Файл: Методическое пособие По рабочей профессии Аппаратчик химводоочистки.docx

В процессе обработки сточных вод озон, подаваемый в камеру реакции в виде озоно-кислородной или озоно-воздушной смеси, вступают в химическую реакции с загрязняющими сточные воды веществами. Таким образом, озонирование представляет собой абсорбционный процесс, осложненный химическими реакциями.

Наиболее экономичным способом является получение озона непосредственно на очистных сооружениях путем тихого (короткого) электрического разряда в воздухе. Тихий разряд образуется в узком газовом пространстве между двумя электродами, к которым подведен ток напряжением 5-25 тыс. В. В озонаторе используются электроды из стекла, внутренняя поверхность которых покрыта металлической амальгамой. Ее слой является электродом высокого напряжения.

В существующих промышленных генераторах озонаторах применяют стеклянные трубчатые или пластинчатые элементы. Обычно озонаторы выполняют в виде цилиндрических сосудов, в которых располагается несколько десятков параллельно работающих трубчатых озонирующих элементов, состоящих из двух концентрически расположенных стеклянных трубчатых электродов. Воздух движется вдоль оси озонирующих элементов в кольцевом пространстве между концентрически расположенными электродами. Молекулы кислорода под действием электрических разрядов дробятся, и образовавшиеся атомы легко присоединяются к целым молекулам их молекулярного сродства, образуя молекулу озона:

.

Большое значение имеет также то, что атом кислорода, выделяющийся в этой реакции, может взаимодействовать с молекулой озона с выделением теплоты:

.

Производительность озонатора и расход электроэнергии на получение озона в значительной степени зависят от влагосодержания поступающего в озонатор воздуха, его температуры, концентрации кислорода, а также от конструкции озонатора и способа подачи озоно-воздушной смеси в реактор.

Принципиальная технологическая схема озонирования производственных сточных вод состоит из двух основных узлов: получение озона и очистка сточных вод. Узел получения озона включает следующие блоки: получение и охлаждение воздуха, осушка, фильтрование воздуха, генерация озона.

---

В связи с токсичностью озона, поражающего органы дыхания и центральную нервную систему, особое внимание при проектировании озонаторных установок уделяется вентиляции помещений герметичности реакторов (предельно-допустимое содержание озона в воздухе помещений, где находятся люди, составляет 0,0001 мг/л). Осушка воздуха является одним из основных этапов подготовки воздуха перед получением озона, т.е. даже небольшое содержание влаги понижает выход озона и ведет к перерасходу электроэнергии. Для обеспечения требуемой степени осушки воздуха (до точки росы 50 °С) в периоды года, характеризующиеся большим содержанием влаги в атмосферном воздухе, предусматривается предварительное охлаждение воздуха до температуры 8 °С. В холодильной установке воздух обрабатывается охлажденным рассолом, подаваемым от фреоновой холодильной машины, в состав которой входят баки охлажденного и нагретого рассола, насосно-силовое оборудование и регулятор температуры воздуха после теплообменников.

Озон и его водные растворы чрезвычайно коррозионны: они разрушают сталь, чугун, медь резину, эбонит. Поэтому все элементы озонаторных установок и трубопроводы, контактирующие с озоном и его водными растворами, изготавливают из нержавеющей стали и алюминия.

Расход электроэнергии на получение одного килограмма озона из хорошо осушенного воздуха для озонаторов различных типов составляет 13-29 кВт∙ч, а из неосушенного воздуха 43-57 кВт∙ч. Расход электроэнергии на осушение воздуха и его компрессию для получения озона 6-10 кВт∙ч.

В обрабатываемую сточную воду озон вводят различными способами:

-барботированием содержащего озон воздуха через слой воды (распределение воздуха происходит через фильтросы);

-противоточной абсорбцией озона водой в абсорберах с различными насадками (хордовая насадка, кольца Рашига и др.);

-смешиванием воды с озоно-воздушной смесью в эжекторах или специальных роторных механических смесителях.

При расчете контактных реакционных камер, прежде всего, определяют площадь распыливающих элементов, которые размещают у дна камеры для равномерного распределения озоно-воздушной смеси в воде. В качестве распределительных устройств используют металлокерамические или керамические трубы с порами размером соответственно 40-100 мкм и 60-100 мкм, оптимальный режим диспергирования которых наблюдается при интенсивности распыления соответственно 76-91 и 20-26 м3/(м2∙ч).  Необходимую общую площадь всех распыливающих элементов контактной камеры барботажного типа определяют по формуле:

---

где Q - расход сточных вод, м3/ч;

 - требуемая доза озона, г/м3;

 - концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/м3;

 – интенсивность распыления на единицу площади пористых распылителей, м3/(м2ч).

Число распыливающих элементов:



где   - площадь одного распыливающего элемента, м2.

Металлокерамические распылительные трубки следует располагать по дну контактных камер на расстоянии 0,4 м, керамические трубы на расстоянии 0,5 м между осями. При таком расположении труб барботажные факелы объединяются на высоте 2 м.

Общий объем камеры, вычисляют по формуле:

W= kпр∙Q∙t, где kпр – коэффициент увеличения объема воды за счет ее продувки озоно-воздушной смесью, обычно равный 1,1; t– продолжительность пребывания сточной воды в реакционной камере, ч.

Величины dоз и t определяются экспериментально для каждого вида производственных сточных вод. Высота слоя воды над распылителями Н=4,5-5 м.        В двухступенчатых реакционных камерах высота слоя воды в каждой камере составляет 2,5-2,8 м.

Необходимое количество озона в кг/ч определяется по выражению:

Dоз =dоз∙ Q / 1000

Число озонаторов находят исходя из производительности серийно выпускаемых озонаторов:

m=k∙Dоз / qоз, где k – коэффициент запаса, принимаемый равным 1,05-1,1; qоз – производительность одного озонатора, кг/ч.

В табл. приведены основные технические характеристики отечественных озонаторов.Приведенные многочисленные исследования по окислению различных органических загрязнений озоном показали эффективность этого способа при обработке водных растворов, содержащих фенолы, циклопентан, циклогексан, тетра-этилсвинец, нафтеновые и сульфанафтеновые кислоты, цианиды, крезолы, неионогенные анионоакиативные ПАВ, нефть и др.

Таблица 17.

Основные технические характеристики отечественных озонаторов

---

Тип озонатора	Номинальная производительность по озону,кг/г	Концентрация озона в озоно-воздушной смеси, %	Средний расход воздуха, м /ч	Напряжение на электродах, кВ
ОП-4	1	16-17	40	10
ОП-6	2	14-16	80	10
ОП-21	1,6	14-16	120	16
ОП-315	3,8	12-14	300	18
ОП-510	6	12-14	450	18

Расход озона на разрушение загрязняющих веществ сточные воды веществ зависит от многих факторов: рН водной среды, концентрация вредных веществ, концентрация озона, способ смешения, продолжительность контакта озоно-воздушной смеси с обрабатываемыми сточными водами и др.

При применении катализаторов увеличиваются скорости реакций окисления озоном. Процесс озонирования можно интенсифицировать совместным воздействием озона и ультразвука или озона ультрафиолетового излучения.

При диспергировании озона в воду идут два основных процесса - окисление и дезинфекция. Кроме того, происходит значительное обогащение воды растворенным кислородом. Окисление веществ может быть прямое и непрямое, а также может осуществляться катализом и озонолизом.

Примером прямых реакций может служить окисление ряда органических и минеральных веществ (Рt2+, Мn2+), которые после озонирования осаждаются в форме нерастворимых гидроксидов или переводятся в диоксиды и перманганаты.

Кинетика прямых реакций окисления может быть выражена уравнением:



где 

---

,   – соответственно начальная и конечная концентрации вещества, мг/л; k – константа скорости реакции, л/(моль∙с); [О3] – средняя концентрация озона во время прохождения реакции, мг/л; t; – продолжительность озонирования, с.

Непрямое окисление – окисление радикалами, например, группой ОН и другими, образующимися в результате перехода озона из газовой фазы в жидкость и его саморазложения. Интенсивность непрямого окисления прямо пропорциональна количеству разложившегося озона и обратно пропорциональна концентрации присутствующих в воде загрязнителей.



Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые, как и озон, являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются.

Катализ – каталитическое воздействие озонирования заключается в усилении им окисляющей способности кислорода, который присутствует в озонированном воздухе.

Трудно четко определить последовательность и соотношение описанных выше реакций, т.к. преобладание той или иной формы окислительного воздействия зависит от многих параметров.

Озон получают из кислорода воздуха под действием электрического разряда в генераторах. Перед подачей воздуха или чистого кислорода в генератор его предварительно осушают, т.к. с увеличением влажности воздуха выход озона уменьшается. Расход энергии на производство 1 кг озона из атмосферного воздуха составляет около 18 кВт∙ч; из кислорода - около 9 кВт∙ч.

Озон подает в сточную воду в виде озоно-воздушной или озоно-кислородной смеси. Концентрация озона в смеси – около 3 %. Для усиления процесса окисления смесь диспергируют в сточной воде на мельчайшие пузырьки газа. Озонирование представляет собой процесс абсорбции, сопровождаемый химической реакцией в жидкой фазе. Расход озона, необходимого для окисления загрязнений, может быть определен по уравнению массообмена:



где М – расход озона, переходящего из газовой фазы в жидкую, кг/с;
 – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при протекании в ней химической реакции, м/с;    F – поверхность контакта фаз, м2;

---