СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КИСЛЫХ И ЩЕЛОЧНЫХ ВОДНЫХ СТОКОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C02F1/00 

Изобретение относится к области химии, а именно к обработке жидких дисперсных систем, в частности кислых и щелочных стоков, с использованием физико-механических эффектов, которые сопровождают гидродинамическую кавитацию. Наиболее распространенное применение изобретение имеет при нейтрализации кислых и щелочных стоков установок для подготовки воды и котельных цехов тепловых электростанций.

В настоящее время соблюдение экологически безопасных условий эксплуатации теплоэнергетического оборудования является крайне важной задачей. Работа этого оборудования связана с необходимостью беспрерывной обработки водных стоков, в состав которых входят разнообразные токсичные и агрессивные вещества (кислоты, щелочи, твердые зависи и т.п.), попадание которых в гидросеть или окружающую водную или воздушную среду недопустимо. Результатом решения проблемы очищения сточных вод является разработка многочисленных технологий и приспособленного для их реализации оборудования. В сущности, все эти технологии основаны на проведении химической реакции нейтрализации кислой или щелочной среды. Эффективность технологий зависит от многих факторов, основными из которых являются интенсивность перемешивания компонентов обрабатываемой среды, степень чистоты ее обработки и производительность работы очистительного оснащения с точки зрения энергозатрат и ресурса техники.

Операции перемешивания при обработке водной среды химическими нейтрализаторами широко известны из уровня техники. Так, в патенте Японии JP4-61713 (МПК⁷: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №7, 1994 г.) описана методика нейтрализации кислых и щелочных сточных вод в установке, оснащенной перемешивающим устройством. Согласно этой технологии процесс нейтрализации сопровождается беспрерывным перемешиванием обрабатываемой среды и измерением величины РН, по показателям которой корректируют процесс - добавляют тот или другой реагент.

Подобная технология с соответствующим нейтрализующим устройством описана в заявке РСТ №940303 (МПК⁷: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №6, 1995 г.), где поток кислой водной среды приводится к нужной величине pH в реакторной зоне, в которой установлен специальный смеситель.

Примеров подобных технологий можно привести великое множество, и всех их будет объединять общий недостаток - низкая производительность из-за недостаточной интенсивности перемешивания компонентов.

Более прогрессивными с позиции обеспечения интенсивного перемешивания обрабатываемой среды являются технологии, в которых в качестве перемешивающих устройств применяют кавитационные реакторы.

В кавитационном реакторе технологическая среда подвергается интенсивному гидромеханическому влиянию. Действие на среду обусловлено физико-механическими эффектами, которые возникают при коллапсе кавитационных пузырьков, которые генерируют в реакторе. Кавитационные реакторы имеют значительно большую эрозионную активность в сравнении с любыми механическими перемешивающими устройствами. Это их свойство позволяет интенсифицировать процесс нейтрализации и упростить решение проблемы равномерного диспергирования кислотных и щелочных сред в потоке сточных вод.

Подтверждением сказанного может быть описанная в патенте Украины №20629 (МПК⁷: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №17, 1998 г.) технология очищения щелочных и кислых стоков тепловых электростанций с помощью установки нейтрализации, оборудованной гидродинамическим кавитационным смесителем (реактором). Стоки раздельно поступают в отдельные накопительные емкости, после чего обрабатываются в циркуляционном контуре каждой емкости, проходя фазу смешивания в кавитационном реакторе. Результаты смешивания подтверждают измерением величины pH среды в емкостях. После этого, в зависимости от величины pH перемешанных кислых и щелочных стоков, с помощью автоматических клапанов регулируют степень открытия последних (а значит, и затраты стоков), устанавливая их так, чтобы произошла самонейтрализация. Установка оснащена устройством управления расходом реагентов и кислых и щелочных стоков, а также многочисленными регулирующими клапанами, что обеспечивает ее функционирование в автоматическом режиме и, безусловно, является достоинством установки.

Кроме того, наличие кавитационного реактора умножает преимущества этой установки. Но в то же время обратной стороной этих преимуществ является сложность конструктивного выполнения установки и недостаточное качество обработки среды, обусловленное относительно невысокой интенсивностью кавитационного действия со стороны реактора. Производительность процесса очищения в значительной мере зависит от эксплуатационных характеристик кавитационного реактора, в частности эрозийности гидродинамического кавитационного поля, а она, конечно, ограничена. Этот факт является очевидным для специалистов, которые занимаются проблемами очищения водных сред.

Подобными недостатками характеризуется технология и установка нейтрализации стоков, представленная в патенте России №2129993 (МПК⁷: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №13, 1999 г.) Как и в вышеупомянутом случае, стоки подвергают предварительному гидродинамическому смешиванию в кавитационном реакторе каждого циркуляционного контура до достижения усредненных значений РН в каждой накопительной емкости, и в зависимости от этих значений корректируют процесс соответствующей подачей кислых или щелочных стоков в объемах, необходимых для нейтрализации. Все операции технологического процесса регулируются устройством управления. Несмотря на автоматизированное управление и наличие кавитационного реактора, производительность процесса обработки стоков является недостаточной, а энергозатраты довольно значительными. Кроме этого, процесс длителен и сопровождается существенными затратами реагентов.

Избежать перерасходов реагентов позволяет технология и установка обработки стоков, описанные в патенте Украины №43705 (МПК⁷: С02F 1/66, опубл. в Бюл. №11, 2001 г.). В состав установки входит емкость с реагентом, бак-нейтрализатор с циркуляционным контуром, включающий насос и установленный в его напорной магистрали гидродинамический кавитационный смеситель. Уменьшение расхода реагентов достигается благодаря соединению емкости, в которой находится реагент, со смесителем. В процессе поступления обрабатываемого водного потока к смесителю в последний постоянно подается соответствующий реагент. Режим кавитации смесителя обуславливает возможность засасывания ("эжектирования") в его вакуумные пустоты реагента - известкового молока, кислоты, щелочи или даже газообразного. Благодаря образованию в кавитационном смесителе развитой поверхности контакта фаз реакционная способность реагентов повышается. Такие условия разрешают подбирать наиболее эффективные реагенты соответственно виду загрязнителей определенных стоков. Но описанная технология не отличается высокой производительностью, ведь рассчитать точную порцию реагента, который постоянно "эжектируется" в пустоту кавитационного смесителя, которая была бы достаточной для полной нейтрализации объема обрабатываемой жидкости, крайне проблематично. Поэтому очищаемую воду нужно многократно пропускать через смеситель для достижения желательного результата. А это, в свою очередь, сказывается на энергозатратах и продолжительности процесса.

Подытоживая вышеприведенное, можно сделать вывод, что существующие способы нейтрализации кислых и щелочных технологических сред и приспособленное к этому оборудование являются недостаточно эффективными. И основной причиной этого является определяющая роль кавитационного реактора (с его ограниченными свойствами), в котором по существу и осуществляется нейтрализация. Производительность процесса находится в прямой взаимосвязи с рабочими характеристиками реактора, в частности, с эрозионной активностью его кавитационного поля.

В качестве прототипа изобретения принят способ нейтрализации кислых и щелочных водных стоков в установке, которая содержит бак-нейтрализатор с циркуляционным контуром, в состав которого входят гидродинамический кавитационный реактор, при котором кислые и щелочные стоки накапливают в баке-нейтрализаторе, откуда их подают на смешивание в гидродинамический кавитационный реактор, после чего возвращают к баку-нейтрализатору, где осуществляют измерение pH водной среды и, в зависимости от величины pH, стоки удаляют из бака-нейтрализатора или подвергают повторной обработке в циркуляционном контуре до достижения состояния полной нейтрализации (Патент Украины №23755, МПК⁷: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №4, 1998 г.).

В качестве прототипа изобретения принята также установка для нейтрализации кислых и щелочных водных стоков, которая содержит магистрали подачи кислых и щелочных стоков, по меньшей мере, одну емкость с реагентом, бак-нейтрализатор с циркуляционным контуром, в состав которого входит насос с всасывающей и напорной магистралями и гидродинамический кавитационный реактор, установленный в напорной магистрали (Патент Украины №23755, МПК⁷: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №4, 1998 г.).

Недостатком известной технологии является недостаточная производительность, обусловленная ограниченной скоростью массопереноса в объеме кавитационного реактора. Из-за этого процесс нейтрализации занимает довольно много времени.

Несмотря на то что технологический процесс характеризуется сравнительно невысокой производительностью, он все же обеспечивает эффективное очищение стоков и минимализирует поступление остатков кислот и щелочей в окружающую среду. Технология направлена на решение проблемы нейтрализации стоков, но при этом не учитывается тот факт, что токсичные вещества накоплены не только в жидкой фазе обрабатываемой среды, а и присутствуют в воздушном объеме бака-нейтрализатора над уровнем загрязненных стоков. Процесс нейтрализации сопровождается активным газовыделением, кроме того, незаполненное воздушное пространство бака-нейтрализатора насыщено токсичными испарениями кислот и щелочей. Эта агрессивная среда является крайне вредной, но известная технология не предусматривает никаких операций для ее обезвреживания.

К недостаткам известной установки следует также отнести несовершенство ее конструктивного выполнения и ограниченность технологических свойств.

Причиной первого недостатка является ограниченность эксплуатационных возможностей гидродинамического кавитационного реактора, которая выражается в недостаточно высокой интенсивности кумулятивного механизма кавитационного перемешивания обрабатываемой среды.

Причиной второго недостатка является то, что установка не рассчитана на устранение отрицательного действия токсичных испарений, которые скапливаются в баке-нейтрализаторе над поверхностью обрабатываемой жидкости.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности и экологической безопасности способа нейтрализации кислых и щелочных водных стоков путем дополнительного гидромеханического аэрационного влияния на них в процессе кавитации и использование в качестве источника питание струйного реактора парогазовой среды, сосредоточенного над поверхностью стоков в баке-нейтрализаторе, в результате чего процесс перемешивания обрабатываемой среды, происходящий в объеме кавитационного реактора под действием кинетической энергии кумулятивных микроструй, инициированных коллапсом пузырьков, интенсифицируется газовым потоком, который поступает со струйного аэратора, повышая турбулентность среды и ускоряя этим скорость реакции нейтрализации и сокращая технологический цикл обработки стоков, кроме того, исключается поступление в окружающую среду токсичных парогазовых веществ.

В основу изобретения поставлена также задача создания высокопроизводительной, экологически безопасной установки для нейтрализации кислых и щелочных водных стоков путем усовершенствования его конструктивного выполнения, в частности оснащения циркуляционного контура струйным аэратором и соединением линии всасывания последнего с воздушной камерой бака-нейтрализатора, в результате чего процесс перемешивания обрабатываемой среды, который происходит в объеме кавитационного реактора под действием кинетической энергии кумулятивных микроструй, инициированных коллапсом пузырьков, интенсифицируется газовым потоком, поступающим со струйного аэратора, повышая турбулентность среды и ускоряя этим скорость реакции нейтрализации и сокращая технологический цикл обработки стоков, кроме того, исключается поступление в окружающую среду токсичных парогазовых веществ.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе нейтрализации кислых и щелочных водных стоков в установке, содержащей бак-нейтрализатор с циркуляционным контуром, в состав которого входят гидродинамический кавитационный реактор, при котором кислые и щелочные стоки накапливают в баке-нейтрализаторе, откуда их подают на смешивание в гидродинамический кавитационный реактор, после чего возвращают в бак-нейтрализатор, где осуществляют измерение pH водной среды, и, в зависимости от величины pH, стоки удаляют из бака-нейтрализатора или подвергают повторной обработке в циркуляционном контуре до достижения состояния полной нейтрализации, согласно изобретению смешанные в гидродинамическом кавитационном реакторе стоки дополнительно подвергают гидромеханической обработке в струйном аэраторе, при этом для питания струйного аэратора используют парогазовую среду, сосредоточенную в баке-нейтрализаторе над поверхностью обрабатываемых стоков.

Задача достигается также за счет того, что в установке для нейтрализации кислых и щелочных водных стоков, которая содержит магистрали подачи кислых и щелочных стоков, по меньшей мере, одну емкость с реагентом, бак-нейтрализатор с циркуляционным контуром, в состав которого входит насос с всасывательной и напорной магистралями и гидродинамический кавитационний реактор, установленный в напорной магистрали, согласно изобретению циркуляционный контур дополнительно содержит струйный аэратор, линия всыпания которого соединена с парогазовой средой бака-нейтрализатора. При этом струйный аэратор по напорной магистрали установлен параллельно гидродинамическому кавитационному реактору, а по всасывательной магистрали - последовательно с гидродинамическим кавитационным реактором.

Признаки, которые отличают предложенное изобретение от признаков подобных технологий и соответствующих им установок, описанных согласно известному уровню техники, обуславливают достижение вышеуказанного технического результата, который имеет место при реализации изобретения.

