Техника защиты окружающей среды

            На 10000 м³ газа расходуется объем жидкости q  

            На  Q_г                   расходуется                              Q_ж.

      Откуда:

 

      Q_ж   =  Q_г*q/1000 =16000*1,4/(3600*10000)= 0,000622 м³/с 

      где Q_ж – расход поглотительной жидкости, м³/с.

      При поглощении пыли жидкостью образуется пульпа, то есть раствор, содержащий твердую  фазу (суспензия). Отработанный раствор очищается фильтрованием, из него удаляется твердая фаза и он используется повторно.

     Масса уловленной пыли m рассчитывается по формуле: 

      m = C*Q_г*η = 3,78*16000*0,76/3600= 12,77 г/с 

      где C = концентрация пыли в исходном газе, г/м³; η – эффективность улавливания пыли скруббером.

      Тогда концентрация твердой фазы в пульпе будет равна: 

       А = m/Q_ж =12,77/0,000622= 20530,5 г/м³ 

      Концентрация  пыли на выходе из скруберра рассчитывается из формулы:

      η=(С_н-С_к)/С_н

     где η- эффективность очистки; С_н – концентрация пыли в отходящих газах на входе в скруббер; С_к – концентрация пыли на выходе из скруббера.

     Отсюда: 

     С_к= С_н-С_н η = С_н(1- η) = 3,78(1-0,76) = 0,9072 г/м³ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        2. Очистка сточных вод  

      2.1. Расчет ионитного фильтра 

      2.1.1. Теоретическая часть 

    Ионитная  или ионообменная очистка воды является наиболее распространенным методом  очистки природных и сточных  вод от загрязняющих ионов. В ионитных фильтрах используются иониты, которые  представляют собой не подвижную форму на поверхности, которой адсорбированы ионы способные к обмену. Не подвижная фаза представляет собой гранулы диаметром 1 – 5 мм из активного угля или специальных полимеров, которые называются ионообменные смолы.

    Так как на поверхности ионитов происходит реакция обмена ионов то необходимо рассмотреть влияние различных факторов на адсорбционную способность ионов. Это способность характеризуется леотропными рядами.

    Адсорбционная способность иона увеличивается  при увеличении радиуса и заряда иона. Ион, обладающий большей адсорбционной способностью, вытесняет с поверхности ионита, ион с меньшей адсорбционной способностью. Поэтому леотропный ряд представляет собой, ряд ионов расположенных в порядке повышения их адсорбционной способности. 

    H⁺ < Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Pb⁺                        (R )

    Be²⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Sr²⁺             (R ) 

    Na⁺ < Mg²⁺ < Al³⁺                                   (заряд )

    F   < Cl < Br < I  

    Если  в ряду увеличивается и радиус, и заряд то адсорбционная способность  увеличивается более резко 

    Li⁺ << Mg²⁺ << Ga³⁺                      (R , заряд )  

    Исходя  из этого положения иониты, подготовленные к процессу очистки воды, содержат на своей поверхности ионы с минимальным  радиусом или зарядом, обычно это  ионы  H⁺, Na⁺, Cl . В зависимости от вида адсорбционных ионов иониты подразделяются на катионы, которые содержат на поверхности положительные ионы и аниониты, которые содержат отрицательные ионы.

    В настоящее время предложены комплексные  иониты, которые содержат на своей  поверхности ионы обоих знаков. Процесс  обмена адсорбированных ионитом ионов и загрязняющихся ионитов, содержащихся в воде можно представить следующей схемой (для катионита) 
 
 
 

    

             - Na⁺

     R  n – ионов +  Meⁿ⁺           R        Meⁿ⁺ + n Na⁺ 

        - Na

                

                                              очистка

    R – (Na)_n + Meⁿ⁺    R – Me + n Na⁺

                          регенерация  

    где  R – неподвижная фаза (ионит) 

    Реакция является обратимой, поэтому ион  металла может вытесняться ионом  натрия, водорода, если концентрация этих ионов в растворе будет достаточно велика. Поэтому прямая реакция используется для очистки сточных вод от загрязняющих компонентов, а обратная реакция используется для восстановления (регенерации) ионита.

    Иониты  используются для очистки сточных  вод (природных) содержащих не высокие концентрации загрязняющих ионов. Поэтому ионитные фильтры используются для доочистки сточных вод после их предварительной очистки (например, осаждение) или глубокой очистки природных вод (например, от солей жесткости).

    Промышленный  выпуск большого ассортимента ионитных фильтров (ФИП) которые представляют собой закрытый цилиндр, состоящий  из дренажной системы, фильтровального  слоя и загрузочных люков. 
 
 

    ФИП – 1,4 – 0,6

       

      диаметр, м допустимое давление воды, мПа 
 
 

    Высота или длина фильтра составляет примерно 3 – 5 диаметров, при эксплуатации фильтров они обычно устанавливаются вертикально, а их производительность определяется исходя из условия скорости движения воды по сечению фильтра в пределах  W = 0,1 м/мин. 
 
