Фильтры с плавающей загрузкой

С появлением новых фильтрующих материалов изменяется и технология фильтрационной очистки воды от нефтепродуктов. Перспективным является использование плавающих загрузок из различных полимерных материалов, обладающих достаточной механической прочностью, химической стойкостью, высокой пористостью и необходимыми поверхностными свойствами. К числу таких материалов относится полистирол различных марок, в том числе и пенополистирол.

Принципиально механизм процесса задержания нефтепродуктов фильтрами с плавающей гранулированной загрузкой не отличается от механизма фильтрования эмульсий через песчаные фильтры.

Разработаны различные аппараты для вспенивания полистирола с помощью горячей воды, пара, горячего воздуха.

В основном фильтры с плавающей полистирольной загрузкой рекомендуются для очистки природных и доочистки сточных вод. Однако в связи с высокой адгезионной способностью по отношению к нефтепродуктам их применяют и для разделения водонефтяных эмульсий. Плавающая загрузка позволяет значительно увеличить скорость фильтрования, снизить начальное содержание примесей и упростить регенерацию фильтра.

Фильтры с эластичной загрузкой

Для очистки нефтесодержащих сточных вод разработана новая технология с использованием эластичных полимерных материалов, в частности, эластичного пенополиуретана. Этот материал имеет открытоячеистую структуру со средним размером пор 0,8-1,2 мм и кажущуюся плотность 25-60 кг/м3. Эластичный пенополиуретан характеризуется высокой пористостью, механической прочностью, химической стойкостью, гидрофобными свойствами, что обеспечивает значительную поглощающую способность по нефтепродуктам.

Технология работы фильтров следующая. Сточная вода по трубопроводу поступает в емкость фильтра, заполненную измельченным пенополиуретаном размером 15-20 мм. Пройдя через слой загрузки, сточные воды освобождаются от нефтепродуктов и механических примесей и через сетчатое днище отводятся по трубопроводу из установки. В процессе фильтрования загрузка насыщается нефтепродуктами и периодически цепным ковшовым элеватором подается на отжимные барабаны для регенерации. Отрегенерированная загрузка вновь поступает в емкость фильтра, а отжатые загрязнения по сборному желобу отводятся в разделочную емкость.

Такие фильтры целесообразно применять после предварительной очистки стоков в песколовках и нефтеловушках. Очищенную воду можно использовать в техническом водоснабжении промышленных предприятий.

Общим недостатком всех рассмотренных фильтров (кроме пенополиуретановых) является то, что в результате их регенерации образуются высокоэмульгированные и весьма стойкие эмульсии, существенно затрудняющие утилизацию выделенных нефтепродуктов.

Коалесцирующие фильтры

Под коалесценцией понимают слияние частиц дисперсной фазы эмульсии, например нефтепродуктов, с полной ликвидацией первоначально разделяющей частицы междуфазной поверхности. Это приводит к изменению фазово-дисперсного состояния и укрупнению капель исходной эмульсии. Система становится кинетически неустойчива и быстро расслаивается.

Наиболее широкое распространение получил метод коалесценции при фильтровании эмульсии через различные пористые материалы. В принципе, любой из рассмотренных ранее фильтров при соответствующих технологических параметрах и конструктивных изменениях может работать в режиме коалесценции. В этом случае назначение фильтрующего слоя принципиально изменяется. В обычных фильтрах он выполняет функцию удерживающей среды, назначение нефильтрующей загрузки в коалесцирующих фильтрах - укрупнение мелких эмульгированных капель нефтепродуктов в более крупные.

Конструктивно коалесцирующие фильтры практически всегда объединяются с отстойниками или в отстойники встраиваются коалесцирующие элементы (насадки).

Отличительные и весьма существенные особенности коалесцирующих фильтров:

высокие эффективность разделения эмульсий и удельная производительность;

устойчивость технологического процесса при значительных колебаниях концентрации нефтепродуктов и расхода сточных вод;

простота изготовления, эксплуатации и автоматизации;

длительный межрегенерационный период.

Метод коалесценции можно отнести к регенеративным методам, так как в результате протекающих процессов эмульсия разделяется на две фазы, одна из которых представляет собой нефтепродукты. Утилизация этих нефтепродуктов может создать существенную дополнительную экономическую предпосылку в реализации этого метода.

Наибольшее применение в практике разделения эмульсий метод коалесценции нашел в нефтяной промышленности и на судах морского флота для очистки нефтесодержащих сточных вод, а также на заключительной стадии экстракционных процессов в химической промышленности и при обезвоживании топливных материалов на транспорте.

Мембранный метод

Исследование процессов разделения с использованием молекулярных сит позволило выделить мембранный метод, как наиболее перспективный для тонкой очистки. Этот метод, характеризуется высокой четкостью разделения смесей веществ. Полупроницаемая мембрана - перегородка, обладающая свойством пропускать преимущественно определенные компоненты жидких или газообразных смесей. Широко мембранный метод используют для обработки воды и водных растворов, очистки сточных вод, очистки и концентрации растворов.

