СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Aq - Aft - константы;
а - удельная площадь межфазного контакта, м2/м3;
1\ - ширина полосы аэрации внизу зоны 1, м;
&2 - ширина полосы аэрации в зоне 2, м;
Ьъ - ширина полосы аэрации вверху зоны 3, м;
С - концентрация растворенного кислорода в момент времени г,
кг/м3;
Са - растворимость кислорода воздуха в чистой воде с учетом глуби-
ны погружения аэраторов Н, мг/дм3;
С field ~ концентрация кислорода, принятая на участке, кг/м3;
-N> ~ содержание азота нитритов и нитратов в очищенной воде и раз- _дг ница между аммонийным азотом на входе и выходе, соответственно, кг/м3;
Со - концентрация растворенного кислорода в момент времени т = 0,
кг/м3;
С* - концентрация насыщения растворенного кислорода при данных
условиях, кг/м3;
C*t - табличная величина концентрации насыщения растворенного
кислорода при tw,ps и Rh =100%, кг/м3;
q* - табличное значение концентрации насыщения растворенного
кислорода при tw - 20 C,ps и Rh = 100%, кг/м3;
г* - кажущаяся средняя концентрация насыщения растворенного ки-
слорода при бесконечном времени аэрации, кг/м3;
Da - диаметр трубчатого аэратора, м;
De - диаметр пузырька (диаметр сферы, объем которой равен объему
пузырька), м;
Dcaic расчетный диаметр пузырька, м;
DK ~ внутренний диаметр коллектора, м;
DOmP ~ диаметр пузырька в момент отрыва от поры, м;
А*2 ~ средний (Саутеровский) диаметр пузырьков, м;
d-calc ~ расчетный диаметр сопла (пор), м;
dn ~ диаметр пор, м;
Fb ~ подъемная (Архимедова) сила, Н;
FD ~ сила гидравлического сопротивления всплытию пузырька, Н;
Fm ~ сила, возникающая вследствие преобразования динамического
напора в статический внутри газового пузыря, Н;
Fp ~ сила давления, вызванная давлением воздуха в пузырьке, Н;
Fs - сила поверхностного натяжения, Н
Fsn - вертикальная составляющая сил поверхностного натяжения, Н;
/к - скважность коллектора;
/т — скважность мембраны;
G - массовый расход воздуха, кг/с;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
Н - глубина погружения аэратора, м;
- полный гидродинамический напор на входе в систему (сечение на входе от стояка в лучь), м;
- напор, развиваемый воздуходувками, м; he ~ эффективная глубина насыщения, м;
ht - глубина, на которой находится i-тая зона газожидкостного факе-
ла, м;
hx - высота зоны 1, м;
h2 - высота зоны 2, м;
АНА AHS
Ah
Ah
m.
"tnin
KLa KLa20
&om
s Kv
vom
Lai
air,-
- высота зоны З, м;
- потери гидродинамического напора в системе, м;
- потери напора в воздухоподводящей сети, м ;
- потери напора на аэраторах, м ; ~~ потери напора на i -ом аэраторе;
- потери напора на непористых участках воздуховода от /-1 -го до i -го аэратора, м;
- потери напора на местных сопротивлениях участка воздуховода от i-\ -го до i -го аэратора, м;
- потери напора на пористых участках воздуховода от i-1 -го до i -го аэратора, м;
- минимальная интенсивность аэрации (МИА), м3/(ч-м2);
- коэффициент массопередачи, м/ч;
- объемный коэффициент массопередачи, 1/с;
- значение К^а, приведенное к стандартным условиям, 1/с;
~ фактический коэффициент оттока;
- степень сжатия газожидкостной струи;
- плотность укладки аэраторов, определенная как отношение количества погонных метров аэраторов к площади днища аэротен-ка, м/м ;
- Фактор влияния глубины погружения аэратора;
- фиктивный коэффициент оттока;
- эмпирические коэффициенты;
- общая длина коллектора, м;
- длина аэратора, с которой происходит диспергирование воздуха, м;
" длина системы аэрации на 1-ом участке аэротенка, м
- длина циркуляционной ячейки, м;
6
Mv - виртуальная масса пузырька, кг;
mg - масса вещества, кг
Nc - количество струек воздуха на поверхности диспергатора,
шт./см2;
Nd - количество аэраторов луче, шт.
