ФІЛЬТРУВАННЯ ВОДИ
Навіть при добре налагодженому режимі роботи освітлювачів не удається отримати|одержувати| воду з|із| концентрацією твердої фази нижче 10 мг/кг. Така вода не може бути направлена|спрямована| на подальше|дальше| очищення і вимагає додаткового освітлювання. У схемах ВПУ це освітлювання проводиться|виробляє| за допомогою фільтрування води. Фільтруванням представляє собою складний процес очищення води від грубодисперсних домішок|нечистот|, що відбувається|походить| при течії води через пористе середовище|середовище|.
Ефективність процесу фільтрування залежить як від фізико-хімічних|фізико-хімічних| властивостей домішок|нечистот| води і пористого середовища|середовища|, так і від гідродинамічних чинників|факторів|. Залежно від співвідношення розмірів фільтрованих часток|частинок| і ефективного діаметру пір утримання часток|частинок| може відбуватися|походити| як в об'ємі|обсязі| шару (адгезійне| фільтрування), так і на його поверхні (плівкове фільтрування).
Якщо діаметр пір шару перевищує діаметр часток|частинок|, останні входять з|із| потоком води в шар і затримуються|утримуються| всередині|всередині| нього. Якщо ж діаметр пір менше діаметру часток|частинок|, то останні затримуються на поверхні шару, утворюючи плівку. У схемах ВПУ на ТЕС частіше застосовують адгезійне| фільтрування, а в схемах очищення конденсату – плівкове|. У промислових умовах пористе середовище|середовище| організовують у вигляді фільтруючого шару, що розміщується у фільтрі. Фільтруючий шар формується із|із| зерен різних матеріалів різної крупності і форми. При адгезійному| фільтруванні утримання домішок|нечистот| в шарі відбувається|походить| шляхом виділення їх на поверхню фільтруючого матеріалу.
У загальному випадку процес виділення часток домішок з води при фільтруванні складається з трьох стадій: перенесення часток з потоку води на поверхню фільтруючого матеріалу, закріплення їх на поверхні зерен і в щілинах між ними і відриву часток з переходом їх назад в потік води. Перенесення часток на поверхню фільтруючого матеріалу залежить як від характеристик часток і шару (розмірів, щільності, форми, поверхневих властивостей), так і від гідродинаміки потоку води. Основну роль в перенесенні часток грають явища інерції і дифузії. Утримання часток поверхнею фільтруючого матеріалу відбувається в результаті як адгезії, так і механічного затримання часток в щілинах, що утворюються в точках контактів зерен шару. Адгезія часток обумовлена в основному дією міжмолекулярних сил Ван-дер-Ваальса. Частки, що прилипають, заповнюють пори між зернами шару, при цьому звужується перетин для проходу води і підвищується гідравлічний опір шару. При постійній витраті води це приводить до зростання перепаду тиску і збільшення зриву уловлених часток. Оскільки процеси захоплення і зриву часток відбуваються одночасно, то в якийсь момент встановлюється динамічна рівновага між цими процесами спочатку на перших ділянках шару по ходу води. Ці ділянки шару перестають поглинати домішки (насичуються). Поступово процес насичення поширюється вглиб шару, і в певний момент концентрація домішки у фільтраті починає підвищуватися. Час роботи фільтру від початку пропускання води до моменту проскакування домішки (до заданої її концентрації у фільтраті) називається часом захисної дії фільтру τз.д. Кількість утриманих домішок за цей час, віднесена до об'єму шару, складає його робочу ємність Ер. Ємність і τз.д фільтруючого шару залежать від крупності зерен шару, їх форми, природи матеріалу шару, швидкості потоку води, початкової концентрації домішки у воді, висоти шару й інших чинників. Так, із зростанням висоти шару збільшуються Ер, τз.д і ступінь очищення води. Проте при цьому зростає гідравлічний опір шару. Зазвичай оптимальна висота шару складає приблизно 1 м.
У пористому середовищі течія рідини відбувається|походить| через канали складної конфігурації, що визначається геометричними характеристиками шару – пористістю|, площею живого|живого| перетину, питомою поверхнею, коефіцієнтом форми зерен, складових шару.