Сам по себе гидродинамический кавитационный реактор обеспечивает интенсивное смешивание компонентов обрабатываемой среды за счет реализации в нем кавитационных эффектов, приводящих к коллапсу образованных в жидкой среде пузырьков и образованию мгновенного мощного импульса в виде ударной волны. Этот эффект обуславливает перемешивание обрабатываемых веществ и измельчение твердых включений. При коллапсе пузырьков энергия радиального движения жидкости трансформируется в кинетическую энергию редкой кумулятивной микроструи, которая вылетает из пузырька с чрезвычайно высокой скоростью - реализуется кумулятивный механизм кавитационного перемешивания.

При оснащении установки струйным аэратором интенсивность перемешивания (а, значит, и скорость нейтрализации) повышается еще больше благодаря потоку воздушных пузырьков, который поступает из аэратора в кавитационный реактор в процессе работы последнего. Дополнительный поток пузырьков повышает турбулентность среды, а реакционная способность реагентов повышается. Такие условия благоприятствуют уменьшению затрат реагентов для обеспечения реакции нейтрализации, поскольку они осуществляются более полно и за короткий срок.

Особенности подключения струйного реактора к общей схеме установки (параллельно кавитационному реактору по напорной магистрали и последовательно с ним по всасывающей магистрали) обеспечивают наиболее эффективную и продуктивную форму эксплуатации обоих гидродинамических устройств.

На представленном чертеже изображена предложенная установка нейтрализации. Она содержит магистрали 1, 2 подачи щелочных и кислых стоков и емкости 3 с реагентами (щелочными и кислотными). На практике преимущественно используется лишь емкость с щелочным реагентом, так как стоки тепловых электростанций имеют преимущественно кислую реакцию. Бак-нейтрализатор 4 имеет циркуляционный контур, в состав которого входит насос 5 с всасывающей 6 и напорной 7 магистралями, а также гидродинамический кавитационный реактор 8, который установлен в напорной магистрали 7. В состав циркуляционного контура входит также струйный аэратор 9, линия всасывания 10 которого соединена с воздушной средой бака-нейтрализатора 4. Магистрали 1, 2 подачи стоков и емкости 3 соединяются с баком-нейтрализатором 4 через запорные клапаны 11. Регулирование поступления обрабатываемой среды по всасывающей магистрали 6 осуществляется запорным клапаном 12, по напорной магистрали 7 - запорными клапанами 13, а по отводной магистрали 14 - запорным клапаном 15.

Работу предложенного способа можно продемонстрировать описанием функционирования установки, предназначенной для его реализации. Кислые и щелочные стоки по магистралям подачи 1, 2 поступают в бак-нейтрализатор 4. Процесс наполнения бака происходит при закрытом напорном клапане 12. После заполнения бака-нейтрализатора 4 до нужной степени закрывают запорный клапан 15 соответствующей магистрали 14, открывают запорные клапаны 12 и 13 всасывающей 6 и напорной 7 магистралей циркуляционного контура и включают насос 5. Обрабатываемая среда, которая засасывается насосом 5 в гидродинамический кавитационный реактор 8, приходит интенсивно в движение по циркуляционному контуру. В процессе прохождения среды через реактор 8 в нем происходит не только интенсивное перемешивание содержимого бака-нейтрализатора 4, а и измельчение нерастворимого осадка (кальций, магний, железо и т.п.), что может привести к забиванию циркуляционного контура или соответствующей магистрали. Процесс перемешивания усиливается потоком газовых пузырьков, которые подаются в кавитационный реактор 8 из струйного аэратора 9. Эти газовые пузырьки генерируются в аэраторе 9 из парогазовой среды, которая засасывается аэратором из бака-нейтрализатора 4 через линию всасывания 10. После такого интенсивного совместного влияния гидродинамического кавитационного реактора и струйного аэратора на обрабатываемую среду в баке-нейтрализаторе 4 измеряют величину pH. Если результаты измерения отвечают состоянию полной нейтрализации стоков, констатируют наличие процесса самонейтрализации и обработанные стоки удаляют из бака-нейтрализатора 4 через отводную магистраль 14. Для этого открывают запорный клапан 15 и закрывают запорный клапан 13 напорной магистрали 7. В этом режиме насос 5 выполняет функцию перекачивания жидкости, а не циркуляции.

В случае если измеренная величина pH в баке-нейтрализаторе 4 удостоверяет наличие в среде кислоты или щелочи, в бак-нейтрализатор 4 добавляют определенное количество соответствующего реагента из емкости 3 или же кислых или щелочных стоков из магистралей 1 или 2 и процесс перемешивания повторяют.

ПРИМЕР

После промывания поверхности нагрева котлов тепловой электростанции кислые и щелочные стоки в объемах 15 м³ по магистралям подачи 1 и 2 при открытых запорных клапанах 11 и закрытому 12 направляют в бак-нейтрализатор 4, объем которого составляет 20 м³. После поступления стоков в бак-нейтрализатор 4 приблизительно четвертая часть его объема остается незаполненной. (В незаполненном жидкостной средой объеме накапливаются парогазовые испарения, которые в дальнейшем используются как источник питания струйного аэратора 9.) Для смешивания стоков закрывают запорный клапан 15, открывают запорные клапаны 12 и 13 и включают насос 5. Насос 5 начинает функционировать в режиме засасывания, при котором жидкость испытывает интенсивное перемешивание в циркуляционном контуре под действием гидродинамического кавитационого реактора 8 и струйного аэратора 9. На протяжении всего технологического цикла работы установки парогазовая среда бака-нейтрализатора 4 постоянно перегоняется через аэратор 9. После перемешивания стоков измеренная pH среды в баке-нейтрализаторе 4 составляла pH 10, что удостоверило завышенное содержание в нем кислоты. Для доведения обрабатываемой среды до состояния полной нейтрализации, при котором pH 7, в бак-нейтрализатор 4 из емкости 3 добавляют щелочной раствор из расчета соотношения реагирующих компонентов, при которых обеспечивается указанная величина pH среды. После этого полностью нейтрализованные стоки удаляют из бака-нейтрализатора 4 по отводной магистрали 14 и готовят установку к следующему рабочему циклу.

Предложенное изобретение можно отнести к ряду высокопроизводительных, экологически чистых технологий, внедрение которых разрешает не только эффективно очищать агрессивные промышленные стоки, а и обеспечить высокую рентабельность этого процесса при сравнительно невысоких энергозатратах.

Изобретение может быть использовано для нейтрализации кислых и щелочных стоков установок для подготовки воды и котельных цехов тепловых электростанций. Установка для нейтрализации кислых и щелочных водных стоков содержит: магистрали 1, 2 подачи щелочных и кислых стоков, по меньшей мере, одну емкость 3 с реагентом, бак-нейтрализатор 4 с циркуляционным контуром, насос 5 с всасывающей 6 и напорной 7 магистралями, гидродинамический кавитационный реактор 8, струйный аэратор 9, линия всасывания 10 которого соединена с парогазовой средой бака-нейтрализатора 4. Технический результат: повышение эффективности и экологической безопасности способа нейтрализации кислых и щелочных водных стоков, создание высокопроизводительной, экологически безопасной установки для нейтрализации кислых и щелочных водных стоков. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ нейтрализации кислых и щелочных водных стоков в установке, которая содержит бак-нейтрализатор с циркуляционным контуром, в состав которого входят гидродинамический кавитационный реактор, при котором кислые и щелочные стоки накапливают в баке-нейтрализаторе, откуда их подают на смешивание в гидродинамический кавитационный реактор, после чего возвращают в бак-нейтрализатор, где осуществляют измерение рН водной среды и в зависимости от величины рН стоки удаляют из бака-нейтрализатора или подвергают повторной обработке в циркуляционном контуре до достижения состояния полной нейтрализации, отличающийся тем, что процесс смешивания в гидродинамическом кавитационном реакторе усиливают путем подачи в него газовых пузырьков, генерируемых струйным аэратором, для питания которого используют парогазовую среду, сосредоточенную в баке-нейтрализаторе над поверхностью обрабатываемых стоков.

2. Установка для нейтрализации кислых и щелочных водных стоков, которая содержит магистрали подачи кислых и щелочных стоков, по меньшей мере, одну емкость с реагентом, бак-нейтрализатор с циркуляционным контуром, в состав которого входит насос с всасывательной и напорной магистралями и гидродинамический кавитационный реактор, установленный в напорной магистрали, отличающаяся тем, что циркуляционный контур дополнительно содержит струйный аэратор, линия всасывания которого соединена с парогазовой средой бака-нейтрализатора.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что струйный аэратор по напорной магистрали установлен параллельно гидродинамическому кавитационному реактору, а по всасывательной магистрали - последовательно с гидродинамическим кавитационным реактором.