Лекция №3 Удаление из воды грубодисперсных и коллоидных загрязнений. Методы осветления воды.

Многообразие примесей в природной воде служит причиной того, что очистка добавочной воды для подпитки котлов организуется в несколько этапов на водоподготовительной установке (ВПУ). На первом этапе из воды выделяются грубодисперсные и коллоидные вещества, а также снижается бикарбонатная щелочность. На дальнейших этапах производится очистка воды от истинно-растворимых примесей. Предварительной обработкой воды (предочисткой) называется ряд операций, при которых нежелательные примеси воды удаляются в твердом виде − в виде осадка с содержащейся в нем водой. Первый этап очистки воды − предочистка − необходим для улучшения технико-экономических показателей последующих этапов очистки воды, а также потому, что при отсутствии предочистки применение многих методов на последующих ступенях очистки встречает значительные затруднения. Так, наличие в воде органических веществ приводит к изменению технологических свойств анионитов, способствует их старению, а, следовательно, и снижению (в 4-6 раз) срока службы. Присутствие в воде ионов железа более 50 мкг/кг вызывает обрывание мембран при очистке воды электродиализом. Неудовлетворительная очистка воды от крупнодисперсных и коллоидных примесей является одной из причин образования накипей на поверхностях нагрева и ухудшения качества пара. Поэтому предочистке добавочной и подпиточной воды придается важное значение.

Удаление из воды грубодисперсных примесей достигается осветлением ее путем отстаивания и фильтрования. Отстаивание воды является естественным процессом, при котором взвешенные в воде грубодисперсные частицы с плотностью, большей плотности воды, осаждаются под действием силы тяжести. Осветление воды отстаиванием осуществляется в осветлителях. Осветление воды путем фильтрования заключается в пропускании ее через осветлительные фильтры, загруженные зернистым материалом, задерживающим грубодисперсные примеси воды. Осветление воды без введения реагентов применяется в тех случаях, когда она загрязнена только грубодисперсными веществами. Обычные же поверхностные воды содержат значительное количество коллоидно-дисперсных веществ с диаметром частиц менее 100 мкм, которые не осаждаются в осветлителях и не задерживаются осветлительными фильтрами.

Фильтрующие материалы и основные характеристики

структуры фильтровальных слоев.

Для очистки воды от механических примесей в промышленных условиях используются главным образом зернистые «сыпучие» материалы. Основным требованием, которое предъявляется к таким материалам, является их устойчивость к обрабатываемой воде. Материал не должен загрязнять воду, поскольку это ведет к увеличению стоимости ее очистки. Фильтрующий материал также должен быть дешев и легкодоступен.

Применение зернистых материалов для удаления механических примесей вызвано особенностью строения их слоя, в котором частицы материала чередуются с пустотами, называемыми порами слоя. Соединяясь между собой, поры слоя образуют поровые каналы, по которым протекает очищенная вода. От формы, размеров и количества таких каналов в единице объема слоя будет зависеть не только гидравлический режим течения воды, но и качество ее очистки.

Именно поэтому рассмотрение общих положений теории фильтрования в зернистых слоях удобнее всего начать с геометрической характеристики этих слоев. На практике зернистый слой рассматривают усреднено как однородную изотропную среду, характеризуемую следующими понятиями.

Пористость слоя, м³/м³ − доля свободного объема в зернистом слое:

, (1)

где V_пор − объем пор в слое зернистого материала;

V_сл = V_пор + V_т.ф − суммарный объем зернистого слоя;

V_т.ф − объем твердой фазы.

Из уравнения (1) следует:

, (2)

где а_т.ф и ρ_т.ф − насыпная масса и плотность зернистого материала, определяемые соответственно как и (G_т.ф − масса твердой фазы).

Живое сечение − суммарная площадь пор в миделевом сечении (сечении, перпендикулярном вектору потока жидкости зернистого слоя):

F_ж.с = F_ап − Σ F_т.ф , (3)

где F_ап и Σ F_т.ф − площадь сечения аппарата и суммарная площадь сечения всех частиц твердой фазы зернистого слоя.

Доля свободного сечения:

, (4)

При равномерной загрузке аппарата в зернистых слоях соблюдается равенство ε = ε_s.

, (5)

где h_сл − высота зернистого слоя.

Поверхность зерен слоя − произведение «смоченного» периметра, то есть суммы контуров всех омываемых частиц, на высоту зернистого слоя, м²:

S_з.сл = р ∙ h_сл , (6)

Поверхность зерен слоя, м²/м³, принято относить либо к единице объема слоя:

, (7)

либо к единице объема зерен, м²/м³, в слое:

, (8)

Значения S_o и соответственно называются удельной поверхностью слоя и удельной поверхностью зерен в слое.

, (9)

Если слой состоит из микродисперсных частиц правильной шаровой формы, то:

; , (10)

где d − диаметр шарообразных зерен слоя.

Для полидисперсных слоев, состоящих из шарообразных частиц с разными диаметрами в (10) используют средний поверхностный диаметр зерен d.

,

где g_i − массовая доля зерен с данным диаметром d_i .

Коэффициент формы (α_ф) − им характеризуют отклонение формы зерна от сферической:

,

где d_v − диаметр шара, объем которого равен объему V рассматриваемого зерна неправильной формы ( );

d_s − диаметр шара, поверхность которого равна поверхности S рассматриваемого зерна неправильной формы ( );

d_c − средний диаметр сита, через которое данное зерно проходит, и диаметр сита, на котором оно задерживается.

Гидравлический радиус − отношение площади «живого» сечения к «смоченному» периметру:

.

Эквивалентный диаметр каналов слоя d_э = 4r_г . Для каналов круглого сечения соотношение между диаметром канала и гидравлическим радиусом в гидравлике определяется равенством:

; d_э = 4r_г .

Извилистость каналов слоя:

,

где l − высота элементарного участка; l₀ − длина поры.

Коэффициент неоднородности η − характеризует широту диапазона диаметров полидисперсных загрузок:

,

где d₈₀ и d₁₀ − диаметры отверстий сит, через которые проходят 80 и 10% зерен образца.

Пример некоторых фильтрующих материалов: кварцевый песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит.

Дисперсный состав фильтрующих материалов, используемых в практике очистки воды на теплоэнергетических станциях, ограничивается, с одной стороны, гидравлическим сопротивлением фильтрующего слоя (нельзя применять слишком мелкие материалы), с другой − качеством очищенной воды (на крупнозернистых материалах эффективность очистки невысока). Нижний предел дисперсного состава ограничивается также конструктивными (соображениями) особенностями механических фильтров − размер зерен не должен быть меньше размера отверстий дренажных устройств, через которые отводится вода из фильтра. Это ограничение влечет за собой и требование повышенной механической прочности фильтрующих материалов, ограничивающей появление мелкой фракции, а, следовательно, увеличивающей срок его их эксплуатации.

Из всех упомянутых фильтрующих материалов наибольшее распространение в производстве добавочной воды на теплоэнергетических станциях получил антрацит. Он достаточно дешев, а главное, химически стоек. Механическая прочность антрацита такова, что годовые потери не превышают 2,5%. В технологических схемах очистки конденсата используют чаще всего отработанные сульфоуголь или катионит КУ-2. В последнее время широкое распространение получил новый фильтрующий материал – сополимер дивинилбензола и стирола, являющийся отходом производства ионитов. Этот материал обладает очень высокой химической стойкостью, практически не загрязняет очищенный конденсат, способен достаточно полно удалять механические примеси, слеживается значительно меньше сульфоугля и катионита КУ-2.

Механизм задержания взвесей слоем зернистого материала.

Различают две основные причины задержания взвесей фильтрующим слоем: механическое задержание частиц взвеси на входе в каналы слоя и адгезию (прилипание) частиц взвеси на поверхности зерен слоя. При любой технологической организации процесса очистки воды на зернистых слоях оба явления имеют место.

Механическое задержание частиц взвеси имеет место прежде всего тогда, когда диаметр частиц больше диаметра каналов фильтрующего слоя. Перекрывание поровых каналов слоя возможно также и меньшими частицами взвеси. Так, при больших концентрациях улавливаемых частиц перекрывать поры могут группы частиц взвеси, размер которых в 10 раз меньше размера порового канала. В этом случае принято говорить об образовании «сводиков» над входом в поровый канал. Перекрывание каналов внутри фильтрующего материала происходит вследствие локального концентрирования взвеси, протекающей внутри слоя. Если перекрывание лобовых каналов слоя ведет к накоплению частиц взвеси на поверхности фильтрующего слоя, то перекрывание внутренних каналов приводит к накоплению ее в объеме фильтрующего слоя. Отсюда различают два вида механического фильтрования: поверхностное и объемное. При поверхностном фильтровании мелкие частицы взвеси, обладающие огромными значениями удельной поверхности, образуют собственный фильтрующий слой. Хотя толщина такого слоя и незначительна, однако сопротивление его из-за высокой удельной поверхности частиц, образующих его, весьма велико.

П ри объемном фильтровании рост перепада давления на слое фильтрующего материала будет зависеть от всей омываемой поверхности слоя. При перекрывании отдельных каналов внутри слоя одновременно происходит увеличение поверхности фильтрующего слоя за счет появления поверхности «сводика» и уменьшения ее за счет исключения поверхности перекрытого канала (см. рисунок). Таким образом, общая омываемая поверхность фильтрующей загрузки практически не изменится. Увеличение перепада давления на слое фильтрующего материала в этом случае происходит главным образом за счет уменьшения его пористости. Из опыта работы насыпных механических фильтров известно, что при объемном фильтровании большая часть частиц взвеси локализуется в верхней части фильтрующего слоя высотой 0,1- 0,3 м.