книги / Оборотное водоснабжение химических предприятий

Обе величины легко могут быть найдены из экспериментальных данных графически, так как это уравнение в виде

Г'со?

представляет собой уравнение прямой в координатах -С,

котангенс наклона которой равен Г«> , а отрезок, отсекаемый на

Уравнение (148) впервые было получено И. Лангмюром и по­ лучило название изотермы Лангмюра.

Иногда опытные данные лучше описываются параболическим уравнением вида

Гто= а С п где а и п — константы, которые могут быть найдены графически

Это уравнение прямой, тангенс угла наклона которой равен— ,

п

а отрезок, отсекаемый на оси lg Г, равен а. Уравнение (149) по­ лучило название изотермы Фрейндлиха.

Вещества, хорошо адсорбирующиеся из воды, имеют изотер­ мы выпуклой формы (рис. 65). Установив вид уравнения изо-

Рис. 65. Изотерма адсорбции органических веществ из водных рас­ творов на активированном угле.

термы адсорбции и определив его константы, можно вычислить величину удельной адсорбции при любой равновесной концентра­ ции раствора С и найти необходимую дозу адсорбента для за­ данной остаточной концентрации извлекаемого вещества в воде.

угля относится к условиям очистки сточных вод углеванием, т. е. путем внесения угля (обычно пылевидного) в заданный объем жидкости и перемешивания до достижения адсорбционного рав­ новесия. После отделения угля отстаиванием, фильтрованием или центрифугированием концентрация загрязнения снижается до предельно допустимой. Регенерация активированного пыле­ видного угля большей частью не предусматривается и поэтому метод углевания применим только в случаях, когда дозы угля не превышают одного — двух десятков мг/л.

Использование адсорбционной емкости углей при таком мето­ де адсорбционной очистки воды невелико, так как низкая оста­ точная концентрация обусловливает, как видно из рис. 83, и ма­ лую величину удельной адсорбции.

При больших дозах активированного угля для адсорбцион­ ной очистки сточных вод применяют фильтрование через слой гранулированного или дробленого активированного угля с раз­ мером зерен 2—4 мм.

При фильтровании воды через слой адсорбента процесс ад­ сорбции протекает сложнее, поскольку первые слои угля, встре­ чающиеся с неочищенной водой, работают в пусковой период в иных условиях, чем последние, с которыми вступает в контакт практически очищенная вода.

Если изотерма адсорбции вещества выпуклая (вещество хо­ рошо адсорбируется активированным углем из водного раство­ ра), то на некотором ограниченном участке слоя адсорбента все вещество из профильтрованного объема раствора поглотится и через остальную часть слоя адсорбента будет фильтроваться очищенная вода. Следовательно, за пределами этого начального участка слой угля остается свободным от извлекаемого вещест­ ва. Следующий такой же объем раствора поступает в слой зерен, часть пор которых уже занята ранее адсорбированным вещест­ вом — поэтому адсорбция протекает медленнее и полное извле­ чение адсорбируемого вещества закончится на участке большей протяженности, чем в первый раз. Следующий объем раствора будет освобожден от растворенного вещества еще позднее. Че­ рез некоторое время начальные «лобовые» слои зерен адсорбен­ та насытятся извлекаемым веществом до равновесия с концен­ трацией входящего в слой раствора и в дальнейшей адсорбции принимать участия не будут. С этого момента условия адсорб­ ции вещества из фильтрующегося раствора не будут изменяться. Насыщенный до равновесия начальный «отработанный» участок будет расширяться, а зона, на протяжении которой концентрация

раствора падает от начальной до нуля, будет перемещаться по слою. Эта зона получила название «работающего слоя» и ее дли­ на обозначается через L<j. В тот момент, когда работающий слой переместится к концу слоя столба адсорбента, загруженного в колонну фильтра, в фильтрат начнет поступать вещество, не ус­

водит к тому, что между временем защитного действия сорбфильтра до проскока загрязнений в фильтрат и длиной слоя адсорбента устанавливается прямая пропорциональность не при любой длине слоя (что соответствовало бы пунктирной прямой ОА на рис. 84), а лишь в том случае, если эта длина L больше работающего слоя L0, как показано на кривой OEg. Линейный участок Eg реальной кривой проходит параллельно прямой OAh но смещен от нее на расстояние L. Продлевая прямую Eg до пе­ ресечения с осью т, мы находим потерю времени защитного дей­ ствия то, соответствующую величине Lo.

Время защитного действия для слоя адсорбента может быть

ная концентрация вещества в растворе; а — удельная адсорбция, рассчитанная на единицу объема слоя адсорбента.

Фильтрование сточной воды через колонну, загруженную гра­ нулированным (или дробленым) адсорбентом, производится

обычно со скоростью 3—6 м3/м2/ч. При адсорбционной доочистке биологически очищенных сточных вод допустимо повышение ско­ рости фильтрования сточных вод до 20 м3/м2/ч.

Направление фильтрования сточных вод предпочтительно снизу вверх, так как при этом легко вытесняются из слоя пузы­ ри воздуха, а некоторое расширение фильтрующего слоя под напором воды уменьшает интенсивность кольматации его уголь­ ной пылью и взвешенными веществами. Необходимость предот­ вращения преждевременной (до исчерпания адсорбционной ем­ кости) кольматации слоя взвешенными веществами требует тща­ тельного осветления сточных вод перед подачей в адсорбцион­ ные колонны. Содержание взвешенных веществ в воде около 10 мг/л существенно (на 25— 50%) сокращает длительность ра­ боты адсорбционной колонны из-за роста сопротивления филь­ трованию. В связи с этим в США в последние годы применяют фильтрование сточных вод через слой активированного угля сверху вниз. Размещение угля на опорной решетке, снабженной дренажем, аналогичным дренажу скорых кварцевых либо ионо­ обменных фильтров, позволяет периодически взрыхлять и про­ мывать слой адсорбента, что наряду с поверхностной промыв­ кой уменьшает интенсивность роста потерь напора. Следует отметить, однако, что расширение слоя при промывке должно быть менее чем в 1,4 раза, чтобы перемешивание зерен при про­ мывке не нарушило постепенное уменьшение насыщения слоя адсорбированными веществами.

Адсорбционные колонны периодического действия представ­ ляют собой цилиндрические аппараты высотой от 2,5— 3 до 6 м, загруженные зернами активированного угля размером 2—4 мм. Уголь загружается на беспровальную решетку, снабженную колпачковым дренажем. В качестве опорно-распределительной решетки может быть использована также провальная решетка с отверстиями диаметром 5— 10 мм и шагом отверстий 10— 20 мм, на которой слоем 300— 500 мм укладывается сначала мелкий щебень, а затем гравий для предотвращения просыпания угля в подрешеточное пространство. Сверху слой адсорбента зажи­ мается беспровальной решеткой с колпачками, обращенными вниз, либо на слой активированного угля накладывается слой гравия и мелкого щебня, зажатого верхней провальной решет­ кой. Если направление фильтрования выбрано снизу вверх и уголь зажат беспровальными дренирующими решетками, то верхнюю решетку можно устанавливать на уровне, превышаю­ щем высоту слоя адсорбента на 10—20%. При фильтровании сточных вод сверху вниз верхняя решетка не обязательна, или ее устанавливают на высоте, приблизительно на 30— 40% пре­ вышающей высоту слоя угля, чтобы при промывках слой ад­ сорбента мог расширяться.

Адсорбционные колонны могут соединяться последовательно или параллельно по несколько штук в одном блоке (рис. 67 и

68). Последовательное включение наиболее целесообразно, если содержание органических веществ в сточной воде высокое и со­ ответственно велика длина работающего слоя L0. Увеличение числа ступеней адсорбции целесообразно при очень высоких

Рис. 67. Блок последовательно включенных адсорбционных ко­ лонн:

/ — мерник реагента для регулирования pH сточной воды; 2 —-дозатор; 3 — сборник-смеситель сточных вод; 4 — насос; 5, 6 и 7 — адсорбцион­ ные колонны.

требованиях к качеству воды для технологических нужд; при этом на регенерацию выводится обычно только первая по дви­ жению воды колонна, в которой активированный уголь наибо­ лее загрязнен.

Параллельное включение адсорбционных колонн применяют в тех случаях, когда суточный расход сточных вод, поступающих на адсорбционную очистку, невозможно пропустить через одну

процесс адсорбции осуществлять в аппаратах непрерывного дей­ ствия. В таких аппаратах применяется движущийся либо псев­ доожиженный слой угля. Установка с движущимся слоем адсор­ бента представляет собой колонну с коническим днищем, в ниж­ ней части которой имеется устройство для пульсирующего вывода отработанного адсорбента частыми небольшими порция­ ми. Таким устройством может быть, например, вращающийся в прорези дна горизонтальный зал с отверстиями. Сточная вода по­ ступает в аппарат снизу, но на уровне, превышающем место вы-

вода из колонны угля, не меньше, чем на длину работающего слоя LoСкорость подачи воды должна быть меньше скорости псевдоожижения слоя угля. Очищенная вода отводится сверху. По мере выведения отработанного угля такое же количество свежего адсорбента вводится в колонну сверху.

Но ликвидацию или утилизацию выделенного продут о

Рис. 68. Блок параллельно включенных адсорбционных колонн:

1 — мерник реагента для регулирования pH сточной воды; 2 — дозатор реагента; 3 — сборник-смеситель осветленных сточных вод; 4 — насос; 5, 6 и 7 — адсорбционные колонны.

Если скорость дозирования свежего угля в колонну и эквива­ лентная скорость выведения отработанного угля равны скорости насыщения адсорбента, т. е. скорости перемещения работающего слоя по колонне в установках периодического действия, то в такой колонне с движущимся слоем положение работающего участка слоя будет неизменным.

Скорость насыщения слоя — величина, обратная коэффици­ енту защитного действия; она может быть приближенно найдена из соотношения

Длина работающего участка в колонне с движущимся слоем адсорбента равна длине работающего слоя в колонне периоди­ ческого действия, если конструкция аппарата и скорость филь­ трования воды обеспечивают равную плотность упаковки зерен угля в слое. В этом случае приближенное значение

где g — количество адсорбированного вещества за единицу вре­ мени; S — площадь поперечного сечения слоя; р — коэффициент массопередачи; АСср — средняя движущая сила адсорбции, ко­ торая может быть найдена как среднее логарифмическое или среднеарифметическое значение движущей силы на противопо­ ложных концах слоя, т. е.

Здесь

ДС = (Со — С);

С0 — концентрация органических веществ в растворе до ад­ сорбции (т. е. равновесная концентрация в динамических усло­ виях); С — концентрация органических веществ в данный мо­ мент.

В установках с псевдоожиженным слоем вода поступает в колонну с активированным углем со скоростью, обеспечивающий

слоя приходят в хаотическое движение и весь слой в целом при­ обретает подвижность, напоминая несколько тяжелую жидкость. Подача адсорбента в такие аппараты и вывод отработанного адсорбента из них производится непрерывно. Дозируется адсор­ бент сверху в сухом виде либо в виде концентрированной су­ спензии. Для подачи суспензии лучше всего применять эрлифт, гидравлически скомпенсированный уровнем суспензии в дози­ ровочном баке. Отводится отработанный адсорбент из нижней части колонны также при помощи эрлифта, погруженного в ад­ сорбер.

Наиболее удобная конструкция адсорбента с псевдоожижен­ ным слоем активированного угля приведена на рис. 69.

Следует иметь в виду, что сухое дозирование пригодно только в случае применения углей, поры которых быстро пропитываются водой. К таким углям прежде всего следует отнести активирован­ ный антрацит, практически не имеющий крупных пор, в которых блокируется воздух.

Скорость псевдоожижения возрастает с увеличением размеров частиц угля, что вызывает необходимость увеличения высоты аппаратов для того, чтобы обеспечить необходимое время кон­ такта воды с адсорбентом. Для сохранения нормальной скоро­ сти фильтрования 10— 15 м3/м21ч размер зерен угля должен быть в пределах 0,5— 1,5 мм, а для активного антрацита — 0,25— 1 мм.

Перемешивание частиц угля в псевдоожиженном слое нару­ шает послойный характер его отработки и увеличивает длину LQ. Чтобы частично устранить это явление, псевдоожиженный слой в колонне секционируют на 3— 5 зон при помощи проваль­ ных или беспровальных решеток, снабженных коническими переточными трубками.

Рис. 69. Схема адсорбера непрерывного действия с псевдоожиженным слоем ак­ тивированного угля:

1 — подача сточной воды в аппарат; 1 — опор­ ные решетки; 2 — распределительные решетки; 3 — слой адсорбента; 4 — водоотборный желоб для очищенной воды; 5 — питающая воронка для сухого дозирования активированного уг­

Нижний диаметр трубки d выбирается равным 5— б диамет­ рам наиболее крупных частиц адсорбента, чтобы избежать ее заклинивания в узком конце переточного устройства. Верхний диаметр вычисляется по формуле

полнительная скорость потока в конической трубке, вызванная меньшим сопротивлением пустой трубки по сравнению с сопро­ тивлением слоя угля на решетке; аукр — скорость псевдоожижен­

где т — количество перетекающего адсорбента, кг/ч\ у — насып­ ной вес сорбента, кг/л; S — площадь сечения нижнего отверстия

т рубки, см2\ N — допускаемая максимальная загрузка трубки Сорбентом, л/см2/н (рассчитывается опытным путем).

Регенерацию адсорбентов после очистки сточных вод для под­ питки оборотных систем обычно осуществляют прокаливанием При ограниченном доступе воздуха либо без доступа воздуха в Атмосфере водяного пара. В первом случае температура прока­ ливания должна быть в пределах 450— 650°, во втором случае Температура регенерации повышается до 750° Второй метод Дает хорошие результаты практически независимо от характера Адсорбированных загрязнений. При термической регенерации ак­ тивированных углей потери составляют 5— 10% за одну реге­ нерацию.

При использовании в качестве адсорбента активированного антрацита наиболее экономично совместить регенерацию отра­ ботанного адсорбента и активацию дробленого малозольного антрацита. Активация производится паром при 850—950° в те­ чение 3— 4 ч.

При использовании для адсорбционной очистки сточных вод аппаратов периодического действия с неподвижным, плотно упа­ кованным слоем гранулированного активированного угля, уголь выгружается из колонн гидравлически (при помощи гидроэлева­ тора или эрлифта), отделяется от воды на сетках и загружается в аппарат для прокаливания. Уголь, выведенный из аппаратов непрерывного действия, также обезвоживается на наклонных ситах (гранулированный уголь из аппаратов с движущимся сло­ ем) либо на ленточном вакуум-фильтре (фракции угля 0,25— 1,5 мм, выгруженные из аппаратов с псевдожиженным слоем). Сами регенераторы угля представляют собой многополочные шахтные установки, в которых теплоноситель поступает снизу, а уголь подается сверху, либо шахтные установки, в которых регенерируемый уголь находится в псевдоожиженном слое иод напором смеси водяного пара и продуктов горения газообразно­ го топлива, не содержащих свободного кислорода. Содержание

пара в реакционной смеси должно быть не менее 50%, продол­ жительность пребывания угля в установке для регенерации — 10— 20 мин. Уголь поступает в установку и выгружается из нее непрерывно при сохранении постоянного уровня псевдоожижен­ ного слоя в установке.

В технологических схемах очистки сточных вод, предназна­ ченных для подпитки оборотных систем водоснабжения, обычно применяют адсорбцию в качестве одного из последних этапов обработки воды. Так, биологически очищенные сточные воды подвергают предварительному коагулированию, осветляют от­ стаиванием и фильтрованием либо флотацией-фильтрованием так, чтобы содержание взвешенных веществ не превышало 10 мг/л [20— 23]. Однако в ряде случаев [16] оказывается воз­ можным непосредственно направлять промышленные сточные воды на адсорбционные установки, особенно если они работа­

ют по принципу создания псевдоожиженного слоя. При этом це­ лесообразно фильтрование воды после адсорбции органических загрязнений.

Использование очищенных активированным углем сточных вод для подпитки систем оборотного водоснабжения требует про­ дувки систем и подпитки их свежей речной водой. Величина продувочного сброса определяется общей и временной жестко­ стью сточных вод, а также величиной солесодержания и соотно­ шения хлоридов и сульфатов.

УТИЛИЗАЦИЯ РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ РАСТВОРОВ НА СТАНЦИЯХ ИОНООБМЕННОГО КОРРЕКТИРОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ОБОРОТНОЙ ВОДЫ

Применение аммиака или карбоната аммония для умягчения подпитывающей воды приводит к повышению содер­ жания солей аммония в оборотной воде до 100— 150 мг!л в пе­ ресчете на аммиак. При продувке оборотных систем в этом слу­ чае сброс части циркулирующей воды привел бы к значительно­ му увеличению количества солей аммония, поступающего в во­ доем или биологические очистные сооружения. Поэтому сточные воды продувок систем охлаждения целесообразно освобождать от ионов аммония Н-катионированием. В результате Н-катионц- рования таких вод из них извлекаются в первую очередь ионы Са2+ и Mg2+ , обусловливающие остаточную жесткость оборот­ ной воды, а затем ионы аммония и щелочных металлов (Na+-|-

+ К +).

Кислая Н-катионированная вода может смешиваться непо­ средственно со щелочной (pH 8,5—9,5) подпитывающей водой, умягченной аммиаком, так, чтобы смесь, имела pH 7 ,0— 7,5. При этом не только предотвращается кристаллизация СаС03, но и устраняются потери аммиака в атмосферу на градирнях. Если кислой воды больше, чем необходимо для доведения подпиты­ вающей воды после реагентного умягчения до pH 7, то избыток ее подвергают ОН-анионированию для нейтрализации избыточ­ ного количества Н+-ионов. Деминерализованная таким образом продувочная вода должна возвращаться в систему оборотного водоснабжения вместо части подпитывающей свежей воды.

Возможность утилизации регенерационных растворов, содер­ жащих нитраты и соли аммония, определяет в значительной сте­ пени целесообразность этого процесса. В смеси отработанных

растворов содержатся катионы Са2+ и NH4+ , а также некоторое количество ионов Mg2+ и Na+ Из анионов в растворе в большин­

стве случаев преимущественно содержатся SO4" и ЫОГ с не­ большой примесью хлоридов. Этот набор ионов позволяет исполь­ зовать отработанные растворы после регенерации ионитов в ка-