Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

461

Рис. П-98.

Схема

выпарной

установки

гидрофобными теплоносителями: 1 —

ступень адиабатного испарителя; 2 — конденсатор смешения; 3,7, 8 — насосы; 4 —

подогреватель; 5, 6 — контактные теплообменники

сепарации теплоносителя от раствора и дистиллята, что ухудшает

качество воды.

Разрабатываются установки с промежуточными твердыми теп-

лоносителями, минеральными или металлическими. Увеличение ин-

тенсивности теплообмена

них происходит из-за более высокой ско-

рости движения частиц относительно жидкости, большой разности

плотностей сред, а также из-за высокой теплопроводности частиц.

Одним из путей

для

предотвращения выпадения карбонатной на-

кипи на поверхностях теплообменника термических опреснителей

может быть применение установок мгновенного испарения (УМИ).

В таких установках исходная вода проходит последовательно через

каскад трубчатых теплообменников-конденсаторов, встроенных не-

посредственно в камеры испарения, в которых ее доводят до кипе-

ния,

за

счет

тепла конденсации вторичных паров нагревают до тем-

пературы 82-85°С, при которой наблюдается слабое образование

накипи. Затем воду направляют

головной подогреватель, где за счет

подвода внешнего тепла (пара) она нагревается до 102-104°С и по-

падает последовательно в ряд камер низкого давления, где и проис-

ходит мгновенное вскипание и испарение. Таким образом удается

разделить стадии нагрева и испарения. Накипь образуется в основ-

462

Сточная

вода

Рис. II-99. Схема одноступен-

чатой адиабатной испаритель-

ной установки: 1 — камера ис-

парения; 2 — конденсатор; 3 —

сборник; 4 — подогреватель; 5 —

насосы

ном в головном подогрева-

теле, а также в испаритель-

ной камере. Схема односту

пенчатой У МИ показана на

рис. 11-99.

Производительность одноступенчатой УМИ вычисляют по

формуле:

Концентриро-

ванный раствор

= WC(G-G

, (11.247)

где W — расход жидкости; с — теплоемкость раствора; 6,

— тем-

пература раствора соответственно на выходе из подогревателя и в

камере испарения; г

ст

— теплота испарения пара в сту пени.

Удельный расход пара для одной ступени приблизительно равен

1 кг/кг. Для снижения расхода пара используют многоступенчатую

установку. Расход пара на многоступенчатых УМИ приближается к

расходу

пара в многоступенчатых выпарных установках.

Схема многоступенчатой адиабатной испарительной установки

показана на рис. И-100. Жидкость испаряется при переходе из одной

камеры в другую. Такие установки нашли широкое применение при

опреснении морской воды. Предложено большое число конструкций

адиабатных испарительных установок.

Очищен-

ная вода

Концентрирован-

ный раствор

Рис. II-100. Схема многоступенчатой адиабатной испарительной установ-

ки: 1 — ступень испарения; 2 — подогреватель; 3 — сборник; 4 — насосы

463

Рис. IM 01. Схема вертикальной

атмосферу

адиабатной испарительной уста- _ Q

r J

Очищенная

новки: 1 — конденсатор; 2 — же-

в0

лоб; 3 — канал для отвода конден-

сата; 4 — вертикальный канал; 5 —

вакуум-насос; 6 — переточная тру-

ба; 7 — перегородка; 8 — испари-

тельная камера; 9 — корпус

Разработана установка,

представляющая собой верти-

кальную колонну (рис. 11-101),

имеющая ряд камер. Колонна

работает под вакуумом. Вода

поднимается снизу вверх по

трубам. Концентрированный

раствор удаляют

из

верхней ка-

меры. Образовавшийся пар

конденсируется

на

трубках кон-

денсаторов,

дистиллят стека-

Сточная

ет по желобам в вертикальный

вода

канал.

Установки выморажива-

ния. Процесс вымораживания

заключается в том,

что

при тем-

пературе ниже температуры замерзания чистая вода образует крис-

таллы пресного льда, а рассол с растворенными в нем солями разме-

щается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерза-

ния рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и за-

висит от концентрации растворенных солей.

Если снижение температуры

процессе замораживания идет мед-

ленно, то образуются сравнительно крупные игольчатые кристаллы

со значительно меньшим включением рассола, что способству ет при

оттаивании получению менее минерализованной воды. При быст-

ром проведении процесса образуются меньшие кристаллы, лед име-

ет губчатую структуру. Это затрудняет отделение м^жкристаллитно-

го рассола, и при оттаивании получаемая пресная вода отличается

повышенным содержанием солей. Исходя из этого, процесс вымора-

живания проводят при режимах медленного переохлаждения.

Установлено также,

что

выпадению из раствора каждой

соли

соот-

464

ветствует своя температура охлаждения, например: -0,15

C для CaO;

-0,7°С для Na SO

; -1,91°С для CaCO

; -6°С для MgSO

; -21,9°С

для

MaCl

;

-55

для CaCl

. Если

растворе находится не одна соль,

а несколько, то температура замерзания такого раствора будет ниже.

Например, раствор Na

в присутствии других солей имеет темпе-

ратуру замерзания не -0,7, а -8,2°С.

Разность между температурой замерзания чистого растворителя

и раствора t

' называют понижением температуры замерзания ра-

створа At

( At

= t

' - t

). Понижение температуры замерзания для

разбавленных растворов неэлектролитов пропорционально концен-

трации раствора:

= Km, (11.248)

где К — криоскопическая константа растворителя, зависящая толь-

ко

от природы растворителя (но не растворенного вещества),

для

воды

К = 1,85; ш — молярная концентрация.

Вымораживание можно проводить под вакуумом либо при помо-

щи специального холодильного агента. Схема установки концентри-

рования растворов вымораживанием под вакуумом представлена на

рис. П-102.Я.

Лед образуется в кристаллизаторе при подаче в него предвари-

тельно охлажденного раствора. Кристаллы льда выделяются из сус-

пензии в промывной колонне, а затем плавятся в конденсаторе-пла-

вителе. Для сжатия водяного пара до давления, отвечающего насы-

щению чистой воды при температуре ее замораживания, используют

компрессор. Установки такого типа используют для опреснения со-

леных вод. Среди их недостатков следует отметить большие габари-

ты и необходимость работать при глубоком вакууме.

Затраты энергии для этих установок составляют 10-12 кВт ч/м

Себестоимость получаемой опресненной воды низкая.

Схема установки .для концентрирования растворов при контакт-

ном вымораживании показана на рис. II-102,6.

Сточная вода поступает в теплообменник, где охлаждается уже

очищенной водой. Охлажденную воду направляют в кристаллиза-

тор, куда добавляют не смешивающийся с водой хладагент (напри-

мер, хладоны). Замораживание охлажденного раствора ведут при

прямом контакте с хладагентом. При испарении последнего образу-

ется суспензия льда в концентрированном растворе, которая через

промывную колонну поступает в плавитель. Пары хладагента ежи-

465

Жидкий хладагент

Суспензия из

льда и воды

Концентрирован-

ный раствор

Очищенная вода

Сточная вода

Суспензия из

льда и воды

Концентри-

рованный ра-

створ

Очищенная

вода

Сточная вода

Рис. II-102. Схема установки концентрирования растворов вымораживани-

ем: a — под вакуумом: 1 — промывная колонна, 2 — конденсатор-испаритель,

3 — вспомогательная холодильная установка, 4 — компрессор, 5 — кристаллиза-

тор, 6 — теплообменник; б — при контактном вымораживании: 1 — промывная

колонна, 2 — смеситель, 3 — конденсатор-плавитель, 4 — вспомогательный ком-

прессор, 5 — плавный компрессор, 6 — кристаллизатор, 7 — теплообменник

мают и также подают в плавите ль, где они конденсируются. Воду и

жидкий хладагент разделяют в конденсаторе-плавителе. Разделение

происходит ввид\" разности плотности жидкостей.

Наиболее распространенными хладагентами являются аммиак,

диоксид углерода, бутан, пропан, изобутан, хладоны (CCl

, CCl

CClF

) и их оксиды.

Холодильные агенты должны обладать следующими качествами:

не смешиваться с опресняемой водой и не быть токсичными веще-

ствами (важно при контактном вымораживании); иметь довольно

большую теплоту парообразования, чтобы при заданной холодопро-

изводительности в системе циркулировало меньшее количество хла-

дагента; иметь небольшой объем при температуре испарения и соот-

ветствующем давлении; иметь малую вязкость во избежание боль-

ших гидравлических потерь

хладопроводах; отличаться малой кор-

розионной активностью по отношению к конструкционным матери-

алам, а также химической стойкостью; быть доступными и иметь

невысокую стоимость.

466

Кристаллогидратные установки. Кристаллогидратный процесс

состоит в концентрировании сточной воды с применением гидрато-

образующего агента M (пропан, хлор, хладоны, диоксид углерода и

др.) и образовании кристаллогидратов, имеющих формулу МлН

При переходе молекул воды в кристаллогидраты концентрация ра-

створенных веществ в воде повышается. При плавлении кристаллов

образуется вода, из которой выделяются пары гидратообразующего

агента. Процесс гидратообразовання может проходить при темпера-

туре ниже и выше температуры окружающей среды. В первом случае

необходимо применение холодильных установок, во втором — нет.

Чистая вода может быть получена по схеме, изображенной на рис.

И-103.

Сточную воду подают в камеру насосом под давлением, при ко-

тором происходит гидратообразование. В камеру одновременно дру-

гим насосом подаются теплоноситель и гидратообразующее веще-

ство. Теплоноситель является растворителем для гидр атирующего

вещества. В камере обеспечивается непосредственный контакт сточ-

ной воды и теплоносителя, в процессе которого идет образование

твердых гидратов.

Сконцентрированную сточную воду отводят в камеры, а тепло-

носитель, содержащий гидраты, поступает в камеру плавления, где

происходит разрушение кристаллогидратов за счет тепла, выделяв-

шегося в процессе гидратообразовання. Из камеры чистая вода, теп-

лоноситель и гидратообразующее вещество посту пают в сепаратор,

в котором происходит их разделение. Чистую воду отводят, а тепло-

носитель и пары гидратообразующего вещества поступают

конден-

сатор, где они конденсируются, и конденсат вместе с теплоносите-

лем поступает в камеру для повторного использования.

В качестве теплоносителя могут быть использованы метан, этан,

пропан, бутан и др.

Достоинства вымораживающих и кристаллогвдратных устано-

вок опреснения и кон-

У1

Очищенная вода

Сточная

вода

D-

Концентри-

] рованный

раствор

Рис. Il-103.

Схема установ-

ки для

очистки воды мето-

дом гидратообразовання:

1 — сепаратор; 2 — камера

плавления; 3 — камера гид-

ратообразовання; 4 — ем-

кость; 5 — насос; 6 — кон-

денсатор

467

центрирования: низкий расход энергии (примерно 9-12 кВтч/м

); воз-

можность обезвреживания вод различного состава; отсутствие обра-

зования накипи на стенках аппаратов; сниженная коррозия оборудо-

вания. Недостатки: необходимость применения дорогостоящих теп-

лоносителей и усложнения в связи с этим технологических схем ус-

тановок; невысокая степень концентрирования растворов из-за труд-

ности разделения кристаллов льда и вязкой суспензии; повышение

расхода энергии с ростом степени концентрирования вследствие по-

нижения температуры замерзания при увеличении концентрации

раствора.

Эти методы не нашли широкого использования

промышленности.

11.2. Выделение веществ из концентрированных

растворов

Для выделения веществ из концентрированных растворов ИСПОЛЬ-

ЗУЮТ методы кристаллизации и сушки.

Кристаллизация. Вещества, растворимость которых существен-

но возрастает с повышением температу

ры

(положительная раство-

римость), кристаллизуют при охлаждении их насыщенных раство-

ров — это поли термическая, или изогидрическая, кристаллизация,

идущая при неизменном содержании воды в системе. Если с ростом

температуры растворимость веществ уменьшается, то кристаллиза-

цию проводят при нагревании раствора. Вещества, мало изменяю-

щие растворимость при изменении температуры, кристаллизуют

путем испарения воды при постоянной температуре — изотерми-

ческая кристаллизация.

Положительной растворимостью обладают, например, растворы

MgCl

, MgSO

, NaCl: отрицательной — растворы CaSO

, CaSiO

и др."

Кристаллизацию соли можно также проводить введением в кон-

центрированный раствор веществ, уменьшающих ее растворимость.

Это вещества, содержащие одинаковый ион с данной солью или свя-

зывающие воду. Кристаллизацию такого типа называют высалива-

нием.

Распространенным видом кристаллизации является химическое

осаждение вещества

из

растворов с применением реагентов. Так, при-

меси ионов металлов часто осаждают в виде гидроксидов, добавляя

в раствор щелочи.

468

Кристаллизация растворов при выпаривании может проводить-

ся в последних ступенях многоступенчатых выпарных установок, а

также в ступенях установок адиабатного испарения. Наиболее на-

дежны выпарные аппараты-кристаллизаторы с выносной греющей

камерой и принудительной циркуляцией раствора.

Кристеллизация в выпарных аппаратах сопровождается зарас-

танием греющих поверхностей кристаллизующейся солью и наки-

пью. Для уменьшения инкрустаций и Накипи применяют скорост-

ные греющие камеры с быстрым движением раствора,

который вво-

дят антинакипины.

Кристаллизация с применением погружного горения наиболее

пригодна для выпаривания и концентрирования коррозионно-актив-

ных растворов,

также растворов солей, растворимость которых уве-

личивается с понижением температуры.

Погружное горение—это сжигание газообразного

топлива в

спе-

циально сконструированной горелке под поверхностью жидкости.

Тепло

передается непосредственно

от

теплоносителя

жидкости, при-

B атмосферу

Очищенная

вода

Рис. П-104. Схема кристаллизации с выпариванием в аппаратах погружного

горения: 1 — сборник; 2,8 — насосы; 3 — напорный бак; 4 — выпарной аппарат с

погружной горелкой; 5 — кристаллизатор; 6 — центрифуга; 7 — транспортер; 9 —

сборник; 10 — каплеуповитель; 11 — скруббер-конденсатор; 12 — вентилятор

469

чем степень использования тепла, выделяющегося при горении, со-

ставляет около 90%. Большая часть тепла используется в виде физи-

ческого тепла горячих газов, выходящих из сопла горелки. Горячий

газ разбивается на огромное количество пузырьков, таким образом

обеспечивается максимально развитая поверхность теплопередачи.

Газы, охлаждаясь, выходят из раствора при температуре, близкой

температуре жидкости. Водяной пар, полученный при испарении,

отводится с поверхности жидкости.

Схема процесса показана на рис. II-104. Размеры аппарата могут

быть различными. Для травильных растворов их рассчитывают на

тепловую мощность 30-400 кВт. В погружной горелке может сжи-

гаться любое газообразное топливо, если качество его постоянно. Газ

в погружную горелку следует подавать под давлением, достаточным

для преодоления гидростатического сопротивления столба раствора

в камере аппарата.

Из выпарных кристаллизаторов с использованием горячего газа

или воздуха рассмотрим аппарат Цана. Он является типичным вы-

парным кристаллизатором с разбрызгиванием в камере жидкости.

Схема получения кристаллов сульфата железа в таких кристал-

лизаторах показана на рис. II-105. Раствор из емкости насосом пода-

ют в верхнюю часть выпарной камеры, где ее разбрызгивают сопла-

ми. При контакте с горячими газами, образующимися в камере горе-

ния, происходит испарение воды и раствор концентрируется,

затем

Рис. II-105.

Схема получения кристаллов сульфата железа в

выпарном кри-

сталлизаторе Цана: 1,9 — емкости; 2 — топка; 3 — выпарной аппарат, 4 —

вентилятор; 5 — сепаратор; 6 — осадительный бак; 7 — фильтр; 8, 10 — насосы

А Маточный

раствор

Серная

кислота

^Кристаллы

470

поступает в сборник, из которого

его перекачивают

бак,

куда

добав-

ляют свежую серную кислоту, при

этом происходит осаждение суль-

фата железа. Осадок выделяют на

вакуум-фильтре, а маточный ра-

створ сливают

сборник

направ-

ляют в процесс травления.

Отработанные газы из выпар-

ной камеры отсасывают вентиля-

тором и пропускают через сепаратор, где из них улавливают выноси-

мые капли кислоты.

Испарительный кристаллизатор другой конструкции — со смо-

ченной стенкой — показан на рис. II-106.

В этом кристаллизаторе процесс идет следующим образом: горя-

чий концентрированный раствор поступает в горизонтальную тру-

бу, куда прямотоком со скоростью 30 м/с подают холодный BOS

ZIV

Струя воздуха распределяет раствор по внутренним стенкам трубы,

на которых он начинает кристаллизоваться, частично в результате

охлаждения, частично вследствие испарения. Суспензию и воздух

отводят на другом конце трубы. Без учета энергии, затрачиваемой на

воздуходувку, эксплуатационные расходы на проведение процесса

невелики. Аппарат относительно дешев и прост по конструкции, од-

нако в нем можно получить только мелкие кристаллы.

Наиболее часто кристаллизацию проводят в специальных крис-

таллизаторах при охлаждении или нагревании растворов. Кристал-

лизацию

охлаждением растворов применяют чаще, так

как

раствори-

мость большинства солей уменьшается с понижением температуры.

Выделение кристаллов происходит только из пересыщенных ра-

створов. Пересыщение раствора характеризуют разностью между

концентрациями пересыщенного с

и насыщенного с* растворов, от-

носительным пересыщением (с

- с*)/с* или коэффициентом пере-

сыщения с

/с*.

Образование кристаллов состоит из двух последовательных ста-

дий : 1) возникновение в пересыщенном растворе центров кристал-

лизации — зародышей кристаллов и 2) рост кристаллов на базе этих

зародышей.

Число зародышей, образующихся в единицу времени в единице

объема раствора, равно:

Воздух из еоздухдувки

J L

1 Г

Суспензия кристаллов

и воздух

Горячий

раствор

Рис. II-106. Кристаллизатор со смо-

ченной стенкой