НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

На правах рукопису

КАРПІНСЬКА ІНГА АНАТОЛІЇВНА

УДК 628.322:661.43

РЕСУРСООЩАДНІ ПРОЦЕСИ КОНДИЦІЮВАННЯ ВОДИ

АБСОРБЦІЄЮ, ДЕСОРБЦІЄЮ І ОКИСЛЕННЯМ ДОМІШОК

05. 17. 08. - процеси та обладнання хімічної технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі обладнання харчових технологій Тернопільського Державного технічного

університету ім. І.Пулюя

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Мазяк

Зеновій Юліанович, ДУ “Львівська по-

літехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Півень Олександр Іванович, кафедра маши-

ни та апарати хімічних і нафтопереробних

виробництв Національного технічного універ-

ситету “Київський політехнічний інститут”

кандидат технічних наук,Тімофєєв Ігор Леонідович,

кафедра теплотехніки і теплових електричних

станцій, ДУ “Львівська політехніка”

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України

Захист дисертації відбудеться 10.12.2001 року о 14 год. на засіданні спеціалізоаної вченої ради Д 26.002.03 при Національному технічному університеті “Київський політехнічний інститут” за адресою: 252056, м. Київ - 56, пр. Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУ “Київський політехнічний

інститут”.

Автореферат розісланий 01.11.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.002.03, к.т.н., проф. В..Я. Круглицька.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час більшість джерел води в Україні, в тому числі і підземних, забруднено. Тому актуальною є задача не тільки кондиціювання води для потреб населення і промисловості відповідно з санітарно - гігієнічними та технічними вимогами, але й економія ресурсів (сировини, матеріалів, енергії, коштів тощо). Зеко-номити ресурси доцільно попереднім частковим кондиціюванням води у найпростіших безнасадкових апаратах для абсорбціїї О2, десорбціїї СО2, H2S і окис-лення Fe2+, нафто-продуктів з розбризкуванням води під невеликими напорами (до 0,5 м) з малих висот падіння крапель і стікання плівок. Для процесів окислення доцільно також оцінити можливість використання електро- та кавітаційної обробки, які дешевші традиційного озонування.

На вивчення гідродинаміки і кінетики згаданих процесів, розробку методів інженерних розрахунків, нових способів, конструкцій апаратів і їх використання спрямована дана робота.

Мета роботи. Удосконалення існуючих та розробка нових процесів і апаратів для кондиціювання підземних та стічних вод з метою економії ресурсів; розробка методик розрахунку на підставі теоретичних та експериментальних досліджень гідродинаміки і кінетики абсорбції О2 повітря, десорбції СО2, H2S, окислення Fe2+, нафтопро-дуктів в краплях, плівках з використанням малих напорів у розбризкувачах та висот падіння, а також в електролізерах і кавітаційних реакторах; розробка нових способів, апаратів та рекомендацій по використанню результатів робти.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до пріорітетного напрямку “Охорона навколишнього середовища” згідно Постанови Верховної Ради України № 2705 - 11 від 16.10.1992 р.; за держбюджетною темою Міносвіти України “Використання гідродинамічних кавітаційних реакторів в технології харчових виробництв для очищення та дезинфекції стічних вод”, № 0193 U 39367 держреєстрації, а також згідно плану науково - дослідних робіт кафедри обладнання харчових технологій Тернопільського державного технічного університету імені І. Пулюя (ТДТУ).

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання: вибір напрямку дослідження; розроблення нових і використання відомих найбільш прогностичних структурних математичних моделей процесів абсорбції, десорбції в краплях , плівках та через поверхню води в резервуарах; з урахуванням літературних рекомендацій та математичних моделей розроблення методик та виготовлення експериментальних стендів; вивчення закономірностей гідродинаміки і кінетики процесів дифузійного масообміну та окислення в системі рідина - газ, аналіз та узагальнення результатів; дослідження кінетики окислення Fe2+ та нафтопродуктів в електролізерах і кавітаційному реакторі (КР), визначення кінетичних констант та розробка методик і прикладів розрахунку крапельно - плівкових десорберів СО2 та КР для окислення нафтопродуктів; розроблення нових конструкцій апаратів і їх впровадження, рекомендацій з використання результатів роботи та їх загальна економічна оцінка.

