CC BY
133
© В.Д. Самыгин, Л.О. Филиппов, В.В. Панин, Н.Ю. Стенин,
Ю.В. Рогачёв, 2006
УДК 622.765
В.Д. Самыгин, Л.О. Филиппов, В.В. Панин,
Н.Ю. Стенин, Ю.В. Рогачёв
ПРИМЕНЕНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ФЛОТАЦИОННОЙ МАШИНЫ ТИПА «РЕАКТОР-СЕПАРАТОР» ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Семинар № 24
Яефтепродукты являются широко распространённым и опасным источником загрязнения промышленных сточных вод. Очистка сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ на нефтеперерабатывающих заводах осуществляется, как правило, в напорных флотомашинах с применением коагулянтов и синтетических флоку-лянтов. Содержание нефтепродуктов при флотационной очистке снижается с 500 мг/дм3 и менее до 10^30 мг/дм3. Применяемая реагентная подготовка в схеме флотационной очистки исключает непосредственное насыщение воды воздухом из-за разрушения в процессе га-зонасыщения формирующихся хлопьев и агрегатов частиц. Повышение степени флотационной очистки возможно посредством создания условий, в которых образующиеся флокулы не разрушаются, и применением многокаскадных флотационных схем, где очищенная вода проходит через последовательно соединённые флотаторы. Данные условия реализуются при использовании пневматических флотационных машин нового поколения типа реактор-сепаратор
(РС).
Реактор-сепаратор (РС) относится к пневматическим флотационным машинам нового поколения. РС имеют объём от 2,0 до 1000 м3, а их производительность составляет от 10 до 5000 м3/ч. Основное отличие РС от обычных фло-томашин состоит в выполнении принципа пространственного разделения характерных зон, в каждой из которых создаются оптимальные для протекающих в них субпроцессов гидродинамические условия [1]. Так, в РС выделены зоны дробления воздуха в аэраторе, закрепления частиц на пузырьках в реакторе, всплывания флотокомплексов и их разгрузки в сепараторе. В обычных фло-томашинах имеется лишь две пространственно разделённые зоны.
В Московском государственном институте стали и сплавов разработана конструкция флотомашины реактора-сепаратора для эффективной очистки сточных вод от органических соединений и взвешенных частиц, отличающаяся от зарубежных аналогов системой распределения потоков, позволяющей создать оптимальный гидродинамический режим флотации и достичь высоких технологических показателей [2]. На VI международном салоне промышлен-
.очиненная вода
Рис. 1. Схема установки с реактором-сепаратором для водоочистки: 1 - аэратор; 2 - четырёхтрубный реактор; 3 - сепаратор; 4 - регулирующие ёмкости; 5 - пенный жёлоб; 6 - насос центробежный; 7 - насос перистальтический; 8 - питающий шланг; 9 - ротаметр; 10 - регулировочный кран; 11 - манометр; 12 - циркуляционный насос; 13 - трёхходовой кран; 14 - тройник-смеситель; 15 - камера хлопьеобразования; 16 - пеноотстойник; 17 - ротаметр; 18 - ёмкость с пенообразователем
ной собственности «Архимед» разработка награждена серебряной медалью. Установка РС МИСиС имеет ещё две дополнительные обособленные зоны (флокуло-образования и отстаивания пены), что позволило дополнительно повысить технологические показатели процесса очистки.
Создана лабораторная установка для очистки сточных вод с РС объёмом 90
3
дм и проведены исследования параметров и режимов флотационной водоочистки от нефтепродуктов и взвешенных веществ [3, 4]. Испытания проводились
на ОАО «Московский НПЗ», объектом для исследований служили промстоки II системы промышленной канализации сточных вод, прошедшие механическую очистку на отстойных сооружениях завода.
В конструкции РС, использованной при испытаниях, присутствует шесть пространственно разделённых зон, в каждой из которых в оптимальном гидродинамическом режиме происходит преимущественно только один процесс (рис. 1). Обработка реагентом и образование
флокул происходит в камере флокуло -образования 15, эжекция и дробление воздуха на пузырьки осуществляется в аэраторе 1, контакт частиц с пузырьками происходит в реакторах 2, разделение сфлотированных частиц и очищенной воды - в сепараторе 3, отстаивание пены
- в пеноотстойнике 16. Степень турбулентности, определённая по зна-чению критерия Рейнольдса, в аэраторе максимальна - до 105, в пеноотстойнике минимальна - до 50, в сепараторе и камере флокулообразования степень турбулентности ближе к минимальной - 103, в смесителе и в реакторе имеет среднее значение - 103 - 104.
Флотация может происходить в двух принципиально различных режимах, когда образующиеся флокулы проходят через аэратор или минуют его. В первом случае флотация осуществляется в прямоточном режиме, во втором - в циркуляционном. При прямоточном режиме работы установки порядок соединения зон 15-1-2-3-16, при циркуляционном -15-14-2-3-16. Смена режимов производится переключением трёхходовых кранов 13. Производительность установки от 0,36 м3/ч до 1,3 м3/ч по воде регулировалась краном 10, установленным на выходе насоса 6, контролировалась по давлению на манометре 11 и периодически измерялась по времени наполнения мерного цилиндра. Расход воздуха измерялся воздушным ротаметром 9. Пенный продукт разгружался в пенный жёлоб 5. При работе РС в циркуляционном режиме часть очищенной воды самотёком подавалась в насос 12, а из него - в аэратор 1. Расход циркулирующей воды измерялся ротаметром 17.
В качестве флокулянта для очистки нефтесодержащих сточных вод использовался реагент «Праестол 852 ВС». Флокулянт приготавливался по методике, рекомендуемой фирмой «Degussa», и
подавался с расходом 5 г/м перистальтическим насосом 7 в виде рабочего раствора с концентрацией 0,01 % непосредственно в напорную магистраль на выход насоса 7. Пенообразователь Т-80 применялся в количестве 2,5 мг/дм3 в виде 10 % раствора и подавался в прямоточном режиме в ёмкость 4 и в циркуляционном режиме на вход насоса 12.
Для определения параметров и показателей водоочистки использовались представленные ниже формулы. Степень очистки вычислялась как извлечение нефтепродуктов в пену:
Е = 100% - х 100%, (1)
С и ,
где Ск, Си - концентрации нефтепродуктов в последней стадии флотации и в исходной воде, мг/дм3.
Производительность одного реактора по воде Щр вычисляется как доля общего потока, идущего в сепаратор:
М, = М ■
(2)
где п - число реакторов.
Общая производительность установки равна сумме потоков воды '^юды и воздуха "возд (в дм3/с), идущих в сепаратор:
М , = М + М ^ (3)
Газосодержание Г определяется как объёмная доля воздуха в воде, поступающей в сепаратор:
Г = М^ X100%, (4)
М ,
Скорости потоков определяются с учётом воздуха по общей формуле:
у = М, (5)
' 1000*3/ ’
где у. - скорость потока, м/с; Wi -
суммарная производительность воды и воздуха на і участке, дм3/с; 3, - пло-
Рис. 2.
Вредея пребывания в реакторе, Абсолютная скорость в реакторе, м/с
Время пребывания в сепараторе, с
Рис. 3. Вшяитстмтчервбттжы отчобъторрнакстраень очистки от нефтепродуктов
щадь поперечного сечения участка, где где у - объём участка, реактора или
2 у ''
рассчитывается скорость, м
сепаратора, дм , равный Ьх£і, Ь - длина
Время пребывания рассчитывается реактора, м.
По содержанию нефтепродуктов в
по формуле: V
І,
Мі
(6) очищенной воде доверительный интервал в опытах составил ±0,72 мг/дм3.
В заводских условиях изучено влияние на степень очистки сточных вод II системы ОАО «Московский НПЗ» от нефтепродуктов времени пребывания в реакторе и сепараторе (рис. 2 и 3), скорости движения потоков в реакторе и объёма реакторов (рис. 4 и 5), газосо-держания (рис. 6), распределения потоков по реакторам (рис. 7 и 8) и влияние типа схемы на степень очистки от нефтепродуктов и взвешенных веществ.
Обобщающими параметрами, определяющими степень очистки, являются время пребывания и скорость движения водовоздушного потока в реакторах и сепараторе. В соответствии с расчётными формулами (1)-(6) время пребывания в реакторе зависит от производительности установки, диаметра, длины и числа реакторов.
Последовательное расположение зон в реакторе-сепараторе и, соот-
ветственно, разделение основных этапов флотации качественно изменяет закономерности флотационного процесса [5]. Зависимости степени очистки от времени пребывания в реакторе (рис. 2), от скорости двухфазного потока (рис. 4) и от объёма реактора (рис. 5) носят экстремальный характер. В других конструкциях флотомашин степень очистки с увеличением времени возрастает по экспоненциальной зависимости [6, 7].
Эффективность флотационной очистки зависит от количества и размеров пузырьков воздуха. Частота соударений и прилипания увеличивается при уменьшении размеров пузырьков до 20^50 мкм. Такие размеры пузырьков образуются при напорной флотации и электрофлотации. В колонных противо-точных флотомаши-нах оптимальный диаметр пузырьков ограничен размером 200^400 мкм, так как пузырьки меньшего размера увлекаются потоком пульпы в хвосты [6, 7]. В реакторе флотомаши-
ны типа РС потоки воздуха и воды движутся в одном направлении, поэтому минимальный размер пузырьков не органичен. В объёме сепаратора при отсутствии процесса коалесценции пузырьков, как и при противоточной колонной флотации, возникают затруднения с отделением газовой фазы в пену. Из экспериментальных данных, представленных на рис. 3, следует, при уменьшении времени пребывания в сепараторе на 1 минуту извлечение нефтепродуктов падает на 4,8 %.
