Исследование процесса нейтрализации кислотных сточных вод на базе численной модели

Abstract

RU: Цель. Разработка численной модели для исследования процесса нейтрализации сточных вод, которая учитывает параметры поступления сточных вод и нейтрализатора: вид и концентрацию кислоты, которой загрязнены производственные сточные воды, расход и режим поступления отработанных вод на нейтрализацию, вид и концентрацию нейтрализатора. Оценка изменения концентрации кислоты в сточных водах под влиянием нейтрализатора: выявление участков, где происходит полная нейтрализация кислоты или наблюдается наличие «застойных зон». Методика. Разработана методика численного расчета концентрации кислоты в сточных водах под действием нейтрализатора (щелочи), которая основана на совместном решении гидродинамической задачи по определению компонент скорости движущегося водного потока внутри емкости и задачи по переносу примеси (кислоты или щелочи). Решение гидродинамической задачи базируется на численном интегрировании уравнения для потенциала скорости, а решение задачи по переносу примеси – на численном интегрировании уравнении конвективно-диффузионного переноса примеси с использованием неявных разностных схем. Результаты. На основе разработанной численной модели проведен ряд вычислительных экспериментов. В результате выполненных расчетов были получены и наглядно представлены поля концентрации кислоты в емкости для очистки, при ее заполнении сточной водой с течением времени. Показано изменение концентрации кислоты под действием нейтрализатора при разных вариантах его подачи (один источник подачи нейтрализатора или два), проведен сравнительный анализ и установлены закономерности изменения концентрации кислоты в поступивших сточных водах. Научная новизна. Предложена эффективная численная модель для расчета процессов гидродинамики и массопереноса в установке для нейтрализации кислотных сточных вод. Модель позволяет учесть ряд важных факторов, которые ранее не учитывались при математическом моделировании процесса нейтрализации: форму емкости, наличие в ней дополнительных элементов (локальных сужений), положение отверстий для подачи сточных вод и нейтрализующего раствора. Практическая значимость. Разработана численная модель, позволяющая оптимизировать процесс нейтрализации производственных сточных вод, содержащих щелочи и кислоты, которые образуются в технологических процессах многих отраслей промышленности.

UK: Мета. Розробка чисельної моделі для дослідження процесу нейтралізації стічних вод, яка враховує параметри надходження стічних вод і нейтралізатора: вид і концентрацію кислоти, якої забруднені виробничі стічні води, витрату і режим надходження відпрацьованих вод на нейтралізацію, вид і концентрацію нейтралізатора. Оцінка зміни концентрації кислоти в стічних водах під впливом нейтралізатора: виявлення ділянок, де відбувається повна нейтралізація кислоти або спостерігається наявність «застійних зон». Методика. Розроблено методику чисельного розрахунку концентрації кислоти в стічних водах під дією нейтралізатора (лужного розчину), яка базується на спільному вирішенні гідродинамічної задачі по визначенню компонент швидкості рухомого потоку рідини та задачі по перенесенню домішки (кислоти або лугу). Рішення гідродинамічної задачі базується на чисельному інтегруванні рівняння для потенціалу швидкості, а рішення задачі по перенесенню домішки – на чисельному інтегруванні рівняння конвективно-дифузійного переносу домішки з використанням неявних різницевих схем. Результати. На основі розробленої чисельної моделі проведено ряд обчислювальних експериментів. В результаті виконаних розрахунків були отримані і наочно представлені поля концентрації кислоти в ємності для очищення, при її заповненні стічною водою за певний проміжок часу. Показано зміну концентрації кислоти під дією нейтралізатора при різних варіантах його подачі (одне джерело або два джерела подачі нейтралізатора), проведено порівняльний аналіз і встановлено закономірності зміни концентрації кислоти в стічних водах. Наукова новизна. Запропоновано ефективну чисельну модель для розрахунку процесів гідродинаміки і масопереносу в установці для нейтралізації кислотних стічних вод. Модель дозволяє врахувати ряд важливих факторів, які раніше не враховувалися при математичному моделюванні процесу нейтралізації: форму ємності, наявність в ній додаткових елементів (локальних звужень), положення отворів для подачі стічних вод і нейтралізуючого розчину. Практична значимість. Розроблено чисельну модель, що дозволяє оптимізувати процес нейтралізації виробничих стічних вод, що містять луги та кислоти, які утворюються в технологічних процесах багатьох галузей промисловості.

EN: Purpose. The development of a numerical model for the study of the wastewater neutralization process, which considers the parameters of sewage and neutralizer input: the type and concentration of acid contaminated with industrial wastewater, the rate and regime of waste water supply for neutralization, the type and concentration of the neutralizer. Assessment of the change in acid concentration in wastewater under the influence of a neutralizer: identification of sites where complete acid neutralization occurs or «stagnant zones» are observed. Methodology. The method is developed for numerical calculation the acid concentration in wastewater under the action of a neutralizer (alkali), which is based on the joint solution of the hydrodynamic problem of determining the velocity components of a moving fluid and the problem of impurity transfer (acid or alkali). The solution of the hydrodynamic problem is based on the numerical integration of the equation for the velocity potential, and the solution of the impurity transfer problem is the numerical integration of the equation of convective-diffusion impurity transport using implicit difference schemes. Findings. Computational experiments were carried out on the basis of the developed numerical model. As a result of the performed calculations, the fields of acid concentration in the purification tank were obtained and visually represented, when it was filled with sewage water over time. The change in the concentration of the acid under the action of the neutralizer is shown with different variants of its supply (one source of the neutralizer supply or two), a comparative analysis is carried out, and the patterns of acid concentration change in the received wastewater are established. Originality. An effective numerical model is proposed for calculating the processes of hydrodynamics and mass transfer in an installation for neutralizing acid waste water. The model allows to take into account a number of important factors that were not taken into account in the mathematical modeling of the neutralization process: the shape of the container, the presence of additional elements (local constrictions), the position of the holes for the supply of sewage and neutralizing solution. Practical value. A numerical model has been developed that makes it possible to optimize the process of neutralizing industrial wastewater containing alkalis and acids that are formed in the technological processes of many industries.