авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Кандидат химических наук инновационные технологии систем производственного водоснабжения заводов черной металлургии

-- [ Страница 2 ] --

Глава 2 посвящена разработке технологической модели с математическим описанием водно-солевого баланса в стационарных и нестационарных режимах функционирования СПВ. На металлургических заводах СПВ имеют сложную сетевую структуру из множества подсистем: локальных и общезаводских очистных сооружений, оборотных циклов водоснабжения, других сооружений и технологических трубопроводов, связывающих эти объекты между собой в единое целое. Поэтому солевой состав технологических вод формируется всей сетевой структурой СПВ предприятия или её значительной частью. Оптимизация структуры сложных СПВ по содержанию солей, ввиду взаимовлияния подсистем и высокой стоимости обессоливания, является первичной, «стратегической», общей задачей, в то время как вопросы очистки от механических примесей в подсистемах являются преимущественно локальными, вторичными, мало влияющими на решения в других подсистемах.

Исходной информацией для применения модели при проектировании является балансово-технологическая схема СПВ предприятия, отражающая структуру и определенное стационарное состояние. По ней разрабатывается схема-граф (пример рис.1) с вершинами-узлами Уk (k – номер узла) и множеством входящих и выходящих из них векторов-потоков воды и рассчитываемого «безводного» компонента.

Рис.1. Схема-граф сложной СПВ (пример)

Узлами расчетной схемы являются точки и области балансовой схемы, в которых происходит либо ввод/вывод из системы рассчитываемого компонента (например, ввод коагулянта FeCl3, HCl в производстве, вывод соли NaCl при обессоливании воды), либо слияние двух и более потоков с отличающейся неизвестной концентрацией этого компонента.

Нестационарное состояние СПВ, пренебрегая временем транспорта между узлами, описывается уравнениями баланса масс рассчитываемого компонента вида dx/dt = kx :

Wk = dg k / dt = W вх. k - W вых. k ± G k ± M k, (1)

где Wk = dg k / dt - скорость изменения массы компонента в узле «k»; Wвх. k и Wвых. k - неизвестные переменные скорости входа в узел «k» и выхода из этого же узла компонента с потоками воды qi ; Gk - скорости входа («+») и выхода («–») компонента в узле «k» с потоками воды qi, имеющими известную постоянную концентрацию компонента ; Мk - известные постоянные скорости (массовые расходы) входа и выхода («+» и «») «безводного» компонента в узле «k». Окончательно, дифференциальное уравнение нестационарного состояния приобретает вид:

iвх k. max iвых k. max i k. max pk. max
dg k /dt = [qi (g/V)см]вх. k - [qi (g/V) k ] вых. k ± [qi Ci ] k ± [Mp] k, (2)
iвх. k. min iвых. k. min i. k. min pk. min

где g неизвестные массы компонента, находящегося в данном и смежных узлах; V известный объем воды в тех же узлах; (g/V) см = zi неизвестная концентрация компонента в смежных, по отношению к Уk, узлах и в выходящих из них qi ; (g/V) k = zi неизвестная концентрация компонента в данном Уk и в выходящих из него qi в смежные узлы; Ci. k известные концентрации компонента в потоках qi, входящих/выходящих в узле Уk ; p число входящих / выходящих потоков «безводного» компонента Mp в узле Уk. Смежными являются узлы, соединенные общим потоком воды qi. В стационарном состоянии dg k / dt = 0:

iвх k.. max iвых k.. max ik. max pk. max
[qi (g/V )см ]вх. k - [qi ( g/V ) k ] вых. k ± [qi Ci ] k ± [Mp] k = 0. (3)
iвх. k. min iвых. k. min ik. min pk. min

При наличии в СПВ установок для выделения из воды рассчитываемого компонента, составляются дополнительные уравнения вида:

Z вых. k = f (z вх. k ). (4)

Совокупность систем уравнений (2), (3) и (4) является математическим описанием технологической модели СПВ.

Рассмотрим пример перехода СПВ из стационарного состояния «А» в стационарное состояние «В» при переводе ее подпитки из источника «А» на источник «В» с увеличенным содержанием Cl - (рис.1). Узел У3 - установка обессоливания воды, разделен на два подузла: У3 а, где собирается обессоленная вода с концентрацией z 5,7,11, и У3 b – для сбора концентрата с содержанием иона z10. Исходные данные ( q – м3/ч; С, z – кг/м3; М – кг/ч; V – м3):

q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q9 q10 q11 q12
43 40 1 10 12 4 35 50 5 1 2 1
C1(А) C1(В) С2 М1 М2 V1 V2 V3a V3b V4
0,05 0,5 0 20 5 500 1000 10 5 1000

Соотношение концентраций Cl- в У3 отражено коэффициентом распределения: Кr = z 5,7,11 / z 10 = 0,05, или:

g3a = 0,1 g3b. (5)

Последнее выражение является пятым уравнением решаемой системы:

Узлы:
У1 У2 У3 У4 У3 dg 1 /dt = q1 C1 - q2C2 – ( q3 + q4 + q6 )( g 1 / V1) + q 5 ( g 3а /V3a); dg 2 /dt = q4 · ( g1 / V1) + q 7 · (g3а / V3а ) - q8 · ( g2 / V2) + q9·( g4 / V4 )+ M1 ; (6) dg 3 /dt = - (q5 + q7 + q11) · ( g3а / V3а) + q 8 · ( g2 / V2) - q10 ·( g3b / V3b); dg 4 /dt = q 6 ·( g1 / V1) - (q9 + q12) ·( g4 / V4 ) + q11 ·( g3а / V3а) + M2; g3a = 0.1·g3b.

Результаты решения системы уравнений при dgk /dt = 0 в стационарном режиме «А» при С1(А) = 0,05 кг/м3 : z3,4,6 = 1,106; z8 = 1,661; z5,7,11 = 1,204; z10 = 24,072; z9,12 = 1,972 кг/м3. То же в режиме «В» при С1(В) = 0,5 кг/м3: z3,4,6 = 3,031; z8 = 2,756; z5,7,11 = 1,997; z10 = 39,950; z9,12 = 3,520 кг/м3.

Для решения системы (6) на ПК использована встроенная функция rkfixed в системе Mathcad 2001i Professional. На рис.2 показан график (экспонента) изменения во времени содержания Cl- в воде У1 и в выходящих из него потоках.

Рис.2. График перехода во времени узла У1 из стационарного состояния «А» в стационарное состояние «В»: 1 - zk(B); 2 - zk = f(t); 3 - zk(A)

Адекватность модели в стационарных состояниях подтверждена сравнением рассчитанных концентраций компонентов с одновременно определённым их содержанием в воде действующих сложных СПВ. Погрешность в расчетах определяется точностью исходных данных по составу воды, массовым и объемным потокам.

После разработки вариантов общей, принципиальной схемы СПВ предприятия водно-солевого баланса, номенклатуры локальных очистных сооружений, обессоливающих установок и оборотных циклов, взаимосвязей подсистем, их целесообразной перекоммутации, и выбора оптимальной структуры СПВ могут решаться частные задачи для указанных подсистем.

Разработанная модель используется для решения обратных и смешанных задач.

Глава 3 отражает результаты изучения физико-химических и технологических свойств наиболее массовых, экологически опасных, сложных ОМВ и ОМО в оборотных циклах водоснабжения МНЛЗ и АГПМ. Состав и свойства других видов загрязненных технологических вод суспензий, образующихся на металлургических заводах при использовании оборотной воды на ГДП, газоочистках ККЦ, АТОП, и эмульсий технологических вод ЦХП, ТЭСЦ и ТВЦ, достаточно хорошо изучены. Поэтому в данной работе исследования по ним проводились только применительно к использованию для очистки разработанного водоочистного оборудования.

Тремя основными компонентами/фазами изученных ОМВ и ОМО являются вода (дисперсионная среда), окалина (железо разной степени окисленности с неоднородной поверхностью частиц и минеральные примеси) и нефтепродукты (в основном минеральные масла и продукты их окисления, содержащие аполярные углеводороды и гетерополярные соединения). Образование ОМВ и ОМО сопровождается комплексом взаимодействий компонентов: взаимной коагуляцией противоположно заряженных частиц масел и окалины, физической и химической сорбцией нефтепродуктов окалиной, коалесценцией, адгезией и агрегированием первичных частиц. Содержание масел в дисперсной фазе изученных объектов составляет от 1,3 до 25,7%, а в объемном выражении от 0,1:1 до 2:1.

Теоретически могут существовать, включая изученные ОМВ и ОМО, 6 классов микрогетерогенных трехфазных трехкомпонентных систем с жидкой дисперсионной средой, являющихся техногенными продуктами. На основе различной степени гидрофобности/гидрофильности поверхности твердой фазы и полярности/аполярности дисперсионной среды, предлагается объединить трехфазные дисперсии в отдельную группу ЭСС, и дополнить ими общепринятую классификацию Оствальда для двухфазных микрогетерогенных дисперсий – суспензий и эмульсий (рис.3). Из шести классов ЭСС три относятся к прямому типу и соответствуют технологическим водам. Поэтому, с учетом суспензий и эмульсий, возможно существование технологических вод, соответствующих 5 классам. Двухфазные системы являются частными случаями трехфазных, когда содержание одной из дисперсных фаз равно нулю.

На металлургических заводах в данное время известны технологические воды, соответствующие 4 классам из 5 исключая класс С.1. ОМВ и ОМО относятся к ЭСС класса В.I (В/М/Т/В, или Ж1/Ж2/Т/Ж1) с примесями дисперсий прямого типа других классов. Строение и физико-химические свойства таких технологических вод должны способствовать ортокинетической гидрофобной флокуляции дисперсной фазы.

Рис.3. Схема классификации микрогетерогенных систем с жидкой дисперсионной средой (в ячейках приведены классы)

Для проверки этой гипотезы и изучения комплекса свойств ОМВ и ОМО нами предложен метод исследования взаимодействия первичных частиц дисперсной фазы в турбулентном потоке горизонтального отстойника-классификатора (рис.4). При этом за счет гидравлической классификации в аппарате образуется непрерывный спектр осадка, изменяющегося по своим свойствам. Из 10 зон по длине отстойника отбирали пробы осадков ОМО1 ОМО10, где индекс i соответствует номеру зоны аппарата. Кроме указанных фракций, также были получены путем длительного отстаивания осадки исходной (ОМО0) и осветленной (ОМО11) воды, отобранной в точках 0 и 11. При этом ОМО111 ОМО0.

Рис.4. Схема отстойника-классификатора. Номера точек отбора проб осадков и зон: 0 - ОМО0; 1 10 - ОМО1 ОМО10; 11 - ОМО11

В отличие от горизонтального отстойника, в радиальных аппаратах, гидроциклонах и других более современных сооружениях для отстаивания удаляемый осадок полностью смешан, т.е. является ОМО0, что не позволяет непосредственно на нем выполнить такой же эксперимент.

Отмывая от нефтепродуктов осадки, благодаря высокой прочности окалины восстанавливаем исходный гранулометрический состав первичных частиц. Закономерности изменения гранулометрического состава частиц по длине отстойника-классификатора отражают ход во времени предшествующего процесса их агрегирования.

Горизонтальный вторичный отстойник оборотного цикла НТПА не оборудован камерой флокуляции, но имеет асимметричный сосредоточенный подвод воды, что создает в его корпусе повышенные турбулентность и градиент скорости перемешивания. По-существу, весь объем аппарата является камерой флокуляции. При движении воды вдоль аппарата одновременно происходят градиентная и гравитационная флокуляция первичных частиц, седиментация и гидравлическая классификация образующихся агрегатов. Из-за невысокого значения градиента скорости флокуляционного перемешивания (G2) процесс агрегирования частиц, в соответствии со смыслом критерия Кэмпа (К = G2Т2), растянут во времени (Т2) и, соответственно, по длине аппарата.

Во всех пробах осадка дисперсный состав частиц окалины соответствует ЛНР (рис.5) с параметрами: 0,5 - медиана распределения и lg - среднее квадратичное отклонение логарифмов диаметров от их среднего значения:

. (7)

В отличие от результатов других исследователей, анализ гранулометрического состава осадков по предложенной методике позволил установить значительную способность дисперсной фазы ОМВ к гидрофобной флокуляции: уже в ОМО1 присутствует большое количество (10%) мелких первичных частиц размером 6 20 мкм, которые при индивидуальном осаждении не могут задерживаться даже в конце отстойника. Однако, в ОМО1, содержащем самые крупные частицы, практически отсутствуют наиболее мелкие с размером менее 6 мкм, что не согласуется с положением теории кинетики коагуляции, разработанной для суспензий, о наибольшей скорости агрегирования частиц с максимально отличающимися размерами. Эти, наиболее мелкие частицы ( 6мкм), вошли в состав осадков со значительно меньшей максимальной и средней крупностью частиц. Так, содержание наиболее мелких частиц в ОМО10 достигает 14%, хотя крупные частицы в нем практически отсутствуют, поскольку осаждаются в начале отстойника.

 Интегральная функция ЛНР массы-7 Рис.5. Интегральная функция ЛНР массы частиц твердой фазы осадков ОМО0 ОМО11 и капель эмульсии масел (график 12 пример) в логарифмически вероятностных координатах

В то же время (рис.6, кривая 1.1, зона «А»), увеличение до максимума показателя разброса размеров частиц (lg ) в первых осадках ОМО1 ОМО3, по отношению к исходному ОМО0, в котором процесс флокуляции еще не начался, отвечает теоретическому представлению о положительном влиянии различия размеров частиц на скорость их взаимодействия.

 Зависимость lg , 0,5 и Sв от OМОi -8 Рис.6. Зависимость lg , 0,5 и Sв от OМОi

В этих зонах выбывание из сферы взаимодействия в осадок существенно отличающихся по размерам частиц, особенно - наиболее крупных, приводит к быстрому уменьшению lg, т.е. к уменьшению полидисперсности (увеличению однородности) системы, и, поэтому, к снижению потенциала флокуляции за счет фактора уменьшения разности размеров частиц в последующих зонах. Это отражается в малой величине lg для ОМО4 ОМО11 и в медленном ее изменении, т.е. в замедлении скорости агрегирования частиц. Общая тенденция отражается кривой 1.2 и уменьшением угла наклона линий графиков на рис.5 при переходе от ОМО1 к ОМО11.

Описанные результаты можно объяснить тем, что теоретическое положение о максимальной скорости слипания в суспензиях частиц с наиболее отличающимися размерами не является абсолютным, по крайней мере, для изучаемой ЭСС.

На рис.7 величина удельной поверхности твердой фазы, определенная по методу воздухопроницаемости Sв и по методу седиментации Sс, а также содержание масел в дисперсной фазе, как и следовало ожидать, снижаются от ОМО0 к ОМО1, а затем монотонно возрастают до ОМО11.

Соответственно, в противофазе с ними изменяется 0,5. Многоэкстремальный характер изменения lg (рис.6) и колебания значений Sв, S с, См и (рис.7) по зонам отстойника отражают неравномерность распределения скорости потока, особенно на входе в отстойник. Большая величина фактора формы (1,59 7,73), показывающая анизометричность частиц окалины, способствует процессу их агрегирования и объясняет большое различие между величинами Sв и Sс. Рост показывает увеличение доли мелких пластинчатых частиц окалины, получаемых измельчением поверхностных, наиболее окисленных и хрупких слоев железа при обжиме нагретого металла в клетях прокатного стана.

 Зависимость параметров См, Sв, Sс и-9 Рис.7. Зависимость параметров См, Sв, Sс и от OМОi


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.