Масштабные и гидравлические неоднородности в работе водоочистных зернистых фильтров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Хузин, Владимир Юрьевич

• Хузин, Владимир Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хузин, Владимир Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ,

СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДООЧИСТНЫХ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ И КОНТАКТНЫХ ОСВЕТЛИТЕЛЕЙ

1.1. Анализ условий проектирования. Опыт использования технологического моделирования в проектировании

1.2. Анализ опыта строительства фильтров. Конструктивные несовершенства и невысокое качество строительства как причина возможных нарушений технологии процесса водоочистки

1.3. Анализ причин нарушений технологии процесса водоочистки, возникающих в ходе эксплуатации сооружений

и при наладочных работах

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАСШТАБНОГО ЭФФЕКТА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ

2.1. Исследование надежности известных методов технологического моделирования

2.2. Постановка вопроса, выбор и обоснование методик

и аппаратуры для исследования масштабного эффекта

2.3. Исследование пристеночного эффекта как критерия при выборе масштаба установки для технологического моделирования

2.4. Исследование параллельной работы пилотной уста-

новки и реального сооружения

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И МАССО-ОБМЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В МАСШТАБЕ ОДНОЙ СЕКЦИИ ЗЕРНИСТОГО ФИЛЬТРА

3 Л. Теоретические исследования распределения потоков

в зернистых фильтрах

3.2. Выбор и обоснование методик и аппаратурного оформления для исследования гидравлических неоднородностей

3.3. Исследование гидравлических неоднородностей в свободном объеме скорого фильтра в зависимости от его геометрических размеров и конструктивных особенностей

3.4. Выбор средств ликвидации гидравлических неоднородностей в скором фильтре

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПО УСТРАНЕНИЮ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

4.1. Исследование потоков в свободном объеме реконструированного скорого фильтра

4.2. Промышленное испытание реконструированного

скорого фильтра

4.3. Технико-экономическое обоснование внедрения диссертационной разработки

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Масштабные и гидравлические неоднородности в работе водоочистных зернистых фильтров»

ВВЕДЕНИЕ

В условиях реформирования коммунального хозяйства особую роль играют вопросы сокращения трудоемкости, ресурсосбережения и охраны окружающей среды. Решение этих проблем имеет прямое отношение к проектированию, строительству и эксплуатации водоочистных станций коммунальных и промышленных систем водоснабжения.

Эффективность работы сооружений с зернистой фильтрующей загрузкой в значительной мере определяет качество воды, производительность станций и их экономические показатели. Годовой объем фильтруемой воды в промышленности и коммунальном хозяйстве РФ составляет около 30 км 3 с намечающейся тенденцией роста.

Интенсификация процессов фильтрования в последние годы развивалась в основном в направлениях поиска новых фильтрующих материалов с улучшенными показателями пористости, удельной поверхности, применения более эффективных коагулянтов и флокулянтов, мест и режимов их введения, совершенствования методов и режимов регенерации загрузки. При этом вопросу технологического моделирования и связанным с ним проблемам масштабного перехода от пилотных установок к реальным сооружениям уделялось незаслуженно мало внимания. Существующие нормативные документы не дают рекомендаций по прогнозированию работы сооружения на основе результатов исследований полученных на пилотных установках.

Адекватность модели и реального сооружения возможна при выполнении ряда условий, важнейшим из которых является подобие гидродинамических процессов, протекающих в данных сооружениях.

Опыт эксплуатации различных промышленных установок и аппаратов показывает, что расчетная эффективность их работы достигается не всегда, что во многих случаях обусловлено неравномерным подводом потока к рабочему участку аппарата.

В связи с этим актуальным является решение проблемы масштабного перехода от пилотных установок к реальным сооружениям и повышение эффективности работы зернистых фильтров путем устранения гидродинамических неравномерностей при фильтровании.

В соответствии с вышеизложенным была определена цель работы, заключающаяся в повышении надежности расчета производственных фильтров по данным, полученным на моделях и интенсификации процесса фильтрования путем устранения гидравлических неоднородностей в работе зернистых фильтров.

В соответствии с общей целью были поставлены и решены следующие задачи:

• произведено сравнение результатов технологического моделирования, полученных на пилотной установке, с работой реальных сооружений с целью оценки их адекватности;

• исследовано распределение потока очищаемой воды в свободном объеме производственного скорого фильтра с целью оценки равномерности его распределения по площади фильтра;

• разработана конструкция, позволяющая ликвидировать гидравлические неоднородности в его свободном объеме;

• проведены производственные испытания предложенной конструкции и дана экономическая оценка эффективности ее работы.

Научная новизна работы:

• экспериментально подтверждено существование масштабного эффекта при переносе на реальные сооружения результатов испытаний на моделях;

• уточнена методика гидравлического расчета открытых потоков с равномерной раздачей расхода по пути с учетом переменности массы в применении к скорым фильтрам;

• установлено существование и даны количественные оценки гидродинамических и связанных с ними массообменных неоднородностей в свободном объеме скорого зернистого фильтра;

• разработана математическая модель массопереноса с учетом рециркуляции потока в сооружении;

• теоретически и экспериментально обоснованная новая конструкция подвода исходной воды позволяет существенно уменьшить гидравлические неоднородности в свободном объеме фильтра.

На защиту выносятся:

• анализ влияния масштабного эффекта при переходе от моделей фильтров к реальным сооружениям;

• методика уточненного гидравлического расчета открытых потоков с равномерной раздачей расхода в применении к скорым фильтрам;

• математическая модель гидродинамической структуры потока с учетом его рециркуляции в сооружениях;

• конструкция распределительного устройства и методика ее расчета, устраняющая гидравлические неоднородности в свободном объеме скорого фильтра.

Практическая значимость работы. Обоснована необходимость создания на водопроводных очистных станциях технологических лабораторий для отработки процесса очистки на моделях с целью оптимизации работы эксплуатируемых сооружений. Использование предложенного в работе устройства для равномерной подачи воды на скорые фильтры позволит увеличить производительность очистных сооружений.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на региональных научно-технических конференциях в г.г. Петрозаводск, Ленинград, Воронеж.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 4 глав, содержит 139 страниц, включая таблицы, рисунки и список литературы из 62 наименований.

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Хузин, Владимир Юрьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

• величина расхождения между значениями параметров процесса очистки, полученными на моделях и реальных сооружениях, достигает 30 %;

• при проектировании фильтров по данным технологического моделирования необходимо учитывать влияние масштабного эффекта;

• добиться равномерной раздачи потока по площади загрузки фильтра типовой конструкции с боковым каналом невозможно из-за струйного характера подвода потока;

• разработана и испытана конструкция производственного фильтра, позволяющая обеспечить равномерное распределение потока по площади загрузки;

• внедрение устройства, обеспечивающее равномерное распределение потока по площади фильтра, позволило получить экономический эффект, выражающийся в снижении себестоимости очистки воды на 0,5%.

СОГЛАСОВАНО" / r'TBtP^AM

Проректор по научной работе /Вуп^зрпт^ель.' и^о^апри яти я

-АХ

------------ ; ' ; / гербовая печать Vu.герб£йзая печать л ■ /У

I I ; с ии- îc. - '1 . ^ :Т ■ iK ~ i ,, о внедрении результатов пИР 1жр )

Мы , представители ЩОта„ВОДСТВеШОГО;уЩ^ наименование предприятия) .Г^-Лб^ЦЮДОВОДОКЙ-настоящим актом подтверждаем,что результаты научно-исследовательской или опытно-конструкторской) работы , выполненнойЛ. наименование вуза)

- тпсуниверо итетом .им.«- „QJik -Куусинена нир ( окр > Л4нт.енс:ифика]да„работы„.ско.р^ сооружений г, Петрозаводска стоимостью ТЫС „руб. 1 цифрами и прописью )

О! !! 90 начатой? законченной и принятой заказчиком к

С дата )

ЮЛ!.9!* внедрению» внедрены. дата ? номер * поз, плана 'внедрения) дата! внедрения»наименование предпри яти я »наименование и номер документа о внедрении)

1. Вид внедренных результатовКОНСТРУКЦИЯ.^ИЩШНЯЩЯЯ.Г.ЩЩ0 ДИНШИческие „неравномерновтивсво^ скорых ^фильтров комплекс ? машина»система,прибор,инструмент»технологи я »методика, программа ЦВМ»сырье»материалы и т.д.)

2. Область и Форма внедрения.

А%. б орудо вание де ист вующих тро в производственный процесс - серийное»уникальное или единичное производства, »проектные разработки 5 научные исследования и т.п.)

3. Технический уровень НИР подсгны -заявки »получен^ Ь ЬЛожй те!л ь ные решени я * авторские свидетельства»патенты»медали»ВДНХ и др.,их N »дата)

4. Публикация по материалам НИР

5. эффект от внедренияУвеличение.праизвдци[гельно.е1и.тар.ужений в •

-----------------------------------------------------------руб. цифрами и прописью)

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хузин, Владимир Юрьевич, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамов H.H. Водоснабжение. - М.: Стройиздат, 1982. - 440с.

