CC BY
37УДК 66.021.3.081
М.А.Яблокова1, О.М.Иванова2, С.И.Петров3
В связи с возрастающим загрязнением водных объектов, используемых в качестве источников водоснабжения населения, в мировой практике расширяется использование озона для подготовки воды питьевого качества.
Озон, в отличие от хлора, может быть получен непосредственно из окружающего воздуха (безреагент-ный метод). Он образует с загрязнениями воды гораздо меньше опасных для здоровья соединений, существенно улучшает вкус, цвет, запах, прозрачность воды. По окислительному и бактерицидному действию озон также превосходит хлор. Благодаря высокой окислительной способности озон разрушает протоплазму бактерий, тогда как хлор действует только на ферменты микробной клетки. Обеззараживающее действие озона проявляется в 10-15 раз быстрее, чем хлора, что обусловлено различными механизмами действия этих окислителей.
Одной из важнейших задач в практике обработки воды озоном является повышение эффективности его использования, так как получение озона из воздуха связано с высокими энергозатратами.
В процессах дезинфекции воды существует критическая доза озона (0,4-0,5 мг/л), превышение которой обеспечивает начало бактерицидного действия. При поддержании такой дозы в течение 5-10 минут степень инактивации вирусов достигает 99,99%. При более высоких дозах озона процесс обеззараживания идет еще быстрее. Например, при концентрации озона в воде 3-4 мг/л практически полная дезинфекция достигается за 1-2 минуты.
Поскольку скорость процесса дезинфекции воды, а следовательно, и требуемый объем аппаратов, зависят
УТОЧНЕННАЯ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОЗОНИРОВАНИЯ ВОДЫ В ИНЖЕКЦИОННО-СТРУЙНЫХ АППАРАТАХ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Представлен анализ существующей аппаратуры для озонирования воды и обоснованы преимущества установки, разработанной на кафедре оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ (ТУ). Противоточная установка состоит из двух последовательно соединенных инжекционно-струйных аппаратов, использующих принцип самовсасывания озоно-воздушной смеси. Приведено математическое описание протекающих в установке массообменных процессов. Для проверки адекватности первоначально принятой математической модели переноса озона в жидкость разработана и смонтирована лабораторная установка. Проведенные эксперименты выявили существенное расхождение результатов с расчетными данными. Выдвинуто предположение о необходимости учитывать продольное перемешивание жидкости при рассмотрении массообменных процессов в барботажной зоне аппарата. Предложена новая математическая модель растворения озона в жидкости, учитывающая продольное перемешивание в реакторе. Эксперименты подтвердили лучшее соответствие уточненной математической модели реальным процессам переноса в инжекционно-струйном аппарате.
Ключевые слова: водоподготовка, очистка сточных вод, озонирование, инжекционно-струйный аппарат, математическая модель, массоперенос, продольное перемешивание
от концентрации озона в жидкости [1, 2], при проведении озонирования следует стремиться к выполнению следующих условий:
• интенсивная турбулизация жидкой фазы на входе в аппарат для быстрого насыщения воды озоном;
• создание максимально высокой концентрации озона в воде (близкой к равновесной);
• поддержание высокой концентрации озона в воде в течение достаточно длительного времени (времени дезинфекции) за счет постоянного дополнительного подвода озона.
Большое значение в решении этих задач имеет совершенствование аппаратурного оформления узла растворения озона в воде.
В настоящее время для смешения озона с водой чаще всего применяют барботажные устройства: перфорированные трубы, фильтросные пластины, пористые патроны, перегородки из пористой керамики [3, 4]. Озоно-воз-душная смесь (ОВС) подается через барботеры в нижнюю часть аппарата; жидкость при этом слабо перемешивается всплывающими пузырьками. Удельная площадь поверхности контакта фаз составляет 100-400 м2/м3; объемный коэффициент массопереноса озона из газа в жидкость не превышает 0,02 с-1.
Главный недостаток барботажных устройств заключается в том, что из-за низкой скорости массопереноса озона в жидкость необходимая для начала процесса дезинфекции концентрация озона в воде достигается лишь после нескольких минут ее контакта с ОВС. Большое требуемое время пребывания воды в аппарате (10-15 минут) делает используемое барботажное оборудование громоздким и дорогим.
Эффективность использования озона в барботаж-
Яблокова Марина Александровна, д-р техн. наук, профессор каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, e-mail:
3 Иванова Ольга Михайловна, аспирантка каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры e-mail: [email protected] Петров Сергей Иванович, канд. техн. наук, доцент каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, e-mail: [email protected]
Дата поступления - 8 апреля 2010 года
ных устройствах невысока, что заставляет выполнять аппараты в виде колонн с высотой не менее 4-5 метров. Потери озона с отходящим газом в таких аппаратах, как правило, выше 30%. Еще один недостаток мелкопузырчатых барботажных устройств заключается в том, что пористые элементы со временем засоряются, а их замена требует остановки и опорожнения аппарата.
Более высокие скорости массопереноса озона из газа в жидкость получают в аппаратах с диспергированием газа механическими перемешивающими устройствами, в качестве которых чаще всего используют турбинные мешалки [3]. Высокий ввод энергии в зону контакта, большая поверхность раздела фаз газ-жидкость (до 600 м2/м3) позволяют добиваться объемных коэффициентов массопереноса до 0,3 с-1 и степеней поглощения озона до 80-85%. Однако затраты мощности на механическое перемешивание резко возрастают с увеличением геометрических размеров аппарата, что делает неэкономичным создание установок большого объема. Кроме того, наличие непосредственно в реакционном объеме движущихся частей (вала с мешалкой) требует уплотнения вращающихся деталей с помощью сложных в конструктивном отношении устройств, нуждающихся в постоянном квалифицированном обслуживании (особенно при проведении процесса под давлением или в присутствии агрессивных компонентов). Использование громоздкого привода (мотора-редуктора) с жестко заданной частотой вращения вала и ограниченным выбором мощности делает конструкцию аппарата металлоемкой, не позволяет плавно регулировать интенсивность перемешивания, вести процесс в энергетически оптимальном режиме.
Широкое распространение в процессах озонирования воды получили различные струйные и инжекцион-ные аппараты [2, 3, 5-8]. Инжекторы являются интенсивными статическими массообменными устройствами и способствуют быстрому растворению озона в воде. Однако в известных установках для озонирования воды достоинства инжекционных элементов реализуются далеко не в полной мере. Как правило, инжектор размещают в центральной части дна контактной колонны, выходящий из него газожидкостной поток направлен вертикально вверх. Такие затопленные инжекторы [5-7] имеют значительно более низкую инжектирующую способность, чем незатопленные. Установка инжектора в днище аппарата (под слоем воды) приводит к снижению расхода подсасываемой ОВС, а, следовательно, к снижению газосодержания, удельной поверхности контакта фаз и объемного коэффициента массопереноса в аппарате. Кроме того, поскольку газожидкостной поток, выходящий из инжектора, направлен вертикально вверх, время пребывания газовых пузырей в аппарате невелико, что не позволяет добиваться высоких степеней использования озона.
Многие из известных установок [5-7] для озонирования воды не имеют полноценной второй ступени контакта озона с жидкостью. Обычно эта ступень представлена не контактной емкостью, а лишь инжектором для смешения исходной воды с озонированной. Как следствие, степень использования озона в таких установках не превышает 70%.
Перед нами стояла задача создания компактной, простой по конструкции, надежной установки для озонирования воды, позволяющей добиваться высоких степеней использования озона.
В результате исследований, проведенных на кафедре оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры Санкт-Петербургского государственного технологического института, были созданы эффективные аппараты для обеззараживания воды, работающие на принципе самовсасывания ОВС, и на их основе сконструированы компактные противоточные установки для озонирования воды в процессах водоподготовки [8].
Такие установки могут быть успешно использованы в комплексных процессах подготовки питьевой воды на водопроводных станциях малой и средней производительности, предназначенных для водоснабжения отдельных микрорайонов города, небольших поселков, военных городков; любых объектов как гражданского, так и военного назначения, в том числе, расположенных в отдаленных районах, не имеющих специальных компрессорных станций и реагентного хозяйства, а также на судах речного и морского флота для приготовления питьевой воды из забортной или взятой из других природных источников; для доочистки водопроводной воды, используемой в отелях, ресторанах, больницах, санаториях, детских учреждениях, спортивных комплексах. Одно из применений - обеззараживание оборотной воды плавательных бассейнов озоном вместо хлора.
