106
М.М. МЫРЗАХМЕТОВ, В.Н. ТОРУБАРА, Ж.Е. НУРКЕНОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕГО РЕЗУЛЬТАТОВ В ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ ФИЛЬТРОВ
(Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева)
Статья авторов посвящена рассмотрению теоретических основ очистки малоконцентрированных суспензий методом фильтрования, имеющим широкое применение в технологии очистки воды питьевого назначения. Практическим приложением теоретических основ фильтрования является метод технологического моделирования процесса для решения задачи улучшения работы фильтровальных сооружений на водоочистной станции г.Астаны. В статье приведены результаты исследований на модульной фильтровальной установке по определению некоторых технологических параметров.
При движении воды через фильтрующую среду происходит задержание взвешенных частиц, в результате чего вода осветляется. Одновременно в фильтрующей загрузке накапливается осадок и увеличивается гидравлическое сопротивление потоку очищенной воды. Увеличение гидравлического сопротивления приводит к росту потери напора в загрузке.
Существует несколько теорий процесса очистки малоконцентрированных суспензий фильтрованием, разработанных различными исследователями. Наибольшее признание в настоящее время имеет теория Д.М. Минца, которая получила экспериментальное подтверждение и доведена до практического использования 1.
Теория Д.М. Минца обеспечила методическую основу для многочисленных теоретических и экспериментальных работ по очистке воды фильтрованием, а также используется при оценке новейших достижений в области фильтрования 2,3,4.
В основе этой теории лежат физические представления о том, что эффект осветления воды каждым элементарным слоем загрузки происходит под влиянием двух процессов: а) процесса изъятия из воды частиц взвеси и их закрепления на зернах загрузки под действием сил прилипания;
б) процесса отрыва ранее прилипших частиц и обратного их поступления в воду под влиянием гидродинамических сил потока.
Рис.1. Кинетика осветления воды фильтрованием через зернистую загрузку
Кинетика прилипания и отрыва частиц определяет ход процесса осветления воды по толще слоя фильтрующей загрузки и во времени (рис.1). Каждая кривая относится к определенному моменту времени. Кривая 1 характерна для начального периода процесса, а кривая 4 – для периода предельного насыщения загрузки осадком, на которой толщина слоя загрузки хнас находится в состоянии предельного насыщения к моменту времени работы фильтра.
Время, в течение которого загрузка способна осветлять воду до требуемой степени, называется временем защитного действия загрузки.
Одной из основных задач изучения закономерностей процесса осветления воды фильтрованием является нахождение времени защитного действия загрузки.
107
Выделим в модели фильтра элементарный слой загрузки толщиной х на расстоянии х от ее поверхности (рис.2)
Рис.2. Фильтрование в элементарном слое
В этом случае
С С1 - С2 , (1) где С1 – количество взвеси, задержанной слоем загрузки толщиной х за ильтро t;
С2 – количество взвеси, вынесенной из слоя за тоже время.
Количество взвеси, задерживаемой слоем фильтрующего материала площадью 1 м2 пропорционально концентрации взвеси в воде на выходе в рассматриваемый слой
С1 вvCxt , (2)
где в – постоянный параметр, характеризующий свойства взвеси и фильтрующей загрузки;
v – скорость фильтрования воды;
С – f (x,t) – концентрация взвеси в воде, поступающей в данный слой фильтрующей загрузки.
Количество взвеси, выносимой из того же участка фильтрующего слоя, будет пропорционально количеству взвеси, накопившемуся в нем к данному моменту
С2 = аxt , (3) где а – параметр, характеризующий прочность взвеси;
- плотность насыщения порового пространства слоя, отнесенная к единице его толщины;
= f (x,t) = С ( 4) Учитывая, что С = f (x,t) и = f (x,t) связаны уравнением баланса взвеси
V
(5) Из уравнений ( 1 – 3 ) следует
( 6 )
Отсюда получаем уравнение вида
( 7 )
Интегрирование этого дифференциального уравнения 5 приводит к сложным функциям, практическое использование которых требует экспериментального определения параметров фильтрования а и в.
Для расчетов и анализа работы фильтров проще пользоваться результатами опытов по технологическому моделированию процесса фильтрования.
108
Согласно Д.М. Минца для всего многообразия различных форм процесса очистки воды фильтрованием справедливо уравнение
( 8 )
где у = С/С0; С – концентрация взвеси в исходной воде; С0 – концентрация взвеси в воде в конкретный момент времени при движении в толще загрузки; Х,Т – критерии подобия процесса фильтрования.
В это уравнение не входят в явном виде параметры фильтрования а и в , которые характеризуют прочность взвеси и ее способность прилипать к поверхности данного фильтрующего материала.
Изменения концентрации взвеси в воде при ее движении через зернистый слой определяется только значениями критериев Х и Т.
С/Со = (Х,Т), ( 9 ) где Х = вх; Т = аt.
Для решения практических задач необходимо определить связь критериев подобия с физическими величинами, от которых зависит технологический процесс фильтрования.
Воспользовавшись анализом размерностей, Д.М. Минц 5 показал, что
( 10) где v – скорость фильтрования воды;
d – диаметр зерен фильтрующей загрузки;
n, m – показатели, характеризующие физико-химические свойства воды и взвеси, устанавливаемые экспериментально.
Обработка данных опытов, проведенных Д.М. Минцем, показала, что при осветлении природных поверхностных вод n1 =1; n 2 = 0,7; m1= 1; m2= 1,7.
Величины и , характеризующие влияние свойств взвеси, должны определяться в опытах на моделях фильтра на каждой конкретной воде.
При обработке результатов опытов можно пользоваться соотношениями:
( 11 )
Из уравнения ( 9 ) можно заключить, что при С/Со = const между критериями Х и Т существует однозначная зависимость. Экспериментальные данные, полученные из серии опытов (рис.3) показывают, что эта зависимость выражается прямой линией
Х = kT Xo ( 12 )
Рис.3. Зависимость между Х и T
109
Тангенс угла наклона прямой линии k , и отрезок, отмечаемый на оси ординат Xо
являются параметрами фильтрования, значения которых, при определенном заданном значении С/Со зависят от физико-химических свойств воды и взвеси.
Зависимость ( 12 ) имеет важное практическое значение, так как она устанавливает связь между продолжительностью защитного действия, толщиной слоя фильтрующей загрузки, размером ее зерен и скоростью фильтрования.
Подставляя из ( 11 ) значения Х и Т в выражение ( 12 ) получим
Х ( 13)
где tз – продолжительность защитного действия зернистой загрузки;
х – толщина слоя загрузки;
k и Хо – константы, значение которых зависят от требуемого эффекта осветления воды С/Со. При осветлении вод с прочной взвесью фильтр выходит на промывку не по проскоку взвеси в фильтрат, а по достижении предельной потери напора. В этом случае продолжительность фильтроцикла tн равна
пр (14)
где Нпр и Но – предельная и начальная потери напора в фильтре;
х – толщина фильтрующего слоя;
h/t – темп прироста потери напора;
io – гидравлический уклон в чистой фильтрующей загрузке.
Чтобы найти зависимость для регулирования работы производственных фильтров и интенсификации их работы, исследователи ставят основную задачу фильтрационного технологического анализа воды – получение функций, которые позволяют прогнозировать изменение концентрации взвешенных веществ и потерь напора в любых сечениях по высоте фильтрующей загрузки и в любой момент фильтрования 5. При таком подходе целевую функцию, описывающую процесс осветления воды в зернистом слое, можно представить в виде
F = (v,tф,х,Со,S,,,), ( 15 )
где F – целевая функция, которую следует читать « h и Cф »; h – полные потери напора; Сф – концентрация взвешенных веществ в фильтрате;
v – скорость фильтрования;
tф – время фильтрования (фильтроцикл);
х – толщина фильтрующей загрузки;
Со – концентрация взвешенных веществ в исходной воде;
S – фактор, учитывающий изменение процесса фильтрования воды под воздействием изменения физико-химических свойств воды и взвеси;
- фактор, учитывающий технологическую схему фильтрования;
- фактор геометрической структуры фильтрующей загрузки;
- фактор, учитывающий физико-химические свойства фильтрующей загрузки.
Формальное представление целевой функции теории фильтрования ( 15 ) определяет цель технологического моделирования как нахождение решений этой функции в элементарных физико- химических величинах - v,tф,х,Со, связанных между собой посредством элементарных математических функций. Численные значения этих величин можно измерить непосредственно и как следствие, задать их при работе фильтра. Величины - S,,, не являются элементарными, так как измерить их численное значение непосредственно невозможно. На основании теории подобия справедливо утверждение о том, что выше обозначенным величинам должна соответствовать постоянная величина некоего характеристического коэффициента Кх. С изменением любого из названных факторов величина Кх должна меняться.
110
Для проверки теоретических положений М.Г. Журбой был обработан ряд экспериментальных данных различных исследователей 5. Как показали экспериментальные данные, работа фильтров подчиняется зависимости
Ф
ф ( 16 )
Где Ф – критерий подобия работы зернистых фильтров;
х – толщина фильтрующего слоя;
v – cкорость фильтрования воды;
tф – продолжительность фильтроцикла, в течение которого качество фильтрата отвечает требуемым параметрам;
– среднее за фильтроцикл содержание взвешенных веществ в исходной воде.
Как показали экспериментальные данные, работа фильтров, на которых были проведены экспериментальные исследования, подчиняется зависимости ( 16 ).
Поскольку при проиэвольных значениях факторов фильтрования, входящих в целевую функцию ( 15 ), закономерность ( 16 ) выполняется, то очевидно, она носит характер закона процесса фильтрования воды.
Согласно М.Г. Журбе 5 наличие некоторой относительной погрешности неизбежно ввиду того, что существует неконтролируемый шлейф факторов, определяющих работу фильтров.
Предложенная закономерность выполняется как на модельных, так и на производственных фильтрах
6.
Определение параметров фильтрования для воды конкретного водоисточника с целью получения опытных данных и параметровдля оптимизации фильтровальных сооружений и является основной задачей технологического моделирования.
Рис.4. Схема экспериментальной фильтровальной установки.
1. Фильтровальная колонка.
2. Патрубки для отбора проб воды с пробоотборниками.
3. Пьезометрические трубки.
4. Бачок с постоянным уровнем.
5. Насадки для регулирования расхода воды.
6. Подача исходной воды на фильтр.
7. Бачок с постоянным уровнем на трубопроводе, отводящим фильтрат.
8. Подача воды для промывки.
9. Подача исходной воды после отстаивания.
Для этой цели была разработана и смонтирована на НФС т. Астаны пилотная фильтровальная установка ( рис.4,5 ).
Основным элементом установки является модель фильтра в виде фильтровальной колонки диаметром 150 мм, высотой 3,3 м, что дает возможность размещать в ней достаточный для экспериментов слой фильтрующего материала и иметь при этом над загрузкой пространство для поддержания напора при увеличении гидравлического сопротивления в ней.
111
Рис.5. Экспериментальная фильтровальная установка на НФС г.Астаны
Для анализа качества воды по слоям фильтрующей загрузки фильтровальная колонка оборудована шестью пробоотборниками, установленными на расстоянии 15 – 20 см. Пробоотборники выполнены из медной трубки диаметром 3 мм. Часть трубки, располагаемой внутри колонки, имеет длину 10 см. На этой части трубки просверлено по 10 отверстий диаметром 1 мм. Изменение расхода воды, проходящей по пробоотборнику, осуществляется с помощью винтового зажима, установленного на шланге, отводящем воду от пробоотборника.
Методика и процесс технологического моделирования процесса фильтрования реализованы в рамках выполнения НИР, выполняемой ТОО «НИЦ Экотех» по заказу ГКП «Астана су арнасы».
Одной из задач этой работы является определение технологических характеристик различных зернистых фильтрующих загрузок, которые имеют место на действующих фильтровальных сооружениях и которые могут получить применение при их реконструкции.
В таблице 1 приведены результаты исследований цеолитовой и песчаной загрузок, устанавливающих продолжительность фильтроцикла и качество их очистки по показателям мутности и цветности воды.
Результаты исследований и практические рекомендации планируется реализовать в практической деятельности предприятия.
Таблица 1 Усредненные характеристики работы модельного фильтра:
1 - цеолитовая загрузка; 2 - песчаная загрузка.
Скорость
фильтрования, м/ч
Фильтроцикл, ч
Обьем
профильтрованной воды, куб. м.
Мутность воды, мг/л Цветность воды, град
1 2 1 2 1 2
Исходной
Фильтрат
Исходной
Фильтрат
1 2 1 2
112 7,7
9,9 9,9 10,8 11,4 5,6 6,0 8,3 9,6 10,6
7,0 10,0 5,8 6,9 7,3 5,9 6,0 8,2 9,6 11,6
44 29 33 25 31 58 51 24 32 32
28 6 33 25 27 45 51 24 32 32
5,70 4,59 5,23 4,32 5,91 5,20 4,91 3,24 5,10 5,79
3,28 0,96 3,06 2,76 3,75 4,25 4,91 3,24 5,10 5,87
4,3 6,6 6,4 4,1 3,9 11,6 10,6 1,2 7,0 10,8
0,2 1,1 0,9 1,2 0,4 0,4 0,1 0,4 0,4 0,5
0,5 1,3 0,9 1,3 0,8 0,6 0,2 0,4 0,5 0,6
14 17 18 28 14 16 11 22 14 14
9 8 10 12 10 9 5 14 10 5
10 10 10 12 10 10 5 16 11 7
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Д.М. Минц. Теоретические основы технологии очистки воды. –М.: Стройиздат, 1964. -156с.
2. В.З. Мельцер. Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. –М.:
Стройиздат, 1995. -176с.
3. М.Д. Минц, В.З. Мельцер. Гидравлическическое сопртивление зернистой среды в процессе кольматации //ДАН. -1970. –Т. 192. -№2. –С.304-306.
4. Г.Т. Непаридзе, С.К. Грошев, Р.А. Трофимова. Двухступенчатое фильтрование для очистки вод рек северных районов //Водоснабжение и санитарная техника. -1986. -№2. –С.4-5.
5. М.Г. Журба. Очистка воды на зернистых фильтрах. –Львов: Вiща школа, 1980. -398c.
6. В.А. Клячко, И.Э. Апельцин. Очистка природных вод. –М.: Стройиздат, 1971. -579с.
7. М.Г. Журба, А.П. Нечаев, Г.А. Ивлева и др. Классификатор технологий очистки природных вод. –М.: НИИ ВОДГЕО, 2000. -120с.
Фильтрлеу процесін технологтиялық модельдеу және оның қорытындыларын фильтрлер жұмысына орнықтыру М.М. Мырзахметов, В.Н. Торубара, Ж.Е. Нуркенов
Авторлардың мақаласы азконцентри суспензияларды фильтрлеу тәсілімен тазартудың теориялық негіздерін қарастыруға арналған. Теориялық негіздемеге практикалық қосымша ретінде процесті технологиялық модельдеу тәсілі Астана қаласының су тазарту станциясының ғимараттарында фильтрлеу жұмысын жақсарту мақсатын жүзеге асыру болып табылады. Модельді фильтрлік құрылымда кейбір технолгиялық параметрлерді анықтау жүргізілген зерттеу қорытындылары мақалада келтірілген.
Technological modeling of filter process and application of its results in the filter work optimization M.M. Myrzakhmetov, V.N.Torubara, Zh.E.Nurkenov
The article reviews theoretical bases for the treatment of low concentrated suspension by the filtration that has wide application in the drinking water treatment technology. The practical application of theoretical bases for the filtration is the method of technological modeling of the process for solving the tasks of the work improvements in filter installments at the water treatment plant in Astana.
The results of the research on modeled filter installment to identify some technological parameters are presented in the article.
.