Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технико-экономическое обоснование выбора производства

Для выбора места строительства проектируемого цеха наиболее важными факторами являются природные условия, топливно - энергетические, сырьевые, земельные и трудовые ресурсы экономические предпосылки.

Местом строительства проектируемой водоочистной станции предполагается в районе г. Волгодонск Ростовской области. Обусловлено это в первую очередь потребностью города в качественной питьевой воде.

Главный источник водоснабжения - Цимлянское водохранилище, которое предоставляет воду для очистки в необходимом количестве. Сырьем для производства озона, используемого для обеззараживания исходной воды, является воздух, что исключает затраты на доставку сырья.

Энергетическое обеспечение осуществляется имеющейся в районе строительства.

Транспортировка готовой продукции производства осуществляется по железнодорожным магистралям.

Население города составляет тысяч человек, что позволит обеспечить производство трудовыми ресурсами. В городе работает ряд учебных заведений, обеспечивающих предприятия техническим и инженерным персоналом.

Для климата характерна широтная и вертикальная зональность, отражающая изменение температуры и распределение осадков на территории региона.

Северо-Кавказский регион, к которому относится Ростовская область, обладает большими ресурсами термальных вод, которые могут быть использованы в теплоснабжении гражданских и промышленных зданий.

Питьевую воду планируется поставлять в город Волгодонск, а осветленную техническую воду. Таким образом, предполагаемое место строительства проектируемого цеха в районе г. Волгодонска целесообразно и экономически выгодно.

2. Технологическая часть

2.1 Выбор и обоснование способа производства

Существуют два основных способа получения озона: с помощью «тихого» разряда и электрохимическим методом.

Известны изобретения, относящиеся к электрохимическому производству, а именно к электрохимическому получению озона в диафрагменном электролизере путем электролиза водных растворов электролитов. Такой электролизер может быть использован в любой отрасли промышленности, применяющей озон для различных целей (окисления, обеззараживания воды, помещений и т.д.).

Известен электролизер, в котором осуществляется технологический процесс по получению озона с высоким выходом по току / А.С. №1421808 СССР/, но в техническом решении этот процесс не представляет интереса для использования в народном хозяйстве. Электросинтез озона проводится в диафрагменном электролизере, представляющем собой стакан из полиэтилена, внутри которого помещается диафрагма из пористого фторопласта, изготовленного из фторполимерной пленки с отверстиями. Такая конструкция электролизера обеспечивает получения озона в небольших количествах (максимальная сила тока до двух ампер) и не позволяет увеличивать параметры технологического процесса, характеризуется малой мощностью электролизера. С этой конструкцией невозможно перейти даже на пилотные установки по получению озона электрохимическим методом, так как производительность быстро падает из-за разогрева электролита. Такое техническое решение теряет практическую ценность.

Разработаны конструкции озонаторов с управляемой производительностью для получения высококонцентрированной озотно-кислородной смеси (до 35…40% масс.) электрохимическим путем из водных растворов солей фторидов /Патент 2091506 Россия. - кл. 6С25В 1/00, №27, 1997 г./. Предлагаемые современные озонаторы упрощенной конструкции с использованием дешевых химическистойких материалов, отличаются надежностью, безопасностью в эксплуатации, компактностью, бесперебойной работой, низкой изнашиваемостью анода и применением источников питания низкого напряжения (6…10 В). В качестве электродов используют тигли из стеклоуглерода (ТУ 4820-17-82), имеющих ввод и вывод охлаждающего агента. Предлагаемый аппарат электролизера может найти применение как удобный генератор озона высокой концентрации в химических лабораториях, медицине, сельском хозяйстве и для обеззараживания высокотоксичных отходов.

Известно также множество вариантов конструкций генераторов озона с помощью коронного или «тихого» электрического разряда, либо за счет УФ - излучения. Это, в основном, изобретения стран США, Японии, ФРГ и России.

Например, известен генератор озона с пластинчатыми высоковольтными электродами, отличающийся использованием тонких стеклянных дисков в качестве диэлектрика /Патент 4818498 США, МКИ С 01 В 13/12, заявл. 26.06.84, опубл. 04.04.89/. Генератор озона состоит из множества электродов, выполненных в форме металлических дисков, к которым примыкают стеклянные диски. С помощью диэлектрических прокладок создаются разрядные промежутки. Такая конструкция требует высокой точности изготовления и сборки рабочих деталей, источник высокого напряжения, а реализуемый озон в газовом потоке имеет низкую концентрацию. Все это является недостатками данного технического решения.

Известно также устройство генератора озона, отличающегося эффективностью /Патент 38/9304 ФРГ, МКИ С 01 В 13/11, заявл. 3.06.88, опубл. 7.12.89/. В этом устройстве внутренний высоковольтный электрод представляет собой сплошной или полый шестигранный металлический стержень, на сторонах которого сделана насечка. Внешний металлический электрод имеет форму кругового цилиндра (труба) и расположен соосно с первым электродом; снаружи он охлаждается проточной водой. Между электродами помещена стеклянная трубка. Под воздействием высокого напряжения между электродами возникает тихий электрический разряд. В разрядные промежутки направляется газовый поток, содержащий кислород, который частично превращается в озон. Недостатки этого решения: низкая концентрация озона в газовом потоке, разрушение стеклянных деталей под действием вибраций, подвод источника высокого напряжения.

Для получения озона «тихим» разрядом используют обычно два основных типа генераторов - пластинчатые и трубчатые.