Разработанная установка состоит их двух струйно-инжекционных аппаратов, работающих последовательно, в режиме противотока жидкой и газовой фаз. Отличительной особенностью разработанных устройств для озонирования является инжекционный способ вовлечения ОВС водой, исключающий необходимость использования газодувок в противоточной абсорбционной установке, состоящей из нескольких аппаратов.
Схема абсорбционного узла установки [8] представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема установки для обеззараживания воды озонированием.
Он состоит из двух однотипных контактных емкостей 1 и 2, каждая из которых содержит несколько вертикальных инжекционно-струйных элементов. Инжекционные элементы образованы насадками 3 для струйного истечения жидкости, заделанными в верхнюю трубную решетку, и опускными трубами 4, вмонтированными в нижнюю трубную решетку соосно с насадками 3. Каждая из емкостей 1 и 2 имеет сепара-ционное устройство 5 для отделения отработанной ОВС от жидкости. Оно представляет собой кольцевой канал, разделенный вертикальной перегородкой. В донной части начала канала имеется горизонтальное окно для входа газожидкостной смеси, в конце канала - штуцер для отвода жидкости. В верхней части канала имеется кольцевая щель для выхода отсепариро-ванной газовой фазы.
Контактные емкости 1 и 2 соединены трубопроводом с насосом 6, на нагнетательной линии которого установлен регулятор расхода 7. Он обеспечивает синхронизацию подачи воды в контактные емкости 2 и 1 насосами 6 и 8.
Установка работает следующим образом. Исходная ОВС подсасывается в контактную емкость 1 за счет разрежения, создаваемого инжекционными элементами, образованными насадками 3 и опускными трубами 4. Указанные инжекционные элементы обслуживаются насосом 6, перекачивающим жидкость из контактной емкости 2.
Контактная емкость 1 работает как первая ступень массопереноса озона из газа в жидкость. Проходя через газовое пространство между трубными решетками, истекающие из насадок 3 кольцевые струи жидкости инжектируют ОВС в шероховатостях своей поверхности и в примыкающих к ним пограничных слоях. При падении струй в опускные трубы 4 (активная зона) происходит тонкое диспергирование газовой фазы. Образующаяся в опускных трубах 4 газожидкостная смесь движется по ним нисходящим потоком под действием кинетической энергии струй, затем проникает на некоторую глубину в слой жидкости под трубами. Расширяющиеся на выходе из опускных труб газожидкостные струи равномерно распределяют ОВС по поперечному сечению контактной емкости (барботажная зона). Газовые пузыри из пространства под опускными трубами поднимаются к поверхности, в итоге проходя путь, почти в два раза больший, чем в аппаратах с нижним расположением инжекторов [5-7]. Образующаяся в контактной емкости тонкодисперсная газожидкостная смесь имеет развитую поверхность контакта фаз (особенно, в опускных трубах), благодаря чему обеспечивается быстрое растворение озона в воде. Увеличенное время пребывания пузырей ОВС в аппарате способствует достижению высокой степени использования озона.
Обработанная озоном жидкость самотеком или с помощью насоса уходит к потребителю или на стадию адсорбционной доочистки. Отработанная ОВС отводится из сепа-рационного устройства и подсасывается инжекционными элементами, установленными в контактной емкости 2. Туда же, в пространство над верхней трубной решеткой насосом 8 подается исходная жидкость, подлежащая озонированию. При ее взаимодействии с частично отработанной ОВС (контакт организован так же, как и в емкости 1) происходит почти полное (на 91-93%) доисчерпывание озона из газо-воздушной смеси. Остатки озона после выхода отработанной ОВС из емкости 2 подвергаются разложению в специальном устройстве (например, в обогреваемой катализаторной коробке).
Из контактной емкости 2 жидкость, уже содержащая некоторое количество растворенного озона, насосом 6 подается в контактную емкость 1, где взаимодействует со свежей ОВС, поступающей из озонатора.
Ранее [9, 10] была разработана методика расчета геометрических параметров данной установки, а также методика расчета гидродинамических характеристик возникающих в ней газожидкостных потоков.
Цель настоящего исследования заключалась в теоретико-экспериментальной оценке процессов массопереноса в инжекционном аппарате и в установлении влияния продольного перемешивания на процесс массообмена в бар-ботажной зоне.
