ПОДХОДЫ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ФЛОТАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Алексеев Е.В.¹, Харькова М.И.²

¹Доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет;

²Аспирант, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

ПОДХОДЫ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ФЛОТАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Аннотация

Процессы флотационной очистки природных и сточных вод универсальны в отношении извлечения загрязняющих веществ, чем обусловлена обширная область их применения. При этом проектирование флотаторов ведется на аналого-эмпирическом основании, что затрудняет реализацию флотационного процесса с наибольшей эффективностью. Цель работы состоит в определении подходов к технологическому моделированию флотационных камер и процесса флотации в них. Учёт гидродинамических факторов во взаимосвязи с физико-химическими взаимодействиями во флотационной камере является основой моделирования флотационного процесса очистки воды, дальнейшего совершенствования аппаратов и повышения результативности флотационного процесса отделения загрязняющих веществ. Основные из них -  гидродинамика флотационной камеры, формирование флотокомплексов, движение флотокомплексов, процессы в пенном слое. Решение задач технологического моделирования флотаторов позволяет проектировать конструкции флотационных камер, обеспечивающих благоприятный гидродинамический режим для движения флотокомплексов, а также подбирать оптимальные условия для ведения технологического процесса флотационной очистки воды в период эксплуатации.

Ключевые слова: очистка воды, флотация, моделирование, факторы процесса флотации.

Alekseev E.V.¹, Kharkova M.I.²

PhD in Engineering, Professor, National Research Moscow State University of Civil Engineering,

Postgraduate student, National Research Moscow State University of Civil Engineering

APPROACHES TO TECHNOLOGICAL SIMULATION OF FLOTATORS FOR WATER TREATMENT

Abstract

Flotation treatment processes of natural and waste water are universal as for the extraction of pollutants causing the vast area of their application. At that the development of flotators is performed based on the analogous-empirical basis, and that makes it difficult to implement the flotation process with maximum efficiency. The main goal of this work is to determine the approaches to the technical modeling of flotation cells and flotation process in them. Consideration of hydrodynamic factors in relation to the physical-chemical interactions in the flotation cell is a new basis for the modeling of the flotation water treatment process, the further improvement of devices and improvement of the efficiency of the contaminant flotation process. The main of them are: the hydrodynamics of the flotation cell, the formation of flotocomplexes, the movement of flotocomplexes, the processes in the foam layer. Solution of the problem of technological simulation of flotators allows to design the construction of flotation cells, providing a favorable hydrodynamic conditions for movement of flotocomplexes, as well as to select the optimal conditions for conducting water cleaning flotation process during operation.

Keywords: water treatment, flotation, modeling, factors of flotation process.

В технологических процессах очистки природных и сточных вод получили широкое распространение гравитационные разделительные процессы. В их числе методы очистки воды флотацией, технологические и эксплуатационные особенности которых выгодно отличают их от методов отстаивания [1]. Однако, конкретные флотаторы, установленные в системах очистки природных и сточных не обеспечивают расчетныепоказатели извлечения загрязняющих веществ. В связи с этим цель работы состоит в определении подходов к технологическому моделированию флотационных камер и процесса флотации в них. Решение задач технологического моделирования флотаторов позволит проектировать конструкции флотационных камер, обеспечивающихблагоприятный гидродинамический режим для движения флотокомплексов, а также подбирать оптимальные условия для ведения технологического процесса флотационной очистки воды в период эксплуатации.

Для обеспечения эффективной работы флотационного аппарата необходимо изучить и определить оптимальные гидродинамические условия и физико-химическое состояние флотационных фаз. Эти оптимальные критерии определяются при создании во флотаторе определенных условий взаимодействия частиц с воздушными пузырьками необходимой крупности, всплывании сформированный флотокомплексов на поверхность флотатора и формирования слоя пенного продукта [2].Учет гидродинамических факторов позволяет смоделировать гидродинамические режимы в камере и установить кинетические закономерности.

При решении подобных задач обычнорассматривают методы физического и математического моделирования, которые основаны на принципах физического или математического подобия [3].

Физическое моделирование заключается в воспроизведении постоянства определяющих критериев подобия в модели, и объекте.Для построения физической модели аппарата необходимо соблюдение гидродинамического и химического подобия. Гидродинамику потоков в аппарате можно характеризовать критерием Рейнольдса:

(1)

А химическое превращение критерием Дамкеллера:

(2)

где υ – скорость движения, l – характерный линейный размер, ν – коэффициент кинематической вязкости среды; С – концентрация исходного реагирующего вещества; υ’ –скорость реакции[4].