Пластинчатые генераторы представляют собой совокупность диэлектриков и плоских металлических электродов, помещенных в закрытую емкость, снабженную системой охлаждения. Электроды чередуются в определенной последовательности: электрод высокого напряжения, диэлектрик, электрод низкого напряжения и так далее.

Трубчатые генераторы состоят из концентрических электродов и трубчатых диэлектриков, установленных в герметичной емкости, оборудованной системой водяного охлаждения. Конструкции трубчатых озонаторов отличаются друг от друга расположением электродов (вертикальное и горизонтальное), а также положением диэлектрика по отношению к системе подачи охлаждающей воды. В настоящее время наибольшее распространение в практике нашли трубчатые озонаторы с электродами в горизонтальном исполнении, зарекомендовавшие себя как высокоэффективные и экономичные.

Трубчатыми озонаторами оборудованы практически все новые средние и большие станции озонирования природных и сточных вод, а так же установки по дезинфекции вод плавательных бассейнов. Пластинчатые генераторы используют в основном на небольших давно построенных станциях пропускной способностью 200 м³/сут.

Присутствие влаги в межэлектродном пространстве существенным образом влияет на производительность и срок использования генераторов. Это объясняется тем, что находящиеся в воздухе окислы азота, реагируя с водой, образуют азотную кислоту, которая в свою очередь взаимодействует с металлом электрода, выводя последний из строя. Наличие влаги приводит также к искрению электродов, ускоряющему их разрушение. Для предотвращения этого воздух подвергается либо прямой сушке при высоком давлении, либо обезвоживанию в две стадии при низком давлении. Преимущества первого метода в простоте технологической схемы обработки воздуха, а недостатки - значительное потребление энергии на компримирование воздуха.

При сушке воздуха в две стадии с давлением газовой смеси 0,08 - 0,1 МПа достигается высокая стабильность физических характеристик поступающего в озонатор воздуха независимо от изменения качества забираемого компрессорами атмосферного воздуха.

Озонаторные установки питаются током частотой 50/60 или 600 Гц. При использовании переменного тока частотой 50/60 Гц производительность генераторов регулируется изменением приложенного напряжения, например, через автотрансформатор. Величина соs ц при питании генераторов током с такой частотой не превышает 0,4. Преимущества использования переменного тока с частотой 600 Гц состоят в следующем: а) возрастает мощность аппаратов, что позволяет уменьшить их габариты; б) достигается повышение соs ц до 0,9, то есть увеличивается активная мощность; в) упрощается обслуживание и регулирование аппаратов; г) обеспечивается возможность эксплуатации озонаторов при более низком напряжении с одновременным повышением их коэффициентом полезного действия.

2.2 Характеристика сырья и требования к готовому продукту

Таблица 2.1 Характеристика исходного сырья и материалов

Наименование сырья и материалов	Государственный или отраслевой стандарт, технические условия, регламент или методика на подготовку сырья	Показатели по стандарту, обязательные для проверки
Вода речная	СанПиН 1.4.1074 - 01	Табличные данные
Озон
Плиоксихлорид алюминия (Аква-Аурат-30)	ТУ 6-09-05-1456-96	Перед использованием в производстве, показатели качества, предусмотренные ГОСТом, не проверяются
Полиакриламид (ПАА)	ТУ 6-011-04981	Перед использованием в производстве, показатели качества, предусмотренные ГОСТом, не проверяются

Качественные показатели хозяйственно-питьевой воды

Хозяйственно-питьевая вода должна быть безвредна для здоровья человека, иметь хорошие органолептические показатели и быть пригодной для использования в быту. Показатели качества хозяйственно-питьевой воды регламентированы ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая», основные показатели которого приведены в таблице 2.2

Таблица 2.2

№	Наименование примесей, содержащихся в воде	Допустимые пределы содержания примесей
1	Мутность	до 1,5 мг/л
2	Цветность	до 20 град
3	Запахи и привкусы при 20 0С	до 2 балл
4	Водородный показатель	6…9
5	Общая жесткость	до 7 мг. экв/л
6	Фтор	0,7…1,5 мг/л
7	Железо	до 0,3 мг/л
8	Марганец	до 0,1 мг/л
9	Хлориды	до 350 мг/л
10	Сульфаты	до 500 мг/л
11	Сухой остаток	до 1000 мг/л
12	Остаточный алюминий	до 0,5 мг/л
13	Медь	до 1,0 мг/л
14	Цинк	до 5 мг/л
15	Гексаметафосфат	до 3,5 мг/л
16	Триполифосфат	до 3,5 мг/л
17	Полиакриламид	до 2,0 мг/л
18	Берилий	до 0,0002 мг/л
19	Молибден	до 0,25 мг/л
20	Мышьяк	до 0,05 мг/л
21	Свинец	до 0,03 мг/л
22	Селен	до 0,001 мг/л
23	Стронций	до 7,0 мг/л
24	Нитраты	до 45,0 мг/л
25	Общее количество бактерий в 1 мл	до 100
26	Коли индекс	до 3
27	Коли титр	до 300

2.3 Физико-химические основы производства

Физико-химические основы коагулирования примесей воды

Основными процессами улучшения качества воды для хозяйственно-питьевых целей являются осветление, обесцвечивание, обеззараживание, фторирование, обеззараживание.

Осветление воды - удаление из нее взвешенных частиц. Одним из наиболее широко применяемых на практике приемов снижения взвеси в воде является седиментация под действием сил тяжести. Однако примеси, обусловливающие мутность и цветность природных вод, отличаются малыми размерами, вследствие чего их осаждение происходит крайне медленно, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Для ускорения процессов осаждения, фильтрования и флотации и повышения их эффективности прибегают к коагулированию примесей воды.

Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения мельчайших коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов - хлопьев и отделением их от жидкой среды.

При добавлении к воде коагулянта первоначально формируются хлопья (в виде цепочек) из одного реагента, так как обычно в природных водах условия для его коагулирования более благоприятные, чем для примесей воды. На поверхности сформировавшихся хлопьев коагулянта адсорбируются примеси воды. В свою очередь цепочки коагулянта могут прилипать к поверхностям крупных примесей. В конечном счете образуются глобулы (хлопья), при осаждении которых достигается осветление и обесцвечивание воды. Кроме того, на поверхности хлопьев могут адсорбироваться растворенные органические вещества, обуславливающие привкусы и запахи воды, чем достигается определенная ее дезодорация.

При внесении в обрабатываемую воду коагулянта (сульфата алюминия) происходит его диссоциация на ионы металла и анионы сильных кислот. Ионы трехвалентных металлов, принимая участие в обмене с одновалентными катионами диффузного слоя гидрофобных примесей воды, способствуют уменьшению их агрегативной устойчивости и вследствие этого сжатию диффузного слоя.

Обменная адсорбция катионов протекает очень быстро и заканчивается в результате исчерпания обменной способности коллоидов и установления равновесия между катионами, присутствующими в воде и находящимися в адсорбционном слое. После этого протекает и идет параллельно гидролиз избытка коагулянта, заканчивающийся образованием коллоида алюминия.

Поскольку природные воды имеют запас щелочности, то введенный катион алюминия вступает во взаимодействие с карбонат- и гидрокарбонат-ионами с образованием малорастворимого гидроксида алюминия:

Al³⁺ + 3HCO₃^? > Al(OH)₃v + 3CO₂^ (2.1)

2Al³⁺ + 3CO₂^2? +3H₂O > 2Al(OH)₃v + 2CO₂^ (2.2)

Гидроксид алюминия образует в воде золи с положительным зарядом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают общее коагулирующее действие введенной соли.

При применении в качестве коагулянта сернокислого алюминия в зависимости от условий процесса гидролиза возможно образование коллоидов малорастворимых оснований солей алюминия:

А1³ + 3Н₂О > А1 (ОН)₃v + 3Н⁺ (2.3)

А1³⁺ + SО₄^2- + Н₂О > Al(OH) SO₄v + H⁺ (2.4)

2 А1³⁺ + SО₄^2- + 4 Н₂О > Al₂(OH)₄SO₄v + 4H⁺ (2.5)

Из вышеприведенных реакций становится очевидным, что выделяющиеся при гидролизе ионы водорода задерживают дальнейший ход реакции. Наряду с этим наблюдается снижение величины рН воды, что сдвигает от изоэлектрической точки гидроксид алюминия и основные его соли и ухудшает тем самым условия их коагуляции. Отсюда очевидна необходимость связывания в зоне реакции образующихся при гидролизе ионов водорода, что достигается путем взаимодействия последних с анионами щелочности воды:

Н⁺ + НСО₃- > Н₂О + СО₂^ (2.6)

Н⁺ + СО₃^2- > Н₂О + СО₂^ (2.7)

Н⁺ + ОН- > Н₂О (2.8)

При недостатке щелочного резерва к воде добавляют известь или соду (подщелачивание). Из вышеприведенных реакций видно, что оптимально подщелачивание производить известью, так как не образуется углекислота и получается наиболее высокое рН воды. Процесс коагулирования примесей воды можно улучшить путем удаления углекислоты из зоны реакции продувкой воздухом.

На процесс коагуляции оказывают влияние следующие факторы: концентрация водородных ионов в воде; анионный состав воды; правильный выбор дозы коагулянта; щелочность воды; температура воды; условия перемешивания; быстрота смешения коагулянта с водой; содержание в воде естественных взвесей.

Растворимость гидроксида алюминия, образующегося при гидролизе коагулянта, мала. О ней можно судить по произведению растворимости (ПР), которое дает возможность оценить влияние находящихся в воде ионов на процессе их выделения. По И.Т. Гороновскому, указанные произведения равны:

ПР (А1 (ОН)₃) = [А1³⁺] [ОН-]³ = 2,0 • 10-³² (18 ⁰С) и 1,9 • 10-³³ (25 ⁰С) (2.9)

Содержание ионов металлов в воде (моль/л) зависит от рН и определяется зависимостью:

[Me³⁺] = lg ПР (Me(OH)₃)/ 10-^3рН (2.10)

Как видно из рисунка 2.1, в зависимости от рН воды состав коагулянта значительно изменяется. Следует отметить, что если в обрабатываемой воде содержание ионов металла коагулянта превышает растворимость его соединений при данном рН, то это вызывает ее пересыщение, ведущее к образованию отложений в коммуникациях.

Влияние рН воды на коагулирование ее примесей. Чем больше разница между рН обрабатываемой воды и рН изоэлектрического состояния вещества (рН_из), тем больше его заряд и тем больше его агрегативная устойчивость. Отсюда становится понятным значение рН исходной воды при коагулировании ее примесей. Образующийся при диссоциации ион алюминия принимает участие не только в образовании коллоидов гидроксида, но и активно действует в процессе обменной адсорбции катионов, вытесняя из диффузного слоя менее активные катионы. В результате меняются физико-химические свойства примесей и, что самое важное, изменяется их рН изоэлектрической точки. Так, новые значения рН_из для глинистых частиц и гуматов соответственно будут равны 7,1 и 7,0. Иными словами, в обычных условиях они будут коагулировать не только между собой, но и с гидроксидом алюминия, рН_из которого 7,2.

Влияние анионного состава воды на коагулирование ее примесей. Частицы гидроксида алюминия в слабокислой и нейтральной среде, сорбируя катионы водорода и алюминия, приобретают положительный заряд. В процессе коагулирования примесей воды происходит их адсорбция и адгезия на поверхности гидроксидов, выделение которых в осадок осуществляется в результате электролитной коагуляции солей, находящихся в обрабатываемой воде. Следовательно, анионный состав воды оказывает существенное влияние на электролитное коагулирование гидроксидов металлов при гидролизе в момент их формирования. И.Э. Апельцин, И.Т. Гороновский и другие подчеркивают коагулирующее влияние сульфат-иона. Так при коагулировании примесей в воде с солесодержанием до 100 мг/л процесс протекает вяло. Однако добавка сульфат-ионов ускоряет его ход и значительно расширяет зону оптимальных значений рН (рис. 2.2) в сторону понижения.

Максимальная скорость коагулирования обусловлена пороговыми концентрациями в воде следующих ионов: хлор-ион - 0,07 н.; гидроксидный ион - 0,1…0,3 н.; бикарбонатный ион - 0,005 н.; сульфат-ион - 0,001…0,002 н. Следовательно, коагулирование гидроксидов определяется наличием в природных водах бикарбонатных и сульфатных ионов, поскольку их концентрация обычно ниже пороговых, то и процесс коагулирования протекает менее интенсивно.

Катионы натрия, магния и кальция оказывают меньшее влияние на ход процесса коагулирования гидроксидов. Это не распространяется на воды со значительным содержанием сульфат-иона, когда ион кальция влияет на ход коагулирования, что объясняется образованием микросоединений сульфата кальция в адсорбционном слое коллоидных мицелл, представляющих собой центры коагуляции.

Правильный выбор дозы коагулянта имеет первостепенное значение для коагулирования примесей воды. Под дозой коагулянта подразумевается определенное количество реагента, которое добавляется к единице объема обрабатываемой воды. Доза коагулянта измеряется в мг/л, г/м³.

Влияние щелочности на процесс коагуляции. При введении в обрабатываемую воду сульфата алюминия, образуется гидроксид алюминия, который при обычных значениях рН воды не только коагулирует сам, но и вызывает коагуляцию агрегативно устойчивых примесей воды путем взаимной адсорбции. Реакции (2.3) и (2.6) показывают влияние щелочности на процесс гидролиза сульфата алюминия. Выделяющиеся при гидролизе сульфата алюминия ионы водорода понижают рН и, сдвигая его значения от изоэлектрической точки коагуляции гидроксида алюминия, ухудшают условия коагуляции. Одновременно избыток ионов водорода прекращает процесс гидролиза сульфата алюминия (2.7), (2.8). Поэтому наличие достаточного щелочного резерва имеет важное значение при рассмотрении условий протекания процесса коагулирования примесей воды

Влияние температуры воды на процесс коагуляции ее примесей. Молекулы воды, а также частицы ее примесей находятся в тепловом броуновском движении, интенсивность которого прямопропорциональна температуре воды. Процесс коагуляции во времени делится на две фазы: пирекинетическую и ортокинетическую. Первая фаза весьма непродолжительна и заключается в том, что после введения коагулянта и нарушения агрегативной устойчивости частиц примесей в результате обменной адсорбции ионов наступает процесс их агломерации при контактировании. Вероятность соударения отдельных частиц между собой и их последующая агломерация зависят от скорости взаимного перемещения, то есть от теплового броуновского движения (от температуры воды).

Пирекинетическая фаза процесса коагулирования заканчивается образованием первичных агрегатов, для дальнейшего передвижения которых энергии теплового броуновского движения уже недостаточно.

Влияние условий перемешивания воды на процесс коагулирования. Вторая фаза коагуляции - ортокинетическая, в отличие от первой протекает значительно дольше (до 60 мин. и более) и заключается в слипании и формировании крупных плотных хлопьев, что обеспечивается созданием оптимальных условий для дальнейшего укрупнения первичных агрегатов путем перемешивания обрабатываемой воды в специальных сооружениях - камерах хлопьеобразования, в результате которого происходит контактирование первичных мелких агрегатов. На этот процесс оказывают существенное влияние условия перемешивания. С одной стороны, интенсивность перемешивания должна обеспечивать максимально возможное контактирование отдельных агрегатов между собой, а с другой - она не должна вызывать разрушение образующихся хлопьев.

Влияние быстроты смешения коагулянта с водой и равномерности его распределения. При введении коагулянта в обрабатываемую воду очень важно обеспечить равномерность его распределения в ее объеме. В той части воды, где доза коагулянта будет явно недостаточна, процесс коагуляции не произойдет. В другой части объема воды, где доза коагулянта в избытке, будут образовываться очень крупные рыхлые хлопья с большим количеством молекул «захваченной» воды. Их плотность будет близка к плотности воды и поэтому они будут находиться в состоянии безразличного равновесия, не выпадая в осадок. И только в той части объема обрабатываемой воды, где доза коагулянта близка к оптимальной, процесс коагуляции будет протекать нормально. То есть, равномерное распределение коагулянта во всей массе обрабатываемой воды является необходимым условием для обеспечения надлежащего эффекта процесса коагулирования примесей воды.