Під пористістю ε розуміють частину|долю| вільного об'єму|обсягу| у фільтруючому шарі:
| Ε = Vп / Vсп, | (2.82) |
де Vп і Vcп – відповіднооб'єм пір в шарі і сумарний об'єм шару.
Площа живого перетину шару Fж.с, м2, визначається сумарною площею пір в миделевом (найбільшому) перетині шару:
 ,
| (2.83) |
де 
і 
– відповідно площа перетину фільтру і сумарна площа перетину всіх часток твердої фази.
Частина|доля| вільного перетину фільтруючого шару визначається з|із| виразу
 ,
| (2.84) |
При рівномірному розподілі фракції зерен у фільтруючому шарі ε = εs. Поверхню зерен шару відносять або до одиниці його об'єму:
 ,
| (2.85) |
або до одиниці об'єму|обсягу| зерен у шарі:
 ,
| (2.86) |
де sсл – змочена поверхня всіх зерен в шарі.
Якщо шар складається із зерен правильної кулястої форми, то
| (2.87) |
Оскільки|тому що| частіше за все зерно мають неправильну форму, то необхідно в рівняння (2.87) ввести|запроваджувати| коефіцієнт форми зерна
| аф = sз /sрв.ш, | (2.88) |
де sз– поверхня зерна будь-якої форми;
sрв.ш – поверхня рівновеликої по масі кулі.
З урахуванням коефіцієнта аф для визначення поверхні шару і питомої поверхні зерен шару застосовують наступні вирази:
 ;
 ,
| (2.89) |
де gі – масова частка зерен в шарі з діаметром зерен dі.
Перетини пор в шарі відрізняються від круглої форми, і їх характерний розмір визначається через еквівалентний діаметр dе:
 або  .
| (2.90) |
Використовуючи рівняння (2.89) і (2.90), можна знайти зв'язок між середнім діаметром фракції зерен 
і dз, де
| (2.91) |
тоді середня швидкість течії в поровых каналах зернистого шару υcp може бути записана так:
 ,
| (2.92) |
де k' – деякий числовий коефіцієнт, що враховує форму каналу;
lо – довжина каналу;
ΔР – перепадтиску;
μв – динамічна в'язкість води.
Зв'язок між середньою швидкістю течії в порах і її складової уздовж осі х(υф) з урахуванням звивистості поровых каналів Т визначаємо за формулою
 ,
| (2.93) |
і, використовуючи рівняння (2.91) – (2.93), отримуємо|одержуємо| для визначення швидкості потоку води
| (2.94) |
Зв'язок між ΔР і ділянкою фільтруючого шару довжиною l можна отримати|одержувати| з|із| відомого рівняння Козені–Кармана:
| (2.95) |
де k = Т/6k' – константаКозені–Кармана.
З цього рівняння видно, що перепад тиску при фільтруванні води через пористе середовище залежить як від геометричних характеристик шару (ε, sо, T), так і від фізичної характеристики рідини (μв) і її швидкості.
Фільтри насипного типу|типу| працюють в режимі поступового насичення шарів завантаження|загрузки| за течією потоку. З часом|згодом| концентрація домішки|нечистоти| у фільтраті такого фільтру досягає початкової. Очевидно, що фільтр необхідно відключати у момент досягнення заданої концентрації домішок|нечистот| у фільтраті.
Кількість домішки, що виходить з води за час Δτ, може бути представлене виразом 
, де С – концентрація домішки у воді. Кількість домішки, що утримується ділянкою шару Δх за цей же час, визначається з виразу 
,де q – кількістьдомішки, що утримується одиницею об'єму шару.
Через закон збереження|зберігання| кількості речовини можна записати
 .
| (2.96) |
Перетворюючи це рівняння при прагненні Δх і Δτ до нуля, отримуємо
| (2.97) |
Використовуючи визначення похідної функції і враховуючи, що С і q залежать як від часу, так і від висоти шару Δх, останній вираз можна записати у вигляді
| (2.98) |
Залежність зміни концентрації домішки, уловленої у фільтруючому шарі, від часу є різницею швидкостей прилипання і зриву часток домішки: 
. Швидкість прилипання пропорційна концентрації домішки у воді: 
. Швидкість зриву пропорційна концентрації домішки в об'ємі шару: 
. З урахуванням цього
| (2.99) |
Величини α і а називаються відповідно константами швидкості прилипання і зриву.
Для ламінарного режиму течії потоку води константу а можна прийняти пропорційною силі в'язкого тертя або швидкості потоку, і тоді
| (2.100) |
де q/р –об’єм осаду, що утворився в шарі фільтруючого матеріалу, віднесений до одиниці об'єму шару;
ρ – щільність осаду;
εо – початкова пористість фільтруючого шару.
Зважаючи на|беручи до уваги| рівняння (2.99) і (2.100), рівняння кінетики процесу сорбції можна записати так:
| (2.101) |
Прийнявши в цьому рівнянні
| (2.102) |
і відзначивши, що k1 і k2 –постійні величини, можна записати рівняння (2.101) в наступному вигляді:
| (2.103) |
За концепцією відкладення – зрив| заповнення шару осадом йде до якогось граничного значення (шар насичується|насищає|), тому можна по аналогії з сорбційними| (іонообмінними) процесами другий член правої частини|частини| рівняння (2.103) прийняти за рівноважну концентрацію домішки|нечистоті| у воді:
| (2.104) |
тоді рівняння (2.103) запишеться|занотовуватиме| у вигляді
| (2.105) |
Для того, щоб визначити залежність C*=f(q), скористаємося рівнянням Ленгмюра
| (2.106) |
де q∞ – кількістьсорбованої речовини, що відповідає повному насиченню одиниці об'єму шару;
k – коефіцієнтпропорційності.
Введемо безрозмірні функції
 та
| (2.107) |
де 
і qо – деякі відповідні один одному рівноважні концентрації домішки в шарі і воді, а також безрозмірні параметри
 та
| (2.107а) |
Тут 
;
ε – пористість| шару;
β – коефіцієнт масопереносу, що визначається емпірично.
У нових змінних рівняння (2.98), (2.104) і (2.105) запишуться|занотовуватимуть| так:
| (2.108) |
Ця система нелінійних диференціальних рівнянь не має розв’язання|вирішення|. Проте|однак| з урахуванням того, що динаміка процесу сорбції речовини при τ = ∞| або х = ∞ у насипному шарі адгезійного| фільтру характеризується стадією паралельного перенесення|переносу| фронту концентрацій, при якій домішка, що сорбується,| |нечистота| з|із| однією і тією ж відносною концентрацією рухається|суне| вздовж шару з|із| постійною швидкістю, розв’язання цієї системи залежатиме від аргументу
| То = Х – Т | (2.109) |
і задовольняти умовам
| φ(– ∞) = 1; θ(∞) = 0. |
Тоді швидкість руху фронту відносної концентрації домішки вздовж шару w можна визначити, використовуючи точку початку осі (То = 0) і значення X і Т [рівняння (2.107а)]:
| (2.110) |
або при малому значенні h
| w = hυф. | (2.111) |
Використовуючи (2.107), (2.109) і (2.110), визначаємо час роботи сорбційного| (адгезійного| або іонообмінного) фільтру до моменту появи у фільтраті певної відносної концентрації домішки|нечистоти|, що видаляється|віддаляє|:
 .
| (2.112) |
Це рівняння було отримане|одержувати| емпірично Н. А. Шиловим у формі
| τ = bx – τo, | (2.113) |
де τ – час праці фільтру до проскакування заданої концентрації домішки;
b і τо – емпіричні коефіцієнти, причому τо – затримка часу фільтруючої дії шару.
Для невеликих значень φ|, характерних для роботи адгезійних| і іонообмінних фільтрів, можна записати
| (2.114) |
Розв’язання цього рівняння приводить|наводить| до залежності
| (2.115) |
або, приймаючи
| (2.116) |
отримуємо|одержуємо|:
| (2.117) |
Оскільки в останньому виразі|виразі| відсутні параметри, що характеризують| окремі випадки процесу фільтрування, воно придатне для будь-яких процесів фільтрування, що описуються рівняннями Н. А. Шилова і (2.112).
Критерієм процесу фільтрування служить Т о*,яку, використовуючи (2.112), (2.113) і (2.116), можна записати у вигляді
| (2.118) |
В той же час
| (2.119) |
де σ, ν, s, r – емпіричні коефіцієнти.
Об'єднуючи останнє рівняння з|із| (2.117), отримуємо
| (2.120) |
Таким чином, вираз|вираз| для визначення часу проскакування заданої концентрації домішки|нечистоти| в сорбційних| фільтрах визначається в загальному вигляді|виді| так:
| (2.121) |
Рівняння (2.121) отримано|одержувати| на кафедрі ТВТ МЭИ А.А. Громогласовим. З урахуванням того, що фільтруючий шар по мірі роботи насичується|насищає| осадом, перепад тиску|тиснення| на ньому можна визначити за формулою
| (2.122) |
де ік та іо – перепад тиску на одиницю довжини шару (гідравлічний ухил) в кінці і на початку його роботи.
У цьому рівнянні ρ, εо, qо та іо визначають експериментально. Таким чином, гідравлічному розрахунку повинен передувати розрахунок вихідної кривої фільтру.
В якості фільтруючих матеріалів на ТЕС в основному використовують кварцовий пісок, роздроблений антрацит, сульфовугілля, целюлозу, перлит і ін. В наш час запропоновані і випробувані нові фільтруючі матеріали, що володіють підвищеною ємністю поглинання і ефективністю очищення води: керамзит, вулканічні шлаки, горілі породи, шунгизит і ін. Для очищення води від ГДП успішно застосовують плаваючі завантаження з гранул вспененного полістиролу, газонаповнених гранул керамзиту і ін. Всі фільтруючі матеріали повинні задовольняти наступним вимогам: володіти високою механічною міцністю, хімічною стійкістю, правильно підібраним фракційним складом, по можливості великим коефіцієнтом форми, оскільки шар з гладких окатанных зерен фільтрує погано.
Технологічний процес очищення води і застосоване на ТЕС устаткування|обладнання| накладають певні вимоги до фільтруючого матеріалу. Так, на ТЕС високого тиску|тиснення| не допускається застосування кварцового піску, здатного|здібного| виділяти| у воду з'єднання|сполуки| кремнію. В цьому випадку рекомендується застосовувати антрацит марки АС. Особлива увага повинна приділятися правильному підбору і розсіванню фракцій фільтруючого| матеріалу. Фракція зерен антрациту, завантаженого у фільтри, повинна складати 0,6 – 1,4 мм (при одношаровому фільтруванні) при коефіцієнті неоднорідності не більше 2, що представляє|уявляє| відношення|ставлення| калібру сита, через яке пройшло менше 80% всього матеріалу, до калібру сита, через яке пройшло менше 10% матеріалу. При коагуляції сірчанокислим алюмінієм застосовується фракція антрациту 0,8 –| 1,8 мм. На вимогу механічної міцності річний знос фільтруючого матеріалу не повинен перевищувати 2,5%.
Освітлювальні фільтри можна класифікувати по наступним ознакам: фракційному складу фільтруючого матеріалу – насипні| і намивні, тиску|тисненню| – відкриті|відчиняти| і напірні, кількості фільтруючих шарів – одношарові і багатошарові, числу паралельно працюючих камер – однокамерні| і багатокамерні, способу фільтрування – однопоточні| і двохпотокові. У схемах ВПУ ТЕС застосовуються в основному насипні напірні однопоточні| однокамерні фільтри з|із| числом фільтруючих шарів від одного до двох, а також вельми|дуже| перспективні напірні двокамерні фільтри. Застосування останніх дозволяє істотно|суттєвий| зменшити витрату металу і площу|площу|, необхідну для установки| фільтрів.
Напірний однопотічний| фільтр (рис. 2.11) складається з циліндрового корпусу з|із| привареними до нього сферичними днищами. Усередині|всередині| фільтру розташовані|схильні| шар фільтруючого матеріалу і дренажно-розподільні пристрої|устрої|, необхідні| для рівномірного розподілу і збору|збирання| води за всією площею поперечного перетину фільтру. Верхній дренажний пристрій|устрій| найчастіше оформляється у вигляді відбійного щита, що гасить енергію потоку води, а нижній| розташований|схильне| на шарі кислототривкого бетону, що заливається на нижнє днище фільтру, і виконаний у вигляді трубної системи, що складається з колектора з|із| бічними|боковими| ответвлениями, забезпеченими для відведення води спеціальними ковпачками або щілистими пристроями|.
