Физические методыдегазации воды
В технике водоподготовкидля удаления газов (кроме кислорода) в основном применяютпленочные дегазаторы, а для обескислороживания воды — вакуумные дегазаторы илитермические деаэраторы. Барботажные дегазаторы используют в исключительныхслучаях из-за их сравнительно высокой эксплуатационной стоимости (большойрасход электроэнергии накомпрессию воздуха).
Самым совершенным типомдегазатора для глубокого удаления из воды свободного диоксида углерода (IV)считают пленочный дегазатор, загруженный кольцами Рашига. Он обеспечиваетнаиболее устойчивый эффект дегазации, долговечен, требует меньшей площади ивысоты, а также меньшего расхода воздуха, чем дегазатор с деревянной хордовойнасадкой. Строительная стоимость его близка к стоимости дегазаторов сдеревянной насадкой, а эксплуатационная стоимость ниже, особенно для установокбольшой производительности. Наиболее целесообразно применять эти дегазаторы накрупных установках и при большом содержании свободного диоксида углерода (IV) вводе, поступающей в дегазатор.
На рис. 19.2, априведена схема пленочного дегазатора с насадкой из колец Рашига, размещаемойна промежуточной дырчатой перегородке, отстоящей от дна на расстоянии 600 мм. Вподдон вентилятором подается воздух. Вода поступает в верхнюю часть дегазатораи равномерно распределяется по сечению плитой, имеющей 48 патрубков для сливаводы в насадку и 8 патрубков с колпаками для выхода воздуха. Вода из поддонногопространства отводится через гидравлический затвор, высота которого h=1,2Н(где Н — максимальный напор, развиваемый вентилятором, Па).
После пленочногодегазатора с кольцами Рашига и подачей воздуха вентилятором содержание диоксидауглерода (IV) в воде составляет не более 3…5 мг/л. При удалении сероводородаэтим методом следует подкислять воду (до рН=5) с последующим подщелачиванием еедо необходимого значения рН, это дает значительную экономию расхода воздуха.
/>
Для удаления частисвободной углекислоты из воды в процессе ее деманганации или обезжелезивания (вцелях поднятия значения рН воды до оптимального) также наиболее целесообразноиспользовать дегазаторы, загруженные пластмассовыми или керамическими кольцамиРашига и работающие при подаче в них воздуха вентилятором иливакуумно-эжекционные аппараты. Применение вакуумных дегазаторов специально дляудаления из воды свободной углекислоты целесообразно только в случаях Н—Na-катионногоумягчения или ионитового обессоливания подземных вод, когда в обессоленной илиумягченной воде лимитируется содержание кислорода. Вакуумные дегазаторы следуетприменять при необходимости предотвращения кислородной коррозии труб иаппаратуры (при подготовке воды для питания котлов и при обескислороживанииводы в системах горячего водоснабжения) либо когда наличие растворенных газов вводе, в том числе и кислорода, является вредным для технологического процессапредприятия (на заводах СК). Для удаления из воды метана или свободногосероводорода также можно рекомендовать пленочные дегазаторы, загруженныепластмасовыми или керамическими кольцами. При водород—натрий—катионитовомумягчении или анитовом обессоливании подземных вод для удаления свободной углекислотыследует применять вакуумные дегазаторы во избежание насыщения их кислородом. Припроектировании дегазаторов для удаления из воды свободной углекислоты должныбыть заданы параметры: расходводы; концентрация свободной углекислоты в воде, ижелательное остаточное содержание свободной углекислоты в воде последегазатора; наинизшая (расчетная) температура обрабатываемой воды.
/>
/>
Рис. 19.2. Пленочный(а), вакуумный (б) и пенный (в) дегазатор: 1— вентилятор; 2 — насадка из керамических колец Рашига; 3 — газоотводной патрубок;5, 10 — ввод исходной и отвод дегазированной воды; 7— оросительные патрубки; 4— удаление воздуха; 9 — поддон; 8 — дырчатое днище; 6 — водораспределительнаяворонка; 11 — люк; 12 — патрубки для водомерного стекла; 13 — ввод воздуха; 14— пенный слой
/>
Концентрация свободнойуглекислоты в воде, подлежащей дегазации, не всегда указывается в анализе. Ееможно определить следующим образом. При дегазации воды после Н-катионитовыхфильтров суммарное количество углекислоты будет равно:
/>
где Жк — карбонатнаяжесткость исходной воды, мг-экв/л; Снач — содержание свободной углекислоты висходной воде, мг/л, определяемое по номограмме (рис. 19.3). Первый членформулы учитывает свободную углекислоту, образующуюся при распаде бикарбонатов.
Номограмма составленадля плотного растворенного остатка воды 20 мг/л и при температуре ее 22°С. Прииных значениях температуры и плотного остатка
/>
где Сном — содержаниесвободной углекислоты, найденное по номограмме (рис. 19.3); а — поправка натемпературу; р — поправка на плотный растворенный остаток.Температура, °С 5 10 15 20 25 30 α 1,65 1,44 1,29 1,16 1,06 1,00 0,95 Плотный растворенный остаток, мг/л 20 50 100 200 300 400 500 β 1,00 0,97 0,94 0,90 0,88 0,86 0,84
При отсутствии ванализе данных о значении рН и щелочности воды концентрацию свободнойуглекислоты в исходной воде (в мг/л) можно ориентировочно определять поформуле:
/>
При дегазации воды вцикле обезжелезивания воды аэрацией
/>
где СFe— содержание железа (П) в обезжелезиваемой воде, мг/л. Первый член формулыучитывает свободную углекислоту, выделяющуюся при гидролизе железа.
Декарбонизаторы снасадкой из колец Рашига обладают большой удельной поверхностью, малой массой вединице объема, значительным свободным объемом.
Кольцо Рашига (табл.19.1) представляет собой полый керамический цилиндр с равными высотой инаружным диаметром.
Таблица 19.1
/>
Для уменьшения высотыдегазатора выгоднее применять кольца более мелкого размера, так как единицаобъема насадки из таких колец имеет большую поверхность. Для загрузкидегазаторов наиболее часто применяют кольца размером 25*25*3 мм, так как общеесопротивление насадки из таких колец при наиболее неблагоприятных условияхработы аппарата не превышает значения напора, развиваемого центробежнымивентиляторами среднего давления обычного типа.
Площадь поперечногосечения дегазатора, загруженного кольцами, следует принимать исходя из удельнойнагрузки 60 м3/(м2*ч). Удельный расход воздуха в этом случае долженприниматься равным 15 м3/м3. Исходя из этой плотности орошения насадки иудельного расхода воздуха, в табл. 19.2 даны некоторые расчетные параметры.
Таблица 19.2
/>
Необходимую поверхностьнасадки (колец) находят по формуле (19.7), значение Кт — по графикуна рис. 19.4, а, ΔСср — по графику на рис. 19.5.
Помимо площадиповерхности насадки, нужно учитывать площадь внутренней поверхности самогоаппарата, которая составляет около 7,5% от площади поверхности насадки.
При подсчете напора,развиваемого вентилятором, сопротивление колец размером 25*25*3 мм приплотности орошения 60 м3/(м3*ч) и при удельной подаче воздуха 15м3/м3 можно принимать 30 мм вод. ст. на 1 м высоты загрузки.
К дегазаторам,применяемым при обезжелезивании воды аэрацией, относятся пленочные дегазаторы сзагрузкой кольцами Рашига или пластмассовыми кольцами, работающими в Условияхпротивотока воды и воздуха, подаваемого вентилятором. При известной щелочностиисходной воды концентрация свободной углекислоты в ней, соответствующая рН=7,0,может быть найдена по номограмме (см. рис. 19.3). Зная исходное содержаниесвободной углекислоты в воде и определив по указанной номограмме концентрациюсвободной углекислоты (рН=7,0), можно найти количество углекислоты, котороедолжно быть удалено из воды как разность концентраций начальной и оптимальной,соответствующей значению рН=7,0. Одновременно необходимо удалить дополнительноеколичество свободной углекислоты, которое образуется при гидролизе бикарбоната,железа, так как наличие ее в воде может препятствовать повышению рН дотребуемого предела. Согласно стехиометрическому расчету количество свободнойуглекислоты составляет 1,57 мг на 1 мг железа (II), содержащегося в исходнойводе.
/>
Рис. 19.4.Графики для нахождения KжCO2в зависимости от tºСпри плотности орошения насадки 40 м3/(м2*ч) (а) и 60 м3/(м2*ч)(б) для колец 25*25*3 мм
Следовательно, суммарноерасчетное количество свободной углекислоты, подлежащейудалению из воды, может быть определено по формуле:
/>
где С — количествосвободной углекислоты, которое -должно быть удалено из воды, мг/л; СFe— количество железа (II) в обезжелезиваемой воде, мг/л; Снач —начальная концентрация свободной углекислоты в обезжелезиваемой воде, мг/л; Сопт— содержание свободной углекислоты, соответствующее оптимальному значениюрН=7,0 при данной щелочности воды (находится по номограмме рис. 19.3), мг/л.
Очевидно, чтоостаточное содержание свободной углекислоты после дегазатора будет:
/>
При этом вопрос одостаточном насыщении воды кислородом воздуха может не рассматриваться, так какпри удалении из воды необходимого количества свободной углекислоты всегдаобеспечивается ее насыщение кислородом, вполне достаточное для полногоокисления железа (И).
/>
Рис. 19.5. Графики длянахождения ΔСср в зависимости от Свх и Свых.
Площадь поперечногосечения дегазатора, работающего с принудительной подачей воздуха, определяетсяисходя из плотности орошения насадки 90 м3/(м2*ч) (для насадки изпластмассовых или керамических колец). Удельную подачу воздуха следуетпринимать равной 4 м3/м3.
Значение ДСср прирасчете дегазаторов, применяемых для обезжелезивания воды аэрацией, можноопределять по формуле А. А. Кастальского:
/> (19-7)
в кг/м3; величина Кжнаходится по графикам рис. 19.6.
/>
Рис. 19.6. Графики Kж=f(t)дляразличных насадок при плотности орошения 90 м3/(м2*ч)
1— для колец Рашига размером 25*25*3 мм; 2 — для гравия средним размером 42 мм;3 — для кокса средним размером 43 мм; 4 — для кокса средним размером 41 мм
Вгл. 1 указывалось, что сероводородные соединения, содержащиеся в воде, могутсостоять из свободного сероводорода (H2S),гидросульфидногоиона (HS~)исульфидного иона (S2~).ПрирН воды
Расчет дегазаторов дляудаления из воды свободного сероводорода следует производить исходя изследующих данных. Площадь сечения дегазатора следует определять с учетомплотности орошения насадки (кольца размером 25*25*3 мм) 60 м3/(м2*ч).Удельная подача воздуха — 12 м3/м3. Значение ΔСср следуетопределять по формуле (19.7), а значение Kж—по формуле (19.8)
/> (19.8)
где А — площадьпоперечного сечения дегазатора, м2; z—растворимость сероводорода в воде, кг/м3, при данной температуре ипарциональном давлении сероводорода 0,1 МПа (по рис. 19.7). Значения А и А0,324приведены в табл. 19.3.
Формула (19.8)действительна при плотности орошения насадки 60 м3/(м2*ч), удельномрасходе воздуха 12 м3/м3 и при насадке из колец Рашига размером 25X25X3 мм.
Исследованиями С. Н.Линевича установлено, что при использовании пенной дегазации и закрытой аэрацииможно повысить эффект удаления сероводорода из воды на 20… …25%.
