Свойства и классификация вод.

Вода играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении жизни человека. В промышленности воду используют как сырьё и источник энергии, как хладоагент, растворитель, экстрагент, а также для транспортирования сырья и материалов.

Общее количество природной воды на Земле составляет 1386 млн. км³. Свыше 97,5% - соленые воды. Количество пресной воды - 35 млн. км³. Однако подавляющая часть пресной воды является трудно доступной, так как в основном находится в полярных ледниках и водоносных слоях под землей. В СССР запас пресных поверхностных вод достигает 40,5 тыс. км³. Объем потребления пресной воды в мире достигает 3900 млрд. м³/ год. Около половины этой воды потребляется безвозвратно, а другая возвращается в виде сточных вод.

Природная вода - вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. В зависимости от степени минерализации (г/л) воды делятся:

- пресные, содержание солей < 1

- солоноватые 1-10.

- соленые 10-50.

- рассолы > 50

В свою очередь, пресные воды подразделяются на воды малой минерализованности (до 200 мг/л), средней минерализованности (200-500 мг/л) и повышенной минерализованности (500-1000 мг/л). По преобладающему иону все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

Физические свойства воды -ρ=999 кг/м³ (t=15º С). С увеличением количества примесей ρ увеличивается.

Электрические свойства -вода - слабый проводник электрического тока. Наличие солей увеличивает проводимость.

Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, технологическую и энергетическую.

Вода часто служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов, в теплообменных аппаратах. В этом случае она не соприкасается с материальными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается. В промышленности 65-80% расхода воды потребляется для охлаждения.

Технологическую воду подразделяют на средообразующую, промывающую и реакционную. Средообразующую воду используют для растворения веществ и образования пульп, при обогащении переработке руд, гидротранспорте продуктов и отходов производства.

Промывающую - для промывки газообразных (адсорбция), жидких (экстракция) и твердых продуктов и изделий.

Реакционную - в составе реагентов, а также при азеотропной перегонке и аналогичных процессах.

Технологическая вода непосредственно контактирует с продуктами и изделиями. Энергетическая вода используется для получения пара и нагревания оборудования.

Оборотное водоснабжение.

Наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды - это создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения. Схема оборотного водоснабжения показана на рис. 3.2.1

Рис. 3.2.1.

При оборотном водоснабжении следует предусмотреть необходимую очистку сточной воды, охлаждении оборотной воды и повторное использование сточной воды. Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление природной воды. Например, для выработки 1 тонны каучука при прямоточном водоснабжении в старых производствах требуется 2100 м³ свежей воды, а при оборотном – 165м³. При оборотном водоснабжении значительно уменьшаются капитальные и эксплутационные затраты. Во всех отраслях промышленности доля оборотной воды возрастает ; в химической промышленности она достигает 82,5 %, эффективность использования воды в производстве оценивается рядом показателей:

- процент оборота воды Роб. = Qоб. / (Qоб. + Qи) ∙ 100.

- коэффициент использования воды Ки = (Qи - Qсб) / Qи ≤ 1

- кратность использования воды n = (Qсб + Qи) / (Qи + Qc) >1

- безвозвратные потери воды и её потери в производстве (%).

Kn = (Qи-Qсб) / (Qоб. + Qи) ∙ 100

Qоб. – общее количество оборотной воды, м³/ч.

Qи – количество воды, забираемой из источника.

Qсб – количество воды, сбрасываемое предприятием

Qс – поступление воды из сырья, м³/ч.

Оборотная вода должна соответствовать определенным значениям показателей : карбонатной жесткости, рН, содержанию взвешенных веществ, и биогенных элементов, значению ХПК (химическая потребность в кислороде), определяющих термостабильность и интенсивность био в оборотной системе.

Оборотную воду используют в теплообменной аппаратуре для отведения избыточного тепла. Она многократно нагревается до 40-45ºС и охлаждается в градириях или брызгальных бассейнах.

Значительная часть её теряется в результате брызгоуноса и испарения.

Для предотвращения инкрустации, коррозии, биологического обрастания, часть оборотной воды выводят из системы (продувочная вода), добавляя, свежую воду из источника водоснабжения. При движении воды на поверхности труб и теплообменников откладывается карбонат кальция по реакции: Ca² + 2HCO3 ← CaCo3 + Co2 + H2O. Растворимость карбоната с ростом температуры уменьшается. Основным требованием к воде, расходуемой на подпитку, является ограничение на карбонатную и сульфатную жёсткости. Ограничивается также содержание взвешенных частиц.

Для предотвращения биологического обрастания аппаратов и сооружений, в оборотной воде должно быть ограничено содержание органических веществ и соединений биогенных элементов (N, P).

Требования к качеству воды в охлаждающей системе оборотного водоснабжения даны в табл. 3.2.1.

Табл. 3.2.1.

Табл. 3.3.1.

Сточные воды.В производстве образуются разные категории сточных вод. Сточная вода – это вода, бывшая в бытовом, производственном или с/х употреблении, а также прошедшая через какую-либо загрязнённую территорию.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на бытовые или хозяйственно-фекальные (БСВ), атмосферные (АСВ) и промышленные (ПСВ).

Хозяйственно-бытовые сточные воды – это стоки душевых, бань, прачечных, столовых, туалетов и др. Они содержат примеси, из которых ≈ 58% органических веществ и 425 минеральных.

Промышленные сточные воды представляют собой жидкие отходы, которые возникают при переработке органического и минерального сырья. В технологических процессах источником сточных вод являются:

1. Воды, образующиеся при протекании химических реакций

2. Воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и выделяющиеся в процессе переработки

3. Промывные воды, после промывки сырья, оборудования

4. Маточные водные растворы

5. Водные экстракты и абсорбенты

6. Воды охлаждения

7. Воды конденсаторов

Состав их зависит от вида производства.

Табл. 3.3.2.

Сточные воды загрязнены различными веществами. Комитетом ВОЗ рекомендована следующая классификация химических загрязнителей воды:

1. биологически нестойкие органические соединения

2. малотоксичные неорганические соли

3. нефтепродукты

4. биогенные соединения

5. вещества со специфическими токсичными свойствами, в т.ч. тяжёлые металлы.

Рис.3.4.1.

Для создания замкнутой системы

водоснабжения промышленные

сточные воды подвергаются

очистке механическими, химическими,

физико-химическими, биологическими

и термическими методами.

Лекция 4. Методы очистки воды и основные технологические процессы. Осаждение грубодисперсных примесей воды.

План:

1.Принципы выбора метода очистки воды

2.Осаждение примесей воды

2а.Теоретические основы процесса осаждения взвеси.

2б.Типы отстойников и область их применения.

Рис. 4.2а.1.

На рис. 4.2а.1 показаны кривые зависимости коэффициента от числа Рейнольдса, построенные по данным А.П. Зегжда (кривая 1) и Л.И. Седова (кривая 2). Кривые даны в логарифмической анаморфозе.

При малых значениях Рейнольдса (Re3)(область малых частиц и малых скоростей)

зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса выражается прямой линией, направленной под углом 45˚ к осям ординаты. В этой области справедлив линейный закон сопротивления, выражаемый уравнением прямой:

lgψ3 = - lg Re3 + lg A(8)

lg A –ордината прямой при lg Re3 = 0

Следовательно, ψ3 = А/ Re3(9)

Если установлена зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса для частиц определённого вида, то из формулы (6) можно найти скорость осаждения частиц:

θ = (πd/6ψ3∙g∙(ρ2–ρ1)/ρ1)(10)

Коэффициент ψ3 определяется по экспериментальным данным (рис.4.2а.1)

Для осаждения более крупных частиц формула (6) не пригодна, поскольку для определения ψ3 с помощью экспериментальных графиков нужно знать Re3 , которое само зависит от скорости осаждения. Это затруднение можно избежать, вводя безразмерную величину ( К )

К = Re3 ψ3(11)

Рис. 4.2а.2.

На рис. 4.2а.2 показана графическая зависимость К от Re3и коэффициента сопротивления ( ψ3 ).

Рис. 4.2а.3.

На рис. 4.2а.3 приведена зависимость количества выпавшей монодисперсной взвеси ( Р ) от продолжительности осаждения.

Тангенс угла наклона прямой характеризует скорость осаждения: чем круче идёт прямая, тем больше гидравлическая крупность частиц взвеси и скорость осаждения.

График зависимости между относительным количеством выпавшей взвеси и продолжительностью осаждения называется кривой выпадения взвеси.

Кривые выпадения полидисперсных частиц показаны на рис. 4.2а.4.

Рис. 4.2а.4.

2б.Типы отстойников и область их применения.

В зависимости от направления движения воды различают три основных типа отстойников: горизонтальные рис. 4.2б.1, радиальныерис. 4.2б.2 и вертикальные.

Рис. 4.2б.1. Рис. 4.2б.2

В отстойниках по высоте различают зону осаждения, зону накопления и уплотнения осадка.

Горизонтальные отстойники –представляют собой прямоугольный резервуар, выполненный обычно из железобетона. В условиях нашей страны с продолжительными периодами устойчивых минусовых температур отстойники устраивают в здании. Осветляемая вода движется в направлении, близком к горизонтальному вдоль отстойника. Различают одно-, двухэтажные горизонтальные отстойники. Горизонтальные отстойники в отечественной практике рекомендуется применять при любом качестве обрабатываемой воды, производительностью не менее 30 тыс. м³/сутки.

Радиальный отстойник –круглый в плане железобетонный резервуар, высота которого невелика по сравнению с его диаметром. Вода в отстойнике движется от центра к периферии в радиальном направлении, близком к горизонтальному. Рекомендуется использовать радиальные отстойники при обработке мутных вод и в системах оборотного водоснабжения.

Вертикальный отстойник –обычно круглый в плане резервуар значительной глубины, в котором обрабатываемая вода движется снизу вверх. Выполняют их из железобетона или металла. В отечественном производстве вертикальные отстойники рекомендуется использовать при любом качестве осветлённой воды и суточной производительности до 3000 м³.

Отстойники с малой глубиной осаждения.Среди методов интенсификации процесса осаждения примесей воды одним из наиболее перспективных является отстаивание в тонком слое. Сущность его заключается в ламинаризации потока воды ( Re = 60 -80 ), при которой исключается влияние взвешивающей составляющей.

Разработаны различные конструкции тонкослойных отстойников с использованием пластмасс, стеклопластиков и др. материалов, обеспечивающих лёгкое сползание и удаление осадка с поверхности.

На рис. 4.2б.3 показана одна из отечественных конструкций.

Рис. 4.2б.3.

Лекция 5. Осветление воды в слое взвешенного осадка.

План:

1.Теоретические основы процесса осветления воды в слое взвешенного осадка.

2.Типы осветлителей и область их применения.

1.Теоретические основы процесса осветления воды в слое взвешенного осадка.

С.Х. Азерьером, Е.Н. Тетеркиным, В.Т. Турчиновичем обнаружено, что эффект осветления воды резко возрастает при её прохождении через слой ранее образованного осадка. Водоочистные сооружения, предложенные ими, называются осветлители со слоем взвешенного осадка. Их применяют для осветления, обесцвечивания, умягчения, обесфторивания и обескремнивания воды. Они могут успешно работать только при условии предварительной обработки примесей воды коагулянтами и флокулянтами.

Осветлители обеспечивают высокий эффект осветления и имеют более высокую производительность, чем отстойники.

Рис. 5.1.1.

Обрабатываемая вода после смещения с реагентами подводится в осветлитель снизу и равномерно распределяется по его площади. Далее вода движется снизу вверх и проходит через слой взвешенного осадка. Взвешенные в потоке хлопья непрерывно хаотически двигаются, но весь слой в целом неподвижен. Он находится в состоянии динамического равновесия, обусловленного равенством скорости восходящего потока и скорости осаждения хлопьев.

Важно отметить, что средняя скорость осаждения хлопьев во взвешенном слое значительно меньше гидравлической крупности. Это характерно для так называемого стесненного осаждения частиц, на котором основана работа осветлителя.

Процесс осветления имеет физико-химическую природу – коагуляционный процесс прилипания мелких частиц взвеси, поступающих с водой, к сравнительно крупным частицам взвешенного осадка. Такой процесс представляет собой контактную коагуляцию.

При работе осветлителей величина хлопьев взвешенного осадка постоянно меняется. Во время работы избыточный осадок постоянно удаляют.

Общие закономерности стесненного осаждения были установлены Д.М. Минцем, Е.Ф. Кургаевым, В.В. Ашаниным.

Физическая сущность явления стеснённого осаждения заключается в изменении гидродинамических условий обтекания частиц жидкостью при увеличении их концентрации.

Процесс стеснённого осаждения можно уподобить прохождению частицы через пористую среду, т.е. через среду зернистого строения. Тогда коэффициент сопротивления (ψ ) и числа Рейнольдса находят по формулам:

(1)

(2)

где Ро – перепад давления в слое зернистого материала, м; mc.о – доля свободного объёма, т.е. отношение объёма пустот в слое к общему его объёму; d – диаметр зёрен, м; L – толщина слоя, м; ρ1 - плотность жидкости, кг/м³; V – скорость фильтрования, м/с; μ – вязкость жидкости, Н∙с/м².

Согласно этому определению объёмная концентрация зёрен в слое:

Cv = 1-mc.o (3)

При движении жидкости через взвешенный в потоке зернистый слой площадью А, сила давления жидкости на слой уравновешивается массой слоя m, которая равна:

m= (ρ2 – ρ1) ∙g (1-mc.o)AL(4)

где ρ2 –плотность материала зёрен, кг/м³; g – ускорение свободного падения;L –высота столба взвешенного слоя, м.

Если падение гидродинамического давления (Р) во взвешенном слое на площадь слоя равно массе РА=m,(5)

то Р= (ρ2 – ρ1) ∙g (1-mc.o)L(6)

Таким образом, падение гидродинамического давления во взвешенном в потоке слое равно массе этого слоя с единичной площадью основания. Подставляя (6) в (1) получим для коэффициента сопротивления при движении жидкости через взвешенный слой:

Ψ= (ρ2 – ρ1)/ ρ1 ∙ g ∙ (mc.о ∙ d)/6V²(7)

На рис. 5.1.2 приведена зависимость ΨRe от fRe.

Рис. 5.1.2.

Линейная зависимость оказалась справедливой для любой крупности зёрен.

Рис. 5.2.1.

Вместе с тем опытом эксплуатации установлено, что наличие распределительных дырчатых днищ часто приводят к нарушению нормальной работы осветлителей из-за завала осадком части площади дырчатых днищ. Осветлители с дырчатыми днищами пригодны для осветления маломутных растворов. При осветлении мутных растворов в современных конструкциях осветлителей дырчатые днища устранены, а для улучшения гидродинамических условий работы осветлителя нижняя часть его выполнена в виде наклонных сходящихся к низу стенок (рис. 5.2.2).

Рис. 5.2.2.

На рис. 5.2.3 показан круглый в плане напорный осветлитель с поддонным осадкоуплотнителем. Избыток осадка из взвешенного слоя удаляется принудительным отсосом через осадкоотводный зазор.

Рис. 5.2.3.