CC BY
85
УДК 543.3
О. Р. Каратаев, З. Р. Шамсутдинова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Ключевые слова: метод флотации, нефтеперерабатывающие предприятия, моделирование, дисперсные частицы, очистка,
сточные воды.
В работе обсуждается проблема эффективной очистки сточных вод методом флотации. Предлагается моделирование процессов флотационной очистки сточных вод. Рассматривается зависимость эффекта очистки от разных технологических условий.
Key words: flotation method, refineries, modeling, dispersed particles, purification, wastewater.
The problem of efficient wastewater treatment by flotation is discussed. Modeling ofprocesses of flotation wastewater treatment is offered. The dependence of the effect of treatment on different technological conditions is considered.
Среди множества технологий по обезвреживанию загрязняющих веществ сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий достаточный удельный вес занимает группа методов сепарации загрязнений. Из сточных вод данных заводов извлекаются и утилизируются нефть и нефтепродукты.
В настоящее время широкое распространение получили методы флотационной сепарации загрязнений производственных сточных вод. Как технологический процесс флотация зародилась более 100 лет назад в обогатительной промышленности, где применялись масленая, пленочная и воздушная (пенная) флотации. Наиболее эффективной и экономичной оказалась воздушная флотация, представляющая собой разновидность метода адсорбционно-пузырьковой сепарации загрязнений сточных вод. Воздушная флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз (воздух - вода), обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания [1].
Процесс очистки методом флотации основывается на том, что находящиеся в сточных водах гидрофобные частицы способны прилипать к границе раздела фаз (жидкость-газ). Вероятность закрепления частицы определяется вероятностями прилипания и сохранения частицы на пузырьке. Силы тяжести или инерционные силы могут привести к отрыву частицы от поверхности пузырька. Эти силы достаточно велики для крупных частиц, так как пропорциональны кубу линейных размеров частицы (объему). Поэтому закрепление крупных частиц на пузырьке возможно лишь с помощью формирующегося в месте контакта трехфазного периметра смачивания, который может сопротивляться большим отрывным силам [2].
Граница раздела фаз создается при насыщении очищаемой воды пузырьками газа. Пузырьки газа при всплывании сталкиваются с дисперсными частицами, в результате чего происходит их прилипание к поверхности пузырька, то есть образуются флотокомплексы «частица - пузырек воздуха». Дисперсная частица - пузырек поднимается на поверхность воды и создается пенный слой, в котором происходит концентрирование дисперсной фазы.
Суммарная энергия исходной системы (Дж):
= 2жгстжг + 2жчСТжч , (1)
где Б жг и Б жч - площади поверхности раздела фаз «газ - жидкость» и «жидкость - флотируемая частица», м2, соответственно; стжг и стжч - коэффициенты
поверхностного натяжения на границе раздела фаз «газ - жидкость» и «жидкость - частица», Дж/м2, соответственно.
При образовании единицы площади контакта флотокомплекса происходит уменьшение свободной энергии системы (Дж/м2):
Wv =стжг (1 - cos ©),
(2)
где © - краевой угол смачивания поверхности «флотируемая частица - жидкость», град.
Таким образом, в результате образования агрегата «пузырек - частица» происходит уменьшение свободной энергии системы, значение которой пропорционально поверхности контакта частиц и пузырьков, поверхностному натяжению на границе «газ - жидкость» и краевому углу смачивания. Величина (1 - cos©) является мерой флотируемости частиц. Частицы с гидрофобной поверхностью (© > 900; 1 - cos © > 1) способны флотироваться. Частицы нефтепродуктов в сточных водах имеют ярко выраженную гидрофобную поверхность и поэтому хорошо флотируются. Эффективность флотационного процесса, наряду со свойствами поверхности флотируемых частиц, определяется также величиной удельной поверхности диспергированной газовой фазы Sy (м2/м3) и показателем эффективности захвата всплывающим пузырьком флотируемой частицы - коэффициентом захвата E [3].
Удельная поверхность является одной из важнейших характеристик газовой дисперсии, позволяющей судить об избыточной энергии дисперсной системы
AW = WySy
Ее величина для дисперсной системы газовых пузырьков, имеющих строго сферическую форму диаметром dn < 0,8 мм, может быть определена по формуле:
Sy = 6Ф/dn,.........................(3)
где ф - коэффициент газонаполнения флотационного объема (м3/м3)
Wr
Wr
ф =
Wф W + W
ф ж г
•(4)
где Wф - объем флотационного бассейна, м ; Wг и Wж - объем газовой и жидкой фазы. Согласно современным теоретическим моделям процесса флотации эффективность захвата дисперсной частицы Е всплывающим пузырьком воздуха прямо пропорциональна отношению квадратов радиусов дисперсной частицы и пузырька воздуха. Поскольку размер капелек частиц дисперсной нефтяной эмульсии в нефтесодержащих сточных водах колеблется в пределах гч =50...70 мкм, то процесс безреагентной флотации будет эффективен лишь при дисперсности пузырьков газа Р0=60...85 мкм. Среди методов получения пузырьков достаточно малого размера в настоящее время наиболее широко используется метод напорной флотации (выделение газа из пересыщенного раствора жидкости), который предусматривает насыщение сточных вод воздухом под избыточным давлением и выделение из сточных вод тонкодисперсных пузырьков воздуха после сброса давления [4].
На первом этапе после сброса давления в жидкости образуются зародышевые пузырьки газа, размер которых равен:
Кзп , (5)
Р1 " Р2
где р1 и р2 - соответственно давления до и после дросселирующего устройства, Па.
Во второй фазе происходит выделение растворенного газа, объем которого тем больше, чем выше пересыщение жидкости газом. При пересыщении в 200% средний размер образующихся пузырьков воздуха составляет ^ =45 мкм, коэффици-ентент газонаполнения при этом составляет ф =0,035; при пересыщении 400% - ^=75 мкм; ф =0,07; при пересыщении 800% - ^=110 мкм, ф =0,14.
В настоящее время широкое распространение для очистки производственных сточных вод получили напорные флотаторы, позволяющие генерировать мелкодисперсную водовоздушную смесь (^ =20-90 мкм) из пересыщенного раствора, приготовляемого при избыточном давлении в сатураторе. При этом требуется определить оптимальный расход воздуха [5].
Оптимальный расход воздуха, который необходимо для создания условий всплывания агрегатов пузырьков с твердыми частицами (1-1,6 л/кг). Однако большой избыток воздуха может привести к тому, что пузырьки будут накапливаться под слоем выделенного шлама, и толщина верхнего шламово-воздушного слоя, увеличиваясь, может достичь области гидравлических возмущений, создаваемой впускными устройствами. Это ухудшает эффект
флотации, поскольку пузырьки и частицы выносятся с осветленной водой. Поэтому высота накапливаемого шлама не должна превышать 0,5 м и ограничивается нагрузка по сухому веществу на 1 м2 поверхности водного зеркала флотационной камеры. задаваемое соотношение между этими двумя величинами определяется требуемым качеством очищаемой воды. График зависимости максимально допустимой нагрузки по сухому веществу при глубине рабочей камеры И0=1 м приведен на рис. С увеличением рабочей глубины прямо пропорционально возрастают максимально допустимые нагрузки [6].
Эффективность флотационного процесса также определяется температурой сточных вод, рН воды на входе в очистные сооружения, концентрацией нефтепродуктов в сточных водах, нагрузкой на очистные сооружения, устойчивостью нефтяных эмульсий.
На входе в очистное сооружение в зависимости от сезона и режимов производства температура сточных вод может варьироваться в интервале 10
Рис. 1 - Зависимость удельного расхода воздуха и нагрузки по сухому веществу от концентрации твердой фазы: 1 - удельный расход воздуха на 1 кг извлекаемых загрязнений, 2 - максимально допустимая нагрузка по сухому веществу при Ь0=1 м
- 250С. Но при выбросе горячих промышленных вод или вод котельных цехов она может превышать 400С, в следствие чего снижается растворимость компонентов воздуха в воде [7].