Мембраны

Процессы мембранного разделения зависят от свойств мембран, потоков в них и движущих сил. Для этих процессов также важен характер потоков к мембране со стороны разделяемых сред и отвода продуктов разделения с противоположной стороны.

Принципиальное отличие мембранного метода от традиционных приемов фильтрования - разделение продуктов в потоке, т.е. разделение без осаждения на фильтроматериале осадка, постепенно закупоривающего рабочую пористую поверхность фильтра.

Основные требования, предъявляемые к полупроницаемым мембранам, используемым в процессах мембранного разделения, следующие:

высокая разделяющая способность (селективность);

высокая удельная производительность (проницаемость);

химическая стойкость к действию среды разделяемой системы;

неизменность характеристик при эксплуатации;

достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортировки и хранения мембран;

низкая стоимость.

Для разделения или очистки некоторых нетермостойких продуктов применение мембранного метода является решающим, так как этот метод работает при температуре окружающей среды.

В то же время мембранный метод имеет недостаток - накопление разделяемых продуктов вблизи рабочей поверхности разделения. Это явление называют концентрационной поляризацией, которая уменьшает проникновение разделяемых компонентов в пограничный слой, проницаемость и селективность, а также сокращает сроки службы мембран.

Для борьбы с этим явление проводят турбулизацию слоя жидкости, прилегающего к поверхности мембраны, чтобы ускорить перенос растворенного вещества.

Для мембран используют разные материалы, а различие в технологии изготовления мембран позволяет получить отличные по структуре и конструкции мембраны, применяемые в процессах разделения различных видов.

Процессы, возникающие при разделении смесей, определяются свойствами мембран. Необходимо учитывать молекулярные взаимодействия между мембранами и разделяемыми потоками, физико-химическую природу которых определяет скорость переноса. Эти взаимодействия с материалом мембран отличают мембранный метод от микроскопических процессов обычного фильтрования.

Мембранные методы отличаются типами используемых мембран, движущими силами, поддерживающими процессы разделения, а также областями их применения.

Существуют мембранные методы шести типов:

микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления;

ультрафильтрация - процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемой смеси;

обратный осмос - процесс мембранного разделения жидких растворов путем проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного раствору давления, превышающего его осмотическое давление;

диализ - процесс мембранного разделения за счет различия скоростей диффузии веществ через мембрану, проходящий при наличии градиента концентрации;

электродиализ - процесс прохождения ионов растворенного вещества через мембрану под действием электрического поля в виде градиента электрического потенциала;

разделение газов - процесс мембранного разделения газовых смесей за счет гидростатического давления и градиента концентрации.

В ряду технологических приемов, используемых для разделения смесей по размерам частиц, мембранным методам уделяют большое значение. Выбор процесса для применения в заданной области разделения смесей зависит от различных факторов: характера разделяемых веществ, требуемой степени разделения, производительности процесса и его экономической оценки.

Промышленное использование процессов мембранного разделения требует надежного, стандартного и технологического оборудования. Для этой цели в настоящее время применяют мембранные модули, которые компактны, надежны и экономичны. Выбор конструкции модуля зависит от вида процесса разделения и условий эксплуатации в промышленных установках.

Таблица 9. Характеристика синтетических мембран

Тип	Материал	Структура	Метод	Применение
Керамические и металлические	Глина, силикагель, алюмосиликат, графит, серебро, вольфрам	Микропоры с диаметром от 0,05 до 20 мкм	Плавление и спекание керамических или металлических порошков	Фильтрование при повышенных температурах, разделение газов
Стеклянные	Стекло	Микропоры с диаметром от 10 до 100 мкм	Вывод растворимой в кислоте фазы из двухкомпонентной стеклянной смеси	Фильтрование суспензий и воздуха
Спеченные полимерные	Политетрафторэтилен, полиэтилен, полипропилен	Микропоры с диаметром от 0,1 до 20 мкм	Плавление и спекание полимерного порошка	Фильтрование суспензий и воздуха
Протравленные	Поликарбонат, полиэфир	Микропоры с диаметром от 0,02 до 20 мкм	Облучение полимерной пленки и травление кислотой	Фильтрование суспензий и биологических растворов
Симметричные микропористые с обратной фазой	Целлюлозные эфиры	Микропоры с диаметром от 0,1 до 10 мкм	Литье полимерного раствора и осаждение полимера осадителем	Стерильное фильтрование, очистка воды, диализ
Асимметричные	Целлюлозный эфир, полиамид, полисульфон	Гомогенная или микропористая, «покрытие» микропористой подложки	Литье полимерного раствора и осаждение полимера осадителем	Ультрафильтрация и разделение обратным осмосом молекулярных растворов
Составные	Целлюлозный эфир, полиамид, полисульфон	Гомогенная полимерная пленка на микропористой подложке	Осаждение тонкой пленки на микропористой подложке	Обратный осмос, разделение молекулярных растворов
Гомогенные	Силиконовый каучук	Гомогенная полимерная пленка	Экструзия гомогенной полимерной пленки	Разделение газов
Ионообменные	Поливинилхлорид, полисульфон, полиэтилен	Гомогенная или микропористая полимерная пленка с положительно или отрицательно заряженными фиксированными ионами	Погружение ионообменного порошка в полимер или сульфонирование и аминирование гомогенной полимерной пленки	Электродиализ, обессоливание

Таблица 10. Промышленные процессы разделения с использованием мембран

Процесс	Мембрана	Движущая сила	Метод разделения	Применение
Микрофильтрация	Симметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 0,1 до 10 мкм	Гидростатическое давление от 0,01 до 0,1 Мпа	Сетчатый механизм, обусловленный радиусом пор и адсорбцией	Стерильное фильтрационное осветление
Ультрафильтрация	Асимметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 1 до 10 мкм	Гидростатическое давление от 0,05 до 0,5 Мпа	Сетчатый механизм	Разделение макромолекулярных растворов
Обратный осмос	Асимметричная мембрана типа «оболочки»	Гидростатическое давление от 20 до 10 Мпа	Механизм диффузии раствора	Отделение солей и микрорастворенных веществ от растворов
Диализ	Симметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 0,1 до 10 мкм	Градиент концентрации	Диффузия в конвективном свободном слое	Отделение солей и микрорастворенных веществ от макромолекулярных растворов
Электродиализ	Катионо-анионообменные мембраны	Градиент электрического потенциала	Электрический заряд и размер	Обессоливание ионных растворов
Разделение газов	Гомогенный или пористый полимер	Гидростатическое давление, градиент концентрации	Растворимость, диффузия	Разделение газовых смесей

Микрофильтрация

Микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления. Размер разделяемых частиц от 0,1 до 10 мкм. Микрофильтрация - переходный процесс от обычного фильтрования к мембранным методам.

Для микрофильтрации используют мембраны с симметричной микропористой структурой. Размеры пор от 0,1 до 10 мкм. Мелкие частицы растворенного вещества и растворитель проходят через мембрану, а концентрация задерживаемых частиц возрастает. Поток раствора вдоль разделительной мембраны позволяет удалять концентрированный слой, примеси твердых частиц и других образований, от которых была необходимость освободить раствор и растворитель. Прошедший через мембрану растворитель выносит микровключения, которые направляют на технологические линии для разделения в следующих циклах.

Широко мембранный метод микрофильтрации используют при разделении суспензий, эмульсий и очистке загрязненных механическими примесями промышленных сточных вод, а также при получении стерильных растворов.

Применяемые для микрофильтрации мембраны имеют пористую структуру и действуют как глубокие фильтры. Удерживаемые частицы осаждаются внутри мембранной структуры. Концентрационная поляризация при микрофильтрации относится к учитываемому явлению. Для удаления осаждающихся частиц с поверхности микрофильтрационной мембраны используют приемы специального воздействия: поперечный поток, обратная промывка, ультразвуковая вибрация.

Долговечность мембран зависит от химической стойкости материала, из которого они сделаны.

Микрофильтрацию осуществляют в аппаратах плоскорамного типа. При промышленном использовании микрофильтрации обычно применяют горизонтальные пластинчатые системы или патронные фильтры; наиболее распространены рамные фильтр-прессы. В качестве патронных фильтров применяют гофрированный мембранный патрон, расположенный в корпусе, рассчитанном на работу под давлением. Исходный раствор поступает в фильтр со стороны корпуса, продукт собирается в центральной трубе, которая уплотнена с корпусом прокладкой. При постоянном гидростатическом давлении производительность фильтра постепенно уменьшается до значения, при котором дальнейшая эксплуатация становится неэкономичной и фильтр заменяют.

Таблица 11. Сравнительная характеристика аппаратов различных типов

Тип	Преимущества	Недостатки
Фильтр-пресс	Небольшой объем воды в аппарате на единицу поверхности мембраны, надежность и простота конструкции, небольшая занимаемая площадь пола	Возможность образования застойных зон, труднодоступен для чистки, небольшая плотность укладки мембран в аппарате до 150 м2/м3, ручная сборка
Фильтр-пресс с узкими переточными каналами	То же, удобство работы с вязкими растворами за счет повышения линейной скорости потока, смазывающего мембрану	То же, возможность образования пробок, плотность укладки мембран до 200-250 м2/м3
Трубчатые с прямыми трубами	Простота очистки, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность эффективного снижения концентрационной поляризации, возможность замены отдельных трубчатых элементов	Большой объем воды в аппарате, сравнительно высокая стоимость, большие габариты и занимаемая площадь пола, плотность укладки мембран 160-200 м2/м3
С трубами, свернутыми по спирали	Тоже, кроме простоты очистки	Тоже, кроме больших габаритов
Рулонные	Низкие капитальные затраты, плотность укладки мембран до 650 м2/м3, небольшая занимаемая площадь пола, небольшой объем воды в аппарате	Возможность образования пробок, трудность очистки, повышенное гидравлическое сопротивление
С полыми волокнами	Минимальная стоимость, максимальная плотность укладки мембран (до 16500 м2/м3), небольшой объем воды в аппарате	Трудность работы на загрязненных жидкостях, трудность очистки, возможность образования пробок, высокие требования к предварительной водоподготовке, повышенное гидравлическое сопротивление, значительно более низкая удельная производительность мембран

 

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: