t - время; h - напор газа; J - плотность газа; Х - координата длины.
В отличие от обычных уравнений, в систему (2) и (3) введены переменная по времени и координате функция пористости т и функция фильтрации f0 = f(t, Х). Уравнения, подобные (2), могут быть записаны для осей Y и Z трехмерного потока [5-8].
Для исследования фильтрации газа сквозь систему капель вне зависимости от рода газа нами введена функция проницаемости J, связанная с функцией фильтрации соотношением J=Q f/J, где Q - масса газа. Вместо напора введена величина давления газа P=Jh. Функция проницаемости выражена через пористость: J=A m d23, где - d3 - эквивалентный диаметр капли.
Для случая установившегося процесса с граничными условиями Р=Р0 при Х=0 и Р=Р1 при X=L, где Р, Р0 и Р1 - давление в слое, в начале и конце слоя, соответственно. Полагая, что m=mx exp X/L, где тх - пористость по длине слоя, авторами выведена зависимость изменения давления по длине капельного слоя [5,6]: Р = {Р20 - [(Р20 - Р21)/(1 - ехр(-Ь)] x х [(1 - ехр(-Ь) X/L]}1/2, (4)
где b - константа. После преобразований исходных уравнений найдена зависимость скорости обтекания капель газом в стесненных условиях полета: Vx=-Amd2э/2ц[b/L-{(Р2o-Р2l)ехр(2bX/L}]/{Р2o--[(Р20-Р21Х1-ехр(-Ь)Х/ЦЛ1-ехр(-Ь)}1/2, (5)
где А-константа; ц -коэффициент динамической вязкости газа.
Составляющие скорости течения жидкости внутри вихря Хилла в полярной системе координат [5,6]:
V = 3/2(1 - r2/R2k)Cos©, V0= 3/2(1 - 2r2/Rk)Sin0 ,
(6) (7)
где г и 0 - радиальная и угловая координаты, изменяющиеся в пределах г<Як и 0 = = ± 45°; Як - радиус
Исходный раствор или пульпа
Т =303-308 К
2 - сетчатые перегородки;
3 - конические насадки.
Узел сетчатой перегородки 2
Рисунок 2. Струйный реактор для гидролитического выделения соединений редких и/или тяжелых металлов из
растворов
капли эквивалентного диаметра dэ. Скорость растущей частицы Vтв внутри капли под действием вихря Хилла:
Ута = + -Ч(8,72рж х¿тв ху/3ртв хКх хг)1/2 , (8)
где Рж и ртв - плотности жидкой и твердой фаз, соответственно; Кх - коэффициент лобового сопротивления твердой частицы диаметром dxв.
Высокие скорости движения жидкости под действием вихря Хилла способствуют интенсификации процессов тепло-массообмена и кристаллизации в соответствии с увеличением Vxв. из (1). Это подтверждает правильность подхода к решению проблемы.
На собственно поверхности капли при г=0 указанная зависимость неприменима. Суммарная скорость движения жидкости внутри капли [5-8]:
Хо6щ. = (V2 + У2)1/2 , (9)
В задачу исследований входили разработка и внедрение способа скоростной перекристаллизации соединений выделяемого металла.
Изучен процесс взаимодействия капель обрабатываемого раствора с паровым потоком (рис. 3). В разработанном струйном реакторе максимальная скорость
движения твердой частицы или ее обтекания раствором наблюдается в зоне лобового слоя у сетчатых перегородок (при Х^~1), вблизи поверхности капли (при г~0). Для лабораторного реактора производительностью 0,6 м3/ч расчетная скорость движения частицы- 428,8 м/с.
Набегающий газовый
Твердый зародыш переменной массы
Рисунок 3. Принципиальная схема движения реагирующих фаз в капле металлсодержащего раствора под действием вихря Хилла и эпюры скоростей движения растущего зародыша твердой фазы.
Литература
1. Николаев Н.М. Химические равновесия в водных растворах при повышенных температурах. - Новосибирск: Наука, СО АН
СССР ИНХ, 1982. 182 с.
2. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. -М.: Химия, 1968, 303 с.
3. Странский И.Н., Каишев Р.Н. К теории роста кристаллов и образования кристаллических зародышей//Успехи физических
наук, т. 21, 1939, вып. 4, С.408-412.
4. Веригин А.Н., Шупляк И.А., Михалев М.Ф. Кристаллизация в дисперсных системах. Л.: Химия, 1986. 248 с.
5. Касимов А.М. Малоотходные и энергосберегающие технологии в производстве редких и тяжелых цветных металлов- М.: Металлургия. 1990. 112 с.
6. Касимов А.М. Управление промышленными отходами. В 2 т., т.2. Технологии обезвреживания и утилизации отходов. Харьков: РИП «Оригинал», 2000. 306 с.
7. Касимов А.М. Скоростное и глубокое выделение ванадия с использованием высокотемпературных газожидкостных струй. Редкие металлы - взгляд в будущее. Научное издание. Сб. научных тр. ИГН НАНУ, -К.: 2001. С. 60.
8. Касимов А.М. Скоростное и глубокое выделение ванадия с использованием высокотемпературных газожидкостных струй. Редкие металлы - взгляд в будущее. Научное издание. Сб. научных тр. ИГН НАНУ, - Киев: 2001. С. 60.
УДК 004.92:912.43:614.7
■а о
Рассмотрены методы пространственного анализа, пригодные для решения задачи выявления источников эпидемиологической обстановки в условиях неполноты информации. Предлагаемая технология базируется на вероятностном подходе к анализу пространственных данных, основанном на статистических расчетах
ПРОСТРАНСТВЕННЫИ АНАЛИЗ ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ЕЕ ИСТОЧНИКОВ
В. П. Белогуров Ю. В. Я нуш
■а ID-
Введение
Географическая информационная система (ГИС) - это организованный набор аппаратных и программных средств, географических данных и персонала, пред-
назначенный для эффективного получения, хранения, обновления, обработки, анализа и получения изображения всех видов географически привязанной информации [1]. С помощью ГИС могут быть выполнены определённые сложные пространственные операции, которые
