Дослідження режиму промивки фільтрів з плаваючою засипкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження режиму промивки фільтрів з плаваючою засипкою

Мінаєва Н.Л., аспірант, (Національний університет водного господарства і природокористування, м. Рівне)

Проведено аналіз існуючих формул та отримана нова залежність для визначення змінної величини поруватості плаваючого зернистого фільтрувального матеріалу.

It was realizationg thorough analysis of existence formulas and was getting a new functional dependence for measuring a changing value of porous floating granular material.

Звичайно промивка фільтрів з плаваючою засипкою проводиться низхідним потоком промивної води з над фільтрового простору корпусу фільтра. При малих значеннях швидкості руху води цей процес можна розглядати як фільтрування в напрямку пониження крупності гранул засипки [1, 2]. При цьому гранули знаходяться в нерухомому стані. Напір води, яка проходить через пори зернистого середовища, частково втрачається на подолання сил тертя, що з'являються на границі вода - поверхня гранул. При досягненні величини падіння гідродинамічного тиску промивної води в засипці, рівному по величині її масі у воді, починається розширення фільтрувального шару, збільшення його пористості і перехід гранул з щільного стану в стан хаотичного руху в визначеному об'ємі.

Після закінчення процесу промивки засипка переходить в щільний стан. При цьому спостерігається гідравлічне сортування гранул: у верхніх шарах розташовуються крупніші, більш легкі гранули полістиролу, а нижніх - важчі, більш мілкі. Після промивки і ущільнення засипки фільтр переводять в режим фільтрування.

Зимон А.Д. [3] дає формулу за якою визначається швидкість потоку при якій проходить відрив часток

фільтр промивка плаваючий засипка

(1)

де ? - густина води,

d - діаметр часток;

?Т - коефіцієнт тертя;

Сх - коефіцієнт опору часток потоку;

Fу - сила, що утримує частку на поверхні.

З формули слідує, що фільтрувальні засипки, які краще затримують завись і мають більші значення коефіцієнтів ?Т і Fу - потребують більшу швидкість відриву часток. Тобто, при більших коефіцієнті форми зерна і висоти виступів потрібна більша швидкість. Значення коефіцієнту опору часток потоку Сх та сили, що утримує частку на поверхні Fу залежать від фізико-хімічних властивостей зерен засипки. Визначення їх числових значень це дуже складний процес, що проходить в лабораторних умовах.

В подальшому було запропоновано наступну залежність для вивчення і характеристики розширення зернистих метеріалів в процесі промивки [4, 5].

(2)

де ? - поруватість зернистого шару;

Rе - критерій Рейнольдса:

(3)

Аr - критерій Архімеда

(4)

v - швидкість руху промивної води;

? - кінематичний коефіцієнт в'язкості промивної води;

?в, ?п - густина води та питома маса спінених гранул полістиролу;

g - прискорення земного тяжіння;

d - діаметр спінених гранул полістиролу.

Для фільтрів із засипкою з плаваючих фільтрувальних матеріалів особливістю є те, що швидкість промивної води достатньо визначати тільки за значенням відносного розширення [6]. Вимиті із частково розширеного шару забруднення осідатимуть під дією гравітаційної сили навіть за мінімального значення швидкості руху промивної води. За такої умови проблема транспортування вимитих із фільтруючого шару забруднень дуже спрощується.

Після перетворень та вирішення рівняння дослідники наводять наступну залежність для визначення параметра ?:

(5)

Приведена залежність дозволяє визначити поруватість зернистого середовища в широкому діапазоні зміни його стану - від початку розширення і до моменту переходу його в стан витання.

Існує інший різновид залежності (6.39) запропонований Тодесом [5], що через свою відносну простоту набув найбільшого поширення:

(6)

Проте це рівняння досить недосконале і потребує доопрацювання. Так було запропоновано змінити показник степеня загального виразу на число 0,18:

(7)

Чим більша швидкість потоку (інтенсивність промивки), тим більше розширюється засипка та більше її відносне розширення. Відношення між висотою розширеного шару та початковим її значенням можна записати [6]:

(8)

де L - висота засипки після розширення;

L0 - висота засипки в щільному стані;

?, ?0 - змінна та початкова величина поруватості плаваючого зернистого шару. Для пінополістиролу ?0=0,43

За цих умов запишемо значення змінної величини поруватості ?:

(9)

Для кожної крупності зерен існує оптимальна інтенсивність промивки і відносне розширення засипки, при яких буде найкращий ступінь відмивання зерен фільтруючого шару.

З метою обґрунтування застосування та коригування формул (5 - 7) проведемо ряд досліджень по визначенню залежності відносного розширення пінополістирольної засипки від інтенсивності промивки у лабораторних умовах.

Дослідження по визначенню відносного розширення плаваючої фільтрувальної засипки проводилися на фільтрувальній колонці (рис.1), що складається з фільтрувальної колонки 2 висотою 2 м та діаметром 150 мм, трубопроводів подачі 1 та відводу промивної води 5, утримуючої решітки 3 та пінополістирольної засипки 4.

В якості фільтрувальної засипки використовувався спінений у промислових умовах полістирол з еквівалентним діаметром dе=1,246 мм і насипною густиною ?п=70 кг/мз. Досліди проводилися в двох режимах: при постійному та змінному напорах. Тобто, в першому випадку висота шару води над утримуючою решіткою практично не змінювалася в процесі промивки і становила не менше як 0,5 м. В другому випадку, при промивці подача вихідної води перекривалася і напір над решіткою поступово зменшувався до 0.

В табл.1 подані результати визначення відносного розширення пінополістирольної засипки з dе=1,246 мм при різних значеннях інтенсивності промивки у лабораторних умовах.

Рис. 1. Схема та фото установки для дослідження процесу промивки пінополістирольної засипки 1 - подача вихідної води; 2 - фільтрувальна колона; 3 - утримуюча решітка; 4 - фільтрувальна засипка; 5 - труба відводу промивної води; 6, 7 -засувки на крані підводу вихідної води та відводу промивної води

Таблиця 1. Результати дослідження процесу промивки

Крім того, при підстановці таких же інтенсивностей промивки у формули (5 - 7) було пораховано значення поруватості зернистого шару ?, а за формулою (9) визначене відносне розширення засипки для всіх трьох випадків. Отримані результати приведені в табл.2.

Для даного випадку значення критерію Архімеда становить

Таблиця 2. Результати визначення поруватості зернистого шару ? та відносного розширення пінополістиролу з dе=1,246 мм і ?п=70 кг/мз за теоретичними формулами

Як бачимо, розрахунки виконані за формулою (5) зовсім не співпадають із лабораторними значеннями ?макс=24,3...120,1 %. Найкращу схожість із результатами, що були отриманні при дослідженні в лабораторних умовах, дає формула (6), проте і в такому випадку результати не є досить коректними. Для коректування формули (6) методом підбору визначимо такий показник степеня загального виразу, при якому результати, отримані при розрахунках будуть максимально наближені до реальних.

Таблиця 3. Визначення відносного розширення пінополістирольної засипки при різних значеннях показника степеня у формулі (6)

Для порівняння отриманих результатів на рис.2 покажемо графіки залежності відносного розширення засипки від інтенсивності промивки, отримані в лабораторних умовах та розраховані за формулою (6) при різних показниках степеня загального виразу.

З графіків видно, що пряма, яка характеризує зміну відносного розширення пінополістиролу від інтенсивності промивки при постійному напорі в лабораторних умовах майже співпадає з прямою, що відповідає значенню показника степеня 0,185. Проте, для прямої, що характеризує дану залежність при змінному напорі у лабораторних умовах, найбільш близькою є графік, що відповідає показнику степеня 0,195.

Рис. 2. Графіки залежності відносного розширення засипки від інтенсивності промивки, отримані в лабораторних умовах та розраховані за формулою (6) при різних показниках степеня

Оскільки, в більшості випадків промивка фільтрів з плаваючою засипкою проводиться із змінним напором води над утримуючою решіткою, тому найбільш коректною формулою для визначення змінної величина поруватості плаваючого зернистого шару, є наступна:

 (10)

В результаті проведених досліджень отримана емпірична формула для визначення змінної величини поруватості плаваючого зернистого шару, яка є досить простою та зручною у користуванні. Вона була отримана з існуючих залежностей шляхом коригування показника степеня загального виразу та перевірена в лабораторних умовах. При використанні наведеної формули результати визначення відносного розширення пінополістирольної засипки найповніше співпадають з експериментальними даними (??±4 %).

Література

1. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю.. Пінополістирольні фільтри в технологічних схемах водопідготовки. - Рівне: РДТУ, 1999. - 144с.

2. Орлов В.О. Водоочисні фільтри із зернистою засипкою. Монографія - Рівне: НУВГП, 2005. - 163 с.

3. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. - М.: Химия, 1976. - 432 с.

4. Девидсон И.Ф., Харрисон Д. Псевдоожижение твердых частиц. М.: Химия, 1965. - 465 с.

Размещено на Allbest.ru