Рис. 2.11. Вертикальний однопоточный напірний освітлювальний фільтр:
1 – верхній розподільний пристрій; 2 – нижній розподільний пристрій; 3 – фільтрат; 4 – стисле повітря, промивальна вода; 5 – спуск перших порцій фільтрату; 6 – спуск промивальної води; 7 – оброблювальна вода; 8 – фільтрувальний шар; 9 – корпус фільтру
Висота фільтруючого матеріалу, завантаженого у фільтр, складає близько одного метра. Частина|частина| порожнини фільтру залишається вільною. Це необхідно для вирівнювання епюри| швидкостей води, що поступає|надходить| на фільтруючий шар, і для можливості|спроможності| розширення шару при його розпушуванні.
На ВПУ великої продуктивності для зниження площі|, що займається|позичати| механічними фільтрами, і економії металу застосовують трьох- і двокамерні фільтри (рис. 2.12). Камери в цих фільтрах працюють паралельно.
Режим експлуатації механічних адгезійних фільтрів полягає в забезпеченні необхідного ступеня очищення води при постійності її витрати, своєчасному відключенні фільтру на промивання і промиванні (розпушуванні). Швидкість води при роботі фільтру повинна складати 4 – 6 м/год. Накопичення відкладень у фільтруючому шарі приводить до зростання перепаду тиску води і, отже, до падіння витрати. Гідравлічний опір відмитого шару складає близько 0,01 МПа. Щоб не допустити великого падіння витрати, фільтр відключають на промивання при перепаді тиску води, рівному 0,1 – 0,12 МПа. Експлуатаційні дані показують, що час роботи фільтру зазвичай складає 18 – 24 год. при робочій ємності фільтруючого шару 3 – 4кг/м3.
Рис. 2.12. Двокамерний освітлювальний| фільтр:
1 – верхній розподільний пристрій; 2 – анкерна труба для вирівнювання тиску між камерами; 3 – підведення промивальної води; 4 – вихід фільтрату; 5 – спуск перших порцій фільтрату; 6 – спуск промивальної води; 7 – оброблювальна вода; 8 – нижній розподільний пристрій
Промивання|промивку| шару від утриманої домішки|нечистоти| ведуть протягом 20 хв. в напрямі|направленні|, протилежному напряму|направленню| потоку води. При промиванні|промивці| шар розширюється на 30 – 50% і внаслідок|внаслідок| тертя зерен між собою звільняється|визволяє| від утриманої домішки|нечистоти|, яка з|із| потоком води викидається з|із| фільтру. При експлуатації багатокамерних фільтрів промивання|промивка| кожної камери проводиться|виробляє| окремо, причому першою промивається нижня камера.
В наш час|нині| промивальну воду направляють|скеровують| в освітлювачі|. Питома витрата промивальної води визначається за формулою
| q = iпромFф, | (2.123) |
де Fф – площапоперечного перетину фільтру, м2;
іпром – інтенсивність промивання, що складає залежно від розміру фракції і висоти шару від 12 до 15кг/(с·м2).
Для інтенсифікації процесу промивання|промивки| під шар подають стисле повітря, що одночасно дозволяє прискорювати процес промивання|промивки| і скорочувати витрату промивальної води.
Промивання|промивку| механічних фільтрів проводять освітленою водою, тому ємність|місткість| баків освітленої води повинна враховувати окрім|крім| годинного|вартового| запасу також і об'єм|обсяг| води, необхідної для промивання|промивки| одного фільтру.
При розрахунку фільтрувальної частини|частини| передочищення слід мати на увазі, що на ВПУ з|із| освітлювачами кількість встановлюваних механічних фільтрів вибирається з|із| розрахунку швидкості фільтрування 10 м/год., а при прямотічній| коагуляції –| 5 м/год. При цьому необхідно передбачати установку не менше трьох фільтрів (два в роботі, один в регенерації), а також ще одного фільтру для перевантаження фільтруючого матеріалу при ремонті або оглядах основних фільтрів.
Дата добавления: 2015-05-19; просмотров: 2023;