Нейтрализация сточных вод

3.1. Кислые и щелочные сточные воды перед сбросом их в промышленную канализацию или водоемы должны быть нейтрализованы до достижения величины рН, равной 6,5-8,5. При нейтрализации сточных вод допускается смешениекислых и щелочных стоков для их взаимонейтрализации:

3.2. Пример расчета взаимной нейтрализации. Исходные данные: кислые сточные воды содержат H₂SO₄ - 4,7; HCl - 3,8 г/л; щелочные сточные воды содержат NaOH - 3,3; Na₂CO₃ - 2,9 г/л. Для расчета взаимной нейтрализации концентрации кислот и щелочей надо выразить в г-экв/л.

В кислых сточных водах это составит

Нa₂SO₄ - 4,7:49 = 0,0958 г-экв/л;

НС1 - 3,8:36,5 = 0,1041 г-экв/л;

итого кислот - 0,2 г-экв/л.

NaOH - 3,3: 40 = 0,0825 г-экв/л;

Nа₂СО₃ - 2,9: 53 = 0,0547 г-экв/л;

итого щелочей - 0,1372 г-экв/л; где 49; 36,5; 40; 53 грамм-эквиваленты Нa₂SO₄, HC1, NaOH и Nа₂СО₃ соответственно.

В результате смешения равных объемов данных сточных вод преобладают кислые стоки: 0,2-0,1372 = 0,0628 г-экв/л. Для их нейтрализации потребуется дополнительно 0,0628 г-экв/л щелочи. Это количество щелочи содержится в 0,46 л щелочной воды, что видно из следующего расчета: в 1 л содержится 0,1372 г-экв/л щелочи, а в Х л содержится 0,0628 г-экв/л щелочи, тогда Х = 0,0628: 0,1372 = 0,46 л щелочной воды.

Следовательно, для получения при взаимной нейтрализации воды с величиной рН = 7 надо смешивать с 1 л кислой воды 1,46 л щелочной воды. Если для расчета взаимной нейтрализации известны величины рН, то пересчет концентрации производится по формулам:

для кислых стоков

pH = - lg , (74)

где Х - концентрация кислоты, г/л; Э - ее эквивалентная масса;

для щелочных стоков

pH = 14+lg , (75)

где X₁ - концентрация щелочи, г/л; Э₁ - ее эквивалентная масса.

3.3. Пример расчета концентрации НNО₃, имеющей величину рН = 2,02.

По формуле (74) произведем следующий расчет:

2,02 = - lg ; 2,02 = - (lgХ - lg63) = - lgX + lg63,

где 63 - эквивалентная масса HNO₃; lg 63 = 1,8, тогда 2,02 = - lgX+1,8; lgX = 1,8-2,02 = - 0,22 + 1,78; X = 0,603 HNO₃ г/л (0,603 антилогарифм 1,78).

3.4. Пример расчета концентрация NaOH, имеющей величину рН = - 12,77.

По формуле (75) произведем следующий расчет;

12,77 = 4+lg ; 12,77 = 14 +(lgX₁-lg40)

где 40 эквивалентная масса NaOH, lg 40 = 1,602, тогда 12,77 = 14+lgX₁ - 1,602; lgX₁ = 12,77-14+l,602 = 0,372; X₁ = 2,36 NaOH г/л (2,36 антилогарифм 0,372).

Непрерывно действующие фильтры, загруженные кусковым мелом, известняком, магнезитом, мрамором, доломитом н другими химическими веществами, могут применяться для нейтрализации соляно-кислых и азотно-кислых сточных вод, а также серно-кислотных, содержащих не более 5 г/л H₂SO₄ и не содержащих солей тяжелых металлов.

Если нейтрализуемая сточная вода содержит катионы металлов, то доза нейтрализующего реагента рассчитывается как на свободную кислоту, так и на концентрацию металлов. При достижении оптимального значения величины рН-6,5-8,5 основное количество металлов выделяется в осадок в виде соответствующих гидроксидов.

3.5. Расчет количества образующегося осадка производится по формуле (80) СНиП 2.04 03-85

М = (А₁ + А₂) + А₃ + (Е₁ + Е₂ - 2).

Третий член в данной формуле не учитывается, если его значение отрицательное.

3.6. Объем образующегося осадка рассчитывается по формуле (81) СНиП 2.04.03-85

W_mud = (10 ^. M)/(100-P_mud).

3.7. Пример расчета количества осадка, образующегося при нейтрализации кислых сточных вод, содержащих катионы металлов, производится по формулам (80) и (81) СНиП 2.04.03-85.

Исходные данные. Нейтрализуемая сточная вода содержит 7 г/л FeSO₄, и 10,3 г/л H₂SO₄. Применяемая для нейтрализации известь содержит 50 % активной СаО (A). Расход нейтрализуемой сточной воды q_W = 120 м³/сут.

Определяем количество сухого вещества в осадке M по формуле (80) СНиП 2.04.03-85. По реакции FeSO₄,+CaO+H₂O CaSО₄+Fe(OH)₂ находим значения A₁, A₂ и A₃:

FeSO₄ + СаО + H₂О CaSO₄ + Fe(ОН)₂,

152 66 36 90

7 A₁, A₂ A₃

A₁ = (7 ^. 56)/152 = 2,6 г/л; A₂ = (7 ^. 136)/152 = 6,2 г/л;

A₃ = (7 ^. 90)/152 = 4,1 г/л.

Затем по реакции H₂SO₄+CaO - CaSО₄+H₂О находим значения E₁ и E₂:

H₂SО₄ +СаО CaSO₄, +Н₂О

98 66 136

10,3 E₁ Е₂,

E₁ = (l0,3 ^. 56)/98 = 5,9 г/л; E₂ = 10,3 ^. 136/98 = 14,3 г/л.

Найденные значения подставляются в формулу (80) СНиП 2.04.03-85.

М = (2,6 + 6,2) + 4,1 + (5,9 + 14,3 - 2) = 31,1 г/м³.

Определяем объем осадка, образующегося при нейтрализации 1 м³ сточной воды при влажности его 90 % по формуле (81) СНиП 2.04.03-85

W_mud = (10×31, 1)/(100-90) = 3,l%.

Общее количество влажного осадка будет 31,1 ^. 120: 1000 = 4,7 т/сут.

Заметим, что влажность осадка всегда должна быть меньшей или равной 100 % минус количество сухого вещества. Если, например, количество сухого вещества M = 31,1 кг/м³, то влажность осадка не может быть более 96,9%, а всегда равна или меньше этой величины.

Ориентировочное количество осадка, образующегося в зависимости от концентрации кислоты и ионов тяжелых металлов в нейтрализуемой воде и выделяющегося в накопителях, предназначенных для складирования его, может быть принято по следующим данным:

концентрация кислоты и ионов

тяжелых металлов, кг/м³.. 5 1015 20 30 40 50

количество осадков, м³, накапливаемых за 1 год, от каждого 1 м³/сут

нейтрализованной воды... 33 51 65 76 93 108 118

Адсорберы

3.8. Аппаратурное оформление адсорбционной очистки сточных вод активными углями включает комплекс оборудования и его обвязки, обеспечивающий в общем случае следующие технологические операции:

а) подачу сточных водв адсорбер;

б) контакт сточных вод с адсорбентом в адсорбере;

в) отделение очищеннойводы от адсорбента и вывод ее изадсорбционной аппаратуры;

г) вывод отработанного адсорбента из адсорбера с утилизацией или регенерацией его;

е) загрузку в адсорбер чистого адсорбента.

3.9. Выбор конструкции адсорберов прежде всего обусловлен дисперсным составом адсорбента, который принимается с учетом дефицитности, его стоимости н возможности регенерации.

В зависимости от дисперсного состава адсорбента принципиальные конструкции адсорберов можно подразделить на следующие типы;

I - адсорбер с неподвижной или движущейся загрузкой, через которую водный поток фильтруется пили нисходящим потоком со скоростью до 20 м/ч, или восходящим - со скоростью до 12 м/ч, применяется для фракции 0,8-5 мм;

II - адсорбер с псевдосжиженной загрузкой, расширение слоя которого осуществляется не менее чем на 50 % восходящим потоком воды со скоростью 10-40 м/ч, применяется для фракций 0,25-2,5 мм;

III - адсорберы-смесители применяются для фракции 0,05- 0,5 мм;

IV - патронные адсорберы с фильтрованием воды со скоростью 1-12 м/ч через слой адсорбента толщиной 0,5-2 см, применяются для фракции 0,02-0,1 мм.

Адсорберы I типа могут применяться для очистки любых объемов сточных вод самого широкого спектра концентрации и химического строения извлекаемых примесей.

Если исчерпание емкости адсорбента происходит на коротком слое загрузки (за счет высокой эффективности адсорбции или малой концентрации адсорбата) и процесс можно прервать на период смены загрузки или ее регенерации, то вся высота загрузки, используемая для адсорбции, размещается в одном адсорбере.

Если требуемая высота загрузки больше размеров одного адсорбера или процесс не может прерываться, то используются несколько последовательно работающих адсорберов, или порционный (дискретный или непрерывный) вывод из адсорбера отработанного адсорбента.

В тех случаях, когда расход воды превышает допустимый для одного адсорбера или требуемую степень очистки можно обеспечить за счет смешения потоков, поступающих из адсорберов с разной эффективностью работы, устанавливают параллельно работающие адсорберы.

Адсорберы II типа наиболее целесообразно применять дляочистки небольших объемов сточных вод с хорошо сорбируемыми загрязнениями.

Адсорберы III типа эффективно использовать для очистки небольших объемов высококонцентрированных сточных вод, а адсорберы четвертого типа для очистки небольших объемов низкоконцентрированных сточных вод (5-10 мг/л извлекаемых примесей).

Адсорберы с неподвижной гранулированной загрузкой выполняются в виде металлических колонн или бетонных резервуаров. Промышленное изготовление таких колонных адсорберов в настоящее время ограничено. Возможно применение сорбционных угольных фильтров, предназначенных для глубокой очистки конденсата от нефтепродуктов на ТЭЦ, для обработки любой сточной воды активными углями при условии предварительного удаления из воды грубодисперсных примесей.

Фильтры сорбционные угольные вертикальные (ФСУ-2, 0-6; ФСУ-2, 6-6; ФСУ-3, 0-6 и ФСУ-3, 4-6) представляют собой однокамерные цилиндрические аппараты из листовой стали с приваренными эллиптическими штампованными днищами. К нижнему днищу приварены три опоры для установки фильтра на фундамент. В центре верхнего и нижнего днища приварены патрубки для подвода и отвода сточной воды. К ним снаружи присоединяются трубопроводы, расположенные по фронту фильтра, а внутри - распределительные устройства, состоящие из вертикальных коллекторов, соединенных с радиально расположенными перфорированными трубами.

Корпус угольного фильтра снабжен двумя лазами - верхним эллиптическим размером 420´320 мм и нижним круглым диаметром 600 мм. На уровне нижнего распределительного устройства к корпусу фильтра приварен штуцер для гидравлической выгрузки отработанного угля. При общей высоте фильтра 5-5,7 м высота загрузки составляет 2,5 м.

Ввиду дефицитности угольных фильтров в качестве адсорберов может использоваться и промышленное оборудование, изготавливаемое для фильтрования волы через другие загрузки, например фильтры ионообменные.

Все указанные фильтры рассчитаны на подачу воды под напором до 0,6 МПа, но могут работать и в безнапорном режиме. Корпус и трубопроводы фильтров изготовляются из углеродистой стали, их внутренние поверхности подлежат защите коррозионно-стойкими покрытиями, распределительные устройства изготавливаются из нержавеющей стали и полиэтилена.

В комплект поставки входят: корпус фильтра, верхнее и нижнее распределительные устройства, трубопроводы и арматура в пределах фронта фильтра, пробоотборное устройство, манометры с трехкодовыми кранами и сифонными трубками, крепежные и прокладочные материалы.

В тех случаях, когда производительность адсорберов с плотным слоем загрузки превышает 120-200 м³/ч, а также при отсутствии промышленных адсорберов, они изготавливаются в индивидуальном порядке в виде металлических колонн напорного и безнапорного типа или в виде открытых бетонных резервуаров.

В резервуарных адсорберах гранулированный адсорбент укладывается или на беспровальную решетку с колпачковыми дренажными устройствами, или на слой гравия и мелкого щебня высотой 0,4-0,5 м. Трубчатая система подачи сточной воды устанавливается в слое гравия и представляет собой набор кольцевых или радиальных трубопроводов с отверстиями, направленными к нижней части адсорбера.

В резервуарных адсорберах сбор очищенной воды осуществляется системой открытых лотков или перфорированных трубопроводов. Выгрузка отработанного угля ведется гидроэлеватором или через придонное отверстие при расширении загрузки восходящим потоком воды. Загрузка свежим активным углем обеспечивается гидроэлеватором.

Подача воды в колонны осуществляется равномерно по сечению адсорбера с помощью распределительной системы, сбор очищенной воды - открытыми лотками или трубчатой системой. Впуски и выпуски воды могут быть оформлены также и в виде решетчатых патрубков, равномерно рассредоточенных по сечению колонны в верхней и нижней ее части. Патрубки выполняются из нержавеющей стали с отверстиями 0,5 мм, поверхность их покрыта сеткой из нержавеющего материала. Количество и размер патрубков следует принимать из расчета площади решеток не менее 0,025 m²/1000 м³ в сут расхода воды. Подающие и сборные патрубки устанавливаются таким образом, чтобы площадь адсорбера между патрубками и наружными стенками составляла половину поперечного сечения адсорбера. В напорных колонных адсорберах вверху необходимо предусмотреть устройство для регулирования давления в колонне. В противном случае возможно разрушение адсорбера при его опорожнении и образование воздушных пробок в загрузке адсорбера при его наполнении.

Перегрузка адсорберов может выполняться с помощью воздушного или водного потоков, но в первом случае наблюдается большая эрозия труб и арматуры, а также срыв вакуума. Поэтому чаще применяется гидротранспорт угля по трубопроводам уклоном 0,02-0,1°, диаметром не менее 50 мм при скорости угольной пульпы 0,8-1 м/с и отношении твердой части к жидкой в пульпе по массе Т: Ж не менее 1: 8.

Перед загрузкой в адсорбер уголь замачивается горячей водой в течение 5 ч или холодной водой в течение 20-24 ч при постоянном перемешивании.

Адсорберы с движущейся плотной или ожиженной не более чем на 10 % загрузкой выполняются в виде колонных аппаратов, дополнительно оборудованных устройствами для непрерывной подачи сверху замоченного и отмытого от мелкой фракции адсорбента, находящегося в верхней части адсорбера, и для вывода отработанного адсорбента из нижней зоны адсорбера. Сточная вода при этом подается через распределительное устройство под загрузкой и собирается сборным устройством над загрузкой угля. Кроме того, адсорбер оборудуется устройством, обеспечивающим равномерность перемещения толщи угольной загрузки по поперечному сечению аппарата.

В отечественном промышленном изготовлении адсорберов с противотоком воды и плотной угольной загрузкой не имеется. ВНИИ ВОДГЕО и Институт гидромеханики АН СССР разработали и проверили на опытной модели конструкцию адсорбера, которая может быть использована для экспериментального проектирования.

Наиболее надежными адсорберами второго типа с псевдо-ожиженным слоем угольной загрузки являются цилиндрические металлические колонны, разделенные по высоте беспровальными решетками, оборудованными переточными устройствами. Очищаемая сточная вода подается в нижнюю часть аппарата по трубчатой системе большого сопротивления, уложенной в слое гравия, очищенная вода отводится через кольцевое сборное устройство в верхней части адсорбера. Активный уголь в сухом виде непрерывно дозируется с помощью вакуумной системы через шлюзовой питатель в загрузочное устройство, где происходит его замачивание и перемещение в адсорбер.

Выгрузка отработанного угля осуществляется эрлифтом, нижний конец которого установлен вблизи гравийных поддерживающих слоев. Угольная загрузка, заключенная в каждой секции между беспровальными решетками, расширяется восходящим потоком воды в 1,6-1,75 раза по сравнению с высотой того же объема загрузки в неподвижном состоянии. Режим перетока сорбента с верхних решеток на нижние задается на основе расчета необходимой дозы сорбента и расхода сточных вод.

В адсорберах с псевдоожиженным слоем нет необходимости отмывать загружаемый уголь от пылевидной фракции, так как она выносится из адсорбера вместе с очищенной водой. После адсорберов с псевдоожиженным слоем обязательно устанавливается фильтр для осветления воды. В настоящее время в химической технологии разработано и применяется большое число мешалочных аппаратов и патронных фильтров, которые могут быть использованы как адсорберы III и IV типов. Для перемешивания сточных вод с активным углем рекомендуется использовать лопастные, турбинные или пропеллерные мешалки в аппаратах, изготавливаемых отечественной промышленностью.

При выборе мешалочных адсорберов следует учитывать, что для угольной суспензии наиболее эффективны следующие параметры лопастных мешалок: диаметр мешалки d_м = 0,3-0,8 от диаметра адсорбера (D), ширина лопасти мешалки B = 0,05-0,4 от d_м, высота уровня жидкости в сосуде Н = 0,8-1,3 от D, расстояние между дном аппарата и краем лопасти h_м = 0,2-0,4 от d_м, параметры турбинных мешалок: d_м = 0,15-0,6 от D; B = 0,l-0,2 от d_м; H = 0,8-1,5 от D; высота мешалки h_м = 0,3-0,8 от d_м; пропеллерной мешалки - d_м = 0,2-0,5 oт D; шаг винта S = 1-3 от D; h_м = 0,5-1 от D; H = 0,8-1,2 от D.

Адсорберы IV типа - патронные фильтры широко используются в химической технологии, например в ионообменной технологии для очистки низкосолевых водных растворов. Практически все промышленные аппараты этого типа могут быть использованы для адсорбционной очистки, но специфика физических характеристик сорбента требует и специфичных технологических параметров эксплуатации.

В настоящее время в промышленной практике адсорбции загрязнений из малоконцентрированной по органическим загрязнениям воды на мелкодисперсных активных углях КАД и БАУ могут применяться патронные фильтры, площадь фильтрации 248 патронов составляет 80 м². Патроны выполнены из витой проволоки, для намыва на них угольного порошка фракции 40 - 30 мкм, они предварительно покрываются двойной капроновой сеткой производства Рахмановской шелкопрядильной фабрики. Продолжительность фильтроцикла в зависимости от состава очищаемой воды обусловлена либо потерями напора, либо проскоком недопустимой концентрации растворенных загрязнений.

3.10. Для проектирования адсорберов должны быть известны следующие параметры: размеры адсорберов, объем и масса загрузки адсорбента, режим смены загрузки, количество и технологическая схема обвязки адсорберов, тип и количество используемой арматуры.

При расчете адсорберов необходимы следующие исходные параметры: расход сточных вод; начальная концентрация загрязнений; концентрация загрязнений в очищенной воде; изотерма адсорбции; скорость фильтрования сточной воды через загрузку или скорость движения сточной воды через поперечные сечения адсорбера; объем адсорбента, единовременно выгружаемого из адсорбционной установки; ориентировочная продолжительность периода работы адсорбента до проскока и соответственно замены отработанного адсорбента чистым; требуемая степень отработки; кажущаяся и насыпная плотность адсорбента.

В том случае, когда физико-химический состав загрязнений в сточной воде неизвестен, например в многокомпонентной сточной воде после биохимической очистки, в расчете концентраций адсорбата может использоваться обобщенный показатель, в частности ХПК, БПК, органический углерод.

Расчет размеров адсорберов начинают с определения общей площади адсорбционной установки, используя формулу (82) СНиП 2.04.03-85, а затем, выбрав конструкцию и площадь поперечного сечения одного адсорбера, рассчитывают минимально необходимое число параллельно работающих адсорберов.

Наиболее точный расчет высоты загрузки адсорбента в адсорберах и режима ее замены выполняется по результатам работы модели адсорбера выбранной конструкции на данной или аналогичной сточной воде. В режиме, соответствующем реальному, т.е. при сохранении продолжительности контакта и объемной нагрузки сточной воды на адсорбент (скорости фильтрования), определяют продолжительность работы адсорбера до проскока минимально допустимой концентрации и до полного исчерпания емкости адсорбента.

На основе указанных опытных данных для адсорберов с плотным слоем загрузки строят выходную кривую. Выходная кривая представляется в виде графика в системе координат: концентрация адсорбата в жидкой фазе C_i - на оси ординат и время t - на оси абсцисс. Она характеризует изменение концентрации в очищаемой воде в каком-либо сечении адсорбционной колонны в процессе адсорбции. Выходная кривая начинается с момента появления минимальной проскоковой концентрации и заканчивается моментом появления максимальной концентрации адсорбата в воде.

По данным экспериментальной выходной кривой определяется длина зоны массопередачи Н_м, заключенной между слоями чистого и отработанного адсорбента:

(76)

С увеличением скорости водного потока длина зоны массопередачи увеличивается, но для многокомпонентной сточной воды - менее чем в пропорциональном отношении, в частности при доочистке биохимически очищенных сточных вод:

. (77)

Длина зоны массопередачи должна быть меньше общей высоты загрузки на резервную высоту слоя, обеспечивающего очистку сточных вод в период смены отработанного адсорбента, и на высоту слоя отработанного адсорбента. Резервную высоту загрузки определяютпо двум выходным кривым на высоте Н_а и Н_Б

, (78)

где u_n - фактическая скорость водного потока, равная ( - порозность загрузки).

Для расчета продолжительности работы адсорберов до смены адсорбента используют данные выходной кривой по объему жидкости, обработанной определенным объемом загрузки до обеспечения требуемого исчерпания емкости:

. (79)

Для расчета массы адсорбента следует пользоваться величиной кажущейся плотности (следует учитывать, что насыпная плотность активных углей характеризует массу образца адсорбента, занимающего определенный объем, включая воздушные прослойки между частицами угля и внутри его пор, и составляет 0,25-0,6 г/см³). В отличие от насыпной, кажущаяся плотность активных углей включает только массу частиц с внутренними порами. При заполнении внутренних пор частиц воздухом эта величина равна 0,4-0,9 г/см³. При заполнении внутренних пор водой кажущаяся плотность равна 1,2-1,5 г/см³, поэтому в плотном слое мокрого гранулированного угля возможно создавать восходящий поток воды со скоростью 8-12 м/ч без всплывания частиц угля. Истинная плотность углеродного скелета активного угля равна 1,9-2 г/см³. Следует учитывать и повышение плотности углей в процессе накопления на их поверхности молекул адсорбата. Изменение плотности адсорбентов должно учитываться при пересчете объема активных углей на их массу, в частности, при перегрузках адсорбционных аппаратов и расчете поддерживающих конструкций.

Потери адсорбента при перегрузке зависят от его прочности, которая для активных углей в зависимости от исходного сырья и технологии активации находится в пределах 60-90 %. В частности, прочность менее 76 % приводит к потерям на истирание более 15 %, поэтому эти угли рекомендуются к одноразовому употреблению.

При отсутствии выходных кривых и других данных работы модели адсорберов в реальных режимах эксплуатации расчет необходимого объема загрузки адсорбента начинают с определения дозы адсорбента, обеспечивающей требуемую характеристику очищенной сточной воды.

Этот расчет для условия полного исчерпания емкости адсорбента при извлечении одного компонента при известных характеристиках адсорбата и адсорбента ведется по формуле

(80)

где V_м - молярный объем сорбата, дм³/моль.

Во всех остальных случаях (многокомпонентный состав загрязнений, отсутствие характеристик адсорбата и адсорбента и пр.) используется формула из СНиП 2.04.03-85

. (81)

Изотерму адсорбции, выражающую связь между концентрацией адсорбата в воде (С_в мг/л) и максимальной адсорбционной емкостью (, мг/л), описывают уравнениями. При начальной концентрации сточной воды до 100 мг/л ХПК можно использовать изотерму Генри

= Г С_ex; = Г С_en. (82)

При больших концентрациях обычно используют изотерму Фрейндлиха

= f ; = f . (83)

Адсорбция индивидуального вещества из воды при условии заполнения поверхности монослоемможет быть описана уравнением Лэнгмюра

= bC_ex /(1+ bC_ex). (84)

Для адсорбции ограничено растворимого вещества с размером молекулы, близким размеру пор адсорбента из однокомпонентного раствора, может быть использовано уравнение

lg = lg - 2,3 . (85)

Определив коэффициенты по опытным точкам, вычисляют величины и , задавшись C_ex и С_en, и по ним определяют дозы адсорбента, которые в статических условиях обеспечивают очистку воды до требуемого качества (до проскока) и до качества воды, соответствующего заданному исчерпанию емкости адсорбента. На основе расчетных доз, задавшись ориентировочной продолжительностью работы адсорбционной установки до перегрузки адсорбера, рассчитывают высоту адсорбционной загрузки, обеспечивающей очистку воды до проскока Н₂ и высоту загрузки, которая за тот же период должна исчерпать емкость Н₁

; . (86)

Уточняется величина Н₁ с учетом условий замены отработанного адсорбента чистым, т. е., например, для неподвижного плотного слоя загрузка Н принимается равной высоте загрузки в одном аппарате.

Общая высота загрузки адсорбента принимается не менее чем

Н_tot = H₁+H₂+H₃. (87)

Ввиду того, что условия исчерпания емкости адсорбента в динамическом (проточном) режиме отличаются от принятых для ориентировочного расчета статических (контактных) условий, необходимо уточнить продолжительность работы загрузки адсорбционной установки до проскока по формуле

; (88)

. (89)

При отсутствии справочных данных в расчете адсорберов с активных углем e принимается равным 0,5. В условиях адсорбционной очистки воды от одного компонента при R_e>4 расчет продолжительности работы адсорбера до появления на выходе из слоя проскоковой концентрации проводится по формуле

. (90)

Расчет при Re<4 проводится по формуле

. (91)

Формулы для определения коэффициентов массоотдачи имеют вид

; (0,2 < Re² < l); (92)

; (l<Re<4). (93)

Добиться уменьшения объема угля в адсорбционной установке, не снизив эффект очистки, можно, обеспечив непрерывный или дискретный вывод из адсорбера порций отработанного адсорбента и одновременную подачу в него порций чистого адсорбента. Такой процесс может быть осуществлен в адсорберах с движущимся слоем загрузки. Скорость движения загрузки должна быть равна скорости перемещения контролируемого концентрации адсорбата по слою загрузки при условии его неподвижности. В практике очистки сточных вод эта скорость находится в пределах 1-20 см/ч.

Для расчета скорости перемещения по неожиженному слою адсорбента заданной концентрации загрязнений сточных вод, находящейся в пределах 20-80 % начальной, используется формула

. (94)

В условиях адсорбционной обработки многокомпонентной сточной воды граница исчерпания емкости сорбента перемещается медленнее границы проскоковой концентрации, поэтому режим выгрузки отработанного сорбента должен периодически корректироваться.

В адсорберах с псевдоожиженнымуглем для расчета используются формулы:

для двухсекционного аппарата

, (95)

для трехсекционного аппарата

(96)

3.11. На основе выполненных теоретических исследований приведем примеры расчета.

Пример 1. Расчет адсорбционной установки с плотным неподвижным слоем гранулированного активного угля для очистки многокомпонентной воды.

Исходные данные: производительность q_w = 10 тыс м³/сут. или 417 м³/ч; начальная величина ХПК (С_en) = 625 мг/л; конечная величина ХПК (С_ех) = 50 мг/л; изотерма адсорбции соответствует уравнению Фрейндлиха: а_sb в мг/г; С в мг/л; = 253C ; линейная скорость относительно стен адсорбера составляет 10 м/ч; ориентировочная продолжительность работы установки до проскока = 24 ч; уголь АГ-3, его кажущаяся плотность = 0,90, насыпная = 0,45; высота слоя угля в одном адсорбере H_ads = 2,50 м; заданная степень исчерпания емкости сорбента К_sb = 0,7; диаметр адсорбера D = 3,5 м.

Порядок расчета: определяем максимальную сорбционную емкость в соответствии с изотермой, мг/г:

= 253C = 253 ^. 0,625^1/2 = 200; (97)

Находим общую площадь одновременно и параллельно работающих адсорберов, м²;

F_ad = = 41,7. (98)

Количество параллельно и одновременноработающих линий адсорберов при D = 3,5 м, шт:

= 4,3. (99)

Принимаем к работе четыре параллельно и одновременно работающих линий адсорберов при скорости фильтрации 11 м/ч.

Максимальная доза активного угля, г/л (кг/м³):

= 9,9. (100)

Доза активного угля, выгружаемого из адсорбера, г/л (кг/м³):

= 4,1. (101)

Ориентировочная высота загрузки, обеспечивающая очистку м:

5,3. (102)

Ориентировочная высота загрузки, выгружаемая из адсорбера, м:

2,2. (103)

Высота слоя отработанного адсорбента, выгружаемогоиз адсорбера, принимается равной загрузке одного адсорбера Н = 2,5 м, резервная высота загрузки H₃ = 2,5 м, H₂ = 5.

Общая высота загрузки адсорбента в адсорбционной установке принимается с учетом установки одного резервного адсорбера, м:

H_tot = H₁ + Н₂ + H₃ = 2,5 + 5 + 2,5 = 10. (104)

Общее количество последовательно установленных в одной линии адсорберов

N_ads = 10/2,5 = 4 шт.

Продолжительность работы t_ads адсорбционной установки до проскока (при одном адсорбере, находящемся в процессе перегрузки), ч:

; (105)

при порозности загрузки

; (106)

17,5 ч.(107)

Продолжительность работы одного адсорбера до исчерпанияемкости, ч:

=

= 51 (108)

Таким образом, требуемая степень очистки может быть достигнута непрерывной работой четырех параллельных линий адсорберов, в каждой из которых по четыре последовательно установленных адсорбера, из которых один резервный находится в режиме перегрузки. Каждый адсорбер при этом работает в течение 51 ч, отключение одного адсорбера в последовательной цепи на перезагрузку производится через 17 ч.

Произведем расчет объема загрузки одного адсорбера, м³:

24; (109)

сухой массы угля в одном адсорбере, т:

450×24 =11. (110)

При перезагрузке четырех адсорберов через каждые 17 ч (по одномуиз каждой линии) затраты угля составят, т/ч:

0,86, (111)

что соответствует дозе угля, г/л:

0,86/417 = 2,1. (112)

Пример 2. Расчет адсорбционной установки, оборудованной аппаратами с неподвижным слоем активного угля для очистки однокомпонентного водного раствора от вещества известного строения.

Исходные данные: производительность установки 120 м³/ч; активный уголь КАД-иодный с эквивалентным диаметром зерен 2,5×10^-3 м; начальная концентрация бензойной кислоты в сточной воде С_en = 10,65 моль/м³; конечная концентрация бензойной кислоты в очищенной воде С_ex = 0,l моль/м³; высота слоя угля в адсорбере H_ads = 3 м.

Порядок расчета: определяем константу адсорбционного равновесия K_p по табл. 29, расчет производим по формуле

; (113)

где R = 8,33 Дж/(моль ^. град), при температуре сточной воды t = 25°С; T = 289°, откуда RT = 2,48 КДж/моль;

Логарифмируем выражение (113)

lg K_p = 4,

где K = 10000; 2,303 - коэффициент перевода ln в lg.

Расчет равновесной (минимальной) дозы активного угля для извлечения бензойной кислоты проводим по формуле

, (114)

где - отношение молярного объема данного вещества к молярному объему стандартного вещества; * - молярный объем бензойной кислоты, равный 0,1135 дм³/моль; - молярный объем стандартного вещества (постоянная величина в расчетах, равная 0,09 дм³/моль); С_en = 10,65 моль/м³; С_s - растворимость бензойной кислоты в воде, равная 27,8 моль/м³; К_р - константа адсорбционного равновесия для поглощения вещества, равная 10000; - предельный адсорбционный объем, равный для угля КАД-иодный 0,3 дм³/кг.

Подставив значения приведенных величин в уравнение (114) и прологарифмировав, получим

lg D_sb = lg 0,47 + lg + 0,677 lg 10,65+

+ 0,178 lg 27,8 - 0,142 lg 4 - 0,991 lg 0,3 = 0,674,

откуда D_sp = 4,7 мг/м³.

3. Определим коэффициенты массоотдачи при адсорбции в плотном слое активного угля при Р_r = v/D_м и R_e = d/v no формулам:

(0,2<Re<1). (115)

(1< Re < 4), (116)

где e_н - порозность неподвижного слоя, принимаемая равной 0,4; D_m - величина коэффициента молекулярной диффузии берется из справочных данных (Д. Шервуд; Т. Рид. Свойства газов и жидкостей -М: Химия, T.1. - 1969. - 640 с; Справочник химика. - М.: Химия, - 1971. - 1168 с.); v - величина кинематической вязкости воды, равная: v = 10^-6 м²/с.

Рассчитаем коэффициент массоотдачи при адсорбции бензойной кислоты на активном угле. При диаметре зерен активного угля равном (2-3)10^-3 м, средний диаметр зерен равен 2,5 ^. 10^-3 м. Величина коэффициента молекулярной диффузии бензойной кислоты в воде равна: D_м = 0,89×10^-9 m²/c.

Рассчитаем критерий Рейнольдса и Прандтля при различных скоростях потока:

а) пусть = 0,278×10^-3 м/c (1 м/ч); тогда

Re = 0,278×10^-3 2,5×10^-3/10^-6 = 0,694;

Рг = 10^-6/0,89×10^-9 = 1123,595.

Поскольку Re = 0,694, расчет проводим по формуле (115)

=

= 0,00372 = 13,392 1/ч;

б) пусть = 2,222×10^-3 м/с (8 м/ч), тогда

Re = = 5,555.

Поскольку Re = 5,555>4, расчет проводим по формуле (116)

или .

Тогда

= 26,568 1/ч.

Рассчитаем время работы адсорбера до появления на выходе из слоя проскоковой концентрации органического вещества. При Re<4 расчет t_ads, проводится по формуле (91), где t_ads, время работы адсорбера или группы последовательно соединенных адсорберов до появления проскоковой концентрации, ч:

,

,

где C_0,5 - содержание извлекаемого вещества в сточной воде, равновесное с количеством вещества, равным половине D_sb моль/м³.

Задание. Рассчитать время работы адсорбера до проскока при: = 0,278×10^-3 м/с = 1 м/ч; = 430 кг/м³; H_tot = 3; С_en= 10,65 моль/м³; С_eх = 0,1 моль/м³.

Рассчитаем величину

.

По данным предыдущих расчетов K = 10000; С_s = 27,8 моль/м³; = 1,26.

P =

9,0881.

Рассчитаем продолжительность t_ads; ч, работы адсорбера до регенерации активного угля

t_ads = =

= 91,489 (3 - 0,0747 [0,5126 + 4,6681-1]) = 245,63.

При Re>4 расчет продолжительности работы адсорбера до появления на выходе из слоя проскоковой концентрации проводится по формуле (90).

Рассчитаем величину t_ads, ч, при скорости фильтрования, равной = 2,222 ^. 10^-3 = 8 м/ч. При этом = 26,568 1/ч,

t_ads = 11,4362 {3 - 0,3011 [0,5126 + 1]} = 11,4362 (3 - 0,4554) = 29 ч.

Расчетное количество работающих адсорберов определяем исходя из требуемой производительности установки, площади q_w, аппарата f_ads и скорости движения очищаемой сточной воды в адсорбере .

Приняв диаметр аппарата D = 3,2 м (f_ads = 8,04 м²) и скорость движения жидкости = 1 м/ч, находим требуемое количество работающих адсорберов при производительности установки 120 м³/ч

N_ads = = 15 (аппаратов).

Время работы каждого адсорбера при заданных условиях фильтрования сточной воды составляет приблизительно 245 ч. При скорости движения очищаемой жидкости = 8 м/чи D = 3,2 м необходимое количество работающих адсорберов

N_ads = 2 (аппарата).

Время работы каждого адсорбера в этом случае до проскока бензойной кислоты составляет 29 ч.

Пример 3. Расчет адсорбционной установки, оборудованной аппаратами с псевдоожиженным слоем активного угля.

Исходные данные: производительность установки 400 м³/ч; используется активный антрацит с эквивалентным диаметром зерен 0,5 10^-3 (0,5 мм); начальная концентрация биологически очищенных сточных вод С_en - 50 г O/м³; конечная концентрация органических загрязнений в воде С_ex = 15 г O/м³.

Порядок расчета: минимальную дозу активного угля при доочистке биологически очищенных сточных вод определяем по формуле, кг/м³:

.

Определяем расход активного угля, который зависит от числа секций адсорбционного аппарата. Рассмотрим определение расхода активного угля при расходе жидкости q_w = 10 м³/ч в двух и трехсекционном аппарате. Расчеты проводим по формулам (95) и (96). Величина дозы активного угля, определенная в примере, составляет 5,8 кг/м³. Расход активного угля в двухсекционном аппарате q_sb, кг/ч, определяем решением квадратного уравнения

; (117)

Принимаем двухсекционный аппарат с общей высотой псевдоожиженного слоя 3 м (1,5 м высота слоя на каждой секции).

3.12. Для определения основных технологических параметров работы адсорбционных аппаратов принимаем, что относительное расширение псевдоожиженного слоя в аппарате равно: 1,5 ( - высота псевдоожиженного слоя, образованного из неподвижного, высотой ). Тогда порозность псевдоожиженного слоя с заданным относительным расширением составит

= 1- (1-0,4) = 0,6,

- порозность неподвижного слоя, равная 0,4.

Преобразуя формулу

, (118)

находим скорость восходящего потока жидкости, , м/ч, обеспечивающей заданную порозность псевдоожиженного слоя, где Ar - число Архимеда, определяемое по формуле

, (119)

где P_i - удельная пористость сорбента.

Подставляя числовые значения в формулы (118) и (119), получим:

число Архимеда

Ar = 552;

порозность

,

где Re = - число Рейнольдса, Re = 2,57.

Преобразуя число Рейнольдса, определим скорость потока , м/ч:

.

Таким образом, для обеспечения полуторакратного расширения псевдоожиженного слоя активного угля с размером частиц 0,5 ^. 10^-3- (0,5 мм) скорость потока должна быть равна 18,5 м/ч.

При диаметре адсорбера 3 м его производительность q_w, равна, м³/ч:

.

Следовательно, для обеспечения очистки 400 м³/ч сточной воды необходимо три адсорбционных аппарата.

Часовой расход равен (51,4/10)131 = 673 кг/ч. Перепад давления в псевдоожиженном слое активного угля определяем по формуле, Н/м²:

=

= 9,81 (1900 - 1000) (1 - 0,5) (1-0,6) 4,5 = 7946.

Для расчета адсорбционной аппаратуры в табл. 29 приводятся характеристики активных углей, выпускаемых отечественной промышленностью. В табл. 30 приведены инкременты стандартного уменьшения свободной энергии адсорбции из водных растворов некоторых структурных элементов и функциональных групп молекул органических веществ, часто встречающихся в сточных водах.

Таблица 29

Таблица 30

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: