Dujomis oro plūduriavimo įranga: kaip burbulų dydis ir cirkuliuojančio srauto kiekis veikia atskyrimą

Ištirpusio oro plūduriavimo įranga yra viena veiksmingiausių technologijų, skirtų nušalinti pakabintas kietąsias daleles ir naftos produktus iš pramonės nuotekų. Šios įrangos veikimo efektyvumas labai priklauso nuo dviejų tarpusavyje susijusių konstrukcinių ir eksploatacinių parametrų: purškų dydžio ir cirkuliuojančio srauto kiekio. Supratimas, kaip šie faktoriai sąveikauja, leidžia eksploatuotojams optimizuoti atskyrimo efektyvumą, sumažinti valymo išlaidas ir atitikti vis griežtesnius nuotekų išleidimo reikalavimus. Šiame straipsnyje aptariami šių parametrų mechaniniai principai bei jų tiesioginis poveikis valymo rezultatams.

Pagrindinis ištirpusio oro plūdimo principas remiasi oro burbulais, kurie prisitvirtina prie aliejaus lašų, riebalų dalelių ir pakabintų kietųjų dalelių, leisdami jiems pakilti į paviršių, kur jie gali būti pašalinti. Šių burbulų dydis ir tankis, kartu su skysčio tūriu, perpumpuojamu per slėgio sistemą, tiesiogiai lemia dalelių paėmimo ir skystosios fazės atskyrimo veiksmingumą. Pramonės operatoriai kasdien priima sprendimus dėl slėgio nustatymų, perpumpavimo procentų ir separatoriaus talpos konstrukcijos – visi šie sprendimai priklauso nuo mikroburbulų ir perpumpavimo srauto dinamikos supratimo.

Mikroburbulų vaidmuo atskyrimo našumo formavime

Kaip burbulų dydis veikia dalelių paėmimą

Mikroburbulai yra varomoji jėga, užtikrinanti veiksmingą aliejaus pašalinimą ir kietųjų dalelių plūdimą ištirpusio oro plūdės įrenginiai kuo mažesnis burbuliuko skersmuo, tuo didesnė bendra paviršiaus plotas, kuris yra prieinamas dalelių prilipimui. 50 mikrometrų skersmens burbuliukas suteikia žymiai daugiau prilipimo vietų nei 200 mikrometrų skersmens burbuliukas, net kai bendras oro tūris lieka pastovus. Šis paviršiaus ploto privalumas leidžia mikroburbuliukams susiliesti su pakibusiomis teršalų dalelėmis ir pašalinti žymiai didesnį jų procentą, kylant per apdorojimo kamerą.

Kilnojimo jėga, veikianti vieną burbulą, yra proporcinga jo tūriui, kuris keičiasi pagal jo skersmens kubą. Mažesni mikroburbulai todėl kyla lėčiau nei didesni burbulai, todėl jiems suteikiama ilgesnė sąveikos trukmė su skysčio stulpelyje suspenduotomis dalelėmis. Šis lėtesnis kilimo greitis žymiai padidina burbulų ir tikslinių teršalų – ypač smulkių aliejaus lašelių ir molio pavidalo kietųjų dalelių, kurios kitu atveju lėtai nusėstų ar liktų suspenduotos – susidūrimo tikimybę. Švelnus kilimo greitis taip pat sumažina turbulenciją, kuri gali sugadinti trapias koaguliatorių ar flokuliatorių suformuotas flokų struktūras.

Mikroburbulai ir priklijavimo mechanizmas

Dalelių prilipimas prie mikropučių vyksta dėl hidrofobinių sąveikų ir mechaninio įtraukimo. Naftos produktų pašalinimas yra natūraliai palankus, nes dauguma naftos ir tepalų dalelių yra hidrofobinės – jos natūraliai linkę prie oro-vandens ribos (pupos paviršiaus), o ne likti suspenduotos vandenyje. Kietųjų dalelių paėmimas priklauso dalinai nuo dalelių paviršiaus savybių, dalinai – nuo susidūrimų dažnio. Generuodamos milijonus mikropučių kiekvienam kubiniam metrui apdorojamo skysčio, ištirpusio oro plūduriavimo įrangos įrenginiai žymiai padidina tikimybę, kad kiekviena tikslinė dalelė susidurs su tinkama pupa per apdorojimo laiką.

Įrangos projektavimas tiesiogiai veikia mikropučių susidarymą. Slėgiu sotinta vandens srautas išleidžiamas per apribojimo įrenginį – paprastai vožtuvą ar skylę – kuris sukelia akimirkinį slėgio sumažėjimą. Kai tirpęs oras išsiskiria iš tirpalo, susidaro mažyčiai burbulai. Branduoliukų susidarymo procesas ir vėlesnė burbulų suliejimos dinamika kontroliuojama sistemos slėgio, srauto našumo ir skylės geometrijos. Aukštesnis sistemos slėgis leidžia daugiau oro ištirpti į cirkuliuojantį srautą, todėl, kai šis slėgiu apkrautas vanduo patenka į valymo baką esant atmosferos slėgiui, susidaro daugiau mikropučių.

Cirkuliuojančio srauto optimizavimas maksimaliam atskyrimui

Cirkuliuojančio srauto našumo supratimas ir jo ribos

Perdirbimo srautas reiškia dalį apdorotos nuotekų ištekėjimo, kuri yra padidinto slėgio, prisotinta oru ir grąžinama į plūduriavimo baką kaip mikropučių šaltinis. Tipiški pramoninių tirpinto oro plūduriavimo įrenginių perdirbimo srautai svyruoja nuo 5 iki 15 procentų viso įeinančių nuotekų srauto, nors kai kuriose aplikacijose jie gali siekti net 25 procentų. Perdirbimo srautas kontroliuoja absoliutų oro pukščių tūrį, įvedamą į apdorojimo kamerą. Perdirbimo srauto padidinimas tiesiogiai padidina mikropučių skaičių, kurie galėtų susidurti su tikslinėmis kietosiomis medžiagomis ir naftos teršalais bei juos pašalinti.

Tačiau cirkuliuojančio srauto optimizavimas reiškia kompromisus. Aukštesni cirkuliuojančio srauto rodikliai gerina alyvos pašalinimo efektyvumą, tačiau reikalauja daugiau energijos slėgio kėlimui ir siurblinimui. Ryšys tarp cirkuliuojančio srauto ir atskyrimo našumo nėra tiesinis – dvigubai padidinus cirkuliuojantį srautą, atskyrimo našumas nebūtinai padidėja dvigubai. Fizinės ribos pasireiškia pasiekus burbulų apkrovos talpą; kai dalelės visiškai padengiamos mikroburbulais, papildomi burbulai duoda vis mažesnį naudingą efektą. Pramonės operatoriams reikia subalansuoti atskyrimo tikslus su elektros energijos suvartojimu ir cheminės medžiagos dozavimo reikalavimais.

Burbulų ir kietųjų dalelių santykis bei apkrovos talpa

Purvo ir burbulų santykio sąvoka paaiškina, kodėl cirkuliacijos srautas yra svarbus ne tik paprastai pridedant tūrį. Kai aliejaus šalinimas ar kietųjų dalelių apdorojimas staigiai padidėja, esamas cirkuliacijos srautas gali būti nepakankamas, kad susidarytų pakankamai mikroburbulų visiems dalelių pakilimams. Tipiškas tikslinis burbulų ir kietųjų dalelių santykis masės atžvilgiu svyruoja nuo 20:1 iki 50:1, priklausomai nuo dalelių dydžio ir tankio. Šio santykio pasiekimas užtikrina, kad beveik kiekviena pakibusi dalelė ar aliejaus lašas prisitvirtintų prie burbulų dar nenusėdęs į rezervuaro dugną.

Dujų tirpimo vandenyje plūduriavimo įrangos operatoriai stebi kietųjų dalelių apkrovą stebėdami įeinančio srauto koncentraciją ir atitinkamai reguliuodami cirkuliuojančio srauto kiekį. Kai dėl gamybos pokyčių ar proceso sutrikimo įeinančio srauto kietųjų dalelių koncentracija padidėja, operatoriai padidina cirkuliuojančio srauto procentinę dalį, kad išlaikytų reikiamą oro putų tiekimą. Atvirkščiai, kai kietųjų dalelių apkrova sumažėja, operatoriai sumažina cirkuliuojančio srauto kiekį, kad sutaupytų energijos. Realiojo laiko nuotėkų valymo įrenginių drumzlinumo matavimo sistemos leidžia šiuos dinamiškus reguliavimus, užtikrindamos nuoseklią valymo našumą esant kintamiems įeinančio srauto parametrams.

Oro putų dydžio ir cirkuliuojančio srauto parametrų integracija

Sistemos slėgis ir jo poveikis abiem parametrams

Sistemos slėgis vienodina oro burbuliukų dydį ir cirkuliuojančio srauto valdymą šiuolaikinėse ištirpusio oro plūdimo įrenginių konstrukcijose. Slėgis tiesiogiai veikia tai, kiek ištirpusio deguonies ir azoto gali laikyti cirkuliuojantis vanduo. 4 bar (60 psi) slėgyje vanduo gali ištirpinti apytiksliai 7 miligramus oro viename litre. 7 bar (100 psi) slėgyje šis kiekis padidėja iki beveik 12 miligramų viename litre. Aukštesnis slėgis reiškia daugiau ištirpusio dujų kiekio, kuris, sumažėjus slėgiui plūdimo talpykloje, sukuria daugiau ir mažesnių mikroburbuliukų.

Slėgio nustatymas taip pat veikia burbuliukų susiliejimo greitį – mikroburbuliukų polinkį jungtis į didesnius ir mažiau veiksmingus burbulus. Aukštas slėgis geriau išsaugo mikroburbuliukų vientisumą, ribodamas jų susiliejimo laiką slėgio kamerose. Įrangos gamintojai projektuoja sotinimo stulpelius ir laikymo talpas taip, kad būtų pasvertas oro tirpimo laikas ir burbuliukų stabilumas, užtikrinant, jog slėgio sumažinimas sukuria optimalią burbulų dydžių pasiskirstymą, o ne grublius ir greitai susiliejančius burbulus, kurie prieštarauja ištirpusio oro plūdimo procesui.

Praktinis pritaikymas pramoninėms operacijoms

Tiriamųjų oro pūtimo įrenginių operatoriai paprastai optimizuoja veikimą taikydami struktūruotą procedūrą. Pirma, jie nustato pradinę našumą esamaisiais nustatymais, matuodami išleidžiamojo srauto skaidrumą, aliejaus kiekį ir kietųjų dalelių koncentraciją visą gamybos pamainą. Toliau jie padidina cirkuliuojančio srauto procentinę dalį 2–5 procentais, tuo pačiu stebėdami skaidrumo pagerėjimo tempą. Kai skaidrumo pagerėjimas stabteli – kas rodo, kad pasiektas oro burbuliukų apkrovos pajėgumas – jie palieka cirkuliuojantį srautą pastovų ir, jei kompresoriaus galia leidžia, padidina sistemos slėgį 1–2 barais. Šis slėgio padidinimas sukuria mažesnius ir daugiau mikroburbuliukų, kurie dažnai pagerina atskyrimą be proporcingo energijos sąnaudų padidėjimo.

Tikslinimas tęsiamas stebint dumblo sluoksnio storį ir putų sluoksnio storį. Per didelis dumblo kaupimasis rodo arba nepakankamą aliejaus pašalinimą, arba nepakankamą kietųjų dalelių užfiksavimą, todėl reikia dar kartą padidinti cirkuliacijos srautą. Per plonas putų sluoksnis kartu su dideliais energijos sąnaudomis rodo perpildymą ir reikalauja slėgio sumažinimo. Šis pakartotinis metodas užtikrina, kad ištirpusio oro plūduriavimo įranga veiktų optimaliose eksploatacijos sąlygose, tuo pat metu prisitaikydama prie sezoninių įtekėjimo sudėties ir temperatūros pokyčių, kurie veikia tiek oro tirpumą, tiek dalelių plūduriavimo savybes.

DUK

Koks yra tipiškas mikropurškalo dydis ištirpusio oro plūduriavimo įrangoje?

Šiuolaikinėse ištirpusio oro plūduriavimo įranguose mikrobangos paprastai svyruoja nuo 10 iki 100 mikrometrų skersmens, o dauguma burbulų susitelkia tarp 20 ir 60 mikrometrų. Šis dydžių diapazonas užtikrina optimalų balansą tarp paviršiaus ploto dalelių prilipimui ir pakeliamosios jėgos savybių, leidžiančių ilgesniam laikui sąveikauti su suspenduotais teršalais. Burbulų dydis reguliuojamas pagrindiniškai sistemos slėgiu, apribojimo angos konstrukcija ir dekompresijos dinamika plūduriavimo talpykloje.

Ar cirkuliacinės srovės kiekį galima neapsiribota didinti, kad pagerinti atskyrimą?

Ne, cirkuliuojančio srauto padidinimas pasiekia praktinius ir ekonominius ribos. Nors pradinis cirkuliuojančio srauto padidinimas gerina kietųjų dalelių ir naftos pašalinimą, šis pranašumas pasiekia savo maksimumą, kai burbulų ir kietųjų dalelių santykis pasiekia sotį. Virš optimalaus taško papildomas cirkuliuojantis srautas švaistoma energija be reikšmingo valymo efekto pagerėjimo. Dauguma tirpinto oro plūduriavimo įrangos veikia efektyviai esant cirkuliuojančio srauto našumui nuo 8 iki 12 procentų nuo įeinančio srauto, o didesni našumai naudojami tik esant itin aukštoms kietųjų dalelių apkrovoms arba nepaprastai naftingiems įeinantiems srautams.

Kaip temperatūros pokyčiai veikia tirpinto oro plūduriavimo įrangos veikimą?

Temperatūra žymiai veikia tiek oro tirpumą, tiek plūduriavimo dinamiką. Šiltas vanduo ištirpina mažiau oro nei šaltas vanduo, todėl toje pačioje slėgio nuostatoje susidaro mažiau mikropuršklių. Be to, šiltos dalelės turi mažesnį tankio skirtumą lyginant su šaltymis dalelėmis, kas veikia plūduriavimą. Eksploatuotojai kompensuoja sezonines temperatūros svyravimus padidindami sistemos slėgį šiltesniais mėnesiais ir nuolat stebėdami įtekėjančio vandens temperatūrą, kad visus metus užtikrintų nuoseklią ištirpusio oro plūduriavimo įrangos veikimą.