трусики женские украина

На головну

 Фільтрування води - Хімія

Фільтрування води

Сутність процесу, класифікація фільтрів за принципом дії

У переважній більшості технологічних схем водопідготовки завершальним процесом є фільтрування, в ході якого з води витягуються не тільки дисперсії, але й колоїди. У цьому полягає відмінність методу фільтрування від усіх методів попереднього очищення води.

Суть методу полягає в фільтруванні оброблюваної води, що містить домішки, через фільтруючий матеріал, проникний для рідини і непроникний для твердих частинок. При цьому процес супроводжується значними витратами енергії. Однак, допускати великі втрати напору в техніці водоочистки можна лише при обробці невеликих кількостей води. Це визначає місце фільтрувальних споруд в технологічній схемі, т. Е. В більшості випадків фільтрування є завершальним етапом обробки води і виробляється після її попереднього освітлення у відстійниках, флотатори або освітлювачах.

При пропуску води через шар зернистого матеріалу залежно від заряду і співвідношення розмірів домішок води і зерен фільтруючого завантаження може відбуватися три види фільтрування:

1) затримання домішок на поверхні фільтруючого шару (плівкове фільтрування) описується формулою Хазена ? = 0,01 (v * d3) 0.5, де ? - діаметр найменших затримуваних частинок, мм; d3- ефективний діаметр зерен завантаження, мм; v - швидкість фільтрування до 10 м / год;

2) затримання домішок в порах фільтруючого шару (об'ємне фільтрування);

3) одночасне утворення домішками плівки і їх відкладення в порах завантаження. У більшості випадків на сучасних фільтрах плівка не утворюється і домішки разом з водою проникають в товщу фільтруючого шару, при цьому глубінa проникнення забруднень в товщу завантаження тим більше, чим більше швидкість фільтрування, крупніше зерна фільтруючого шару і чим менше розміри частинок суспензії, що витягають із води (рис. 12.1). Плівкове фільтрування лежить в основі роботи повільних фільтрів. Це процес чисто механічного вилучення з води диспергованих домішок. В основі об'ємного фільтрування лежить попереднє коагулирование домішок води з метою зменшення або ліквідації їх заряду. Так як при звичайних значеннях рН вихідної води поверхню зерен фільтруючого матеріалу і частинки домішок води несуть негативний заряд, зваж в порах фільтруючого шару затримується погано. Отже, в основі об'ємного фільтрування лежать процеси адгезії скоагульованого домішок на поверхні зерен фільтруючого шару і суффозии, т. Е. Відриву раніше прилиплих частинок і перенесення їх гідродинамічними силами потоку в нижні шари завантаження.

Водоочисні споруди, на яких здійснюється процес фільтрування, називають фільтрами. Фільтри з вигляду фільтруючого середовища ділять на тканинні або сітчасті, каркасні або намивні (діатомові), зернисті (піщані, керамзитові та ін.). З перерахованих вище трьох груп фільтрів найбільш значною є остання. Фільтри цієї групи в техніці водопостачання застосовують найбільш широко. фільтри з зернистим завантаженням можна класифікувати за низкою основних ознак: 1) по швидкості фільтрування - повільні (0,1 ... 0,3 м / ч), швидкі (5 ... 12 м / ч) і надшвидкісні (36 .. . 100 м / ч); 2) по тиску, під яким вони працюють, - відкриті (або безнапірні) і напірні, 3) за напрямком фільтруючого потоку - однопоточні (звичайні швидкі фільтри), двопоточні (фільтри АКХ, ДДФ), багатопотокові; 4) по крупності фільтруючого матеріалу - дрібно-, середньо- і грубозернисті; 5) за кількістю фільтруючих шарів - одно-, дво- і багатошарові. Пристрій відкритого швидкого фільтра площею до 30 м2показано на рис. 12.2. Минулий передочистку вода надходить у бічну кишеню, а з нього - в резервуар фільтра. Висота шару води над поверхнею завантаження повинна бути не менше 2 м. У процесі фільтрування вода проходить фільтруючий і підтримує шари, а потім надходить у розподільчу систему і далі в резервуар чистої води. Максимальна втрата напору у фільтруючому завантаженні допускається 3 ... 3,5 м. Під час промивки фільтра промивна вода подається в розподільну систему і далі знизу вгору в фільтруючий шар, який вона розширює (зважує). Дійшовши до верхньої кромки промивних жолобів, промивна вода разом з вимитими нею з фільтруючого матеріалу забрудненнями переливається в жолоби, а з них в бічну кишеню і відводиться на спорудження обороту промивної води.

Розрахункову швидкість фільтрування f = 6 ... 10 м / ч, товщину шару одношарової фільтруючого завантаження h = 0,7 ... 2,0 м, тривалість 5 ... 7 хв і інтенсивність промивки ш = 12 ... 18 л ./(с*м2) приймають у відповідності зі Сніпом залежно від крупності зерен фільтруючого завантаження 0,5 ... 2,0 мм. Фільтруючий шар виконують з відсортованого зернистого матеріалу, що задовольняє санітарним вимогам в володіє достатньою хімічною стійкістю і механічною міцністю (кварцовий пісок, подрібнений антрацит, горілі породи, керамзит, керамічна крихта, доменні шлаки, Подрібнений мармур, полімери та ін.). Підтримуючий шар з гравію або щебеню висотою 0,45 ... 0,55 з значущістю зерен 2 ... 40 мм, на якому лежить фільтруюча завантаження, укладають для того, щоб невеликий фільтруючий матеріал не вимивався з фільтруючого шару і не перелітав разом з фільтрованої водою через отвори розподільної системи. Недоліком підтримуючих шарів є можливість їх зміщення при промивці, що порушує їх горизонтальність і в кінцевому рахунку порушує роботу фільтра. Розподільна (дренажна) система є важливим елементом фільтра. Вона повинна збирати і відводити профільтровану воду без виносу зерен фільтруючого матеріалу ц при промиванні рівномірно розподіляти промивну воду за площею фільтра. В даний час повсюдно застосовують розподільні системи великого опору. Рівномірність розподілу промивної води по площі в таких системах досягається внаслідок великого опору руху води через прохідні отвори.

