Для концентрирования растворов в промышленности используют термическое концентрирование выпариванием в выпарных установках: одно-и многоступенчатых с выпарными аппаратами различных конструкций, с естественной и принудительной циркуляцией. Обычно используют 4-5-корпусные установки с расходом тепла по пару 600 кДж на 1 кг влаги.
Для предотвращения образования отложений солей производится рециркуляция шлама. Применяются аппараты с вынесенной поверхностью нагрева и принудительной циркуляцией при скорости сточной воды 2-3 м/с, при этом значительно уменьшается отложение солей на поверхности нагрева. Распространены аппараты с вынесенной зоной испарения. В них раствор подогревается в трубах, а испарение происходит вне поверхности нагрева. Применяют также пленочные и роторные выпарные аппараты.
Для нагрева воды могут быть использованы газообразные, жидкие и твердые теплоносители. На практике наибольшее распространение получили контактные аппараты: с погружными тарелками, барботажные, тарельчатые, насадочные, полочные, форсуночные. В аппаратах с погружными горелками упариваемая сточная вода нагревается при непосредственном контакте (барботаже) с дымовыми газами, полученными при сжигании газообразного или жидкого топлива в горелках, частично или полностью погруженных в жидкость. Стоимость выпаривания в таких аппаратах примерно в два раза ниже, чем в обычных выпарных аппаратах.
|
|
Высокий экономический эффект достигается при упаривании сточных вод в скрубберах, герметичных полых цилиндрах с коническим днищем. Сточная вода подается под давлением 0,5-0,6 МПа в распыливающие форсунки, расположенные в верхней части скруббера. Снизу поступают дымовые газы, имеющие температуру 900-1000 °С. Для уменьшения высоты скруббера и обеспечения его устойчивой работы устанавливают вытяжные вентиляторы.
В выпарных установках с гидрофобным теплоносителем 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 теплообменных 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.
Для опреснения минерализованных вод применяются адиабатные испарительные установки, называемые еще установками мгновенного испарения (УМИ). В них раствор концентрируется вследствие испарения перегретой жидкости, которая предварительно нагревается до температуры кипения в отдельно вынесенных подогревателях. Эти установки имеют высокий термодинамический к.п.д. и низкую интенсивность солеобразования. Установки могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми, в последних снижается расход греющего пара. Схема многоступенчатой адиабатной испарительной установки приведена на рисунке 48.
|
|
Рисунок 48 — Схема многоступенчатой адиабатной испарительной установки: 1 — ступень испарения; 2 – подогреватель; 3 – конденсатор; 4 — поддон
Сточная вода насосом перекачивается через конденсатор, где предварительно нагревается образующимися при испарении парами, и подается в подогреватель, из которого направляется в камеру испарения. Жидкость испаряется, при переходе из одной камеры в другую, из последней раствор насосом частично подается на рециркуляцию. Дистиллят стекающий в поддон, насосом направляется потребителю.
Многоступенчатые установки с вертикально-трубчатыми испарителями-конденсаторами так же, как и адиабатные испарительные установки относятся к дистидляционныы опреснителям. Основная функция их состоит в испарении воды с последующей конденсацией пара, которая приводит к получению чистой воды. Такие установки получили наибольшее распространение при высоком солесодержании.
В установках вымораживания концентрирование минерализованных вод основано на том, что концентрация солей в кристаллах льда значительно меньше, чем в растворе. Вымораживание может происходить под вакуумом либо при помощи специального холодильного агента — контактное вымораживание. Схема концентрирования растворов вымораживанием под вакуумом представлена на рисунке 49.
Кристаллогидратный процесс состоит в концентрировании воды с гиратообразующим агентом (пропан, хлор, фреон, СО2 и др.) и образовании кристаллогидратов. При переходе молекулы воды в кристаллогидраты концентрация растворенных веществ в воде повышается. При плавлении кристаллов образуется вода, из которой выделяются пары гидратообразующего агента. Процесс может происходить при температуре ниже и выше температуры окружающей среды в первом случае необходимо применение холодильных установок, во втором — нет.
Достоинством вымораживавших и кристаллогидратных установок является низкий расход энергии и возможность обезвреживания вод различного состава.
Недостатки: дорогостоящие теплоносители, сложные технологические схемы.
Рисунок 49 — Схема установки концентрирования растворов вымораживанием под вакуумом: 1 - промывная колонна; 2 - конденсатор-плавитель; 3 - вспомогательная холодильная установка; 4 — компрессор; 5- кристаллизатор; 6- теплообменник.
Термоокислительные методы обезвреживания жидких отходов
Метод термоокислительного жидкофазного обезвреживания сточных вод (мокрого сжигания) состоит в окислении кислородом воздуха органических примесей сточных вод при температуре 100-350 °С и давлении обеспечивающем нахождение воды в жидкой фазе (2-28 МПа). При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ. В зависимости от температуры и времени контакта окисление органических примесей происходит полностью или частично (до карбоновых и дикарбоновых кислот или других промежуточных продуктов). Вещества, летучие при условиях процесса, окисляются в основном в парогазовой фазе, а нелетучие — в жидкой. С увеличением концентрации органических примесей в воде экономичность процесса возрастает. Скорость реакций окисления возрастает с увеличением температуры.
|
|
Конечные продукты жидкофазного окисления имеют высокую температуру и давление и, следовательно обладают большой энергией, которую можно использовать для выработки электроэнергии и парa. Среди достоинств метода возможность очистки большого количества сточных вод предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах окисления вредных органических веществ, универсальность и др. Недостатки; высокая стоимость оборудования, образование накипи на теплопередающих поверхностях, коррозия. Метод начинает использоваться в целлюлозно-бумажной, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.
Метод парофазного каталитического окисления заключается в каталитическом окислении кислородом воздуха при повышенной температуре в парогазовой фазе летучих органических веществ сточных вод. Сточная вода подается в выпарной аппарат. Образующиеся при этом пары воды и органических веществ, а также воздух и газы подаются в контактный аппарат, загруженный катализатором. Процесс окисления протекает весьма интенсивно в паровой фазе при температуре 300-500 °С в присутствии меднохромового, цинкохромового, медномарганцевого или другого катализатора. Применение этого метода целесообразно при выводе воды из технологического процесса в виде пара (ректификационных колонн, выпарных аппаратов и др.). Экономическая эффективность метода повышается в случае использования тепла, выделяющегося при окислении органических веществ. Очищенная вода (конденсат), как правило, может быть использована в системах оборотного водоснабжения. Установки парофазного каталитического окисления имеют большую производительность и высокую степень обезвреживания (до 99,8%). Однако в них возможно отравление катализатора соединениями серы, фосфора, фтора.
Самым эффектным и универсальным из термических методов обезвреживания сточных вод является огневой метод. Сущность его заключается в распылении сточных вод в топочные газы, нагретые до температуры 900-1000 °С. Вода при этом полностью испаряется, а органические примеси сгорают. Минеральные примеси при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые выводятся из рабочей камеры печи или уносятся дымовыми газами.
|
|
Применение огневого метода целесообразно при обезвреживании небольшого количества сточных вод, содержащих высокотоксичные органические примеси, извлечение и обезвреживание которых другими методами невозможно или экономически нецелесообразно; при наличии горючих производственных отходов, которые могут быть использованы вместо топлива (кубовые остатки, сбрасываемые газы и т.п.); при извлечении растворенных ценных минеральных примесей. Метод отличается высоким расходом топлива и перегревом водяного пара.
При сжигании сточных вод различного состава могут образовываться оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (CaO, MqO, BaO, K2O, Na2O и др.); органические соединения, содержащие серу, фосфор, галогены; газы SO2, SO3, Р2O5, HCl, Cl2 и др. Эти вещества вызывают коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содержащих нитросоединения, могут выделяться оксиды азота. В газовой фазе эти вещества вступают в сложные взаимодействия с образованием новых соединений, в том числе токсичных, что необходимо учитывать при удалении газов в атмосферу.
Для сжигания применяют печи самых различных конструкций: камерные, шахтные, циклонные, барабанные, с псевдоожиженным слоем. Камерные, барабанные, шахтные печи более громоздки и менее производительны. Используют их для сжигания сульфидных щелоков, сточных вод анилинокрасочной промышленности, производств феноло-формальдегидных смол, капролактам, пластмасс и др.
Наиболее эффективными и универсальными для огневого обезвреживания сточных вод являются циклонные печи. В них благодаря вихревому характеру газового потока создается интенсивный тепло- и массообмен между каплями сточной воды и газообразными продуктами. Такие печи работают при больших удельных нагрузках, они могут быть горизонтальными и вертикальными. Воздух тангенциально вводится в печь и совершает вращательное движение, перемещаясь вдоль оси цилиндра по спирали. Сточная вода подается форсункой, распыливается и сгорает. Недостаток — большой унос солей с газовым потоком.
В псевдоожиженных печах газ поступает под газораспределительную решетку, а вода навстречу ему. Твердые частицы в процессе сжигания находятся во взвешенном состоянии. Однако конструктивные недостатки, несовершенство контроля и автоматики и высокая стоимость процесса не позволили найти им широкого применения. На рисунке 50 приведена схема огневого обезвреживания с котлом — утилизатором тепла и сухой газоочисткой.
Рисунок 50 — Схема установки огневого обезвреживания сточных вод
1 – печь; 2 – котел – утилизатор; 3 – воздухоподогреватель; 4 – аппарат сухой очистки газов; 5 – труба; 6 –дымосос; 7 — воздуходувка