 |
Аппаратура для обратного осмоса и ультрафильтрации, схемы установок
|
|
|
|
Конструкции аппаратов для проведения процессов обратного ос- моса и ультрафильтрации должны обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа (рис.14.18.):1) фильтр-пресс с плоскокамерными фильтрующими элементами, 2) с трубчатыми фильтрующими элементами, 3) с рулонными или спиральными фильт- рующими элементами, 4) с мембранами в виде полых волокон. Ука- занные аппараты обычно собираются из отдельных элементов или мо-
дулей, конструкция которых полностью характеризует конструкцию аппарата в целом.
 |
Рис.14.18. Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации
а - фильтр-пресс: 1 - пористые пластины; 2 - мембраны; б - трубчатый фильтрующий элемент: 1 - трубка; 2 - подложка; 3 - мембрана; в - рулон- ный фильтрующий элемент: 1 - дренажный слой; 2 - мембрана; 3 - трубка для отвода очищенной воды; 4 - сетка-сепаратор; г - элемент с полыми волкна- ми: 1 - подложка; 2 - шайба с вмонтированными концами волокон; 3 - корпус; 4 - полые волокна
Аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами (рис.14.18.а) применяется в установках сравнительно небольшой про- изводительности.
В этих аппаратах мембраны уложены с двух сторон плоских по- ристых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5- 5,0 мм друг от друга, образуя межмембранное пространство для потока разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается двумя фланцами и стягивается болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется из аппара- та. Прошедший через мембрану фильтрат уходит через дренажные слои в радиальном направлении.
|
|
|
Такие аппараты отличаются простотой изготовления, удобством монтажа и эксплуатации, возможностью быстрой замены мембран, но имеют невысокую удельную поверхность мембран (60-300 м2/м3 объе- ма аппарата).
Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами (рис.14.18.б) состоят из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса, выпол- ненного в виде трубки диаметром 6-30 мм, где мембрана может нахо- диться на ее внутренней или наружной поверхности, а также с обеих сторон. Основным достоинством таких аппаратов является малая кон- центрационная поляризация и незначительное загрязнение поверхно- сти мембран ввиду высокой скорости потока (0,9-12 м/с). Кроме того они обладают малой материалоемкостью, незначительным гидравличе- ским сопротивлением, механической прочностью, простотой конст- рукции. Основной недостаток - малая удельная рабочая поверхность мембран (200-300 м2/м3), более сложная их замена.
Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа отлича- ются большой плотностью упаковки мембран (300-800 м2/м3). Каждый рулонный элемент (рис.14.18.в) представляет собой прикрепленный к водоотводящей трубке и накрученный на нее пакет, состоящий из двух мембран и расположенных между ними дренажного слоя и сетки- сепаратора. Трубка для отвода фильтрата имеет продольные прорези. Исходный раствор движется по межмембранным каналам рулонного фильтрующего элемента в продольном направлении. Проникающий через мембраны фильтрат по спирально расположенному дренажному слою поступает в фильтроотводящую трубку и отводится из аппарата.
Рулонные аппараты имеют малую металлоемкость, механизиро- ванную сборку. К недостаткам их относится сложность монтажа и сме- ны мембран, необходимость замены всего пакета при повреждении мембраны, трудность обеспечения герметизации аппарата.
Аппараты с фильтрующими элементами в виде полых полупро- ницаемых волокон (рис.14.18.г) имеют очень высокую плотность ук- ладки мембран в единице объема аппарата - до 20-30 тыс. м2/м3. Во- локна с наружным диаметром 45-200 мкм, и стенками толщиной 10- 50 мкм, способны выдержать необходимое рабочее давление. Фильтрат в этих элементах собирается с наружной поверхности волокон или от- водится по капилляру полых волокон. Поэтому такие аппараты не тре- буют поддерживающих дренажных устройств, что значительно снижа- ет капитальные затраты, упрощает их сборку и эксплуатацию. Они компактны и высокопроизводительны. Недостатки - трудность замены
|
|
|
поврежденных волокон, большое сопротивление, необходимость тща- тельной предварительной очистки от механических примесей.
Аппараты с полыми волокнами выполняют чаще всего в виде ко- жухотрубчатого теплообменника с линейным (концы закрепляются в двух трубных решетках) или U-образным (с одной решеткой) располо- жением волокон. Раствор движется вдоль наружной или внутренней поверхности волокон. Концы волокон с помощью эпоксидной смолы и уплотнений закреплены в трубных решетках.
Мембранные установки состоят из большого числа элементарных модулей, которые соединяют либо по параллельной схеме (для увели- чения производительности), либо последовательно (для повышения эффективности очистки).
Обратноосмотические и ультрафильтрационные установки пред- ставляют собой самостоятельно действующие системы, состоящие из мембранных аппаратов и оборудования, обеспечивающего их беспере-
бойную работу.
Установки с мембран- ными аппаратами можно клас- сифицировать по нескольким признакам. Они могут быть непрерывного и периодичес- кого действия, прямоточные и циркуляционные, каждая из которых может быть одно- или многоступенчатой. Прямоточ- ные установки работают толь- ко непрерывно, циркуляцион- ные бывают непрерывными и
Рис.14.19. Схема мембранной уста- новки для обработки промывных вод гальванических производств
1 - гальваничесая ванна; 2 - промывная ванна I ступени; 3 - промывная ванна II ступени; 4 - обратноосмотическая ус- тановка; 5 - насос высокого давления
периодическими. Технологи- ческая схема установки опре- де-ляется ее назначением и за- висит от исходной концен- трации растворов, производи- тельности установки и условий ее эксплуатации. На рис.14.19
|
|
|
приведена схема очистки сточных вод гальванических производств на обратноосматической мембранной установке.
Фильтрат после первой ступени мембранной установки воз- вращается на промывку деталей, выносимых из гальванической ванны, последовательно в промывные ванны П и I ступени. Более загрязнен- ный фильтрат второй ступени мембранной установки смешивается с загрязненной водой, поступающей на установку. Концентрат, последо- вательно пройдя две ступени обратноосмотической установки, может
быть использован, после соответствующей корректировки, для под- питки гальванических ванн.
Производительность уже работающих мембранных установок достигает нескольких тысяч кубометров в сутки, запроектированы и строятся установки производительностью сотни тысяч кубометров в сутки. Экономическая эффективность мембранной обработки водных растворов зависит от капитальных вложений и эксплуатационных за- трат, которые являются функцией производительности установки, типа мембранного аппарата вида и концентрации загрязнений и других фак- торов. Стоимость самих мембран обычно невелика и составляет 1-3 % от общей стоимости установки в зависимости от конструкции аппара- та.
ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ
Перегонка и ректификация являются одними из наиболее распро- страненных методов выделения из сточных вод растворенных органи- ческих жидкостей. Установки перегонки и ректификации сточных вод, как правило, входят в состав технологических схем основных произ- водств. Выделенные из сточной воды примеси используются на этих же производствах.
Для очистки сточных вод применяют простую перегонку, пере- гонку с водяным паром или инертными носителями, азеотропную пе- регонку и ректификацию в присутствии перегретого водяного пара. Специфичность процесса очистки сточных вод этими методами обу- славливается относительно малыми концентрациями примесей и необ- ходимостью практически полного выделения их из сточных вод.
|
|
|
Перегонка
Простую перегонку проводят в установке периодического или непрерывного действия путем постепенного испарения сточной воды, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары конденсируются в конденсаторе-холодильнике, и дистиллат поступает в сборник. При- меняют ее для очистки сточных вод от примесей, температура кипения которых значительно ниже температуры кипения воды (ацетон, мети- ловый спирт и т.п.). Для более полного разделения смесей и получения концентрированного дистиллата перегонку проводят с дефлегмацией. Над перегонным кубом устанавливают трубчатый или змеевиковый дефлегматор, в котором пары более высококипящей воды частично
конденсируются, и она в виде флегмы сливается в куб, а пары, обога- щенные низкокипящим компонентом, направляются в холодильник- конденсатор.
В тех случаях, когда органические вещества в смеси с водой обра- зуют нераздельно кипящую (азеотропную) смесь, для отгонки указан- ных веществ из сточной воды может быть использована азеотропная отгонка. Чаще всего азеотропы характеризуются минимальной темпе- ратурой кипения, поэтому их отгонка проходит при температуре, ниже температуры кипения воды при данном давлении. Многие азеотропные смеси при конденсации расслаиваются, при этом сырой органический компонент может быть легко отделен от водного насыщенного раство- ра. В этих случаях азеотропная отгонка загрязняющего компонента из сточной воды наиболее экономична. На рис. 14.20 представлена схема отгонки азеотропов из сточной воды.
Отгонка азеотропной смеси осуществляется в отгонной насадоч- ной колонне 4, в нижнюю часть которой подается острый водяной пар. В отстойнике-сепараторе 2 конденсат органического вещества отделя- ется от конденсата пара. Последний смешивается с исходной водой и вновь направляется на отгонку. Азеотропная отгонка может быть ре- комендована для выделения из воды целого ряда органических ве- ществ, образующих с водой азеотропы - бензола, толуола, эфиров ук- сусной кислоты, четыреххлористого углерода, хлороформа и др.
Для очистки сточных вод довольно часто применяют перегонку в присутствии водяного пара или другого инертного носителя. Отличие ее от простой перегонки заключается во введении острого пара непо- средственно в сточную воду, что упрощает конструкции перегонных аппаратов, снижает расход тепла на перегонку. Для отгонки из воды примесей могут быть использованы инертные носители, например, га- зы: воздух, азот, диоксид углерода, углеводородные газы и др.
|
|
|
Рис.14.20. Схема установки для азеотропной отгонки летучих органических веществ из сточной воды
1 - емкость; 2 - отстойник-сепаратор; 3 - теплообменники; 4 - отгонная колон- на; 5 - насос
Ректификация и эвапорация
Для очистки сточных вод от многих органических соединений можно использовать простую и азеотропную ректификацию. Простую ректификацию проводят в ректификационных колоннах тарельчатого или насадочного типа. Сточная вода в жидкой фазе подается на верх- нюю тарелку (или насадку) такой колонны, с которой отводятся пары, являющиеся конечным продуктом (органические примеси воды - бен- зол, хлорбензол, бутилацетат и др.). Сточная вода с нижней тарелки колонны поступает в парциальный кипятильник, в котором за счет по- дачи тепла подвергается частичному выкипанию, образуя поток паров, возвращающихся в колонну в качестве парового орошения. Остальная часть очищенной воды отводится в качестве конечного продукта.
При азеотропной ректификации применяется разделяющий ком- понент, который образует с одним из компонентов сточной воды азео- троп (желательно гетерогенный) с минимальной температурой кипе- ния. В результате отгоняется более летучая азеотропная смесь, а в ку- бовом остатке содержится практически чистый второй компонент (во- да). Разделяющий азеотропный агент подается в колонну азеотропной ректификаци сверху, откуда и удаляется азеотропная смесь, направ-
ляемая на расслаивание в сепаратор, из которого азеотропный агент вновь подается в колонну ректификации. Извлеченный компонент по- сле расслаивания в сепараторе поступает в отгонную колонну для очи- стки от растворенного в нем азеотропного агента.
Пароциркуляционный метод (эвапорация или отгонка с водяным паром) заключается в ректификации сточных вод в отгонной (отпар- ной) колонне с использование циркулирующего водяного пара и по- следующей отмывке абсорбцией (регенерации) циркулирующего пара с помощью щелочи или других реагентов.
Пароциркуляционный метод применяется в основном для отгонки из сточных вод органических веществ, являющихся слабыми электро- литами, при таких значениях рН, когда они находятся в молекулярном состоянии. Таким путем можно удалить крезолы, нафтолы, карбоновые кислоты. Но основное применение метод нашел в коксохимической промышленности для извлечения фенолов, степень обесфеноливания при этом составляет 85-92 %.
В основе эвапорационного метода очистки лежит закономерность распределения малых концентраций веществ между жидкой и паровой фазами, согласно коэффициенту распределения К:
К = Сп/Св,
где Сп, Св - концентрации примеси соответственно в паре и воде.
Эвапорация может проводиться как в периодических, так и не- прерывно действующих дистилляционных колоннах. Такая колонна делится на две части - эвапорационную, где происходит очистка сточ- ных вод, и поглотительную, где идет регенерация пара. При движении через колонну, заполненную насадкой, навстречу острому пару сточная жидкость нагревается до 100 оС; находящиеся в ней летучие примеси частично переходят в паровую фазу и таким образом удаляются из рас- твора. Далее пар проходит через какой-либо нагретый также до темпе- ратуры ~ 100 оС поглотитель, в котором из пара удаляются захвачен- ные им примеси (регенерация пара), освобожденный из них водяной пар снова направляется на очистку сточных вод. Процесс проходит только в кинетических условиях.
Схема пароциркуляционной установки для обесфеноливания сточных вод приведена на рис.14.21.
Рис. 14.21. Схема обесфеноливания сточных вод коксохимического производства пароциркуляционным методом
1 - сборник; 2 - насос для подачи сточной воды; 3 - вентилятор для рециркуляции пара; 4 - поглотительная часть колонны; 5 - эвапорационная часть колонны; 6 - насосы для циркуляции растворов фенолятов натрия; 7 - подогреватель раствора фенолята натрия; 8 - подогреватель щелочного раствора до 102-103 оС; 9 - насос для подачи щелочи; 10 - сборник фенолятов; 11 - сборник щелочи
Сточная вода подается в верхнюю часть обесфеноливающей ко- лонны с деревянной хордовой насадкой. Верхняя и нижняя части этой колонны разделены глухой тарелкой, оборудованной патрубком для прохода пара, циркулирующего с помощью вентилятора. Обесфено- ленная вода отводится с глухой тарелки, а циркулирующий пар венти- лятором подается в нижнюю поглотительную часть колонны с метал- лической спиральной насадкой. Верхний ярус насадки поглотительной части колонны периодически орошается 8-10 % раствором едкого на- тра, нижний ярус - циркулирующим раствором фенолята натрия. Обесфеноленный пар проходит слой насадки и вновь поступает в эва- порационную часть колонны через патрубок. Циркуляция раствора фе- нолятов натрия позволяет повысить их концентрацию на 20-25 %. Часть раствора фенолятов натрия собирается в сборник, откуда на- правляется на склад. Применяемая трехступенчатая схема орошения с
двумя ступенями рециркуляции и периодическим орошением верхней ступени свежим раствором щелочи позволяет повысить степень извле- чения фенолов из циркулирующего пара.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
|
|
|
