Гидроциклоны и центрифуги

Тема 13. Защита от загрязнений воздушной и водной среды. Сосуды и емкости.

Мокрые пылеуловители

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью (обычно с водой), которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. В ряде случаев мокрые пылеуловители конкурируют с рукавными фильтрами и электрофильтрами. Эти аппараты позволяют очищать газы от частиц размером до 0,1 мкм и одновременно от газообразных вредных веществ, то есть использовать в качестве абсорберов.

К низконапорным аппаратам ( менее 1500 Па) относятся скрубберы, барботеры, мокрые центробежные аппараты. К высоконапорным относятся скрубберы Вентури.

Эффективная работа мокрых пылеуловителей зависит от выбора средств подвода орошения - форсунок, работающих под высоким давлением, и оросителей.

Во всех мокрых пылеуловителях происходит "брызгоунос". интенсивность которого определяется скоростью газового потока в свободном сечении аппарата и способом подвода орошающей жидкости. Каплеулавливающие устройства могут монтироваться в одном корпусе с пылеуловителем, а могут в виде отдельного аппарата. В качестве каплеуловителей могут использоваться обычные циклоны (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Малогабаритный циклон каплеуловитель с производительностью по газу до 84000 м.куб./ч

В полых аппаратах газопылевой поток пропускают через завесу распыляемой жидкости. При этом частицы пыли захватываются каплями промывочной жидкости и осаждаются в промывателе, а очищенные газы удаляются из аппарата. По направлению движения газов и жидкостей скрубберы делятся на противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости. Полые форсуночные скрубберы обеспечивают высокую степень очистки только при улавливании частиц размером больше 5 мкм.

Насадочные газопромыватели представляют собой колонны, заполненные насадками различной формы (рис. 10.13). Эти аппараты рекомендуется применять в тех случаях, когда процессы улавливания пыли сопровождаются охлаждением газов и абсорбцией. Расход орошающей жидкости до 2,6 .

Рис. 10.13. Противоточный насадочный скруббер

Наиболее эффективными аппаратами являются скрубберы Вентури со скоростями газового потока до 150 м/с (рис. 10.14). Общей особенностью этих аппаратов является наличие трубы распылителя, в которой происходит процесс дробления капель, и установленного за ней циклона-каплеуловителя. Здесь при улавливании пыли размером 1 мкм решающее значение имеют инерционные силы, при осаждении частиц менее О,1 мкм - диффузионные силы. Эти аппараты отличаются большими гидравлическими потерями - до 20000 Па. Удельный расход жидкости - до 1,5 .

Гидроциклоны и центрифуги

Действие гидроциклонов основано на использовании поля центробежных сил, которые в тысячи раз превышают силы тяжести. При этом эквивалентно сокращается продолжительность процесса осветления воды.

В гидроциклоне (рис. 10.16) возникают два основных круговых потока: внешний и внутренний. Передача вращения от периферии внутрь осуществляется конвекцией, силами вязкости и перемещением завихренной жидкости. При вращении внешнего потока часть жидкости удаляется через нижнее отводное отверстие, а другая часть жидкости переходит во внутренний поток и, изменяя направление, отводится через верхнее отводное отверстие. В гидроциклоне образуется также воздушный поток по оси аппарата.

Рис. 10.16. Схема гидроциклона

Осветление воды происходит за счет действия центробежной силы, равной разности ее значений для твердой и жидкой фаз:

(10.11)

где - диаметр частиц взвеси; и - плотность твердой и жидкой фаз; - скорость течения воды на входе в аппарат; - расстояние от центра аппарата до оси тангенциального питающего патрубка.

Изготавливают гидроциклоны двух видов: литые нефтированные диаметром 75-500 мм и футерованные каменным литьем или шлакоситаллом диаметром 150-2000 мм. Достоинствами гидроциклона является компактность и отсутствие движущихся частей, высокая производительность и эффективность разделения суспензий, простота обслуживания. Недостаток - быстрый износ.

Физико-химические методы очистки заключаются в том. что в очищаемую воду вводят вещество-реагент (коагулянт или флокулянт). Реагенты, вступая в химическую реакцию с примесями, уменьшают концентрацию вредных веществ в сточных водах, растворимые соединения переводят в нерастворимые, обесцвечивают окрашенную воду. Этот метод может быть окончательным или второй ступенью перед биологической очисткой.

В практике очистки сточных вод в нефтяной и газовой промышленности широко применяют методы коагуляции и флотации.

Флотация - это процесс, основанный на слиянии примесей под действием молекулярных сил с тонкодисперсными пузырьками воздуха, всплывании образующихся агрегатов и образовании на поверхности флотатора пены. Обработка воды флотацией применяется при содержании эмульгированной нефти 150 мг/л и твердых минеральных загрязнителей, которые не задерживаются в нефтеловушках.

Различают три вида флотации: пенная (безнапорная), напорная, электрофлотация. При напорной флотации выделение взвеси из воды производится с помощью пузырьков газа, получаемых из перенасыщенного (при 0,8 МПа) водовоздушного раствора. Флотируемость частиц зависит от размеров пузырьков воздуха, которые определяются поверхностным натяжением на границе вода - воздух. Для насыщения воздухом используют или неочищенную воду, или очищенную воду. Вид содержащихся в воде загрязнений определяет характер флотационной обработки: одним воздухом или в сочетании с реагентами-коагуляторами. В качестве коагуляторов используют водные растворы глинозема, хлорного железа и др.

В состав флотационных установок входят флотационные камеры, совмещенные с камерами хлопьеобразования, узлы подготовки и распределения водовоздушной смеси, устройства для удаления и отвода пены. Наиболее широко используют флотаторы с горизонтальным движением воды. Длина камеры до 9 м, ширина - до 6 м, глубина слоя воды - до 2,5 м. Днище камеры имеет уклон к трубопроводу для опорожнения. Образующуюся пену удаляют кратковременным подъемом уровня воды с отводом ее через подвесные лотки либо с помощью скребковых механизмов, перемещающих пену к сборным лоткам. Общее время нахождения сточной воды во флотаторах до 20 мин. Содержание нефтепродуктов в очищенной воде 20-50 мг/л, а после флотации с коагуляцией - 15-20 мг/л.

Для очистки эмульгированных стоков с содержанием нефтепродуктов до 150 г/л применяется электрофлотация. В этом случае в нижней части камеры расположены два электрода, к которым подведен постоянный ток плотностью 20-30 и напряжением до 30 В. При электролизе сточной воды образуются микропузырьки водорода и кислорода. Кислород окисляет нефтепродукты, а водород увлекает за собой на поверхность частицы нефтепродуктов и скоагулированные взвешенные вещества. Для ускорения процесса очистки в воду добавляют в качестве флокулянта раствор хлористого или сернокислого магния.

Отечественная промышленность выпускает флотационные установки в блочном исполнении пропускной способностью до 3000 по очищенной воде.

Коагуляция

Одним из широко применяемых процессов (приемов) снижения содержания взвеси в жидкости является седиментация под действием силы тяжести. Однако осаждение высокодисперсных примесей происходит крайне медленно, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Для ускорения процессов осаждения, фильтрования, флотации прибегают к коагулированию примесей воды.

Коагуляция - это процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц за счет их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием агрегатов (хлопьев) и отделением их от жидкой фазы.

Коллоидные и тонкодисперсные примеси обладают агрегативной устойчивостью, обусловленной наличием гидратных оболочек или двойного электрического слоя. При нагревании или замораживании, при добавлении электролитов, при наложении магнитного поля агрегативная устойчивость примесей нарушается.

Частицы ила, глины, песка являются гидрофобными примесями, имеющими двойной электрический слой и несущими электрические заряды. Ликвидация или уменьшение этих зарядов приводит к нарушению агрегативной устойчивости и коагуляции гидрофобных примесей.

При добавлении к воде коагулянта (сульфат алюминия, алюминат натрия, хлорное железо, железный купорос и др.) формируются хлопья в виде цепочек из этого реагента. На поверхности хлопьев адсорбируются примеси. При осаждении хлопьев происходит осветление воды.

В технологии очистки воды используют явление флокуляции (укрупнения частиц при их столкновении). В качестве флокулянтов используют крахмал, силикат натрия, полиакриламид и др.

Биологические методы

Для удаления из загрязненных вод растворенных в них органических веществ применяют биологическое окисление в природных или искусственных условиях. Для извлечения из воды тонкодисперсных растворенных органических веществ используются различные микроорганизмы, способные "поедать" содержащиеся в сточных водах органические вещества. На станциях биологической очистки для этого используются биофильтры или аэротенки. Степень очистки сточных вод от нефтепродуктов на станциях биологической очистки составляет 5-10 мг/л при начальном содержании в сточной воде 20-50 мг/л. Современные бактериальные препараты получены на основе бактерий, питающихся нефтью, и могут успешно применяться для ликвидации разливов нефти на грунт и воду.

Таблица 10.1. Эффективность очистки сточных вод от нефти различными способами
Вид оборудования	Начальное содержание нефти в воде, мг/л	Конечное содержание нефти в воде, мг/л
Нефтеловушки	400-3500	50-100
Фильтры	50-200	10-18
Флотаторы	100-150	15-20
Отстойники	500-2000	20
Биологическая очистка	20-50	5-10

Для получения питьевой воды на начальных стадиях применяют те же основные способы, что и при очистке сточных вод. за исключением биологических. Последней стадией получения питьевой воды является водоподготовка. включающая в себя умягчение, обесцвечивание, дегазацию, обессоливание, нормализацию pH и обеззараживание. Это сложная комбинация электрохимических, сорбционных, ионообменных, мембранных способов очистки воды. Однако, лучше пить чистую воду, чем лекарства.

В основе большинства установок водоподготовки лежат многослойные фильтры грубой и тонкой очистки на основе утлеродсодержащих сорбентов (древесного угля, цеолитов, каменных углей и др.). Ультрафиолетовые излучатели убивают болезнетворных микробов. Хлорирование воды, содержащей фенолы, приводит к образованию диоксина, который является сильнейшим канцерогеном. Большинство рек России загрязнены нефтепродуктами и фенолами. Например, воды Иртыша содержат нефтепродукты в количестве 11-50 ПДК, фенолы 6-17 ПДК.

 

Рис. 10.14. Конструкции скруббера Вентури

Электрофильтр - это аппарат с вертикальным и горизонтальным движением газового потока, в котором размещены осадительные и коронирующие электроды. Осадительные электроды заземлены, а к коронирующим подводится выпрямленный ток высокого напряжения. Между двумя осадительными плоскостями натянут ряд проводов. В пространство между плоскостями подается запыленный газ. В поле коронного разряда частицы заряжаются и движутся к осадительным плоскостям, с которых они периодически удаляются.

Электрофильтры имеют низкие энергозатраты - до 0,5 на 1000 газа, высокую степень очистки частиц любых размеров и низкое газодинамическое сопротивление. Скорость очищаемого газа в активной зоне не превышает 1,7 м/с. Сухие электрофильтры применяют, если количество очищаемых газов более 100 . Для очистки меньших количеств газа применяют мокрые электрофильтры, которые требуют обработки шламов.