Немаловажное значение имеет быстрота смешивания коагулянта с водой. При быстром и равномерном смешении создаются предпосылки для одновременного начала пирекинетической коагуляции во всем объеме воды, что существенно влияет на конечный эффект процесса.

Влияние на процесс коагуляции содержания в исходной воде естественных взвесей. Конечным продуктом процесса коагулирования воды являются хлопья, которые выделяются при осаждении, флотацией или фильтрованием. По своей структуре хлопья представляют собой цепочки гидроксида алюминия, на поверхности которых адсорбированы коллоидные и мелкодисперсные примеси. В свою очередь эти цепочки могут прилипать к поверхностям грубодисперсных примесей. Кроме того, в составе хлопьев находится некоторое количество молекул воды. При этом грубодисперсные примеси представляют собой как бы центры коагуляции, способствуя не только интенсификации процесса, но и формированию более крупных и плотных хлопьев, которые быстро высаживаются в осадок или легко извлекаются при фильтровании.

Физико-химические основы озонирования

Озон является аллотропической модификацией кислорода и при нормальных температуре и давлении представляет собой газ бледно-фиолетового цвета. В природном состоянии озон находится в высоких слоях атмосферы, где он возникает фотохимическим путем под действием солнечной радиации.

Различные методы позволяют получать озон синтетическим путем, но всегда растворенный в воздухе или кислороде. В производственных условиях озоно-воздушную смесь получают с помощью тихого электрического разряда в озонаторах.

Чистый газообразный озон можно получить с помощью фракционного сжижения и дистилляции смеси кислорода и озона. При температуре минус 111,9⁰С озон сгущается и превращается в нестойкую жидкость темно-синего цвета. Температура плавления озона минус 192,5⁰С. Молекулярный вес озона 48, вес 1 л газа при 0⁰С и 1 атм. составляет 2,144 г. Плотность озона в твердом состоянии 1,738 (при температуре минус 195,2⁰С), а в жидком состоянии 1,572 (при температуре минус 183⁰С).

Чистый озон взрывоопасен, так как при его разложении высвобождается значительное количество тепла.

Озон токсичен и действует на органы дыхания, а так же может поражать нервную систему.

Подавляющее большинство реакций идет через атомы или радикалы, поэтому химические свойства молекул определяются способностью образовывать атомы или радикалы и химической активностью этих частиц.

Газообразный кислород существует в стойком состоянии лишь в молекулярном двухатомном виде О₂. Молекула озона О₃ получается в результате особого сочетания трех атомов кислорода. Атом озона образуется по реакции:

озонирование питьевой вода

О₂ + О - О₃ + 103,32 кДж/моль. (2.11)

Молекула озона весьма неустойчива и легко диссоциирует на атом и молекулу кислорода. Образующийся атом кислорода сразу же вступает в реакцию с озоном с образованием молекулы кислорода:

О₃ + О - 2О₂ + 390,6 кДж/моль (2.12)

Для получения суммарного уравнения реакции синтеза озона из кислорода исключим из предыдущих уравнений атомарный кислород, являющийся промежуточным продуктом реакции, путем вычитания из первого уравнения второго:

3О₂ - 2О₃ - 284,28 кДж/моль (2.13),

Отсюда следует, что тепловой эффект при образовании моля озона; из кислорода составляет 143,64 кДж, реакция является экзотермической. Именно этим объясняется взрывчатость озона при определенных условиях. Практически взрыва озона не происходит, если концентрация его в озонно-кислородной смеси или озонно-воздушной смеси не превышает 10%. Такие смеси абсолютно безопасны при давлении в несколько атмосфер и при любых воздействиях, как-то: нагревании, ударе и в реакциях со следами органических загрязнений. Стопроцентный озон (то есть химически чистый) взрывается с огромной силой от самых ничтожных импульсов.

Механизм воздействия озона на вещества. Озон имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, что является главной причиной его активности по отношению к различного рода загрязнениям воды, включая микроорганизмы. При диспергировании озона в воду осуществляются два основных процесса Ї окисление и дезинфекция. Кроме того происходит значительное обогащение воды растворенным кислородом.

Окисляющее действие озона может проявляться в следующих формах: прямое окисление, окисление радикалами (не прямое окисление), озонолиз, катализ.

Прямые реакции окисления озоном растворенных веществ описывают в виде:

вещество + О₃ > окисел вещества

Примером таких реакций может служить окисление ряда органических и минеральных веществ (Fe²⁺, Mn²⁺), которые после озонирования осаждаются в форме нерастворимых гидроокисей или переводятся в диоксиды и перманганаты, удаляемые последующей очисткой на фильтрах.

Кинетика прямых реакций может быть выражена уравнением:

[C_t]

Їln ------- = k [O₃] t (2.14)

[C₀]

где [C₀], [C_t] Їначальная и конечная концентрации вещества, мг/л; k Ї константа скорости реакции, л/(моль•с); [O₃] Ї средняя концентрация озона во время прохождения реакции, мг/л; t Ї продолжительность озонирования, с.

Согласно этому уравнению, продолжительность озонирования, в течение которого концентрация вещества снижается до 37% начальной можно выразить следующим образом:

t = 1 / (k [O₃]) (2.15)

Непрямое окисление осуществляется большим числом активных радикалов (например, ОНя и др.), образующихся в результате перехода озона из газовой фазы в жидкость и его саморазложения. Интенсивность непрямого окисления прямо пропорциональна концентрации присутствующих в воде загрязнителей. Некоторые вещества подвергаются лишь прямому окислению, другие (например, органические кислоты с малым молекулярным весом) Ї окислению радикалами. Нередко наблюдаются процессы окисления какого-либо вещества совместным или последовательным воздействием прямого окисления и окисления радикалами.

Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые, так же как и озон, являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются:

С = С + О₃ > С Ї С > RЇCЇR' + R''ЇCЇR''' + Ѕ О₂ (2.16)

О₃ О О

Каталитическое воздействие озонирования заключается в усилении им окисляющей способности кислорода, который присутствует в озонированном воздухе.

Перечисляя возможные формы окисляющего воздействия озона, нельзя не отметить того факта, что по сравнению с другими окислителями озон быстрее вступает в реакции и в меньшей дозе.

Как известно, вода является транспортирующей средой для микроорганизмов: сапрофитных и патогенных бактерий, различных вирусов, водорослей грибов и т.д. Озон является сильным бактерицидным и вирулицидным агентом, но механизмы инактивации отдельных групп микроорганизмов еще точно не определены. Озон оказывает непосредственное влияние на цитоплазму и ядерную структуру клетки бактерии, вызывая прекращение активности сложных органических веществ белковой природы - энзимов. Вирусы уничтожаются при полном окислении материи, состоящей из белка и одной из нуклеиновых кислот. Инактивация бактерий и вирусов рассматривается не только как последствия прямого воздействия озона, но и как воздействие ряда других окислителей, образующихся при диффузии дезинфектанта в воду, в частности свободных радикалов.

В отличие от хлора, который пассивен по отношению к некоторым типам бактерий, озону отводится роль универсального окислителя, осуществляющего почти мгновенную инактивацию.

Совокупность всех форм окисляющего и дезинфицирующего воздействия озона позволяет широко использовать его в технике водоподготовки на разных стадиях обработки воды. Так, если преследуется цель дезинфекции, озон вводится на завершающей стадии очистки (постозонирование). Реакции окисления проявляются как в начале технологической схемы очистки, так и на любом ее этапе в зависимости от того, какой ингредиент загрязнения следует удалить. Насыщение воды кислородом в процессе озонирования способствует повышению степени окисления веществ, а также наиболее полному удалению растворенных органических загрязнений биологическим путем, если озонирование осуществляется перед фильтрацией и т.д.

Смешивание озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой.

Для обеспечения действия озона на воду необходима аппаратура, позволяющая быстро и с минимальной стоимостью осуществить полное смешивание больших объемов воды и озонированного воздуха.

Применяются следующие основные методы смешивания озоно-воздушной смеси с водой, а именно:

барботирование с помощью пористых или перфорированных диффузоров;

инжекция с помощью гидравлического эмульгатора;

механическая инжекция с помощью ротационного эмульсатора.

Наиболее простой и экономичный способ смешивания основывается на диффузии мельчайших пузырьков озона непосредственно в самой толще воды. Поэтому нужно создать условия для наилучшего контакта между газом и водой. Раньше полагали, что для эффективного рассеивания пузырьков воздуха в воде следует применять прокладки из щебня, перфорированные диски и другие устройства, аналогичные по своему рассеивающему действию. Все это оказалось совершенно излишним, так как пузырьки озонированного воздуха не сливаются друг с другом. Выходя в бесчисленном количестве из диффузора в контактную камеру, пузырьки рассеиваются в воде, совершая вращательные движения, и никогда не соединяются между собой.

Объем пузырьков возрастает по мере их восхождения снизу вверх по контактной камере, вследствие того, что давление воды в ней постепенно убывает. Однако количество озона в объеме пузырька по мере его подъема уменьшается, и к тому времени, когда пузырьки доходят до поверхности воды, весь содержащийся в них озон уже поглощен водной средой. Переход массы озона происходит путем диффузии через поверхность соприкосновения озонированного воздуха с жидкостью. Таким образом, необходимо максимальное развитие поверхности контакта воды и озоно-воздушной смеси.

Современные методы расчета перехода вещества из газовой фазы в жидкую основаны на пленочной теории диффузии. Согласно теории, по обе стороны поверхности соприкосновения образуются неподвижные пленки (диффузные слои), которые отделяют поверхность от основной массы соответствующей фазы. При этом делается допущение, что в основной массе фазы концентрации постоянны и изменения их происходят только в диффузной пленке.

В соответствии с пленочной теорией диффузии общее уравнение массопередачи показывает, что количество абсорбированного газа прямо пропорционально поверхности и продолжительности контакта фаз, участвующих в процессе.

Уравнение массопередачи для одного пузырька может быть представлено в виде:

- dG = k₁ F (C - C_в) dф (2.17)

где G - количество озона в пузырьке в г;

k₁ - коэффициент массопередачи (константа скорости процесса), см/сек;

F - площадь поверхности пузырька, см²;

С и С_в - объемная концентрация озона соответственно в газе и обрабатываемой воде, г/см³;

ф - время перехода газа из газовоздушной смеси в воду, сек.

Коэффициент массопередачи формуле можно записать в виде:

k₁ = D/z, (2.18)

где D Ї коэффициент диффузии, см²/сек;

z Ї толщина пленки, см.

Поттер предложил теорию граничных слоев, учитывающих их гидродинамическое состояние и возникающее распределение скоростей за счет движения ламинарных однонаправленных потоков. Следовательно, скорость перехода озона из газовоздушной смеси в воду, то есть весовое количество озона dG, растворяемое за элементарный промежуток времени dф, можно выразить уравнением массопередачи

dG

Ї ---------- = k₁ F(С_р - С_в), (2.19)

dф

где k₁ Ї коэффициент массопередачи, отнесенный к концентрации озона в жидкости, см/сек;

С_р Ї равновесная концентрация озона в воде, г/см³.

Уравнение показывает, что скорость растворения озона в воде возрастает с увеличением коэффициента массопередачи k₁, поверхности контакта фаз F и равновесной концентрации озона в воде С_р.

Гомелла при определении равновесной концентрации озона в воде С_р полагает необходимым учитывать влияние давления. Тогда

р

С_р = R_t C ---- (2.20)

р_а

где С - концентрация озона в газе;

р_а - атмосферное давление;

р - общее давление воды и газа в аппарате;

R_t - коэффициент распределения.

В процессе абсорбции озона водой можно различать три последовательных этапа: 1) образование пузырьков; 2) подъем их к водной толще; 3) разрыв пузырьков на поверхности воды. На первом этапе происходит непрерывное увеличение и обновление поверхности контакта фаз и скорость абсорбции весьма значительна. На втором этапе диффузия озона в толщу воды при постоянной ее глубине зависит от диаметра пузырька скорости его подъема и гидродинамических условий. Под этим общим определением следует понимать суммарную поверхность фаз, время пребывания пузырьков в контактной камере, равномерность и интенсивность смешивания озоно-воздушной смеси с водой. Третий этап характеризуется абсорбцией непрореагировавшего озона в слое воздуха над поверхностью воды в контактной камере. Поскольку концентрация озона здесь мала, а поверхность контакта относительно невелика, абсорбция на этом этапе не имеет существенного значения.

В сравнительно ограниченный период времени практически невозможно обеспечить переход всего озона из пузырьков в воду. Поэтому часть озона бесполезно теряется на выходе из контактных камер. Чем выше концентрация озона в озонированном воздухе, тем меньшими будут потери озона как по абсолютной величине, так и в процентном отношении. Основываясь на величине удельного расхода электроэнергии для производства озона, можно определить оптимальную концентрацию озона в озоно-воздушной смеси.

2.4 Описание технологической схемы производства

Сооружения водозабора и очистки речной воды состоят из:

насосной станции 1-го подъема;

водоочистных сооружений 2-го подъема.

Насосная станция 1-го подъема.

По подводящему каналу через первичные решетки вода подводится в две водоприемные камеры, совмещенные с насосной установкой. В водоприемных камерах установлены по всей ширине две вращающиеся водоочистные сетки с электрическим приводом. Из водоприемных камер через сетки вода поступает через всасывающие задвижки на четыре насосных агрегата. Перед напорными задвижками после насосов стоят обратные клапаны, предотвращающие обратный гидравлический удар. Запорные задвижки подключены к напорному коллектору. От коллектора отходят два водовода диаметром 1000 мм.

2. Очистные сооружения 2-го подъема.

Очистные сооружения 2-го подъема предназначены для получения осветленной воды для технических целей предприятия, и получения питьевой воды в соответствии с требованиями ГОСТа 222874-82 «Вода питьевая» и бесперебойной поставки ее жителям. Исходная вода из Цимлянского водохранилища, поступающая на очистные сооружения 2-го подъема, осветляется, фильтруется и обеззараживается озоном.

По двум стальным водоводам (поз. 1) протяженностью 16 км диаметром 1000 мм вода подается на смесители очистных сооружений. Для обеспечения бесперебойной работы водоводов после насосной станции второго подъема предусмотрена перемычка между правым и левым водоводом с отключающейся задвижкой, что дает возможность производить ремонтные работы на водоводе, не останавливая очистные сооружения. По водоводам вода движется в течение 2 - 2,5 часов и поступает в здание реагентного хозяйства (поз. 2).

Реагентное хозяйство предназначено осуществлять предварительную очистку воды, необходимую для технологических целей, а также исходную воду для фильтровального блока. В здании находятся склад мокрого хранения коагулянта и смесители.

Склад мокрого хранения коагулянта предназначен для приготовления и хранения раствора коагулянта (сульфат алюминия) и состоит из помещения насосной станции, растворных баков - 3 шт., баков хранилищ - 3 шт., воздуходувок ВВН-12 - 3 шт., кислотных насосов - 2 шт., шламовых насосов - 3 шт., дренажного насоса - 1 шт.

Коагулянт из железнодорожных вагонов доставляется на склад мокрого хранения коагулянта и загружается в растворные баки. Для перемешивания и растворения коагулянта от воздуходувок подается воздух в барботажную систему, состоящую из дырчатых нержавеющих труб. После приготовления 20% раствора коагулянта он перекачивается кислотными насосами или перепускается в баки хранилища. Из баков хранилищ раствор подается теми же кислотными насосами в расходные баки коагулянта, где доводится крепость до нужной концентрации и производится дозировка в обрабатываемую воду. Нерастворимый осадок, песок из растворных баков откачивается насосами ФГ216/24 в резервуар шламовой насосной (поз. 11). Шламовая насосная перекачивает осадок, по мере наполнения резервуара, в шламоотстойник, который находится на территории завода (новая площадка). Шламовая насосная станция, совмещенная с приемным резервуаром емкостью 560 м³, помимо шлама из мокрого хранения коагулянта рассчитана на прием шлама от горизонтальных отстойников во время промывки и продувки их. Сброс осадка в приемный резервуар производится последовательно из каждой секции отстойника без прекращения его работы. Емкость резервуара рассчитана на прием осадка с одного отстойника в течение 10-15 минут и перекачку этого объема насосами в течение одного часа.

