Промышленная экология (90

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет»

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Методические указания (расчет аппаратов очистки сточных вод)

Казань

КГТУ

2007

УДК 614.72.628.54

Составители: ст. преп. С.А. Антонова доц. Н.В. Шильникова ст.преп. Т.В. Андрияшина ассист. Я.В. Капицкая ассист. С.Ю. Софьина проф. И.В. Чепегин.

Промышленная экология : методические указания (расчет аппаратов очистки сточных вод) / сост. С.А.Антонова [и др.]. – Казань : Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007. – 40 с .

Содержат методики расчета оборудования по очистке про- мышленных сточных вод от вредных примесей.

Рассмотрены примеры решения задач и приведены индиви- дуальные варианты заданий для студентов.

Предназначены для студентов механических специальностей

(240801, 130603, 150801, 140105) всех форм обучения и могут исполь-

зоваться для студентов специальности (280102) «Безопасность техно- логических процессов и производств».

Подготовлены на кафедре промышленной безопасности.

Печатаются по решению методической комиссии факультета химических технологий института химического и нефтяного машино- строения.

Рецензенты: доц. В.В. Алексеев доц. Л.Э. Осипова

2

Введение

Экологические исследования последних десятилетий до- казывают чрезмерно возрастающее разрушительное воздействие антропогенных факторов на окружающую среду, вследствие ее загрязнения, в частности промышленными сточными водами.

Промышленная экология рассматривает проблемы за- грязнения окружающей среды продуктами производства, вклю- чая сточные воды, занимающие первое место по объему и ущер- бу, который они наносят водоемам. Загрязнения, вызываемые стоками, способствуют биогенным мутациям. Из-за промыш- ленных стоков изменяется химический состав водоемов, повы- шается содержание азота, фосфора и хлорсодержащих веществ и т.д., и как следствие возможная гибель водной экосистемы.

Задачей промышленной экологии является выбор спосо- бов защиты окружающей среды и разработка методов защиты от негативного воздействия техногенных факторов. Выбор метода очистки сточных вод зависит от размеров частиц примесей, фи- зико-химических свойств и концентрации веществ, находящихся во взвешенном состоянии, расхода сточных вод и требуемой степени очистки.

Методические указания содержат методики расчета обо- рудования по очистке промышленных сточных вод от вредных примесей.

3

1 Расчет аппаратов для адсорбции растворенных

органических примесей

Адсорбция используется для глубокой очистки вод замк- нутого водопотребления и доочистки сточных вод от органиче- ских веществ, в том числе и от биологически жестких.

Аппараты для сорбционной очистки сточных вод клас-

сифицируются по разным признакам:

по организации процесса – периодического и непрерыв- ного действия;

по гидродинамическому режиму – аппараты вытесне-

ния, смешения и промежуточного типа;

по состоянию слоя сорбента – с неподвижным, движу-

щимся, пульсирующим, перемешиваемым и циркулирующим слоем;

по организации контакта взаимодействующих фаз – с

непрерывным и ступенчатым контактом; по организации на- правления движения фаз – с прямоточным, противоточным и смешанным движением;

по конструкции – колонные и емкостные;

по способу подвода энергии – без подвода энергии извне

(гравитационное движение фаз) и с подводом энергии извне (принудительное движение твердой фазы).

Наиболее часто в практике очистки сточных вод исполь- зуются адсорберы с неподвижным и плотно движущимся слоем поглотителя, аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента, а также аппараты, в которых обеспечивается интенсивное пере- мешивание обрабатываемой воды с порошкообразным или пы- левидным сорбентом.

Выбор конструкции адсорберов обусловлен дисперсным составом адсорбента, который принимается с учетом дефицит- ности, его стоимости и возможности регенерации.

4

В зависимости от дисперсного состава адсорбента, прин- ципиальные конструкции адсорберов можно подразделить на следующие типы:

I – адсорбер с неподвижной или движущейся загруз-

кой, через которую водный поток фильтруется, или нисходя- щим потоком со скоростью до 20 м/с, или восходящим – со ско- ростью до 12 м/ч, применяется для фракций 0,8 – 5 мм ;

II – адсорбер с псевдоожиженной загрузкой, расшире-

ние слоя которого осуществляется не менее чем на 50% восхо- дящим потоком воды со скоростью 10 - 40 м/ч, применяется для фракций 0,25 – 2,5 мм ;

III – адсорберы-смесители, применяются для фракций

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 фракций 0,02 – 0,1 мм .

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

Адсорберы II типа наиболее целесообразно применять для очистки небольших объемов сточных вод с хорошо сорби- руемыми загрязнениями.

Адсорберы III типа эффективно использовать для очист- ки небольших объемов высококонцентрированных сточных вод.

Адсорберы IV типа – для очистки небольших объемов низко концентрированных сточных вод (5 – 10 мг/л извлекаемых примесей).

5

Расчет оборудования

При расчете адсорберов задаются следующие исходные данные:

-расход сточных вод;

-начальная концентрация вредных веществ;

-концентрация вредных веществ 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 ад- сорбционной установки;

-ориентировочная продолжительность периода работы адсорбента до проскока и соответственно замены отработанного адсорбента чистым;

-требуемая степень отработки;

-кажущаяся и насыпная плотности адсорбента. Содержание взвешенных веществ в сточных водах, по-

ступающих на адсорберы, не должно превышать 5 мг/л.

Расчет адсорберов начинают с определения общей пло- щади адсорбционной установки.

Площадь загрузки адсорбционной установки Fads опреде- ляется по формуле:

6

адсорбционная емкость сорбента исчерпывается до степени К.

мого из адсорбера при коэффициенте исчерпания емкости Кsb , определяемая по формуле:

tads , принимаемого по условиям эксплуатации, и определяемая по формуле:

где Дsbmax – максимальная доза активного угля, г/л, определяе- мая по формуле:

7

где asbmin – минимальная сорбционная емкость активного угля, мг/л, определяемая экспериментально.

Н3 – резервный слой сорбента, рассчитанный на продол- жительность работы установки в течение времени перегрузки или регенерации слоя сорбента высотой Н1 , м.

Изотерму адсорбции, выражающую связь между концен- трацией адсорбата в сточной воде (Сen , г/л) и сорбционной ем- костью адсорбента, описывают уравнениями. При начальной концентрации до 100 мг/л ХПК можно использовать изотерму

Определив коэффициенты по опытным точкам, вычисля- ют величины asbmin и asbmax, задавшись Сen и Cex , и по ним опре-

деляют дозы адсорбента, которые в статических условиях обес- печивают очистку воды до требуемого качества (до проскока), и до качества воды, соответствующего заданному исчерпанию ем- кости адсорбента.

На основе расчетных доз, задавшись ориентировочной продолжительностью работы адсорбционной установки до пере- грузки адсорбера, рассчитывают высоту адсорбционной загруз- ки, обеспечивающей очистку воды до проскока Н2 , и высоту за- грузки, которая за тот же период должна исчерпать емкость сор- бента Н1

Уточняется величина Н1 с учетом условий замены отра- ботанного адсорбента чистым, то есть, например, для непод- вижного плотного слоя загрузка Н1 принимается равной высоте загрузки в одном аппарате.

8

Общая высота загрузки адсорбента принимается не ме- нее, чем Нtot .

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

где γsbнас – насыпная плотность адсорбента, то есть отношение массы свеженасыпанных твердых частиц к занимаемому ими объему, г/см3 (т/м3 , кг/дм3 ); насыпная плотность учитывает воз- душные прослойки между частицами и меньше как истинной, так и кажущейся плотностей;

γsbкаж – кажущаяся плотность адсорбента, то есть масса гра- нулы адсорбента, отнесенная к ее объему, включая объемы пор

игазовых включений, г/ см3 (т/м3 , кг/дм3 );

ε– пористость (порозность) слоя сорбента, которая выра- жает долю свободного объема слоя.

Насыпная и кажущаяся плотности связаны с порозностью слоя адсорбента ε, которая выражает долю свободного объема слоя.

Потери напора в слое гранулированного угля при круп- ности частиц загрузки 0,8 – 5 мм принимаются не более 0,5 м на 1 м слоя загрузки.

Выгрузку активного угля из адсорбера следует преду- сматривать насосом, гидроэлеватором, эрлифтом и шнеком при относительном расширении загрузки на 20-25%, создаваемым восходящим потоком воды.

9

Сточные воды, поступающие в адсорберы с псевдоожи- женным слоем, не должны содержать взвешенных частиц свыше 1 г/л при гидравлической крупности не более 0,3 мм/с. Взве- шенные вещества, выносимые из адсорберов, и мелкие частицы угля удаляются после адсорбционных аппаратов.

Скорость восходящего потока воды в адсорбере прини- мается 30 – 40 м/ч для активных углей с размерами частиц 1 – 2,5 мм и 10 – 20 м /ч для углей с размерами частиц 0,25 – 1 мм .

Доза активного угля для очистки воды определяется экс- периментально.

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

Исходные данные:

расход сточных вод qw = 10 000 м3 /сут или 417 м3 /ч; начальная величина ХПК (Сen ) = 625 мг/л; конечная величина ХПК (Сex ) = 50 мг/л;

изотерма адсорбции соответствует уравнению Фрейндли- ха: аsb в мг/г; С в г/л; asbmin = 253 Сех1/2 ;

линейная скорость относительно стен адсорбера v = 10

м/ч;

ориентировочная продолжительность работы установки

до проскока tадсор = 24 ч;

уголь АГ-3, его кажущаяся плотность γsbкаж = 0,9 г/см3, насыпная γsbнас = 0,45 г/см3;

высота слоя угля в одном адсорбере Нads = 2,5 м; заданная степень исчерпания емкости сорбента Кsb =0,7; диаметр адсорбера D = 3,5 м.

Расчет. Определяем максимальную сорбционную ем- кость asbmax в соответствии с изотермой:

10