• 5

11.1. КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

Этот метод в основном используют для обезвреживания мине­ральных сточных вод. Он позволяет выделять из стоков соли •с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения.

Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии (рис. 11-94): стадия концентриро-

Пресная Soda

 

Рис. II-94. Стадии разделения минеральных веществ и воды (/ — концентри­рование; 2 — выделение сухих веществ)

вания и стадия выделения сухих веществ. Во многих случаях вторая стадия заменяется захоронением концентрированных растворов. Концентрированные сточные воды можно непосред­ственно направлять на выделение сухого продукта, например в распылительную сушилку.

Удельный расход энергии на проведение стадии концентри­рования и выделения осадка определяют по формулам:

е= (£K+£ao)/S0, £„=ек№к, Е» „=ев0Г„„,  (11.243)

где е — удельный расход энергии на проведение стадий концентрирования и. выделения осадка; Ек и £м — затраты энергии на стадиях соответственно концентрирования и выделения осадка; 50 — расход сточных вод; ек, е„0 — удельные расходы энергии на стадиях соответственно концентрирования и выделения осадка; WK и WDo — производительность аппаратов соответствен­но концентрирования и выделения осадка.

Концентрирование сточных вод может быть проведено в ис­парительных, вымораживающих и кристаллогидратных уста­новках непрерывного и периодического действия. Классифика­ция установок термического концентрирования показана на схеме (рис. 11-95).

Испарительные установки: В промышленности наиболее рас­пространены выпарные установки концентрирования растворов. Для этой цели используют одноступенчатые и многоступенча­тые выпарные установки с выпарными аппаратами различной конструкции.

Выпаривание является энергоемким процессом. Энергия, за­трачиваемая на выпаривание, складывается из энергии на на­грев сточной воды от начальной температуры до температуры.

 

Рис. II-95. Классификация установок термического концентрирования рас­творов

испарения; на деформирование и перенос центров парообразо­вания; на работу, затрачиваемую на разделение растворителя и раствора; на формирование поверхности паровых пузырей при испарении; на преодоление сил давления при формировании пузырей; на преодоление пузырем границы раздела фаз и на транспортирование паровых пузырей до границы раздела фаз.

При расчете энергетических затрат в промышленных усло­виях учитывают энергию, затраченную на испарение г, и на работу разделения раствора и растворителя, так как остальные составляющие невелики:

q=r+lv. (11.244)

Поскольку при выпаривании с кристаллизацией выделяется теплота кристаллизации г,ф, то затраты энергии на выпарива­ние будут

q'~q — rK р.  (11.245)

При выпаривании низкоконцентрированных растворов с кри­сталлизацией значение мало, поэтому затраты энергии на выпаривание составят

q-r~rK р.         (11.246)

Выпарные установки состоят из основных элементов — вы­парных аппаратов (испарителей) и вспомогательного оборудо­вания— конденсаторов, самоиспарителей, теплообменников, на­сосов и др.

По одной из возможных классификаций выпарные установки подразделяются следующим образом: 1) по принципу дейст­вия— на аппараты периодического и непрерывного действия; 2) по способу подвода раствора — с параллельным, последова­тельным и комбинированным подводом; 3) по способу подвода и распределения пара — с параллельным подводом первичного пара, с параллельным подводом вторичного пара, с последова­тельным подводом вторичных паров, с термокомпрессией вто­ричных паров, с комбинацией различных вариантов; 4) по нали­чию отборов пара и раствора — с отбором и без отбора; 5) по способу отвода неконденсирующихся газов — в атмосферу, параллельный отвод, в последующий аппарат; 6) по способу рекуперации тепла — использование тепла раствора, использо­вание тепла дистиллята, использование самоиспарения дистил­лята, использование тепла вторичных паров, комбинирование схем без рекуперации; 7) по наличию конденсатора — с конден­сатором и без конденсатора; 8) по взаимному направлению пара и раствора — прямоточное, противоточное и комбиниро­ванное.

На практике чаще всего используются 4—-5-корпусные уста­новки, включающие аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, с расходом тепла по пару 600 кДж на 1 кг влаги.

Промышленные сточные воды отличаются большим разно­образием накипеобразующих компонентов и различным их содержанием. Деминерализация таких сточных вод требует их выпаривания до высоких концентраций. В этом случае кроме карбонатной и сульфатной накипи на теплопередающей поверх­ности могут отлагаться также силикаты, железистые и прочие накипи. Поэтому приходится комбинировать различные способы предотвращения накипеобразования.

В ряде случаев возникают и другие трудности. Например, присутствие в сточной воде нефтепродуктов и масел приводит к ценообразованию, что вызывает необходимость увеличения высоты сепарационного пространства выпарных аппаратов. Кроме того, технологическая схема должна предусматривать возможность введения химических пеногасителей.

На рис. II-96 представлена схема установки для концентри­рования стоков химического завода, включающая выпарные аппараты с вынесенной зоной испарения. Для предотвращения накипи применена рециркуляция шлама, состав которого иден­тичен составу накипи. В воду перед выпариванием для умягче­ния добавляют соду. В результате из раствора выпадает шлам в виде СаСОз, который является затравкой и из установки не выводится.

Отложение солей на поверхности теплообменника приводит к увеличению расхода тепла, уменьшению производительности.

 

В апп. I

концентрат

Рис. II-96. Схема выпарной установки для концентрирования сточной воды:

1,2 — аппараты с естественной и принудительной циркуляцией соответственно; 3 — реге­неративные теплообменники; 4, В — конденсаторы; 6 —деаэратор; 7 — отстойник; S — са- монспаритель; 1, 11, ..., VII — номера выпарных аппаратов: Я —и ар; Р —раствор; /С — конденсат

Сточная 5ода

 

rV

 

КонцентрироВан-

a

ныи раствор

Сточная вода

LA

^ЩДистиллят

"^—Г^Нониенгттро- ] данный

раствор

Тис. 11-97. Схемы одноступенчатых контактных выпарных установок:

б — испарения в адиабатной сту- — адиабатный испаритель

- испарения в камере контактного теплообменника; пени; 1 — контактные теплообменники; 2 — насосы; 3-

установки и усложнению ее эксплуатации. Это является пре­пятствием для использования выпарных установок для кон­центрирования некоторых сточных вод.

Для упаривания сточных вод ряда производств (синтетиче­ских смол, лаков и красок, люминофоров, реактивов и др.) применяют выпарные установки с контактными аппаратами. .Для них характерен непосредственный контакт между тепло­носителями и сточной водой. Для нагрева воды могут быть использованы газообразные, жидкие и твердые теплоносители.

Установки могут быть одноступенчатыми и многоступенча­тыми. В одноступенчатых установках испарение может проис­ходить или непосредственно в контактном аппарате, когда ■образующиеся пары уносятся теплоносителем, или в адиабат­ной ступени (рис. 11-97), а в контактном аппарате происходит лишь нагревание воды. На практике наибольшее распростране­ние получили следующие контактные аппараты: с погружными горелками, барботажные, тарельчатые, насадочные, форсуноч­ные, полочные.

Выпарные установки с гидрофобным теплоносителем. В этих многоступенчатых установках нагревание и испарение сточных вод происходит вследствие контакта их с жидким гидрофобным ■теплоносителем. В них возможно упаривать сточные воды до высоких концентраций, избежать отложения солей на теплооб- менных поверхностях, уменьшить коррозию оборудования. В качестве теплоносителей можно использовать парафины раз­личных типов, минеральные масла, силиконы и др. Гидрофоб­ный теплоноситель должен быть практически нерастворим в воде, не образовывать эмульсий, не сорбировать растворенные в воде соли, хорошо отделяться от воды, быть термически устой­чивым и иметь высокую теплоемкость. Предложено несколько •установок с гидрофобным теплоносителем. Схема одной из них представлена на рис. II-98.

Рис, И-98. Схема выпарной установки с гидрофобными теп­лоносителями:

/ — ступень адиабатного испарите­ля; 2 конденсатор смешения; 7, 8 — насосы; 4 — подогреватель; S, б контактные теплообменники

Поступающую на концент­рирование воду смешивают с рециркулирующим раствором и направляют в контактный теплообменник, где она нагре­вается гидрофобным теплоно­сителем. После этого вода по­ступает в адиабатный испари­тель, Концентрированный рас­твор отводят насосом. Пары, образующиеся при испарении, направляют в конденсатор смешения, где они конденсируются при соприкосновении со струями дистиллята, перекачиваемого из ступени в ступень. Дистиллят, на­гретый в ступенях конденсации, поступает в головной подогреватель, где до­полнительно нагревается теплоносителем. Затем дистиллят подают в контакт­ный теплообменник, где он отдает тепло гидрофобному теплоносителю. Часть охлажденного дистиллята отводят из установки, а другую часть подают на нижнюю ступень испарителя. Затраты тепла в таких установках на 1 кг испарений воды составляют 550—600 кДж. Одним из недостатков описанной установки является сложность и недостаточная эффективность сепарации теп­лоносителя от раствора и дистиллята, что ухудшает качество воды.

Разрабатываются установки с промежуточными твердыми теплоносителями, минеральными или металлическими. Увели­чение интенсивности теплообмена в них происходит из-за более высокой скорости движения частиц относительно жидкости, большой разности плотностей сред, а также из-за высокой теп­лопроводности частиц.

Одним из путей предотвращения выпадения карбонатной накипи на поверхностях теплообменника термических опресни­телей может быть применение установок мгновенного испаре­ния (УМИ). В таких установках исходная вода проходит пос­ледовательно через каскад трубчатых теплообменников-конден- саторов, встроенных непосредственно в камеры испарения, в которых ее не доводят до кипения, а за счет тепла конденсации вторичных паров нагревают до температуры 82—85°С, при которой наблюдается слабое образование накипи. Затем воду направляют в головной подогреватель, где за счет подвода внешнего тепла (пара) она нагревается до 102—104 °С и попа­дает последовательно в ряд камер низкого давления, где и происходит мгновенное вскипание и испарение. Таким образом удается разделить стадии нагрева и испарения. Накипь образу­ется в основном в головном подогревателе, а также в испари­тельной камере. Схема одноступенчатой УМИ показана на рис. 11-99.

Сточная бода

 

Концентрированный раствор

378

 

Рис. 11-99. Схема одноступенчатой адиабатной испарительной уста­новки:

J — камера испарения; 2 — конденсатор; -3 — сборник; 4 — подогреватель; 5 — на­сосы

Производительность од­ноступенчатой УМ И вычис­ляют по формуле

Гс| = Гс(0-~0„)//-=т, (11.247)

где W—расход жидкости; с — теплоемкость раствора; Q', би — температура раствора соответственно на выходе из подогревателя и в камере испарения; Гст — теплота испарения пара в ступени.

Удельный расход пара для одной ступени приблизительно равен 1 кг/кг. Для снижения расхода пара используют много­ступенчатую установку. Расход пара на многоступенчатых УМИ приближается к расходу пара в многоступенчатых выпар­ных установках.

Схема многоступенчатой адиабатной испарительной установ­ки показана на рис. II-100. Жидкость испаряется при переходе из одной камеры в другую. Такие установки нашли широкое применение для опреснения морской воды. Предложено боль­шое число конструкций адиабатных испарительных установок.

Разработана установка, представляющая собой вертикальную колонну (рис. II-101), имеющая ряд камер. Колонна работает под вакуумом. Вода поднимается снизу вверх по трубам. Кон­центрированный раствор удаляют из верхней камеры. Образо­вавшийся пар конденсируется на трубках конденсаторов, а .дистиллят стекает по желобам в вертикальный канал.

Установки вымораживания. Процесс вымораживания заклю­чается в том, что при температуре ниже температуры замерза­ния чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол -с растворенными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда

 

 

КанцЕнтрироВш)- раствор

Рис. 11-100. Схема многоступенчатой адиабатной испарительной установки:

«У — ступень испарения; 2 — подогреватель; 3 — сборник; 4 — насосы

Рис. 11-101. Схема вертикальной адиа­батной испарительной установки:

1 — конденсатор; 2 — желоб; 3 — канал для от­вода конденсата; 4 — вертикальный канал; 5 — вакуум-насос; 6 — переточная труба; 7 — пере­городка; 5 — испарительная камера; 9 — кор­пус

ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от кон­центрации растворенных солей.

Если снижение температуры в процессе замораживания идет медленно, то образуются сравни­тельно крупные игольчатые кри­сталлы со значительно меньшим включением рассола, что спо­собствует при оттаивании полу­чению менее минерализованной воды. При быстром проведении процесса образуются меньшие кристаллы, лед имеет губчатую структуру. Это затрудняет от­деление межкристаллитного рассола, и при оттаивании получа­емая пресная вода отличается повышенным содержанием со­лей. Исходя из этого, процесс вымораживания проводят при режимах медленного переохлаждения.

Установлено также, что выпадению из раствора каждой соли соответст­вует своя температура охлаждения, например —0,15°С для CaO; —0,7 °С для Na2S04; —1,91 °С для CaCOs; —6,0 °С для MgS04; —21,9 "С для NaCl; —55 "С для СаС12. Если в растворе находится не одна соль, а несколько, то температура замерзания такого раствора будет ниже. Например, раствор Na2S04 в присутствии других солей имеет температуру замерзания не —0,7, а -8,2 °С.

Разность между температурой замерзания чистого раство­рителя ta и раствора t3' называют понижением температуры замерзания раствора        —ta). Понижение температуры

замерзания для разбавленных растворов неэлектролитов про­порционально концентрации раствора:

Д/з *=Кт,         (11.248)

где К — криоскопическая константа растворителя, зависящая только от при­роды растворителя (но не растворенного вещества), для воды VC= 1,85; от — молярная концентрация

Вымораживание можно проводить под вакуумом либо при помощи специального холодильного агента. Схема установки концентрирования растворов вымораживанием под вакуумом представлена на рис. II-102, а.

В атмос-

 

Лед образуется в кристаллизаторе при подаче в него предварительно охлажденного раствора. Кристаллы льда выделяются из суспензии в про­мывной колонне, а затем плавятся в конденсаторе-плавителе. Для сжатия водяного пара до давления, отвечающего насыщению чистой воды при тем­пературе ее замораживания, используют компрессор. Установки такого типа используют для опреснения соленых вод. Среди их недостатков следует от­метить большие габариты и необходимость работать при глубоком вакууме.

Затраты энергии для этих установок составляют 10—■ 12 кВт-ч/м8. Себестоимость получаемой опресненной воды 27—> 35 коп/м3.

Схема установки для концентрирования растворов при кон­тактном вымораживании показана на рис. II-102, б.

Сточная вода поступает в теплообменник, где охлаждается уже очищен­ной водой. Охлажденную воду направляют в кристаллизатор, куда добав­ляют не смешивающийся с водой хладагент (например, хладоны). Замора­живание охлажденного раствора ведут при прямом контакте с хладаген­том. При испарении последнего образуется суспензия льда в концентриро­ванном рассоле, которая через промывную колонну поступает в плавитель. Пары хладагента сжимают и также подают в плавитель, где они конденси­руются. Воду и жидкий хладагент разделяют в конденсаторе-плавителе, Разделение происходит ввиду разности плотности жидкостей.

Наиболее распространенными хладагентами являются ам­миак, диоксид углерода, бутан, пропан, изобутан, хладоны (CC12F2, CC13F, CCIF3) и их оксиды.

            1 г--*"!^

I           I "-Л

Жидкий хладагент

 

Концентрирабан- ный растёар>_ Очищенная

Вова. п * Сточная Зада

 

1 со

 

/7 О-Ч Суспензия из

-

 

If

ffSji;

льда и воды

I Концентрирован- 1r—п ный раствор

-vWW vWVXA

Очищенная в^а

Сточная Йода.

Рис. II-102. Схема установки концентрирования растворов вымораживанием: а — под вакуумом: / — промывная колонна; 2 — конденсатор-испаритель; 3 — вспомога­тельная холодильная установка; 4— компрессор; $ — кристаллизатор; 6 — теплооб­менник;

<5 — при контактном вымораживании; / — промывная колонна; 2 — смеситель; 3 — конден- сатор-плавнтель; 4 — вспомогательный компрессор; S — главный компрессор; 6 —кристал­лизатор; 7 — теплообменник

Холодильные агенты должны обладать следующими качест­вами: не смешиваться с опресняемой водой и не быть токсич­ными веществами (важно при контактном вымораживании); иметь довольно большую теплоту парообразования, чтобы при заданной холодопроизводительности в системе циркулировало меньшее количество хладагента; иметь небольшой объем при температуре испарения и соответствующем давлении; иметь малую вязкость во избежание больших гидравлических потерь в хладопроводах; отличаться малой коррозионной активностью по отношению к конструкционным материалам, а также хими­ческой стойкостью; быть доступным и иметь невысокую стои­мость.

Кристаллогидратные установки. Кристаллогидратный про­цесс состоит в концентрировании сточной воды с применением гидратообразующего агента М (пропан, хлор, хладоны, диок­сид углерода и др.) и образовании кристаллогидратов, имею­щих формулу М-/гН20. При переходе молекул воды в кристал­логидраты концентрация растворенных веществ в воде повыша­ется. При плавлении кристаллов образуется вода, из которой выделяются пары гидратообразующего агента. Процесс гидра- тообразования может проходить при температуре ниже и выше температуры окружающей среды. В первом случае необходимо- применение холодильных установок, во втором — нет. Чистая вода может быть получена по схеме, изображенной на рис. И-103.

Сточную воду подают в камеру насосом под давлением, при котором происходит гидратообразование. В камеру одновременно другим насосом по­даются теплоноситель и гидратообразующее вещество. Теплоноситель явля­ется растворителем для гидратирующего вещества. В камере обеспечивается непосредственный контакт сточной воды и теплоносителя, в процессе которо­го идет образование твердых гидратов.

Сконцентрированную сточную воду отводят из камеры, а теплоноситель, содержащий гидраты, поступает в камеру плавления, где происходит разру­шение кристаллогидратов за счет тепла, выделявшегося в процессе гидрато- образования. Из камеры чистая вода, теплоноситель и гидратообразующее вещество поступают в сепаратор, в котором происходит их разделение. Чис­тую воду отводят, а теплоноситель и пары гидратообразующего вещества поступают в конденсатор, где они конденсируются, и конденсат вместе с теплоносителем поступает в камеру для повторного использования.

В качестве теплоносителя могут быть использованы метан, этан, пропан, бутан и др.

 

нщенная Вода

 

Сточная

— 8оЗа -

Хонуентриро- ванный

рат8ор

-Рис. И-103, Схема установки для очистки воды методом гидратооб- разования

1 — сепаратор; 2 — камера плавления; 3 — камера гидратообразования; 4 емкость; 5 — насос; 6 — конденсатор

382

Достоинства вымораживающих и кр иста л логид р а тных уста­новок опреснения и концентрирования: низкий расход энергии (примерно 9—12 кВт-ч/м3); возможность обезвреживания вод различного состава; отсутствие образования накипи на стенках аппаратов; сниженная коррозия оборудования. Недостатки: необ­ходимость применения дорогостоящих теплоносителей и усложне­ния в связи с этим технологических схем установок; невысокая степень концентрирования растворов из-за трудности разделе­ния кристаллов льда и вязкой суспензии; повышении расхода энергии с ростом степени концентрирования вследствие пони­жения температуры замерзания при увеличении концентрации раствора.

Эти методы не нашли широкого использования в промышлен­ности.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я