Технология смешения реагентов с водой хлопьеобразование

Смешение реагентов с водой. Классификация смесительных устройств. Схемы. Основы расчета

При коагулировании примесей воды необходимо быстрое и равномерное распределение реагентов в объеме для обеспечения максимального контакта частиц примесей с продуктами гидролиза коагулянта, т.к. процессы гидролиза, полимеризации и адсорбции протекают в течение 1 секунды. Поэтому необходимо, чтобы устройство ввода и смешение отвечало данным условиям.

Устройство ввода реагента.

Основная задача – обеспечить равномерное распределение реагента во всем объеме обрабатываемой воды. Простейшее устройство ввода – трубопровод с сальниковым уплотнением.

Примерно с 80-х годов используются новые приспособления (называются «звездочка»).

Может устанавливаться в трубопроводах или на открытых каналах. Для усиления турбулизации устроена перегородка с отверстием по сечению ввода.

Камерно-лучевые смесители, устанавливают преимущественно в трубопроводах. Там есть лучи и специальная конструкция, которая обеспечивает рециркуляцию воды.

Должны обеспечивать быстрое перемешивание реагента с водой. Если равномерно размешать реагент, то процесс начнется одновременно и получиться образование более плотных хлопьев.

Турбулизация потока создается местными сопротивлениями в трубах путем увеличения в них скорости движения воды. Конструктивно просты и надежны, однако при понижении расхода они не обеспечивают нужного эффекта смешения. Число смесителей не менее 2, резервных аппаратов не предусматривают.

Дырчатый смеситель. Представляет из себя несколько перегородок(щитов) в канале воды. Щит имеет отверстия диаметра 100-150 мм, может быть 6 – 7 щитов. Вода, проходя ч/з щит турбулизуется. Эти смесители не очень, поэтому сделали перегородчатый.

Перегородчатый. Более эффективен. До 8 – 9 перегородок, в которых вода может двигаться вертикально и горизонтально. Достаточно эффективен.

Коридорного типа. Состоит из 3 – 8 коридоров. Интенсивность как у дырчатого смесителя. Достаточно просто. Редко используется.

Вихревой (вертикальный) тип. Для смешения реагентов, которые дозируются в воду в виде трудно растворимых взвесей. Внизу достаточно высокая интенсивность потом она снижается, что и требуется по условиям коагуляции. Вода собирается в затопленный трубопровод, и потом через лоток отводиться на следующие сооружения в технологической схеме очистки. Для схем, которые требуют удалять воздух. Схемы с контактными осветлителями и осветлители со взвешенным осадком – скорые фильтры.

Шайбовый смеситель. Шайба – сужающаяся часть трубопровода.

Трубчатый смеситель.Характеризуется большими потерями напора и невозможностью использования их на крупных станциях водоподготовки.

Недостаток гидравлических смесителей: при резком уменьшении расхода воды не удается поддерживать необходимую интенсивность перемешивания коагулянта с водой. В настоящее время применяют в основном гидравлические смесители, но гидравлическими смесителями невозможно отрегулировать степень турбулизации потока и время пребывания в смесителе, которое должно зависеть от качества воды и ее расхода. Оптимальный эффект коагуляции достижим при очень быстром переносе частиц, который возможен только при использовании высокоскоростных механических смесителей турбинного или пропеллерного типа.

МС – круглые или квадратные в плане резервуары с соотношением высоты к ширине (диаметру) 2:1 с плоским или коническим днищем.

Мешалки, применяемые в МС:

Установка 2х-3х механических мешалок позволяет регулировать продолжительность перемешивания, путем вкл-откл отдельных мешалок. При резких изменениях кач-ва воды м. понадобиться изменение продолжительности смешения реагента с водой.

Устройства ввода реагентов следует выполнять в виде перфорированных трубчатых распределителей или вставок в трубопровод, создающих местные сопротивления. Потерю напора в трубопроводе при установке трубчатого распределителя надлежит принимать 0,1—0,2 м, при установке вставки — 0,2—0,3 м.

Число смесителей (секций) надлежит принимать не менее двух с возможностью отключения их в периоды интенсивного хлопьеобразования.

Вихревые смесители следует принимать в виде конического или пирамидального вертикального диффузора с углом между наклонными стенками 30—45°, высотой верхней части с вертикальными стенками от 1 до 1,5 м, при скорости входа воды в смеситель от 1,2 до 1,5 м/с, скорости восходящего движения воды под водосборным устройством от 30 до 40 мм/с, скорости движения воды в конце водосборного лотка 0,6 м/с.

Определяется расход воды на один смеситель:

;

где N_см – количество смесителей.

Площадь верхней зоны смесителя:

;

где v_в – скорость в верхней зоне смесителя, принимается равной 0,03-0,04 м/с.

Размер стороны B_в верхней части корпуса:

Размер стороны входной части смесителя:

где d₁ — внутренний диаметр подающего трубопровода

δ – толщина стенки подводящего трубопровода

Площадь входной части:

Высота диффузора смесителя:

;

где α – угол между наклонными стенками диффузора (α= 30-45 0 ).

Рабочий объем смесителя:

;

где τ – время пребывания воды в смесителе (τ= 1,5 – 2,0 минуты)

Объем верхней части смесителя:

Высота верхней части:

Необходимо, чтобы h_в было менее 1,5метров. Данное условие выполняется.

Полная высота смесителя:

Далее определяют сборную систему смесителя, сборные лотки, отверстия в них, сечения лотков и тд.

Перегородчатые смесители надлежит принимать в виде каналов. Число поворотов следует принимать равным 9–10.

Потерю напора h на одном повороте перегородчатого смесителя следует определять по формуле

(8)

где z — коэффициент гидравлического сопротивления, принимаемый равным 2,9;

v — скорость движения воды в смесителе. принимаемая уменьшающейся от 0,7 до 0,5 м/с;

g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с 2 .

Смесители должны оборудоваться переливными и спускными трубами.

Шайбовые смесители:

Потери напора(д.б. 0,3-0,4м):

ω – площадь живого сечения трубопровода в м 2 , ω0 – площадь отверстия шайбы, v – скорость движения воды в трубопроводе, ε – коэффициент сжатия струи, зависит от ω₀/ω

Диаметр отверстия диафрагмы(шайбы):

d – внутренний диаметр трубопровода

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.009 сек.)

Источник

Смешение реагентов с обрабатываемой водой

Основополагающим условием коагулирования примесей воды является равномерное и быстрое распределение реагентов в ее объеме для обеспечения максимального контакта частиц примесей с промежуточными продуктами гидролиза, существующими в течение короткого промежутка времени, так как процессы гидролиза, полимеризации и адсорбции протекают за несколько секунд. Первая фаза конвективной коагуляции — перекинетическая — заканчивается, когда первичные хлопья достигают размера 1—10 мкм, что совпадает с периодом быстрого распределения коагулянта в обрабатываемой воде. Плохое смешение влечет за собой перерасход реагентов и малую скорость агломерации примесей воды приданной дозе. Поэтому необходимо обеспечить оптимальные условия смешения реагентов с водой, при которых коагулянт вступил бы в контакт с максимальным числом частиц примесей воды, до того как произойдут реакции гидролиза и полимеризации.

Интенсивность смешения реагентов с водой характеризуется критерием Кэмпа GT, где G — градиент скорости, с -1 , определяемым из выражения G = [Е / (ηTV)] 0 ’ 5 ; Е — энергия, затрачиваемая на смешение, Дж: η — динамическая вязкость воды, Па·с; Т — продолжительность смешения, с; V— объем воды в смесителе, м 3 .

Эффективность действия коагулянта (Е.й. Апельцина, А.М. Мир- заев) повышается при увеличении интенсивности смешения по сравнению с обычно принятой (G = 200-300 с -1 ). При этом дозы реагентов и время, необходимое для их полного распределения в воде, уменьшаются с повышением градиента скорости. В водоподготовке наметилась тенденция к применению смесителей, обеспечивающих чрезвычайно быстрое распределение коагулянта в обрабатываемой воде. В основном это механические и трубчатые смесители. Для равномерного и быстрого смешения реагентов с водой их следует вводить в точках наибольшей турбулентности потока. Реагенты смешивают с обрабатываемой водой в смесительных устройствах (сопла Вентури, диафрагмы), трубчатых смесителях или в специальных сооружениях — смесителях, которые должны удовлетворять требованию полного и быстрого смешения реагентов со всей массой воды (время пребывания воды в этих сооружениях 1—3 мин).

Смесители классифицируют на гидравлические и механические. К гидравлическим смесителям, хорошо зарекомендовавшим себя на практике, следует отнести коридорный, дырчатый, перегородчатый, вертикальный вихревой. Выбор типа и конструкции смесителя определяется компоновкой водоочистного комплекса с учетом его пропускной способности и методов обработки воды, а также технологическими соображениями.

Источник

Технология смешения реагентов с водой хлопьеобразование

Коагуляцией (см. 1.3.3) называется процесс укрупнения частиц коллоидной системы при их столкновениях в результате теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. При коагуляции образуются агрегаты – более крупные вторичные частицы, состоящие из скопления мелких первичных частиц. Первичные частицы в таких агрегатах объединены силами межмолекулярного взаимодействия. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды.

Методы коагуляции чаще всего применяют в процессах очистки сточных вод [1–6] предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности от коллоидных (0,001–0,1 мкм) и мелкодисперсных (0,1–10 мкм) твердых и жидких (нефтепродукты, смолы) включений.

Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. Коагулянты образуют в воде хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием сил тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы, образуя агрегаты. Обусловлено это тем, что коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный заряд (см. 1.3.3); поэтому между ними возникает взаимное притяжение.

Способность коагулянта-электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением степени окисления коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен по знаку заряду коллоидных частиц. Поэтому в качестве коагулянтов обычно используют соли металлов(III): алюминия, железа или их смеси.

Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением. Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев гидроксидов происходит по следующим стадиям:

Ме 3+ + HOH ←→ Me(OH) 2+ + H +

Me(OH) 2+ + HOH ←→ Me(OH)₂ + + H +

Ме 3+ + 3HOH ←→ Me(OH)₃ + 3H +

В действительности процесс гидролиза протекает значительно сложнее. Ион металла образует ряд промежуточных соединений в результате реакций с гидроксид-ионами и полимеризации. Образующиеся соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами.

Образующиеся в процессе гидролиза кислоты должны быть нейтрализованы, иначе равновесие реакции будет сдвинуто влево. Для подщелачивания сточных вод обычно используют известь Са(ОН)₂ или гидроксид натрия NaOH. Нейтрализация образующихся кислот может также протекать за счет щелочного резерва сточной жидкости.

В целях уменьшения расхода реагентов процесс коагуляции следует осуществлять в оптимальном диапазоне рН: для Al(OH)₃ – от 4,5 до 7; для Fe(OH)₂ – от 8,5 до 10,5, а для Fe(OH)₃ – от 4 до 6 и от 8 до 10 [1].

В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ 18Н₂О; алюминат натрия NaAlO₂; гидроксохлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl; квасцы алюмо-калиевые KAl(SO₄)₂ 12Н₂О и аммиачные NH₄KAl(SO₄)₂ 12Н₂О.

Из перечисленных коагулянтов наиболее часто используется сульфат алюминия, который хорошо растворим в воде и имеет относительно низкую стоимость. Его применяют в сухом виде или в виде 50% раствора. Часто применяют смесь NaAlO₂ и Al₂(SO₄)₃ 18H₂O в соотношении от 10 : 1 до 20 : 1. Совместное употребление этих солей дает возможность повысить эффект осветления, увеличить плотность и скорость осаждения хлопьев, расширить оптимальную область рН среды [2].

Из солей железа в качестве коагулянтов используют сульфаты железа Fe₂(SO₄)₃ 2Н₂О, Fe₂(SO₄)₃ 3Н₂О и FeSO₄ 7Н₂О, а также хлорное железо FeCl₃. Наибольшее осветление происходит при использовании солей Fe(III). Хлорное железо применяют в сухом виде или в виде 10–15% растворов. Сульфаты железа используют в виде порошков. Доза коагулянта зависит от рН сточных вод. Оптимальные диапазоны рН: для Fе(III) – от 6 до 9, а для Fе(II) – 9,5 и выше.

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды; большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев. Недостаток – менее развитая поверхность.

При использовании смесей Al₂(SO₄)₃ 18H₂O и FeCl₃ в соотношениях от 1 : 1 до 1 : 2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном применении реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев.

Кроме названных коагулянтов для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие железо и алюминий.

Оптимальную дозу реагента устанавливают на основании пробного коагулирования.

Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита. В общем виде эта зависимость показана на рис. 10.1.5.1. При малых концентрациях электролита эффективность соударений частиц (отношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к общему числу столкновений) близка к нулю (y » 0). По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения эффективны – такую коагуляцию называют медленной. При y = 1 наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов.

Если описывать поведение системы частиц функцией распределения их по массам, то поведение этой функции в широком диапазоне условий определяется из решения интегродифференциального уравнения коагуляции – так называемого кинетического уравнения М. Смолуховского. Выдающийся польский ученый, известный своими глубокими результатами во многих областях физической науки, – М. Смолуховский сформулировал свое знаменитое кинетическое уравнение коагуляции (для частного случая броуновской коагуляции коллоидов) в 1916 г . Однако до настоящего времени, насколько нам известно, не существует полной и точной методики расчета этого чрезвычайно сложного физико-химического процесса.

Скорость быстрой коагуляции для неподвижной среды при броуновском движении частиц, по теории Смолуховского [2], равна

(10.1.5.1)

где n_a – число агрегатов частиц; t – время; n₀ – начальная концентрация частиц; K – константа скорости коагуляции; K » 4pD_чR » 8pD_чr; D_ч – коэффициент диффузии одиночных частиц; r – радиус частиц; R – расстояние, до которого должны сблизиться частицы, чтобы произошло их объединение (R » 2r).

Количество частиц в единице объема жидкости
к моменту времени t определяется по формуле

(10.1.5.2)

где t_1/2 – время коагуляции, за которое количество частиц в единице объема жидкости уменьшается вдвое.

При ламинарном движении потока жидкости со скоростью v число взаимодействий частиц за единицу времени в единице объема жидкости вычисляется [2] по формуле

n_лам (10.1.5.3)

и при турбулентном движении

Рис. 10.1.5.1. Зависимость скорости коагуляции
от концентрации электролита

n_тур = 5 n₁n₂R 2 , (10.1.5.4)

где n₁ и n₂ – число частиц с размерами d₁ и d₂ соответственно; u₁ и u₂ – среднеквадратичные скорости двух коагулирующих частиц.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, т. к. крупные частицы при осаждении увлекают за собой более мелкие. Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные. Агломераты частиц, неоднородных по размеру, прочнее, чем агломераты однородных.

Флокуляция (см. 1.3.3) – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в жидкость высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. Механизм действия флокулянтов основан на адсорбции их молекул на поверхности коллоидных частиц; образовании полимерных «мостиков» между макромолекулами флокулянта, сорбированными на соседних частицах; ретикуляции – образовании сетчатой трехмерной структуры молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц под действием сил Ван-дер-Ваальса.

Обычно флокулянты применяют [6] в дополнение к минеральным коагулянтам для ускорения процесса хлопьеобразования гидроксидов алюминия и железа, упрочнения хлопьев, увеличения скорости их осаждения, повышения качества очищенной воды. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, повышает плотность и прочность образующихся агрегатов, стабилизирует работу очистных сооружений, повышает их производительность. В ряде случаев флокулянты применяют вместо коагулянтов, т. к. флокулянты также вызывают агрегацию коллоидных примесей, только по иному механизму.

Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты [2, 6]. К природным флокулянтам относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлозы и др. Наиболее распространненным неорганическим флокулянтом является диоксид кремния (xSiO₂ · yH₂O). Из синтетических органических флокулянтов в нашей стране наибольшее применение получил полиакриламид – технический (ПАА) и гидролизованный (ГПАА). Оптимальная доза ПАА для очистки промышленной сточных вод колеблется в пределах 0,4–1 г/м 3 .

Рис. 10.1.5.2. Схема установки для очистки воды коагуляцией:
1 – емкость для приготовления растворов; 2 – дозатор;
3 – смеситель; 4 – камера хлопьеобразования; 5 – отстойник

Рис. 10.1.5.3. Перегородчатый смеситель:
1 – коридор; 2 – перегородка; 3 – окно

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: приготовление растворов коагулянтов и флокулянтов в воде, дозирование их в сточную воду, смешение реагентов со сточной водой; хлопьеобразование и осаждение хлопьев. Технологическая схема установки для очистки воды коагуляцией приведена на рис. 10.1.5.2.

Приготовление коагулянтов производят в виде растворов или суспензий. Растворение коагулянтов осуществляют в баках (не менее двух). Концентрация раствора коагулянта в расходных баках должна составлять 10–17 масс. %. Обычно продолжительность растворения при температуре воды 10 °С принимают равной 10–12 ч. Перемешивание в расходных баках производят лопастными мешалками, сжатым воздухом или циркуляционными насосами. Дозирование растворов или суспензий коагулянтов осуществляют с помощью насосов-дозаторов.

Для смешения коагулянтов со сточной водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических перегородчатых смесителях (рис. 10.1.5.3) смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды. В аппаратах с механическими устройствами процесс перемешивания должен быть равномерным и медленным, чтобы частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки.

После смешения сточных вод с реагентами воду направляют в камеры хлопьеобразования. Образование хлопьев протекает медленно – в течение 10–30 мин. Камеры нужны для образования крупных, прочных, быстрооседающих хлопьев гидроксидов металлов с захваченными ими примесями. Обычно используют перегородчатые камеры, реже – камеры с механическими мешалками. Перегородчатая камера (рис. 10.1.5.4) представляет собой резервуар, разделенный перегородками на ряд последовательно проходимых водой коридоров. Скорость воды в коридорах принимают равной 0,2–0,3 м/с. Чтобы предотвратить разрушение образовавшихся хлопьев гидроксидов металлов при переходе супензии из камер хлопьеобразования в отстойники, камеры обычно изготавливают примыкающими к отстойникам или встроенными в них так, чтобы камеры хлопьеобразования и отстойники представляли собой одно сооружение. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках
и осветлителях, конструкции которых описаны в 9.2.1.

Рис. 10.1.5.4. Перегородчатая камера хлопьеобразования:
1 – окна; 2 – коридор; 3 – перегородки

Рис. 10.1.5.5. Коагулятор-осветлитель:
1 – корпус; 2 – желоб; 3 – отверстия для удаления осветленной воды;
4 – воздухоотделитель; 5 – центральная труба; 6 – распределительные трубы

Часто стадии смешения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате – осветлителе-коагуляторе со взвешенным слоем осадка [2, 3]. Один из таких аппаратов показан на рис. 10.1.5.5. Сточная вода, смешанная с коагулянтом, поступает в воздухоотделитель. Затем жидкость движется по центральной трубе к распределительным соплам, которые служат для приведения воды во вращательное движение в кольцевой зоне, куда вводят флокулянт и где образуются хлопья коагулянта. Взвешенные частицы с хлопьями оседают на дно, и их удаляют из аппарата. Осветленная вода через отверстия попадает в верхний желоб, откуда отводится на дальнейшую обработку или использование. Эффективность очистки в отстойниках-осветлителях со взвешенным слоем осадка [3] выше, чем в обычном отстойнике, и может достигать 70 %.

Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Водоотводящие системы промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1990. 511 с.

Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 512 с.

Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л.: Химия, 1977. 464 с.

Пушкарев В.В., Южанинов А.Г., Мэн С.К. Очистка маслосодержащих вод. М.: Металлургия, 1980. 200 с.

Бабенков Е.Д. Воду очищают коагулянты. М.: Знание, 1983. 64 с.

Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987. 208 с.

Smoluchowsky M. Drei Vortrage uber Diffusion Brounische Bewegungund Koagulation von Kolloidteilchen // Phys. Zeits. 1916. Bd. 17. S. 557–585. (Пер. с нем. В кн.: Броуновское движение. М.: ОНТИ, 1936. С. 332–417.)

Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 320 с.

Волощук В.М. Кинетическая теория коагуляции. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 284 с.

Источник