Федора Максимовича Черномурова отличали глубокая преданность науке, творческая энергия, завидная работоспособность. Он был крупным спе циалистом в области теплофизики и металлургической теплотехники. Особый вклад внес в решение
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
9 .3. Промышленная водоподготовка Промышленная водоподготовка представляет собой совокупность физи- ческих и химических операций, обеспечивающих очистку воды от механиче- ских примесей, растворенных солей и газов. Основными операциями являются очистка от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрацией, умягчение и обессоливание воды, дегазация, обеззараживание. Отстаивание крупных частиц осуществляется в непрерывно действующих отстойниках большой емкости. От мелких частиц освобождаются фильтрацией. Для осаждения коллоидных частиц (мельчайших глинистых частиц и белковых веществ) их подвергают коагуляции путем добавки в воду коагулянтов – суль- фатов или двойных солей алюминия (алюминиевые квасцы). Ион-коагулянт должен иметь заряд, противоположный заряду коллоидной частицы, чтобы он мог адсорбироваться на поверхности заряженной частицы. Это приводит к коа- гуляции (слипанию) отдельных частиц и образованию осадка. Умягчение и обессоливание воды относятся к основным процессам водо- подготовки, которые состоят в удалении солей кальция, магния и других метал- лов. Различают физические способы (термический, дистилляция, выморажива- ние) и физико-химические методы (обратный осмос и ультрафильтрация, ионо- обмен) обессоливания и умягчения воды. Наиболее широко в водоподготовке используется метод ионного обмена на катионитах (КУ-23, КУ-78) и анионитах (АВ-17-8, АВ-29П, АН-221). В ос- нову катионного процесса умягчения положены реакции обмена ионов натрия и водорода катионитов на ионы Са 2+ и Мg 2+ . Обмен ионов натрия называется Na- катионированием, а ионов водорода – Н-катионированием. Na 2 [К] + Са(НС0 3 ) 2 ⇔ Са[К] + 2NаНСОз; Nа 2 [К] + МgS0 4 ⇔ Мg[К] + Nа 2 S0 4 ; Н 2 [К] + МgС1 2 ⇔ Мg[К] + 2НСl; Н[К] + NаСl ⇔ Na[К] + НСl В ионообменном способе достигается полное обессоливание воды. Реак- ции ионообмена обратимы. Для восстановления обменной способности ионитов 139 проводят процесс их регенерации при помощи растворов поваренной соли Nа- катионитов) или минеральных кислот (Н-катионитов): Са[К] + 2NaСl ⇔ Na 2 [К] + СаСl 2 ; Nа[К] + НCl ⇔ Н[К] + NaCl. Примером анионного обмена может служить реакция обмена анионов ОН – по уравнению [А]ОН + НCl ⇔ [А]С1 + Н 2 О. Регенерацию анионита проводят раствором щелочей [А]Сl + NaОН ⇔ [А]ОН + NaCl. Из воды сначала удаляются ионы кальция, магния и натрия в Н-катионитовом фильтре, в котором на слое крупного кварцевого песка или измельченного керамзита расположен слой катионита. Затем вода последова- тельно поступает в анионитовый фильтр для удаления анионов и дегазатор, где удаляются из воды растворенные диоксид углерода и кислород. Дегазация осуществляется химическим или физическим способами. Для удаления СО 2 воду пропускают через фильтр, заполненный гашеной известью, или добавляют к воде известковое молоко СО 2 + Са(ОН) 2 = СаСО 3 + Н 2 О. Кислород удаляется фильтрацией воды через слой железных опилок или стружек. Физические способы дегазации состоят в нагревании воды в вакууме или острым паром. В случае необходимости производят обеззараживание воды с целью уничтожения болезнетворных бактерий и окисления органических при- месей хлорированием (газообразным хлором, хлорной известью или гидрохло- ратом кальция). 9.4. Водооборотные циклы химических производств Системы производственного водоснабжения могут быть: − прямоточные, в которых подаваемая от первичного источника вода после однократного использования отводится за пределы предприятия; 140 − оборотные, в которых отработанная вода подвергается охлаждению, очистке и возвращается для последующего использования в этом же про- изводстве, т. е. замыкается в цикле (обороте). Существенный недостаток прямоточного водоснабжения – необходи- мость сброса отработанных вод в водоемы. Эти системы используются только на старых предприятиях. В оборотном водоснабжении вода от первичного источника подается только для восполнения безвозвратных потерь в цикле (в результате испарения, при очистке). Эта система позволяет целесообразно решать задачи очистки и обработки воды, улучшать ее качество и, таким образом, обеспечивает опти- мальные