Использование методов напорной и безнапорной флотации при очистке сточных вод от нефтепродуктов

С.Ю. Андреев, Б.М. Гришин, А.С. Шистеров, Г.П. Давыдов, В.И. Кулапин,

А.С. Колдов

Использование методов напорной и безнапорной флотации при очистке сточных вод от нефтепродуктов

Рассматриваются вопросы флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием вихревых гидродинамических аппаратов. Даны характеристики работы вихревых аппаратов, применяемых на линии флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод ТЭЦ-1 г. Пензы

Использование таких аппаратов в схемах безнапорной флотации позволяет существенно увеличить газонасыщение водовоздушной смеси и повысить эффект очистки сточных вод.

Ключевые слова: флотаторы, газовая фаза, коэффициент газонаполнения, нефтепродукты.

Keywords: flotation, gas phase, the coefficient of gas-filled, petroleum products.

Наиболее часто для очистки сточных вод от нефтепрдуктов используются методы напорной и безнапорной флотации.

При выполнении мероприятий экологического характера особое внимание обращается на очистку нефтесодержащих сточных вод ТЭЦ, являющихся серьезным загрязнителем водоемов Поволжского региона. Одним из наиболее эффективных методов такой очистки является метод флотации, который реализуется с использованием аппаратов и установок различных конструкций. Существенным фактором, влияющим на степень флотационной очистки сточных вод, является способ приготовления газожидкостной смеси, подаваемой во флотатор.

При пневматической флотации, являющейся одной из разновидностью процессов безнапорной флотации, пузырьки воздуха образуются путем диспергирования в пористых или перфорированных элементах. Важнейшей характеристикой процесса безнапорной флотации является величина газонаполнения (коэффициент газонаполнения). Коэффициент газонаполнения принято оценивать в объемных долях и определять как отношение среднего объема занимаемого газовой фазой, ко всему флотационному объему:

W Wz

j = -^ =--г—

W W + Wx

где Wz; Wx; Wф соответственно объем газовой фазы, жидкой фазы и общий - флотационный объем, м .

От газонаполнения зависит плотность газовой эмульсии рэ,

образующейся во флотаторе, которая с достаточной точностью может быть рассчитана по правилу аддитивности:

3

Рэ = Рж (1 - j) + Ргj, кг/м

где рж и рг - соответственно плотности газовой и жидкой фазы, кг/м с

учетом Рж » Рг; Рэ » Рж (1- j).

Коэффициент газонаполнения может пьезометрические высоты

j =

к - к к

DK

~к

быть

определен через

где К и hn - высота жидкости соответственно во флотаторе и пьезометре

(пьезометр показывает высоту слоя жидкости во флотаторе при отключенной системе аэрации), м.

Схема процесса безнапорной флотации показана на рисунке 1.

Рис. 1. Схема процесса безнапорной флотации:

1-флотатор; 2-система диспергирования газовой фазы; 3-ротаметр; 4-пьезометр;

5-воздуховод; 6-пеносборник

По известным величинам объема жидкости во флотаторе и газонаполнению можно определить количество газа, находящееся в динамическом равновесии при данном значении расхода газа, подаваемого во флотатор. Таким образом, среднестатистический период пребывания газовой фазы во флотаторе можно определить по формуле

W

'-г _ ч

Чг

с учетом

W =

j

1 -j

-W,

Т = jWx

(1 - j)Чг

где чг - расход газа, подаваемого во флотатор, м /с.

Средняя скорость всплывания пузырьков определяется V

Vn = Т , м/с

воздуха во флотаторе

Эффективность процесса флотации в очень большой степени зависит от эффективности захвата (Е) флотируемой частицы пузырьком воздуха. Поскольку эффективность захвата для безинерционных частиц, как было показано выше, определяется отношением квадратов радиусов флотируемой

о 2

3 r

частицы и пузырьков воздуха Е = ——, то степень дисперсности образующихся

2 Гп

в процессе флотации пузырька воздуха будет существенно влиять на эффективность процесса. При малых скоростях истечения газа из отверстия пор диспергирующего устройства образуются отдельные последовательно отрывающиеся пузырьки газа. Схема образования пузырьков газа из единичной поры представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема образования пузырька газа из единичной поры

Как показали исследования Кутателадзе С.С. [1, 2], если пренебречь влиянием конвективных токов, вязкости жидкости и гидравлическим сопротивлением среды, то в момент отрыва на сферический пузырек газа будут действовать две равные друг другу силы - сила поверхностного натяжения FnH и сила Архимеда Fa.

FА = Fnn

p n 6

g(Рж ~Рг ) = P 0p0S

где d n и d 0

dn = 3

6d 0 p0s

м

\ 2g(рж ~рг) ’

соответственно диаметры пузырька газа и поры, м; р0

коэффициент сужения диаметров шейки пузырька перед началом его отрыва;

3

рж и рг - соответственно плотности жидкой и газовой фаз, кг/м ; g - ускорение

свободного падения, м/с2; s- коэффициент поверхностного натяжения, Н.

м

Формула (1) удовлетворительно описывает эксперименты при р0

2 з.

Современные фильтрующие материалы, используемые для диспергирования воздуха, имеют крупность пор 100-200 мм. Таким образом, диаметр пузырьков воздуха, образующихся в процессе пневматической

3

флотации не превышает (3,1-4,2)10- м [3].

Возможность повышения эффективности процесса пневматической флотации за счет увеличения газонасыщения, приводящего к возрастанию частоты столкновений пузырьков воздуха с флотируемыми частицами имеет свои ограничения.

При увеличении интенсивности аэрации выше некоторого критического значения наблюдается переход пузырькового режима аэрации в факельный, сопровождающийся повышением размеров образующихся пузырьков.

Переход пузырькового режима аэрации (образование цепочки одиночных пузырьков) в факельный происходит в случае равенства периода всплывания пузырька на расстояние своего диаметра (Твп) и времени образования (Тог) нового пузырька. Топ = Твп

p п p I =

6 ’ гп dn

T

W d

—П. T =_JL W

4 -*• en J-T 5 n гп п

q.

d n = 2

6[гп

pV„

з

где Wn - объем газового пузырька,м ; dn - диаметр газового пузырька, м; Vn -скорость всплывания газового пузырька, м/с; qzn - секундный расход газа через единичную пору, м3/с

По данным [3, 4] граница барботажных режимов ориентировочно определяется следующим удельными нагрузками по воздуху на фильтрующую поверхность в пределах 25-50 м /см .

При увеличении газонасыщения уменьшается коллективная скорость всплывания пузырьков воздуха, что приводит к увеличению газовой фазы во флотаторе. Из практики эксплуатации пневматических флотаторов известно, что при достижении коэффициента газонасыщения j = 0,3 дальнейшее

увеличение интенсивности аэрации приводит к резкому увеличению высоты газожидкостного слоя. Увеличение коэффициента газонасыщения

сопровождается появлением обратных токов жидкости, что при

незначительном значении коэффициента захвата Е сопровождается

ухудшением качества очистки жидкости. Таким образом, слабым местом пневматических флотационных установок, сдерживающим их применение для очистки нефтесодержащих и других видов сточных вод, является большая крупность образующихся пузырьков воздуха, обуславливающая низкую эффективность этого процесса.

В отличие от пневматической, при напорной флотации пузырьки газа образуются в пересыщенной жидкости при изменении условий растворимости связанных с изменением давления. Как известно, растворимость газов жидкости зависит от физических свойств, давления, температуры и выражается законом Г енри, в соответствии с которым максимально возможное количество растворенного в жидкости газа пропорционально его парциальному давлению

С = К  Р, кг/м3

где Р - парциальное давление газа над раствором, Па; К - коэффициент

3

пропорциональности, кг/м  Па.

Коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри) определяется свойствами взаимодействующих сред и зависит от температуры. Как правило, в

качестве коэффициента пропорциональности принимают значение растворимости газа в жидкости при стандартных условиях.

Теоретические основы процесса выделения газа из пересыщенного раствора впервые были заложены в работах Г иббса. Основные положения этой теории сводятся к следующему:

1) Изолированная система устойчива в том случае, если при любом бесконечно малом изменении ее состояния при постоянстве внутренней энергии энтропия остается постоянной или уменьшается.