На рис. 19.2, бприведена схема вакуумного дегазатора.
При дегазации водыбарботированием воздуха через слой воды также создается большаяповерхность соприкосновения жидкой и газообразной фаз; тем самым ускоряетсявыделение газа. Воздух подается компрессорами обычно через дырчатые трубы илипористые плиты. В зависимости от требуемой степени дегазации воды барботажныедегазаторы применяют одно- или двухсекционные с последовательным пропусканиемводы.
Разновидностьюбарботажных дегазаторов являются дегагаторы пенноготипа(рис. 19.2, в).
/>
Рис. 19.7.Растворимость сероводорода в воде в зависимости от ее температуры при егопарциальном давлении 0,1 МПа.
пленочныйдегазатор вода деаэратор
Основным конструктивнымэлементом аппаратов служит перфорированная пластина (решетка). Вода тонкимслоем протекает вдоль решетки и под действием поперечного тока воздуха,подаваемого через ее отверстия, вспенивается. В пенном слое газы из водыдесорбируются интенсивно. При удалении диоксида углерода(IV) и расходе водыоколо 100 м3/ч дегазаторы пенного типа наиболее экономичны. При использованииаппаратов этого типа степень десорбции целесообразно ограничить 96… 97% стем, чтобы количество полок не превышало четырех-пяти. При этом для подачивоздуха можно применять центробежные вентиляторы среднего давления.
Таблица 19.3
Производительность дегазатора, М3/Ч А, м2
А0.324, м2 10 0,167 0,56 20 0,334 0,70 30 0,501 0,80 40 0,668 0,88 50 0,835 0,94 75 1,25 1,07 100 1,67 1,18 150 2,50 1,35 200 3,34 1,48 250 4,17 1,59 300 5,01 1,68 350 5,83 1,77 400 6,68 1,85 450 7,50 1,92 500 8,35 1,99 600 10,0 2,11 700 11,7 2,22 800 13,4 2,32 900 15,0 2,40 1000 16,7 2,49
Вакуумные дегазаторывыполняют стальными круглыми (в плане), с конусным днищем (рис. 19.2,6). Надконусным днищем располагается дырчатый лист (с отверстиями диаметром 15… 20мм) или решетка, которая является опорой для колец Рашига. Вода внутрьдегазатора подается устройством, обеспечивающим тонкое распыление и равномерноераспределение ее по поверхности насадки. В качестве такого распределителя водырекомендуется устройство, аналогичное распределителю соляного раствора встандартных натрий-катионитовых фильтрах.
Для наблюдения зауровнем воды в дегазаторе устанавливают водомерное стекло. Парогазовая смесь отводитсяиз дегазатора вакуумным устройством, в качестве которого могут бытьиспользованы вакуум-насосы, паро- и водоструйные эжекторы.
Наиболее полнаядегазация достигается разбрызгиванием в вакууме с одновременным подогревомводы. На рис. 19.8 изображена схема установки для дегазации в вакууме сподогревом и без подогрева воды.
Выбор типа дегазатораопределяется производительностью установки, необходимой полнотой дегазации,начальной концентрацией удаляемого газа и другими условиями.
/>
Рис. 19.8. Установкидегазации воды под вакуумом без подогрева ( и с подогревом (б)
1,5— подача исходной и отвод дегазированной воды; 2 — воздухоотделитель; 3 —котел; 4 — вакуум-насос; 6 — насос; 7 — подача пара; 8 — теплообменник; 9 —сборный бак
Для глубокого иличастичного удаления оксида углерода (IV) (независимо от его начальнойконцентрации и производительности установки) и свободного сероводородаприменяют дегазаторы с насадкой из колец Рашига и противотоком воды и воздуха.
Для удаления оксидауглерода (IV) при производительности установки до 150 м3/ч и начальном егосодержании не более 150 мг/л используют дегазаторы с деревянной хордовойнасадкой или дегазаторы пенного типа. При глубоком удалении оксида углерода(IV) и производительности до 20 м3/ч применяют барботажныедегазаторы.