 

          СВ

      

    

      распределитель  

      

            загрузочный люк 
 

       слой ионита 2 – 3 м 
 
 

            дренажная система 
 
 

            очищенные волы                     
 

    При эксплуатации фильтров качество очищаемой  воды периодически контролируется путем  химических анализов, по мере заполнения ионитов загрязняющими ионами наступает момент полного насыщения или обмена в этом случае фильтр отключают от системы очистки и подвергают регенерации. Для регенерации используют либо 8% раствор NaCl, либо 6 – 8% HCl, регенерационный раствор подают снизу вверх в количестве обеспечивающим скорость раствора через слой ионита в пределах 4 – 5 м/мин, при этом обеспечивается удаление адсорбированных ионов с поверхности ионитов, заполняется ионами  Na⁺ или H⁺ (для катионитов) и ионами  Cl для анионитов. Одновременно с регенерацией ионита из слоя ионита вымывается взвешенные вещества, и зерна раздробленного ионита компенсируется дополнительной загрузкой ионита через загрузочные люки.

      Отработанный  регенерационный раствор, содержащий загрязняющие ионы в концентрированном виде поступает на утилизацию (либо захоронение) либо химическую переработку, т.к. этот раствор представляет собой уже химическое сырье. 

      2.1.2 Расчет ионитного  фильтра 

     При расчете ионитного фильтра задаются объемом ионита, его обменной емкостью и площадью сечения фильтра. Рассчитываются объем очищенной воды, время работы фильтра до его регенерации, расход очищаемой воды через фильтр (производительность фильтра), изменение в составе очищаемой воды. 

     Исходные  данные для расчета:

1. Скорость движения сточных вод через фильтр – 0,1 м/мин.
2. Объем регенерационного раствора – 2*V_и.
3. Концентрация реагента в регенерационном растворе – 8%.
4. Объем промывочной воды после регенерации ионита – 3*V_и.
5. Толщина слоя ионита – 2,4 м
6. Обменная емкость ионита – 500 ммоль/кг.
7. Диаметр фильтра – 1,4 м.
8. Насыпная плотность ионита – 600 кг/м³.
9. Извлекаемый ион – Mn²⁺.
10. Концентрация иона в сточных водах - 0,021 моль/л.
11. Регенерационный раствор – Na₂CO₃.

 

     Скорость  фильтрования воды через ионитный фильтр выбирается 1,0…1,5 м/мин. Тогда производительность ионитного фильтра определяется по формуле: 

      Q = W*S =  0,25*π*D²*W = 0,25*3,14*(1,4)²*0,1= 0,15386 м³/мин 

      где Q – производительность ионитного  фильтра, м³/мин; W – скорость прохождения сточных вод через ионитный фильтр, м/мин; S –площадь сечения фильтра, м²; D – диаметр ионитного фильтра, м.

      Объем очищенных сточных вод за один рабочий цикл (до регенерации) определяется по формуле: 

        V_св = q*V_и*d/(10⁶*C) = q*h*S*d/(10⁶*C) =  

      = 500*2,4*0,25*3,14*(1,4)²*600/(10⁶*0,021) = 52,752 м³ 

      где V_св –объем очищенных сточных вод за один рабочий цикл, м³; q –адсорбционная (обменная) емкость ионита, ммоль/кг; V_и – объем ионита, м³; d – насыпная плотность ионита, кг/м³; C – эквивалентная концентрация ионов в сточных водах, моль/л; h – толщина (высота) слоя ионита,м.

      Время работы ионитного фильтра между  регенерациями (время рабочего цикла) определяется по формуле: 

      t_раб = V_ст/(60*Q) = 52,752/(60*0,15386) = 6,26 ч 

      где t_раб – продолжительность рабочего цикла, час.

       При этом масса извлеченных  из сточных вод загрязняющих ионов равна:

                          

      m = M*V_св*d*q/(10⁶*n) = 55*57,752*1,4*500/ (10⁶*2) = 1,11 кг 

      где m – масса извлеченных ионов, кг; M – молярная масса иона, г/моль;

      n – заряд иона.

       По  окончании рабочего цикла необходимо производить регенерацию ионита. Объем регенерационного раствора составляет 2…3 объема ионита. При регенерации происходит замена извлеченных из сточных вод ионов на ионы регенерационного раствора, а извлеченные из сточных вод ионы с поверхности ионита переходят в регенерационный раствор.

       Расход  чистого химического реагента, пошедшего  на одну регенерацию определяется по формуле: 

       m_R = 1000*V_R*A*ρ/100% = 2*0.25* π*D²*h*A* ρ/100% = 

       = 2*0,25*3,14*1,4²*2,4*8*1080/100 = 638,08 кг 

где m_R –масса реагента, кг; V_R – объем регенерационного раствора, м³; A – процентная концентрация реагента в регенерационном растворе; ρ –плотность регенерационного раствора, кг/м³.

       После проведения регенерации ионитный слой промывается от регенерационного раствора. Для этого через фильтр сверху вниз подается чистая (промывочная вода) вода в количестве 3…4 объема ионита. При этом регенерационный раствор, содержащий извлеченные ионы поступает на дальнейшую переработку; из него могут быть извлечены загрязняющие ионы, которые в этом случае представляют уже ценное химическое сырье.

       Объем регенерационного раствора определяется по формуле: 

     V_рег = 2*V_и = 2*0,25*π*D²*h = 2*0,25*3,14*(1,4²)*2,4 = 7,385 м³ 

      Объем промывочной воды после регенерации  ионита составляет: 

       V_пр = 3*V_и  =  3*0,25*π*D²*h = 3*0,25*3,14*(1,4²)*2,4 = 11,078 м³