Наукова новизна. Вперше одержані та узагальнені наступні наукові результати, які виносяться на захист:

·

· експериментально вивчено розміри та швидкості падіння крапель, витікання струмин з висоти від 1 до 5 м під напорами до 0,5 м (раніше ці питання вив-чались з метою одержання крапель високої дисперсності під напорами більше 20 м, які потребують більшої витрати енергії);

· вивчена кінетика процесів абсорбції О2, десорбції СО2, Н2S та окислення іонів Fe2+ в краплях, струминах, плівках води під малими напорами в розбризкувачах; одержано величини кінетичних коефіцієнтів для інженерних розрахунків при проектуванні апаратів;

· вивчена кінетика окислення Fe2+ та нафтопродуктів, розчинених у воді, в елек-тролізерах і кавітаційному реакторі; одержані величини кінетичних коефіцієнтів для проектування;

· науково обгрунтовані методики визначення концентрацій нафтопродуктів по опору емульсії та спрощеного визначення коефіцієнтів масовіддачі; розрахунку апаратів для десорбції СО2 в краплях і плівках та окислення Fe2+ в кавітаційних реакторах, нові способи та апарати.

Об'єкт дослідження - процеси та апарати для кондиціювання підземних і стічних вод абсорбцією О2 повітря, десорбцією СО2, H2S та окисленням Fe2+ і наф-топродуктів з метою заощадження ресурсів (сировини, матеріалів, електроенергії, коштів тощо).

Предмет дослідження - кінетика процесів сорбції та окислення в краплях, плівках, струминах; в електролізерах та гідродинамічних кавітаційних реакторах.

Методи дослідження - теоретичні та експериментальні.

Теоретично шляхом інтегрування диференціальних рівнянь дифузії з вибраними граничними умовами одержані кількісні аналітичні залежності між основними параметрами, які описують кінетику процесів масообміну між газом і рідиною.

Експериментально визначались залежності концентрації О2, СО2, H2S, Fe2+ та нафтопродуктів від часу на лабораторних стендах із зміною основних параметрів, які суттєво впливають на кінетику. Вони визначались математичними моделями та літературними даними. Для вимірювання концентрацій забруднень (крім нафтопродуктів та Fe2+ в електролізерах), витрат води та швидкостей руху крапель, плівок, струмин використовувались стандартні методики. Концентрацію нафтопродуктів вимірювали по електричному опору, а Fe2+ - по величині струму.

Практичне значення отриманих результатів. Вперше отримані наступні результати:

·

· розроблено методики і приклади розрахунку крапельно - плівкового десорбера та кавітаційного реактора (КР) для окислення нафтопродуктів;

· за результатами експериментальних досліджень та розроблення рекомендацій на їх використання отримано рішення Держпатенту України на видачу 2 - х патентів: на спосіб окислення забруднень і дезинфекції води та пристрій для його здійснення; на кавітаційний реактор для обробки суспензій;

· розроблено схему локального кондиціювання води з використанням кавітаційного реактора нової конструкції та напірного флотатора;

· розроблено і передано ДП “Тернопільводоканал” рекомендації з використання спрощеної аерації води її розбризкуванням у крапельно - плівковому абсорбері із суттєвим зменшенням (на 20 - 30 %) кількості піску для завантаження фільтрів та приміщень станції знезалізнення; очікуваний економічний ефект 40 - 50 тис. дол. США;

· крапельно - плівковий абсорбер впроваджено на Плугівському водозаборі м. Львова з річним економічним ефектом 92 тис. крб у цінах 1989 року (біля 65 тис.дол. США) з часткою автора 25 %.

Достовірність отриманих результатів. Наукові положення, висновки і рекомендації, сформульовані в дисертації, теоретично обгрунтовані найбільш прогностичними структурними математичними моделями, розроб-леними на базі фундаментальних законів, а їх адекватність підтверджена результатами експери-ментальних досліджень. Для визначення вмісту О2, СО2, Н2S, Fe2+ та нафтопродуктів використано стандартні методики. Доцільність застосування крапельно - плівкових аб-сорберів обгрунтована їх впровадженням, а кавітаційних реакторів - техніко - еконо-мічними розрахунками згідно до стандартних методик, виконаних Вітенько Т.М.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертації отримані та опубліковані самим автором. Виконано огляд літератури, на базі якого вибрано напрямки досліджень; сформульовано граничні умови математичних моделей та розроблено їх разом з проф. Мазяком З.Ю.; розроблено схеми та виготовлено стенди для абсорбції, десорбції в краплях, струминах, плівках; електрооброблення та проведено на них дослідження, результати яких узагальнено; на їх базі виконана перевірка математичних моделей на адекватність; розроблені методики та приклади розрахунку крапельно - плівкового десорбера CО2 та кавітаційного реактора нової конструкції; разом з доц. Вітенько Т.М. розроблено, виготовлено та випробувано КР для окислення Fe2+ та нафтопродуктів; розроблена схема локальних очисних споруд з кавітаційним реактором; оформлені заявки на патенти. Особисто автором розроблено рекомендації з використання результатів роботи, виконана техніко - економічна оцінка, сформульовано висновки з роботи.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались на 4-х конферен-ціях: Українсько - Польській науково - технічній конференції “Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод”, Львів, 1996; 3 - му Міжнародному симпозіумі інженерів - механіків, Львів, 1997; 3 - му Міжнародному конгресі Экватэк - 98 “Вода: экология и технология”, Москва, 1998; конференції студентів, аспірантів та молодих вчених НТУ “Київський політехнічний інститут”, Київ, 1999; четвертій науково - технічній конференції ТДТУ "Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино - і приладобудуванні, Тернопіль, 2000.

