Моделирование процесса регенерации нефтезагрязненной кварцевой загрузки водными растворами природного пав в виброожиженном слое

В настоящее время для фильтрования промышленного и ливневого стоков широко используются скорые фильтры, большей частью с кварцевой загрузкой. При этом основные способы обратной промывки этих фильтров давно известны и хорошо изучены. К ним относят водную и водовоздушную промывку.

Изменение качественного состава сточной воды, поступающей на стадию фильтрования, привело к выводу о недостаточной эффективности существующих способов промывки скорых фильтров. В связи с этим возникает необходимость в создании альтернативных способов регенерации промышленных фильтров.

Изучение регенерации скорых фильтров в процессах очистки нефтезагрязненных сточных вод позволяет не только эффективно управлять данным процессом, но и прогнозировать время работоспособности фильтра. Таким образом, выполненная работа направлена на решение актуальной задачи по интенсификации процесса регенерации скорого фильтра от нефтезагряз-нений с последующей минимизацией габаритов сооружений и их стоимости.

Основными загрязняющими веществами сточных вод промышленной и ливневой канализации являются нефтепродукты и взвешенные вещества. В аналитическом значении при анализе вод под «нефтепродуктами» принято считать сумму неполярных и малополярных углеводородов, растворимых в гексане и несорбирующихся оксидом алюминия [1].

В пористой среде фильтрующего слоя частицы нефтепродуктов прилипают к поверхности кварца, задерживаются в мелких порах, что с течением времени приводит к кольматации фильтрующей загрузки [2]. Данное условие снижает эффективность работы аппарата и затрудняет проведение его обратной промывки, т. к. наличие пленки нефтезагрязнений на поверхности фильтра оказывает значительное влияние на переход фильтрующей загрузки во взвешенное состояние.

Режим обратной промывки определяется двумя параметрами: интенсивностью подачи промывной воды и ее продолжительностью. Продолжительность промывки оказывает влияние на процессы, происходящие при взвешивании слоя – снятие (отрыв) загрязнений и их транспортирование [3]. Интенсивность подачи промывной воды зависит от крупности и плотности фильтрующего материала, а также от расхода и вязкости воды (её температуры и состава) и определяется условием перехода фильтрующего слоя во взвешенное состояние. Минимальное значение интенсивности для потока промывной воды должно быть достаточным для взвешивания всего фильтрующего слоя, разрушения и выноса загрязнений из слоя. Для скорых фильтров с загрузкой фракции 0,8–2,0 мм значение интенсивности находится в пределах 14–16 л/(с·м2) [4].

Рост интенсивности потока способствует быстрому и более полному удалению загрязнений из фильтра, но при чрезмерно большой интенсивности может происходить унос мелких фракций фильтрующей загрузки.

Интенсифицировать процесс промывки скорых фильтров обратным током воды от нефте-загрязнений можно, проводя предварительно верхнюю промывку фильтрующей загрузки растворами ПАВ [5].

В качестве активного компонента регенерирующего раствора было выбрано вещество, обладающее высокими поверхностными свойствами – гуммиарабик. Гуммиарабик – эффективный эмульгатор и стабилизатор эмульсий типа вода–масло, что объясняется защитным действием коллоидов. Гуммиарабик содержит низкобелковый, низкомолекулярный арабиногалактан (AG), богатый белками Гликопротеид (Gl) и высокомолекулярный арабиногалактан-протеиновый комплекс (AGP). Именно наличие арабингалактан-протеинового комплекса позволяет использовать гуммиарабик в качестве эмульгатора [6].

Моющее действие гуммиарабика проявляется в удалении жидких и твердых загрязнений с поверхности и переводе их в моющую жидкость в виде растворов или дисперсий. Молекулы гуммиарабика создают на поверхности капель нефти прочные адсорбционные слои. Гидрофобная часть молекулы связывается с нефтепродуктами, а гидрофильная – ориентируется в сторону водного раствора. При этом происходит гидро-филизация капель нефтепродуктов, что препятствует их коалесценции (слиянию) [7].

