CC BY
28
УДК 665.662
А. Г. Баландина (асп.)
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ДИСКОВЫХ МЕМБРАННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ ОЗОНИРОВАНИЯ ТРУДНООКИСЛЯЕМЫХ
СТОЧНЫХ ВОД
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра технологии нефтяного аппаратостроения 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347)2420719, e-mail: [email protected]
A. G. Balandina
STRUCTURALLY-TECHNOLOGICAL SOLUTION FOR DISK MEMBRANE CATALYTIC REACTORS FOR OZONATION OF HARD OXIDATED WASTEWATER
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2420719, e-mail: [email protected]
Рассмотрены существующие установки по очистке трудноокисляемых сточных вод. Предлагается конструктивно-технологическое решение — сепараторные элементы новой конструкции для дисковых мембранных аппаратов, что позволило использовать их в качестве мембранных каталитических реакторов для газо-жидкостных процессов, значительно улучшить их работу и эффективность очистки. Показано, что перемычки сепараторных элементов мембранных модулей должны иметь форму отрезков логарифмической спирали, что позволяет повысить производительность дисковых мембранных агрегатов и снизить энергопотребление.
Ключевые слова: дисковые мембранные аппараты; газо-жидкостные процессы; конструктивно-технологическое решение; озонирование; сепараторные элементы; трудноокисляемые сточные воды; форма логарифмической спирали; эффективность очистки.
Совершенствование конструкций, разработка новых аппаратов и применение нетрадиционных методов очистки сточных вод с целью увеличения производительности, уменьшения энергозатрат и вредного влияния на окружающую среду являются актуальной проблемой. В связи с этим, особую актуальность приобретает разработка аппаратов, позволяющих минимизировать сбросы вредных загрязнителей (нефтепродукты, фенолы и др.), относящихся к разряду трудноокисляемых, в водные объекты.
Действующие нормы качества сбрасываемых сточных вод и сброса загрязняющих ве-
Дата поступления 03.09.15
The existing installation for cleaning hard oxidated wastewater. We propose a design and technology decision — separator elements of the new design for the disk membrane units, which will use them as catalytic membrane reactors for gas-liquid processes, significantly improve their performance and cleaning efficiency. It is shown that the bridge separating element membrane modules must be in the form of segments of a logarithmic spiral that improves the performance of disk membrane units and reduce power consumption.
Key words: disc membrane devices; gas-liquid processes; structural and technological solution; ozonation; separator elements; difficult-waste water; shape logarithmic spiral; cleaning efficiency.
ществ в водоемы требуют применения более совершенных, по сравнению с существующими, технологий очистки сточных вод, основанных на методах и аппаратах нового поколения, обеспечивающих глубокую очистку сточных вод до современных экологических и санитарных требований.
В работе проведен анализ существующих установок для очистки биологически трудно-разлагаемых сточных вод с использованием газов-окислителей.
Так, для очистки сточных вод, загрязненных органическими веществами, известна установка 1 с невысокой эффективностью очистки воды, так как при обработке сточных вод не
происходит их полного смешения с окисляющим газом.
Установка для очистки сточных вод 2 позволяет проводить окисление сточных вод пе-роксидом водорода с инжекцией озоно-кисло-родной смеси в присутствии катализатора. Недостатком установки является низкая эффективность очистки воды и значительный расход реагентов.
Наиболее подходящей для исследований трудноокисляемых сточных вод по технической сущности является установка, описанная в работе 3.
В работах 4 5 описаны технологическая схема и принцип работы полупромышленной установки с применением дискового мембранного аппарата, разработанного и производимого ФГУП «Красная Звезда».
Как показывает анализ литературных данных, в настоящее время этот аппарат является наиболее совершенным для очистки труд-ноокисляемых сточных вод.
Дисковый мембранный агрегат с металло-керамическими мембранами для разделения жидких смесей относится к аппаратам нового поколения, обеспечивающим глубокую очистку сточных вод до уровня современных экологических и санитарных требований, что позволяет оптимально решать проблему оборотного водоснабжения в производственном процессе. Дисковые мембранные агрегаты эффективно работают при очистке трудноокисляемых сточных вод в коррозионно агрессивных условиях химически загрязненных территорий (химические и нефтехимические предприятия, нефтяные и газовые месторождения, нефтеперекачивающие станции, нефтебазы, АЗС, полигоны промышленных и бытовых отходов, свалки и др.). Могут также с высокой степенью надежности использоваться для разделения эмульсий и сгущения осадков сточных вод, в том числе жидких радиоактивных отходов.
Достоинствами агрегатов являются высокая эффективность очистки, гибкость, возможность адаптироваться к изменяющемуся качеству сточных вод. Одним из решающих факторов применения предлагаемой технологии является высокая степень очистки сточных вод в сочетании с надежностью сохранения этого показателя в процессе эксплуатации.
Однако при всех достоинствах применение аппарата показало, что недостаточно эффективно используется газ-окислитель озон, который, не успев прореагировать в мембранном реакторе, направляется по трубопроводу кон-
центрата в сатуратор. Это приводит к значительному расходу озона и большим энергозатратам.
Таким образом, установка требовала совершенствования, позволяющего повысить ее производительность и эффективность, а также упростить эксплуатацию.
Задачей данной работы является разработка конструктивно-технологического решения для дисковых мембранных аппаратов, производимых ФГУП «Красная Звезда», с целью их совершенствования, повышения производительности и возможности использования в качестве мембранных каталитических реакторов в процессах очистки трудноокисляе-мых сточных вод.
Материалы и методы исследования
Методика исследований и устройство установки описаны в работах 4 5.
Объектом исследований были фенолсо-держащие сточные воды следующего состава: фенол — 1.5 мг/дм3, ХПК — 6560 мг О2/дм3, БПКп — 3250 мг О2/дм3, взвешенные вещества — 3 мг/дм3. Газом-окислителем являлась озоно-кислородная смесь с концентрация озона 20 мг О3/дм3. Давление в мембранном реакторе составляло 0.6 МПа. Эксперименты проводились при различной частоте вращения дисковых мембранных элементов в мембранном каталитическом реакторе при температуре 20 оС.
Эффективность окисления сточных вод оценивалась по величине химического потребления кислорода (ХПК), характеризующей содержание органических веществ в сточной воде.
Результаты и их обсуждение
Результаты исследований эффективности очистки сточных вод на вышеописанной установке с дисковым каталитическим реактором и мембранными элементами от ФГУП «Красная Звезда» приведены в табл.1.
Таблица 1
Эффективность очистки сточных вод при различной частоте вращения дисковых мембранных элементов от ФГУП «Красная Звезда» в мембранном каталитическом реакторе при температуре 20 оС
Частота вращения мембранных элементов, об./мин ХПК после обработки, мг О2/дм3 Эффект очистки, %
200 4100 38
1000 4650 29
1500 4800 27
2000 4930 25
Проведенные эксперименты показали, что эффективность такого аппарата резко падает, если обрабатываемая жидкость насыщена растворенными газами, что затрудняет его применение как реактора для осуществления газожидкостных химических каталитических процессов и, прежде всего, для очистки воды газообразными окислителями.
Недостатком такого аппарата является то, что при подаче в него насыщенной газом жидкости в первую очередь начинает происходить разделение газа и жидкости, и площадь контакта газожидкостной смеси с каталитически активной поверхностью мембран при этом уменьшается, вследствие чего и падает производительность аппарата. При этом неэффективно используется газ-окислитель, который свободно выходит через мембранные элементы.
Для того, чтобы обеспечить возможность проведения химических каталитических реакций в насыщенной газами-окислителями жидкости при максимально возможной производительности реактора необходимо было устранить указанные недостатки.
Для решения поставленной задачи в конструкцию реактора было внесено техническое усовершенствование, заключающееся в изменении формы перемычек сепараторных элементов. Существующие радиальные перемычки сепараторных элементов направлены не перпендикулярно векторам скорости вращающейся в аппарате жидкости, что, по-видимому, вызывает образование между перемычками «паразитных» вихрей, в центре которых могут появляться зоны разряжения. При подаче в такой аппарат газо-насыщенной жидкости в зонах разряжения начинается выделение из нее газов. Поэтому перемычки должны иметь форму, максимально способствовующую прекращению вращательного движения жидкости в аппарате.
Согласно гидродинамической теории решеток, изучающей лопастные системы в гидромеханике, наиболее оптимальной формой лопастей многих гидромашин являются лопасти, выполненные в виде отрезков логарифмической спирали (рис. 1), описываемой формулой в общем виде в полярных координатах:
Я=свку ,
где с и к — произвольные положительные константы; е — основание натурального логарифма; у — угол, рад.
У
1
Рис. 1. Отрезок логарифмической спирали
По этой причине перемычки каждого сепараторного элемента были выполнены в форме отрезков логарифмической спирали, выпуклые части которых направлены в сторону вращения мембранных элементов (рис. 2).
На измененную конструкцию перемычек сепараторных элементов получено положительное решение о выдаче патента на полезную
7
модель .
Для оценки эффективности очистки дисковым мембранным каталитическим реактором при работе сепараторных элементов новой конструкции была проведена серия экспериментов с теми же сточными водами в тех же условиях.
Результаты работы реактора с сепараторными элементами новой конструкции представлены в табл. 2.
Таблица 2
Эффективность очистки сточных вод при различной частоте вращения дисковых мембранных элементов в мембранном каталитическом реакторе с измененными сепараторными
элементами при температуре 20 оС
Частота вращения мембранных элементов, об./мин ХПК после обработки, мг О2/дм3 Эффект очистки, %
200 4100 38
1000 1100 83
1500 1000 85
2000 1100 83
Из табл. 2 видно, что эффект очистки фе-нолсодержащих сточных вод при использовании мембранного каталитического реактора с сепараторными элементами новой конструк-
г
-i——
а б
Рис. 2. Сепараторный элемент: а — конструкции от ФГУП «Красная Звезда»; б — измененной конструкции: 1 - внутреннее кольцо; 2 - периферийное кольцо; 3 - перемычка, соединяющая внутреннее и периферийное кольцо.
ции при частоте вращения 1000 об./мин и более почти в 3 раза выше.
Таким образом, предложенное конструктивно-технологическое решение — сепараторные элементы новой конструкции — позволило использовать дисковые мембранные аппараты в качестве реакторов для газо-жидкостных процессов, что значительно улучшило их работу и эффективность очистки.
При использовании сепараторных элементов новой конструкции достигнуты гидродинамические режимы потоков внутри реактора, способствующие созданию более равномерного поля давлений внутри него и, тем самым, не способствующие разделению газа и жидкости, которое наблюдалось до этого.
Литература
1. Пат. №2359919 РФ Установка и способ очистки сточных вод / Дэн Катрин, Шротте Жан-Крис-тоф, Пэйар Эрве //Опубл. 27.06.2009.
2. Пат. №2278829 РФ Способ очистки сточных вод / Чураков В. В., Фомин В.М., Климова М.Н., Курочкин A.A. // Опубл. 20.05.2005.
3. Пат. №2502682 РФ. Способ очистки воды / Хангильдин Р.И., Фаттахова A.M., Шарафут-динова Г.М., Кирсанова А.Г., Мартяшова В.А., Абдрахимов Ю.Р., Хангильдина А.Р. // Опубл. 27.12.2013.
4. Баландина А.Г., Хангильдин Р. И., Мартяшева
B. А., Шундеева Е. В. Аппаратурное оформление процесса очистки трудноокисляемых сточных вод // Баш. хим. ж.— 2015.— Т. 22, №2.-
C. 101-108.
5. Баландина А.Г., Хангидльдин Р.И., Мартяшева В. А. Каталитические процессы очистки трудно-окисляемых сточных вод и их аппаратурное оформление // Баш. хим. ж.— 2015.— Т. 22, №3.- С. 31-40.
6. Пат. №2179062 РФ. Мембранный аппарат для разделения жидких смесей / Охрименко Е.А.Т-
Referenses
1. Dan Catherine, Schrott, Jean-Christophe, Herve Peyar. Ustanovka i sposob ochistki stochnykh vod [Installation and method for purification of waste water]. Patent RF, no. 2359919, 2009.
2. Churakov V.V., Fomin V.M., Klimova M.N., Kurochkin A. A. Sposob ochistki stochnykh vod [The method of sewage treatment]. Patent RF, no. 2278829, 2005.
3. Khangil'din R.I., Fattakhova A.M., Sharafut-dinova G.M., Kirsanova A.G., Martiashova V.A. Abdrakhimov Y.R., Khangil'dina A.R. Sposob ochistki vody [A method of purifying water]. Patent RF, no. 2502682, 2013.
4. Balandina A.G., Khangil'din R.I., Martiasheva V.A., Shundeeva E.V.Apparaturnoe oformlenie protsessa ochistki trudno okisliaemykh stochnykh vod [Process equipment of cleaning hard oxidation wastewater]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2015, v. 22, no. 2, pp. 101-108.
5. Balandin A.G., Khangildin R.I., Martyasheva V.A. Catalytic processes difficult-purification of waste water and their hardware design
русов Л.И., Гелис В.М., Пензин P.A., Свитцов A.A., Тарасов В.П. // Опубл. 10.02.2002.
7. Мембранный реактор для газожидкостных реакций /Баландина А.Г., Хангильдина A.P., Хангильдин Р.И.: положительное решение о выдаче патента на полезную модель (письмо Роспатента №2015132780/05(050413) от 10.09.2015 г.).
[Catalytic processes difficult-purification of waste water and their hardware design] Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2015, v. 22, no. 3, pp. 31-40.
6. Okhrimenko E.A., Trusov L.I., Gelis V.M., Penzin R.A., Switz A.A., Tarasov V.P. Membrannyi apparat dlya razdeleniya zhidkikh smesei [Membrane apparatus for separating liquid mixtures]. Patent RF, no. 2179062, 2002.
7. Balandin A.G., Khangildina A.R., Khangildin R.I. Membrannyi reaktor dlya gazozhid-kostnykh reaktsii [The membrane reactor for gasliquid reactions]. Positive decision on granting a patent for utility model (an Rospatent №2015132780/05(050413) on 09.10.2015).
