CC BY
27
УДК. 66.069.82
М.А. Носырев, Р.Б. Комляшев, А.В. Вешняков, С.И. Ильина, Г.В. Терпугов.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ВОДОПОДГОТОВКА НА ХИМИЧЕСКОМ ПРЕДПРИЯТИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕМБРАННЫХ МОДУЛЕЙ НЕЭКВИВАЛЕНТНОГО ПЕРЕНОСА
В статье рассмотрен один из ключевых процессов на химических предприятиях -это процесс водоподготовки. Предлагается на основе разработанной технологии неэквивалентного переноса проводить умягчение воды, а полученный концентрат использовать для улавливания диоксида серы и диоксида углерода. Также составлен материальный баланс мембранного модуля и, исходя из этого, рассчитано необходимое количество аппаратов для проведения процесса водоподготовки.
This article is about one of the most important processes of chemical industry - water conditioning. We suppose using already developed technology of nonequivalent transfer for water softening and utilizing obtained concentrate for sulfur dioxide and carbon dioxide trapping. Also material balance of single membrane module was worked out and number of apparatuses for water conditioning was calculated.
Хорошо известно, что одну из ключевых ролей в промышленности и сельском хозяйстве играет вода. Вопросы водоподготовки и организации водно-химического режима электростанции имеют большое значение для обеспечения работы электростанции и предприятий тепловых сетей без повреждений и снижения экономичности, вызываемых коррозией внутренних поверхностей водоподготовительного, теплоэнергетического и сетевого оборудования, а также без образования накипи и отложений на теплопере-дающих поверхностях, отложений в проточной части турбин, шлама в оборудовании и трубопроводах электростанций и тепловых сетей. Тепловые электростанции потребляют большое количество воды. Основными потребителями являются конденсаторы турбин, где вода (циркуляционная) используется для конденсации отработавшего пара и поддержания вакуума. Кроме того, вода расходуется для охлаждения генераторов водорода и охлаждающего воздуха крупных электродвигателей, для охлаждения масла турбогенераторов и питательных турбонасосов, для охлаждения подшипников вспомогательных механизмов - техническая вода, для гидрощлакозоло-удаления, для восполнения потерь пара и конденсата в цикле станции [1]. Все существующие мембранные технологии - микро- и ультрафильтрация, нанофильтрация (низконапорный обратный осмос) и обратный осмос - являются методами эквивалентного переноса растворенных веществ [2]. Эквивалентность переноса ионов, например №+-ионов и СГ-ионов, хорошо иллюстрируется данными табл.1, из которой видно, что селективность мембран по этим ионам практически совпадает.
Это приводит к тому, что все традиционные мембранные установки наряду с очищенной водой производят определенное количество концентратов (рассолов), которое колеблется в пределах 15^30% объема поступающей на очистку воды.
Таблица 1. Селективность мембран по ионам металлов, %, при разделениирастворов _электролитов_
Раствор электро- Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl"
лита
NaCl - Н20 88,1 - - - 87,0
KCl - Н20 - 87,2 - - 85,3
CaCl2 - Н20 - - 92,5 - 91,5
MgCl2 - Н20 - - - 93,4 93,2
Такие концентрированные растворы должны быть утилизированы в производственных процессах безопасным захоронением или подвергнуты дальнейшему концентрированию для получения твердых солей, с последующим их использованием. Следует отметить, что до настоящего времени проблема не решена даже в США и Японии.
Данную проблему позволяет решить новая технология мембранного разделения, основанная на неэквивалентном переносе (прямом осмосе) ионов растворенных веществ через полупроницаемую мембрану. В этом процессе указанный недостаток отсутствует благодаря тому, что через мембрану проходят ионы растворенных веществ, например ионы Са2+, в то время как в традиционном процессе обратного осмоса через мембрану проходит вода и задерживаются ионы растворенных веществ (Пат.2325945 РФ) [3]. Для рассматриваемых процессов имеет место следующее соотношение концентраций растворенных веществ:
для обратного осмоса сз>с1к>сш>с2;
для нового метода баромембранного разделения сз = С2 > с1н > с1к, где с1н - концентрация на входе в мембранный модуль, с1к - концентрация на выходе из мембранного модуля, с2 - концентрация в прошедшем через мембрану растворе, сз - концентрация вблизи мембранного слоя.
В нашем методе используется эффект концентрационной поляризации, и поэтому не требуется проводить турбулизацию разделяемого раствора, а, наоборот, скорость движения разделяемого раствора вдоль поверхности мембраны должна быть как можно меньше. Это позволяет дополнительно снизить энергозатраты [4].
Разработанная нами технология неэквивалентного переноса или прямого осмоса решает одновременно несколько задач:
- умягчить воду;
- заменить установки обратного осмоса и ионного обмена;
- исключить применение реагентов для регенерации ионообменных смол или мембран;
- использовать воду с пониженным содержанием солей;
- избежать образования рассолов и получить раствор Са(ОН)г + Mg(OH)2 с рН = 9-11, который можно использовать для улавливания СО2, 802, К0х и других газовых выбросов [4].
