Расчет адсорбционной установки с неподвижным слоем сорбента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Наиболее эффективным методом очистки сточных вод, позволяющим практически полностью извлекать примеси из жидкой фазы является адсорбция. Адсорбционный метод основан на преимущественной адсорбции молекул загрязнений под действием силового поля в порах адсорбента.

При адсорбции из растворов извлекаются в основном молекулы органических веществ, а также коллоидные частицы и микровзвеси. Хорошо сорбируются фенолы, полициклические ароматические углеводороды, нефтепродукты, хлор- и фосфорорганические соединения. Соли, находящиеся в ионном виде, практически не извлекаются.

Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ. Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т. е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом.

Эффективность адсорбционной очистки зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе, и достигает 80-95%. Для адсорбции органических веществ из водных растворов в качестве сорбентов прежде всего применяют углеродистые пористые материалы либо органические синтетические сорбенты, а также некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки и др.) Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли.

Активные угли представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности.

Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, определяет своеобразную пористую структуру активных углей, а также их адсорбционные и физико-механические свойства. Порошкообразные активные угли используют для очистки воды однократно на городских станциях водоподготовки, вводя их вовремя или после коагуляции. Зерненые угли применяются для очистки воды фильтрации в аппаратах со сплошным слоем сорбента типа механического фильтра. Промышленность выпускает широкий ассортимент активных углей на древесной и каменноугольной основах, а также из полимерных волокон с известными физико-химическими и физико-механическими свойствами: фракционный состав, объемный вес р, механическая прочность Пр, а также сорбционными характеристиками: параметрами пористой структуры (объем микро-, мезо- и макропор Vми, Vме, Vма), распределением объема по размерам dV/dr.

1. Основные способы применения адсорбентов при очистке промышленных сточных вод

Выбор конструкции адсорберов прежде всего обусловлен дисперсным составом адсорбента, который принимается с учетом дефицитности, его стоимости и возможности регенерации.

В зависимости от дисперсного состава адсорбента принципиальные конструкции адсорберов можно подразделить на следующие типы:

- адсорбер с неподвижной или движущейся загрузкой, применяется для фракции 0,8-5 мм;

- адсорбер с псевдоожиженной загрузкой, применяется для фракций 0,25-2,5 мм;

- адсорберы-смесители применяются для фракции 0,05-0,5 мм;

- патронные адсорберы с фильтрованием воды через слой адсорбента толщиной 0,5-2 см, применяются для фракции 0,02-0,1 мм.

Адсорберы I типа могут применяться для очистки любых объемов сточных вод самого широкого спектра концентрации и химического строения извлекаемых примесей.

Адсорберы II типа наиболее целесообразно применять для очистки небольших объемов сточных вод с хорошо сорбируемыми загрязнениями.

Адсорберы III типа эффективно использовать для очистки небольших объемов высококонцентрированных сточных вод, а адсорберы четвертого типа для очистки небольших объемов низко концентрированных сточных вод (5-10 мг/л извлекаемых примесей).

Самыми распространенными являются адсорберы с неподвижным слоем загрузки (см. рис. 1.1), выполняемые в виде металлических колонн или бетонных резервуаров.

Рис. 1.1. Адсорбер с неподвижным слоем:

1 - сточная вода; 2 - очищенная вода; 3 - адсорбент, загрузка адсорбента; 4 - острый водной пар для регенерации адсорбента; 5 - продукты регенерации

Они представляют собой вертикальные однокамерные цилиндрические аппараты (колонны) из листовой стали с приваренными эллиптическими штампованными днищами. К нижнему днищу приварены три опоры для установки фильтра на фундамент. В центре верхнего и нижнего днища приварены патрубки для подвода и отвода сточной воды. К ним снаружи присоединяются трубопроводы, расположенные по фронту фильтра, а внутри -распределительные устройства, состоящие из вертикальных коллекторов, соединенных с радиально расположенными перфорированными трубами.

Корпус угольного фильтра снабжен двумя лазами - верхним и нижним.

На уровне нижнего распределительного устройства к корпусу фильтра приварен штуцер для гидравлической выгрузки отработанного угля.

Очистка сточных вод осуществляется фильтрованием воды через колонну, загруженную слоем адсорбента. Наиболее рациональное направление фильтрации жидкости через колонну с адсорбентом - снизу вверх, так как при этом она равномерно заполняет все сечение колонны и относительно легко вытесняет пузыри воздуха или газов, попадающих в слой вместе со сточными водами. Адсорбент применяют в виде зерен или частиц неправильной формы размером от 1,5-2 до 4-5 мм.

Условием применимости колонн с неподвижным слоем адсорбента является практически полное отсутствие взвесей (особенно минеральных) в сточных водах, поступающих в колонну. В противном случае заиливание слоя тонкой взвесью приведет к быстрому росту сопротивления фильтрации и прекращению работы адсорбера задолго до использования его поглотительной способности.

Колонны с неподвижным слоем активированного угля обычно применяют при регенеративной очистке цеховых сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых ценных продуктов. После насыщения адсорбента до проскока загрязнения в фильтрат подачу сточных вод в колонну прекращают, колонны освобождают от находящейся в ней воды, адсорбент подвергают регенерации.

Регенерация углей

Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) равна 200-300 °С, а инертных газов 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих - в 5-10 раз больше. После десорбции пары конденсируют вещество извлекают из конденсата.

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Для того чтобы при регенерации активированного угля извлеченные вещества были получены в возможно большой концентрации, весь слой адсорбента в аппарате должен быть насыщен поглощенными из сточных вод веществами до равновесия с концентрацией этих веществ в воде, поступающей в адсорбционную колонну. Если исчерпание емкости адсорбента происходит на коротком слое загрузки (за счет высокой эффективности адсорбции или малой концентрации адсорбата) и процесс можно прервать на период смены загрузки или ее регенерации, то вся высота загрузки, используемая для адсорбции, размещается в одном адсорбере. Если требуемая высота загрузки больше размеров одного адсорбера или процесс не может прерываться, то используются несколько последовательно работающих адсорберов, или порционный (дискретный или непрерывный) вывод из адсорбера отработанного адсорбента.

адсорбент очистка сточный вода

2. Технологический расчет адсорбционной установки с неподвижным слоем сорбента

В данной курсовой был выбран адсорбер с неподвижным слоем адсорбента - активного угля АР-А, периодической обработки и физическим процессом адсорбции. В соответствие с этим ведем расчеты по исходным данным.

Расчет адсорберов начинают с определения общей площади адсорбционной установки.

Площадь загрузки адсорбционной установки определяется по формуле:

, м² (1)

где - среднечасовой расход сточных вод, м³/ч;

- скорость потока, принимаемая не более 12 м/ч.

Принимаем = 10 м/ч

= 41,7 м²

Количество параллельно и одновременно работающих линий адсорберов при D = 3,0 м;

, шт (2)

= 5,9

Принимаем к работе 6 параллельно и одновременно работающих линий адсорберов при скорости фильтрации 10 м/ч.

Максимальная доза активного угля:

= , г/л (кг/м3) (3)

где - минимальная сорбционная емкость активного угля, мг/л, определяемая экспериментально.

- концентрация сорбируемого вещества соответственно до и после очистки, мг/л.

= = 19,7 г/л

Доза активного угля, выгружаемого из адсорбера:

= , г/л (4)

где - принимается равным 0,6 - 0,8;

- максимальная сорбционная емкость активного угля, мг/г

= = 0,4 г/л

Ориентировочная высота загрузки, обеспечивающая очистку до концентрации в течении времени =24 ч:

= , м (5)

где - насыпная плотность угля марки АР-А, г/см³

= = 10,4 м

Принимаем высоту загрузки адсорбента = 10,5 м

Ориентировочная высота загрузки, выгружаемой из адсорбера:

= , м, (6)

= = 0,2 м

Принимаем высоту загрузки = 0,5 м

Резервная высота загрузки = 3 м

Общая высота загрузки адсорбента в адсорбционной установке принимается с учетом установки одного резервного адсорбера:

= + + , м, (7)

м

Общее количество последовательно установленных адсорберов:

= , шт (8)

где - высота сорбционной загрузки одного фильтра, м, принимаемая конструктивно

= = 5,6

Принимаем количество адсорберов = 6 шт.

Продолжительность работы адсорбционной установки до проскока:

= , ч (9)

где е - пористость (порозность) слоя сорбента, которая выражает долю свободного объема слоя и определяется по формуле:

е = 1 - (10)

где - насыпная плотность адсорбента, то есть отношение массы свеженасыпанных твердых частиц занимаемому ими объему, г/см³; насыпная плотность учитывает воздушные прослойки между частицами и меньше как истинной, так и кажущейся плотностей;

- кажущаяся плотность адсорбента, то есть масса гранулы адсорбента, отнесенная к ее объему, включая объемы пор и газовых включений, г/см³

е = 1 - = 0,5

= = 9,2 ч

Продолжительность работы одного адсорбера до исчерпания емкости:

 = , ч (11)

= = 125 ч

Таким образом, требуемая степень очистки может быть достигнута непрерывной работой шести параллельных линий адсорберов, в каждой из которых по шесть последовательно установленных адсорбера, из которых один резервный находится в режиме перегрузки. Каждый адсорбер при этом работает в течение 125 ч, отключение одного адсорбера в последовательной цепи на перезагрузку производится через 9 ч.

Произведем расчет объема загрузки одного адсорбера:

= , м³ (12)

= 3,14 = 18 м³

Сухая масса угля в одном адсорбере:

= ?, т (13)

= 24?450 = 10800 кг ? 11 т

При перезагрузке шести адсорберов через каждые 9 ч (по одному из каждой линии) затраты угля составят:

= , т/ч (14)

= = 0,48 т/ч

Это соответствует дозе угля:

 = , г/л (15)

= = 1,2 г/л

3. Гидравлический расчет подводящих и отводящих трубопроводов

Трубопроводы являются неотъемлемой частью технологического оборудования. С их помощью передаются продукты в самых различных состояниях: жидкости, пары и газы, пластические и сыпучие материалы. Температура этих сред может находиться в пределах от низких (минусовых) до чрезвычайно высоких, а давление - от глубокого вакуума до десятков мегапаскаль.

Гидравлический расчет начнем с определения диаметра трубопровода:

D =, м (16)

где Q - расход сточных вод, приходящийся на один адсорбер, м³/ч

Так как работают шесть параллельных линий адсорберов, в каждой из которых по шесть последовательно установленных адсорбера, то их общее число составляет 36. Тогда расход сточных вод, приходящий на один адсорбер равен:

Q = = 11,6 м³/ч

Скорость воды в трубопроводе примем 3 м/с

D = = 0,08 м

Найдем потери напора на трение в трубопроводе:

 = , м (17)

где - коэффициент трения равный 0,028

- длина между резервуаром и адсорбером равная 30 м

g - ускорение свободного падения

= = 0,59 м

= Н - - , м (18)

где Н - общий напор принимаем равный 50 м

Р₁ - давление в резервуаре равное атмосферному

Р₂ - давление в адсорбере равное, Р₂= 2 Мпа

- плотность воды, = 1000 кг/м³

Н_г =0

= 50 - - = 39,8 м

Потери напора на местные сопротивления:

Р_м.с = - , м (19)

Р_м.с = 39,8 - 0,59 = 39,21 м

Заключение

В данной курсовом проекте был рассмотрен процесс адсорбции. Это широко используемый процесс для разделения и концентрирования веществ. Адсорбция -- это универсальный метод, позволяющий практически полностью извлечь примеси из жидкой фазы.

В данном курсовом проекте также было установлено, что требуемая степень очистки может быть достигнута непрерывной работой шести параллельных линий адсорберов, в каждой из которых по шесть последовательно установленных адсорбера диаметром 3 м. Каждый адсорбер при этом работает в течение 125 ч, отключение одного адсорбера в последовательной цепи на перезагрузку производится через 9 ч. Высота загрузки адсорбента, обеспечивающая очистку и продолжительность работы адсорбционной установки = 14 м. Общий объем загрузки одного адсорбера = 18 м³

Также был найден диаметра трубопровода равный 0,08 м и потери напора на трения, на местные сопротивления и общие потери, которые соответственно равны = 0,59 м, Р_м.с = 39,21, = 39,8.

Список использованных источников

1. Гудков А.Г. Механическая очистка сточных вод: Учебное пособие. - Вологда: ВоГТУ, 2003. -152 с.

2. Комарова Л.Ф. Основы проектирования технологических процессов: учебное пособие /Л.Ф. Комарова, В.А. Сомин. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2013. - 174 с.

3. СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03. - 85.

4. Киселев П.Г., Альтшуль А.Д. Справочник по гидравлическим расчетам. Под редакцией П.Г. Киселева. Изд. 4-е, переработ. и доп. М., «Энергия», 1972. 312 с.

Размещено на Allbest.ru