Наличие критической длины реактора и оптимальной скорости движения потока в реакторах определяет существование значения оптимального объёма реактора (рис. 5).
Эффективность очистки в значительной степени зависит от газосодержания (рис. 6), величина которого определяет число и размеры образующихся пузырьков в аэраторе, интенсивность процессов соударения и вероятность прилипания, а также скорость процессов укрупнения пузырьков в сепараторе.
Параметры реакторов, сепаратора и режимы флотации при условии соблюдения всех оптимальных и критических значений флотационной водо-очистки вычисляются по формулам (1)^(6). Постоянное время флотации в каждом реакторе при повышении производительности обеспечивается увеличением числа реакторов. На рис. 8 и 9 приведены зависимости концентрации нефтепродуктов после II стадии флотации и производительности установки от числа реакторов. Экспериментальные данные показывают, что при увеличении числа реакторов и, соответственно, производительности качество водоочистки остаётся на высоком уровне - содержание нефтепродуктов не превышает 4,1 мг/дм3. Одновременно, увеличение производительности приводит к умень-
Зависимость оптимальной производительности и объема сепаратора от числа реакторов
Число реакторов, п Общая производительность Щ0, м3/ч. Производительность по воде Щв, м3/ч Объём сепаратора Ус, м3
1 0,33 0,28 0,028
2 0,66 0,56 0,056
3 0,99 0,84 0,084
4 1,32 1,12 0,112
шению времени пребывания в сепараторе и, как следствие, к ухудшению степени очистки. Следовательно, с увеличением числа реакторов необходимо увеличивать объём сепаратора. Производительность и объём сепаратора в зависимости от числа реакторов представлены в таблице.
Одним из преимуществ новой конструкции реактора-сепаратора является малый объём пенного продукта. В РС предусмотрена зона для отстаивания пены в течение от 3^5 до 10^15 минут, после чего значительно обезвоженный пенный продукт импульсно снимается. При этом выход пены не превышает 1 %, а степень концентрации нефтепродуктов в среднем составляет 35 раз. При флотации в напорных флотаторах выход пенного продукта обычно равен 5^10 %. При использовании РС для флотациион-ной очистки на утилизацию с пеной поступает в среднем в 8 раз меньше шла-мов, чем после других флотаторов.
Зависимости содержания примесей в очищенной воде от исходного содержания имеют два характерных участка: на первом участке изменение остаточной концентрации не превышает ошибку опыта, а на втором - происходит ее резкий рост (рис. 9 и 10). Граничной концентрацией для нефтепродуктов является 100 мг/дм3, для взвешенных веществ
- 1000 мг/дм3. При высоком содержании примесей в воде, поступающей на очистку (на зависимости второй участок)
одной стадии флотации по прямоточной схеме недостаточно.
Недостатком прямоточной схемы является разрушение в аэраторе сформированных крупных, до 4 см в диаметре, флокул турбулентными пульсациями создаваемыми для дробления воздушной струи на мелкие пузырьки воздуха. Так как процесс разрушения флокул необратим, образуется большое количество мелких капель эмульсии нефтепродуктов и мелких частиц взвешенных веществ, скорость флотации которых очень низкая.
В циркуляционной схеме применяется косвенная аэрация флокулосо-держащего потока, когда в аэратор подаётся уже очищенная вода, не содержащая большого количества взвесей, чувствительных к сильной турбулентности. Водовоздушный поток из аэратора смешивается с флокулосодержа-щим потоком в тройнике 14 (рис. 1) и далее в реакторах сохранённые флоку-лы флотируются. К недостаткам циркуляционной схемы относятся уменьшение работы разделения за счёт смешения очищенных и исходных потоков воды, необходимость использования до-полнительного насоса, что приводит к усложнению схемы и повышению расхода электроэнергии. Схема с циркуляцией обеспечивает более высокое качество очистки, чем прямоточная (рис. 9, 10, 11 и 12), так как сохранение крупности флокул является более важ-
Газосодержание, %
Рис. 6. Зависимость степени очистки от газосодержания в реакторах
4,5
со ¡2 « ЕІ
^ 3,5
і *8 X >5
I 1
т ® то -г
£1 В
Н 5 I Т
Ф о
X О
&
2,5
1,5
Чи сло реакторов, шт
Рис. 7. Зависимости концентрации нефтепродуктов в очищенной воде от числа работающих реакторов
ным фактором, чем уменьшение работы разделения.