Озонаторная представляет собой двухэтажное здание. Озон, получаемый на производственных установках, является нестойким газом, значительно разбавленный воздухом. С практической точки зрения концентрировать, хранить и транспортировать такой газ представляется неэкономичным и даже рискованным, учитывая свойственную озону взрывчатость. Поэтому полученный озон должен сразу расходоваться. Озоно-воздушную смесь получают в озонаторах из атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух пропускают через висциновый фильтр для очистки от пыли, после чего воздуходувкой через влагоотделитель нагнетают на охлаждающие устройства. В состав их входят: теплообменник с конденсатороотводчиком и фреоновая холодильная установка, состоящая из испарительно-регулирующего агрегата, компрессорно-конденсаторного агрегата и бака для рассола с циркуляционным насосом. Охлажденный и частично осушенный воздух поступает в блок осушки, состоящий из абсорбера и воздухонагревателя, и, пройдя через пылевые фильтры, направляется в генераторы озона. Озон получают под действием «тихого» электрического разряда, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Так как электрический разряд сопровождается тепловыделением, предусматривается водяное охлаждение электродов озонатора. Подача напряжения на озонатор производится от повышающего трансформатора с помощью высоковольтного кабеля.

Заключительной операцией технологического процесса является обеспечение соприкосновение озона и воды, то есть быстрое и полное смешивание больших количеств воды с озонированным воздухом в специальной контактной камере. Используются две контактные камеры, из которых одна служит для первичного озонирования, а другая - для вторичного озонирования. Диффузия озона в толщу воды в виде мельчайших пузырьков осуществляется через сеть дырчатых трубок, размещенных у основания контактной камеры. Первая контактная камера располагается в здании реагентного хозяйства.

В дни весеннего паводка включается в работу установка по приготовлению рабочего раствора полиакриламида, дополнительного реагента по очистке технической воды. Она состоит из емкости с мешалкой, подогревателя, расходного бака и поршневого насоса для подачи раствора на смесители.

Смесители вихревого типа обеспечивают перемешивание речной воды с растворами коагулянта и полиакриламида. Они представляют собой железобетонную емкость прямоугольной формы с пирамидальным днищем. Время пребывания воды в них 2 минуты.

После смесителей вода подается в камеры реакции, а затем отводится по лоткам в отстойники (поз. 3). Горизонтальные отстойники: 4 блока по 4 секции со встроенными камерами реакции представляют собой железобетонные сооружения. Из отстойников по боковым и концевым лоткам вода отводится через сборный коллектор в два резервуара осветленной воды (поз. 4) емкостью по 3000 м³ каждый. Удаление шлама из отстойников производится путем сбрасывания воды через дырчатые короба постоянного сечения, уложенные по дну отстойников, в шламовую насосную. Резервуары осветленной воды (поз. 4) предназначены для накопления осветленной воды с последующей подачей ее на насосную станцию 2-го подъема (поз. 5). Они выполнены из железобетонных конструкций, размер в плане 24х30 м, высота 4,96 м, максимальный уровень воды до перелива 4,8 м.

Насосная станция 2-го подъема (поз. 5) предназначена для подачи осветленной воды потребителю для технологических целей и подачи осветленной воды на блок фильтров для подготовки питьевой воды.

Блок фильтров (поз. 6) предназначен для окончательного осветления и обеззараживания хозяйственно - питьевой воды. В состав фильтровальной станции входят следующие сооружения:

здание блока фильтров и блока служебных помещений. Здесь размещены фильтры и вторая контактная камера для вторичного озонирования воды, резервуары питьевой воды (поз. 7) по 3000 м³ каждый;

насосная повторного использования промывной воды (поз. 10) с резервуаром 560 м³;

трубопроводы осветленной и промывной воды диаметром 500 мм и 600 мм; трубопроводы промывной воды и трубопровод канализации диаметром 500 мм и 600 мм соответственно; сбросы из фильтров в канализацию через задвижки диаметром 150 мм;

наружная площадка пескового хозяйства.

Отстоянная осветленная вода от насосной 2-го подъема (поз. 5) поступает по двум трубопроводам диаметром 600 мм в коллектор диаметром 1000 мм блока фильтров (поз. 6), - откуда распределяется по фильтрам через задвижки осветленной воды. Отфильтрованная вода поступает через задвижки отфильтрованной воды в водовод диаметром 600 мм, в котором производится вторичное озонирование (остаточная концентрация озона должна быть 0,4 г/м³) перед поступлением воды в резервуары питьевой воды. Дополнительное хлорирование осуществляется в водовод осветленной воды перед блоком фильтров.

Насосная повторного использования (поз. 10) промывной воды работает следующим образом: вода после промывки фильтров направляется через канализационную задвижку в коллектор диаметром 800 мм, сообщающийся с резервуаром насосной повторного использования емкостью 500 м³. Назначение насосной - предотвратить потери воды после промывки фильтров путем подачи ее в магистральные водоводы речной воды перед смесителями (реагентное хозяйство).

Питьевая насосная станция (поз. 8) предназначена для подачи питьевой воды потребителям промышленного района. Из двух резервуаров емкостью по 3000 м³ каждый, вода самотеком через задвижки поступает во всасывающий коллектор насосной установки. Насосами вода через напорные электрозадвижки поступает в напорный коллектор, а оттуда в два водовода диаметрами 1000 и 600 мм и по ним в водопроводную сеть.

Размещено на Allbest.ru

...