Снижение концентрации углекислоты в подземных водах на перегородчатом дегазаторе

Аннотация

Приведены результаты исследований по снижению концентрации углекислоты в подземных водах Тюменского региона на дегазаторе барботажного типа с горизонтальными перегородками. Эффективность удаления углекислоты составляет 70–75%. Для интенсификации процесса десорбции растворенного газа предложена конструкция барботажного дегазатора, оснащенного горизонтальными направляющими, в котором коэффициент полезного использования воздуха увеличивается за счет изменения структуры и траектории движения воздушных пузырьков и воды. Выявлены расчетные зависимости для определения требуемого количества перегородок в дегазаторе и остаточной концентрации углекислоты при скорости противотока 20 м/ч. Приведены номограмма по определению остаточной концентрации углекислоты и методика расчета перегородчатого дегазатора.

Ключевые слова

обезжелезивание , подземные воды , углекислота , дегазатор барботажного типа , перегородчатый дегазатор , десорбция , удельный расход воздуха

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Подземные воды Тюменского региона содержат растворенные газы в различном количестве, в основном двуокись углерода (СО₂), сероводород (Н₂S), метан (СН₄). Угольная кислота (СО₂) присутствует практически во всех месторождениях подземных вод, и ее концентрация составляет 30–200 мг/дм³. Наличие СО₂ в подземной воде обусловлено в основном биохимическими процессами в грунтах и воде [1].

Наличие газов в обрабатываемой воде приводит к загазованности фильтров обезжелезивания, ухудшая процессы окисления железа в объеме загрузки при упрощенной аэрации. Углекислота придает воде агрессивные свойства по отношению к металлу и бетону. К тому же СО₂ играет роль катализатора при кислородной коррозии, в 3 раза повышая ее интенсивность [2], что способствует вторичному загрязнению воды железом.

Удаление и снижение концентрации растворенных газов в воде осуществляются физическими, химическими и биохимическими методами. В хозяйственно-питьевом водоснабжении применяются физические методы снижения содержания углекислоты: свободный излив, разбрызгивание над водной поверхностью, пропуск через градирни, барботаж, вихревая дегазация [3], ультразвуковые [4] и волновые процессы [5]. В Тюменском регионе снижение концентрации углекислоты осуществляется с помощью свободного излива, градирен, барботажа в свободном объеме, барботажа в гравийном слое.

Эффективность удаления СО₂ из подземных вод с низкими температурами (1–5°С) при свободном изливе составляет не более 33%, что ограничивает использование метода при концентрации углекислоты свыше 50 мг/дм³. Эффективность удаления СО₂ на градирнях в условиях региона, по данным В. А. Сучкова [6], составляет 20–30%, по исследованиям авторов, на ряде действующих станций обезжелезивания – 40–50%. Но в условиях низких температур воды и воздуха, во избежание обмерзания, градирни следует располагать в закрытых помещениях или нагревать воздух, подаваемый вентиляторами. При низких температурах наружного воздуха из-за его повышенной плотности происходит «задув» градирен (даже находящихся в помещении), что резко снижает эффективность удаления углекислоты. Определенную трудность представляет очистка насадки градирни от отложений окислов железа, требующая разборки конструкции.

Барботажные дегазаторы конструктивно просты, позволяют регулировать снижение содержания газа, но требуют повышенных затрат электроэнергии [7] и имеют низкий КПД использования воздуха. При барботаже в свободном объеме с подачей воздуха через дырчатые распределители эффективность удаления углекислоты составляет 40–50%. Повышение эффективности барботажа до 75–80% может быть достигнуто применением дегазатора с гравийной засыпкой [8], но в этом случае на загрузке возможно отложение окислов железа, даже при незначительной продолжительности барботирования (5 мин).

С целью интенсификации процесса десорбции растворенного газа предложена конструкция барботажного дегазатора, оснащенного горизонтальными направляющими. КПД использования воздуха в нем увеличивается благодаря изменению структуры и траектории движения воздушных пузырьков и воды. Эффективность удаления СО₂ при этом составляет 65–70% (рис. 1). Живое сечения потока по высоте дегазатора принимается переменным, в узкой части происходит наибольшая трансформация кинетической энергии потока в энергию деформации и дробления пузырьков воздуха [9]. В результате этого в местах сужения из-за увеличения скорости движения воды образуются зоны разрежения, в которых сначала происходит слияние пузырьков с переходом в более крупные, а затем разрыв-дробление на мелкие, что способствует интенсивному обновлению поверхности контакта фаз, соответственно процессу массообмена.

В ходе исследований перегородчатого дегазатора барботажного типа установлено [10] следующее:

при высоких начальных концентрациях углекислоты в воде процесс десорбции протекает быстрее за счет повышенной первоначальной движущей силы процесса;
при высокой скорости противотока требуемая эффективность удаления углекислоты достигается при меньших значениях водовоздушного соотношения (рис. 1), что обусловлено высокой скоростью противотока, обеспечивающей снижение толщины пограничного слоя и его ускоренное обновление;
эффективность удаления углекислоты зависит от количества перегородок, которые создают благоприятную гидродинамическую обстановку внутри дегазатора. При наличии двух перегородок увеличение эффективности составило 4% и при четырех – 18% по сравнению с барботажем в свободном объеме (рис. 2);
расстояние между перегородками влияет на эффективность снижения концентрации углекислоты, наибольшая эффективность достигнута при расстоянии 0,4–0,6 м.

В настоящее время расчет дегазаторов проводится с использованием дифференциального уравнения скорости десорбции, в котором движущая сила процесса выражена через разность концентраций углекислоты до подачи воздуха С_исх и после С_кон [2]:

где М – количество десорбируемого газа в единицу времени, кг/ч; β – общий коэффициент десорбции, м/ч; C_исх – исходная концентрация CO₂; C_кон– конечная концентрация CO₂; F – площадь контакта жидкой и газообразной фаз, м².

Коэффициент десорбции характеризует необходимую площадь поверхности контакта воды и воздуха, следовательно, и конструктивные размеры дегазатора. Значение коэффициента десорбции теоретическим путем установить довольно трудно, поэтому он определяется на основании экспериментальных данных с привлечением π-теоремы [8; 11; 12]. Для углекислоты критериальные зависимости коэффициента десорбции имеют вид:

где Nu' – диффузионный критерий Нуссельта, характеризует интенсивность диффузионного потока вещества; Pr' – диффузионный критерий Прандтля, характеризует физические свойства среды; Re – критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости; Sh – критерий Шервуда, характеризует интенсивность диффузионного потока вещества; Sc – критерий Шмидта, характеризует связь скоростного и концентрационного полей; q – удельный расход воздуха, характеризует водовоздушное соотношение.

В критериальных уравнениях диаметр воздушного пузырька принимается для соответствующих воздухораспределителей постоянной величиной, но она не является таковой. В связи с этим А. А. Кастальский [12] отметил, что коэффициент десорбции, полученный для конкретных условий, нельзя распространять на другие отличные исходные качественные показатели. К тому же, из-за недостаточности данных о механизме процесса критериальные уравнения не учитывают влияние всех факторов. В. Г. Айнштейн [13] указывает, что недостатки использования коэффициентов массоотдачи проявляются особенно ярко, когда они получаются зависимыми от движущей силы процесса ΔС.

Исследования показали, что при противоточном барботаже воздушные пузырьки независимо от диаметра отверстия истечения могут иметь размеры от 2–4 мм до 30–80 мм и более (воздушные пробки) в зависимости от размера барботера [14]. На форму и величину воздушных пузырьков в значительной степени влияют водовоздушное соотношение и скорость противотока. В перегородчатом дегазаторе в связи с многократным слиянием пузырьков и последующим их дроблением на более мелкие [15] довольно затруднительно зафиксировать диаметр пузырьков воздуха. К тому же, нет определенной четкости в значении коэффициента диффузии для углекислого газа, входящего в уравнения для определения коэффициента десорбции, по литературным данным он составляет

(0,27–1,835)10^–9 м²/с [16; 17].

Предложено представить в обобщенном виде результаты исследований по снижению концентрации углекислоты в барботажных дегазаторах методами планирования эксперимента. Это позволило учесть характерные факторы десорбционного процесса, но исключить значения диаметра воздушного пузырька и коэффициента десорбции. Факторы, влияющие на снижение концентрации углекислоты в процессе обычного барботажа: С_исх – исходная концентрация углекислоты, мг/дм³; q_уд – удельный расход воздуха, м³/м³; h_в – высота слоя воды в барботере, м; d_отв – диаметр отверстия истечения воздуха, м; V_в – скорость движения воды, м/ч.

Пределы варьирования факторов рассматривались в соответствии с существующими конструктивными решениями дегазаторов [14]. Приняты интервалы изменения следующих величин:

С_исх = 58–182 мг/дм³; q_уд = 3,4–12,6 м³/м³;

h_в = 0,5–2 м; d_отв = 2–6 мм; V_в = 4,3–47,7 м/ч.

По экспериментальным данным, уравнение регрессии для конечного значения концентрации углекислоты С_кон при барботаже в свободном объеме в зависимости от влияющих на нее факторов примет вид:

Оптимальные значения удельного расхода воздуха составляют 8–10 м³ воздуха на 1 м³ воды, скорости – 10–40 м/ч, диаметра отверстий воздухораспределителя d_отв = 3–6 мм.

Расчетные зависимости для барботажного дегазатора с горизонтальными перегородками имеют вид:

по оптимальному количеству перегородок

по ожидаемому конечному значению концентрации углекислоты в воде С_кон на выходе из дегазатора

Формула (6) приведена для ожидаемого конечного значения концентрации углекислоты С_кон при постоянной скорости противотока, равной V_в = 20 м/ч, для других значений скорости С_кон определяется с использованием диаграммы рис. 3.

Расчет перегородчатого дегазатора барботажного типа выполняется в следующей последовательности.

1. Выявляется оптимальное количество перегородок и минимальное значение удельного расхода воздуха построением лепестковой диаграммы в табличном редакторе Excel. В формулу (5) подставляются возможно принимаемые значения удельного расхода воздуха q_уд = 4–16 м³/м³ при постоянном значении С_треб (согласно СНиП, не более 30 мг/дм³) и С_исх. Пример лепестковой диаграммы приведен на рис. 4, по которой, например, можно установить, что при С_исх = 110 мг/дм³ и С_треб = 30 мг/дм³ оптимальное количество перегородок составит
N_треб = 4 шт., а значение удельного расхода воздуха должно быть q_уд ≥ 10 м³/м³ (в примере).

2. При С_исх и полученных значениях N_треб и q_уд по формуле (6) для скорости противотока V_в = 20 м/ч определяется содержание углекислоты (которое является промежуточным, т. е. ключом к пользованию диаграммы рис. 3).

3. По диаграмме рис. 3 для достижения требуемого значения С_треб определяется рабочая скорость противотока дегазатора. Определенное значение концентрации углекислоты при V_в = 20 м/ч является базовым при использовании диаграммы рис. 3.

4. Высота дегазатора при рабочей скорости V_в определяется по формуле:

где Н_воды – высота слоя обрабатываемой воды, м, которая определится исходя из требуемого количества перегородок

0,4 – оптимальное расстояние между перегородками, м (по результатам исследований); h_стр = 0,3–0,5 – строительная высота; d_подв – диаметр подводящей воду трубы, м; Н_возд – высота, приходящаяся на монтаж системы распределения воздуха (трубчатая или дырчатое днище) и отвода воды (конструктивно по диаметру трубопровода). Диаметр трубопровода подачи воздуха принимается по скорости 10–15 м/с, отверстий – 15–25 м/с; Н_расш – увеличение высоты столба воды при продувке воздухом, м, ориентировочно может быть принято (0,3–0,6)Н_воды или определяется по формуле [16; 18]:

где φ – среднее газосодержание по объему дегазатора, доля объема воздуха в газожидкостной смеси, доли единицы, определяется при Fr

φ₀ – газосодержание барботажного слоя для непроточной системы; Fr – число Фруда, безразмерный критерий подобия характеризует влияние сил тяжести:

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; v_возд – скорость движения воздуха в дегазаторе, м/с.

Газосодержание для системы с противоточным движением жидкости составит:

где v_воды – скорость движения воды в дегазаторе, см/с [16].

5. Расход воздуха, подаваемый в дегазатор Q_возд, м³/ч, определяется по формуле:

6. Площадь живого сечения отверстий между перегородками по горизонтали определяется по скорости прохода воды в них в 1,7 раза большей, чем средняя скорость воды в дегазаторе.

Конструкция перегородчатого дегазатора барботажного типа представлена на рис. 5.

Выводы

В результате исследований подземных вод Тюменского региона, содержащих углекислоту с концентрацией 20–200 мг/дм³, предложены расчетные формулы по ее снижению при барботаже в свободном объеме и в перегородчатом дегазаторе (погрешности между расчетными и экспериментальными данными составили ± 5–10%), а также представлена методика расчета конструкции перегородчатого дегазатора.

Список цитируемой литературы

Крайнов С. Р., Швец В. М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. – М.: Недра, 1987.
Шарапов В. И., Сивухина М. А. Декарбонизаторы водоподготовительных установок систем теплоснабжения. – М.: Изд-во АСВ, 2000.
Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Исследование массообменных характеристик вихревых аэраторов-дегазаторов // Изв. вузов. Сер. Строительство. 2005. № 3.
Гончарук В. В., Маляренко В. В., Яременко В. А. Использование ультразвука при очистке воды // Химия и технология воды. 2008. Т. 30. № 3.
Ганиев Р. Ф., Жебынев Д. А., Корнеев А. С. и др. Волновое диспергирование газа в жидкость // Механика жидкости и газа. 2008. № 2.
Сучков В. А. Работа дегазаторов-аэраторов в схеме обезжелезивания подземных вод г. Сургута // Водоснабжение и сан. техника. 2001. № 8.
Кастальский А. А., Минц Д. М. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. – М.: Высшая школа, 1962.
Жулин А. Г., Болотова О. В. К расчету гравийных дегазаторов // Изв. вузов. Сер. Строительство. 2003. № 7.
Абиев Р. Ш. Исследование течения газожидкостной системы в трубе с периодически меняющимся сечением // Химическая промышленность. 2003. Т. 80. № 12.
Жулин А. Г., Белова Л. В. К исследованию дегазатора барботажного типа с горизонтальными перегородками / Сб. материалов Всеросс. научно-практ. конф. «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири». – Тюмень, 2008.
Рамм В. М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1976.
Кастальский А. А. Технические указания по проектированию и расчету дегазаторов различных типов, применяемых на водоподготовительных установках. – М., НИИ ВОДГЕО, 1956.
Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. В 2-х кн.: Под ред. В. Г. Айнштейна. – М.: Университетская книга; Логос; Физматкнига, 2006. Кн. 1.
Жулин А. Г., Белова Л. В. Расчетное уравнение к определению остаточного содержания углекислоты при дегазации подземных вод в барботажных устройствах // Изв. вузов. Сер. Строительство. 2008. № 10.
Жулин А. Г., Белова Л. В. О барботере с горизонтальными направляющими / Сб. материалов Всеросс. научно-практ. конф. «Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири». – Тюмень: ИПЦ «Экспресс», 2006.
Кафаров В. В. Основы массопередачи. – М.: Высшая школа, 1979.
Крайча Я. Газы в подземных водах: Пер. с чешск. – М.: Недра, 1980.
Кутателадзе С. С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем. – М.: Энергия, 1976.