microbik.ru
1 2 3




Демков А.И.
Устройства очистки сточных вод от нефтепродуктов, фильтры

по А.И. Демкову
В статье приведены известные конструкции промышленных фильтров и менее известные промышленные фильтр по А.И. Демкову. Приведена методика расчета промышленных фильтрующих систем.
Ключевые слова: промышленные фильтры, фильтры А.И. Демкова, методика расчета.

1. Способ очистки вод от нефтепродуктов методом фильтрации Зернистые фильтры


К зернистым фильтрам относятся все фильтры, в которых используется фильтрующий материал в виде гранул природного или искусственного происхождения. Эти фильтры наиболее широко применяются в промышленности, хотя и имеют существенные недостатки.

Скорость фильтрации и эффективность очистки зависит от характера загрузки. Использование крупного фильтрующего материала приводит к увеличению пропускной способности фильтра и снижению качества фильтрата. Мелкий фильтрующий материал улучшает качество фильтрата, но снижает скорость движения воды в фильтрате и продолжительности работы фильтра, а также вызывает перерасход промывочной воды. При конструировании фильтров нельзя использовать механически характеристики фильтров, работающих на очистке от примесей, для фильтров, работающих с водами, содержащими другие примеси.

Зернистые фильтры могут быть однослойные и многослойные, состоящие из фракций различной крупностью загрузки. Регенерация загрузки осуществляется горячей водой с интенсивность 6  8 дм3/(м2·с), воздуха 8 – 10 дм3/(м2·с). Продолжительность водовоздушной промывки 10 – 12 мин, после чего в течение 3 – 4 мин фильтр промывается только чистой водой с интенсивностью ее подачи 15 дм3/(м2·с). [1] Если невозможно промыть загрузку фильтра, ее необходимо заменить на новую. При эксплуатации фильтра образуется 2 % - 20 % эмульгированной промывной воды, очистка и утилизация выделенных нефтепродуктов связана с определенными трудностями.

Старую загрузку регенерируют (прокаливают), промывают и просеивают, после чего ее снова можно применять. Вода, прошедшая через такой фильтр, должна содержать нефтепродуктов не более 10  15 мг/дм3 [2]. Зернистые песчаные фильтры широко описаны в нормативной технической литературе [2-12]. Однако, для очистки нефтесодержащих сточных вод зернистые песчаные фильтры в настоящее время не применяются. К недостаткам указанных фильтров относятся:

  • трудоемкость замены фильтрующего материала;

  • проблема утилизация отработанного материала;

  • необходимость использовать горячую чистую воду для регенерации фильтра с интенсивностью промывки 6 ¸ 8 дм3/(м2·с);

  • относительно малая удельная грязеемкость, нефтеемкость песка - основного фильтрующего материала;

  • скорость фильтрации не должна превышать 5 м3/ч, при этом фильтр не рассчитан на перегрузку из-за ухудшения эффективности очистки.

Для доочистки нефтесодержащих сточных вод после их отстаи­вания применяют напорные и безнапорные (открытые) фильтры с зернистой загрузкой. Напорный фильтр представляет собой стальной горизонтальный или вертикальный (рис.1) резервуар, рассчитанный на давление 0,6 МПа. Фильтр загружают кварцевым песком слоем 1 м. Вместо кварцевого песка допуска­ются и другие загрузки - дробленый антрацит, керамзит, керами­ческая крошка, котельные и металлургические шлаки и др. [13]

Фильтрование происходит сверху вниз со скоростью 5 - 12 м/ч. Продолжительность фильтроцикла зависит от характера сточных вод и колеблется от 12 до 48 ч. Фильтры промывают обратным током воды снизу вверх в течение 10 - 20 мин. Отмывка загрузочного материала улучша­ется





Рис.1. Напорный кварцевый фильтр вертикальный (аналог ФСУ):

1 - трубопровод для отвода филь­трата; 2 - то же, грязной промывной воды; 3 - водоподводящая труба; 4 - трубопровод для подачи промыв­ной воды; 5 - воздушная распредели­тельная сеть; 6 - водяная распреде­лительная сеть; 7 - сборные желоба; 8 - выпуск воздуха из воздухорас­пределительной сети; 9 - воздухо­провод; 10 - распределительный тру­бопровод.
при использовании воды, нагретой до температуры 60 - 80 °С. Остаточная концентрация нефте­продуктов составляет 10 - 20 мг/дм3 при начальном содержании 40 - 80 мг/дм3. Существенным отличием его от предыдущих зернистых фильтров является изменение природы загрузочного материала – использование в качестве загрузочного материала керамзита или вспененного полистирола. «Замена тяжелых фильтрующих загрузок на плавающие существенно меняет технологию фильтрования воды, позволяет увеличить, по сравнению с кварцевыми фильтрами, концентрацию взвеси и скорость фильтрования, значительно упростить регенерацию загрузки, позволяет отказаться от установки промывных насосов и специальных емкостей для воды. М.Г. Журбой подтверждено, что гранулы полистирола обладают более высокими адгезионными и электрокинетическими свойствами по сравнению с зернами пески и их применение интенсифицирует процесс фильтрации в целом». 9. Технологические рекомендации для фильтров с плавающей загрузкой для очистки природных вод:

- общая толщина двухъярусной или двухслойной загрузки до 0,7  1,2 м;

- допустимое содержание взвеси в воде – до 500 мг/дм3;

- скорость фильтрования – 0,6  2 м/ч;

- диаметр гранул плавающей загрузки – 0,31,5 мм;

- интенсивность промывки загрузки – 10  12 дм3/(с·м2);

- продолжительность промывки 3  4 мин.
Фильтры с эластичной загрузкой

Пенополиуретановый фильтр (см. рис. 2) разработан харьковским ВНИИВО [13] для очистки нефтесодержащих промышленных сточных вод, которые вошли в проекты моек автомобилей и очистки поверхностного стока. Конструкция фильтра проста: цилиндрический корпус d = 1200 мм и конусное днище. Фильтрация осуществляется сверху в низ. Скорость фильтрования принимается до 10 м/ч. В качестве фильтрующего материала принимается пенополиуретан (ППУ) эластичный на основе простых полиэфиров окиси пропилена (ТУ 6-05-1688-74) открытоячеистый марок 40 или 75 в измельченном виде с размером частиц 15 ¸ 20 мм. Для загрузки фильтров могут быть использованы отходы ППУ. Фильтрующая установка состоит из двух последовательных


Рис. 2. Пенополиуретановый фильтр:

1 – пенополиуретановая загрузка; 2 – скребковый элеватор; 3- отжимные барабаны; 4 - транспортная лента; 5 - трубопровод для подачи промывной воды; 6 - привод; 7 - съемная панель; 8 - желоб; 9-подача сточных вод; 10 – решетчатое дно; 11 – отвод фильтрата наружу.
фильтров 1 и 2 ступени. Высота слоя загрузки в фильтре 1 ступени составляет 0,5 м, а в фильтре 2 ступени – 1,5 м.

Регенерация первого фильтра осуществляется путем (ручного или пневматического) механического отжатия загрузки, второго – путем водовоздушной промывки, для чего на фильтровальную установку подводится сжатый воздух. Фильтр первой ступени следует регенерировать ежесуточно. Периодичность регенерации второй ступени устанавливается в процессе эксплуатации. Номинальная производительность описанной установки около

10 м3/ч.

Фильтр ВНИИВО испытывался в производственных условиях на нефтеперерабатывающих заводах городов Грозный и Баку. Пенополиуретановый слой насыпной плотностью 30 ¸ 40 кг/м3 , состоящий из хлопьев размером 0,5 ¸ 1 см, характеризуется высокой нефтеемкостью, достигающей в среднем 350 кг/м3, что в свою очередь обеспечивает высокую продолжительность фильтроцикла. Содержание эмульгированных нефтепродуктов в подаваемых на фильтр сточных вод должно быть до 5000 мг/дм3, удельная нагрузка до 30 м3/(м2 · ч). Вследствие высокой пористости фильтрующего слоя его кольматация происходит равномерно, в результате чего потери напора низки и составляют 0,3 м на 1м высоты фильтрующего слоя. Это свойство полиуретановой загрузки позволяет задавать фильтру рабочий режим, при котором продолжительность фильтроцикла определяется не временем достижения предельных потерь напора, а временем максимального исчерпания нефтеемкости фильтрующей загрузки.

Фильтр устанавливается после нефтеловушки, обеспечивающий содержание нефтепродуктов в сточной воде не более 150 мг/ дм3[13]. Нефтесодержащая вода равномерно подается на поверхность загрузки и, фильтруясь сверху вниз (со скоростью до 30 м/ч), выводится через трубопровод. По мере кольматации слоев загрузки увеличивается потери напора, и в конце фильтроцикла (при высоте фильтрующего слоя 2 ¸ 2,5 м) уровень воды поднимается под загрузку на высоту 0,55 ¸ 0,7 м, затопляя механизм регенерации. Для проведения регенерации снижают уровень воды в емкости до верхнего уровня фильтрующего слоя и включают привод механизма регенерации. При этом нижняя ветвь скребкового элеватора захватывает нижние слои загрузки и равномерно подает их на транспортерную ленту, на которой формируется слой загрузки. Регенерат по наклонной верхней ветви транспортера стекает в емкость и отводится. Отжатая в барабанах загрузка равномерно распределяется по фильтрующей поверхности и, по мере удаления нижних слоев, формирует новый верхний фильтрующий слой. Продолжительность фильтроцикла при максимальных значениях удельной нагрузки (30 м3/(м2·ч)) составляет 15 часов. Продолжительность цикла регенерации – до 40 минут. Для более полного удаления нефтепродуктов осуществляется двукратное, трехкратное отжатие всего объема загрузки, сопровождаемое орошением водой с температурой 40  50°С. В случае замены фильтрующей загрузки или ремонта емкости предусмотрена выгрузка пенополиуретана через окно, образующееся при снятии панели. Остаточное содержание нефтепродукта в фильтрате 10 мг/ дм3.

Опыт эксплуатации этих фильтров показал, что грязеемкость ППУ более чем в 20 раз превышает грязеемкость кварцевого песка, а количество регенерата, образующегося в процессе механического отжатия ППУ, в 30  50 раз меньше количества промывных вод, образующихся при регенерации песчаных фильтров.

