Фильтрование воды (стр. 2 из 6)
Рис. 12.3. Кинетика осветления воды фильтрованием через зернистую загрузку
Одной из основных задач изучения закономерностей процесса осветления воды фильтрованием является нахождение времени защитного действия загрузки. Выделим в моделе фильтра элементарный слой загрузки толщиной Δх на расстоянии х от ее поверхности (рис. 12.5). К верхнему сечению слоя площадью равной единице, подходит вода с массовой концентрацией частиц С1 а через нижнее сечение она выходит из слоя с концентрацией С2. Уменьшение концентрации частиц в элементарном слое составляет
Рис. 12.4. Кинетику осветления воды во времени
Производная дС/дх есть градиент концентрации, т. е. изменение ее на единицу толщины слоя. Градиент концентрации выражен частной производной, так как концентрация частиц в каждом сечении зависит от двух переменных: х — расстояния от поверхности слоя н t—- продолжительности фильтрования. Знак минус в уравнении (12.1) указывает на уменьшение концентрации с увеличением расстояния х от поверхности слоя. Эффект осветления воды рассматриваем как результат двух противоположных явлений — изъятия частиц из воды вследствие их прилипания к зернам загрузки и отрыва ранее прилипших частиц под влиянием гидродинамического воздействия потока. Тогда снижение концентраций частиц на участке Ах может быть выражено равенством
Рис. 12.5. Фильтровальная колонна
где ΔC1— уменьшение концентрации частиц за счет их прилипания; ΔС2 — увеличение концентрации за счет отрыва частиц.
Снижение концентрации частиц за счет их прилипания может быть принято пропорциональным средней концентрации частиц в объеме выделенного слоя С и оно пропорционально толщине слоя Ад;
(12.3)где b— параметр фильтрования, определяющий интенсивность прилипания частиц и зависящий от условий фильтрования.
Рост концентрации за счет отрыва ранее прилипших частиц может быть принят пропорционально количеству накопившегося к данному моменту времени осадка р Ах. Кроме того, обратно пропорционален количеству воды, проходящей через слой за единицу времени:
(12.4)где р — плотность насыщения загрузки осадком, т. е. массовое количество осадка, накопившееся к данному моменту времени в единице объема элементарного слоя загрузки; а — параметр фильтрования, определяющий интенсивность отрыва частиц и зависящий от условий фильтрования; v— скорость фильтрования.
Подставив значения ΔC,ΔС1и ΔС2 в равенство (12.2), получим
(12.5)Уравнение (12.5) является основным уравнением, отражающим специфику процесса фильтрования суспензий через зернистую загрузку. В уравнение (12.5) входят две зависимые переменные величины Си ρ, поэтому одного этого уравнения недостаточно для описания процесса.
Вторым, дополняющим его уравнением является уравнение баланса вещества. Через поперечное сечение выделенного слоя с единичной площадью за единицу времени проходит объем воды, равный скорости фильтрования. Следовательно, массовое количество вещества задерживаемого слоем, равно
( 2.6)Извлекаемые слоем из воды частицы образуют осадок на зернах слоя, накапливающийся в ходе процесса. Количество отложений в слое толщиной Δx; составляет ρ*Δх, а скорость накопления отложений в слое или количество вещества, накапливающегося в нем за единицу времени t,равно
(12.7)Приравнивая выражения (12.6) и (12.7), получим
'
Дифференциальное уравнение (12.8) является уравнением баланса веществ. Оно показывает, что количество вещества, извлеченного слоем Ах из воды за единицу времени, равно количеству накопившегося в этом слое вещества за тот же промежуток времени.
Дифференцируя уравнение (12.5) по времени и учитывая уравнение баланса (12.8), получим
(12.9)Это уравнение в дифференциальной форме описывает кинетику процесса осветления при фильтровании суспензий. Аналогично уравнению (12.9) получим дифференциальное уравнение для плотности насыщения
(12.10)описывающее в дифференциальной форме процесс изменения плотности насыщения фильтрующей загрузки осадком по ее высоте с течением времени. Выражения (12.9) и (12.10) интегрируются, но решение получается в виде бесконечного ряда и его трудно использовать для практических расчетов, которые упрощаются, если воспользоваться критериями подобия для процесса осветления, получаемыми из анализа дифференциального уравнения (12.9). С этой целью преобразуем уравнение (12.9), введя безразмерное отношение мгновенной концентрации к начальной концентрации частиц в воде, поступающей на фильтр: У=С/С0. Тогда
Подставляя эти значения в уравнение (12.9) и сокращая по- сТОянный множитель С0, получим
(12.11)Введем теперь новые независимые безразмерные переменные
X = bx, Т = at(12.12)
Подставляя эти значения в уравнение (12.11) и сокращая постоянные множители а и b, получим
(12.13)В уравнение (12.13) в отличие от исходного уравнения (12.9) непосредственно не входят параметры фильтрования а и Ь, которые характеризуют формы протекания процесса. Следовательно, оно является общим для всего многообразия условий протекания процесса фильтрования.
Безразмерные переменные X и Т устанавливают подобие протекания процесса осветления при разных условиях и являются критериями подобия. Изменение концентрации взвеси в воде при ее движении через зернистый слой определяется только значением этих критериев, т. е.
(12.14)Для процессов, протекающих подобно, масштабные множители обычно определяют методами теории размерностей. Обобщенная кривая С/С0 = f1(Х') при Т' = const, которая дает одновременно представление о влиянии на ход процесса толщины фильтрующего слоя, скорости фильтрования и размера зерен загрузки. Она показывает, что качество фильтрата зависит от перечисленных факторов лишь на определенном участке значений X. При достаточно больших значениях X изменение этих факторов практически не оказывает влияния на качество фильтрата. Поэтому для получения устойчивого эффекта осветления воды фильтровальные аппараты Должны работать в области достаточно больших значений X. При этом условии увеличение скорости фильтрования в определенных пределах не вызовет ухудшения качества фильтрата. Обобщенная кривая С/С0=/2(Т') при X'= const. Как видно из совмещенного графика, необходимый эффект осветления сохраняется на определенном интервале значений Т. Используя теорию размерностей, значения критериев X и Т находим из выражений X' — x/(v7d1'7)
(12.15)Из уравнения (12.14) можно заключить, что при С/С0 = =constмежду критериями X и Т должна существовать однозначная зависимость. Экспериментальные данные показывают, что такая зависимость действительно существует и выражается прямой линией
Рис. 12.6. Обобщенный графикC/C0=fl(X')
X' = kT' + X'0, Тангенс угла наклона прямой линии kи отрезок, отсекаемый на оси ординат Хо', являются параметрами фильтрования, значения которых при определенном заданном значении С/С0 зависят от физико-химических свойств воды и взвеси. Их определяют экспериментально. Зависимость (12.16) имеет важное практическое значение, так как она устанавливает связь между временем защитного действия загрузки, толщиной ее слоя, размером ее зерен и скоростью фильтрования.