На основе рассмотренной технологии предлагается использовать мембранный модуль, представляющий собой металлическую ячейку с керамическими мембранами [5], для умягчения воды в процессе водоподготовки на химическом предприятии. Процесс рассмотрен на примере процесса во-
доподготовки на предприятии ОАО «Воскресенские минеральные удобрения». Подпитка водооборотного цикла составляет 3500 м /сут. Содержание солей жесткости в воде, поступающей на производственные нужды, для данного завода составляет 5 мг-экв/л. По ГОСТУ 2761-84 оборотная вода должна содержать не более 2,^3 мг -экв/л. Таким образом, требуется умягчение поступающей воды. В настоящее время для этой цели используются ионообменные смолы, которые требуют сложного и дорогостоящего процесса регенерации. Очевидно, что мембранные процессы водоподготовки представляются более рентабельными.
В представленной работе приводится материальный баланс мембранного модуля, схематично изображенного на рис.1.
Ун, сн
г
Ук Ск
Рис.1. Схема мембранного модуля. Ун, сн - объёмный расход и концентрация исходного раствора; Уд, Сд - объёмный расход и концентрация дилюата; Ук, Ск - объёмный расход и концентрация концентрата.
Система уравнений материального баланса мембранного модуля имеет вид:
[V = Уе + Ул
\у, .с. = уЁ .пЁ + Ул ■ пА
Экспериментально установленная степень концентрирования мембраны составляет 400%, при производительности мембранного модуля 50 л/ч [4].
Степень концентрирования может быть выражена через концентрации:
<р = Пё ~Щ -100% (2).
На основе уравнений 1 и 2 получено, выражено для производительности мембранного модуля по фильтрату:
1 - Пл /Пг
УЁ = У; ' ,-П-П- (3).
1-Р-пл1п1
Таким образом, для рассматриваемого нами завода производительность по фильтрату составляет 10% от исходного значения подпитки водооборотного цикла или 346,5 м3/сут., и потребуется 288 мембранных модулей. Полученный фильтрат в дальнейшем планируются использовать для поглощения диоксида серы, соединений фтора и диоксида углерода из газовых выбросов.
Из представляемой работы можно сделать следующий вывод: на кафедре ПАХТ РХТУ им. Д. И. Менделеева разработана технология неэквивалентного переноса, которая позволяет проводить процесс умягчения воды, а получаемый концентрат использовать для улавливания С02, Б02, КОх и других газовых выбросов.
Библиографические ссылки:
1. Клаишии Ю.П. Умягчение воды ионообменным и барометрическим методами: Нижегородский госуниверситет, 2011
2. Ветошкин А.Г. Процессы и аииараты газоочистки: ПГУ, 2006
3. Пат. № 2325945, РФ, МПК ВОЮ 71/02. Бюл. № 16, 2008. Мембрана из неорганического материала и сиособ её ирименения // Териугов Г.В. Мы-нинВ.Н.
4. Комягина Е.А., Мынин В.Н. и др. Пути решения ироблемы очистки сточных вод // Экология и иромышленность России, 2008
5. Териугов Г.В., Кабанов О.В. и др. Новые технологические ироцессы с ирименением мембран: М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009
УДК 66.069.82
М.А. Носырев, Г.В. Терпугов, С.И. Ильина, А.В. Вешняков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИКИ В АБСОРБЦИОННЫХ АППАРАТАХ С ПСЕВДООЖИЖЕННОЙ НАСАДКОЙ
Предложен способ улавливания СОг и SO2, подобран тип аппарата для поглощения этих газов, проведены исследования процесса абсорбции в аппарате с псевдоожиженной насадкой, подобрано уравнение для расчета скорости захлебывания, получены коэффициенты для этого уравнения в случае работы аппарата с шаровой насадкой.
The way of catching of CO2 and SO2 is offered, the device type for absorption of these gases is picked up, researches of process of absorption in the device with a fluidizated nozzle are carried out, the equation for calculation of speed of entrainment flooding is picked up, factors for this equation in case of operation of the device with a spherical nozzle are received.
В настоящее время наша планета стоит на грани экологической катастрофы. Во-первых, существует угроза глобального потепления. Одна из причин этого явления - выброс в атмосферу «парниковых» газов, к которым относится и СО2. Во-вторых, природе и жизнедеятельности человека наносят вред выпадение кислотных дождей, что связано с выбросами в атмосферу различных окислов азота и серы. Кроме этого, еще одной экологической проблемой является сброс сточных вод различных хозяйственных предприятий.
Как уже не раз отмечалось [1]: лишь комплексный подход позволяет наиболее оптимально решить ту или иную проблему.
На промышленных предприятиях, а также на ТЭЦ, присутствуют линии водоподготовки, где проводится умягчение и обессоливание воды. В результате получают концентрат с повышенным содержанием ионов Ca2+ и Mg2+, который часто просто сливают. В РХТУ им. Д.И. Менделеева разрабатывается технологическая схема, в которой такая вода может быть использована для улавливания газов СО2 и SO2.
Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в жидкости (абсорбенте), либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а