Введенное в промываемую систему поверхностно-активное вещество снижает поверхностное натяжение на границе нефте-продукт-фильтрующая загрузка, вызывая при этом локальные уменьшения пленки нефтепродукта в точке ввода и ее утолщения по радиусу. Данное условие способствует увеличению касательных напряжений и отрыву капель нефтепродукта в процессе промывки фильтра обратным током воды [8].

В процессе регенерации при взвешивании фильтрующего слоя интенсивным потоком промывной воды происходит отрыв нефтезагряз-нений от поверхности зерен загрузки за счет увеличения гидродинамических напряжений на поверхности кварца, а также столкновения зерен загрузки и их трения друг о друга.

Визуальное наблюдение и количественные измерения локальных параметров показывают, что во время промывки взвешенный слой частиц фильтрующего слоя непрерывно пульсирует: он неоднороден в пространстве и не стационарен во времени. К настоящему времени теоретически обосновано и экспериментально доказано существование различных типов волн давления и порозности, объясняющее механизмы распространения колебаний во взвешенном слое [9]. Однако механизм взаимодействия различных типов волн в слое пока изучен недостаточно. В связи с этим важно исследовать влияние амплитуды и частоты колебаний на процесс промывки нефтезагрязненного фильтрующего слоя во взвешенном слое.

Учитывая данное обстоятельство, смоделировать процесс регенерации скорого фильтра раствором ПАВ в лабораторных условиях стало возможным на экспериментальной установке с виброприводом [10] (Рисунок 1) .

Цель работы – исследование процесса регенерации скорого фильтра раствором природного ПАВ от нефтепродуктов в вибро-ожиженном слое. Под улучшением качества регенерации понимается повышение степени регенерации кварцевой загрузки от нефтеза-грязнений и сокращение расхода промывной воды, т. е. времени промывки.

Материалы и методы

Исследование проводилось на нефтезагрязненном кварцевом песке, отобранном из скорого фильтра Котляково-Коломенских очистных сооружений ГБУ «Промотходы» после вывода его на регенерацию обратным током воды.

Для определения степени регенерации нефтезагрязненной кварцевой загрузки в ней предварительно измеряли концентрацию нефтепродуктов по методике определения нефтепродуктов в почве «Методика М 03–03–2012 ПНД Ф 16.1:2.21–98 (Издание 2012 г.)».

В качестве активного компонента регенерирующего раствора был выбран гуммиарабик, концентрация в растворе – 1%.

Имитация водной промывки была достигнута на установке с виброприводом (рисунок 2).

Интенсивность регенерации оценивалась с помощью критерия Кэмпа, число G [11]:

Рисунок 1. Устройство вибропривода

Figure 1. The vibration gear

\ µVt

Всякое колебательное движение происходит с ускорением, на колебательные тела действует сила, сообщающая им ускорение [13].

F =m⋅a, где a – ускорение, м/с2, равное произведению квадрата частоты, ω, мин-1, на амплитуду А, мм (a = ω2·A); m – масса тела, совершающего колебание, г.

Произведение силы на амплитуду есть работа, затрачиваемая на перемешивание W .

Тогда имеем

При включении вибропривода в сеть электродвигатели вращают дебалансные вибраторы, которые придают платформе с установленными на ней элементами винтовые возвратнопоступательные колебания с частотой вращения вибраторов. Данный вид колебаний обеспечивает движение частиц по спирали от центра к стенкам сосуда, благодаря чему достигается имитация обратной промывки скорого фильтра в виброожиженном слое.

G =

m·ω2·A2

^  µ·V·t  ,

где m · ω ² · A ²= W – работа, затрачиваемая на перемешивание, Н·м; А – амплитуда, мм; ω – угловая частота, с^-1; µ – динамическая вязкость раствора – 3,0 мПа·с; m – масса пробы кварца – 0,1 кг; V – объем регенерирующего раствора – 500 мл; t – время регенерации – 5 мин.

Рисунок 2. Установка с виброприводом: 1 – тумблер частоты; 2 – тумблер амплитуды

Figure 2. The device with vibration gear: 1 – frequency toggle switch; 2 – amplitude toggle switch

Амплитуда колебаний плиты А изменялась в диапазоне от 0,25–1,50 мм (контролируемые значение амплитуды – 0,25; 0,5; 1,0 и 1,5 мм), частота колебаний плиты f составила 1500 мин^-1.

Мерный стакан объемом 500 мл с пробой нефтезагряненного кварцевого песка 0,1 кг и регенерирующим раствором 0,5 мл помещался на платформу вибропривода (рисунок 2) и фиксировался на ней с помощью крепления. Температура раствора и загрузки была на уровне 16 °С. Время регенерации – 5 мин.

Для установки частоты и амплитуды вибропривода, времени воздействия на платформе вибропривода имеются тумблеры. По истечении времени отбиралась навеска отмытого кварцевого песка для измерения концентрации нефтепродуктов после регенерации по описанной выше методике. На каждую отобранную пробу производилось трехкратное измерение концентрации нефтепродуктов в отмытом кварцевом песке. Усредненные значения результатов эксперимента представлены на рисунке 3.

Степень регенерации в зависимости от интенсивности The regeneration degree depending on the intensity

Рисунок 3. Степень регенерации в зависимости от интенсивности перемешивания

Figure 3. The degree of regeneration process depending on the mixing intensity

Качественным показателем регенерации кварцевого песка является степень регенерации. Степень регенерации выражается отношением разности начальной и конечной концентрации нефтепродуктов в кварцевой загрузке к начальной концентрации умноженным на 100:

6 =

нач     кон ·100

c нач

Для дальнейшего моделирования процесса регенерации кварцевой загрузки был введен безразмерный симплекс N , равный отношению взвешивающей гидродинамической силы к приложенной силе виброколебаний F и оценивающий относительное взаимное влияние двух этих сил:

N =^, lF где Дрсл /1 - объемная взвешивающая сила, равная весу твердой фазы в единице объема [12];

N = gp Р 111 -A , m • A(2n f )2

где F = m^-A^ ² = m • A ^ ( 2 nf ) 2 ; m - масса загрузки, кг; A – амплитуда, м; ω – угловая частота, с^–1; f – частота, с^–1.

Число N характеризует эффективность регенерации кварцевой загрузки в виброожи-женном слое.

С помощью отношения были выполнены числовые расчеты. В расчете приняты следующие значения параметров, характерные для регенерирующего раствора: ρ 0 = 1000 кг/м³; и регенерируемой зернистой среды: ρ = 1400 кг/м³, ε = 0,25, f = 1500 мин^-1.

Результаты и обсуждение

Результаты эксперимента показали, что увеличение амплитуды колебания вибропривода способствует активному перемешиванию пробы кварцевого песка и, как следствие, более полной регенерации за короткие промежутки времени. Из рисунка 3 видно, что наивысшая степень регенерации пробы нефтезагрязненного кварцевого песка была достигнута при интенсивности перемешивания G = 1,25 с^-1, где амплитуда колебаний составляла 1,5 мм.

С помощью введенного безразмерного симплекса возможно прогнозирование процесса регенерации при известных основных параметрах процесса. Числовые расчеты показали, что из полученных экспериментальных данных наилучшее условие регенерации достигается при числе N = 400, где изменяемым параметром служила амплитуда колебаний.

Заключение

Проведенный эксперимент позволил смоделировать процесс регенерации нефтезагрязненного кварцевого песка скорого фильтра в лабораторных условиях. Результаты эксперимента показали, что изменение таких параметров, как амплитуда и частота, позволяют управлять процессом регенерации.

Интенсифицировать процесс реагентной регенерации можно путем изменения таких параметров, как концентрация и температура регенерирующего раствора.