автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Усовершенствование технологии обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция

кандидата технических наук
Смирнов, Владимир Анатольевич
город
Москва
год
1992
специальность ВАК РФ
05.23.04
Автореферат по строительству на тему «Усовершенствование технологии обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция»

Автореферат диссертации по теме "Усовершенствование технологии обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция"



: : а я

ШГССТЕРС'ГВО АРХИТЕКТУРЫ, СТРОИТЕЛЬСТВ А И КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОМ ФЕДЕРАЦИИ В С Е Р О С С И Я С X I* ордена ТрудоЕого Красного Знамени комплексный

и конструкторско-технологкческий институт водоснабжение,

Смирнов Владимир Анатольевич УСОВЕРШЮТВСЗАНЖ ТЕХНОЛОГИИ 01ЮГАШШИЯ

опресненной вода пдаошБонАТСм шит

'С-5.23.04 -- водоснабжение, капали замш, строительные система охраны водных ресурсов)

НАУЧГО-ИСИЕДОВАТЕЛЬСКИЛ

канализации, гидротехнических соорз г.еиий и инженерной гидрогеологии (ВНИИ БОДГЕО)

Из правах рукописи УДК 628.16.628.356.3.

А Б Т О РЕ Е Р А '? диссертации на соискание ученой сгеиепи кандидата технических наук

Моек? л

- 105.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Ск - концентрация ионов кальция; Скк - концентрация карбоната кальция; Сду. - концентрация диоксида углерода;

- время фазового контакта; V - скорость фильтрования воды;

С1!ЛВ - станция приготовления питьевой опресненной бодьг; ОК - опреснительный комплекс; СДУ - сдувочнкй диоксид углерода; 11НС - кальций-карбонатная суспензия; 30-1,?.- фильтры обогащения 1-ой и Е-оГ; ступеней; 011У-ШШ - опытно-производственная установка приготовления питьевой воды.

Работа выполнена в лаборатории водного хозяйства Всероссийского ордена Трудового Красного Знамени комплексного научно-исследовательского и конструкторско-технологическсго института водоснабжения, канализации, гидр?■.•эхнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИ ВОДГЕО).

Научный руководитель - доктор технических каук,профессор

Егоров А.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.профессор

Шаталов Б.В. - кандидат технических наук Амосова Э.Г. Ведущая организация - ВШПИпромтехнологии.

Защита состоится "£3 " с^-ГУ^у.1// 1992 года на заседании специализированного совета л.033.05.ОН по присуждению ученой степени •кандидата технических наук.

Адрес. 119826,Москва,Комсомольский пр.,12,

Отзыв на автореферат,заверенный гербовой печатью предприятия или учреждения,просим направлять в двух экземплярах по адресу института па имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШИЯ 00ДГЕ0.

Лвторефэрйт разослан <■*<?иг^о^^ 1,0Да»

Учз;а«й сскрсторь специализированного совета

кандидат технически* наук Е.Д.Чистляора

Актуальность. В аридных зонах Российской Федерации и других странах оцущаег'ся острая нехватка пресных вод для хозяйствснко-питьевых и других нужд.В связи с этим вопроси водообеспечения населения и производств решаются путем опреснения местных минерализованных вод различными методами.Наиболее мощным источником является морская вода.Опреснение морской воды обычно осуществляют ие-тодом термической дистилляции.Получаемый таким образом промышленный дистиллят используют для приготовления питьевой опресненной воды.Первые установки приготовления питьевой опресненной воды освоены на морских судах с применением определенных солевых композиций реагентов,хорошо растворимых в воде.Однако,ограниченные возможности получения химически чистых реагентов сдерживают решение проблемы водообеспечения объектов в аридных зонах и в автономных условиях эксплуатации.В институте БОДГЕО разработана фильтрационная технология приготовления питьевой опресненной воды с применением местных карбонатсодержащчх материалов и побочных продуктов дистилляции морской воды.

В последние годы в нашей стране и эа рубежом созданы крупные станции приготовления питьевой опресненной воды кальций-карбонатной группы.Однйм из основных узлов этих станций является фильтрационное обогащение дистиллята гидрокарбонатом кальция.Весьма скудные зарубежные сведения и ограниченный опыт в нашей стране,предопределил необходимость усовершенствования технологии обогащения термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция.Поставленная задача весьма актуальна и имеет большое научное и практическое значение.Решению отой задачи посвящена настоящая работа,которая выполнена в соответствии с тематическим планом исследований и разработок ВНИИ БОДГЕО,а также отраслевых производственных заданий

ряда крупных энерго-промьшшенных кошиексов и предприятий.

Цель.Научноо обоснование условий интенсификации процесса обогащения термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция,а также оценка возможности иг практической реализации на УП11В и СШШ в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Научная новизна:

- предложена классификационная схема возможных методов интенсификации процесса обогащения;

- исследовано влияние на процесс обогащения различных факторов ¡давления »концентрации диоксида углерода,времени контакта.ско-рости фильтрования и др.;

- осуществлена проверка эффективности применения гидроксида кальция и высокодисперсных карбонатсодерзшцих материалов;

- разработана методика и произведена сценка реакционной способности различных природных карбонатных материалов,а также карбонатных отходов некоторых производств;

- проведены натурные наблюдения за работой производственных фильтров обогащения на действующей станции СПЛВ-40.

Разработки по интенсификации процесса обогащения опресненной зоды гидрокврбонатом кальция осуществлены на уровне изобретений.

Лостоветтность ВЫБ°Д0В 11 рекомендаций подтверждена теоретическим анализе«,большим объемен экспериментальных исследований и результатами опытно-производственных испытаний,а таюха натурными наблюдениями за работой фильтров обогащения на УШ1В и С11ГШ различной производительности.

Практическая ценность. Разработаны технологическая схема,параметр« и режимы работ узла обогащения,а таяжз конструктивное оформление основных элементов и вспомогательных устройств.Рекомен-

дации внедрены на проектируемых и действующих установках и станциях приготовления питьевой опресненной воды с высоким технико-экономическим эффектом.В качестве примера можно отметить СППВ-40 з системе водоснабжения МАЭЯ г.Актау и СШ1В-50 на объекте ТЭС и ОД "Аден" в Йеменской республике,а также У1ШВ различной производительности на объектах Ю;£ ГРЭС,г.Нукус,г.Ленинск и др.

Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 12 статьях. Получено два авторских свидетельства.Опубликованы доклады на ХП отраслевом совещании МАЭК г.Иевчеико (15б4г.),на конференциях ДаШ г.Владивосток (1985г.) и Укр^оммунНШпроект г.ларьков (1986р.), сделан доклад на конференции СвердяводокакалШМлроект (1986г.),

Объем работы. Диссертация состоит из введения,пяти глав,заключения,списка использованной литературы (130 наименований) и 7 приложений.Общий объем работы 141 страница,в том числе '¿А рисунка,14 таблиц и прилопение.

На защиту представлены:

- результаты исследований влияния на процесс обогащения термически опресненной воды гидрокарбонагом кальции различных факторов ¡давления, концентрации диоксида углерода,времени контакта, скорости фильтрования;

- методика и результаты определения реакционной способности ряда природных карбонатных материалов;

- технологическая схема,параметры и режимы работы узла обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция;

- результаты натурных наблюдений за работой фильтров обогащения на станции СППВ-40 в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения 1/1АЭ1С и г.Актау.

ОСНОВНОЕ СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы интенсификации процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция на установках и станциях приготовления искусственной питьевой воды.

В первой главе дан обзор работы по термическому опреснению морской води и приготовлению питьевой опресненной воды. Показана перспективность интенсификации процесса фильтрационного обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция с использованием местных карбонатных загрузочных материалов и побочных продуктов опреснения морской воды.

Во второй главе рассмотрены некоторые теоретические предпосылки интенсификации процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция в режиме контактного фильтрования и при дозировке различных реагентов с учетом влияния физических методов воздействии. Предложена классификационная схема {рис.1) возможных способов интенсификации процесса обогащения термически опресненной бодн (дистиллята) з технологии приготовления искусственной питьевой воды.

"-риведены результаты экспериментальных исследований на лабораторном стенде влияния различных факторов ни процесс обогащения дистиллята гидрскарбонатон кальция.Общая схема втееперименткльного стенда приведена на рис.2.Основными элементам: этой схеми являются абсорбер для растворения пискскдп углерода,емкость с меиалной для приготовления карбонатной суспензия, модели напорных и бээяппорннх фильтров обогащения,электронасосу,контроль-но-измсрителыгни прлбори и устройства.

Установлено,что в пределах I )Ша давление но оказывает существенного влияния.

Способ интенсификации ¿процесса обогащения

Химическое ьоздейстЕке на процесс

возкоаних способог Ш1тенсв|икаизи процесса обогащения .термическк,011роснешюД.1?9да. гздрокароонатом кальцкя

а

При увеличении времени контакта и скорости фильтрования, а также исходной концентрации.диоксида углерода в агрессивной форме, эффект обогащения воды гидрокарбонатом кальция возрастает.Определены оптимальные значения времени контакта в пределах 12-15 ыин. и приведенной скорости фильтрования - 15-30 м/ч.На рис.3 приведен график обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция в зависимости от времени контакта и скорости фильтрования при исходной концентрации диоксида углерода 1,2 и 3 г-экв/мэ.

Показано,что при увеличении минерализации опресненной воды процесс обогащения замедляется вследствие влияния забуф&ренности системы.

Применение добавки минеральных кислот (соляной и серной) ускоряет процесс минерализации,но при этом во,дно-солевой состав обогащенной воды ухудкаегся.

Проверена эффективность использования извести для обогащения дистиллята и стабилизации обогащенной воды.

Разработана методика определения реакционной способности высокодисперсных карбонатных материалов с применением прибора /¡еря-гина.

В четвертой главе приведены результаты испытаний узла обогащения дистиллята в напорном режиме на ОПУ 1Ш-н и натурные наблюдения за работой открытых фильтров обогащения на СШВ-40 в режиме постоянной эксплуатации.

Использование кальций-карбонатной суспензии позволяет уменьшить расход загрузки в фильтрах обогащения.Экспериментально обоснована более эффективная двухступенчатая схема фильтров обогащения с зернистой карбонатной загрузкой,позволяющал рационально использовать более крупные фракции и взвесеемкость слоя неоднородной загрузки при фильтровании воды снизу вверх на первой ступени и бо-

IO'C rir-экв/л

ov врэмяпи контакта я скорости фильтрования 1,2,2,4 - « 6,4;20,0;45,0;90,0 м/ч при С -I «г-эхе/л; b,6s7,ö - то кг при С 2 мг-эке/д; 9,10,II,Iii - то se при С « 3 ги"~ок'а/л

лее мелкие фракции загрузки для связывания агрессивного диоксида углерода и глубокого осветления обогащенного фильтрата на второй ступени при фильтровании воды сверху вниз.На рис.4 показана двухступенчатая схема фильтров обогащения термически опресненной воды.

Расход реагентов на опытно-производственной установке: а) в режиме обогащения дистиллята °

СДУ - 44+1I г/мэ; ЮС - 100+20 г/м3; 6Ув рекиме кондиционирования воды хлор - 1,5 г/м3; фтор -0,7 г/м3;

щелочь - 0,2-0,3 г-эко/м3 или 5,6-8,4 г/ы3 СаО.

Высота слоя' загрузки в фильтрах обогащения равна 2,5 м.Фракционный состав загрузки - 0,6-4,0 мм.Материал загрузки - природный зернистый ракушечник.Скорость фильтрования воды в Ф0-1 равна 21,2 м/ч,а на 40-2 - 14,2 м/ч.Время контакта диоксида углерода с зернистым карбонатом кальция в динамических условиях составляет соответственно - 7,1 и 10,6 мин,а суммарно - 17,7 мин.Продолжительность фильгроцикяа равна 168 ч.Промывка загрузки в фильтрах периодическая опресненной водой с интенсивностью 15 л/См -с) в течение 5 мин.Целесообразно применять предварительное взрыхление загрузки воздухом с интенсивностью 15 л/(м^с) в течение 4-6 мин.Отработанные' промывные воды подвергаются осветлению и повторному использованию. 0среднекние данные о качестве промышленного дистиллята и питьевой опресненной воды приведены в прилагаемой таблице.

Рис.4. Схекч упла фильтров обогащения дистиллята. I - подача смеси дистиллята,СДУ и (ИП; с - электронасос; о - распределитель воды; 4 и 5 - фильтры обогащения первой и второй ступеней 10 2 и '¿0 о; б - сборник обогая-енного дистиллят¡вспомогательные устройства условно не показани

! Количество

!-

Показатели ! промышленный !штьевая

! дистиллят !опресненная _! 1 вода_

I 1 2 ! 3

Температура,°С 30 ■¿8

ВодородньШ показатель рН,ед. 7Д 0,3

Запах,балл I I

Мутность,мг/л I I

Цветность,град. 3 3

Окисляемость,мгО^/л 0,4 0,9

Щелочность И^.мг-экв/л 0,18 2,59

йест;сость Ж0,мг-окв/л 0,19 2,75

Натрий+калий Ла +к\ш/п 6,7 20,0

мг-экв/л 0,29 0,87

Кальций Са*"+,мг/л 2,4 43

ыг-экв/л 0,12 '¿,17

Магний мг/л о,е • 7,0

мг-экв/л 0,0? 0,56

Гидрокарбонаты НСО",ыг/л 11,2 15-4,4

уг-эйв/л 0,18 ? Ч'^

Хлорида и" ,мгУл 7,4 Ор А

МГ-ОКй/л 0,21 0

Сульфаты »иг/л А А '% . 1. 11,0

кг-зкв/л: о,сз о,-гз

Желвзо оО'дзе ЦигД 0,05 0,20

>.'ср ¡-,кг/л 0,04 о,ба

Бром Як' ,мг/л 0,10 С, 13

Бор В0*,иг/л 0,05 0, ио

Г

3

Нефтепродукты,кг/л Кислород О2,мг/я Соле содержание ,мг/'л Индекс насыщения Ланжэлье Индекс стабильности Ризнера

0,1 0,3 34 -2,8 12,8

0,1 7,3 268 +0,6 7,0

По даннш натурных наблюдений за работой открытых фильтров обогащения на СППВ-40 построен график-рис.5.характеризующий функциональную связь между содержанием кальцяя в фильтрата и величиной проскока агрессивного диоксида углерода.

В пятой главе сформулированы основные рекомендации по технологии обогаце;гля термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция л дана их технико-экономическая оценка.

14 12

1 /

и(

с г1 0 с \/ г

/ /

/ у < )

/ о

У г ) с >

о

< > 1

о г о 1 1 1

9 с о£| 0 э

А с с 0

V* жП г-

Рис.5. График зависимости проскока агрессивного диоксида углерода и содержание кальция в фильтрате производственных фильтров обогащения, о- натурные наблюдения; - расчетные значения

кг/л

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Произведен обзор современного состояния технологии опреснения морской води и приготовления питьевой опресненной воды.Показано, что перспективным направлением является фильтрационный метод обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция с использованием побочных продуктов дистилляции морской йоды и местных калыций-кар-бокатньгх загрузочных материалов.

2. Б результате анализа различных методов интенсификации процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция предложена классификация их с группировкой по физико-химическим факторам воздействия.В этой классификации определена область интенсификации процесса обогащения с применением зернистых кальций-карбонатных загрузок и высок однсперсных материалов.

3. Проведены исследования на экспериментальном стенде влияния на процесс обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция различных факторов'.давления,исходной концентрации диоксида углерода, времени фазового контакта и скорости фильтрования опресненной воды,а также эффективность применения высоноднсперсных карбонатных ыатериа-лов,водного раствора ги.цроксида кальция и минеральных кислот.Кроме того,предложена методика я осуществлена оценка реакционной способности природных карбонатных дисперсных материалов и некоторых карбонатных отходов химического производства.

4. Экспериментально установлено,что в пределах I МПа давление не оказывает существенного влияния на процесс обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция,При фильтровании дистиллята через зернистый слой карбоната кальция эффект обогащения возрастает с увеличением времени контакта и скорости фильтрования воды,а также исходной концентрации диоксида углерода з агрессивной форме.

5. При увеличении минерализации опресненной еоды интенсивность обогащения ее гидрокарбонатэм кальция снижается,вследствие влияния забуференности гетерогенной системы.Процесс обогащения протекает в диффузионно-кинетической области.Оптимальные значения времени контакта находятся в пределах 12-16 минут, при исходной концентрации ^¿атр ^ МГ_ЭКВ/Л и скорости фильтрования воды -1Ь-30 м/ч.

6. Предложена методика оценки реакционной способности высокодисперсных карбонатных материалов с применением прибора Дерягина доя определения удельной поверхности дисперсной среды.Экспериментально установлено,что наибольшей реакционной способностью обладает природный зернистый ракушечник карьера № 380 (г.Актау) по сравнению с мраморной крошкой и меловой затравкой.

7. При обогащении дистиллята с применением извести расходуется удвоенное количество диоксида углерода,что существенно повышает эксплуатационные расходы по сравнению с фильтрационной технологией. Для стабилизационной обработки обогащенного дистиллята целесообразно использование известкового раствора,так как в этом случаи обеспечивается дополнительное обогащение воды кальцием при меньшем расходе реагента по сравнению с подцелачиванием кальцинированной содой.

0. Яри применении дозировки минеральной кислоты (соляной и серкой) в процессе фильтрациокчогс обогащения дистадлят;5 ускоряется прирост кальция ь фильтрате, но при зтог/ возрастает содержание в нем хлоридов и сульф* то с.

9, Проведены испытания узле фильтрационного обогащения промышленного дистиллята на опытно-производственной установке произ-

всдительностыэ 7200 ы3 в сутки.Установлено,что при использовании сдувочного диоксида углерода и кальций-карбонатной суспензии целесообразно применение двухступенчатой схемы фильтров обогащения. Фильтрование воды на первой ступени осуществляется снизу вверх через неоднородный слой карбонатной загрузки,а на второй ступени -сверху вниз.Это позволяет рационально использовать взвесеемкость загрузки и расходовать более депевые крупные фракции в '20-1, а также обеспечить более высокий эффект осветления в $0-2.

10. Проведены натурные наблюдения за работой промышленных фильтров обогащения на действующей СППВ-40 при использовании баллонной углекислоты и зернистого ракушечника в качестве карбонатной загрузки.Обобщены данные наблюдений за длительный срок эксплуатация открытых фильтров обогащения.Выявлена функциональная связь между величиной проскока агрессивного диоксида углерода и концентрацией кальция в фильтрате.

11. Разработаны технологические схемы и параметры узла обогащения термически опресненной воды,а такие рекомендации по усовершенствованию действующего промышленного комплекса ЗДЦ-СППВ в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения МАЗ|( и города.Приоритет разработки технологии обогащения защищен на уровне изобретений (авторское свидетельство Р 1412232 с приоритетом от 6 марта 1986г.).

12. В результате внедрения предложений и разработок на действующем комплексе получен годовой фактический эффект на УШВ-7,2 -12 тыс. рублей и на СППВ-40 - свьгле 67 тыс. рублей ¡годовой ожидаемый эффект при реконструкции комплекса ЗПД-СПШЗ составит свыше 160 тыс. рублей.Использование СДУ в технологии обогащения дистиллята на СППЗ-40 позволяет сэкономить ежегодно пищевую сжиженную углекислоту в количестве около 650 т.

Основное содержание диесертгции опубликовано в следующих работах:

1. Ипатов П.Ф..Смирнов В.А».Вилкова Л.И..Абрамова B.C.Процессы обогащения дистиллята гидрокар5онатом кальция в технологии приготовления опреснзнной питьэаой вода // Опреснение воды и es использование в системах водного хозяйства промышленных предприятий: Тр.ВНИИ ВОДГЕО. - М.,I9d2. - С. 13-15.

2. Смирнов В.А.Исследование влияния концентрация диоксида углерода на скорость минерализации опресненной воды // ВНШИС.Дзп.

JP> 6079. - М.,1985.

3. Егоров А.И.»Смирнов В.А..Абрамова B.C. Исследование влияния давления на процасс обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция // ШШШ.Деп. № 6080. - ¿(.»1985.

4. Смирнов В.А.»Абрамова З.Сс Исследование процесса фильтрационного обогащения термически опресненной воды кальцием // ВШЫИС. Доп. № 6333. - Ы.,1905.

5. A.c. jf> ЮТ19И. Устройство дня приготовления питьевой воды иа опресненной / Смирнов В.А..Сиирнова Е.И. ДСП от 22.0b.d6p.

6. Смирнов В.Ас Интенсификация процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатсш кальция // Тохнологичзскио процессыä схе-т и конструкции сооружений водоподготовки: Тр.ШИИ ВОДГьО, - X., 1985. - С. 61-66.

7. Смирнов В.А. Основные гапраеленля усовершенствования технологии получения питьевой води на базе тсрмяческих олрзскнтзлзй// Сборник докладов конф-зр.:нцим ДйПи иа.П.В. г (у й й кео в е.. - Владивосток, I9Ö5. - С. I3&-I3B.

• Ь. Смирнов В.А. Згильтредиотасз обогащение дистиллята гидрокарбонатом кальция Ц Замккуз-ьк» и оборотные системы водоснабжения: Тр.ВНИИ ЮДШ). - Ü.,19tti. - С. ¿1-24.

9. Кгоров А.Й..Сшриоз В.А. Усовершенствованна технологии по-

лучения питьевой воды на базе термических опреснителей// Сборник докладов конференции: УнркоммунНИИпроект«. - Харьков, 1986. - С. I53-I&6.

10. Смирнов В.А,. .Баранов D.C. .Шувалова О.М.Оценка возможности использования высокодисперсных материалов в технологии получения термически опресненной питьевой воды // Опреснение минерализованных вод: Тр.ВНИИ ВОДНО). - Ы.,1987. - C.II-I7.

11. Смирнов В.А. Усовершенствование узла обогащения термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция // Замкнутые системы водного хозяйства промышленных н энергетических объектов.ДСП: Тр. ШШИ В0ДГЕ0. - И. ,1987. - С. 62-67.

1Ü. A.c. № I41Ü232. Способ приготовления питьевой воды / Егоров А.И.»Смирнов В.А. и др. от 6.94,В8г.

13. Смирнов В.А. Усовершенствование узла карбонизации дистиллята а технологии приготовления питьевой води //Глубокая очистка воды: Тр.ВНИИ ВОДГЕО. - Д.,1989. - С. 94-98.

14. Смирнов В.А. Выбор схемы узла обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция // Повышение эффективности технологических процессов водоподготовяи в системах водоснабжения: Тр.ВНИИ БОДГЕО,-М.,1990. - С. 65-6В.

____OüA'iiJfJcjv 15/Vll-a.' Г. ООгеи 1 п. л. Зак. IJt. Тир. IUP.

Тип, ВНИИ БОДГЕО, г, Железнодорожник, 1'идрогоридок, 15.