Поскольку эти критерии несовместимы между собой,так как скорость потока в одном критерии в знаменателе, а в другом – в числителе, это приводит к трудностям при осуществлении физического моделирования.

Математическое моделирование процесса состоит в построении математической модели и установления адекватности модели изучаемому процессу. Математическое описание процесса представляется системой алгебраических или дифференциальных уравнений, отражающих материальные и энергетические балансы. Сложной задачей при построении описания процесса является выделение из совокупности параметров наиболее важных, определяющих ход процесса. Взаимосвязь между выделенными параметрами устанавливается на основе теоретических представлений и опытных данных [5].

Для математического моделирования необходима полная информация о гидродинамических и аэродинамических параметрах машин, коэффициентов уравнений для их определения, также величин физико-химических процессов. Но оно не исключает физического, а, наоборот, дополняет его расчетами.

Математическое моделирование более универсальный способ, так как не требует сложных реконструкций моделей, но оно подходит только для определенной области.

Из вышеизложенного следует, что для определения гидродинамических параметров флотации необходимо пользоваться как физическим, так и математическим моделированием, потому что с помощью физического моделирования есть возможность определить размеры камеры, а некоторые коэффициенты математических моделей только из опытов, а при использовании математического моделирования можно узнать параметры системы, не применяя при этом трудоемких натурных исследований.

Гидродинамика флотационной камеры во многом определяет результаты процесса, поэтому ее описание является составной частью математической модели. Для решения практических задач, связанных с моделированием и расчетом флотационных аппаратов, необходимо знать, какая гидродинамическая обстановка образуется в камере при тех или иных конструктивных параметрах.

Существуют два подхода к изучению гидродинамики флотатора: первый заключается в определении поля скоростей жидкости в камере флотации, второй — в построении распределения по времени пребывания частиц жидкости в ней.

При рассмотрении гидродинамики основным инструментом в исследованиях является решение фундаментальных физических уравнений, которые в общей и наиболее простой форме объединены в систему Навье-Стокса:

  (3)

где ρ – плотность среды, v–вектор скорости, t–время, g–вектор ускорения свободного падения, p–давление,  – оператор Гамильтона.

Уравнения движения жидкости под действием определенных сил и при определенных условиях можно представить в двух различных формах [6]. Выбор формы уравнений зависит от цели исследований. Если целью является определение скорости, давления и плотности во всех точках среды, то форма уравнений соответствует, так называемому, эйлерову подходу. Если целью исследований является определение траектории каждой «жидкой» частицы, то форма уравнений соответствует лагранжеву подходу.

Уравнения движения жидкости Эйлера имеют вид:

Уравнение движения жидкости по Лагранжу:

В приведенных уравнениях  – компоненты вектора скорости в точке (x, y, z) в момент времени t, ρ – плотность жидкости, p – давление, (X, Y, Z) – приведенные компоненты внешних сил, (a, b, c) – начальные координаты отдельной «жидкой» частицы. Для многофазных систем понятие фазы более широко, чем отождествление ее с одним из агрегатных состояний вещества – газообразным, жидким или твердым. В общем случае, количество фаз неограниченно. Каждая из них должна соответствовать определенным отличительным признакам. Этими признаками являются свойства различной природы, ответственные за характер взаимодействия одной фазы с другими фазами, с потоком в целом и со сторонними воздействиями на поток [7].

Процесс флотационного разделения представляет материальный поток веществ в трех агрегатных состояниях. Этот поток – комбинация трех режимов взаимодействия веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях в бинарных потоках: «газ – жидкость», «газ – твердые частицы» и «жидкость – твердые частицы» [8]. Зная математическую модель одного из названных режимов, можно описать различные физические процессы. Например, математическая модель режима взаимодействия веществ в потоке «жидкость – частицы» позволяет рассматривать такие виды потоков, как вязкий и невязкий гидротранспорт частиц, седиментация и ожиженный слой.

Основная задача моделирования процесса флотации – это представление о механизме процесса, а именно: о взаимосвязи физических (структура потока), физико-химических (характеристика частиц) и технологических параметров. С помощью них можно создать оптимальный технологический режим флотации и оптимизировать ее гидродинамические характеристики.