условия для эффективной работы оборудования. Схема производственного оборотного водоснабжения предприятия вклю- чает в себя комплекс сооружений, обеспечивающих прием воды из водоема (водозабор), подачу ее потребителям в необходимом количестве под требуемым давлением (насосная и водопровод), очистку, обработку и охлаждение (очист- ные сооружения). Системы оборотного водоснабжения подразделяются на за- мкнутые, полузамкнутые и комбинированные системы. В замкнутой системе (рис. 14) охлаждение технологических потоков осуществляется оборотной водой в закрытых теплообменных аппаратах. Обо- Рис. 14. Замкнутая система оборотного водоснабжения: 1 – чистая вода; 2 –вода после первичного использования; НС – насосная станция; П – производство; К – камера приема добавочной воды или сброса воды; ВХ – воздушный холодильник; Q О – коли- чество отработанной (cточной) воды; Q П – количество воды, подаваемой на производ- ство; Q ПП – количество воды, потерянной в производстве 141 ротная вода охлаждается воздухом в закрытых оребренных радиаторах (радиа- торной градирне). В полузамкнутой системе (рис. 15) технологические потоки охлаждают также в закрытых теплообменниках, но оборотная вода охлаждается в градирне. В некоторых производствах по условиям технологического процесса тре- буется обессоленная или умягченная вода. В этом случае применяют комбини- рованную систему (рис. 16), в которой обессоленная или умягченная вода охлаждается оборотной водой в закрытых теплообменниках, а оборотная вода – в градирне. В процессе многократной циркуляции вода оборотных систем нагревает- ся, охлаждается, частично упаривается, аэрируется, минерализуется, может становиться менее стабильной, более коррозионно-активной, способной к от- ложениям минеральных солей и бактериологическим обрастаниям. Требования к качеству воды в системах водооборотных циклов устанавливаются для каж- дого технологического процесса. Чаще всего водооборотные циклы используют для целей охлаждения. Специальные водооборотные системы, использующие Рис. 15. Полузамкнутая система производственного водоснабжения: 1 – чистая вода; 2 – вода после первичного использования; О – охладитель воды; К – камера приема добавочной воды или сброса воды; П – производство; НС – насосная станция; Q П – ко- личество воды, подаваемой на производство; Q ПП – потеря воды в производстве; Q О – количество отработанной (сточной) волы; q УН – потери воды на унос из охладите- ля; q ИСП – потери воды на испарение в охладителе (градирня, брызганный бассейн); q СБР – количество воды, сбрасываемой из системы для освежения (продувка); Q ПОД – ко- личество воды, добавляемой в систему; Q В – введение реагента для обработки воды 142 очищенную воду в том же или другом технологическом процессе, применяют пока реже. Например, такие системы применяются в производстве ацетилена, при получении аммиака, в нефтехимической промышленности, при газифика- ции сланцев и бурого угля и др. Критерием эффективности водооборотного цикла на предприятии являет- ся коэффициент использования воды ( К ): К = 𝑄 з −𝑄 сб 𝑄 з , (9) где Q з и Q сб — количества забираемой из источника свежей воды и сбрасывае- мой в водоем сточной воды. Широкое внедрение водооборота в химико-технологические процессы, замена водяного охлаждения воздушным, а также совершенствование техноло- гических процессов – основные мероприятия для сокращения потребления во- ды в химической промышленности. Существенно повышает кратность циркуляции оборотных вод их ком- плексная подготовка, очистка от взвесей, реагентная обработка в целях умень- Рис. 16. Комбинированная система производственного водоснабжения: 1 – контур захоложенной воды с температурой 4-15 °С; II – контур оборотного водоснабжения; АХ – цех аммиачных холодильников; О – охладитель оборотной воды контура II; П – производство; НС – насосная станция; К – камера приема добавочной воды или сброса воды, Q О – количество отработанной сточной воды; Q ОБ – количество оборот- ной производственной воды; Q АХ – количество оборотной воды, подаваемой в цех ам- миачных холодильников; Q П – количество воды, подаваемой на производство; Q ДОБ – количество воды, добавляемой в систему; q ИСП – потери воды на испарение в охладителе (градирня брызгальный бассейн); q УН – потери воды на унос из охладителя 143 шения коррозии аппаратуры и подавления деятельности бактерий. В производ- ство возвращаются и очищенные сточные воды. Например, в производственном объединении «Киришинефтеоргсинтез» в водооборот возвращаются все стоки, а на Уфимском и Лисичанском нефтеперерабатывающих заводах – все нейтральные стоки. Снижение температуры оборотной воды в градирне происходит за счет ее контакта с воздухом, перемещаемым вентилятором. Теоретически возможный предел охлаждения воды в градирне – температура мокрого термометра (t М ), которая зависит от температуры окружающего воздуха и его относительной влажности. Существуют диаграммы для определения значения t М . Например, при температуре окружающего воздуха 30 °С и его относительной влажности 60 % предельная температура охлаждения воды t ов = 24 ° С. В современных вен- тиляторных градирнях перепад температур нагретой t н и охлажденной воды до- стигает Δt = t н – t ов = 6–7 ° С. В системе оборотного водоснабжения вода теряется на испарение в гра- дирне (в количестве V 1 ), капельный унос с охлаждающим воздухом (V 2 ) и сброс при продувке (V 3 ). Потери восполняются добавочной подпиточной водой в количестве V дв = V 1 + V 2 + V 3 (10) Потери воды на испарение можно определить по формуле V 1 = k 1 ΔtV 0 , (11) где k 1 – коэффициент, зависящий от температуры воздуха; Δt – разность температур нагретой и охлажденной воды, град; V 0 – расход оборотной воды, м 3 /ч. Коэффициент k 1 имеет следующие зна- чения для градирен: Температура воздуха, °С 0 10 20 30 40 Коэффициент А, 0,0010 0,0012 0,0014 0,0015 0,0016 Потери воды вследствие брызгоуноса: V 2 = k 2 V 0 , (12) 144 где k 2 – коэффициент, равный 0,002–0,005 для вентиляторных градирен с водо- уловителями. Расход воды на продувку системы V 3 зависит от производительности си- стемы оборотного водоснабжения, карбонатной жесткости добавочной воды, способа обработки воды и составляет 1–3 % от расхода оборотной воды. Эффективность системы оборотного водоснабжения определяют двумя показателями: коэффициентом использования оборотной воды (K об ) K об = V o /(V o +V дв ), (13) коэффициентом использования добавочной (свежей) воды (K дв ) K дв = (V дв –V сб )/V дв , (14) где V o – количество оборотной воды, м 3 /ч; V дв – количество добавочной воды, м 3 /ч; V сб – количество сточных вод (продувка), сбрасываемых в водоем, м 3 /ч, V o +V дв – общее количество расходуемой воды, м 3 /ч. На предприятиях химической промышленности в целом коэффициент ис- пользования оборотной воды достигает значения K об = 0,83, на передовых нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах K об = 0,90–0,95. Исходя из существующего уровня технологии, можно оценить макси- мально возможный коэффициент использования оборотной воды. В химиче- ской промышленности, где около 25 % используемой воды расходуется в каче- стве растворителя и экстрагента, он соответствует значению 0,90–0,92. В химической промышленности даже при повторном использовании воды расход свежей воды большой и составляет в среднем 50–130 м 3 на 1 т продук- ции, а в целлюлозно-бумажной промышленности – 150–500 м 3 . Поэтому одной из главных задач химической технологии является дальнейшее снижение водо- емкости производств путем внедрения систем оборотного и последующего ис- пользования воды, переход на водосберегающие (бессточные) технологии. К бессточным относятся производства, в которых функционируют за- мкнутые системы водоснабжения без сброса сточных вод в водоемы с коэффи- циентом использования свежей воды равным единице. 145 При создании замкнутых систем водоснабжения на химических предпри- ятиях необходимо использовать следующие основные положения: 1) водоснабжение и канализация предприятия должны рассматриваться как единая подсистема, включающая водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод, обеспечивающую их повторное использование; 2) в системе водоснабжения основным источником воды должны быть очищенные сточные воды, а свежая вода из водоочистников должна использо- ваться только для особых целей и восполнения потерь в локальных системах; 3) очистка сточных вод должна сводиться к регенерации отработанных технологических растворов и воды в локальных системах технологического во- доснабжения с целью их повторного использования в производстве; 4) должны использоваться такие методы регенерации технологических растворов и воды, которые обеспечивают одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся отходов до товарного продукта или до вторичного сырья