В опускных трубах при развитом турбулентном нисходящем движении двухфазного потока образуется газожидкостная смесь с развитой удельной межфазной поверхностью
6-ф
а =
(1)
Для оценки коэффициента массопереноса в озона в жидкость была использована полученная ранее [9] зависимость
РР = 0,24 •
ч0,25
(2)
где йж - коэффициент молекулярной диффузии газа в жидкости, м2/С; V - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м?/С; е - скорость диссипации энергии [9] в соответствующей зоне аппарата, Вт/м3.
Для расчета концентраций озона в газовой и жидкой фазе была предложена следующая система уравнений
а^ЧЧ'-О^ (3а)
6 д.с с1т
= РР-а-($ -сУк-Сзагр-с-ус
(3б)
где у - концентрация озона в газовом пузыре, кг/м?; т-время пребывания газового пузыря в турбулентном потоке жидкости, с; с** - равновесная концентрация озона в воде, кг/м?; с - рабочая концентрация озона в воде в рассматриваемой зоне аппарата, кг/мг3; к - константа скорости реакции озона с загрязняющими веществами; Сзар - концентрация загрязняющего вещества в воде, кг/м?; у - коэффициент, характеризующий скорость саморазложения озона в воде, с-1.
Уравнение (3а) позволяет оценить текущую концентрацию озона в газовой фазе, исходя из балансового уравнения переноса целевого компонента для газовых пузырей среднего размера, устойчивого в данном турбулентном потоке. В процессе растворения озона в воде, наряду со снижением концентрации содержащегося в газовых пузырях озона, одновременно происходит уменьшение их размеров. Однако по результатам исследований, приведенных в работе [9], изменение размеров газовых пузырей в результате растворения озона в жидкости оказываются очень не значительным и им можно пренебречь. Уравнение (3б) описывает скорость насыщения воды озоном с учетом его расходования в протекающих химических реакциях. Если считать, что на дезинфекцию вода подаётся предварительно очищенной, т.е. с загр ~ 0, уравнение (3б) примет вид
. (4)
ах
В соответствии с законом Генри для равновесной концентрации озона в воде справедливо выражение
с=Ку, (5)
где К - константа фазового равновесия [2], кг/м3;
(6)
,0,74
В выражении (6) р - абсолютное давление в аппарате, мПа; роз - плотность озона при рабочей температуре, кг/м?; £ - рабочая температура, °С.
Результатом решения системы (3) с принятыми допущениями и при начальных условиях т = 0, у = у„ явилась следующая система уравнений для расчета текущей концентрации у озона в газовом пузыре и концентрации озона в жидкости ск на выходе из рассматриваемой зоны аппарата
имеющая высокое газосодержание (ф) и малые размеры пузырей (с/п). Эта активная зона абсорбции вносит наибольший вклад в процесс переноса озона в воду.
Основной объем контактной емкости занимает барбо-тажная зона, где происходит дополнительный процесс абсорбции при свободном всплывании газовых пузырей. Здесь меньше величина газосодержания ф и более крупные пузыри, но ввиду большого объема самой зоны, она также вносит значительный вклад в массоперенос и обеспечивает требуемое время контакта озона с водой.
,(7)
с _ с,-Рг-а ■[1 - ехр(- В ■ г„ )]• [1 + ехрГ - ^ ■ тк)]
где Сн - равновесная концентрация озона в жидкой фазе на входе в рассматриваемую зону, кг/м?; ун - концентрация озона в газовом пузыре на входе в рассмат-
риваемую зону, кг/м3; тп - время пребывания жидкости в рассматриваемой зоне аппарата, с; тк - время контакта газового пузыря с микрообъемом жидкости, находящимся в рассматриваемой зоне в течение времени tn (время контакта фаз), с; А и В - коэффициенты, определяемые как
■
dn -Pos
Время пребывания жидкости в рассматриваемой зоне аппарата и время контакта фаз определяются гидродинамическими характеристиками процесса и геометрическими параметрами аппарата, а именно
т. =-
U,
; ** =
и.
жб пб
и.
: -с,
(8)
* ^
где ИТр - длина опускных труб (высота активной зоны), м; Нж - высота жидкости в барботажной зоне аппарата, м; 6Жа и Цжб - истинные скорости жидкости соответственно в активной и барботажной зонах, м/с; иг - истинная скорость газовой фазы в опускных трубах, м/с; Ц/п - скорость всплытия газового пузыря в барботажной зоне, м/с; определяется как
"10,25
ип= 1,5
S'a' (Рж ~ Ровс)
(9)
где а - коэффициент поверхностного межфазного натяжения, Н/м.
Используя данную методику и рассматривая последовательно активную и барботажную зоны в обоих аппаратах, можно определить концентрации озона в жидкой и газовой фазах на выходе из установки, а также получить промежуточные значения концентраций на выходе из каждой зоны.
Для проверки соответствия принятой математической модели переноса озона в жидкость закономерностям реального физического процесса, протекающего в инжекционно-струйном аппарате, была разработана и смонтирована специальная экспериментальная установка. Ее принципиальная схема приведена на рисунке 2.
ОВС получали из атмосферного воздуха в генераторе озона 1 марки «Озон - 25», который содержал три вертикальных контактных элемента 2 с водяным охлаждением. Исходный воздух очищался от влаги и масляных капель в блоке осушки 3. Контактный аппарат 4 представлял собой цилиндрическую обечайку диаметром 300 мм с плоской крышкой и коническим днищем. Центральная опускная труба 5 с внутренним диаметром 20 мм крепилась к расположенной на крышке обечайки камере смешения 6 с сопловым блоком. Водопроводная вода подавалась в камеру смешения через сопло диаметром 8 мм из емкости - накопителя 8 с помощью центробежного насоса 10. Расход поступающей в аппарат жидкости контролировали по ротаметру 9.
Поступавшая в камеру смешения из генератора озона ОВС подсасывалась выходившей из сопла струей воды. Для синхронизации расходов подаваемой и подсасываемой ОВС служил и-образный дифманометр 11, левая ветвь которого (см. рисунок 2) сообщалась с атмосферой. В верхней части аппарата была расположена газоотделительная труба 12, определявшая уровень жидкости в нем. Для отбора проб с целью оценки концентрации озона в жидкой фазе на выходе из установки служил специальный штуцер, расположенный в верхней части корпуса аппарата. Концентрацию озона в газовой фазе контролировали путем отбора проб в специально сконструированный пробоотборник 7. Отбор пробы осуществляли на выходе из озонатора 1 через тройник 13 (см. рисунок 2) и на выходе из верхнего штуцера газоотделительной сливной трубы 12 (на выходе из контактного аппарата). Переключение точек отбора проб производили с помощью трехходового крана 14.
Рисунок 2. Схема экспериментальной установки.
При проверке математических зависимостей, предложенных для расчета концентраций озона в воде и отходящей ОВС, экспериментальный контактный аппарат работал по проточной схеме. Емкость-накопитель обеспечивала устойчивую работу установки в течение 10-12 минут.
Предварительно при постоянных показаниях дифмано-метра 11 было определено оптимальное для данной установки соотношение расходов газовой и жидкой фаз - в пределах 0,5 ^ 0,6.
Перед началом эксперимента заполняли водопроводной водой емкость-накопитель 8, затем с помощью центробежного насоса 10 - контактный аппарат 4. Одновременно с началом заполнения аппарата включали генератор озона и выводили его на рабочий режим. После заполнения аппарата и начала слива жидкости в канализацию начинали подачу ОВС в смесительную камеру 6 контактного аппарата. Расход ОВС контролировали по встроенному ротаметру озонатора.
Вода истекала из сопла в камеру смешения 6 в виде струи сплошного круглого сечения и увлекала за собой ОВС в центральную трубу 5. Здесь происходило интенсивное диспергирование газовой фазы. Тонкодисперсная газожидкостная смесь двигалась вниз по трубе, при этом в ней интенсивно протекали процессы массопереноса озона в воду. Далее поток попадал в кольцевое пространство между центральной трубой и стенками аппарата и поднимался вверх, к свободной поверхности жидкости. Здесь начинался процесс газоотделения, заканчивавшийся в сливной трубе 12. Обедненная озоном газо-воздушная смесь удалялась через верхний штуцер трубы в систему вытяжной вентиляции, а обработанная озоном жидкость сливалась в канализацию.
Через 5 минут после начала опыта (время пребывания жидкости в аппарате) определяли концентрацию озона в ОВС на выходе из генератора 1 (на входе в аппарат) и на выходе из газоотделительной трубы 12 (на выходе из аппарата). Одновременно отбирали пробу жидкости для определения концентрации растворенного в ней озона на выходе из аппарата. Указанные пробы повторяли еще раз через 5 минут; полученные значения концентраций усредняли.
Существенное расхождение (таблица 1) результатов экспериментов с расчетными данными, полученными по выше приведенным уравнениям, показало, что указанная модель даёт не совсем точное описание процесса массопереноса озона в обрабатываемую жидкость. По-видимому, это связано с тем, что барботажная зона аппарата рассматривалась слишком упрощенно, как область идеального вытеснения, без учета продольного перемешивания.
Таблица 1
Сопоставление результатов экспериментов с данными, рассчитанными по первоначальной математической
модели
№ опы Началь- Эксперимент Расчет по мат. модели
та ная концентрация Ун озона в ОВС, г/м3 Концентрация Ук озона в ОВС на выходе из установки, г/м3 Концентрация Ск озона в воде на выходе из установки, г/м3 Концентрация Ук озона в ОВС на выходе из установки, г/м3 Концентрация Ск озона в воде на выходе из установки, г/м3
1 3,41 2,02 1,03 1,69 1,63
2 4,22 2,19 1,38 2,09 2,02
3 5,19 2,68 1,51 2,57 2,48
4 5,56 2,73 1,62 2,75 2,66
5 5,66 2,87 1,68 2,80 2,71
6 5,94 2,95 1,89 2,94 2,84
7 9,83 3,76 2,58 4,87 4,71
8 12,68 7,58 3,08 6,28 6,07
-Уг-у-Рр-а-(С*~С)>
(10)
С связи с этим была разработана уточненная методика расчета концентраций озона в жидкой и газовой фазах в инжекционно-струйных аппаратах предлагаемой конструкции. Была составлена система дифференциальных уравнений, описывающих изменения концентраций озона в жидкой (с) и газовой (у) фазах с учетом продольного перемешивания жидкости в барбо-тажной зоне.
<1с „ й?2с тт с1с
~ск
с1у йу
— = — ■
.(к сЬс
где йпр - коэффициент продольного перемешивания жидкости, м/с; иг - приведенная скорость газа, м/с; уж - коэффициент саморазложения озона в жидкой фазе, с1; уг - коэффициент саморазложения озона в газовой фазе, с-1.
При использовании данной методики также было необходимо рассматривать отдельно активную и бар-ботажную зоны аппаратов.
При рассмотрении активной зоны, было сделано предположение, что ввиду малости диаметра опускных труб, система может рассматриваться как одномерная, в которой продольное перемешивание жидкости не оказывает существенного влияния на процесс массо-переноса. С учетом того, что рассматриваемый процесс стационарный, а коэффициент саморазложения озона в газовой фазе значительно меньше коэффициента саморазложения озона в жидкой фазе, для активной зоны система (10) принимает вид с!с
-и —-у -с+Вг а -(с*-с) = 0;
ж а у I ж '¥ а а \ / '
(11)
(1х
-м,га^-РРа-аа-(с*-с) = 0.
Решение системы (11) было получено в виде
: РрЛкУ„ гхр(-А1х)-(1-ехр(А1х))
, (12)
где коэффициенты А1 и А2 равны, соответственно:
РРаааК = д Ррааа-Уж = ^ . у\> и
га жа
В барботажной зоне инжекционно-струйного аппарата продольное перемешивание оказывает заметное влияние на процесс массопереноса, поэтому система
(10) принимает вид
<12с йс
-™гб^--РРб-аб-(с*-с) = 0 ах
Решение системы (13) при условии х = 0, с = сНб = ска, у = уНб = у*а было найдено в виде
с6 = Я, • е*1 * +Я2-ек^+ Снб - (Ё/О) + Я2(0))
Уе =
Унб~
К
и'..
х) + ^ 7 К
(14)
где И1=М- ехр^),5 • Е1 - 0,5^12-4-.Б2)+Л1; Я, = -М • ехр^ 0,5 • Е1 -0,5л/^12-4-^2)+Д!;
; Е, = сошХ -
м =
Е2 =
У*-™*
о.
Уж - ^б ■ ае схр(^ _ Ррб'абК
Д.,
х);
Щ0)= ■ ехр
Уж-Ржб'а6
к/0) = —-ехР Уж-Рре-аб
Ц~б-р1б-4-А, • (уж - Рте' "б) 2-Д„
пр
-и^-р^-^-Ру-Ьж-Рк-аб) 2-й.,
Важным вопросом является определение значения коэффициента продольного перемешивания Опр. Для оценки интенсивности продольного перемешивания была использована методика для барботажных колонн, описанная Пушкаревым и Трофимовым [10]. Для определения коэффициента продольного перемешивания ими было предложено следующее выражение
™гб'Нгж- = 6,5 С^г",
О
(15)
яр
где С и п - коэффициенты, зависящие от приведенной скорости газа в барботажном аппарате;
С= 10 и п = 0,45 при Шгб < 2,7 м/с;
С= 2,7 и п = 0,3 при и/гб > 2,7 м/с; Рг - критерий Фруда; игб - приведенная скорость газа в барботажной части аппарата, м/с; Нгж - высота заполнения аппарата газожидкостной смесью, м.
Выразив известным способом критерий Фруда через приведенный диаметр барботажной зоны аппарата Оап, получим выражение для коэффициента продольного перемешивания
и
д _ гж
■я"-О"
О ЯП
6,5 • С-
(16)
гб
Незначительное расхождение экспериментальных данных и значений концентраций, рассчитанных по уточненной математической модели (таблица 2), может объясняться тем, что в эксперименте использовалась водопроводная вода, возможно, содержавшая небольшое количество загрязнений, и часть озона была израсходована на их окисление. В целом же, характер изменения конечной концентрации озона в воде на выходе из установки практически совпадает с расчетным.
Таблица 2
Сопоставление результатов экспериментов с данными, рассчитанными по уточненной математической
модели
Данная методика не только довольно точно описывает процесс массопереноса в установке, но и позволяет проследить картину изменения концентраций озона внутри различных ее зон. Это может способствовать подбору оптимальных с точки зрения процесса массо-переноса, экономически обоснованных геометрических размеров аппаратов, что очень важно на стадии их проектирования.
Литература
1. Шевченко М.А., Марченко П.В., Таран П.Н. Окислители в технологии водоподготовки. Киев: Наукова думка, 1979. 177 с.
2. Кожинов В.Ф. Установки для озонирования воды. М.: Стройиздат, 1974. 172 с.
3. Masschelein W.J. Belgian expreriences in the ozonization of water // Ozone: Sci. And Eng. 1985. V.7. N4. P. 327-350.
4. Жерноклев А.К., Пименевич Л.П., Савич В.В. Применение пористых мелкопузырчатых диспергато-ров. // Водоснабжение и санитарная техника. 1994. № 8. С. 14-16.
5. Раемская Т.А. Применение струйного смесителя для доочистки сточных вод шпалопропиточных заводов озоном // В сб. Совершенствование систем железнодорожного водоснабжения и водоотведения в районах Дальнего Востока, в зоне БАМ и Забайкалья. г. Хабаровск, 1986. С. 59-63.
6. Установка для очистки природных вод: пат. 22010014 Рос. Федерация. № 4947107/26; заявл. 17.06.91; опубл.30.03.94; Бюл. № 6. 4 с.
7. Станция приготовления питьевой воды: пат. 2023675 Рос. Федерация. № 5029598/26; заявл. 13.01.92; опубл. 30.11.94; Бюл. №22. 3с.
8. Установка для озонирования жидкостей: пат. 2114069 Рос. Федерация. № 97.100520; заявл. 23.01.97; опубл. 27.06.98; Бюл. № 19, 1998. 5с.
9. Яблокова М.А. Аппараты с инжектированием и диспергированием газа турбулентными струями жидкости: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 1995. 40 с.
10. Пушкарёв В.В., Трофимов Д.И. Физико-химические особенности очистки сточных вод от ПАВ. М.: Химия, 1975. 144 с.
№ опы та Начальная концентрация Ун озона в ОВС, г/м3 Эксперимент Расчет по мат. модели
Концентрация ук озона в ОВС на выходе из установки, г/м3 Концентрация Ск озона в воде на выходе из установки, г/м3 Концентрация ук озона в ОВС на выходе из установки, г/м3 Концентрация Ск озона в воде на выходе из установки, г/м3
1 3,41 2,02 1,03 1,41 1,19
2 4,22 2,19 1,38 1,74 1,48
3 5,19 2,68 1,51 2,1 1,81
4 5,56 2,73 1,62 2,29 1,94
5 5,66 2,87 1,68 2,33 1,98
6 5,94 2,95 1,89 2,45 2,08
7 9,83 3,76 2,58 4,05 3,44
8 12,68 7,58 3,08 5,22 4,44
