Примеры расчетов. Пример 3.1. Расчет взаимной нейтрализации

Пример 3.1. Расчет взаимной нейтрализации. Исходные данные: кислые сточные воды содержат H₂SO₄ – 4,7; HCl – 3,8 г/л; щелочные сточные воды содержат NaOH – 3,3; Na₂CO₃ – 2,9 г/л.

Решение. Для расчета взаимной нейтрализации концентрации кислот и щелочей надо выразить в граммах на литр.

В кислых сточных водах это составит

H₂SO₄ – 4,7: 49 = 0,0958 моль/л;

HCl – 3,8: 36,5 = 0,1041 моль/л;

итого кислот – 0,2 моль/л;

NaOH – 3,3: 40 = 0,0825 моль/л;

Na₂CO₃ – 2,9: 53 = 0,0547 моль/л;

итого щелочей – 0,1372 моль/л, где 49; 36,5; 40; 53 – эквиваленты H₂SO₄, HCl, NaOH и Na₂CO₃ соответственно.

В результате смешения равных объемов данных сточных вод преобладают кислые стоки: 0,2 – 0,1372 = 0,0628 моль/л щелочи. Это количество щелочи содержится в 0,46 л щелочной воды, что видно из следующего расчета: в 1 л содержится 0,1372 моль/л щелочи, а в X л содержится 0,0628 моль/л щелочи, тогда X = 0,0628: 0,1372 = 0,46 л щелочной воды.

Следовательно, для получения при взаимной нейтрализации воды со значением pH = 7 надо смешивать с 1 л кислой воды 1,46 л щелочной воды. Если для расчета взаимной нейтрализации известны значения pH, то пересчет концентрации производится по формулам:

для кислых стоков:

pH = – lg , (3.99)

где X – концентрация кислоты, г/л; Э – ее эквивалентная масса;

для щелочных стоков

pH = 14 + lg , (3.100)

где X ₁ – концентрация щелочи, г/л; Э₁ – ее эквивалентная масса.

Пример 3.2. Расчет концентрации HNO₃, имеющей значение pH = 2,02.

Решение. По формуле (3.99) произведен следующий расчет:

2,02 = – lg ; 2,02 = – (lg X – lg 63) = – lg X + lg 63,

где 63 – эквивалентная масса HNO₃; lg 63 = 1,8, тогда

2,02 = – lg X + 1,8; lg X = 1,8 – 2,02 = – 0,22 = 1,78;

X (HNO₃) = 0,603 г/л (0,603 антилогарифм 1,78).

Пример 3.3. Расчет концентрации NaOH (Х ₁), имеющей значение pH = 12,77.

Решение. По формуле (3.100) произведем следующий расчет:

12,77 = 14 + lg ; 12,77 = 14 + (lg X ₁– lg 40),

где 40 – эквивалентная масса NaOH; lg 40 = 1,602; тогда

12,77 = 14 + lg X ₁ – 1,602; lg X ₁ = 12,77 – 14 + 1,602 = 0,372;

X ₁ (NaOH) = 2,36 г/л (2,36 антилогарифм 0,372).

Непрерывно действующие фильтры, загруженные кусковым мелом, известняком, магнезитом, мрамором, доломитом и другими химическими веществами, могут применяться для нейтрализации солянокислых и азотнокислых сточных вод, а также сернокислотных, содержащих не более 5 г/л H₂SO₄ и не содержащих солей тяжелых металлов.

Если нейтрализуемая сточная вода содержит катионы металлов, то доза нейтрализующего реагента рассчитывается как на свободную кислоту, так и на концентрацию металлов. При достижении оптимального значения pH = 6,5…8,5 основное количество металлов выделяется в осадок в виде соответствующих гидроксидов.

Пример 3.4. Расчет количества образующегося осадка производится по формуле

М = (A ₁ + A ₂) + A ₃ + (E ₁ + E ₂ – 2), (3.101)

где А – содержание активной СаО в используемой извести, %; А ₁ – количество активной СаО, необходимой для осаждения ме-таллов, кг/м³; А ₂ – количество активной СаО, необходимой для нейтрализации свободной серной кислоты, кг/м³; А ₃ – количес-тво образующихся гидроксидов металлов, кг/м³; Е ₁ – количество сульфата кальция, образующегося при осаждении металлов, кг/м³; Е ₂ – количество сульфата кальция, образующегося при нейтрализации свободной кислоты, кг/м³.

Третий член в данной формуле не учитывается, если его значение отрицательно.

Пример 3.5. Объем образующегося осадка рассчитывается по формуле

W _mud = (10 ∙ M)/(100 – р _mud), (3.102)

где р _mud – влажность осадка, %.

Влажность осадка должна быть менее или равна разности 100 за вычетом количества сухого вещества, выраженного в процентах.

Пример 3.6. Расчет количества осадка, образующегося при нейтрализации кислых сточных вод, содержащих катионы металлов, производится по формулам (3.101) и (3.102).

Исходные данные. Нейтрализуемая сточная вода содержит 7 г/л FeSO₄ и 10,3 г/л H₂SO₄. Применяемая для нейтрализации известь содержит 50 % активной CaO (A). Расход нейтрализуемой сточной воды q_w = 120 м³/сут.

Определяем количество сухого вещества в осадке М по формуле (3.101). По реакции FeSO₄ + CaO + H₂O → CaSO₄ + Fe(OH)₂ находим значения А ₁, А ₂ и А ₃ , г/л:

FeSO₄ + CaO + H₂O → CaSO₄ + Fe(OH)₂

152 56 136 90

7 А ₁ А ₂ А ₃

A ₁ = (7 ∙ 56) / 152 = 2,6; А ₂ = (7 ∙ 136) / 152 = 6,2;

А ₃ = (7 ∙ 90) / 152 = 4,1.

Затем по реакции H₂SO₄ + CaO → CaSO₄ + H₂O находим значения Е ₁ и Е ₂ , г/л:

H₂SO₄ + CaO → CaSO₄ + H₂O

98 56 136

10,3 Е ₁ Е ₂

Е ₁ = (10,3 ∙ 56) / 98 = 5,9; Е ₂ = 10,3 ∙ 136 / 98 = 14,3.

Найденные значения, г/м³, подставляются в формулу (3.94):

М = (2,6 + 6,2) + 4,1 + (5,9+14,3 – 2) = 31,1.

Определяем объем осадка, %, образующегося при нейтрализации 1 м³ сточной воды при влажности его 90 % по формуле (3.102):

W _mud= (10 ∙ 31,1)/(100 – 90) = 3,1.

Общее количество влажного осадка, т/сут: 31,1 ∙ 120: 1000 = = 4,7.

Заметим, что влажность осадка всегда должна быть меньшей или равной 100 % минус количество сухого вещества. Если, например, количество сухого вещества М = 31,1 кг/м³, то влажность осадка не может быть более 96,9 %, а всегда равна или меньше этого значения.

Ориентировочное количество осадка, образующегося в зависимости от концентрации кислоты и ионов тяжелых металлов в нейтрализуемой воде и выделяющегося в накопителях, предназначенных для складирования его, может быть принята по следующим данным:

Концентрация кислоты и ионов тяжелых металлов, кг/м3
Количество осадков, м3, накапливаемых за 1 год от каждого 1 м3/сут нейтрализованной воды

Пример 3.7. Требуется рассчитать установку для нейтрализации сточных вод металлургического завода при следующих исходных данных: расход сточных вод, включающих отработавшие травильные растворы, регенерация которых экономически нецелесообразна, промывные воды и смывы с полов, Q = 315 м³/сут; поступление стоков на нейтрализационную установку носит периодический характер, содержание серной кислоты в сточных водах А = 12 кг/м³, а сульфата железа С ₁= 10 кг/м³; объем осадка 25 % от количества сточных вод; влажность осадка 86 %.

Решение. Ввиду неравномерного поступления производственных сточных вод металлургического завода предусматриваем приемный регулирующий резервуар вместимостью, равной количеству сточных вод за одну смену, т.е. 105 м³. Из приемного резервуара (рис. 3.14) сточные воды выпускаются равномерно q _ст= 3,65 л/с.

При нейтрализации отработавших травильных растворов гашеной известью в виде известкового молока происходят следующие реакции:

с серной кислотой:

H₂SO₄ + CaO + H₂O = CaSO₄ · 2H₂O;

98 56 18 136 36

с сульфатом железа:

FeSO₄ + CaO + H₂O = CaSO₄ + Fe(OH)₂.

152 56 18 136 90

На основании приведенных реакций и исходных данных о содержании свободной кислоты и связанного железа в сточных водах находим расход извести на нейтрализацию кислых сточных вод и осаждение железа по формуле (3.2).

Удельный расход негашеной извести на нейтрализацию серной кислоты определяем по табл. 3.2: а = 0,56, а по табл. 3.3 – расход негашеной извести, требуемой для перевода железа из растворенного состояния в осадок: b ₁ = 1 (в пересчете на сульфат железа FeSO₄ b ₁ = 0,37). Для известкового молока K _з= 1,1; В = 50 %, что составит, кг/сут:

G = 1,1 ∙ 315 (0,56 ∙ 12 + 0,37 ∙ 10) 100/50 = 7221.

Рис. 3.14. Установка по нейтрализации отработавших травильных растворов:

1 – отработавшие травильные растворы; 2 – приемный резервуар; 3 – склад извести; 4 – помещение для гашения извести; 5 – растворные баки; 6 – дозатор; 7 – смеситель; 8 – камера нейтрализации; 9 – отстойники; 10 – нейтрализованный сток; 11 – осадок; 12 – шламовые площадки

Определим площадь закрытого склада для извести F, м², исходя из необходимости хранения месячного запаса (t _зап = 30 сут), высоты слоя извести при сухом способе хранения h _из = 1,5 м и ее насыпной плотности ρ= 1 т/м³:

F = .

Принимаем размер склада 6×24 м.

Для гашения извести применяем механическую лопастную известегасилку марки С-322 производительностью 1 т/ч и устанавливаем ее в помещении рядом со складом извести. Известь приготовляют в виде известкового молока в растворных баках общей вместимостью, м³:

V _p = .

где n = 6 – число заготовок известкового молока в 1 сут; z – доля известкового молока в активной CaO, %; z = 5.

Принимаем два железобетонных бака прямоугольной формы, размером 3,5×3,5 м и глубиной наполнения 2 м; в баках устанавливаем лопастные мешалки с вертикальной осью и частотой вращения 40 мин^-1. Известковое молоко из растворных баков подаем в дозатор. Расход известкового молока, л/с:

q _из = (nV _p ∙ 1000)/86400 = (6 ∙ 24)/86,4 = 1,67.

Общий расход нейтрализуемого отработавшего травильного раствора и известкового молока, л/с:

q _общ = q _ст+ q _из = 3,65 + 1,67 = 5,32.

Нейтрализуемый раствор смешиваем с известковым молоком в смесителе; продолжительностью перемешивания t _см равна 5 мин. Вместимость смесителя, м³:

V _см = q _общ ∙ 60 t _см /1000 = 5,32 ∙ 60 ∙ 5/1000 = 1,6.

Смеситель принимаем круглым в плане со следующими размерами: D _см = 1,5 м; H _см = 1 м. В смесителе устанавливаем лопастную мешалку с частотой вращения 40 мин^-1.

Из смесителя сточные воды подаются в проточную камеру нейтрализации, объем которой, м³, рассчитываем исходя из продолжительности нейтрализации t _н = 30 мин:

V _н = q _общ ∙ 60 t _н /1000 = 5,32 ∙ 60 ∙ 30/1000 = 9,6.

Принимаем размеры камеры нейтрализации 2,5×2,5 м, глубину 1,7 м; камеру нейтрализации оборудуем мешалкой с частотой вращения 40 мин^-1.

После нейтрализации сточные воды подаются в отстойники вертикального типа с продолжительностью отстаивания не менее 2 ч. Приняв скорость восходящего потока v = 0,2 мм/с, определим площадь отстойника, м²:

F _от = q _общ / v = 5,32/0,2 = 26,6;

диаметр отстойника, м:

D _от = = 5,8.

Высоту отстойной части отстойника h ₁ принимаем равной 1,5 мм. Продолжительность пребывания сточных вод в отстойнике, ч:

t = h ₁ /(v ∙ 3600) = 1500/(0,2 ∙ 3600) = 2,08.

Днище отстойника принимаем конусное с углом наклона к горизонту, равным 45^о. Объем осадочной части V _ос берем из расчета суточного хранения осадка. Объем осадка V _ос составляет 25 % суточного расхода сточных вод и равен 79 м³. Осадок накапливается в цилиндрической части отстойника высотой h ₃ = 1,8 м и в конической части отстойника высотой h ₄ = 3 м. Общий объем осадочной части V _ос = 80 м³.

Высоту нейтрального слоя в отстойнике h ₂ принимаем 0,2 м.

Таким образом, общая высота отстойника, м:

H _от = h ₁ + h ₂ + h ₃ + h ₄ = 1,5 + 0,2 + 1,8 + 3 = 7,5.

Принимаем два железобетонных отстойника диаметром 6 м каждый с кислотоупорной облицовкой. Отстойники попеременно выключаются для выгрузки осадка.

Пример 3.8. Рассчитать шламовые площадки для обезвоживания осадка от нейтрализационной установки промывных вод при следующих исходных данных: расход промывных вод Q = = 720 м³/сут; содержание серной кислоты в сточных водах А = = 0,5 кг/м³; содержание сульфата железа С ₁ = 0,6 кг/м³; влажность осадка Р _вл = 88 %.

Решение. Запишем уравнения реакций нейтрализации:

FeSO₄ + CaO + H₂O = CaSO₄ + Fe(OH)₂;

152 56 18 136 90

H₂SO₄ + CaO + H₂O = CaSO₄ + 2H₂O.

98 56 18 136 36

Количество сухого вещества осадка, образующегося при нейтрализации 1 м³ промывных вод:

М = (x ₁ + x ₂) + x ₃ + (y ₁ + y ₂ – 2),

где В – содержание активной CaO в используемой извести, %: x ₁, x ₂ – количество активной CaO, необходимой соответственно для осаждения металлов и нейтрализации свободной серной кислоты, кг/м³; x ₃ – количество образующихся гидроксидов металлов, кг/м³; y ₁, y ₂ – количество сульфата кальция, образующегося соответственно при осаждения металлов и нейтрализации свободной кислоты, кг/м³. Для нейтрализации промывных вод принимаем известь с содержанием активной CaO В = 70 %.

Вычисляем количество активной CaO, необходимой для осаждения железа и нейтрализации свободной серной кислоты, кг/м³:

x ₁ = b ₁ C ₁ = 1 ∙ 0,37 ∙ 0,6 = 0,22;

x ₂ = a A = 0,56 ∙ 0,5 = 0,28,

где b ₁ в пересчете на сульфат железа определяем по табл. 3.3; a – по табл. 3.2.

Количество гидроксида железа, выделенного на 1 м³ воды, кг/м³, определяем по уравнению реакции осаждения сульфата железа:

x ₂ = ,

а сульфата кальция, образующегося при осаждении металлов и нейтрализации свободной серной кислоты, кг/м³, – по уравнениям соответствующих реакций:

y ₁ = ;

y ₂ = .

Поскольку значение третьего члена расчетной формулы отрицательное (y ₁ + y ₂ – 2) = (0,54 + 0,7 – 2) = – 0,76, то при подсчете сухого вещества, кг/м³, он не учитывается:

M = .

Доля осадка, образующегося при нейтрализации 1 м³ промывных вод:

Общий объем осадка в сутки, м³:

P _oc = /100 = 0,48 · 720/100 = 3,5.

Шламовые площадки устраиваем в закрытом помещении и принимаем нагрузку на 1 м² шламовой площадки q _шл = 10 м³/год.

Общая площадь шламовых площадок, м²:

F _шл = P _oc ∙ 365/ q _шл = 3,5 ∙ 365/10 = 128.

Принимаем четыре шламовые площадки размером 5×6,4 м и площадью 32 м² каждая. Здание шламообезвоживающих площадок оборудуем грейферным краном для выгрузки осадка с площадок в автотранспорт.

Пример 3.9. Требуется рассчитать вертикальный фильтр для нейтрализации кислых сточных вод при следующих исходных данных: расход вод Q = 1200 м³/сут; концентрация серной кислоты A = 1,1 г/л; в сточных водах отсутствуют растворенные соли металлов.

Решение. В качестве загрузочного материала выбираем щелковский доломит (K _з.м = 0,62) крупностью фракций d _фр = 15 мм и плотностью ρ = 2,8 т/м³.

Высота слоя загрузочного материала, см:

,

где b – концентрация эквивалента кислоты, моль/л; v – скорость фильтрации, м/ч; n = 1,47 – константа.

Пересчитаем концентрацию эквивалента серной кислоты, моль/л:

b = 0,0204 A = 0,0204∙1,1=0,0225.

Скорость v назначаем равной 6 м/ч (обычно 4-8 м/ч). Тогда высота фильтра, см:

H = 0,62∙15^1,47(3 + lg 0,0225) = 108.

Площадь фильтрации, м²:

F = Q / v ’ = 0,014/0,0017 = 8,3,

где Q – расход нейтрализуемых сточных вод, м³/с; v ’ – скорость фильтрации, м/с.

Расход реагента, т/сут:

M = mAQ /1000 = 0,94 ∙ 1,1 ∙ 1200/1000 = 1,24,

где m – коэффициент, характеризующий стехиометрическое соотношение; в нашем случае m = 0,94.

Фактический расход доломита, т/сут:

M _ф= 1,5 M = 1,5 ∙ 1,24 = 1,86.

Продолжительность работы фильтра без перегрузки, сут:

t = W / M _ф = HF ρ/ M _ф = 1,08 ∙ 8,3 ∙ 2,8/1,86 = 13,5,

где W – масса загруженного в фильтр нейтрализующего материала, т.

Таким образом, для нейтрализации сточных вод принимаем два круглых в плане вертикальных фильтра высотой 1,08 м и диаметром 2,3 м каждый.

Пример 3.10. Определить расход хлорной извести, необходимый для окисления цианидсодержащих сточных вод при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 300 м³/сут; концентрация простых цианидов в сточных водах C = 50 г/м³ (по цианид-иону CN^-).

Решение. Для определения теоретического количества активного хлора x _т, необходимого для окисления цианидов, запишем уравнение x _т = nC, где n – теоретически необходимое количество активного хлора для окисления растворимого цианид-иона до цианат-иона по формуле

CN^- + OСl^- → CNO^- + Cl^-.

Активный хлор определяют по количеству молей иода, выделенных данным реагентом из иодистого калия в кислой среде.

При окислении простых цианидов и комплексных цианидов цинка n = 2,73, а при окислении комплексных цианидов меди n = = 2,96 и n = 3,18; расход хлорной извести, г/м³:

x _т = 2,73 ∙ 50 = 136,5.

Расход хлорной извести, необходимой для окисления цианидсодержащих сточных вод, кг/сут:

x = K_з ∙ x _т Q /(a ∙ 10) = 1,25 ∙ 136,5 ∙ 300/(30 ∙ 10) = 171,

где K _з = 1,2…1,3 – коэффициент запаса реагента; a – содержание активного хлора в реагенте (в товарной хлорной извести 30-35 %).

Пример 3.11. Подобрать озонаторы для окисления производственных сточных вод при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 2300 м³/сут; требуемая доза озона для окисления загрязнений d _оз = 18 г/м³.

Решение. Определим необходимый расход озона для окисления загрязнений, кг/сут, содержащихся в сточных водах:

D _оз = d _оз Q /1000 = 18 ∙ 2300/1000 = 41,4.

Подбираем озонаторы марки ОП-4, производительность которых 1 кг/ч по табл. 3.7. Число озонаторов:

m = ,

где K _з = 1,05…1,1; q _оз – производительность одного озонатора, кг/сут.

Принимаем два рабочих и один резервный озонатор марки ОП-4.

Пример 3.12. Рассчитать контактную камеру барботажного типа для обесцвечивания и окисления загрязнений, содержащихся в сточных водах красильно-отделочной фабрики, перед их подачей в систему оборотного водоснабжения при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 3000 м³/сут; поступление сточных вод в контактную камеру равномерное; требуемая доза озона d _оз = 21 г/м³; необходимое время контакта обрабатываемой сточной воды с озоновоздушной смесью t _к = 25 мин.

Решение. Вычислим необходимый расход азота, кг/сут:

D _оз = d _оз Q /1000 = 21 · 3000/1000 = 63.

По табл. 3.8 подбираем озонаторы марки ОП-4, производительностью q _оз = 1 кг/ч озона и концентрацией озона в озоно-воздушной смеси С _оз = 20 г/м³.

Число рабочих озонаторов:

Принимаем контактные реакционные камеры барботажного типа с распыливающими элементами из керамических труб с порами размером d _пор = 100 мкм и интенсивностью распыливания I _p = 20 м³/(м² · ч).

Общая площадь всех распыливающих элементов:

м²,

где q – расход обрабатываемых сточных вод, м³/ч.

Площадь распыливающего элемента f _э = 0,144 м² (диаметр d _э = 0,092 м; длина l _э = 0,5 м).

Общее количество распыливающих элементов n _э и их общую длину ∑ l _э , м, вычисляем по формулам

6,6 / 0,144 = 46;

= 46 · 0,5 = 23.

Принимаем четыре контактные реакционные камеры барботажного типа (рис. 3.15); керамические трубы располагаем по дну камеры на расстоянии 0,5 м между осями. Высоту слоя воды над распылителями принимаем Н = 4,5 м, а размер контактной камеры в плане 1,3×2,3 м. Распыливающие элементы собираем по два элемента в блоке с обеих сторон центрального коллектора; таким образом, конструктивно в каждой камере располагается по 12 распыливающих элементов.

Конструктивная вместимость контактных камер, м³:

V _к = 4 · (1,3 · 2,3 · 4,5) = 54.

Рис. 3.15. Расположение распыливающих керамических элементов в контактной камере барботажного типа: 1 – центральный коллектор озоновоздушной смеси; 2 – распыливающие элементы

Необходимая вместимость камер с учетом продолжительности контакта обрабатываемой сточной воды с озоновоздушной смесью, м³:

V = K _пр qt _к = 1,1 · 125 · 25/60 = 57,2,

где K _пр – коэффициент увеличения объема воды за счет продувки его озоновоздушной смесью, обычно равен 1,1; t _к – продолжительность контакта, ч.

Поскольку конструктивный размер камер не обеспечивает необходимой продолжительности контакта, то окончательно принимаем размер камер в плане 1,3×2,3 м, а высоту слоя воды 4,8 м; в этом случае общая вместимость контактных камер барботажного типа составляет 57,4 м³.

Задания для самоконтроля

1. Назовите способы нейтрализации при химической очистке сточных вод и дайте краткую характеристику их.

2. Приведите формулы для расчета количества реагентов для нейтрализации сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов.

3. Приведите методику расчета фильтра-нейтрализатора.

4. Назовите хлорсодержащие вещества для окисления цианатов.

5. Назовите области существования продуктов гидролиза хлора в воде.

6. Приведите ряд последовательных стадий окисления гидросульфидной и сульфидной серы кислородом воздуха.

7. Назовите преимущества окисления веществ в сточных водах озоном.

8. Нарисуйте схему установки окисления сульфидов в сточных водах кислородом, нарисуйте устройство озонаторов.

9. Приведите конструкции контактных аппаратов для озонирования.

10. Назовите типы мешалок и области их применения.

11. Напишите формулу для определения центробежного критерия Рейнольдса.

12. Напишите формулу для определения мощности на перемешивание в реакторе с мешалкой.