Модели флотации и гидродинамические режимы работы комбинированной флотационной техники

МОДЕЛИ ФЛОТАЦИИ 

И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ 

РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ 

ФЛОТАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М

2024

МОНОГРАФИЯ

УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.204
 
К86

Ксенофонтов Б.С.

К86  
Модели флотации и гидродинамические режимы работы комби
нированной флотационной техники : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 241 с. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/2124804.

ISBN 978-5-16-019493-6 (print)
ISBN 978-5-16-112116-0 (online)
В монографии впервые в мировой литературе рассмотрены как теорети
ческие начала флотационного процесса с использованием многостадийной 
и обобщенной моделей флотации, так и практические рекомендации на основе принципов биоподобия. Приведены схемы различных видов комбинированной флотационной техники и режимы их работы.

Рассмотрены новые системы аэрации для использования в различных 

флотационных аппаратах, в том числе во флотокомбайнах. Описаны примеры использования новой флотационной техники с применением эжекторов как для аэрации, так и для смешения реагентов с очищаемой водой.

Предлагается для широкого круга читателей, в том числе научных со
трудников, преподавателей вузов, аспирантов, магистров, бакалавров 
и студентов старших курсов.

УДК 628.3(075.4)

ББК 38.761.204

Р е ц е н з е н т:

Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Рос
сийского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы

ISBN 978-5-16-019493-6 (print)
ISBN 978-5-16-112116-0 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2024

Данная книга доступна в цветном  исполнении  
в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение

Разработка новой техники для очистки сточных вод обусловлена 

как необходимостью повышения эффективности очистки воды, так 
и снижением удельных материало- и энергозатрат. В этой связи 
идет постоянное совершенствание существующей и разработка 
новой водоочистной техники [1–67].

Для очистки сточных вод используется флотационная техника 

преимущественно напорного типа. Хотя процесс флотации известен давно, однако принципиально новых технических решений 
в этой области относительно мало. В качестве примера приведем 
разработанный автором в 1989–1992 гг. способ напорной флотации 
с двумя рабочими жидкостями [16], из которых одна рабочая жидкость с труднорастворимым газом (воздухом), а другая — с легкорастворимым газом, например, с углекислым газом. Этот способ был 
испытан и использован автором впервые в отечественной практике 
на биотехнологических предприятиях.

Другой пример — это направление, связанное с развитием ис
пользования комбинированных установок, осуществленное под руководством автора начиная с 1995 года, на подмосковных машиностроительных предприятиях.

Проведенные автором [1] исследования определили возмож
ность аппаратурного оформления этого способа с использованием 
комбинированной установки, названной автором флотокомбайном. 
Автором разработаны и другие способы и аппараты флотационной 
очистки сточных вод с учетом их конкретного состава.

Развиваемое автором направление флотационной очистки с ис
пользованием многостадийной и обобщенной моделей с применением разработанных автором флотокомбайнов находится на стадии 
активного внедрения, начиная с 90-х годов прошлого века. Нынешняя стадия развития указанного направления связана с расширением внедрения разновидностей флотокомбайнов.

В предлагаемой монографии рассматриваются результаты ис
следований за более чем тридцатилетний период, начиная с 1987 г. 
[1, 13]. При этом основное внимание уделено теоретическим 
основам процесса флотации на основе многостадийной и обобщенной моделей, разработке и внедрению флотокомбайнов и водокомбайнов как общего, так и специального назначения с использованием различных систем аэрации.

Глава 1 

СОЗДАНИЕ НОВОЙ 

ФЛОТОКОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНИКИ 
НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ БИОПОДОБИЯ

Разработка новой флотационной техники для очистки воды про
водится нами в течение нескольких последних десятилетий на основе применения многостадийной модели флотации и принципов 
биоподобия [1–67].

Сущность этого подхода заключается в том, что очистка воды 

с использованием флотации как основы новой предлагаемой 
технологии рассматривается на основе многостадийной и обобщенной моделей процесса флотации [1–11], а конструирование 
водо очистной установки для реализации указанной технологии 
предлагается на основе биоподобия, в том числе в одном корпусе 
на единой платформе. Использование многостадийной и обобщенной моделей процесса указывает на целесообразность применения во флотационном аппарате ряда элементов, в частности разделяющих перегородок, регулирующих скорости водного потока 
внутри аппарата, фильтрующих сеток, блоков с расходящимися 
или сходящимися пластинами и т.п. На риc. 1.1–1.5 показано возможное аппаратурное оформление технологических стадий физико-химической очистки сточных вод в виде пяти секций.

Риc. 1.1. Возможное аппаратурное оформление технологических стадий физико-химической очистки сточных вод кубической формы в виде пяти секций: 
а) традиционное раздельное расположение аппаратов физико-химической 
очистки сточных вод (1 — смеситель для введения и смешения реагентов 
с водой; 2 — камера хлопьеобразования; 3 — отстойник; 4 — флотатор; 5 — 
механический фильтр); б) максимально компактное расположение аппаратов 
физико-химической очистки сточных вод в виде пяти секций; в) встроенные 
в единый корпус технологические стадии физико-химической очистки сточных 

вод в виде пяти секций

На рис. 1.2 представлен вариант расположения и сочленения 

аппаратов физико-химической очистки сточных вод произвольной 
формы. 

Риc. 1.2. Вариант расположения и сочленения аппаратов физико-химической 
очистки сточных вод произвольной формы в виде семи секций: а) вариант расположения аппаратов физико-химической очистки сточных вод произвольной 
формы в виде семи секций (1 — смеситель для введения и смешения реагентов с водой; 2 — камера хлопьеобразования; 3 — отстойник; 4 — флотатор; 
5 — механический фильтр; 6 — адсорбционный фильтр; 7 — ионообменный 
фильтр); б) вариант компактного расположения аппаратов физико-химической 
очистки сточных вод произвольной формы в виде семи секций; в) вариант 
встроенного расположения аппаратов физико-химической очистки сточных 

вод произвольной формы в виде семи секций

На рис. 1.3 представлен вариант расположения и сочленения ап
паратов физико-химической очистки сточных вод круглой формы 
в виде семи секций.

Риc. 1.3. Возможное аппаратурное оформление технологических стадий физико-химической очистки сточных вод круглой формы: а) традиционное раздельное расположение аппаратов физико-химической очистки сточных вод 
(1 — смеситель для введения и смешения реагентов с водой; 2 — камера хлопьеобразования; 3 — отстойник; 4 — флотатор; 5 — механический фильтр); 
б) максимально компактное расположение аппаратов физико-химической 
очистки сточных вод; в) встроенные в единый корпус технологические стадии 

физико-химической очистки сточных вод

На рис. 1.4 представлен вариант расположения и сочленения ап
паратов физико-химической очистки сточных вод круглой формы 
в виде семи секций.

Риc. 1.4. Вариант расположения и сочленения аппаратов физико-химической 
очистки сточных вод круглой формы в виде семи секций: а) вариант расположения аппаратов физико-химической очистки сточных вод круглой формы 
в виде семи секций (1 — смеситель для введения и смешения реагентов 
с водой; 2 — камера хлопьеобразования; 3 — отстойник; 4 — флотатор; 5 — механический фильтр; 6 — адсорбционный фильтр; 7 — ионообменный фильтр); 
б) вариант компактного расположения аппаратов физико-химической очистки 
сточных вод круглой формы в виде семи секций; в) вариант встроенного расположения аппаратов физико-химической очистки сточных вод круглой формы 

в виде семи секций 

На рис. 1.5 представлен вариант расположения и сочленения 

аппаратов физико-химической очистки сточных вод произвольной 
формы в виде пяти секций.

Риc. 1.5. Вариант расположения и сочленения аппаратов физико-химической 
очистки сточных вод произвольной формы в виде пяти секций: а) вариант расположения аппаратов физико-химической очистки сточных вод произвольной 
формы в виде семи секций (1 — смеситель для введения и смешения реагентов с водой; 2 — камера хлопьеобразования; 3 — отстойник; 4 — флотатор; 
5 — механический фильтр); б) вариант компактного расположения аппаратов 
физико-химической очистки сточных вод круглой формы в виде пяти секций; 
в) вариант встроенного расположения аппаратов физико-химической очистки 

сточных вод круглой формы в виде пяти секций

Опытные испытания показывают, что обработка сточной воды 

в комбинированных аппаратах приводит к заметно лучшим результатам, чем при использовании оборудования в виде отдельных аппаратов.

Важно также отметить использование кинетических моделей 

процессов очистки, в том числе флотации. Новый подход, основанный на многостадийности процесса, оказался успешным 
не только для интенсификации процессов на существующем, 
но и на вновь разработанном оборудовании [6–11]. При этом развитие процесса моделирования способствовало появлению нового 
типа оборудования — флотокомбайнов, которые оказались более 
эффективными при меньших материало- и энергозатратах, чем известные машины и аппараты.

Глава 2 

МНОГОСТАДИЙНАЯ МОДЕЛЬ ФЛОТАЦИИ

Известно достаточно много моделей флотационного процесса 

[1–12, 36–47], но особо следует отметить модель профессора Белоглазова. Согласно этой модели, процесс флотации рассматривается по аналогии с простой химической реакцией первого порядка (риc. 2.1).

Риc. 2.1. Схема процесса флотации по Белоглазову: 

А — исходное состояние; С — пенный слой

Уравнение процесса флотации по Белоглазову имеет вид

 
0

k
C
C e− τ
=
,   
 (2.1)

где C  и 
0
C  — концентрации загрязнений в текущий и начальный 

моменты, соответственно;

k — константа, характеризующая скорость флотационного про
цесса;

τ — время.

 

0

1,5qE
k
k D
=
, 
 (2.2)

где q  — скорость барботирования;

E  — эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком 

газа при флотации;

0k  — фактор полидисперсности пузырьков;

D  — средний диаметр пузырьков во флотационной ячейке.
Существенные недостатки такого подхода:

 
– флотокомплекс не рассматривается в качестве объекта иссле
дования;

– отсутствует зависимость образования пенного продукта 

от времени;

 
– не в полной мере указаны факторы, влияющие на кинетику 

процесса.

Устранение этих недостатков и наиболее полное описание про
цесса флотации было предложено Б.С. Ксенофонтовым в середине 
80-х годов XX века [1–13]. Согласно этому подходу, процесс флотации рассматривается по аналогии со сложной химической реакцией первого порядка.

Следует особо отметить, что разработка автором этой модели на
чалась с дискуссии в 70–80-х годах ХХ века между автором и проф. 
В.И. Классеном, который утверждал, что модель Белоглазова неплохо описывает экспериментальные данные. Однако твердым убеждением автора было и остается непреклонным, что в основе модели 
флотационного процесса должен быть флотокомплекс частица — 
пузырек. А этот важнейший признак, который отсутствовал в модели Белоглазова и был положен в основу предложенной модели, 
впервые опубликованной Б.С. Ксенофонтовым в 1987 году [13]. 
В различных дискуссиях автора с оппонентами рассматривались 
также различные частные случаи моделей, предложенных особенно 
молодыми исследователями, которые претендовали на оригинальность подхода, но затем выяснялось, что это частные случаи модели 
автора, так как в них был заложен главный признак — существование флотокомплекса частица — пузырек. Далее при изложении 
материала будут рассмотрены возможные случаи модели автора 
с рассмотрением не только главного признака модели — флотокомплекса частица — пузырек, но и другие, например, обратимость отдельных стадий флотационного процесса и др. При этом, согласно 
автору, прослеживается тесная аналогия между предложенной моделью и сложной химической реакцией, где главным объектом является промежуточный продукт (комплекс). Исследования автора 
в течение более 30 лет убедительно подтвердили это.

Простейший случай флотационного процесса, согласно модели Ксе
нофонтова, представлен на риc. 2.2, а более общий случай на риc. 2.3. 
Стадия образования флотокомплекса — главного объекта флотационного процесса по нашей модели — выделена пунктиром красного цвета.

Для простейшего случая система уравнений имеет следующий вид:

 

1

1
3

3

,

.

A
A

B

A
B

c
B

dC
k C
dt
dC
k C
k C
dt
dC
k C
dt


= −


=
−



=


,  
 (2.3)

Риc. 2.2. Простейший случай флотационного процесса, согласно модели 

Ксенофонтова

Риc. 2.3. Общий случай флотационного процесса, согласно модели 

Ксенофонтова