При использовании схемы очистки с циркуляцией качество очистки меньше зависит от состава исходной воды, содержание примесей в очищенной воде во всех режимах меньше, чем при применении прямоточной. Цирку-
ляционная схема очистки позволяет при невысоком исходном содержании примесей получить концентрацию нефтепродуктов в очищенной воде ниже на 2^3 мг/дм3, взвешенных веществ - на 5^10 мг/дм3, чем прямоточная. При большом исходном содержании примесей разница концентраций
О 90
85
4
3
2
нефтепродуктов увеличивается до 9^12
мг/дм3,
взвешенных веществ до 40^50 мг/дм3. Циркуляция потоков, как обратная связь, стабилизирует работу всей схемы.
Степень очистки от нефтепродуктов и взвешенных веществ при использовании циркуляционной схемы на 8-10 % выше, чем при работе по прямоточной схеме, и достигает 99,3 %
0 1 2 3 4 5
Число реакторов, шт
Рис. 8. Зависимость производительности установки от числа реакторов
О
£
£
Ф
3
У
О
ш
ш
о
о
а
с
ф
н
■&
ш
га
56
а
ш
Ч
о
о
10
10000
100 1000 Содержание нефтепродуктов в исходной воде, мг/дм3
Рис. 9. Зависимость содержания нефтепродуктов в очищенной воде от содержания нефтепродуктов в поступающих на очистку промстоках
Флотационная схема водоочистки с применением реакторов-сепарато-ров зависит от содержания нефтепродуктов и взвешенных веществ в сточных
водах. При увеличении содержания примесей схема должна изменяться от одностадиальной прямоточной до двухстадиальной
Содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/дм3
Рис. 10. Зависимость содержания взвешенных веществ в очищенной воде от их содержания в исходных промстоках
Рис. 11. Зависимость степени очистки от нефтепродуктов от времени пребывания в сепараторе для различных схем организации потоков
циркуляционной. У сложнение схемы флотации компенсируется улучшением качества очистки при больших содержаниях примесей за счёт сохранения крупности флокул в циркуляционных схемах. Применение в
исследованиях двухстадиальной схемы позволило снизить концентрацию нефтепродуктов с 2500 до 12,4 мг/дм3, при флотации в две стадии по циркуляционной схеме - с 5400 до 14,3 мг/дм3.
Рис. 12. Зависимость степени очистки от взвешенных веществ от времени пребывания в сепараторе для различных схем организации потоков
Процент циркуляции, %
Рис. 13. Зависимость степени очистки промышленных стоков от циркуляции
В настоящее время на ОАО «Московский НПЗ» проводятся испытания автоматизированной опытно-промышленной флотационной установки производительностью до 12 м3/час,
включающей две стадии флотации в реакторах-сепараторах новой конструкции по схеме с циркуляцией для очистки сточных вод от нефтепродуктов и твёрдых взвесей.
1. Патенты Ш 4,938,865, Ш 5,332,100, ЛИ 7 6108/91, ЛИ 8 3980/91
2. Патент РФ № 2214871 приоритет 17.12.2002, ноу-хау №75-009-2004 от
30.11.2004, ноу-хау №76-009-2004 от
30.11.2004.
3. Закономерности флотационной очистки сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ в реакторе-сепараторе /Самыгин В. Д., Филиппов Л. О., Панин В. В., Стенин Н. Ю./ - Материалы V конгресса обогатителей стран СНГ, том I. Москва, 2005. - с. 200-204.
4. Показатели флотационной очистки сточных вод от нефтепродуктов и взвешен-
ных веществ при применении реактора-сепаратора /Самыгин В. Д., Филиппов Л. О., Панин В. В., Стенин Н. Ю., Рогачёв Ю. В./ -Материалы V конгресса обогатителей стран СНГ, том I. Москва, 2005. - с. 205-207.
5. Kanel J. S. et al. патент US 5,951,875 (1999)
6. Finch, J.A. Column Flotation: A Selected Review, Part IV - Novel Flotation Devices, Minerals Engineering, 1995.-Vol. 8.- №6.- pp. 587602.
7. Манцев А.И. Очистка сточных вод флотацией. Киев, Будiвельник, 1976. - 132 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Самыгин В.Д., Филиппов Л.О., Панин В.В., Стенин Н.Ю., Рогачёв Ю.В. - Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет).
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г.В. ПЛЕХАНОВА
ГЛУШЕНКОВ Евгений Владимирович Обоснование эффективных ресурсосберегающих технологических схем обработки склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов угля 25.00.22 к.т.н.
ЗЫКОВ Денис Борисович Геомеханическое обоснование устойчивости выработок в рыхлых рудах 25.00.20 к.т.н.