Рис. 12.2. Схема відкритого (безнапірного) швидкого фільтра з боковим кишенею (а) і бічним відведенням промивної води (б).

7 - розподільна система: магістральна труба (або канал) і перфоровані відгалуження; 6 - підтримуючий шар гравію (щебеню); 5 - фільтруюча завантаження (кварцовий пісок, керамзит, шунгізіт та ін.); 3 - водозбірні жолоби; 4 - воздушнік; 2 - бічний кишеню; 1, 8 - подача вихідної води і відведення фільтрату; 9, 10 - подача і відведення промивної води; 11 - водостік; 12 - колпачковая розподільна (дренажна) система.

Промивання швидких фільтрів проводиться зворотним струмом профільтрованою води шляхом її подачі під напором в піддоні простір або в дренажну трубчасту систему. Промивна вода, проходячи зі швидкістю, в 7 ... 10 разів більшою, ніж швидкість фільтрування, через фільтруючу завантаження знизу вгору, піднімає і зважує її. Зерна розширився піску, хаотично рухаючись, соударяются один з одним, при цьому налиплі на них забруднення оттираются і потрапляють в промивну воду, яка збирається і видаляється збірними жолобами, розташованими над поверхнею фільтруючого завантаження, у водостік. Жолоби розташовують на такій висоті Нж, щоб в них потрапляли тільки вимиті з піску забруднення, але не пісок.

Теоретичні основи очищення води фільтруванням через зернисті матеріали

З відомих теорій процесу очищення води фільтруванням найбільше визнання отримала теорія Д. М. Мінца, яка експериментально підтверджена і впроваджена. На основі цієї теорії розроблена методика технологічного аналізу процесу фільтрування, що дозволяє визначати параметри процесу і використовувати їх для оптимізації режиму роботи фільтрувальних споруд.

Відповідно до теорії Д. М. Мінца, при русі води, що містить зважені частинки, через зернисту завантаження фільтрувальних апаратів останні затримуються завантаженням і вода освітлюється. Одночасно в товщі завантаження накопичуються забруднення, внаслідок чого зменшується вільний об'єм пор, збільшується гідравлічний опір завантаження. Зростання гідравлічного опору призводить до зростання втрати напору в завантаженні.

Витяг домішок з води і їх закріплення на зернах фільтруючого завантаження відбувається під дією сил адгезії. Осад, що накопичується у завантаженні із затриманих домішок, має вельми неміцну структуру. Під впливом гідродинамічних сил потоку ця структура руйнується і деяка частина раніше прилиплих частинок відривається від зерен завантаження у вигляді дрібних пластівців і переноситься в наступні шари завантаження (суфозія), де знову затримується в порових каналах. Отже, освітлення води в зернистою завантаженні слід розглядати як сумарний результат двох протилежних процесів: процесу адгезії і процесу суффозии. Освітлення води в кожному елементарному шарі завантаження відбувається до тих пір, поки інтенсивність прилипання частинок перевищує інтенсивність їх відриву. У міру накопичення осаду інтенсивність відриву частинок збільшується. Кінетика прилипання і відриву частинок визначає хід процесу освітлення води по товщині шару фільтруючого завантаження і в часі (рис. 12.3, де показані криві зміни концентрації суспензії у воді по висоті завантаження). Кожна крива відноситься до певного моменту часу. Крива 1 характерна для початкового періоду процесу після того, як перші порції фільтрованої води пройдуть через шар завантаження, а крива 4 - граничному насиченню завантаження осадом. Крива 1 показує, як змінюється концентрація суспензії у воді по висоті завантаження товщиною хатолько під дією сил прилипання.

У міру накопичення осаду у завантаженні явище відриву раніше прилиплих частинок починає проявлятися все більш помітно. Характер кривих змінюється (рис. 12.3, криві 2, 3, 4). Вони показують, що роль шарів завантаження, розташованих поблизу від поверхні, в осветвленіі води зменшується. Після тривалої роботи фільтра насичення цих шарів осадом стає граничним і вони перестають освітлювати воду. На графіку (рис. 12.3, крива 4) відзначена товщина ділянки завантаження * нас, яка знаходиться в стані граничної насичення до цього часу роботи апарату. У міру насичення верхніх шарів завантаження зростає роль нижче розташованих, а товщина завантаження, необхідна для вилучення з води суспензії, збільшується. Потім настає такий момент, коли вся товщина завантаження недостатня для забезпечення необхідного ступеня освітлення води і концентрація суспензії на виході з завантаження починає зростати (рис. 12.3, крива 4). Час, протягом якого завантаження здатна освітлювати воду до необхідного ступеня, називається часом захисної дії завантаження. До Досягнення цього часу на виході з завантаження отримують воду належної якості. Після закінчення часу захисного Дії якість фільтрату починає швидко погіршуватися (рис. 12.4).

Рис. 12.3. Кінетика освітлення води фільтруванням через зернисту завантаження

Однією з основних завдань вивчення закономірностей процесу освітлення води фільтруванням є знаходження часу захисної дії завантаження. Виділимо в моделі фільтра елементарний шар завантаження товщиною ?х на відстані х від її поверхні (рис. 12.5). До верхнього перетину шару площею дорівнює одиниці, підходить вода з масовою концентрацією часток С1а через нижнє перетин вона виходить із шару з концентрацією С2. Зменшення концентрації частинок в елементарному шарі становить

Рис. 12.4. Кінетику освітлення води в часі

Похідна ДС / дх є градієнт концентрації, т. Е. Зміна її на одиницю товщини шару. Градієнт концентрації виражений приватної похідної, так як концентрація часток в кожному перетині залежить від двох змінних: х - відстані від поверхні шару н t - тривалості фільтрування. Знак мінус в рівнянні (12.1) вказує на зменшення концентрації зі збільшенням відстані х від поверхні шару. Ефект освітлення води розглядаємо як результат двох протилежних явищ - вилучення часток з води внаслідок їх прилипання до зерен завантаження і відриву раніше прилиплих частинок під впливом гідродинамічного впливу потоку. Тоді зниження концентрацій частинок на ділянці Ах може бути виражене рівністю

Рис. 12.5. Фільтрувальна колона

де ?C1- зменшення концентрації частинок за рахунок їх прилипання; ?С2- збільшення концентрації за рахунок відриву частинок.

Зниження концентрації частинок за рахунок їх прилипання може бути прийняте пропорційним середньої концентрації частинок в обсязі виділеного шару С і воно пропорційно товщині шару Пекло;

(12.3)

де b - параметр фільтрування, що визначає інтенсивність прилипання частинок і залежить від умов фільтрування.

Зростання концентрації за рахунок відриву раніше прилиплих частинок може бути прийнятий пропорційно кількості накопичився до даного моменту часу осаду р Ах. Крім того, обернено пропорційний кількості води, що проходить через шар за одиницю часу:

(12.4)

де р - щільність насичення завантаження осадом, т. е. масове кількість осаду, що накопичилося до даного моменту часу в одиниці об'єму елементарного шару завантаження; а - параметр фільтрування, що визначає інтенсивність відриву частинок і залежить від умов фільтрування; v - швидкість фільтрування.

Підставивши значення ?C, ?С1і ?С2в рівність (12.2), одержимо

(12.5)

Рівняння (12.5) є основним рівнянням, що відображає специфіку процесу фільтрування суспензій через зернисту завантаження. У рівняння (12.5) входять дві залежні змінні величини Сі ?, тому одного цього рівняння недостатньо для опису процесу.

Другим, доповнюючим його рівнянням є рівняння балансу речовини. Через поперечний переріз виділеного шару з одиничною площею за одиницю часу проходить об'єм води, рівний швидкості фільтрування. Отже, масове кількість речовини задерживаемого шаром, так само

(2.6)

Видобувні шаром з води частинки утворюють осад на зернах шару, що накопичується в ході процесу. Кількість відкладень в шарі товщиною ?x; становить ? * ?х, а швидкість накопичення відкладень в шарі або кількість речовини, що накопичується в ньому за одиницю часу t, одно

(12.7)

Прирівнюючи вирази (12.6) і (12.7), одержимо

'

Диференціальне рівняння (12.8) є рівнянням балансу речовин. Воно показує, що кількість речовини, витягнутого шаром Ах з води за одиницю часу, дорівнює кількості накопичився в цьому шарі речовини за той же проміжок часу.

Диференціюючи рівняння (12.5) за часом і враховуючи рівняння балансу (12.8), одержимо

(12.9)

Це рівняння в диференціальної формі описує кінетику процесу освітлення при фільтруванні суспензій. Аналогічно рівнянню (12.9) одержимо диференціальне рівняння для щільності насичення

(12.10)

описує в диференціальної формі процес зміни щільності насичення фільтруючого завантаження осадом по її висоті з плином часу. Вирази (12.9) і (12.10) інтегруються, але рішення виходить у вигляді нескінченного ряду і його важко використовувати для практичних розрахунків, які спрощуються, якщо скористатися критеріями подібності для процесу освітлення, одержуваними з аналізу диференціального рівняння (12.9). З цією метою перетворимо рівняння (12.9), ввівши безрозмірне відношення миттєвої концентрації до початкової концентрації частинок у воді, що надходить на фільтр: У = С / С0. Тоді

Підставляючи ці значення в рівняння (12.9) і скорочуючи по-стояти множник С0, отримаємо

(12.11)

Введемо тепер нові незалежні безрозмірні змінні

X = bx, Т = at (12.12)

Підставляючи ці значення в рівняння (12.11) і скорочуючи постійні множники а й b, отримаємо

(12.13)

У рівняння (12.13) на відміну від вихідного рівняння (12.9) безпосередньо не входять параметри фільтрування а і Ь, які характеризують форми протікання процесу. Отже, воно є загальним для всього різноманіття умов протікання процесу фільтрування.

Безрозмірні змінні X і Т встановлюють подобу протікання процесу освітлення при різних умовах і є критеріями подібності. Зміна концентрації суспензії у воді при її русі через зернистий шар визначається тільки значенням цих критеріїв, т. Е.

(12.14)

Для процесів, що протікають подібно, масштабні множники зазвичай визначають методами теорії розмірностей. Узагальнена крива С / С0 = f1 (Х ') при Т' = const, яка дає одночасно уявлення про вплив на хід процесу товщини фільтруючого шару, швидкості фільтрування та розміру зерен завантаження. Вона показує, що якість фільтрату залежить від перерахованих факторів лише на певній ділянці значень X. При досить великих значеннях X зміна цих факторів практично не впливає на якість фільтрату. Тому для отримання стійкого ефекту освітлення води фільтрувальні апарати Повинні працювати в області достатньо великих значень X. При цьому умови збільшення швидкості фільтрування в певних межах не викличе погіршення якості фільтрату. Узагальнена крива С / С0 = / 2 (Т ') при X' = const. Як видно з суміщеного графіка, необхідний ефект освітлення зберігається на певному інтервалі значень Т. Використовуючи теорію розмірностей, значення критеріїв X і Т знаходимо з виразів X '- x / (v7d1'7)

(12.15)

З рівняння (12.14) можна зробити висновок, що при С / С0 = = const між критеріями X і Т повинна існувати однозначна залежність. Експериментальні дані показують, що така залежність дійсно існує і виражається прямою лінією

Рис. 12.6. Узагальнений графік C / C0 = fl (X ')

X '= kT' + X'0, Тангенс кута нахилу прямої лінії k і відрізок, що відсікається на осі ординат Хо ', є параметрами фільтрування, значення яких при певному заданому значенні С / С0завісят від фізико-хімічних властивостей води і суспензії. Їх визначають експериментально. Залежність (12.16) має важливе практичне значення, так як вона встановлює зв'язок між часом захисної дії завантаження, товщиною її шару, розміром її зерен і швидкістю фільтрування.

Рис. 12.7. Узагальнений графік С / С0 =? Г (Г)

Підставляючи значення X 'і Т' з (12.15) у вираз (12.16), отримаємо

Або

де t3- тривалість захисної дії зернистого завантаження; х - товщина шару завантаження; k і х0- константи, значення яких залежать тільки від необхідного ефекту освітлення С / Со (приймаються за номограммам Д. М. Мінца); Комерсант - параметр, що характеризує інтенсивність прилипання; alb - параметр, що характеризує швидкість проникнення суспензії в. глиб завантаження.

З виразу (12.17) випливає, що час захисної дії завантаження зростає із збільшенням товщини її шару і зменшується із зростанням швидкості фільтрування та розміру зерен завантаження. Рівняння (12.18) пов'язує час захисної дії завантаження з параметрами кінетики процесу фільтрування, а / b і b. Досвід свідчить, що в неоднорідних загрузках фільтрувальних апаратів час захисної дії залежить від еквівалентного діаметра зерен, значення якого і повинно враховуватися при розрахунках за формулами (12.17) і (12.18).

Осад, що утворюється в зернистою завантаженні при фільтруванні води, змінює поперечний переріз і форму порових каналів, т. Е. Геометричну структуру пористого середовища. З теорії фільтрування однорідних рідин відомо, що геометрична структура пористого середовища робить істотний вплив на її гідравлічний опір. Тому при накопиченні осаду гідравлічний опір зернистого шару змінюється і втрати напору в ньому ростуть. Для встановлення основних закономірностей приросту втрати напору необхідний облік характеру зміни геометричної структури зернистого шару при накопиченні в ньому осаду.

Геометричну структуру зернистого шару характеризують його пористістю і сумарною поверхнею стінок порових каналів в одиниці об'єму шару. Ці величини входять у вираз для гідравлічного ухилу. Вони змінюються при накопиченні осаду в шарі. При фільтруванні води через зернистий шар гідравлічний ухил (втрати напору на одиницю довжини) дорівнює

де г] - в'язкість води; v - швидкість фільтрування; ах- сумарна поверхня стінок порових каналів в одиниці об'єму шару; п - пористість шару.

Позначимо гідравлічний ухил, поверхня порових каналів і пористість шару в початковий момент фільтрування через t0; а0і по, а в момент часу t - i, а, пі підставимо у вираз (12.19), отримаємо

Зіставляючи відношення (12.19) і (12.20), одержимо

У міру замулення завантаження її пористість зменшується. Що ж стосується характеристики поверхні порових каналів, що омивається потоком, то тут спостерігаються дві протилежні тенденції. З одного боку, зерна фільтруючого шару поступово обростають адсорбованими частинками суспензії і укрупнюються в обсязі, що призводить до збільшення поверхні, що омивається потоком.

З іншого боку, відкладення на кожному зерні, розростаючись, з'єднуються між собою. На окремих ділянках порового простору, в яких раніше відбувався рух води, утворюється "мертва зона", де рух води відсутня. Це призводить до зменшення поверхні, що омивається потоком рідини. У середньому відношення може бути прийняте рівним одиниці.

Тоді допустимо в першому наближенні знехтувати зміною поверхні і вираз (12.21) трансформувати в

Позначимо обсяг осаду, який накопичився в одиниці об'єму завантаження, через Ап (питома обсяг осаду). Враховуючи, що

п = п0-? П, (12.23)

формулу (12.22) можна переписати у вигляді

або

де V = ?n / n0- обсяг осіла маси частинок в одиниці об'єму порового простору.

Позначивши масову концентрацію частинок в одиниці об'єму осаду через у, отримаємо

(12.26)

де ?- щільність насичення (масове кількість осаду в одиниці об'єму зернистого шару).

Втрата напору в шарі однорідної зернистої завантаження при фільтруванні суспензії

(12.27)

де L - товщина шару.

Підставляючи в (12.27) значення i за формулою (12.24) і Ал за формулою (12.26), одержимо

Безпосереднє використання виразу (12.28) важко, так як щільність насичення ? змінюється не тільки по висоті шару, але і в часі згідно рівняння (12.10). Рішення рівняння (12.10) показує, що відношення щільності насичення в будь-який момент часу і в будь-якому перетині завантаження до граничної щільності насичення залежить тільки від значень безрозмірних критеріїв (12.12), т. Е.

(12.29)

Замінюючи ? в формулах (12.25) і (12.28) його значеннями з формули (12.29), одержимо

(12.30)

(12.31)

(12.32)

Величина А є самостійною фізичною характеристикою процесу фільтрування і являє собою гранично можливу в даних умовах насиченість порового простору відкладеннями або ставлення граничного питомої обсягу осаду до початкової пористості чистої завантаження. Вираз (12.30) вказує на зв'язок між граничною наторії знаходиться в стані граничної насичення, при цьому ф = 1 і

(12.33)

З (12.33) випливає, чим більше гранична насиченість, тим більше граничний гідравлічний ухил, а отже, і гідродинамічні сили, які впливають на структуру осаду. Отже, граничний гідравлічний ухил і гранична насиченість характеризують міцність осаду.

Втрата напору в шарі фільтруючого завантаження товщиною х в момент часу t може бути визначена з використанням інтеграла (12.31) і заміною його сумою

Приріст втрати напору дорівнює різниці між втратою напору в замуленій завантаженні і початкової втратою в чистій завантаженні, а, саме:

(12.35)

Втрата напору в будь-якому фільтруючому шарі і її приріст залежить від товщини шару. Однак, при досить великій товщині шару приріст втрати напору буде визначатися тільки розподілом осаду по товщині шару в часі. Такий шар працює в автомодельної області. Розглянемо закономірності зміни втрати напору в шарах, що працюють в автомодельної області. Помноживши ліву і праву частини рівності (12.35) на параметр b і розділивши на i0, отримаємо

(12.36)

Підсумовування виробляємо по інтервалах значень ?х, причому для кожного інтервалу приймаємо середнє значення функції Ф, яка являє собою відношення середнього для Даного інтервалу значення щільності насичення до граничної щільності насичення. При дотриманні умови автомодельності комплекс hb / i0не залежить від критерію X, а тільки від розподілу осаду по інтервалах значень х і від критерію Т, зі зміною якого змінюється розподіл осаду. Тому в автомодельної області

(12.37)

Отже, безрозмірний комплекс hb / i0является новим критерієм подібності процесу фільтрування. Він являє собою узагальнену втрату напору, так само як критерій X - узагальнену товщину фільтруючого шару, а критерій Т - узагальнену тривалість фільтрування. Якщо відома величина h * b / i0прі певних значеннях втрати напору, параметра b та початкової гідравлічного ухилу i0, то простим перерахуванням можна визначити втрату напору при інших значеннях b і 10, при збереженні умови

(12.38)

При різних умовах проведення процесу фільтрування властивості домішок, швидкість фільтрування, крупність зерен завантаження будуть різними. Тому різним буде і приріст втрати напору за певний проміжок часу, однак рівним значенням Т і А відповідають рівні значення комплексу h * b / i0.

Рис. 12.8. Узагальнений графік зростання втрати напору

Це свідчить про можливість побудови графіка залежності hb / i0от критерію Т і параметра А, який може бути використаний для визначення втрати напоравлюбом розглянутому випадку. Подібний графік (рис. 12.8) побудований на підставі розрахунків за формулою (12.35) з використанням рівняння (12.10). Графік дозволяє визначити приріст втрати напору у фільтрі в будь-який момент часу, якщо відомі параметри процесу фільтрування a, b і А, а також гідравлічний ухил t0. Узагальнений графік (рис. 12.8) відтворює характер зміни втрати напору.

Для спрощення розрахунків можна з достатнім ступенем точності припустити, що з самого початку процесу темп приросту втрати напору не змінюється, т. Е.

(12.39)

де F (A) - тангенс кута нахилу прямолінійної ділянки графіка (рис. 12.9) залежить тільки від величини граничної насиченості.

Рис. 12.9. Значення функції F (Л)

Підставляючи значення Т = а * t в рівняння (12.39), одержуємо формулу для розрахунку темпу приросту втрати напору

(12.40)

При лінійному прирості втрати напору в процесі фільтрування його тривалість до моменту досягнення граничної втрати напору tHравна

де Япр- гранично допустима втрата напору в завантаженні фільтра, обумовлена ??висотної схемою споруд. З урахуванням залежності (12.40) маємо

Рівняння (21.41) і (12.42) застосовні тільки до однорідних за розміром зерен завантаженнях.

Але в реальних фільтрах ми маємо справу з неоднорідними завантаженнями, фракції яких хоча і перемішані один з одним, але так, що середній діаметр зерен кожного горизонтального шару поступово збільшується від шару до шару в напрямку від поверхні завантаження до її основи в результаті гідравлічної сортування зерен при промивці у висхідному потоці води. Так як втрата напору зростає в основному в перші за напрямком руху води шарах завантаження, то всі величини в правій частині рівняння (12.40) повинні бути віднесені до діаметру зерен завантаження, при якій обчислений приріст втрати напору для однорідної завантаження буде дорівнює втрати напору для даної неоднорідної завантаження. Для цього використовують пропозицію В. П. Кріштула, згідно з яким втрата напору в неоднорідній завантаженні з еквівалентним діаметром dеравна втрати напору в однорідної завантаженні з таким же діаметром, помноженої на квадрат коефіцієнта неоднорідності. Останній визначається відношенням еквівалентного діаметра до середнього діаметру зерен першого по руху води шару завантаження з товщиною, що дорівнює 20% повної висоти завантаження d20. Таким чином,

Де

(12.45)

Слід зазначити, що ставлення d3 / d20завісіт не тільки від зернового складу завантаження, але і від напрямку руху оброблюваної води. Воно буде більше одиниці при русі. води зверху вниз, як у звичайних швидких фільтрах, і менше одиниці при русі знизу вгору, як в контактних освітлювачах і фільтрах системи АКХ; в рівняннях (12.43) і (12.44), як і в рівняннях для визначення часу захисної дії (12.18), всі параметри фільтрування відносяться до еквівалентного діаметру зерен неоднорідною завантаження.

Оптимізація режиму фільтрування. Розрахунок завантаження швидких фільтрів

З викладеного випливає, що процес обробки води фільтруванням через зернисту завантаження описується двома основними рівняннями, визначальними час захисної дії завантаження (12.18) і час, протягом якого досягається гранична втрата напору (12.44). Ці рівняння відносяться до автомодельної області роботи фільтрів, в якій зміна швидкості фільтрування, товщини шару завантаження та розміру зерен не впливають або впливають незначно на концентрацію суспензії в фільтраті. Співвідношення між тривалістю захисної дії завантаження і часу, протягом якого досягається гранична втрата напору, можуть бути різні. Коли t3> tHфільтр вимикають на промивку у зв'язку з тим, що подальший приріст втрати напору неможливий, оскільки існуючий напір, обумовлений розташуванням споруд, витрачається на подолання опору завантаження. Коли t3tHозначает, що затримує здатність завантаження використовується не повністю, оскільки фільтр вимикають на промивку (при граничній втрати напору), хоча він міг би ще протягом деякого часу працювати, видаючи воду необхідної якості. При t3Аналіз рівнянь (12.18) і (12.44) показує, що шляхом зміни товщини шару або еквівалентного діаметра зерен завантаження при одночасному збільшенні швидкості фільтрування завжди можна зменшити t3, якщо t3> tH, або t ", якщо tH>> t3, і домогтися, таким чином, рівності t3 = tн, при якому забезпечується максимальна продуктивність фільтрувального апарату. Проте з точки зору санітарної надійності доцільно приймати значення t3 / tn> 1, так як при цьому протягом всього фильтроцикла гарантується висока якість фільтрату, підвищується ступінь санітарної надійності споруд. Чим більше відношення t3 / tH, тим вище ступінь санітарної надійності фільтрів, але тим вони дорожчі в будівництві та експлуатації, оскільки із збільшенням цього відношення зростає невикористовуваний прихований резерв продуктивності фільтрів. Тому основна ідея розрахунку фільтруючих завантажень полягає в тому, що виходять з певного, заздалегідь заданого відносини тривалості захисної дії завантаження до часу, протягом якого досягається втрата напору (t / tn = 1,2 ... 1,3), що забезпечує разом з тим достатню санітарну надійність і економічність роботи фільтрів. Режим роботи фільтрувального апарату, при якому забезпечується зазначене співвідношення, може бути названий оптимальним.

Завдання визначення розрахункової швидкості фільтрування і параметрів завантаження фільтрів при оптимальному режимі їх роботи зводиться до спільного вирішення рівнянь (12.18) і (12.44), в яких заданими величинами є параметри фільтрування a / b, b і А (визначаються за результатами технологічного аналізу води): тривалість робочого циклу (відповідно до вимог СНиП 2.04.02-84 розрахункова тривалість фильтроцикла приймається 12 год); тривалість захисної дії завантаження t3назначается відповідно до прийнятого для оптимального режиму ставленням t3 / tu. Гранична втрата напору Нпрназначается відповідно до висотної схемою водоочисного комплексу. Невідомими величинами в рівняннях (12.18) і (12.44) залишаються швидкість фільтрування v, товщина шару завантаження х, еквівалентний діаметр зерен йеі ступінь неоднорідності завантаження СР Останні дві величини взаємопов'язані, тому що залежать від зернового складу фільтруючого завантаження. Еквівалентний діаметр d3вичісляют. Параметр ф знаходять за експериментальним графіком (рис. 12.10) по величині відношення d20 / d3. Таким чином, маємо три невідомих при двох рівняннях: швидкість фільтрування, товщину шару фільтруючого завантаження і її зерновий склад. Тому завдання розрахунку фільтрів на оптимальний режим їх роботи має кілька рішень. Отже, для отримання одного певного рішення необхідно задатися або швидкістю фільтрування, або товщиною шару завантаження, або її зерновим складом. Поставивши собі, наприклад, зерновим складом фільтруючого завантаження, розрахунком визначають її необхідну товщину і швидкість фільтрування. Для розрахунків зручно перетворити рівняння (12.44), вирішивши його відносно товщини шару х. Тоді воно набуде вигляду

(12.46)

Перетворимо також рівняння (12.17), представивши його у вигляді

(12.47)

фільтрування вода зернистий напір

де) - критерійний комплекс.

Рис. 12.10. Графік залежності

Значення критериального комплексу X 'зручно визначати за допомогою номограми (рис. 12.11). Розрахунок швидкості фільтрування і параметрів завантаження проводиться за методом поступового наближення. Наприклад, якщо потрібно визначити швидкість фільтрування і товщину шару завантаження при заданому її зерновому складі, то необхідно спочатку, задавшись деяким довільним значенням, швидкості, обчислити за формулою (12.45) товщину шару завантаження х. Потім за формулою (12.47) визначити тривалість захисної дії - U, знайшовши входить у формулу параметр X 'по номограмі. Якщо знайдене U не відповідає заданому оптимального режиму значенням, то задаються іншим значенням швидкості фільтрування і обчислення повторюють до тих пір, поки не буде отримана необхідна тривалість захисної дії завантаження.

Аналогічно роблять розрахунок при заданій продуктивності водоочисного комплексу. У цьому випадку по заданій швидкості фільтрування і товщині шару фільтруючого завантаження знаходять необхідний її зерновий склад.

Рис. 12.11. Номограма для визначення критеріального комплексу Х '

Фільтруюча завантаження є основним робочим елементом фільтрувальних споруд, тому правильний вибір її параметрів має першорядне значення для їх нормальної роботи. При виборі фільтруючого матеріалу основними є його вартість, можливість отримання в районі будівництва даного фільтрувального комплексу та дотримання певних технічних вимог, до числа яких відносяться: належний фракційний склад завантаження; певна ступінь однорідності розмірів її зерен; механічна міцність; хімічна стійкість матеріалів по відношенню до фільтрованої воді. Ступінь однорідності розмірів зерен, фільтруючого завантаження і її фракційний склад суттєво впливають на роботу фільтра. Використання більш великого фільтруючого матеріалу, ніж це передбачено, тягне за собою зниження якості фільтрату. Використання більш дрібного фільтруючого матеріалу викликає зменшення фильтроцикла, перевитрата промивної води і подорожчання експлуатаційної вартості очищення води. Використання фільтруючих матеріалів з великим ступенем неоднорідності за величиною зерен, що перевищує Межі, погіршує умови їх промивки, так як винос верхніх дрібних фракцій почнеться раніше, ніж прийде в Рух основна маса зерен завантаження. Це викликає необхідність зниження інтенсивності промивки, щоб припинити винос дрібних фракцій. При цьому значна частина фільтруючого шару буде промита недостатньо. Крім погіршення Умов промивки завантаження, застосування вельми неоднорідного по крупності фільтруючого матеріалу викликає погіршення, умов фільтрування через утворення поверхневої фільтрує плівки.

Однорідність і крупність фільтруючого матеріалу визначають ситовим аналізом шляхом просіювання навіски матеріалу через ряд каліброваних сит. Калібр сита визначається діаметром кулі, рівновеликого за обсягом найбільш великим зернам фільтруючого матеріалу, що проходить ще через дане сито. Для визначення зернового складу і однорідності з даної партії фільтруючого матеріалу відбирають середню пробу в кількості 300 г і висушують її до постійної маси при температурі 105 ° С. З цієї кількості висушеного матеріалу беруть наважку 200 г (зважену з точністю до 0,01 г) і розсіюють на наборі каліброваних сит.

Таблиця 12.1

 Калібр сита, мм Залишилося на ситі Минуло через сито

 г% г%

 0,25 18 9,0 1 0,05

 0,41 12 6,0 19 9,5

 0,56 71 35,5 29 14,5

 0,68 60 30,0 129 64,5

 0,80 18 9,0 159 79,5

 0,94 11 5,5 174 87,0

 1,01 6 3,0 187 93,5

 1,48 2 1,0 198 99,0

За даними табл. 12.1 побудований графік (рис. 12.12) ситового аналізу фільтруючого матеріалу, за яким можна визначити основні показники фільтруючого завантаження: еквівалентний діаметр зерен, який має важливе значення при розрахунку фільтруючого завантаження; параметри, що визначають коефіцієнт неоднорідності фільтруючого завантаження, а саме: 10% -ний калібр зерен матеріалу, рівний такому калібру сита, через який пройшло 10% (по масі) просівають матеріалу, і 80% -ний калібр, рівний такому калібру сита, через який пройшло при просіюванні 80% зерен (по масі).

Рис. 12.12. Графік гранулометричного складу піску

Еквівалентний діаметр зерен d е, мм, визначають за формулою

(12.48)

де pi- процентний вміст (по масі) фракцій із середнім діаметром зерен d е, т. е. кількість просівають зерен,%, що залишилися на ситі калібр ОМ Uk. Для фільтруючого матеріалу, результати ситового аналізу якого представлені в табл. 12.1, величина складе:

Коефіцієнт неоднорідності фільтруючого завантаження визначають як відношення 80% -го калібру матеріалу до його 10% -му калібру; kH = d80 / dll0. Для фільтруючого матеріалу, графік ситового аналізу якого наведено на рис. 12.12, коефіцієнт неоднорідності складе: kR = 0,82 / 0,42 = 1,95.

Важливим показником якості фільтруючого матеріалу є його механічна міцність. При стиранні і подрібненні матеріалу відбувається підвищення гідравлічного опору верхнього шару фільтруючого завантаження через забивання дрібницею і винесення подрібнених зерен з промивної водою, т. Е безповоротна втрата фільтруючого матеріалу. Механічну міцність фільтруючих матеріалів оцінюють двома показниками: стираністю (т. Е. Відсотком зносу матеріалу внаслідок тертя зерен один про одного під час промивок - (до 0,5) і ізмельчаемостью (відсотком зносу внаслідок розтріскування зерен - до 4,0).

Важливою вимогою, що пред'являються до якості фільтруючих матеріалів, є їх хімічна стійкість по відношенню до фільтрованої воді, т. Е., Щоб вона не збагачувалася речовинами, шкідливими для здоров'я людей (в питних водопроводах) або для технології того виробництва, де вона використовується. Фільтруючий матеріал вважається хімічно стійким, якщо він дає приріст розчиненого залишку не більше 20 мг / л, окислюваність - 10 мг02 / л і кремнекислоти - 10 мг / л.

Крім вищевикладених технічних вимог фільтруючі матеріали, використовувані в господарсько-питне водопостачання, проходять санітарно-гігієнічну оцінку на мікроелементи, що переходять з матеріалу у воду (берилій, молібден, миш'як, алюміній, хром, кобальт, свинець, срібло, марганець, мідь, цинк, залізо, стронцій).

Найбільш поширеним фільтруючим матеріалом є кварцовий пісок - річковий або кар'єрний. Кварцовий пісок при невеликому вмісті домішок вапняку відповідає всім перерахованим вище вимогам, що пред'являються до фільтруючим матеріалам. Поряд з піском застосовують антрацит, керамзит, горілі породи, шунгізіт, вулканічні та доменні шлаки, гранодиорит, пінополістирол і ін. (Табл. 12.2).

Зерна дробленого антрациту мають меншу щільність, ніж кварцовий пісок, і тому його зазвичай використовують в якості верхнього шару завантаження двошарових фільтрів. Пропонованим вимогам по механічної міцності та хімічної стійкості задовольняє антрацит класів АП - антрацитна плита, АК - кулак і АС - мите насінину.

Найважливішими характеристиками фільтруючих матеріалів є межзерновая пористість засипки п, форма зерен і щільність р. Зерна незграбної форми, що мають шорстку поверхню, характеризуються підвищеним ефектом адсорбції домішок, а велика пористість засипки забезпечує менший гідравлічний опір фільтруючого завантаження. Щільність зерен фільтруючого матеріалу визначає необхідну інтенсивність промивки фільтруючого завантаження, а також визначає технологічний режим роботи контактних освітлювачів. Межзерновую пористість засипки визначають за формулою n = [m / (pv)] - 1, де т - маса відмитого і відсортованого матеріалу, що має об'єм V. Форма зерен завантаження оцінюється коефіцієнтом форми а, що є відношенням поверхні зерна до поверхні рівновеликого за обсягом кулі . Коефіцієнт форми зерен реальних завантажень завжди більше одиниці.

Таблиця 12.2

Керамзит представляє собою гранульований пористий матеріал, що отримується випаленням глинистої сировини в спеціальних печах. Необхідні для завантаження водоочисних фільтрів фракції керамзиту можуть бути отримані або відсівом із загальної маси неоднорідного керамзиту, або дробленням великих гранул з подальшим відсівом потрібних фракцій. Зерна дробленого керамзиту мають більш розвинену поверхню і відповідно кращі технологічні властивості в порівнянні з окатанного зернами недробленого керамзиту.

Горілі породи являють собою метаморфізує вугленосні породи, піддані випалу при підземних пожежах. Необхідні фракції цього матеріалу отримують його дробленням з подальшим сортуванням.

Вулканічні шлаки-матеріали, що утворилися в результаті скупчення газів у рідкій остигає лаві. У Закавказзі вулканічні шлаки залягають як у вигляді сипучих матеріалів, так і у вигляді суміші щебеню і піску. При цьому властивості вулканічних шлаків різних родовищ досить різні.

Шунгізіт отримують шляхом випалу природного малоугленосного матеріалу, - шунгита, який за своїми властивостями близький до дроблення керамзиту.

В якості фільтруючих матеріалів можуть бути використані також відходи промислових виробництв, доменні шлаки і шлаки мідно-нікелевого виробництва. Перевагою шлаків є те, що вони зазвичай мають фракційний склад, близький до того, який потрібен для завантаження фільтрувальних апаратів.

В якості фільтруючого матеріалу на фільтрах з плаваючою завантаженням використовують пінополістирол. Цей зернистий матеріал отримують спученням в результаті теплової обробки вихідного матеріалу - полістирольного бісеру, що випускається хімічною промисловістю. При вспіненні отримують плаваючі у воді зерна, мають щільність від 100 до 200 кг / м3.

Зазначені фільтруючі матеріали не охоплюють усього різноманіття місцевих фільтруючих матеріалів, запропонованих в останні роки. Є дані про застосування аглопориту, порцелянової крихти, гранодиоритов, габбродіабазов, граната і т. Д.

Знаходять застосування активні фільтруючі матеріали, які завдяки своїм властивостям можуть витягувати з води не тільки зважені і колоїдні домішки, але й істинно розчинені забруднення. Так, для стабілізаційної обробки води застосовують мармурову крихту і магномассу. Все більш широко застосовують активні вугілля для вилучення з води речовин, що обумовлюють присмаки і запахи. Застосовують природний іонообмінний матеріал клиноптилоліт для видалення з води розчинених сполук фтору та азоту. Однак, доступність і дешевизна цього матеріалу дозволяють все більш широко застосовувати його в якості завантаження фільтрувальних апаратів.

Підтримуючі шари сприяють більш рівномірному розподілу промивної води площею фільтра і підтримують фільтруючу завантаження. В якості підтримуючих шарів застосовують гравій або щебінь вивержених порід; домішка зерен вапняку в них допускається не більше 15%, а домішка зерен крейди неприпустима.

При наявності дренажних трубчастих систем, що розташовуються безпосередньо в шарах гравію, СНиП 2.04-02-84 рекомендує приймати наступний фракційний склад і висоту підтримуючих шарів (табл. 12.3).

Таблиця 12.3

 Межі крупності зерен шару, мм Висота шару, мм

 40 ... 20 Верхня межа шару повинна бути на 100 мм вище отворів розподільній системи

 20 .. 40 100 ... 150

 10 .. 5100 ... 150

 5 .. 2 50 ... 100

Розрахунок швидких фільтрів

Розрахунок швидких фільтрів передбачає визначення їх площі та числа, знаходження числа і розмірів промивних жолобів, підбір фільтруючого завантаження, визначення розмірів елементів розподільної системи, бокової кишені або Центрального каналу і трубопроводів обв'язки. Фільтри та їх комунікації повинні розраховуватися на роботу при нормальному і форсованому режимах.

Загальну площу фільтрів комплексу А, м2, визначають за формулою

де Q - корисна добова продуктивність комплексу, м3; T - період роботи водоочисного комплексу протягом доби, год; уі- розрахункова швидкість фільтрування при нормальному режимі, м / год; ппр- число промивок одного фільтра на добу при нормальному режимі експлуатації; (Iпр- питома витрата води на одну промивання фільтра, м3 / м2; tnv- час простою фільтра у зв'язку з промиванням, прийняте при промиванні водою-0,33 ч. Водою і повітрям - 0,5 ч.

Кількість фільтрів на водоочисних комплексі з добовою продуктивністю понад 1600 м3прінімают не менше чотирьох. При добової продуктивності комплексу більше 8 .. 10 тис. М3чісло фільтрів знаходять з виразу Nф = 0,5 (А) 0.5прі дотриманні співвідношення, де Nф- швидкість фільтрування при форсованому режимі, м / год; N - число фільтрів в ремонті. Площа одного фільтра слід приймати не більше 120 м2.

Поперечний переріз промивного жолоби може бути п'ятикутним з трикутним дном або напівкруглим (рис. 12.13). Відстань між жолобами (за їх осях) приймають в межах 1,4 ... 2,2 м. Дну жолоби надається ухил 0,01 по ходу руху води. Збірні жолоби можна виготовляти із залізобетону, азбестоцементу або склопластику. В якості збірного промивного пристрою можуть бути застосовані також дірчасті труби, розташовувані нижче рівня води на фільтрі на відстані 0,7 ... 0,8 м один від одного. Ширину жолоба В визначають за формулою

де Кж- коефіцієнт, що дорівнює: для жолобів з трикутним лотком - 2,1, з напівкруглим - 2; qx- витрата промивної води по жолобу, м3 / с; аж = 1 ... 1,5 - відношення висоти прямокутної частини жолоба до половині його ширини. Розміри жолоби можна визначити також за графіком рис. 12.14, - за яким знаходять величину х і по ній всі розміри жолоба.

Жолоби розташовують від поверхні фільтруючого завантаження на такій висоті Нж, щоб в них потрапляли тільки вимиті забруднення:

(12.51)

де Нж- висота фільтруючого шару, м; е3- відносне розширення фільтруючого завантаження, прийняте по Сніпу в межах 25 ... 50%.

Відстань від дна жолоба до дна бокової кишені або центрального каналу Нкопределяют з виразу

(12.52)

де qk - витрата промивної води по каналу, м3 / с; Вк = 0,7-0,8 ширина каналу, м.

Параметри фільтруючого завантаження і роботи фільтра належить приймати за табл. 12.4:

Розподільні системи швидких фільтрів влаштовують з підтримуючими шарами і без них. Вони можуть бути трубчастими, щілинними, пористими, у вигляді помилкового дна. Втрати напору в розподільній системі слід знаходити за формулою

(12.53)

де vK- швидкість на початку колектора, яка приймається при промиванні 0,8 ... 1,2 м / с; ? - коефіцієнт гідравлічного опору, який приймається за Сніпу; v0- середня швидкість на вході в відгалуження, яка приймається при промиванні 1,6 ... 2 м / с

Література

Алексєєв Л. С., Гладков В. А. Поліпшення якості м'яких вод. М.,

Стройиздат, 1994

Алфьорова Л. А., Нечаєв А. П. Замкнені системи водного господарства промислових підприємств, комплексів та районів. М., 1984.

Аюка Р. І., Мельцер В. 3. Виробництво і застосування фільтруючих

матеріалів для очищення води. Л., 1985.

Вейцер Ю. М., Мііц Д. М. Високомолекулярні флокулянти в процесах очищення води. М., 1984.

Єгоров А. І. Гідравліка напірних трубчастих систем у водопровідних очисних спорудах. М., 1984.

Журба М. Г. Очищення води на зернистих фільтрах. Львів, 1980.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка