Практическая работа 9

Тема: Изучение конструкции и принципа работы шаровой мельницы.

Цель: Изучить конструкцию и принцип работы шаровой диафрагмовой мельницы.

Теоретические сведения:

Шаровая мельница представляет собой барабан, частично заполненный измельчающими телами – металлическими или кварцевыми. При вращении барабана шары увлекаются о его стенки на некоторую высоту, а затем свободно падают, измельчая материал ударами и истиранием.

Рис.9.1.Схема шаровой диафрагмовой мельницы:1,7-крышки; 2-броневые плиты; 3-корпус барабана; 4- люк; 5-приводная шестерня; 6-решетка-диафрагма; 8- радиальные ребра; 9- полые цапфы; 10-направляющий конус.

Шаровые диафрагмовые мельницы имеют короткий цилиндрический барабан 3, с литыми торцевыми крышками 1 и 7, вращающийся на полых цапфах 9. Возле одной из крышек барабан по всему поперечному сечению перекрыт решеткой-диафрагмой 6, задерживающей шары и крупные куски материала. Через щели диафрагмы проходит измельченный материал, который подхватывается радиальными ребрами 8, а затем ссыпается на направляющий конус 10 и удаляется из мельницы через полую цапфу. Такие мельницы работают обычно по замкнутому циклу, совместно с транспортирующими устройствами.

Вывод: Изучили конструкцию и принцип работы шаровой диафрагмовой мельницы.

Контрольные вопросы:

1.Расскажите сущность процесса измельчения.

2.Перечислите виды измельчающих машин.

3.Расскажите принцип работы шаровой диафрагмовой мельницы.

4.Что означает «работа по замкнутому циклу», «работа по разомкнутому циклу»?

Практическая работа 10

Тема: Изучение схем очистных сооружений.

Цель: Изучить принцип работы и схемный вариант очистных сооружений.

Теоретические сведения:

В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, существующие методы классифицируют на механические, физико-химические и биологические.

Механическая очистка:  Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.

Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. В вертикальных или наклонных решетках, ширина прозоров обычно составляет 15...20 мм. Для удаления осадка веществ с входной поверхности решеток используют ручную или механическую очистку. Последующая обработка удаленного осадка требует дополнительных затрат и ухудшает санитарно-гигиенические условия в помещении. Эти недостатки устраняются при использовании решеток-дробилок, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10 мм и менее. В настоящее время используют несколько типоразмеров таких решеток, например, РД-200 производительностью 60 мЭ/ч и диаметром сетчатого барабана 200 мм.

Для выделения волокнистых веществ из сточных вод целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий используют волокноуловители, например, с использованием перфорированных дисков или в виде движущихся сеток с нанесенным на них слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках и жироуловителях.

Рис. 1 Схема горизонтальной песколовки: 1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3–шламосборник; 4–выходной патрубок; L – длина песколовки; Н – высота песколовки

 Для расчета этих очистных устройств необходимо знать скорость свободного осаждения (всплывания) примесей (м/с):

Wo=gdч2(ρч – ρв)/(18m),

где g–ускорение свободного падения, м/с2; dч - средний диаметр частиц, м; ρч  и  ρв – плотности частицы и воды, кг/м3; m –динамическая вязкость воды. Па/с.

Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 0,25 мм. В зависимости от направления движения сточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые. Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм, а также от частиц нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники. При расчете отстойников определяют, как правило, его длину и высоту.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточной воды крупных твердых примесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др.), а также от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона.

Рис.2  Схема открытого гидроциклона: L –длина отстойника; Н – высота отстойника

Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Производительность (м3/с) открытого гидроциклона

Q= 0,785qD2,

где q – удельный расход воды; для гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15W0 (W0–скорость свободного осаждения частиц в воде, м/с); D – диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

На рис. 3 представлена схема напорного гидроциклона, обеспечивающего очистку сточной воды и от твердых частиц, и от маслопродуктов. Сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вследствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда они периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх. При этом вследствие меньшей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 маслопродукты выводятся из гидроциклона для последующей утилизации. Сточная вода, очищенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для дальнейшей очистки. Трубопровод 4 с регулируемым проходным сечением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося в ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.

Рис. 3 Схема комбинированного гидроциклона:1-входной трубопровод; 2-камера; 3-приемная камера; 4, 5, 6-трубопровод; 7-шламосборник

Такие гидроциклоны используют для очистки сточных вод прокатных цехов с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответственно 0,13...0,16 и 0,01...0,015 кг/м3 и эффективностью их очистки около 0,7 и 0,5.

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией. Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической или биологической очистки. Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых материалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных металлических порошков и т. п.).

Рис.4 Схема зернистого фильтра:1-корпус; 2 и 5-перегородки; 3-фильтровальная загрузка; 4-входной трубопровод; 6-желоб; 7-выходной трубопровод; 8 и 9-трубопровод

Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных твердых примесей применяют зернистые фильтры (рис. 4). Сточная вода по трубопроводу 4 поступает в корпус 1 фильтра и проходит через фильтровальную загрузку 3 из частиц мраморной крошки, шунгизита и т. п., расположенную между пористыми перегородками 2 и 5. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограниченном пористой перегородкой 5, и выводится из фильтра через трубопровод 8. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давлений на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрывается входной трубопровод 4 и по трубопроводу 9 подается сжатый воздух. Он вытесняет из фильтровального слоя 3 воду и твердые частицы в желоб 6, которые затем по трубопроводу 7 выводятся из фильтра. Достоинством конструкции фильтра является развитая поверхность фильтрования, а также простота конструкции и высокая эффективность.

В настоящее время для очистки сточных вод от маслопродуктов широко используют фильтры с фильтровальным материалом из частиц пенополиуретана. Пенополиуретановые частицы, обладая большой маслопоглощающей способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97...0,99 при скорости фильтрования до 0,01 м/с. При этом насадка из пенополиуретана легко регенерируется при механическом выжимании маслопродуктов.

Физико-химические методы очистки: Данные методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.

Коагуляция и флокуляция - это другие, принципиально близкие способы физико-химической очистки производственных сточных вод и стоков другого происхождения. Во время этих процессов происходит реакция загрязняющих стоки веществ: 1. с минеральными соединениями - данный процесс очистки сточных вод называется коагуляция; 2. с высокомолекулярными агентами - данный процесс очистки стоков называется флокуляция.

В качестве веществ, способствующих коагуляции загрязнений сточных вод используются в основном соли железа и алюминия. Данные коагулянты в результате химической реакции с загрязнениями промышленных сточных вод превращаются в нерастворимые формы гидроксидов этих металлов. При своем образовании эти гидроксиды захватывают органические и неорганические примеси из стоков. При этом в обрабатываемых сточных водах формируются рыхлые хлопья. Данные хлопья затем могут быть легко удалены из очищаемой воды. Необходимо отметить, что при использовании процесса коагуляции для очистки промышленных стоков образуются высоковлажные объемные осадки. Данные осадки, после очистки производственных сточных вод необходимо в дальнейшем утилизировать.

Сущность метода флокуляции для очистки сточных вод заключается в том, происходит адсорбция (прилипание) флокулянта на поверхности нескольких твердых частиц-загрязнителей стоков. В данном процессе также образуются хлопья. Самыми эффективными веществами-флокулянтами для очистки сточных вод являются органические полимеры и активированная кремниевая кислота. К недостатку данного метода очистки стоков можно отнести отсутствие единого вещества-флокулянта для очистки стоков от большинства загрязнителей. В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

Флотация предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица – пузырьки газа» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся в воде веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т. п. В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.

В настоящее время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимнонерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции

Kэ=Cэ/Cв,

где Сэ и Св – концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата Кэ составляет соответственно 2,4 и 8...12. Для интенсификации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение рН ≈ 6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, едким кали, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

– фильтрационный – путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

– водно-реагентный – добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

– полусухой – перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент – активированный уголь.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осуществляют ионитами – синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в сточной воде.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н+ или Na+- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН- - или солевой форме), а также иониты смешанного действия.

                                  а)                                        б)

в)

Рис. 5. Технологическая схема ионообменной очистки сточных вод:

а – одноступенчатая очистка; б – очистка с двухступенчатым анионированием; в – очистка с промежуточной дегазацией и двухступенчатым анионированием; К– катионитовый фильтр; А–анионитовый фильтр; Д–декарбонизатор. ПБ–промежуточный бак

Электрохимическая очистка: Электрохимическая очистка, в частности, электрохимическое окисление осуществляется электролизом и реализуется двумя путями: окислением веществ путем передачи электронов непосредственно на поверхности анода или через вещество–переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовавшимися в процессе электролиза.

Наличие в сточной воде достаточного количества хлорид-ионов обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С12, НОС1, С12O, С1O , СlOз), который является сильнейшим окислителем и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся в сточных водах.

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод гальванических процессов, содержащих простые цианиды (КCN, NaCN) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов. Электрохимическое окисление осуществляют в электролизерах (обычно прямоугольной формы) непрерывного или периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианаты, карбонаты, диоксид углерода, азот), а на катоде – разряд ионов водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка, кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием CN-группы.

Гиперфильтрация: Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов путем фильтрования их через мембраны, поры которых размером около 1 нм пропускают молекулы воды, задерживая гидратированные ионы солей или молекулы недиссоциированных соединений. По сравнению с другими методами очистки гиперфильтрация требует малых энергозатрат, установки для очистки конструктивно просты и компактны, легко автоматизируются, фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко утилизируются или уничтожаются.

Для глубокой очистки загрязненных промышленных сточных вод используется так называемые мембранные методы очистки стоков. Одним из таких методов очистки  является обратный осмос. При этом сточные воды под давлением подаются на специальную полупроницаемую (обратноосмотическую) полимерную мембрану. При этом мембрана пропускает чистую воду, а загрязняющие агенты стоков эффективно задерживаются. Мембранными методами возможно выделять из сточных вод и утилизировать низкомолекулярные вещества, например  соли, кислоты и т.д. При мембранных методах  очистки сточных вод рекомендуется проведения предварительной очистки стоков.

Мембранная очистка сточных вод промышленных предприятий

По причине огромного разнообразия промышленных объектов и индивидуального состава каждого объекта типовых решений систем очистки сточных вод не существует. Однако общее требование к этой проблеме следующее - максимальная локализация установок водоочистки на местах образования стоков для возврата очищенной воды и ценных компонентов в повторное использование. Главное преимущество мембранных процессов очистки стоков перед любой другой технологией - безреагентность, что и позволяет удовлетворить это требование.

Все ужесточающиеся требования экологических служб заставляют производственников вкладывать деньги в собственные  сооружения очистки сточных вод. Уже сегодня в РФ стоимость сброса в канализацию 1 м3 промышленных сточных вод равна стоимости 1 м3 свежей воды, и то лишь при условии непревышения нормативов содержания в воде загрязняющих компонентов. Это уже сейчас вызывает ажиотажный спрос на рынке мембранных систем очистки сточных вод.

Очистка сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты

К этому типу сточных вод относятся ливневые стоки, отработанные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ); стоки автомоек, отработанные моющие растворы ремонтных, гальванических, покрасочных и т. п. предприятий и цехов. Основная технологическая идея очистных установок для этих сточных вод представлена на рис. 6. Часто в исходных стоках содержится крупнозернистая твердая фаза - песок, металлические и полимерные частицы. Они удаляются в отстойнике 1 в виде осадка, а жидкая фаза поступает на механический фильтр 2, где освобождается от взвешенных и коллоидных частиц твердых загрязнений. Фильтрат поступает в сборник-разделитель 3, откуда подается в мембранный аппарат 4. Требования к мембране - ультрафильтрационная мембрана из сильно гидрофильного материала. При гарантированной высокой линейной скорости жидкости происходит выделение пермеата, который может быть отправлен обратно в производство, и возвращение концентрата в сборник 3. В нем постепенно повышается концентрация масла до состояния, когда оно из эмульсии переходит в сплошную фазу - слой нефтепродуктов на поверхности воды. Этот слой удаляется и обычно поступает на сжигание.

Рис. 6 Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод, содержащих масляные эмульсии: 1 - отстойник; 2 - механический фильтр; 3 - сборник-разделитель; 4 - мембранный аппарат; 5 – исходный раствор; 6 – осадок; 7 – шлам; 8 – масло; 9 – очищенная вода

Очистка сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов

К этому типу относятся промывные сточные воды гальванических производств, шахтные стоки, жидкие радиоактивные отходы. Особенностью этих стоков является относительно низкая концентрация токсичных компонентов на фоне высокого содержания нейтральных солей. Например, в гальванических отходах при 500 мг/л хлоридов Na+ и Са2+ содержится 10-50 мг/л одного из ионов Cr3* , Cu2+ , Pb2+ , Zn2+ , Ni2+ и др. В жидких радиоактивных стоках содержание Cs137, Co60, Sr90 или U237 вообще не может быть измерено в массовых единицах. Для таких многокомпонентных сточных вод идеальным является технологический прием - мицеллярно-усиленная ультрафильтрация. Процесс можно проводить по той же технологической схеме (см рис. выше), надо только в сборник 3 дозировать тщательно подобранный ассоциирующий реагент. Обычно процесс проходит в периодическом режиме, когда после длительного этапа накопления концентрата в сборнике до предельно возможного уровня его сразу весь передают на последующую переработку - выделение металлов или подготовку к длительному хранению.

Очистка стоков, содержащих ПАВ:

(ПАВ - это низкомолекулярные соединения, М.м. ~300). Такие стоки образуются при стирке одежды, после любых процессов мойки оборудования и изделий. Эти сточные воды содержат растворенные поверхностно-активные вещества и различные загрязнения, которые отмылись с твердых поверхностей.

Спецификой этих стоков являются следующие обстоятельства:

-отмываемые загрязнения - это как правило, высокомолекулярные и коллоидные частицы: белки, полисахариды, микроорганизмы, жиры, нефтепродукты, оксиды металлов и т. д.;

-роль ПАВ в процессе мойки и стирки - снизить поверхностное натяжение воды, чтобы облегчить либо растворение молекул загрязнений в воде, либо переход их в воду в виде эмульсий и взвесей.

Благодаря разделительным свойствам мембран возникает уникальная возможность почти полностью вернуть ПАВ на повторное использование (см. рис. 7).

Рис.7 Принципиальная схема переработки моющих растворов:1 - стиральная машина; 2 - емкость; 3 - механический фильтр; 4 - мембранный аппарат; 5 – добавление ПАВ и воды; 6 – возврат ПАВ и воды; 7 – пермеат с ПАВ; 8 – концентрат загрязнений

Раствор после стирки в машине 1 собирается в емкости 2, где производится его подготовка к разделению. На механическом фильтре 3 из раствора выделяются крупные твердые частицы, в мембранном аппарате образуется пермеат с той же концентрацией ПАВ, что и в сбросном растворе, но освобожденный от всех видов загрязнений. Расход концентрата может быть доведен до 0,5-1,0% от начального.

Вывод: Изучили особенности эксплуатации и принцип работы очистных сооружений.

Контрольные вопросы:

1.Какие технологические процессы применяют при очистке сточных вод?

2.Расскажите последовательность очистки.

3.Назначение очистных сооружений на химических предприятиях?

Государственное Бюджетное Образовательное учреждение Среднего профессионального образования

«Нижнекамский нефтехимический колледж»