Apa

1. INTRODUCERE

Dintre multiplele probleme care frământă astăzi omenirea se detaşează una de extremă generalitate şi importanţă:

APA. Apa — element esenţial al vieţii, constituent al materiei vii, aliment şi factor indispensabil asigurării celorlalte componente alimentare — joacă un rol primordial în activitatea social economică a unei ţări. Pentru industrie apa este una dintre materiile

în pericol însăşi flora şi fauna planetei. Menţinerea in stare curată a apelor,, mai ales în regiunile industriale şi agricole, printr-o purificare satisfăcătoare a apelor uzate înainte de evacuarea lor în mediul înconjurător, reprezintă modul cel mai bun şi economic de a asigura menţinerea echilibrului între necesitate, consum si sursă.

In procesele de tratare si epurare a apelor oxigenarea, denumită în multe lucrări de specialitate şi aerare, constituie operaţia de bază în asigurarea unei calităţi corespunzătoare a apei. Treapta de aerare a ape'i este folosită mult mai larg în „industria apei" decît în scopul pur de oxigenare. Astfel aerarea se foloseşte:

a — în procese de tratare a apelor la îndepărtarea substanţelor anorganice dizolvate sau a elementelor chimice ca fier, mangan etc. prin oxidare şi formarea de compuşi sedimentabili sau care pot fi reţinuţi prin filtrare;

b — la preaerarea apelor uzate cu un conţinut relativ scăzut în oxigen dizolvat înainte de deversarea lor în reţeaua de canalizare centralizată;

c — în îndepărtarea nisipului prin barbotare cu aer în deznisipatoare;

d — în separarea şi colectarea grăsimilor emulsionate din apele uzate prin procedeul de flotaţie fie sub vid, fie prin presurizare;

e — în epurarea biologică a apelor uzate fie prin procedeul cu nămol activ, fie în lagune aerate, fie în biofiltre;

f — în procese de dezinfectare prin ozonizare a apei brute captate de la r^o sursă în scopul potabilizării ei.

Oxigenarea apelor este un proces de transfer de masă cu aplicaţii largi în tehnica tratării şi epurării apelor. Echipamentele de oxigenare se bazează pe dispersia unei faze în cealaltă, de exemplu lichid în gaz sau gaz în lichid, proces consumator de energie. Difuzia oxigenului în apă, precum şi dispersia fazelor este probabil cel mai important factor care trebuie considerat în etapa de concepţie şi proiectare a echipamentelor de oxigenare.

Studiul sistemelor de oxigenare efectuat în ultimii ani a demonstrat necesitatea evaluării performanţelor echipamentelor de oxigenare care lucrează în condiţii diferite. Alegerea utilajului de aerare, pe baza performanţelor furnizate de cercetător, adecvat unor condiţii funcţionale date, constituie o problemă tehnico-economică de mare răspundere. Din multitudinea de parametrii ca şi din complexitatea fenomenului hidraulic, chimic, biologic rezultă importanţa care trebuie acordată testării echipamentelor de oxigenare.

încărcarea apei cu oxigen din aerul atmosferic sau alt mediu gazos (ozon, oxigen pur), cu care aceasta este pusă în contact, este un proces de transfer de masă. parametrii la care se realizează acest proces sînt dependenţi, în principal, de factorii hidrodinamici ai regimului de curgere a fazei grele — lichidul — în zona desfăşurării fenomenului de transfer. Cele două fenomene, de transfer de masă şi de curgere hidrodinamică, nu pot fi separate, ele se intercondiţionează reciproc şi se influenţează direct.

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

Noţiunea de transport implică deplasarea particulelor fluide în interiorul unui sistem unifazat. Transferul implică deplasarea particulelor între două sau mai multe faze distincte participante la acelaşi proces de curgere.

Fenomenul de transport j transfer de cantitate de mişcare, masă, sau energie, într-un cuvînt proprietate, determină desfăşurarea unor procese .fizice de curgere a fluidelor, de difuziune. Cele trei fenomene sînt strlns legate între ele atît prin baza teoretică asemănătoare, cît si prin prezenţa lor simultană în operaţiile fizice sau chimice, [23, 25, 93].

Proprietatea transportată j transferată, în funcţie de natura acestei proprietăţi, poate fi: a) în transportul/transferul de canlitate d» mişcare — mv, masa x vitfza particulei fluide; b) în transportul/transferul dij masă — m, masa particula i fluide; c) în transportul/transferul di energie — mcp A*r masa x căldura spociîică la presiune constantă x diferenţa de temperatură.

Concentraţia proprietăţii transportateltransferate < ste reprezentată de raportul dintre mărimea proprietăţii respective şi volumul pariicule i fluide, fiind dată de relaţiile:

— pentru cantitatea de mişcare

— pentru masă

— pentru energie

Transportul sau transferul proprietăţii se realizează prin deplasarea unor elemente mobile, particule fluide de formă, dimensiuni, sarcină şi viteză

diferită, denumite purtători de proprietate sau transportori. In funcţie de tipul acestor purtători se deosebesc:

a — modul sau mecanismul molecular de transport/transfer ce se realizează prin deplasarea moleculelor, atomilor, ionilor sau electronilor în cadrul mişcării generale browniene;

b — mecanismul turbulent realizat prin deplasarea unor particule fluide de formă şi viaţă foarte varjată, în funcţie de gradul de dezvoltare al turbulenţei, cum sînt asociaţii moleculare, curenţi fluizi, vîrtejuri fluide; c — mecanismul radiant întîlnit în transportul/transferul de energie, realizat prin deplasarea fotonilor, cuante, unde sonore. /

îorţa motoare a transportului/transferului de proprietate este diferenţa de concentraţie, diferenţa de potenţial, între două puncte sau două zone din domeniul de curgere. Transportul/transferul se realizează in direcţia descreşterii concentraţiei.

Viteza de variaţie a concentraţiei pe direcţia de transport este dată de gradientul concentraţiei. In cazul transportului/transferului de masă viteza de variaţie a concentraţiei este dată de expresia grad C.

2.2. TRANSPORTUL/TRANSFERUL MOLECULAR DE PROPRIETATE

Transportul molecular se realizează prin mişcările individuale, haotice, cu un drum liber mijlociu redus (agitaţie browniană) ale purtătorilor de pro- . prietate. Transportul molecular de cantitate de mişcare este coreppunzător regimului de curgere unidirecţional, mişcarea laminară a unui curent fluid vîscos. Ecuaţia generală a transportului de cantitate de mişcare este dată de expresia lui Newton, valabilă în cazul fluidelor incompresibile, omogene, astfel:

(2.1)

unde T este tensiunea tangenţială în sensul de curgere a fluidului, Y) — coeficientul de vîscozitate dinamică, dvjdy — gradientul vitezei fluidului v după normala la direcţia de curgere, v — viscozitatea cinematică, difuzivitatea cantităţii de mişcare, p — densitatea fluidului.

Transportul/transferul molecular de masă, denumit şi difuziune moleculară, se supune legii lui Fi c k:

(2.2)

(2.3)

în care Qma este debitul de masă transportat/transferat de molecule de tip a, qa — debitul masic specific, pe unitatea de suprafaţă, D — coeficientul de difuziune moleculară a componentului a (valorile coeficientului de difuziune moleculară pentru transferul oxigenului în apă curată slnt date în tabelul 2.1), dCajdx — gradientul concentraţiei componentului a după direcţia de curgere x. Transportul/transferul convectiv molecular implică un proces de curgere

a fluidului cu viteza v dirijată după o direcţie oajecare a spaţiului, care contribuie la împrăştierea proprietăţii spaţial lntr:un domeniu. Acest curent

fluid, ce se deplasează cu viteza v, de componente w, v, w după cele trei direcţii ale spaţiului triortogonal, transportă o proprietate dintr-un punct în alt punct al domeniului concomitent cu transportul/transferul molecular datorat mişcării browniene. Cele două mecanisme de transport/transfer — molecular şi convectiv — se suprapun, desfăşurîndu-se simultan cu intensitate supeiioară mecanismului molecular în regim unidirecţional staţionar, [23].