при минимальных материальных и энергетических затратах. При внутритехнологическом цикле вода вступает в непосредственный контакт с перерабатываемыми продуктами. Очистка циркулирующей воды осуществляется в локальных очистительных сооружениях, которые являются продолжением технологических установок. На локальных установках очища- ются сточные воды, которые без очистки не могут быть направлены в системы повторного или оборотного водоснабжения или на общезаводские очистные сооружения. На этих установках, как правило, из сточных вод извлекаются ценные примеси с использованием регенерационных методов очистки: отстаи- вания, флотации, экстракции, ректификации, дистилляции, адсорбции, ионного обмена, обратного осмоса и др. В ряде случаев на локальных установках осу- ществляется термическое обезвреживание сточных вод. Система внутритехнологического водооборота требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат. Однако эти затраты окупаются за счет снижения общих расходов на водоподготовку и извлечения ценных компонентов. 146 Принцип максимального использования оборотного водоснабжения при оптимальном применении воздушного охлаждения положен в основу схем бес- сточных нефтеперерабатывающих заводов. На этих заводах очистка нефтепро- дуктов от сернистых соединений осуществляется регенерируемыми реагента- ми. Сернисто-щелочные сточные воды после обезвреживания на установке кар- бонизации подаются совместно со стоками ЭЛОУ (электрообессоливающая установка) на термическое обессоливание. Полученный при обессоливании водный конденсат направляется в водооборотный цикл. Из остатка выпарива- ния выделяется гранулированный технический хлорид натрия (80 % NaCl), ко- торый используется для регенерации Na-катионитовых фильтров. Постоянный солевой состав воды в системе технологического водооборо- та поддерживается за счет вывода части воды на установку термического обес- соливания в системе очистки сточных вод и возврата очищенной воды в техно- логические установки. Внедрение бессточных схем на нефтеперерабатывающих заводах снижает удельные капиталовложения на 1 м 3 сточных вод и стоимость строительства очистных сооружений в 1,5–2 раза и предотвращает загрязнение водоемов. Таблица 10 Технико-экономические показатели нефтеперерабатывающих заводов по содержанию очистных сооружений Показатель НПЗ без стоков НПЗ со сбросом сточных вод Расход воды на 1 т нефти, м 3 0,13 0,26 Сброс сточных вод в водоем на 1 т нефти, м 3 – 0,30 Расход оборотной воды на 1 т нефти, м 3 13,2 16,5 Удельные капиталовложения, усл. ед. на 1 м 3 сточных вод 489 500 Стоимость строительства очистных соору- жений, усл. ед. 9,3 17,4 Себестоимость очистки 1 м 3 сточных вод, усл. ед. 0,26 0,18 147 Себестоимость очистки 1 м 3 (см. табл. 10) стоков в бессточной схеме вы- ше, чем в сточной схеме за счет эксплуатационных расходов на термическое обессоливание, термическую переработку нефтешламов и карбонизацию сер- нисто-щелочных сточных вод. Однако из-за меньшего расхода оборотной воды и отсутствия сброса сточных вод затраты на очистку воды в бессточной схеме незначительно отличаются от подобных затрат в сточной схеме. Примером бессточной технологии без загрязнения рек и водоемов может служить производство фосфора. По этой схеме добавка свежей воды из источ- ника водоснабжения предусматривается только для подпитки оборотной систе- мы охлаждения аппаратов, снабжения водой котельной и для бытовых нужд. Система повторного использования воды внутри промышленного ком- плекса является высокоэффективным направлением в сокращении водопотреб- ления и сброса сточных вод. Комплексная схема водоиспользования включает локальные водооборотные циклы с необходимыми локальными очистными установками, в которых сточные воды в зависимости от содержания в них за- грязнений проходят соответствующую очистку с целью повторного их исполь- зования в производстве, а образующиеся отходы перерабатываются в товарную продукцию. Эффективность использования воды в промышленном комплексе подтверждается приведенными ниже показателями (табл. 11). Таблица 11 Эффективность использования воды в промышленном комплексе Показатели Бессточная схема Обычная схема Расход свежей речной воды, м 3 /сут. 30 176 в том числе на химическом комбинате 4,5 150 Общий водооборот, тыс. м 3 /сут. 688 688 Сброс сточных вод в реку, тыс. м 3 /сут – 139,3 Возврат сточных вод в производство, % 95,7 71,5 |