Публікації. Основний зміст роботи відображено в 11 наукових працях, в тому числі в 5 статтях, 6 тезах доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатків. Обсяг дисер-тації - 154 стор., включає 6 таблиць та 26 рис. в тексті і бібліографію 177 найменувань. Додатки мають об'єм 25 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, визначена її мета та завдання.

У першому розділі розглянуто вимоги до якості води, критично проаналізовані існуючі процеси і апарати для абсорбції, десорбції, генерації озону для окислення домішок, а також основні фактори, які впливають на кінетику цих процесів. Розглянута загальна характеристика процесів масопереносу та хімічних перетворень, закономірності рівноваги та кінетики фізичної абсорбції. В результаті обрано та обгрунтовано напрямки, мету та завдання досліджень.

У другому розділі розроблені структурні математичні моделі процесів абсорбції і десорбції в краплях та розчинення кисню через горизонтальну поверхню води інтегруванням відомих диференціальних рівнянь дифузії:

; 0 < r < R (краплі) (1)

; 0 < x < Н (горизонтальна поверхня) (2)

; 0 < x < ; 0 < y < H (плівки) (3)

Початкова умова ; граничні умови: симетрія крапель ; баланс маси на границі краплі при основному опорі переносу в газовій фазі (СО2) при десорбції: . При абсорбції в лівій частині рівняння балансу змінюються знаки. В процесах абсорбції О2 при основному опорі в рідині: . Після інтегрування рівнянь (1) і (2) з вищевказа-ними граничними умовами операційним методом з перетвореннями Лапласа отримані такі математичні моделі:

, (4)

де для абсорбції СО2

для десорбції СО2

для крапель (5)

для абсорбції О2 через горизонтальну поверхню (6).

Третій розділ містить опис об’єктів, методик та 3 - х стендів для дослідження гідродинаміки і кінетики масообміну та окислення.

1. Стенд для досідження гідродинаміки і кінетики масообміну та окислення Fe2+ в кра-

плях складався з ємностей для порцій розчину чи води у вигляді циліндрів з орга-нічного скла діаметром 40 мм і висотою 800 мм, з отворами в дні діаметрами d0 =2, 4, 6 мм; для струмин і плівок використовувались баки ємністю 5 л, розташовані на висоті 6,5 м, з яких вода через шланг подавалась до насадок (струмини) під кутами 30, 45о або до розбризкувачів, які фіксувались на різних висотах (2 - 6,5 м) у пластмасовій трубі висотою 6 м і внутрішнім діаметром 80 мм. Методика дослідів по гідродинаміці полягала у вимірюванні діаметрів крапель, які витікали з отворів d0 та часу їх падіння з різної висоти Н (1 - 24 м); часу стікання плівки з різної висоти в трубі (2 - 6 м). Кінетика досліджувалась виливанням 1,5 л розчину з різної висоти у вигляді крапель чи плівок з наступним аналізом проб на вміст О2, СО2, Н2S, Fe2+.

2. Стенд для дослідження окислення Fe2+ в електролізерах складався з 3 - х блоків: двох циліндричних електролізерів діаметром 40 мм і висотою 250 мм з плоскими графітовими електродами та з гострим графітовим анодом, розташованим перпен-дикулярно катоду; системи живлення у складі автотрансформатора, випрямляча напругою до 25 В, амперметра, вольтметра; системи пневматичного перемішування шляхом подачі стисненого повітря від компресора через витратомір і барботер. Методика дослідів полягала у вимірюванні струму при напрузі 12 В і різних віддалях між електродами (2 - 6 см) на протязі 60 хв через певний об’єм розчину Fe2+ різних концентрацій.