Растворимость газа в воде зависит от его физических свойств, давления, температуры и для сравнительно небольших давлений (до 2-3 МПа) выражается законом Генри, в соответствии с которым растворенное в воде количество газа пропорционально его парциальному давлению над раствором
С = к*Р , (6)
где С - концентрация газа в растворе, кг/м3; Р -
давление над раствором Па; к * - коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), кг/(м3-Па). Для практических расчетов значение коэффициента Генри принимается в виде значения растворимости воздуха в воде при атмосферном давлении (табл.1) [1].
Таблица 1 - Растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении
Температура, 0С Растворимость воздуха в воде, мг/л
iG 29,2
2G 23,6
3G i9,9
4G 17,0
5G i4,7
6G 12,7
При понижении давления раствор воздуха в воде становится пересыщенным и избыточное количество газа выделяется из раствора в виде мелкодисперсных пузырьков. При температуре 400С флотация практически прекращается из-за недостаточной растворимости компонентов воздуха и эффективность очистки значительно снижается. Для качественной работы установки необходимо или рассредоточить по времени сброс сточных вод с повышенной температурой или организовать предварительное охлаждение стоков [8].
Сброс сточной воды с различной рН неравными интервалами времени создает проблему необходимости изменения рН путем подкисления или подщелачивания, так как коагулирующая способность зависит от реакционной среды. Образование крупнодисперсными частицами пленки, которая практически не содержит воду, попадание в промышленные сточные воды бытовых и ливневых стоков также осложняют процесс флотации. Собирающуюся на поверхности сточных вод пленку возможно удалить при помощи насоса, который будет выкачивать отстоявшиеся нефтепродукты в специ-
альную емкость, тогда эффективность напорной флотации возрастет.
Попадания грунтовых вод, а вместе с ними глины, соединений железа необходимо избегать путем надлежащей проверки состояния и ремонта канализационных люков, коллекторов. При очистке воды, направляемой после промывания установок, на которых могут находиться поверхностно-активные вещества, мазут, масла, увеличивается стойкость образующихся эмульсий. Это приводит к ухудшению качества флотации. Устойчивость таких эмульсий находится в верхних пределах от месяцев до нескольких лет. Кислотная обработка вод, содержащих стойкие эмульсии, до выброса этих вод к остальным потокам воды позволит обеспечить нормальную работу напорной флотационной установки.
Литература
1. Б.В. Дерягин, Основы и контроль процессов флотации. Недра, Москва. 1980. 304 с.
2. В.И. Классен, Введение в теорию флотации. Госгор-мехиздат, Москва. 1959, 636 с.
3. А.Н. Фрумкин, Физико-химические основы теории флотации. АН СССР, Москва, 1932. 227 с.
4. Н.Н. Рулев, Автореф. дис. канд. хим. наук. Киев, 1977. 23 с.
5. О.Р. Каратаев, В.Ф. Новиков, З.Р. Шамсутдинова, Вестн. Казан. технол. ун-та, 16, 22, 45-47 (2013).
6. Е.А. Стахов, Очистка нефтесодержащих вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов. Недра, Ленинград, 1983. 264 с.
7. А.М. Когановский, Н.А. Клименко, Т.М. Левченко, Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. Химия, Москва, 1983. 288 с.
8. С.И. Валеев, В.А. Булкин, Вестн. Казан. технол. ун-та, 16, 15, 294-296 (2013).
© О. Р. Каратаев - канд. техн. наук, доц. каф. машиноведения КНИТУ, [email protected]; З. Р. Шамсутдинова - студ. института управления, экономики и финансов КФУ.
© O. R. Karataev - c.t.s., associate professor of the department of mechanical engineering of KNRTU, [email protected]; Z. R. Shamsutdinova - student of the institute of management, economics and finance, Kazan Federal University.
2G9