Nn - количество пор на единицу площади поверхности диспергатора,
шт./м2;
«1 - «4 ~ эмпирические показатели степени;
Ррд - средний относительный перепад давления по длине дырчатого
коллектора;
Ррдт ~ средний относительный перепад давления по длине дырчатого
коллектора с малой пористостью;
Рх - относительный перепад давления для сечения коллектора с ко-
ординатой X;
Р - статическое давление в коллекторе, Па;
РА ~ давление воздуха на входе в аэрационный лучь, Па;
Patm ~ барометрическое давление, Па;
Pbt ~~ давление воздуха на воздуховоде перед / -м диспергатором, Па;
Pi - давление воздуха на выходе из / -го диспергатора, Па
Pf ~ давление воздуха в воздуховоде, Па;
р/г - гидростатическое давление на элемент поверхности пузырька,
Па;
ps - стандартное барометрическое давление, Па;
pva ~ давление насыщенных паров при температуре ta, Па;
pvt ~ давление насыщенных паров воды при температуре t, Па;
рх - давление в сечении коллектора с координатой X, Па;
рвн - давление внутри аэратора, Па;
РО - давление в точке "О", Па
7
Рап " давление в точке " ап", Па
Ар - потери давления между входным сечением аэрационного луча и
окружающей средой, Па;
АРа - перепад давления внутри аэратора и снаружи, Па;
Арс - потери давления на диспергирующей оболочке со средним рас-
ходом, Па;
~ средний перепад давления внутри аэратора и снаружи, Па; - потери давления на диспергирующей оболочке
" потери давления на диспергирующей оболочке в сечении X, Па;
- экспериментальное значение потерь давления на аэраторе, Па;
- потери давления на мокрой мембране, Па;
- потери давления на сухой мембране, Па;
- потери давления в отверстиях, Па;
~~ потери давления в отверстии со средним расходом, Па;
- потери давления в отверстии с координатой X, Па;
~ потери давления по длине дырчатого коллектора, Па;
- потери давления по длине коллектора от его начала до сечения со средним расходом через отверстие, Па;
- потери давления на трение по длине коллектора от его начала до m сечения с координатой X , Па;
Л/>0 - перепад давления на диспергаторе в точке "О", Па
Дрст - потери давления на преодоление сил поверхностного натяжения,
Па; Q - общий расход воздуха при давлении и температуре на входе в
систему, м3/с; \2ао - фактический расход воздуха через аэратор, м /ч;
8
Qlj. - фактический расход воздуха через воздуховод на входе в / -й
диспергатор, м3/с;
Qg ~ расход воздуха на аэратор, м3/с;
Qgf - расход воздуха на выходе из резервуара, м3/с;
QgH " расход воздуха через сечение Sу на глубине Н, м3/с;
Qi - фактический расход воздуха на выходе из i -го диспергатора,
м3/с;
Qm - транзитный расход воздуха (равен расходу воздуха на выходе из
аэратора), м3/с;
Qn - путевой расход воздуха (расход воздуха через боковую поверх-
ность аэратора), м3/с;
Qs - расход воздуха при стандартных условиях (температура 20 °С,
давление 101325 Па, относительная влажность 36 %), м3/с;
Qo - расход воздуха на входе в коллектор, м3/с;
q' - расход воздуха на участке аэротенка, м3/ч;
qi - удельный расход воздуха на один метр трубчатого аэратора,
м3/(ч-м);
qis - удельный расход воздуха на один метр трубчатого аэратора,
приведенный к стандартным условиям, м3/(ч-м);
Ятах ~ максимально допустимый расход воздуха на один метр аэрато-
ра, м3/(м-ч);
Qmin ~ минимально допустимый расход воздуха на один метр аэратора,
м3/(м-ч);
qw - расход сточных вод, м3/ч;
Rh - относительная влажность воздуха при температуре t;
Rcn - сопротивления потоку пористой перегородки, (Н-с)/м3;
Re - критерий Рейнольдса;
- критерий Рейнольдса для отверстия;
Re0 S
'K
'отв some
sd
ч
и
и и0
v
f
V.