Если технологические параметры воспроизвести достаточно просто, то определение гидродинамических характеристик вызывает сложность, так как до сих поре нет исчерпывающих критериев для описания гидродинамических режимов в камере флотации, методов их оптимизации, а также методов определения взаимовлияния гидродинамических и физико-химических факторов флотации.

Также является недостаточным описание процессафлотациитолькона основаниикинетики флотации  по переносу частиц пузырьками, поскольку это не учитывает обратимые явления в формировании флотокомплексов. Необходимо дополнение моделипроцесса флотации описанием процесса разрушения флотокомплексов [9, 10].Закрепление частицы на пузырьке определяется относительной скоростью их соударения при постоянных физико-химических характеристиках поверхности. Эта скорость в основном зависит от гидродинамических потоков в камере флотации. Частицы, закрепившиеся на пузырьках, в процессе транспортировки в пену могут отрываться. Причем интенсивность этого процесса, зависит не только от прочности флотокомплекса, но и от структуры потоков в камере. Гидродинамические условия в камере, с одной стороны, способствуют созданию агрегата «частица—пузырек», с другой — разрушают его [11].

Важной составляющей процесса очистки воды флотацией является стадия формирования пенного продукта на открытой поверхности флотатора. Гипотетически возможны два крайних случая. Гидродинамика аппарата такова, что все флотокомплексы будут вынесены в пену. Это приведет к высокой степени очистки воды, что и является целевой задачей. Другая крайняя ситуация - все флотокомплексы разрушаются, не достигнув пенного слоя, - очистка воды отсутствует. Поэтому главная задача моделирования флотационного процесса очистки воды состоит в создании системы критериев, при которых конструкция флотационной камеры будет обеспечивать наилучшие гидродинамические условия для всех стадий отделения загрязняющих веществ.

Для решения этой задачи необходимо формализовать факторы флотационного процесса, которые подчиняются различным закономерностям, при этом формируют единую систему флотационного процесса. Основные из них -  гидродинамика флотационной камеры, формирование флотокомплексов, движение флотокомплексов, процессы в пенном слое.

Заключение

Учёт гидродинамических факторов во взаимосвязи с физико-химическими взаимодействиями во флотационной камере является основой моделирования флотационного процесса очистки воды, дальнейшего совершенствования аппаратов и повышения результативности флотационного процесса отделения загрязняющих веществ.

 

Список литературы/References

1. Алексеев Е.В. Очистка сточных вод флотацией. Основные технологии и применение / Е.В. Алексеев // Монография.- М.: Издательство АСВ. – 2015. – 160 с.
2. Харькова М.И., Алексеев Е.В. О технологическом конструировании флотационных аппаратов для очистки сточных вод. / М.И. Харькова, Е.В. Алексеев // Cборник: Энергоэффективные технологии водоснабжения и водоотведения. Сборник докладов научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет.- 2016. - С.106-109.
3. Алексеев Е.В., Викулина В.Б., Викулин П.Д. Моделирование систем водоснабжения и водоотведения: Учебное пособие / Москва, МГСУ / Е.В. Алексеев, В.Б. Викулина, П.Д. Викулин // 2015.-128 с.
4. Рубинштейн, Ю.Б. Кинетика флотации / Ю.Б.Рубинштейн, Ю.А. Филиппов // – М.: Недра. 1980. – 375 с.
5. Алексеев Е.В., Харькова М.И. Направления совершенствования конструкции флотационных камер для очистки сточных вод. / Е.В. Алексеев, М.И. Харькова // Научный альманах. 2015. - № 12-2 (14). - С.17-22.
6. Ламб Г. Гидродинамика. – М.: ОГИЗ, ГОСТЕХИЗДАТ, 1947. – 928 с.
7. ANSYS Fluent «Theory Guide», Release 12.1 ANSYS, Inc. 2009.
8. Алексеев Е.В. Изучение удельного газовыделения применительно к электрофлотации / Е.В. Алексеев // Научное обозрение. 2015.- № 9. - С.139-145.
9. Алексеев Е.В. Об очистке сточных вод флотацией с использованием терминов адсорбции / Е.В. Алексеев // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2008.- № 5. - С.16-19.
10. Алексеев Е.В. О применении показателя «удельная флотосорбция» в технологических расчетах флотаторов / Е.В. Алексеев // Водоснабжение и санитарная техника. 2013.- № 6. - С. 39-42.
11. Алексеев Е.В., Харькова М.И. О возможности селективной очистки моечных растворов на основе процессов адсорбционно-пузырькового разделения / Е.В. Алексеев // Вода и экология: проблемы и решения. 2016.- № 3 (67).- С. 46-55.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Alekseev E.V. Ochistka stochnyh vod flotaciej. Osnovnye tekhnologii i primenenie [The flotation waste water treatment. The basis technology and application] / E.V. Alekseev // Monografiya. – M.: Izdatel’stvo ASV [Publishing house ASV]. – 2015. – 160 p. [in Russian]
2. Har'kova M.I., Alekseev E.V. O tekhnologicheskom konstruirovanii flotacionnyh apparatov dlya ochistki stochnyh vod. [The technological designing of flotation machines] Sbornik: Ehnergoehffektivnye tekhnologii vodosnabzheniya i vodootvedeniya. [Collection of reports: Energy efficient technologies of water supply and sanitation] Sbornik dokladov nauchno-prakticheskoj konferencii studentov, magistrantov, aspirantov i molodyh uchenyh [The collection of reports of scientific-practical conference of students, postgraduates and young scientists] Nacional'nyj issledovatel'skij Moskovskij gosudarstvennyj stroitel'nyj universitet [National Research Moscow State University of Civil Engineering] / E.V. Alekseev, M.I. Har'kova // . –2016. – P. 106-109. [in Russian]
3. Alekseev E.V., Vikulina V.B., Vikulin P.D. Modelirovanie sistem vodosnabzheniya i vodootvedeniya: Uchebnoe posobie / Moskva, MGSU [Modeling of systems of water supply and sanitation] / Alekseev E.V, Vikulina V.B., Vikulin P.D. // [Textbook / Moscow, MGSU]. – 2015. –128 P. [in Russian]
4. Rubinstein, J. B. Kinetika flotatsii [Kinetics of flotation] / Yu. b. Rubinstein, Y. A. Filippov – M.: Nedra [Publishing house Nedra] – 1980. – 375 P. [in Russian]
5. Alekseev E.V., Har'kova M.I. Napravleniya sovershenstvovaniya konstrukcii flotacionnyh kamer dlya ochistki stochnyh vod. [The directions of improvement of the design of flotation cells for wastewater treatment] /E.V. Alekseev, M.I. Har'kova //Nauchnyj al'manah. [Scientific almanac]. – 2015. - № 12-2 (14). - P.17-22. [in Russian]
6. Lamb G. Gidrodinamika. [Hydrodynamics] / G. Lamb// – M.L.: OGIZ, gos. izd. tekhn-teor. lit, 1947. – 928 P. [in Russian]
7. ANSYS Fluent «Theory Guide», Release 12.1 ANSYS, Inc. 2009.
8. Alekseev E.V. Izuchenie udel'nogo gazovydeleniya primenitel'no k ehlektroflotacii [Study of the specific gas with respect to electro-flotation] /E.V. Alekseev //Nauchnoe obozrenie [Scientific review] . – 2015.- No. 9. - P. 139-145. [in Russian]
9. Alekseev E.V. Ob ochistke stochnyh vod flotaciej s ispol'zovaniem terminov adsorbcii [The purification of sewage by flotation with the use of the terms of adsorption] / E.V. Alekseev //Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie. [Purification. Water preparation. Water conditioning ]. – 2008.- No. 5. - P. 16-19. [in Russian]
10. Alekseev E.V. O primenenii pokazatelya «udel'naya flotosorbciya» v tekhnologicheskih raschetah flotatorov [The application of the indicator "specific flotosorb" in the technological calculations of the machines] / E.V. Alekseev // Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika.[ Water supply and sanitary technique]. – 2013.- No. 6. - P. 39-42. [in Russian]
11. Alekseev E.V., Har'kova M.I. O vozmozhnosti selektivnoj ochistki moechnyh rastvorov na osnove processov adsorbcionno-puzyr'kovogo razdeleniya [The possibility of selective treatment of the washing solutions based on processes of adsorptive-bubble separation] / Alekseev E.V, M.I. Har’kova //Voda i ehkologiya: problemy i resheniya. [Water and ecology: problems and solutions]. – 2016.- No 3 (67).- P. 46-55. [in Russian]