СвердНИИхиммаш [14] предлагает собственную разработку фильтра (см. рис. 3) для очистки от нефтепродуктов:

• извлечения масел и нефтепродуктов, диспергируемых в воде и других жидкостях в процессе переработки различных технологических растворов и сбросных вод народного хозяйства;



Рис. 3. Промышленный фильтр СвердНИИхиммаш:

1 - штурвал; 2 - корпус; 3 - подвижной дренажный диск (в верхнем и нижнем положении); 4- наполнитель. А - подача исходной жидкости; Б - слив масла из крышки; В - выход отжатого масла; Г - выход очищенной воды; С - загрузка фильтрующего материала; Д - выгрузка фильтрующего материала.

• рекомендуется для очистки растворов с содержанием масел и нефтепродуктов от 50 до 500 мг/ дм3.

Приведена техническая характеристика данного фильтра от разработчика. Проанализируем ее. Если разделить объемную максимальную производительность 0,6 м3/ч на площадь зеркала фильтра ·0,572/4 = 0,255 (м2) получим максимальную производительность 2,35 м/ч (курсив наш). Как видим, это практически не та производительность, которую утверждали разработчики первых аналогичных фильтров (10 - 30 м/ч). Это не ошибка - это реальность. С увеличением скорости фильтрации происходит процесс выноса эмульгированного нефтепродукта из фильтра. Чтобы уменьшить данный процесс необходимо снижать скорость фильтрации до тех значений, которые указаны в технических характеристиках. Об уменьшении пропускной способности из-за кольматации фильтрующей загрузки речь уже не идет. Таким образом, из почти полтонны металла получили фильтр малой производительности – 0,6 м3/ч или

14 м3/сутки с эффективностью (расчетной) 2,5 - 25 мг/ дм3 – в среднем 12 мг/дм3. Понятно, что данный фильтр далек от совершенства.

Анализ результатов работы рассмотренных фильтров показал, что технологическая логика объединяется в общий вывод: вспененный полистирол и эластичный полиуретан по своим физическим показателям более эффективен, чем тяжелая песчаная загрузка. Керамзитовая загрузка фильтров – это промежуточное звено между песчаными и синтетическими материалами.


Фильтры МосводоканалНИИпроекта

МосводоканалНИИпроектом [15] были разработаны установки «Кристалл», рис. 4. Было налажено их серийное промышленное производство, и повсеместно применялись на локальных очистных сооружений для очистки нефтесодержащих стоков. В последствии разработчики отказались защищать необходимость вибрационного фильтра - остался фильтр «Кристалл» с коалесцирующей загрузкой и фильтром доочистки. Установка комплектовалась вспомогательным оборудованием: 1 - реагентным баком с содой, 2 - компрессором для сжатого воздуха. Данное вспомогательное оборудование предназначалось для регенерации коалесцирующей загрузки, состоящих из гранул полиэтилена.

Принцип работы. Сточная вода из резервуара 1 насосом 2 подается на вибрационный фильтр 3, очищается от грубых примесей и поступает в камеру первичной очистки 5, где находится коалесцирующая загрузка – гранулы полиэфирной смолы. Здесь происходит укрупнение нефтяных частиц и задержание оставшихся взвешенных веществ, после чего вода поступает на дополнительную очистку в камеру 6. Пройдя ряд фильтров из нетканых материалов, очищенная вода поступает в сборник 7, откуда насосом 9 подается на дальнейшую очистку, сброс или для повторного использования. Нефтепродукты, собранные в камере первичной очистки 5, поступают в сборник 8.

После длительной и неэффективной технической эксплуатации на локальных очистных сооружениях Ялтинской нефтебазы нам пришлось полностью отказаться от этого фильтра. Этому были существенные причины:

- эффективность по нефтепродуктам была несущественна и составляла 20 -30%;


Рис. 4. Схема очистки сточных вод на установке «Кристалл»:

1 - резервуар чистой воды; 2 - насос; 3 - вибрационный фильтр; 4 - сборник осадка; 5 – камера первичной очистки; 6- камера окончательной очистки; 7 – сборник чистой воды; 8 - сборник нефтепродуктов; 9 - насос, откачивающий очищенную воду; 10 – патрубок для слива воды; 11 – насос для подачи очищенной воды на повторное водоиспользование; 12 - резервуар очищенной воды.

- при перегрузки по производительности эффективность его падала до нуля, а то и вовсе имела отрицательное значение;

- возникла необходимость в подаче содового раствора для регенерации и в проведении барботажа сжатым воздухом, после этого раствор сливался в голову очистных сооружений; данный процесс был затратный, ухудшал качество стоков из-за увеличения рН и эмульгированности стоков;

- регулярно отмечались потери гранул полиэтилена из установки, в результате чего они попадали в трубопроводы, нарушая герметичность вентилей и задвижек; попадая с отработанными нефтепродуктами в котельное топливо - вызывали остановки, гашения факелов форсунок котлов.

Большие проблемы были с кассетными фильтрами, расположенными ниже коалесцирующего фильтра из-за того, что они допускали конструктивно подпор лишь на 10 см, далее шел необратимый процесс перелива очищаемой воды в канализацию. При плотной укладке нового фильтрующего материала - получали небольшой фильтроцикл с неизбежными переливами очищаемой воды. Не смотря на частично механизированный процесс, замена кассет фильтра весом около 80 кг была физически тяжелая.

Как утверждают разработчики, данная установка может быть использована при расходах стоков от 30 до 120 м3/ч. Содержание нефтепродуктов в сточной воде, прошедшей такую установку, не должна превышать 1  5 мг/дм3, при исходной их концентрации 20  500 мг/ дм3, а механических примесей должно быть 25  50 мг/ дм3 при исходной их концентрации 100  800 мг/ дм3.

Рассмотренные типовые конструкции фильтров имеют существенные недостатки:

качество очистки сточных вод от нефтепродуктов для зернистых фильтров не ниже 10 мг/дм3, для фильтра «Кристалл» на сипроне – 1 – 3 мг/дм3;

фильтр «Кристалл» имеет существенное ограничение по скорости фильтрации, толщине, плотности загрузки фильтрующего материала связанное с тем, что конструктивно гидравлический подпор очищаемых стоков может находиться не более 10 см от зеркал воды;

регенерация фильтрующего материала сипрон механическим отжимом не нашло применение в производстве;

скорый фильтр на гранулах 3 мм полипропилена из – за низкой эффективности снят с производства.

Использование гранул полипропилена, как промежуточное технологическое звено в технологической схеме очистки между отстойником и фильтром из нетканого ФМ, себя не оправдал в производстве как затратное и низкоэффективное.

Ресурс отходов сипрона очень мал, чтобы на нем строить концепцию очистки нефтесодержащих вод на фильтре «Кристалл».

Выводы из диссертационной работы Л.Д. Лурье:

фильтрацию очищаемых сточных вод необходимо производить комплексно вместе с седиментацией;

качество очистки на нетканых фильтрующих материалах выше, чем на всех зернистых фильтрах;

в связи с дефицитностью (большой стоимостью) активированного угля фильтрация НСВ на нем отвергнута как неприемлемая.

2. Фильтры А.И. Демкова

Для решения проблем эффективности фильтрационным методом мы предложили промышленный фильтр на любую производительность по патенту 1086585 [16].

Промышленный фильтр состоит из нескольких фильтрующих элементов, расположенных вертикально один над другим, и обвязанных трубопроводами связи с задвижками. Согласно технологическому регламенту нормальное положение задвижек – закрытое. Поэтому, если указывать технологическую схему, то, отмечая номер задвижки как открытое, не отмеченные другие задвижки будут закрытыми. Таким образом, можно правильно и понятно описать создание той или иной технологической схемы фильтра. По конструкции фильтра в целом можно отметить обязательные технологические элементы, которые будут присутствовать в каждой из создаваемых технологических фильтрационных схем. Обозначим их позиционными буквами: А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, З, И, К. На рис.5 представлен один из вариантов конструкции фильтра, данные позиции указаны. Данную конструкцию, по необходимости, можно

дополнить вспомогательным оборудованием: площадками (подъемниками) для обслуживания фильтра на высоте; приборами контроля количества очищаемых стоков и эффективностью очистки. Очевидно, необходимо дать комментарий каждому обозначенному конструктивному элементу. Стационарный фильтрующий элемент состоит из прямоугольного корпуса (емкости), изготовленного из листовой стали. Днище выполнено с уклоном 10% в противоположную сторону от вектора подачи очищаемых стоков. В корпусе жестко закреплены горизонтальные рамки с фильтрующим материалом. Слой фильтрующего материала конструктивно можно задать любой – от 1 см и более (например, 1 м). Это зависит от того, на каком



Рис. 5. Конструктивные элементы фильтрующей установки:

А – стационарный фильтрующий элемент; Б – трубопроводы связи; В – трубопроводы канализации; Г- задвижки (вентили) трубопроводов связи; Д – задвижки (вентили) трубопроводов канализации; Е – приемная емкость; Ж – подача очищаемой воды; З - отвод очищенной воды; И - пустые технологические проемы; К – монтажная конструкция фильтра.
материале будет работать фильтрующая система, например, фильтрующая ткань полипропилен или скажем опилки, эластичный полиуретан. В этом проявляется универсальность конструкции. Верхней стенки в емкостях А нет и через вверх можно наблюдать за гидравлическим режимом фильтрации очищаемых стоков, а также выгружать и загружать фильтрующий материал. Для удержания пленочного нефтепродукта в каждом фильтрующем элементе установлены гидрозатворы, которых может быть несколько для гидравлической развязки отводящих очищенных стоков. В зоне гидрозатворов можно установить приборы контроля качества очищенной воды. В корпус фильтрующего элемента врезаны трубопроводы канализации и подаваемых стоков.

Трубопроводы связи обеспечивают подачу и отвод очищаемых стоков. Трубопроводы канализации позволяют проводить опорожнение от воды с мехпримесями фильтрующих элементов. Данную воду отправляют в отдельную емкость (резервуар).

Задвижки (вентили) трубопроводов связи могут быть как функциональные (на открытие или закрытие) так и как дросселирующие, для регулирования количества подаваемой воды на фильтрующие элементы.

Задвижки (вентили) трубопроводов канализации могут быть лишь функциональными, в противном случае они могут послужить причиной нежелательных утечек очищаемой воды, и как следствие причин аварийных ситуаций.

Приемная емкость необходима для гидравлической связи со всеми отводящими трубопроводами от фильтрующих элементов.

Подачу очищаемой воды желательно проводить через ультразвуковые расходомеры для более грамотного, точного распределения подаваемых на очистку стоков, дифференцированно для каждого фильтрующего элемента.

Отвод очищенной воды производится по трубе с большим запасом по суммарному гидравлическому сопротивлению (на всю протяженность трубы на случай непредвиденных аварийных ситуаций). На данный трубопровод нельзя последовательно устанавливать ни задвижки, ни вентили.

Пустые технологические проемы обычно имеют размеры по вертикали порядка

0,6 м. Можно устанавливать по необходимости больше и меньше, например, между приемным резервуаром и нижним фильтрующим элементом. Данные проемы необходимы для удобства обслуживания фильтрующих элементов, а также замены фильтрующих материалов.

Из опыта эксплуатации данная конструкция фильтра имеет бесконечный гидравлический ресурс и предельный технологический ресурс, ограниченный эффективностью фильтрации при использовании фильтрующего материала типа ветоши с толщиной заполнения около 40 см с максимальной плотностью укладки фильтрующего материала между жесткими сетками, выполненных из просечно - вытяжной листовой стали. Это связано с тем, что никаких переливов, как в фильтре «Кристалл», в данной конструкции не может быть. По мере насыщения фильтрующим материалом уловленными примесями, происходит увеличение гидравлического сопротивления фильтра. Это сопротивление вызывает подпор воды в трубопроводах связи перед фильтрующим элементом. Поскольку фильтрующие элементы располагаются один над другим в вертикальной плоскости, то конструктивно максимальный подпор может быть равным расстоянию между зеркальной поверхностью двух смежных фильтров. Данное расстояние конструктивно около 1 метра, максимальный замеряемый нами подпор воды находился около 70 см. В этом заключается еще одно существенное технологическое преимущество предлагаемого фильтра.

Наиболее современная конструкция фильтра – это фильтр на полипропилене. ФМ закрепляется в корпусе фильтра с помощью системы рамок с резьбовой фиксацией в вертикальной плоскости. Толщина данной фильтрующей ткани будет около 2 см.

К недостатку этого фильтра можно отнести то, что на него нельзя подать нефтесодержащую воду с пленочным нефтепродуктом. Для устранения этого недостатка мы разработали другое устройство.

Устройство очистки воды от нефтепродуктов а. с. 1261240.

Для минимизации и удешевления проектов локальных очистных сооружений нами предложено [17] использовать отстойники с тонкослойными модулями перекрестного отстаивания или регулирующими сетками в гидравлической связи с комплексом из фильтрующими элементами (приложение Д). При этом для решения сложных технологических задач предусматривает к устройству систему автоматического регулирования процессом очистки. Эта идея была стимулирована результатами работы нефтеловушки, созданной во Франции 18. На рис. 6 показаны две нефтеловушки и три фильтрующие камеры. Но на практике их число может быть различно в зависимости от условий работа и надежности, качества очистки воды и производительности, удобства обслуживания и других показателей. Работает устройство следующим образом.

Р
ис. 6. Устройство для очистки воды от нефтепродуктов по а. с. 1261240.
Очищаемая вода по патрубкам 15 через задвижка 17 подается по водораспределителю 18 под нижний уровень тонкослойных модулей нефтеловушки 1. Пройдя через тонкослойные модули 3, конструкция которых выбирается по технологическим соображениям, на зеркале воды перед гидрозатвором 5 выделится пленочный нефтепродукт, который уйдет через карман 20 на сброс 19 для локализации. Частично очищенная вода с наличием коллоидно - эмульгированных нефтепродуктов пройдет через датчик 22, определит количество нефтепродуктов в сточной воде. Если нефтепродуктов, например, будет менее 15 мг/дм3, то по сигналу датчика, через логическое программное устройство и рабочий орган управления (на рис.6. не показаны), откроется задвижка 11 и очищенная вода уйдет по патрубку 25 из устройства для очистки сточных вод от нефтепродуктов. Если нефтепродуктов будет более 15 мг/дм3, то закроется задвижка 11, и откроются задвижки 7,12,13. Очищаемая вода пойдет последовательно на три фильтрующие камеры 2. В камерах 2 вода подается под нижний уровень фильтрующего материала 4 и, просочившись через него, пройдя гидрозатвор 5 и задвижку 12, попадет на следующую камеру 2 с фильтрующий материалом, где процесс очистки повторится. Если количество очищаемой воды будет подано больше, чем предусмотрено пропускной способности расходного сопла 24, после гидрозатвора камеры 1 и возникнет подпор воды, который будет воздействовать на датчик 23. По сигналу датчика 23 через рабочий орган управления будет закрываться задвижка 17, а, следовательно, количество подавае­мых стоков уменьшится на необходимую величину. Очищенная вода, последовательно пройдя все камеры 2, по степени очистки анализируются на содержание нефтепродуктов датчиками 22, и удаляется с устройства. Мы уверены, что устройство позволит осуществлять в автоматическом режиме множество технологических, гидравлических условий, с получением заданного качества очистки сточных вод.
3. Методика расчета полипропиленового фильтра по А.И. Демкову

Методика расчета предлагаемого нами полипропиленового фильтра (ППФ) основывается на двух условиях, которые связаны с принципиально новыми по физическим характеристикам фильтрующего материала полипропилен по ТУ У 16512587.002-2001 и принципиально новой конструкции фильтра – системы по а. с.1086585:

  1. Исследованиях экспериментального полупромышленного модуля.

  2. Вывода теоретических закономерностей процесса фильтрования и регенерации полипропиленового фильтра.

Применение методики расчета зернистых фильтров, разработанных Минцем Д.М., Журбой М.Г. и др. авторами, в наших условиях не возможно, т. к. существуют совершенно новые технологические условия, а именно:

- добиться качественно новой эффективности очистки сточных вод от нефтепродуктов на уровне 0,05 мг/дм3;

- давление на фильтрующий материал должен быть в пределах 0,2 –

0,4 МПа;

- скорость фильтрования должна быть до 100 м/ч;

и другими условиями, что выходят за граничные условия расчета зернистых фильтров. Отсюда следует вывод, что надо разработать новую методику расчета полипропиленового фильтра для проектирования и эксплуатации.

Основой для расчета должны быть определены технические условия (ТУ).
Технические условия

Производительность ППФ

Существуют несколько определений производительности. Минимальная, номинальная, максимальная производительность определяется расчетным путем на основании погодных характеристик, например, для расчета поверхностных сточных вод, или технологического процесса промышленного предприятия. Расчет обычно ведут по номинальной, средней, производительности. Это обусловлено тем, что фильтр, в идеале, должен иметь стабильную характеристику. Тогда оператору проще вести технологический процесс, не надо делать изменений в технологической схеме. Номинальная производительность определяет стабильность в эффективности очистки воды, т. к. делает ее более прогнозируемой, при стабильных характеристиках качества очищаемой воды. Переход от номинальной к минимальной производительности не вызовет существенных изменений в процессе фильтрации, связанных с эффективностью и гидравлическим сопротивлением. Обратный процесс изменение производительности от минимальной – номинальной – максимальной может вызвать резкое увеличение гидравлическое сопротивление на ППФ и изменение эффективности. Поэтому эти изменения надо проводить не ступенчато, дискретно, а максимально плавно, равномерно и под наблюдением оператора. Оператор обязан обращать при этом внимание на зеркальную поверхность фильтра, чтобы не наблюдался «простеночный эффект», на давление фильтрования на каждом слое ППФ, качестве воды на входе и выходе установки.

Форс-мажорные ситуации могут вызвать аварийную производительность ППФ. Эти ситуации реальные в производственном процессе и к ним надо быть готовыми. Примером таких ситуаций могут быть ошибки операторов по регулированию производительности очищаемых стоков на ППФ, обычно, это происходит на насосном оборудовании или задвижках; разрыв фильтрующего материала; разрушении конструкции удерживающих рамок или их соединений и т.д. Такие ситуации может видеть оператор, но будет лучше, если их появление обнаруживать датчиками давления, расхода, уровня воды. Аварийный сигнал от этих датчиков должен иметь выход на световую или звуковую сигнализацию, с возможностью созданием автоматической схемы по отключению необходимого оборудования из эксплуатации.

Производительность Q ППФ рассчитывается по формуле:

Q = S· U,

где Sплощадь фильтра, U – скорость фильтрации.

Из опыта исследования фильтрующего модуля принимаем максимальную скорость фильтрации 100м/ч, номинальную – 50 м/ч, минимальную – 25 м/ч.

Качественный состав очищаемых сточных вод

Для эффективной работы ППФ надо знать гранулометрический состав очищаемых сточных вод. Это одно из главных условий эффективной работы ППФ.

Под эффективной работой ППФ имеют ввиду и ее экономическую составляющую: эксплуатационные расходы, связанные с расходом электроэнергии, трудовых затрат, расходом фильтрующего материала и т.д.

Поэтому под гранулометрическим составом очищаемых сточных вод имеем в виду только такие сточные воды, которые прошли седиментационную обработку в течение 15, 20, 25,30 мин. Это в идеальном варианте для полного гранулометрического анализа. В сокращенном анализе можно обойтись и 15 – минутной седиментации очищаемых сточных вод. Практическая сущность этой характеристики заключается в условии того, что на фильтр нельзя подавать очищаемые стоки без предварительной очистки. Под такой очисткой мы понимаем только седиментацию в динамическом отстойнике.

Гранулометрический анализ надо проводить при различной производительности: минимальной, номинальной, максимальной, которые косвенно характеризуют различный состав очищаемых сточных вод. Определения гранулометрического состава очищаемых сточных вод можно определить по кондуктометрическому методу дисперсионного анализа или методом малых углов при фотометрических измерениях, позволяющих находить распределение частиц по массам или размерам [19]. Данный анализ, например, проводился на природных водах рек Ирши и Москвы [19], см. рис. 7 .

Нами был фильтрационным методом изучен фракционный состав дренажных вод Запорожской АЭС. Через слои фильтрующего материала с размерами пор 60, 25, 10 , 5, 1 (мкм) фильтровалась нефтесодержащая дренажная вода в количестве 20 м3. После этой фильтрации фильтрующий материал высушивался и насечкой диаметром 8 мм были сделаны образцы фильтровальной ткани.






Рис.7. Распределение взвешенных частиц по размерам в природных водах: р. Иртыш; 2 – р. Москва в весенний паводок; 3 – р. Москва в летнюю межень.
Образцы еще раз просушили, взвесили. Затем образцы были обработаны чистым гексаном, чтобы удалить нефтепродукты. После этого образцы просушили и взвесили. Данные занесены в табл. 1. Косвенный анализ показывает, что наибольшее количество дисперсного нефтепродукта находится с частицами от 10 до 25 мкм, более 60 мкм дисперсного нефтепродукта лишь 17,71%, содержание ВВ от 1 до 5 мкм – почти 29%.В очищаемых сточных водах доминирующие по количеству примесей имеют взвешенные вещества, которые в 10 и более раз больше нефтепродуктов. Поскольку очистка на фильтре идет комплексная, то расчет нагрузки на ФМ должен быть суммарный: нефтепродукты + взвешенные вещества. На основании табл.. 1. составим график гранулометрического распределения примесей дренажных вод Запорожской АЭС. Сущность гранулометрического анализа заключается в определении и распределении технологической нагрузки на ФМ. Если рассмотреть рис. 7 , то площадь между графиком и осью ординат есть нечто, как общая технологическая нагрузка примесей на фильтр. Поскольку мы можем выбирать чисто технологически ФМ с разными размерами пор, то общую нагрузку, например, мы можем оставить на ФМ с размером пор, например в 1,0 мкм, тогда все частицы более 1,0 мкм будут задерживаться на этом ФМ. Если мы поставим ФМ с размерами пор 20,0 и 1,0 мкм, то технологическая нагрузка распределиться по другому: сначала будут задержаны частица с размерами 20 мкм и более, далее будут задержаны частицы с размером от 20 до 1 мкм. Таким образом, задача заключается в том, чтобы технологическую нагрузку надо равномерно распределить между слоями ФМ с различными размерами пор, т.е.

,

где δ – размер пор ФМ.

Составляющие интеграла должны быть равны. Надо иметь ввиду, что эта нагрузка в процессе эксплуатации ФМ будет изменяться в сторону увеличения к фильтрующим слоям с большим размером пор. Это связано с так называемым «намывным эффектом», когда поры ФМ будут частично перекрываться задержанными примесями и тем самым уменьшат их размеры. В результате будут задерживаться более мелкие частицы.

Таблица 1.–

Определение содержание нефтепродукта и мехпримесей в очищаемых стоках ЗАЭС


Измерение

Размер пор слоев фильтрующего материала, мкм

60

25

10

5

1

Диаметр образца, м

38*10-3

Поверхность образца, м2

1133,54*10-6


Вес образца, кг*10-3


1,216

1,229

1,207

1,208

1,295

1,208

1,254

1,205

1,207

1,296

1,306

1,306










Средний вес образца, кг*10-3

1,243

1,263

1,204

1,2075

1,2955

Вес чистой фильтрующей

ткани 550*650, кг

0,25

0,3

0,23

0,2

0,2

Вес чистой фильтрующей

ткани 530*420, кг

0,156

0,187

0,143

0,125

0,125

Приведенный вес загрязненной

фильтрующей ткани 530*420, кг

0,244

0,248

0,236

0,237

0,2544

Средний вес образца без

нефтепродукта, кг*10-3

1,201

1,205

1,121

1,205

1,295

Приведенный вес загрязненной

фильтрующей ткани без

нефтепродукта 530*420, кг

0,235

0,237

0,220

0,2366

0,2543

Общий вес нефтепродукта и мехпримесей на фильтр 530*420, кг

0,088

0,061

0,093

0,112

0,129

Общий вес мехпримесей на фильтре 530*420, кг

0,079

0,05

0,077

0,1116

0,1287

Общий вес нефтепродукта на фильтре 530*420, кг

0,009

0,011

0,016

0,0004

0,0003

Содержание мехпримесей в слое, %

17,71

11,2

17,25

25,0

28,84

Содержание нефтепродуктов в слое, %

24,51

30,0

43,6

1,08

0,81

Общее содержание примесей в слое, %

14,8

13

30,5

20,6

21,1



Внешне это будет проявляться в изменении давлении во время фильтрации. Если в начальный момент перепад давления перед каждым слоем будет одинаковым, то в дальнейшем на нижних слоях этот перепад будет больше. Это надо учитывать при определении фильтроцикла на условии ограничении по давлению на ФМ. Качественный состав очищаемых сточных вод должен содержать также состав концентрации взвешенных веществ, нефтепродуктов, ХПК в диапазоне минимальное – номинальное – максимальное их значение.



Рис. 8. Гранулометрический состав примесей в дренажных сточных водах Запорожской АЭС
Расчет и выбор конструктивных элементов ППФ

Определение количество слоев ФМ

С технологической точки зрения, чем больше слоев ФМ с разным размером пор, тем более эффективней должна работать фильтрующая установка. Это наглядно видно из табл..1 , где каждый слой, в среднем, имеет относительную эффективность в диапазоне от 30 до 50%. Эта относительная эффективность изменяется не по скорости фильтрации, а от гранулометрического состава очищаемых стоков в момент отбора проб. По условию производителя ФМ рейтинг пор может быть от 60 до 0,3 мкм. Мы считаем, что размер пор от слоя к слою должен отличаться в 4 – 8 раз (коэффициент Nδ). Это связано с условиями эффективной регенерации ФМ, максимального времени фильтроцикла. Если разбить рейтинг пор ФМ в диапазоне 60 – 0,3 мкм c Nδ = 5, то получится следующий ряд: 60; 12; 2; 0,3 (мкм). Этот ряд надо проверить на нагрузку по гранулометрическому составу очищаемых сточных вод. Если нагрузка будет значительно отличаться, то необходимо сделать коррекцию по коэффициенту Nδ. Мы считаем, что максимальное количество слоев ФМ может быть, по конструктивным соображениям, не более 5, минимально – 2. Самый верхний слой, который может быть 0,3 мкм, из – за его текстуры, очень не прочный. Поэтому мы предлагаем его усилить механически верхним слоем ФМ с максимальным размером пор 60 мкм и толщиной 5 мм. Между каждым слоем необходимо устанавливать промежуточные рамки минимальной толщиной в 10 мм для гидравлической разгрузки слоев по слою осадка и усилению механической прочности нижнего фильтрующего слоя.

Выбор, расчет элементов конструкции фильтра – системы ППФ

Исходя из минимальных граничных условий фильтра – системы ППФ, она может состоять из двух фильтрующих модулей, расположенных один над другим. Это объясняется условиями надежности, взаимозаменяемости, резервируемости по максимальной производительности. Один горизонтальный уровень ППФ образует фильтрующую секции (ФС). Поскольку горизонтальных уровней ППФ может быть от двух и более, то соответственно такое же количество может быть фильтрующих секций. Фильтрующая секция может состоять из одного, двух, трех и более фильтрующих унифицированных модулей (ФУМ), по условию производителя максимальных размеров фильтропласта. В настоящем производитель производит фильтропласты с максимальными размерами 650 х 550 (мм), что «в чистую» составляет размер фильтрующей площади унифицированного модуля около 0,25м2.

Из условий удобства обслуживания, если позволяют производственные площади, мы предлагаем фильтры из двух фильтрующих секций. Количество ФУМ в секции может быть 1,2,3,4, 6,8,10 и т.д.

Номинальная производительность ФУМ рассчитана на производительность
Qmn = 0,25 х 50 = 12,5 (м3/ч).

Определим количество ФУМ в фильтре – системе ППФ по формуле:

Nm = Q/ Qmn.

Результат округляем до ближайшей максимальной численности из следующего числового ряда: 2, 4, 6, 8 и т.д. Например, если результат будет 3,4 - то выбираем число Nm равным 4, если 4,2 - то Nm = 6 и т.д.

По выбранному значению Nm можно уточнить номинальную (а также максимальную, минимальную) производительность ППФ.
Выбор конструктивных размеров ФУМ

Выбор конструктивных размеров ФУМ (рис.9)основывается на опыте исследования его механических, технологических характеристик, проведенных на Запорожской АЭС, ВОС г. Старый Крым, заводе им. Т. Г. Шевченко г. Харьков.

На давлении фильтрации 0,2 МПа ФУМ имеет гидродинамическую нагрузку около 5 тн. Такая нагрузка не может не учитываться при расчете его конструктивных элементов. Поэтому принимаем толщину стенок корпуса ФУМ в 5 мм.


Рис. 9. -Конструкция фильтрующего универсального модуля:

1- корпус; 2 – фильтрующий материал; 3, 6 – подача и отвод воды; 4 – инфразвуков ой излучатель; 5 – дренаж.

Толщину фильтрующего материала выбираем 5, 7, и 8 мм. На рис. 9 показаны три фильтрующих слоя, верхний слой 0,3 мкм мы выбрали больше – 7мм с поддерживающим слоем 60 мкм толщиной 8 мм. На рис. изображены фильтрующие слои.

Конструктивно выбираем минимальные размеры ФУМ: высота – 480 мм, ширина – 650 мм, длина – 970 мм. Слой очищенной воды над ФМ для промывки – 170 мм. Размер фильтрующего площади ФУМ – 550 х 450 (мм). Диаметр болтов, удерживающих рамки фильтра – 10 мм. Сечение лучей сегментов рамок ФМ - 10 х 5 (мм).

На рис. 9 показаны три удерживающие рамки. Нижняя рамка не имеет сегментов, т. к. давление идет снизу вверх. Средняя промежуточная рамка имеет прямоугольные сегменты, верхняя фиксирующая рамка имеет треугольные и трапециевидные сегменты.


следующая страница >>