В случае частичногоудаления оксида углерода(IV) при производительности установки до 50 м3/чиспользуют струйно- пленочные (контактные) градирни, а для глубокого иличастичного обескислороживания воды — вакуумные установки с насадкой из колецРашига с подогревом или без него.
При проектированиидегазаторов должны быть определены: площадь поперечного сечения дегазатора;необходимый расход воздуха и поверхность насадки для достижения требуемойстепени дегазации. Площадь поперечного сечения дегазаторов вычисляют подопускаемой плотности орошения насадки, т. е. по расходу воды, приходящемуся на1 м2 площади поперечного сечения дегазатора.
По А. А. Кастальскому,допустимые плотности орошения насадок и удельные расходы воздуха составляют:при глубоком удалении из воды оксида углерода (IV) — до 2… 3 мг/л; надегазаторах, загруженных кольцами Рашига (25X25X3 мм), — 60 м3/(м2*ч)и 15 м3/м3; на дегазаторах с деревянной насадкой —соответственно 40 м3/(м2*ч) и 20 м3/м3; приглубоком удалении из воды сероводорода на дегазаторах загруженных кольцамиРашига, — 40 м3/(м2*ч) и 20 м3/м3;при обескислороживании воды на вакуумных дегазаторах плотность орошения насадкиравна 50 м3/(м2-ч).
Остаточное содержаниеоксида углерода(IV) после вентиляторной градирни при температуре 5…8°С можнопринимать 3…5 мг/л, после контактной градирни — 5… 8 мг/л.
Полноеобескислороживание воды может быть достигнуто методом,предложенным П. А. Акользиным. Сущность его заключается в том, что эжектор,подающий воду, из которой необходимо удалить кислород, подсасываетпредварительно обескислороженный воздух. Под влиянием разности концентрациирастворенный в воде кислород переходит из жидкой фазы в газообразную. Газотделяется от воды в специальном десорбере и затем в сепараторе.Обескислороживание воздуха происходит в герметичном реакторе, загруженномдревесным углем и омываемом топочными газами с температурой 500… 800 °С.Однако применение этого метода ограничивается тем, что для обескислороживаниявоздуха, подсасываемого эжектором, необходимы топочные газы высокойтемпературы, т. е. наличие котельной. Кроме того, в дегазаторе не удаетсяодновременно с обескислороживанием воды обеспечить необходимую степень удаленияоксида углерода (IV).
Метод удалениясероводорода аэрированием представляет собой комбинированиеаэрирования с биохимическим окислением сероводорода серобактериями. Аэраторсодержит шлаковую загрузку. Интенсивность орошения при концентрации сероводорода40…42 г/м3 составляет 3…4 м3/(м2-ч), расход воздуха — 20…30 м3/м3;конечная концентрация сероводорода — 0,3… 0,4 мг/л. После аэроокислениятребуется фильтрование.
Распространеннымметодом удаления из воды сероводорода является аэрирование (65…70%).Оптимальные условия аэрирования характеризуются определенным соотношениемвоздуха и воды, избыточное количество воздуха не увеличивает эффективностиудаления из воды сероводорода. При аэрированииудаляется сероводород,находящийся в молекулярной форме, и частично окисляется. Полное удалениесероводорода аэрированием возможно лишь при подкислении воды до рН
Литература
АлексеевЛ. С., Гладков В. А. Улучшение качества мягких вод. М.,
Стройиздат,1994 г.
АлфероваЛ. А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленныхпредприятий, комплексов и районов. М., 1984.
АюкаевР. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих
материаловдля очистки воды. Л., 1985.
ВейцерЮ. М., Мииц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессахочистки воды. М., 1984.
ЕгоровА. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистныхсооружениях. М., 1984.
ЖурбаМ. Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.