g
Vi
- критерий Рейнольдса для входного сечения;
- площадь боковой поверхности коллектора, м2;
- площадь поперечного сечения воздуховода на входе в систему, м2;
- площадь поперечного сечения г -го диспергатора, м2;
- площадь поперечного сечения воздуховода перед / -м дисперга-тором, м2;
- площадь поперечного сечения пузырька S^ - S^ (т), м2;
- площадь циркуляционной ячейки, м2;
~ поперечное сечение газожидкостного факела, м2;
- площадь поперечного сечения коллектора, м2;
- суммарная площадь отверстий коллектора, м2;
- суммарная удельная площадь отверстий (на единицу длины аэратора), м /м;
- площадь диспергирования воздуха, sj = s^ (qi), м2;
- температура окружающей среды, °С;
~ температура воздуха в воздуховоде, °С;
- температура воды, °С;
- локальная относительная скорость воздуха, U = и I uq;
- локальная средняя по сечению коллектора осевая скорость воздуха в сечении коллектора с координатой X, м/с;
- средняя по сечению коллектора скорость воздуха на входе в коллектор, м/с;
- объем пузырька, м3;
- объем газожидкостного факела, м3; ~~ отрывной объем пузырька, м3;
- объем /-той зоны газожидкостного факела, м3;
10
V\ - объем жидкости, связанный с движением пузырька, м3;
Vr - объем воды в реакторе, м3;
Уо - объем одиночного пузырька в квазистатическом режиме, м3;
vcm ~ радиальная составляющая скорости на стенке коллктора , м/с;
W - скорость диспергирования воздуха, м/с;
Wq - мгновенная скорость диспергирования воздуха в точке 0, м/с;
Wa - мгновенная скорость диспергирования воздуха в точке а, м/с;
Wcp - средняя скорость диспергирования воздуха в интервале от 0 до
-.и/с;
We - критерий Вебера;
™сф ~ скорость всплытия сферических пузырьков, м/с;
wD - скорость всплытия пузырьков, м/с;
wg ~ скорость истечения газа (воздуха) через пору, м/с;
wg — приведенная скорость газа, м/с;
Wg - скорость воздуха в отверстии в сечении коллектора со средним
расходом, м/с;
Wg - скорость воздуха в отверстии в сечении коллектора с координа-
той X, м/с;
wic - скорость возвратного потока жидкости, м/с;
Wif ~ скорость восходящего потока жидкости, м/с;
скорость всплытия деформированных пузырьков, м/с;
безразмерная координата, X -xlL;
продольная координата, м; - мольная доля сухого воздуха при стандартной температуре и
давлении;
расстояние от поверхности поры до фронта пузырька, м; Zc - расстояние от поверхности сопла до центра масс пузырька, м;
X
х
Y
давлении; Z
11
Zt - теоретическое расстояние от поверхности сопла до верхней
точки на поверхности пузырька при отсутствии действующих сил, м;
za. - высота расположения /-го диспергатора над осью воздуховода,
м;
z\j - высота столба жидкости над осью воздуховода, м
а - коэффициент, равный a = Qn/'Qq\
ay- - отношение коэффициента массопереноса в сточной жидкости к
таковому в чистой воде;
Р - фактор, учитывающий изменение растворимости кислорода воз-
духа в сточной жидкости по сравнению с чистой водой (типичное значение 0,95);
~ фактор формы пузырька;
- коэффициент потока импульса (Буссинеска);
Y - угол расширения водовоздушной струи, градус;
5W - толщина мембраны, м;
5г - удельная проводимость газа, Ом"1 см'1;
Ъж - удельная проводимость жидкости, Ом"1 см"1;
^ж-г ~ удельная проводимость жидкостно-газовой среды, Ом"1 см"1;
е - пористость диспергатора;
гк - пористость коллектора;
?g ~ газосодержание (задержка газа);
С, - эмпирический коэффициент;
Cl ~ ^3 ~~ экспериментальные функции от пористости коллектора; 0 - температурный коэффициент;
0в - проекция вектора скорости отделяемых масс воздуха на направ-
ление основного потока, м/с;
~ коэффициент неравномерности распределения воздуха по длине
12
Чотв ^зотв х
^>отвп
Ьрдт
Pg
аэрационного луча;
динамическая вязкость газа, Пас, Пз;
динамическая вязкость воды, Пас, Пз; локальный коэффициент гидравлического трения в пористой трубе;
коэффициент гидравлического сопротивления мембраны; коэффициент трения в циркуляционной ячейке; коэффициент гидравлического сопротивления пузырька в воде; коэффициент сопротивления диспергирующей оболочки; коэффициент трения в газожидкостном факеле; коэффициент потерь скоростного напора при повороте струи; коэффициент гидравлического сопротивления отверстия; коэффициент гидравлического сопротивления отверстия коллектора с координатой X;
коэффициент гидравлического сопротивления отверстия коллектора со средним расходом;
коэффициент гидравлического сопротивления пористого коллектора;
коэффициент гидравлического сопротивления коллектора с малой пористостью;
коэффициент сопротивления трения во входном сечении коллектора;
плотность воздуха при фактических условиях, кг/м3;
плотность воздуха в сечении коллектора со средним расходом ,
кг/м3;
плотность воздуха в пузырьке, кг/м ; плотность воздуха на входе в систему, кг/м3;
13
Pig
Ap a
T
lomp
Ф
АБПК5 PCHK
CHK СПК
плотность воздуха при давлении и температуре перед i -м дис-пергатором, кг/м3;
плотность воздуха в сечении коллектора с координатой X, кг/м3;
плотность воздуха в начальном сечении коллектора, кг/м3;
плотность сухого воздуха при стандартной температуре и давлении, кг/м3;
плотность воздуха при давлении и температуре на выходе из / -го диспергатора, кг/м3; плотность воды, кг/м3;
фиктивная плотность пузырька с виртуальной массой, кг/м3; разность плотностей жидкости и газа, кг/м3; коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; время, с;
период аэрации, определенный как частное от деления вместимости аэротенков на средний расход, ч; время контакта фаз (время пребывания), с;
момент времени отрыва пузырька от поры, с
угол диспергирования (центральный угол, ограниченный крайними порами на поверхности трубчатого диспергатора на которых образуются пузырьки воздуха), радиан, градус; коэффициент формы (сферичности) пузырька воздуха; поправочный коэффициент давления, со = Рь/Р5', разница БПК5 сточной жидкости, поступающей в аэротенк и на выходе из него, кг/м3.