2) В случае, когда условие устойчивости системы сохраняется при любом конечном изменении состояния системы, она находится в абсолютно устойчивом состоянии.

3) Изолированные системы, в которых при некоторых конечных изменениях состояния энтропия системы возрастает, называются метастабильными системами. Метастабильные системы находятся в неустойчивом или относительно устойчивом состоянии.

Примером метастабильной системы являются пересыщенные растворы, к числу которых относятся и растворы газов в воде. Появление зародышей новой фазы в метастабильной системе способствует переходу ее в стабильное состояние.

Значительное развитие теория возникновения новых фаз получила в работах Зельдовича Я.Б. и Дерягина Б.В. [5, 6]. Самопроизвольное протекание процессов фазовых переходов в дисперсных системах определяется изменением энергии Гиббса, под которой понимается максимальная работа системы [7, 8]. Она складывается из работы образования объема новой фазы Аоб и работы образования новой поверхности раздела фаз Апов.

As = Апов + Аоб = Dsnoe - Am, Дж

где As - изменение энергии Г иббса, Дж; Asnoe - изменение энергии Г иббса при изменении площади поверхности раздела фаз, Дж; Am - изменение химического потенциала при фазовом переходе, Дж.

Изменение энергии при образовании отдельного пузырька газа

А° = °жг-Ami, Дж

где 8жг - площадь поверхности раздела жидкость-газ,м ; &жг - коэффициент поверхностного натяжения границы раздела жидкость-газ, Н/м; i - отношение объема пузырька газа Vn к объему 1 моля газа Ум,м /м .

После подстановки в формулу (2) поверхности и объема пузырька радиусом гп получим

As = М^Яжг - Ат-) , Дж

м

При снижении давления над жидкостью с рі (давление насыщения) до давления р2 (давление после дросселирующего устройства) жидкость становится пересыщенной. При этом изменение химического потенциала составит

Am = RT ln ^, Дж Р 2

где R - универсальная газовая постоянная,

Дж

моль  град

Как видно из изложенного, условием выделения новой фазы кроме превышения химического потенциала выделяющегося вещества в старой фазе над его химическим потенциалом в новой фазе является и преодоление сил поверхностного натяжения. Для образования зародышевого пузырька зачастую требуется наличие центров образования (микровключений), увеличивающих вероятность флуктуаций концентрации газа аналогичных центрам конденсации или кристаллизации. После выделения область новой фазы начинает расти до того момента, пока пересыщение не исчезнет.

Из вышеизложенного следует, что процесс выделения новой фазы состоит из двух стадий:

1) Возникновение зародышей пузырьков.

2) Стадия роста образовавшихся зародышей.

Первая из этих стадий протекает с увеличением энергии Гиббса системы и поэтому термодинамически затруднена. Вторая стадия идет самопроизвольно со значительным убыванием энергии Гиббса.

Не всякий зародыш дает начало росту пузырька, так как он может снова растворяться, если его размеры меньше некоторых критических значений при данном пересыщении среды.

Критический радиус зародышей пузырьков, имеющих шарообразную форму принято определять по формуле Лапласа

r„ = ^~, м

Pi - Р2

Зародышевый пузырек образуется за промежуток времени, который

1 2

имеет порядок 10 с, то есть практически мгновенно.

Шмидт Л.И. рекомендует определять вероятность образования зародышевого пузырька при пересыщении жидкости по формуле [9]:

w = Ае-

16ка:

3kTpl (ln Щ2 Р 2

где А - предэкспотенциальный коэффициент; к - постоянная Больцмана, Дж/град; Т - абсолютная температура, град; р1 и р2 - соответственно давления исходного раствора и в состоянии пересыщения, Па.

Если в воде находятся частицы, имеющие краевой угол смачивания в, то вероятность образования зародышевых пузырей на их поверхности рекомендуется определять по формуле

w = Ае -

16тт

3

жг

3kTp42(ln ^)2 p2

j

(2 + 3cose- cos3 в) где j = --------------.

Так как коэффициент j всегда меньше единицы, вероятность w образования зародышевого пузырька на поверхности частицы больше вероятности образования его в объеме. Вероятность образования зародышевого

пузырька увеличивается с ростом пересыщения раствора, значение которого определяется логарифмом ln—.

Pi

Таким образом, с ростом величины пересыщения жидкости количество образовавшихся зародышей пузырьков газа будет увеличиваться.

Образовавшиеся зародышевые пузырьки в дальнейшем изотермически расширяются за счет диффузии в них газа из пересыщенного раствора. Через некоторое время размер пузырьков, образовавшихся в начале процесса, будет значительно превышать размеры зародышевого пузырька, определяемого формулой (2.29). Это приведет к тому, что с увеличением исходного пересыщения раствора наряду с увеличением величины газонасыщения будет расти и средний размер пузырьков газа, что приведет к уменьшению отношения

— и снижению эффективности процесса флотации.

r

п

Таким образом, эффективность процесса флотации будет увеличиваться с ростом числа образующихся пузырьков и уменьшаться при увеличении радиуса образующихся пузырьков. Противоположное влияние этих двух факторов приводит к тому, что эффективность процесса флотации будет иметь максимум при некотором определенном значении пересыщения жидкости.

На рисунке 3 приведены результаты измерения распределения пузырьков азота по размерам при дросселировании его пересыщенного раствора в воде при различных значениях пересыщения [10].

Из рисунка видно, что распределение пузырьков воздуха при всех значениях пересыщения близко к нормальному. Среднестатические размеры пузырьков с увеличением пересыщения жидкости увеличиваются. При этом рост начального пересыщения раствора, как видно из приведенных данных приводит к расширению спектра дисперсности пузырьков.

0

1 і

со

С[ m о

.о

9- о .0 109 CD

£3

с ю о о

со

m

і—

о

CD

т

ц

о

m

і—

о

CD

т

со

CL

I—

CD

40

30

20

10

с. СО о s ^ с[

0

г\ IX

1 // X

/ X м > \

/ // \ \

20

40

60

80 100 120 140 dn, М-10"6

Рис.3. Распределение по размерам пузырьков азота в воде в зависимости от величины пересыщения 1-200%; 2-400%; 3-500%; 4-800%

Таким образом, проведенный теоретический анализ процессов пнематической и напорной флотации показал, что:

1) Технология пневматической (безнапорной) флотации позволяет достичь значительных величин газонасыщения жидкости (j»0,3), но не позволяет получить пузырьки газа требуемого размера (50-200 мкм).

2) Технология напорной флотации позволяет получить пузырьки газа требуемого размера (50-200 мкм), но коэффициент газонасыщения j при этом не превышает 0,02-0,04.

Литература

1. Кутателадзе, С.С. Моделирование теплоэнергетического

оборудования [Текст] / С.С. Кутателадзе, Д.Н. Ляховский, В.А. Пермяков. - М.: ЭНЕРГИЯ, 1966.

2. Кутателадзе, С.С. Анализ подобия в теплофизике [Текст] / С.С. Кутателадзе. - Новосибирск: Наука, 1982.

3. Панкович, Г.С. Системы аэрации сточных вод [Текст] / Г.С. Панкович, Б.Н. Герин. - М.: Стройиздат, 1986.

4. Евилевич, М.А. Оптимизация биохимической очистки сточных вод [Текст] / М.А. Евилевич, Л.Н. Брагинский. - Л.: Стройиздат, 1979

5. Дерягин, Б.В. Уточненная теория гомогенной конденсации и её сравнение с опытом [Текст] / Б.В. Дерягин, А.В. Прохоров. - М.: ДАН СССР, 1972.

6. Зельдович, Я.Б. К теории возникновения новой фазы. Кавитация [Текст] / Я.Б. Зельдович // ЖЭТФ. - 1942. - №11.

7. Киреев, В.А. Курс физической химии [Текст] / В.А. Киреев. - М.: Химия, 1975.

8. Семенов, Н.Н. Химическая физика. Физические основы химических превращений [Текст] / Н.Н. Семенов. - М.: Знание, 1978.

9. Шмидт, Л.И. О механизации процесса очистки сточных вод напорной флотацией [Текст] / Л.И. Шмидт // Журнал прикладной химии. - 1970. - №11.

10. Ребиндер, П.А. Физикохимия флотационных процессов [Текст] / П.А. Ребиндер. - М.: Металлургиздат, 1933.