Исследование процесса фильтрования морской воды насыпными фильтрами с применением вибрации

Функционирование береговых рыбоперерабатывающих предприятий невозможно без использования морской воды в технологических операциях при мойке и разделке рыбы. Целесообразность применения воды, взятой из естественной среды обитания объектов переработки, обоснована не только экономическими соображениями, но и с позиций сохранения

естественного вкуса продукции. Любая водоподготовка начинается с процесса очистки от механических загрязнений – фильтрования. Количество воды, используемой для технологических целей по оценкам [3] составляет от 6,7 до 14,5 м ³ /т. Такие объемы использования представляют проблему совершенствования процесса фильтрования морской воды актуальной.

Литературный обзор по гидродинамическим процессам показал, что вибрационные воздей- ствия ускоряют и улучшают технологические свойства технических систем. Это подтверждено исследованиями ведущих ученых в области вибрации в технике, таких как И.И. Блехман, Л.И. Блехман, А.Б. Лисицын, И.Ф. Гончаревичи др. [4–8].

В частности, при вибрации сосуда с жидкостью, в которой размещен сыпучий материал, более плотный, чем жидкость, наблюдаются своеобразные нелинейные эффекты, такие, как засасывание пузырьков газа вглубь сосуда и наоборот, всплывание тел более тяжёлых, чем жидкость [8–11]. Проявляется «аномальное» поведение полидисперсной сыпучей среды в жидкости: она эволюционирует к состояниям, соответствующим максимальным или близким к ним значениям потенциальной энергии. При определенных значениях интенсивности вибрации происходит сегрегация частиц по размерам. Тяжелые крупные частицы перемещаются в верхние слои, тогда как «мелочь» формирует уплотненный слой в нижней части. Эти и подобные явления рассматривались во многих публикациях, принадлежащих, в том числе, выдающимся учёным [4–20]. Настоящая работа развивает и дополняет эти исследования.

Условия всплывания частиц, более плотных, чем жидкость были определены И.И. Блехма-ном [21]. Если столб жидкости равномерно насыщен пузырьками воздуха, то условием всплывания частицы, лежащей на дне сосуда, является неравенство (1):

1 Юк   А ю А ю ²   Н ю

"  2  ,2 ----tg ---- <^{- 1}

2 Ю + k c g    c

(a)

k i = k /( p + ¹ p ₀) v , к = ( p - p ₀)/( p + 2 P o ) ⁽²⁾ где ω – частота колебаний системы; А – амплитуда колебаний; v – объём частицы, ρ – плотность частицы; ρ о – плотность среды; g – ускорение силы тяжести; H – высота столба жидкости.

Теоретическое обоснование «всплывания» твердых тел в жидкости под действием вибрации подвигло на решение задачи исследования влияния вибрационных воздействий на процесс фильтрования морской воды насыпными фильтрами.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования выступает спроектированная и изготовленная фильтровальная установка, принципиальная схема и общий вид которой представлены на рисунке 1. Перфорированная разделительная перегородка приводится в вибрационное состояние посредством эксцентрикового вибровозбудителя. Его применение обусловлено необходимостью обеспечения постоянной амплитуды колебаний, не зависящих от технологического сопротивления. На решетку засыпались следующие зернистые материалы: биокерамика (10,0 ÷12,5)×10 ^-3 м, цеолиты (18,0 ÷20,0)×10 ^-3 м и морской песок (0,7 ÷1,0)×10 ^-3 м. Перфорированной разделительной перегородке передавалась вибрация с регулируемой амплитудой –от 1 до 5,5 мм, и частотой –от 25 до 55 Гц. Регулирование частоты вибрации перфорированной перегородки эксцентриковым виброприводом обеспечивалась потенциометром, встроенным в пульт управления.

(b)

Рисунок 1. Фильтрующая установка: (a) принципиальная схема; 1,9 – патрубки подвода и отвода морской воды; 2, 21 – симметричные патрубки отвода промывной воды; 3 – цилиндрический корпус; 4, 5, 6 – слои зернистых материалов; 7 – эксцентриковые вибромоторы; 8 – уплотнитель; 10, 12 – симметричные патрубки подвода промывной воды; 11 – подставка; 13, 20 – нижний и верхний резервуары; 14 – смотровые окна; 15, 16 – кнопки пуска и остановки; 17 – потенциометр; 18 – кнопка включения освещения; 19 – пульт управления; (b) общий вид

Figure 1.Filtration unit: (a) a schematic diagram; 1, 9 – pipes for supply and removal of sea water; 2, 21 – symmetric branch pipes of the rinse water outlet; 3 – cylindrical body; 4, 5,6 – layers of granular materials; 7 – eccentric vibration motors; 8 – the sealant; 10, 12 – symmetrical connections of the wash water supply; 11 – stand; 13, 20 – lower and upper tanks; 14 – observation windows; 15, 16 – start and stop buttons; 17 – potentiometer; 18 – light switch; 19 – control panel; (b) main view

Состояние слоя сыпучей среды наблюдалось визуально. При малых значениях интенсивности вибрации происходила сегрегация по крупности и послойная виброукладка зернистого материала по размерным фракциям (крупные – сверху, мелкие – снизу) [3]. Затем интенсивность вибрации снижали, происходило уплотнение слоя сыпучей среды. Далее проводили фильтрование морской воды через полученный слой.