расчетная скорость насыщения кислородом на участке(АОТК), кг/ч;
скорость переноса кислорода при данных условияхСОГД^, кг/ч потребность в кислороде(Ю/^, кг/ч;
14
СЭПК - стандартная эффективность переноса кислорода, %;
СЭПКН - значение СЭПК отнесенное значению Н, %/м;
ССНК - стандартная скорость переноса кислорода, кг/ч;
ЭПК - эффективность переноса кислорода^ОГД), %;
ПНД - полиэтилен высокой плотности (низкого давления);
ПВХ - поливинилхлорид;
EPDM - димер этиленпропилена
15
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Загрязнение водных объектов является одной из приоритетных задач, на решение которых направлена федеральная целевая программа "Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)11. Повышение эффективности очистки городских и промышленных сточных вод является одной из важнейших задач реализации указанной программы.
Аэрация сточных вод в процессе биологической очистки является одним из наиболее энергоемких процессов, на который приходится не менее 50% всех затрат на очистку сточных вод. Кроме того, аэрация - наиболее ответственный процесс, так как концентрация растворенного кислорода и эффективность перемешивания сточной жидкости в аэротенке во многом определяют степень окисления органических загрязнений.
Процесс совершенствования и создание новых типов аэраторов и аэраци-онных систем происходит в основном эмпирическим путем, при этом улучшение одних параметров аэрационных систем, неизбежно приводит к ухудшение других. Так, например, стремление повысить эффективность насыщения воды кислородом единичным аэратором, привело к повышенным капитальным затратам, неравномерности распределения воздуха по длине аэрационных лучей, низкой производительности единичных аэраторов, что в конечном счете сказывалось на качестве очистки сточных вод.
Таким образом, задача разработки теоретических методов расчета аэраторов и аэрационных систем, и на их основе - высокотехнологичных, эффективных и надежных устройств, является чрезвычайно актуальной.
Цель диссертационной работы.
Разработка конструкции и инженерной модели расчета трубчатых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод.
Научная новизна.
1. Решена задача моделирования процесса формирования и роста лузырь-
16
ка воздуха в воде как задача переменной массы, движущейся с ускорением. Предлагаемая модель позволяет определить диаметр пузырька воздуха в момент его отрыва от поры при различных параметрах процесса, в том числе для криволинейных поверхностей аэратора.
2. Получена обобщенная формула для определения скорости всплытия пузырьков воздуха в сточной и водопроводной воде, для режимов одиночного и массового всплытия пузырьков.
3. На основе анализа структуры восходящих двухфазных струй разработана система расчета газосодержания водовоздушных потоков в различных зонах. Получены зависимости скорости восходящего потока жидкости от газосодержания и геометрических параметров аэрационных систем.
4. Установлены новые зависимости массообменных характеристик мембранных и пористых аэраторов от их гидравлических параметров. На основе этих зависимостей разработана экспресс-методика определения массообменных характеристик.
5. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены различный характер зависимости эффективности массопередачи от расхода воздуха для диспергаторов с монодисперсным и полидисперсным составом пор.
6. На основе анализа уравнений движения систем с переменной массой получены зависимости распределения давления и расхода воздуха по длине аэрационного луча. Выведены зависимости, показывающие влияние пористого слоя и воздушных полостей на потери напора и коэффициент неравномерности распределения воздуха в аэрационной системе. Расчеты по указанным моделям использованы при определении конструктивных характеристик аэраторов (диаметра и скважности).
7. Показана возможность эффективной работы в одном аэрационном луче разнотипных аэраторов с различными гидравлическими и массообменными характеристиками. Разработана методика расчета таких комбинированных систем аэрации.
17 |