2. Аэров М.Э., Умник H.H. Измерение скорости газа в реальном зернистом слое. // Жур. прик. химии - 1950. - Т23

3. Аюкаев Р.И. Интенсификация работы водоочистных фильтров и совершенствование метода их расчета /Учебное пособие. - Петрозаводск, 1985, 92с.

4. Аюкаев Р.И., Евтифеев Ю.П., Овчинников Ю.А. // Исследование гидродинамических неоднородностей в свободном объеме водоочистного зернистого фильтра.: В меж. вуз. науч. сб. Саратов: политехи, ин-т—1984.-С.72-82

5. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство фильтрующих материалов и их применение в технологии очистки воды. - Л. : Стройиздат, 1985.-120с.

6. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1977. -356с.

7. Бабенков Е.Д. Роль структурообразования в процессе фильтрационного осветления воды. // Химия и техн. воды - 1982. - №1. - с.35-39

8. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения), Т.1. - М.: Наука, 1973. - 632с.

9. Блувштейн М.М. Повышение эффективности работы очистных сооружений водопровода. -М. : Стройиздат, 1977. - 176с.

Ю.Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1972ю - 648с.

11.Боресков Г.К. Вестн. АН СССР, 1964. - №5, - с.47-56

12.Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов - М.: Наука, 1986. - 544с.

13.Венецианов Е.В., Рубинштейн Р.Н. Динамика сорбции из жидких сред. -М. : Наука 1983. 238с.

14.Гонтарь Ю.В. Модифицированная модель осветления при фильтровании через зернистые среды // Химия и техн. воды - 1987. - №6. -с.487-490

15.Гороновский И.Т., Руденко Г.Г. Эксплуатация станций водоподго-товки хозяйственно-питьевой воды. - Киев. : Будивильник, 1975. -234с.

16.Грабовский П.А. Интенсификация скорых фильтров совершенствованием регенерации загрузки и конструкций дренажей //Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. док. техн. наук/ Одесса 6 1990. - 50с.

17.Елыпин А.И. Влияние концентрации исходной суспензии на производительность фильтра // Жур. прикл. химии - 1985. - №5. - сЛ 1631166

18.Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. — Львов : Вища школа, 1980. 200с.

19.Журба М.Т. Механизмы фильтрационной очистки воды в зернистом слое // Изв. АН МССР, сер. физ.-техн. и мат.н. - 1987. - №1, - с.53-58

20.Идельчик И.Е. Аэродинамика промышленных аппаратов. - М.: Энергия, 1964.-288с.

21.Ильин Ю.А. Надежность водопроводных сооружений и оборудования. - М. : Стройиздат, 1985. - 240с.

22.Исследование интенсификации работы систем и сооружений водоснабжения и водоотведения: Отчет о НИР (промежут.). Воронежский инж.-строит. ин-т; Руководитель Бахметьева Л.К.; исполнитель Хузин В.Ю. и др. - № ГР00186.0052839; - Воронеж, 1987, - 62с.

23.Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учебн. пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 1991.-400с.

24.Кафаров В.В.Основы массопередачи. -М.: Высш. шк., 1979

25.Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1968. - 720с.

26.Костанян А.Е., Городецкая Н.И. Метод моделирования структуры потоков в проточных аппаратах больших диаметров // Теор. осн. хим. технол. - 1979. - №6, с.866-871

27.Криштул В.П. Влияние неоднородности загрузки на прирост потерь напора в фильтрах и контактных осветлителях. - В сб. : Водоснабжение: Науч. тр. АКХ, 1961, с.122.

28.Кургаев Е.Ф. Пристеночный эффект в моделях осветлителей и фильтров // Водоснабж. и сан. техника - 1971. - №9. - с.4-7

29.Курганов A.M., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. — Л.: Стройиздат, 1978ю - 424с.

30.Латышенков A.M., Лобачев В.Г. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1956.-408с.

31.Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. -М.: Химия 1969.-621с.

32.Методическое пособие для расчета экономического эффекта от использования изобретений и рационализаторских предложений // Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: «Патент», 1985ю - 104с.

33.Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. - М.: Стройиздат, 1964. - 156с.

34.Минц Д.М., Криштул В.П. Моделирование процесса фильтрации через зернистые слои-В сб.: Водоснабжение: науч. тр. АКХ, вып.1. - 1960. - с.2-41

35.Наумов Ю.Б., Гельперин И.И., Пушнов A.C., Новикова Н.И., Новиков Э.А., Каган A.M. Двухзонная модель аппаратов с неподвижным зернистым слоем // Хим. пром-ть - 1986. - №8, - с. 15-17

36.Павлов В.П., Мартюшин Е.И. Масштабный переход от лабораторных и опытных исследований к производству // Химическая промышленность. - 1986. - №8. - с. 49-53.

37.Петров Г.А. Гидравлика переменной массы. - Харьков: ХГУ, 1964. -224с.

38.Петров Г.А. Движение жидкости с изменением расхода вдоль пути. -М.: Стройиздат, 1951. = 162с.

39.Прогульный В.И. Отвод промывной воды из скорых фильтров с помощью пористых конструкций //Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, канд. техн. наук/ JI.: 1988ю - 23с.

40.Рекомендации по гидравлическому расчету напорных трубчатых систем для распределения воды в водонапорных очистных сооружениях. - М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1979. - 152с.

41.Рекомендации по расчету экономической эффективности научно-технических мероприятий в области очистки природных и сточных вод. - М. : ВНИИ ВОДГЕО, 1979. -306с.

42.Розен A.M., Мартюшин Е.И., Олевский В.М. и др.; Масштабный переход в химической технологии. - М. - Химия, 1980. - 320с.

43.Рябов А.К. Искусственная шероховатость и пристеночный слой. //Изв. вузов. Энерг. - 1979. - №2. - с. 78-82

44.Сенявин М.М., Венецианов Е.В., Аюкаев Р.И. О надежности существующих математических моделей и инженерных методов расчета процесса очистки воды фильтрованием. // Водн. ресурсы - 1977. -№2,-с. 157-170

45.СниП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения /Госстрой СССР. -М.:Стройиздат, 1985. - 136с.

46.Фоминых A.M. Математическая модель процесса очистки воды фильтрованием и ее практическое применение // Водн. ресурсы. -1980.-№3,с.10-15

47.Фоминых A.M. Методика технологического моделирования и расчета скорых фильтров и контактных осветлителей // Изв. вузов Стр-во и архитектура - 1982. - №11. - с.109-116

48.Фоминых A.M. Физическая сущность процесса осветления воды фильтрованием // Жур. прикл. химии - 1984. - №1. - с.58-62

49.Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных и пластмассовых водопроводных труб. -М.: Строиздат, 1973. - 174с.

50.Шехтман Ю.М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий -М., изд. АН СССР, 1961

51 .Ярошевская Н.В. Совершенствование метода технологического моделирования процесса очистки воды фильтрованием через зернистые загрузки // Жур. прикл. Химии - 1986. - №5. - с. 1048-1052

52.Ярошевская Н.В., Кульский JI.A. Метод расчета фильтровпальных сооружений работающих с убывающей скоростью // Химия и техн. воды - 1985. - №2. - с.3-5

53.Atsuhisa S., Hiroshi К. Basic consideration on factors affecting rapid sand filtration. // Technol. Repts Tohoku Univ, 1979. - N2. - p.387-409.

54.Cleasby J.L. Research Achivement. Existing and Expected // J. AWWA, 1976. -N3. - p.272-274.

55.Davis E. Factors of scale in rapid sand filtration. // Scale-up water and wastewater treat.: Process 1st Int. Workshop, Edmonton, 1983.-p. 135148.

56.Delire C. The use of a simulation programme for water treatment projekts optimization // Hydrographica, 1983, - N3. - p.26-41.

57.Heitmann J.A., Rhees D,J. Scaling up // Chemtech. 1986. - N6, - p.344-350

58.Ives K.J. Filtration Usings Radioactive Algae, trans: // FSOE, 127, 1962. -p.3 72

59.Ives K.J. Filtration. The significance of theory. // J. Inst. Water. End., 1971. -Nl. - p. 13-20/

60.Mackie R.J., Horner R.M., Jarvis R.J. Dynamic modeling of deep bed filtration // AI che Journal, 1987, - N11, - p.1761 - 1775.

61.Skayley D.R. Sand filtration studied with radiotracers. // Jour. Proceeding American Society of Civil Engineers,81, 1955, - p.592.

62.Tien chi, Payatahts A.C. Advances in deep bed filtration. // Al che Journal - 1979. - N5, - P.737-759.