3. Стенд з кавітаційним реактором (КР) 13 (рис. 1) являє собою циркуляційний кон-тур, в якому досліджувана рідина двома послідовно з’єднаними насосами (для можли-вості міняти тиск в межах 0,1 - 0,5 МПа) циркулювала через КР 13 і абсорбер 8. Для збільшення тиску предбачений компресор 10 з ресивером 7. Повітря підсмоктувалось в каверну за перепоною через трубку з вентилем 20, а його витрата вимірюється приладом Піто - Прандтля 22 з мікроманометром 23. КР являє собою металічний корпус з перепоною, закріпленою у каналі ребрами. Методика дослідів полягала у відборі проб води з контура через певні проміжки часу з наступним аналізом на вміст Fe2+ та нафтопродуктів по стандартних методиках.

Рис.1 Схема експериментального стенду з кавітаційним реактором:

1 - воронка; 2, 4, 6, 9, 11, 14, 16, 18, 20, 25 - вентилі; 3 - клапан запобіжний; 5 - ротаметр; 7 - ресивер; 10 - компресор; 12 - манометр; 13 - реактор кавітаційний; 15, 17 - насоси відцентрові; 19 - мікроманометр; 21 - патрубок; 22 - трубка Піто-Прандтля; 23- - витратомір води; 24 - термометр; 26 - клапан.

Четвертий розділ містить опис експериментальних результатів з гідродинаміки і кінетики масообміну, окислення та перевірки математичних моделей на адекватність.

1. Гідродинаміка:

·

Wk = 14,1 - 1,56 dk , м / c; 1 < d0 < 6 мм (9)

·

(10)

·

· вивчено 2 режими течії плівок з лінійною густиною зрошення q >

, м2/с Wпл, м , м Reпл =

2,0 0,5 4,0 800

2,7 0,6 4,5 1080

2. Кінетика

2.1. Абсорбція О2 повітря краплями. Залежність концентрації кисню Ср від Н (рис.2) свідчить про наявність 2 режимів: інтенсивного при висоті падіння H < 6 м і регулярного при H > 6 м. При цьому ступінь насичення суттєво залежить від d0. Це пояснюється різним ступенем турбулізації при формуванні крапель.

t, с

0 1,5 2,3 3,2 d0 = 2мм

0 1,1 1,8 2,8 d0 = 4мм

0 0,8 1,3 2,4 d0 = 6мм

Рис.2 Кінетика абсорбції кисню повітря краплями води діаметром dк, які утворилися при

витіканні з отворів d0, мм: 1 - 2 (dк=4,7 мм); 2 - 4 (dк=5,3 мм); 3 - 6 (dк=5,8 мм)

Тому доцільно використати інтенсивний режим, для якого визначено коефіцієнти масовіддачі при h < 6 м: м/с для d0 = 2 мм; м/с для d0 = 4 мм і м/с для d0 = 6 мм. Залежність Num від Fom показана на рис. 3 для перевірки адекватності математичної моделі.

2.2. Абсорбція О2 повітря плівками. При стіканні плівок з висоти 5 - 6,5 м (близькій до промислових умов) одержано:

, м2/с , м/с Num

2,0 1,23 2,33 13,5 0,27

2,7 1,33 2,85 8,5 0,26

2.3. Десорбція СО2 з крапель. Одержані та узагальнені результати по десорбції при початкових концентраціях Срп = 40 - 160 мг/л свідчать також про суттєву залежність кінцевої концентрації Срк від d0. Ступінь десорбції досягає 0,55 - 0,6 при H = 5 м, середнє значення Num = 1630, Fom = .

2.4. Десорбція СО2 із струмин. Визначено ступінь десорбції для наступних випад-ків: = 0,28, якщо струмини витікають зверху вниз вертикально з висоти Н = 5 м під напором h = 0,5 м і витраті Q = м3/с через циліндричну насадку з отворами d0 = 6 мм;

Рис.3 Залежності Num та - lnA від Fom для процесу абсорбції кисню повітря

краплями діаметром dк=5,8 мм

струмини витікають вертикально вгору: при d0 = 2 мм; Q = м3/с; =

= 0,2 при d0 = 4 мм; Q = м3/с; а якщо струмини витікають при h = 5 м під кутом - при d0 = 2 мм; при d0 = 4 мм; при d0 = 6 мм. Такі ж ступені десорбції досягаються з крапель при напорах h, на порядок менших.

2.5. Десорбція СО2 в каскаді з 4 - х розбризкувачів d0 = 3 - 6 мм, розташованих на висоті 1 м один від одного (загальна висота Н = 5 м) забезпечує , тобто на рівні крапель при тій же Н.

2.6. Десорбція Н2S з крапель. При конструктивно доцільному d0 = 6 м і Н = 4,5 м до-сягається ступінь десорбції при початкових концентраціях сірководню Срп = 5 - 30 мг/л. Такі ж результати одержано і при десорбції СО2, тому можна вважати, що в процесі десорбції СО2 виділиться і Н2S.

2.7. Десорбція СО2 з плівок. При початкових концентраціях Срп = 15 - 190 мг/л: = =0,35, Num = 4 при Н = 4,5 м; та , Num = 6,2 при Н = 6,5 м.

Результати розрахунку по спрощеній формулі (розділ 3) занижені порівняно з зага-льноприйнятою на 20 % при Н = 6,5 м і можуть використовуватись в інженерних розра-хунках.

2.8. Окислення Fe2+ в краплях і плівках. Як і при абсорбції та десорбції, існує ін-тенсивний режим при Н = 6 м. Тому детально виконано дослідження кінетики при менших висотах і початкових концентраціях Срп = 5, 15 мг/л, які найчастіше зустрі-чаються: визначено коефіцієнти швидкості реакцій при Н = 4 м: К = 0,34 с-1, = =0,2 для Срп = 5 мг/л, d0 = 6 мм; K = 0,08 c-1, = 0,04 для Срп = 15 мг/л, d0 = 6 мм. В плівках для Срп = 10 мг/л при Н = 6,5 м і при Н = 3,5 м, тобто практично однакові результати.

2.9.Окислення Fe2+ в електролізерах . При напрузі 12 В і різних віддалях між елек-тродами перевагу мають плоскі електроди при = 4 - 6 см. Вони забезпечують , тоді як з гострим анодом для часу хв. відповідно.

2.10. Окислення Fe2+ та нафтопродуктів у кавітаційному реакторі. Зменшення кон-центрації з часом циркуляції показано на рис. 3 і 4 .

3. Перевірка математичних моделей на адекватність. Для процесів абсорбції О2 краплями використано рівняння, отримане Аксельрудом Г.А. та Рудобаштою С.П. для масопровідності у твердій фазі при n = 1: . З графі-ків залежностей - ln A = f (Fom) визначено наступні величини для одного першого члена ряду: ; B = 0,97; середнє експериментальне значення Num = 152, розрахункове Nump = 118 (заниження на 22 %); при абсорбції О2 води через її горизонтальну поверхню розбіжність розрахункових по рівняннях (4) і (6) при n = 1 та експериментальних даних складає 5,7%.

Для процесів переносу маси з основним опором в газовій фазі (СО2) розглянуто два підходи:

·

- перевірка адекватності рівняння (4) при n = 1 із заміною В і на емпіричні кое- фіцієнти [a] і [b] з метою спрощення розрахунків; для десорбції СО2 з крапель

а

Розділ п’ятий містить рекомендації з використання результатів роботи. Розроблено спосіб окислення забруднень і дезинфекції води та пристрій для його здійснення (рішення на видачу патента України по заявці № 95083666), який об’єднує два паралельно працюючі циркуляційні контури: флотаційний у складі приймального резервуару, флотатора, насосу та абсорбера; абсорбційний за схемою рис. 1, з циркуляційним насосом кавітаційного реактора (КР) і абсорбера флотаційного контуру. Вода неперервно подається у флотатор і після багатократної циркуляції в КР неперервно відводиться з абсорбера через зворотній клапан для запобігання проскоку повітря в насос. Перевагами цього способу є попереднє флотаційне вловлювання плаваючих та частина емульгованих нафтопродуктів і використання повітря, яке підсмоктується в контур ка-

вітаційним реактором, стискується та розчиняється в абсорбері.

Відомі конструкції кавітаційних реакторів мають малі зазори між корпусом і перепоною для забезпечення швидкості обтікання 10 - 30 м/с. Це може вивести КР з роботи при наявності у воді крупних твердих частинок. У новій конструкції КР (рішення на видачу патента України № 9812454) перепона винесена з корпусу і закріплена на корпусі сопла для збільшення надійності роботи внаслідок суттєвого збільшення зазору (рис.5). Крім того, він має простішу конструкцію і може монтуватися в трубопроводі.

На основі математичних моделей та експериментальних даних розроблено методики та приклад розрахунку крапельно - плівкового десорбера для СО2 та КР для окислення нафтопродуктів. Розроблена безнасадкова конструкція десорбера СО2 у вигляді стандартної труби діаметром 1420 мм і висотою 5 м з розбризкувачем (рис.6).

Рис.5 Кавітаційний реактор Рис.6 Крапельно - плівковий абсорбер

1-фланець труби; 2- фланець труби реактора; 1-кришка; 2-корпус; 3-стакан

3-корпус; 4-сопло; 5-ребра; 6-перепона; перфорований

7-трубка для всмоктування повітря;

8-кран

Виконана загальна техніко - економічна оцінка результатів роботи за бальною системою, а також розраховано економічний ефект від впровадження 8 десорберів на Плугівському водозаборі м. Львова (92,6 тис. крб в цінах 1989 р. або біля 65 тис.дол.США). ДКП “Тернопільводоканал” передано пропозиції з використання цих десор-берів у проекті станції знезалізнення з очікуваним економічним ефектом 40-50 тис.дол.США за рахунок зменшення площі приміщень і маси піску.

ВИСНОВКИ

1.На підставі грунтовного аналізу літератури, патентів, пропозицій фірм показано, що для кондиціювання води з підземних джерел доцільно використати ресурсоощадні процеси та апарати для абсорбції О2 і десорбції СО2, H2S в краплях і плівках, які ут-
ворюються при розбризкуванні води під мінімальними напорами до 0,5 м. Для окислення Fe2+ і нафтопродуктів доцільно дослідити можливість використання електролізу та
кавітації замість ресурсоємного озонування.

2.У дисертації наведені теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі, що виявляється в удосконаленні існуюючих і розробці нових методів та апаратів для кондиціювання питної і стічних вод, їх методик розрахунку на підставі теоретичних та експериментальних досліджень кінетики масообміну та окислення з метою економії ресурсів (сировини, матеріалів, електроенергії, коштів).

3. Головні наукові результати наступні:

3.1. В теоретичній частині роботи розроблені вперше:

- найбільш прогностичні структурні математичні моделі кінетики процесів абсорбції та десорбції: з крапель при основному опорі переносу маси в газовій фазі; через гори- горизонтальну поверхню рідини при основному опорі переносу маси в рідині; чисель-
ним методом розв'язане диференціальне рівняння конвективної дифузії в плівках для ви- падків основного опору переносу маси в газі; обгрунтовано можливість використання ма- тематичних моделей кінетики масообміну в пористих кулях твердих речовин Аксельруда Г.А. та Рудобашти С.П. для опису процесів масообміну, коли основний опір переносу зосереджено в рідині;

- теоретично обгрунтована методика визначення концентрації нафтопродуктів по електричному опору емульсії, яка дозволяє відмовитись від хімічного аналізу з вико-ристанням шкідливих для здоров'я реагентів (ефірів);

- запропонована теоретично обгрунтована спрощена методика розрахунку коефіцієнтів масовіддачі в краплях і плівках по експериментальних даних на основі закону Фіка.

3.2. В експериментальній частині роботи вперше отримано наступні результати:

·

6 мм, швидкості їх падіння та час перебування в повітрі; визначено товщину плівок;

·

м2/с і висоті труби Н = 2 - 6,5 м;

·

з крапель і плівок = 0,55 - 0,6. Вони узагальнені з визначенням коефіцієнтів масо-віддачі та дифузійних чисел Fom і Num, які входять у математичні моделі. По цих даних перевірено математичні моделі на адекватність і показана можливість їх викорис-тання для інженерних розрахунків апаратів з відносною похибкою 22 % для крапель і 10,7 % для плівок;

- вивчена кінетика окислення Fe2+ в електролізерах з плоским та гострим анодом, визначено константи швидкості окислення для розрахунку апаратів. Показано, що ефект окислення вищий в електролізері з плоским анодом при оптимальній віддалі між електродами 4 - 5 см;

- доведена доцільність фінішного окислення Fe2+ та нафтопродуктів у кавітаційному реакторі, визначено коефіцієнти швидкості окислення для розрахунку реакторів;

- розроблені методики та приклади розрахунку крапельно - плівкових десорберів і кавітаційних реакторів;

- розроблено спосіб та аппарат для окислення забруднень води з вивикористання кавітаційного реактора, на які одержано рішення на видачу патенту по заявці № 950836- 66 та патенту на КР по заявці № 9812454.

-впроваджено крапельно - плівковий апарат для десорбції СО2, H2S та окислення
Fe2+ на Плугівському водозаборі м. Львова з економічним ефектом 92,6 тис.крб. в цінах 1989 р. (біля 65 тис. доларів США) з часткою автора 25 % та передано ДП “Тернопільво-доканал” для використання в проекті станції знезалізнення з очікуваним економічним ефектом 40 - 50 тис.дол.США.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Мазяк З.Ю., Карпінська І.А., Завойко Б.М. Математична модель процесу дифузії кисню в біологічному ставку періодичної дії. // Вісник ТДТУ.- 1997,- Т.2 - Ч.1.- С. 69-73.

2. Карпінська І.А. , Кравчук О.О. , Слотюк О.Г. Гідродинаміка аераторів з розбриз-куванням води через перфоровані днища . // Вісник ТДТУ. - 1998. - Т.3, - Ч.3. - С.

125-129.

3. Мазяк З.Ю. , Карпинская И.А. Математическая модель процесса десорбции газов из воды в вертикальном пленочном аппарате .// “ Химия и технология воды “ . - Киев. - 1998. Т.20, - №4. - С. 346 - 353.

4. Завойко Б.М., Тіхонова І.А., Тазалова Н.М., Карпінська І.А. Знезалізнення води при її розбризкуванні. // Вісник ДУ "Львівська політехніка". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація, 1999, № 378. - С. 40 - 43.

5. Молчанов А.Д. , Тазалова Н.М. , Вітенько Т.М. , Карпінська І.А. Використання гідроди-намічного озонатора для очищення та дезинфекції стічних вод . // Доповіді на Українсько-Польській науково-технічній конференції "Сучасні проблеми водопоста-чання і знешкодження стічних вод” - Львів. - 1996.- С. 349 - 356 .

6. Вітенько Т.М. , Карпінська І.А. , Пилипець О.С. Використання гідродинамічного каві-таційного озонатора для покращення екологічного становища у машинобудуванні . // Тези доповідей на 3-му міжнародному симпозіуму українських інженерів-механіків.- - Львів. - 1997. - С. 182 - 183.

7. Молчанов А.Д. , Витенько Т.Н. , Карпинская И.А. Способ обработки питьевой и сточ- ных вод в гидродинамическом кавитационном реакторе. // Тезисы докладов 3-го международного конгресса “ Вода : экология и технология “ , ЭКВАТЄК - 98 . - Москва. - С. 282 -283.

7. Вітенько Т.М. , Карпінська І.А. , Лясота О.М. Дослідження очищення стічних вод від нафтопродуктів в кавітаційному реакторі. Тези доповідей 2 Всеукраїнської конферен- ції студентів , аспірантів та молодих вчених у НТУ “ Київський політехнічний інсти- тут. - Київ, 1999. - С. 44 -45.

8. Молчанов А.Д., Карпінська І.А., Чорномаз Н.Ю., Тазалова Н.М. Ресурсоощадний процес окислення двовалентного заліза води в електролізері. // Тези доповідей Х міжнарод- ної конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових вироб- ництв” (ІССЕ - 99). - Львів, - 1999.- С. 115 -116.

10. Неоніла Тазалова, Інга Карпінська. Ресурсоощадний процес знезалізнення води з під- земних джерел. // Доповіді на польсько - українському симпозіумі "Виклик комуналь- ним системам водопровідно - каналізаційного господарства на порозі ХХІ століття". - Познань - Ржешув - Львів, - 1999. - С. 63 - 65.

11. Н. Тазалова, І. Карпінська, Б. Завойко, Н. Чорномаз. Випробування процесу знезаліз- нення води з підземних джерел в краплях. Тези доповіді на IV науково - технічній конференції Тернопільського державного університету "Прогресивні, матеріали, тех- нології та обладнання в машино - і приладобудуванні", Тернопіль, 17 - 19.05. 2000. - С. - 162.

Перелік умовних позначень

d0, dk - діаметри отворів та крапель, м; h - напір перед отвором, м ; H - висота плівки, глибина резервуару, м; Wк, Wпл- швидкість падіння струмин, крапель та стікання плівки, м/с ; Q - витрата води, м3/с ; - коефіцієнти швидкості та витрати води через отвір ; ,- коефіцієнти кінематичної в’язкості газу та рідини, м2/с ; - кое-фіцієнт стискання стумини, ступінь абсорбції, десорбції, окислення ; - поверхневий натяг рідини, Н/м ; - густина газу та рідини, кг/м3 ; - число Вебера ; - число Лапласа; q - лінійна густина зрошення ; ,- кое-фіцієнти масовіддачі в рідкій та газовій фазах, м/с;- товщина плівки, м; , - числа Нуссельта для плівки і для краплі ; Сг - концентрація компонента в газі, мольні частки; Срп, Срк, Сs - початкова, кінцева та рівноважна концентрації розчиненого газу в рідині, кг/м3 ; D - коефіцієнт дифузії в рідині, м2/с; Fom = , - числа Фур’є для крапель і плівки; F - поверхня плівки,м2; - корінь характеристичного рівняння; x - віддаль по нормалі до поверхні, м; E - коефіцієнт Генрі, Н/м2; P - загальний тиск, Н/м2; k - константа швидкості реакції, с-1; n - порядок реакції; a, b - емпіричні константи; m - коефіцієнт розподілу.

АНОТАЦІЇ

Карпінська І.А. Ресурсоощадні процеси і апарати для кондиціювання води. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.13 - машини та апарати хімічних виробництв. - Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено дослідженню кінетики ресурсоощадних процесів абсорбції кисню з повітря, десорбції діоксиду вуглецю та сірководню в краплях і плівках, які утворюються внаслідок розбризкування води при невеликих напорах (0,2 - 0,5 м), окислення двовалентного заліза та нафтопродуктів в електролізері та кавітаційному реакторі. Створені структурні математичні моделі кінетики масообміну в краплях та плівках, на основі експериментальних досліджень визначено кінетичні коефіцієнти та підтверджена адекватність математичних моделей. Розроблені методика та приклад розрахунку крапельно - плівкових десорберів СО2, які впроваджено у виробництво. Виконана техніко - економічна оцінка результатів роботи, запропоновано новий спосіб окислення забруднень води та пристрій для нього з використанням нової конструкції кавітаційного реактора.

Ключові слова: ресурсоощадження, абсорбція, десорбція, окислення, краплі, плівки, кавітаційний реактор, електролізер.

Карпинская И.А. Ресурсосберегающие процессы и аппараты для кондиционирования воды. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 - машины и аппараты химических производств. - Национаальный технический университет “Киевский политехнический институт”, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию кинетики ресурсосберегающих процессов абсорбции кислорода из воздуха, десорбции диоксида углерода и сероводорода в каплях и пленках, которые образуются в результате разбрызгивания воды при небольших напорах (0,2-0,5 м), окисление двухвалентного железа и нефтепродуктов в електролизере и кавитационном реакторе. В теоретической части работы разработаны структурные математические модели процессов массообмена в каплях. В экспе-риментальной части получены следующие результаты:

·

· по экспериментальным данным по кинетике абсорбции О2 и десорбции СО2 опреде-лены коэффициенты массоотдачи и проверены математические модели на адекватность;

· показана целесообразность конечной стадии окисления Fe2+ и нефтепродуктов в ка-витационном реакторе;

· разработаны методики и примеры рассчета кавитационных реакторов для окислениянефтепродуктов, а также полых капельно - пленочных десорберов СО2, которые обеспечивают степень десорбции СО2, H2S, окисления Fe2+ около 50 %, экономию 20 - 30 % загрузки (песка) фильтров и внедрены в производство;

· выполнена технико - экономическая оценка результатов работы, предложен новый способ конечной стадии окисления загрязнений воды и устройство для его осуществления с использованием кавитационного реактора и напорного флотатора.

Ключевые слова: ресурсосбережение, абсорбция, десорбция, окисление, капли, пленки, кавитационный реактор, електролизер.

Каrpinska I. A. Resourcesaving processes and apparatus for water conditioning. -

Manuscript.

Thesis for acquiring the scientific degree of engineering science candidate on speciality 05.05.13 - Machines and apparatus of chemical productions. - The National technical university "Kyiv's polytechnical institute", Kyiv, 2000.

The thesis is dedicated to research in kinetics of resourcesaving processes for absorption of oxygen from air, desorption of carbon dioxide and hydrogen sulfide in drops and films, produced by sprinkling of water at small heads (0,2-0,5 m); oxidation of two-valence iron and petroleum products in electrolyzer and cavitational reactor. The structural mathematical models of massinterchange kinetics in drops and films have been created; the kinetic factors have been defined and adequacy of models has been confirmed. The calculation methods and practical example for drops-film CO2 desorber have been developed and implemented into industrial production. Technical-economic evaluation of the work results has been carried out; the new methods for water contaminants oxidation and new device for that purpose have been offered using new construction of cavitational reactor.

Key words: resourcesaving, absorption, desorption, oxidation, drop, film, cavitational reactor.