В соответствии с действующими стандартами [22–25] амплитуда и частота колебаний разделительной перфорированной перегородки определялись при помощи портативного виброметра с памятьюPCE-VT 2800 и прибором Вибротест-МГ4.01.

Результаты и их обсуждение

На рисунках 2 –4 представлены зависимости пропускной способности фильтрующего устройства от амплитуды ( А , м), частоты вибрации ( f , Гц) и коэффициента интенсивности вибрации (λ).

Анализ кривых, а также данных, полученные при эксплуатации фильтрующей установки [3], позволили установить параметры вибрации перфорированной перегородки, при которых происходитуплотнениефильтрующего слоя, сокращается порозность загрузки, не происходит срыв осадка в фильтрат (на графиках отмечен – I): амплитуда колебаний – A = (1 ÷2,5)×10 ^-3 м, частота колебаний – f = 25 ÷ 35 Гц. При амплитуде колебаний – А ≥ 3,1×10 ^-3 м, частоте колебаний – f ≥39 Гц происходит разрыхление фильтрующего слоя и срыв осадка в фильтрат (критические показатели выделены – III, пороговые – II) [3].

В результате были получены следующие данные:

при А = (1 ÷2,5)×10 ^-3 м, f = 25 ÷35 Гц: а = 62,5×10 – ² ÷3,06 м/с ² , λ = (6,37 ÷31,2)×10 ^-2 ; при А = (2,6 ÷3,0)×10 ^-3 м, f = 36 ÷38 Гц: а = 3,37 ÷4,33 м/с ² , λ = (34,35 ÷44,16)×10 ^-2 ;

при А = (3,1 ÷5,1)×10 ^-3 м, f = 39 ÷50 Гц: а = 4,72 ÷12,75; λ = 48,06×10 – ² ÷ 1,3.

Рисунок 2. Зависимость пропускной способности от амплитуды колебаний

Figure 2. Dependence of throughput on the amplitude of oscillations

Frequency of vibrations during the vibration of the mesh septum f, Hz

Рисунок 3. Зависимость пропускной способности от частоты колебаний

Figure 3. Dependence of throughput on frequency of oscillations

Coefficient of intensity of vibration . k'10"

♦ ОДНОСЛОЙНЫЙ                * ДВУХСЛОЙНЫЙ single-layer                             two-layer

---Полиномиальная (однослойный) — ■ ■ - Полиномиальная (двухслойный) Polynominal (single-layer)                   Polynominal (single-layer)

Рисунок 4. Зависимость пропускной способности от коэффициента интенсивности вибрации

Figure 4.Dependence of throughput on the vibration intensity factor

Коэффициент интенсивности вибрации λ <1 [4, 5], что подтверждает режим виброуплотнения . Установлено, что при коэффициенте интенсивности вибрации, λ = (6,37 ÷31,2)×10 ^-2 (на графике – I), несмотря на незначительное снижение пропускной способности (на 5÷5,5 %), наблюдалось заметное сокращение примесей в фильтрате (на 13,3÷18,6 %), на это могло повлиять виброуплотнение слоя , соответственно сокращение порозности фильтрующего материала (качество фильтрата повышалось); при коэффициенте интенсивности вибрации, λ = (31,3 ÷44,16)×10 ^-2 (на графике – II), пропускная способность снижалась до 8,66÷12,7 %, однако наблюдался срыв зерен в фильтрат до 3,5 %, при λ = (44,16 ÷48,05)×10 ^-2 – до 4,7 %; при коэффициенте интенсивности вибрации, λ ≤ 48,06×10 ^-2 (на графике – III), пропускная способность стала возрастать, срыв зерен в фильтрат увеличился до 9,5 %, что снижает качество фильтрата, на это могло повлиять разрыхление слоя и соответственно увеличение порозности [3].

На рисунке 5 представлена зависимость пропускной способности фильтрующего устройства от содержания механических примесей в фильтрате (без вибрации и при вибрации: А = (1 ÷2,5)×10 ^-3 м, f = 25 ÷35 Гц). При этом использовались идентичные зернистые материалы, при равной толщине слоя.

Content of impurities in sea water TDS, mg /1 без вибрации ■ с вибрацией without "vibration with ■vibration

Рисунок 5. График зависимости пропускной способности от содержания примесей (с и без вибрации)

Figure 5. Graph of the dependence of throughput on the content of impurities (with and without vibration)