Гідродинамічний кавітатор для кавітаційно-флотаційного розділення водних гетерогенних середовищ

Abstract

У дисертації наведено результати досліджень, спрямованих на розроблення конструкції гідродинамічного струменевого кавітатора (ГДСК) і ефективного та енергоощадного процесу кавітаційно-флотаційного розділення водних гетерогенних середовищ. Досліджено вплив технологічного (тиск на вході у кавітатор) та конструктивних (діаметр сопла, кількість сопел, кут атаки струменів) параметрів ГДСК на величину теплової енергії, що виділяється внаслідок кавітації. На основі аналізу графічної інтерпретації 4-факторної мультиплікативної статистичної моделі ГДСК, побудованої з використанням методу Брандона, встановлено оптимальні умови кавітаційного оброблення водних середовищ. Результати калориметричного методу дослідження ефективності розвитку кавітаційних полів підтверджено результатами сонохімічного аналізу розвитку кавітаційних явищ. З метою інтенсифікації кавітаційних явищ та супутнього їм ефекту флотації дисперсних твердих частинок запропоновано вводити у водні середовища перед кавітатором незначні кількості повітря (об’ємна витрата повітря – (1,5…9)·10-6 м3/с). Встановлено закономірності утворення сполук окисного характеру (кисню, гідрогену пероксиду тощо) під час кавітації. Визначено зміну електрокінетичного потенціалу частинок дисперсної фази, оброблених у кавітаційних полях. Здійснено апробацію розробленого кавітаційно-флотаційного процесу під час розділення водних гетерогенних середовищ: пульп сірчаної та лангбейнітової руд; суспензії, що утворюється під час регенерації відпрацьованого поглинального розчину у виробництві пігментного титану(IV) оксиду; рідких відходів шкіряних виробництв; суспензій каоліну та нерозчинного залишку. Розроблено конструкцію ГДСК, а також технологічні схеми процесів: кавітаційно-флотаційного збагачення сірчаної руди; кавітаційно-флотаційного розділення суспензії, що утворюється під час регенерації відпрацьованого поглинального розчину у виробництві пігментного титану(IV) оксиду; розчинення лангбейнітової руди та флотації нерозчинного залишку. Виконані узагальнені енергетичні та техніко-економічні розрахунки процесу кавітаційно-флотаційного збагачення сірчаної руди свідчать про його конкурентоспроможність. В диссертации приведены результаты исследований, направленных на разработку конструкции гидродинамического струйного кавитатора (ГДСК) и гибкого, эффективного и энергосберегающего процесса кавитационно-флотационного разделения водных гетерогенных сред. Графические зависимости изменения температуры обработанной воды от технологического (давление на входе в кавитатор) и конструктивных (диаметр сопла, количество сопел, угол атаки струй) параметров ГДСК использованы для построения в среде автоматизированного проектирования MathCad энергетических поверхностей, на основе которых и осуществляли анализ многофакторной зависимости величины тепловой энергии от вышеупомянутых параметров. Для обеспечения эффективного режима кавитационной обработки водных сред осуществлено оптимизацию конструкции ГДСК на основе анализа графической интерпретации 4-факторной мультипликативной статистической модели, построенной с использованием метода Брандона и связывающей величину тепловой энергии, выделяющейся в результате кавитации, с технологическим (давление на входе в кавитатор) и конструктивными (диаметр сопла, количество сопел, угол атаки струй) параметрами. Максимальное значение энергетического ККД ГДСК составляет 90,71%. С использованием метода сонохимического анализа установлено разную структуру кавитационных полей, сформированных в генераторах различных типов. С целью интенсификации кавитационных явлений и сопутствующего им эффекта флотации дисперсных твердых частиц предложено вводить в водные среды незначительные количества воздуха (обьемный расход воздуха – (1,5…9)·10-6 м3/с), выполняющие роль зародышей кавитации. Установлены закономерности кавитационного генерирования кислорода и других соединений окислительного характера, а также экстремальный характер изменения электрокинетического потенциала дисперсных частиц, обработанных в ГДСК, который свидетельствует об образовании на поверхности флотационных пузырьков “шламового покрытия” с очень мелких частиц дисперсной фазы, способных блокировать поверхность пузырьков и вызывать агрегацию частиц дисперсной фазы с их последующей седиментацией. Высокая эффективность предложенного кавитационно-флотационного процесса подтверждена результатами его апробации при разделении водных гетерогенных сред: пульп серной и лангбейнитовой руд; суспензии, образующейся во время регенерации отработанного поглощающего раствора в производстве пигментного титана(IV) оксида; жидких отходов кожевенных производств; суспензий каолина и нерастворимого остатка. Разработана конструкция ГДСК, а также технологические схемы процессов: кавитационно-флотационного обогащения серной руды; кавитационно-флотационного разделения суспензии, образующейся во время регенерации отработанного поглощающего раствора в производстве пигментного титана(IV) оксида; растворения лангбейнитовой руды и флотации нерастворимого остатка. Выполнены обобщенные энергетические и технико-экономические расчеты процесса кавитационно-флотационного обогащения серной руды свидетельствуют о его конкурентоспособности. The thesis presents the results of research, that aimed at development of hydrodynamic jet cavitator (HDJC) design and effective energy-efficient process of cavitation and flotation separation of water heterogeneous environments. Was investigated the influence of technology (inlet pressure in cavitator) and structural (diameter of nozzle, the number of nozzles, angle of jets attack) parameters of the HDJC by the amount of heat, that released due to cavitation. Based on the analysis graphic interpretation of 4-factor multiplicative statistical model of HDJC, that constructed using the method Brandon, were found optimal conditions for cavitation processing of aquatic environments. The results of calorimetric method of study of cavitation fields effectiveness were confirmed by soundchemical analysis of cavitation. In order to intensify the cavitation effect and accompanying flotation of dispersed solid particles was proposed adding a small amount of air (volumetric air flow – (1,5…9)·10-6 m3/s) into the aquatic environments before cavitator. The regularities of formation of oxidative character compounds (oxygen, hydrogen peroxide, etc.) during cavitation was established. The changes of electrokinetic potential of the dispersed phase processed in the cavitation fields were identified. Approbation of the developed cavitation and flotation process during separation of water heterogeneous environments: pulps of sulfuric and langbeynit ores; suspension, that was formed during the regeneration of spent absorbent solution in the production of pigmentary titanium(IV) oxide; liquid waste of leather manufactures; kaolin and of insoluble residue suspensions was made. The design of HDJC and technological schemes of processes: cavitation and flotation enrichment of sulfuric ore; cavitation and flotation separation suspension, that was formed during the regeneration of spent absorbent solution in the production of pigmentary titanium(IV) oxide; dissolving of the langbeynit ore and flotation of the insoluble residue was developed. Executed generalized energy and technical-economic calculations of cavitation and flotation process of enrichment of sulfuric ore demonstrate its competitiveness.