автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка и применение импеллерного флотатора для очистки нефтесодержащих сточных вод

Введение

Глава 1. Аналитический обзор

1.1. Теоретические основы процесса флотации

1.2. Назначение и классификация реагентов, применяемых 42 при флотации.

1.3. Анализ конструкций, применяемых флотационных 48 машин.

1.4. Анализ конструкций механизмов для удаления пены из 60 камеры.

1.5. Существующие схемы расчета импеллерного флотатора.

1.6. Опыт применения импеллерной флотации для очистки 67 сточных вод.

1.7. Выводы, цели и задачи исследований

Глава 2. Методика исследований.

2.1. Моделирование работы импеллерного флотатора и 79 обоснование исследований на сооружениях реальных размеров.

2.2. Методика исследований.

2.2.1. Определение поверхностного натяжения.

2.2.2. Определение вязкости.

2.2.3. Определение давления жидкости в диспергаторе.

2.2.4. Определение потоков во флотаторе.

2.2.5. Определение скорости вращения импеллера.

2.2.6. Определение эффективности очистки сточных вод. 93 2.3. Выводы.

Глава 3. Лабораторные исследования.

3.1. Испытания на малой модели флотатора.

3.1.1. Описание малой модели.

3.1.2. Лабораторные исследования, проведенные на 97 малой модели.

3.2. Испытания крупномасштабной модели.

3.2.1. Описание конструкций, испытанных на 109 крупномасштабной модели.

3.2.2. Лабораторные испытания крупномасштабной 118 модели.

3.3. Обсуждение результатов лабораторных исследований.

3.4. Выводы.

Глава 4. Полупромышленные испытания.

4.1. Полупромышленные испытания, проведенные на

Вологодском заводе шарикоподшипников.

4.1.1. Испытания малой модели импеллерной флотации.

4.1.2. Испытания крупномасштабной модели 175 импеллерной флотации.

4.2. Полупромышленные испытания, проведенные на 178 Оренбургском НМЗ

4.3 Выводы.

Глава 5. Промышленные испытания.

5.1. Испытания импеллерного флотатора очистных сооружений АП № 5 (С.-Петербург).

5.2. Испытания импеллерного флотатора очистных 194 сооружений завода КУЗАКС (Москва).

5.3. Выводы.

Глава 6. Обобщение полученных данных. Методика расчета.

6.1. Пример расчета импеллерного флотатора.

6.2. Выводы.

Глава 7. Технико-экономическая оценка применения импеллерного 233 флотатора.

Актуальность проблемы. Сточные воды многих промышленных предприятий загрязнены взвешенными веществами и нефтепродуктами. Дисперсный состав этих загрязнений изменяется в широких пределах, а многие суспензии сточных вод отличаются большой агрегативной и седиментационной устойчивостью. К основным методам очистки воды от взвешенных загрязнений, в том числе и нефтепродуктов, относятся отстаивание, центрифугирование, флотация, фильтрование.

В настоящее время во многих отраслях промышленности для очистки сточных вод применяется метод флотации. Применение флотации целесообразно для удаления гидрофобных взвешенных загрязнений, в том числе масел и нефтепродуктов, а так же некоторых растворенных веществ, например, поверхностно активных веществ (ПАВ).

Флотация является методом выделения твердых и жидких загрязнений, находящихся в жидкости, с использованием для этой цели пузырьков газа. Название метода происходит от французского слова Flotter - плавать на поверхности воды, т.к. этот метод изначально применялся только в горной промышленности для обогащения или для разделения водной минеральной суспензии. Частицы одного компонента, которые вследствие плохой смачиваемости жидкостью прилипают к газовым пузырькам, выносятся ими на поверхность, где и образуют слой пены. Частицы же другого компонента, хорошо смачиваемые жидкостью, не прилипают к газовым пузырькам и остаются в жидкости во взвешенном состоянии или оседают на дно сооружения.

В области очистки воды, в отличие от отрасли обогащения ископаемых, требуется выделение максимального количества загрязнений. Это с одной стороны упрощает задачу, т.к. нет необходимости в подборе флотореагентов различного направленного действия для выделения требуемых компонентов суспензий, а с другой - усложняет, т.к. требования к остаточным концентрациям для последующего использования очищенной воды или сброса в водоем на несколько порядков выше.

Эффективность флотации зависит от объема диспергированного воздуха и крупности пузырьков. Эти два параметра определяют поверхность воздушной фазы, на которую сорбируются загрязнения.

Из известных методов получения водо-воздушной смеси наиболее часто используется метод напорной флотации. Несмотря на то, что этот метод считается наиболее эффективным, т.к. обеспечивает достаточно устойчивый дисперсный состав воздушных пузырьков, у него имеются недостатки. Один из них заключается в необходимости применения специального оборудования: насоса высокого давления, эжектора или компрессора, сатуратора, устройств для смешения водо-воздушной смеси с исходной сточной водой. При использовании компрессора подаваемый воздух может быть загрязнен парами масла. Другой заключается в необходимости увеличения объема флотокамеры в 1,5 раза, поскольку на многих больших флотационных установках, предназначенных для очистки нефтесодержащих сточных вод, насыщение воздухом осуществляется рециркуляционного расхода, составляющего 50 % от исходного.

К одному из перспективных методов флотации, который может конкурировать с напорной относится импеллерная. Этот метод перед напорной имеет следующие преимущества:

- отсутствие дополнительного оборудования, поскольку процессы флотации и насыщения воздуха происходят в одном объеме, как следствие для размещения аппаратов импеллерной флотации требуется меньшая площадь;

- стабильность работы при колебаниях расхода подаваемой на очистку воды;

- простота реконструкции существующих сооружений (отстойников, нефтеловушек, шламонакопителей и др.) для дополнения существующих схем очистки процессом флотации.

Метод импеллерной флотации в области очистки воды изучен недостаточно. Существующая методика расчета этих аппаратов сводится к гидравлическому расчету пропускной способности сооружений. Работ по изучению зависимостей образования водо-воздушной смеси при импеллерной флотации от свойств воды поступающей на очистку не проводилось.

Актуальность разрабатываемой темы заключается: в расширении возможности применения этого метода флотации в области очистки воды; в определении эффективного применения импеллерной флотации для очистки нефтесодержащих сточных вод; в разработке конструкции отечественного импеллерного флотатора; в разработке методики расчета и подбора этих аппаратов.

Цель работы состоит: в развитии применения процесса импеллерной флотации для очистки нефтесодержащих сточных вод; в разработке методики расчета импеллерного флотатора, опирающейся на свойства сточных вод; в определении наиболее рациональных соотношений параметров импеллерного диспергатора и в разработке промышленного образца импеллерного флотатора на их основе.

Эти цели достигались комплексным решением следующего круга задач: углубленным анализом процессов, происходящих при флотации загрязнений сточных вод; обобщением экспериментальных и теоретических данных по гидродинамике и эффективности закрепления загрязнений на поверхности пузырьков; выявлением закономерностей образования водо-воздушной эмульсии в импеллерном диспергаторе; реализацией полученных решений в виде промышленных конструкций импеллерных флотаторов.

Научная новизна заключается: в экспериментальном определении количественных зависимостей поверхности раздела фаз воздух-вода от поверхностного натяжения и соотношения геометрических размеров импеллерного диспергатора; в определении влияния вязкости, солесодержания и температуры на дисперсность воздушной фазы, которая определяется изменением поверхностного натяжения.

Практическая ценность работы.

1. Установлена необходимость включения в конструкцию импеллерного флотатора зоны отстаивания и определены параметры ее расчета;

2. Разработана конструкция импеллерного флотатора для применения в области очистки воды и дана методика его расчета.

3. Разработана конструкция импеллерного диспергатора для применения в схемах очистки сточных вод.

4. Разработанная методика расчета позволяет наиболее эффективно использовать метод импеллерной флотации для очистки сточных вод.

5. Технико-экономическая оценка показала, что его применение позволяет проводить очистку воды до тех же качественных показателей, но при меньших капитальных и эксплуатационных затратах в сравнении с напорными флотационными установками.

Внедрение результатов работы.

По результатам работы были разработаны технические задания на проектирование, запроектированы импеллерные флотаторы в составе очистных сооружений на Вологодском подшипниковом заводе, ОАО "Нефтемаслозавод" (г. Оренбург), ОАО "ЛукойлВолгограднефтеоргсинтез". В схеме очистных сооружений мойки автобусов АП №5 (г. С.-Петербург), а так же в схемах очистных сооружений промышленного и поверхностного стока Кусовского завода консистентных смазок (КУЗАКС) (г. Москва) флотаторы вступили в промышленную эксплуатацию, о чём свидетельствуют акты приемки (Приложение 21).

Произведенные промышленные испытания сооружений показали, что разработанные установки обеспечивают необходимую степень очистки сточных вод.

Апробация работы.

По результатам работы выполнены три технико-экономических доклада, три регламента на проектирование.

Результаты работы и основные положения диссертации докладывались на семинарах, проведенных в рамках международной выставки «АКВАтерм-2000» (6.09.00г. в г. С.-Петербург.), «Современное состояние и пути решения проблемы защиты окружающей среды на предприятиях нефтегазовой отросли» (11.04.01г. в г. Москва).

Публикации.

По материалам выполненных исследований опубликовано 6 статей и тезисов докладов.

8. Основные выводы по работе.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Образование водо-воздушной смеси при импеллерной диспергации воздуха является совокупностью действия нескольких процессов: эжекции атмосферного воздуха в центральной части диспергатора, кавитации в области за лопатками, разности динамических давлений и касательных напряжений внутри диспергатора, падения давления при выходе водо-воздушной смеси во флотокамеру.

2. При расчете расхода воздуха подсасываемого из атмосферы в зону вращения ротора, необходимо учитывать коэффициент эжекции, определяемый по предложенной формуле (6.5). иэ=Кэх,

Р+Я

3. Для оценки крупности пузырьков водо-воздушной смеси, образующейся в импеллерном диспергаторе, определяющим и объемлющим параметром является поверхностное натяжение (о), учитывающим влияние других параметров воды (температура, солесодержание, концентрация ПАВ и др.).

4. Разработанная методика расчета импеллерного флотатора впервые исходит из необходимой площади контакта фаз для сорбции загрязнений определяющей потребность в количестве воздуха и дисперсности водовоздушной смеси, опираясь на физические свойства обрабатываемой воды (поверхностное натяжение и вязкость), концентрацию загрязнений и требуемый уровень выделения загрязнений.

5. Эквивалентный диаметр пузырька, образующийся в импеллерном диспергаторе может быть определен по предлагаемой эмпирической зависимости ёэ^/(сг) (рис. 6.3).

6. Минимальный диаметр пузырька воздуха, требуемый для расчета импеллерного флотатора разработанной конструкции, может определяться скорректированная формула 6.23.

7. Конструкция импеллерного флотатора кроме флотокамер, должна включать зону отстаивания для эффективного выделения большого количества (до 90 % от общего числа) пузырьков малого диаметра (с!=0,2-Ю,07 мм), составляющих основу поверхности раздела фаз.

8. Разработана конструкция импеллерного диспергатора, предназначенного для очистки нефтесодержащих сточных вод, и определены её рациональные соотношения геометрических и технологических параметров:

- глубина погружения до верха диспергатора (Н5) 0,5 - 1,2 м;

- диаметр ротора (с1к) 0,1 - 0,3 м;

- соотношение между высотой (Ьк) и диаметром ротора (с!к) 0,25 - 1;

- величина зазора (5) между ротором и статором должна быть 8-10мм;

- скорость вращения крыльчатки должна составлять ик=6-\ 1м/с;

- мощность привода диспергатора не более 2 кВт;

- диаметр отверстий в статоре (с1охв)должен быть не более 20 мм.

9. Применение импеллерной флотации рекомендуется для очистки сточных вод от нефтепродуктов, не выделяемых свободным отстаиванием. Промышленные испытания разработанного флотатора на сточных водах нефтемаслозаводов показали, что при содержании нефтепродуктов после предварительного отстаивания 20-70 мг/л их концентрация в очищенной воде при использовании в качестве коагулянта оксихлорида алюминия составляет в среднем 2,1-2,4 мг/л, что соответствует эффективности 90-98 %.

10. Для повышения эффективности очистки нефтесодержащих сточных вод в ряде случаев импеллерными диспергаторами разработанной конструкции можно дооборудовать существующие емкостные сооружения (например отстойники, нефтеловушки и пр.).

11. Разработанные импеллерные флотаторы пущены в эксплуатацию и успешно эксплуатируются в автобусном парке № 5 (г. С.-Петербург) в оборотной системе мойки автобусов; на Кусковском заводе консистентных смазок (г. Москва) в составе очистных сооружений промышленных и очистных сооружений поверхностных вод. О чем свидетельствуют акты в приложениях 21, 22 к диссертации.

Кроме того, по нашим рекомендациям разработанные импеллерные флотаторы включены в рабочие проекты очистных сооружений на Вологодском подшипниковом заводе и ООО "Лукойл Волгограднефтепереработка".

1. В.А. Глембоцкий, В.И.Классен. Флотация. М. Недра - 1973г. Н.Ф. Мещеряков. Кондиционирующие и флотационные аппараты и машины.- М: Недра, 1990г.

2. В.И. Мелик-Гайказян. Краевые углы и их применение в работах по флотации. М: Обогащение руд, 1976г, №5. П. А. Ребиндер, М.Е. Липец, М.М. Римская и др. Физикохимия флотационных процессов. - М: Металургиздат, 1933г.

3. Н.К. Адам. Физика и химия поверхностей. М: Гостехиздат, 1947г.

4. И.В. Пертяков, Н.М. Розенблюм. О краевых углах малых капель. ДАН СССР: 1948г,т.61.№4.

5. М.В. Кравцов. Гидромеханические процессы и сооружения гидроочистки. -Минск: Урожай, 1990г.

6. В.Г, Левич. Физико-химическая гидродинамика. М: 2-е изд. перераб.; Государственное издательство физико-математической литературы, 1959г.

7. Условия приемки сточных вод в городскую канализацию. М: Стройиздат, 1981г

8. Б.В. Дерягин, С.С. Духин, Н.Н, Рулев. Микрофлотация. М: изд. Химия, 1986г.

9. К.Е. Перепелкин, В.С, Матвеев. Газовые эмульсии. -Л: Химия, 1979г.

10. С.П. Артюшин. Флотационные машины на углеобогатительных фабриках. -М: Углетехиздат, 1955г.

11. В.Г. Пономарев, И.С. Чучалин. Применение импеллерной флотации для очистки нефтесодержащих сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника. №10. М: 1999г.

12. В.Г. Пономарев, И.С. Чучалин. Использование импеллерной флотации для очистки нефтесодержащих сточных вод. Вода и экология. Проблемы и решения. №1. С.-Пб.: 2000г.

13. В.Г. Пономарев, И.С. Чучалин. Применение импеллерной флотации для очистки нефтесодержащих сточных вод. Тезисы докладовмеждународной конференции в рамках выставки "АКВАтерм-2000". С.-Пб.: 2000г.

14. И.С. Чучалин. Новый подход к импеллерной флотации. Вода и экология. Проблемы и решения. №3. С.-Пб.: 2001г.

15. С.С. Кутателадзе, М.А, Стыранович. Гидравлика газожидкостных систем. -М: Госэнергоиздат, 1958г.

16. И.М. Федоткин, А.Ф. Немчин. Использование кавитации в технологических процессах.- Киев. Висша школа. 1984г.

17. Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. Струйные аппараты.- Изд. 3-е, перераб. М.: Энергоатомиздат, 1989г.

18. И, В. Прозоров, Г.И, Николадзе, A.B. Минаев. Гидравлика, водоснабжение и канализация. М.: Высш. шк., 1990г.

19. Э.А. Моргулис. Звукохимические реакции. М.: 1972г.

20. И.И. Караваев, Н.Ф. Резник. Флотационная очистка сточных вод от нефтеперерабатывающих заводов. ЦНИИТ Энефтехим. М: 1966г.

21. В.В. Кафаров. Процессы перемешивания в жидких средах. М: Госхимиздат, 1949г.

22. JI.A. Цыбин, И.Ф. Шанаев. Гидравлика и насосы. М: высш. шк., 1976г.

23. В.И. Калицун, Е.В. Дроздов. Основы гидравлики и аэродинамики. М: Стройиздат, 1980г.

24. Элементарный учебник физики. Под редакцией академика Г.С. Ландсберга. М: Наука, 1985 г.

25. Н.И. Лихачев и др. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. (Справочник проектировщика).- М: Стройиздат, 1981г.

26. И.И. Караваев, В.М. Суслов. Очистка производственных стоков путем пенной сепарации. В сб. очистка и рациональное использование воды на ж/д транспорте. -М: Транспорт, 1979г.

27. Ю. Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов, В.И. Калнцун. Примеры расчетовканализационных сооружений. Учебное пособие для вузов. М: Высшая школа, 1981г.

28. В.В. Найденко, В.И. Алексеев, И.Н. Мясников. Технология очистки промышленных сточных вод. Флотация методические указания. -Горький: ГИСИ им. Чкалова, 1962г.

29. Госстрой СССР. СниП П-32-74. Канализация и наружные сети и сооружения. М.: Стройиздат, 1975г.

30. Д.А. Фридрихсберг. Курс коллоидной химии. Учебник для вузов. СПБ: «Химия», 1995г.

31. JI.O. Ландау, Е.М. Лифшиц. Гидродинамика. М: Наука, 1988г.

32. Б.О. Ботук. Гидравлика. М: Высш. шк., 1962г.

33. Л.А. Цыбин. Насосы и насосные станции. М.: Высш. шк., 1978г.

34. B.C. Ксенофонтов. Разработка и создание локальных очистных сооружений нефтесодержащих сточных вод после мойки машин. Водоснабжение и санитарная техника. №3, 2000г.

35. В.В. Кафаров. Основы массопередачи. М: Высш. шк., 1972г.

36. Технология очистки природных и сточных вод. Сборник кратких сообщений и научно-технической конференции. М: Стройиздат, 1973г.

37. A.M. Кагановский, H.A. Клименко и др. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М: Химия, 1983г.

38. Е.О. Бабенков. Очистка воды коагулянтами. М: Наука, 1977г.

39. Л.Д. Скрылев, В.К. Ососков. Управление хим. ж., т. 42, №6, 1976г.

40. В.К. Ососков и др. Химия и технология воды. т.4, №4, 1981г.

41. Л.В. Гандурина., Л.Н. Буцева, B.C. Штондина. Органические флокулянты в технологии очистки природных и промышленных сточных вод и обработки осадка. М.: изд. Госстрой России ВНИИНТПИ, 2000г.

42. H.A. Бакланов. Перемешивание жидкостей. Л., «Химия», 1979г.

43. Г.Н. Зацепина. Физические свойства и структура воды. 3-е изд., перераб- М: изд. Московского университета, 1998г.

44. Е.К. Кулаков. Очистка сточных вод мясокомбинатов. М: ВОДГЕО, 1978г.

45. И.В. Мацнев. Очистка сточных вод флотацией. Киев, "Будивильник". -1976г.

46. С.М. Шифрин. Очистка сточных вод предприятий рыбообрабатывающей промышленности. -М.: Пищевая промышленность, 1977г.

47. Нормативные документы амортизационных отчислений на восстановление основных фондов народного хозяйства СССР. М: 1991г.

48. A.A. Абдурманов. Механика вихревых и винтовых потоков жидкости и ее приложения в гидротехнике. Ташкент: изд. института Узгипрозем, 1982г.

49. К.Н. Шабалин. ЖФХ, №11,1945г.

50. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1985г.

51. Gaudin A.M., Witt A.F., Biswas A.K., Decker T.G., Hysteresis of contact angles. Mineral Processing. Proceedings of the Sixth International Congress held at Cannes, 1963. Ed. By A. Roberts. Pergamon Press, Oxford, 1965.

52. Kmet S., Spaldon F., Natürliche Oberflächerveränderungen von Bleiglanz, Zinkblende und Kupferkies und deren Einfluss an die Flotierbarkeit dieser Sulfide. Freiberger Forschungshefte, 1965, A, Nr. 335.

53. Favelukis M. Unsteady mass transfer between a slender bubble and a viscous liquid in a simple extensional flow. Can. J. Chem. Eng. 1998, № 5.

54. Zahradnik J., Kunova G., Fialova M. The effect of surface active additives on bubble coalescence and das holdup in viscous aerated batches. Chem. Eng. Sei. 1999, № 13-14.

55. Roisard С., Poncin S., Lapicque F., Py X., Midoux N. Behavior of fine particles in the vicinity of a gas bubble in a stagnant and a moving fluid. Chem. Eng. Sei. 1999, № 13-14.

56. Matijevic E. Pure App. Chem. 1981. V. 5 3. № 11. P. 2167-2179.

57. Leach С. R. а. о. G. Peztrol. Tehnol. 1980. V. 32. № 1. P. 48-58.

58. Augelidon Ch. a. o. Ind. And Eng. Chem. Progr. Des and Develop. 1977. V. 164. P. 436-441.

59. Evans Emmet J., Guthrie Stuart G. Solvay Minerals, Inc. Deinking printed wasteraper using olkaline solution containing sodium sulfite and sodium carbonate. Патент № 435169, МПК6 D 21 С 5/02. США. 16.03.99. НПК 162/7.

60. Kemper Martin. Int. J. Miner. Process. State-of-the-art and new tehnologies in flotation deinking. 1999. №1-4. P. 317-333.

61. Flotation. Engineering and Mining Journal. 1966, № 6, P. 544-552.

62. Koichi N. Procédé et appareil pour flottation de minerais on analogues. Patent France 1,345,910 Nov. 4, 1963.

63. Method and apparatus for effecting gas liquid contact. Patent. Germ. WO 93/19836. МПК7 В 01 D 53 /18. 09.08.98.

64. Degner V. R. Winter M. K. AIChE Symp. Sec. 1979. № 190. P. 119-133.

65. New turboflotation technology commercialized. Australia, CSIRO, 2000.

66. Gehr R., Hentry J. G. Progr. Water Technol. 1980. V. 12. № 6. P. 1-21.

67. Ильин В.И., Царькова Т.Г. Очистка сточных вод от нефтепродуктов и регенерация отработанных масел. Экол. пром. пр-ва. №2, 1999.

68. Ксенофонтов Б.С. Флотационная машина для очистки сточных вод. Пат. № 2130897. Россия. МПК6 С 02 F 1/24, В 03 D 1/14. 27.05.99.

69. Галлеев Р.Г., Гимаев Р.Н., Локшин А.А., Купцов А.В., Магид А.Б., Расветалов В.А. Универсальная герметизированная система очистки нефтесодержащих сточных вод. Сб. научн. тр. Ин-т проблем нефтехимперераб. АН Респ. Башкортостан. №33, 2001.

70. Ксенофонтов Б.С., Бойченко В.А. Разработка и создание локальных очистных сооружений нефтесодержащих сточных вод после мойки машин. Экватек-2000. Тез. д-ов. 2000.

71. Яблонский А.В., Колесников С.И., Кильянов М.Ю., Миткин В.Н. Высокоэффективная флотационно-фильтрационная технология очистки промышленных сточных вод с использованием аэрогидрокавитационных блоков. Инст. им. Губкина. Изв. Акад. пром. экол. №1, 2000.

72. Whittam M.; United Utilities PLS. Separating floating solids from a liquid. Патент № 2318070. Великобритания. МПК6 С 02 F 1/24 1/40. 15.04.98.

73. Канделаки М.Н. Исследование работы вторичных горизонтальных отстойников на сооружениях биологической очистки сточных вод. М: 1982г.

74. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М: Химия, 1982г.