Размещено на http://allbest.ru

1. Способ очистки вод от нефтепродуктов методом фильтрации

1.1 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 механические 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.



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.

Отмывка загрузочного материала улучшается 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 - 0,31,5 мм;

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

-продолжительность промывки 3 4 мин.

1.2 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 фильтров 1 и 2 ступени. Высота слоя загрузки в фильтре 1 ступени составляет 0,5 м, а в фильтре 2 ступени - 1,5 м.



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.

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;

*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).



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.

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.

1.3 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.

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.

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%;

-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).



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.

Это зависит от того, на каком 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.

2.1 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.

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.

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.

Рис. 6. Устройство для очистки воды от нефтепродуктов по а. с. 1261240.

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.

2.2 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).

2.3 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 S - площадь 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.

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

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 д - 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.

Рис. 8. Гранулометрический состав примесей в дренажных сточных водах Запорожской АЭС

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.

2.4 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 N_д).

Это связано с условиями эффективной регенерации ФМ, максимального времени фильтроцикла. Если разбить рейтинг пор ФМ в диапазоне 60 - 0,3 мкм c N_д = 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 N_д.

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.

2.5 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

Q_mn = 0,25 х 50 = 12,5 (м³/ч).

Определим количество ФУМ в фильтре - системе ППФ по формуле:

N_m = Q/ Q_mn.

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 N_m равным 4, если 4,2 - то N_m = 6 и т.д.

По выбранному значению N_m можно уточнить номинальную (а также максимальную, минимальную) производительность ППФ.

2.6 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.

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.



Рис. 9. -Конструкция фильтрующего универсального модуля:

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

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.

2.7 Расчет прочности болтового соединения крепления фильтрующих рамок

Максимальное расчетное давление принимается (а по логике должно и создаваться первоначально) 12 болтами. Задача состоит в расчете толщины болта и высоты резьбового соединения. Резьбы будут работать на сжатие. Для равномерности нагрузки болты будут располагаться равноудалено друг от друга. Внешние размеры рамки составляют 520 х 620, по корпусу фильтра 550 х 650, т.е. периметр его будет 2400 мм, а соответственно болты будут находиться на расстоянии 2400 : 12 = 200 мм.

Нагрузка на болт составляет 4430 кгс : 12 = 369 кгс (3616,2 Н)

Болты нормальной, грубой и повышенной точности рассчитываются на срез, смятие и растяжение. В соответствии с этим напряжения в одном болте определяются по формулам:

при работе на срез

при работе на смятие

при работе на растяжение

Здесь N - усилие, приходящееся на один болт; d - диаметр болта в болтовом соединении; Уд - наименьшая суммарная толщина листов, сминаемой в одном направлении болтом; d₀ - внутренний диаметр болта по нарезке; n_ср - количество плоскостей среза в одном направлении.

Предельная несущая способность одного болта определяется по формулам:

при работе на срез

при работе на смятие

Расчетные сопротивления болтовых соединений принимаем из [112]

Временное сопротивление разрыву для термообработанных болтов из стали 35 принимается равным 8000 кгс/см², из стали 40Х - 11000, из стали 40ХФА и 38ХС - 13500 кгс/см².

Произведем расчет по болту М10, толщине листа 10 мм, d = 9 мм, d₀ = 8,38 мм, n_ср=1.

Приведенные расчеты показали, что усилие в 369 кгс для болтового соединения М10 является нормальным.

2.8 Расчет Т - образного сварочное соединение стенок корпуса на срез

Болты, удерживающие рамку фильтра, опираются вверху в Т - образную сварную конструкцию. Данная конструкция состоит из верхней полосы сечением 40 х 10, которая приваривается к стенке фильтра д = 5 мм. Для большей жесткости конструкции с внешней стороны стенки фильтра, напротив болта, будет приварена полоса д = 5 мм шириной 30 мм. Произведем расчет прочности данного сварного соединения. Для этого определим тип и вид сварного соединения из [25]:

Для нашего случая подходит фланговый угловой шов. Фланговые угловые швы воспринимают продольное усилие и работают на срез. Напряжение по длине шва распределяются неравномерно. Наибольшие касательные напряжения возникают в начале и в конце шва, к середине шва напряжения выравниваются.

Касательные напряжения в угловом фланговом шве принимаются равномерно распределенные по длине шва

где h_ш = 0,8д = 0,8 х 0,5= 0,4 (см) - толщина углового шва, см. [25];

в - коэффициент, принимаемый равным 0,7 для ручной сварки; - полная длина шва, для нашего фильтрующего элемента минимальная длина сплошного шва равна 114 см.

На рис. 10 показаны сечения деталей фильтра снизу вверх: упорная рамка, фильтрующий материал 5 мкм, промежуточная рамка, фильтрующий материал 0,3 мкм, поддерживающий фильтрующий материал 50 мкм, верхняя рамка.

Рис. 10. Фильтрующий универсальный модуль: 1 - корпус модуля; 2 - рамки; 3 - вставка; 4 - т - образное соединение; 5 - болт М10; 6 - фильтрующие слои.

На верхнюю рамку устанавливается центрирующая фиксирующая вставка, прямоугольного или круглого сечения из крепкого дерева (дуба) или дюрали Д30, на который сверху упирается затворный болт М10. Болт проходит через верхнюю пластину толщиной д = 10 мм, которая тавровым сварным швом крепится к верхней части стенки фильтра.

Необходимо отметить, что усилие затяжки этих болтов не должна превышать 1 кгс-м. Прочность данного Т - образного соединения было рассчитано выше.

В данной конструкции необходимо проверить прочность сварки рамок фильтра по планкам шириной 1 см и толщиной 5 мм. Конструкция данного соединения представлена на следующем чертеже. Планки привариваются по

внутренним углам, по центрам длины и ширины упорной и промежуточной рамки. Общая длина сварного шва составляет 16 см. На это соединение принимается нагрузка Р = 4430 кгс.

Произведем расчет на прочность.

Данные соединения не имеют большого запаса по прочности, а поэтому шов в данных соединениях необходимо тщательно просмотреть на отсутствие дефектов.

2.9 Расчет прочности фундамента ППФ

К данным расчетам надо сделать сравнительный анализ давление всей конструкции на бетонное основание двух перегородок, на которые, через горизонтальные швеллеры, опирается вся конструкция фильтра с находящейся в ней водой. Прочность бетонной стенки на давление не должна превышать 30 МПа (300 кгс/см²). Для примера, на производительность 700 м³/ч общий вес ППФ с водой составляет около 15 000 кгс. Опора фундамента фильтра состоит из двух швеллеров №16 длиной 4,2 м каждая, т.е. общая площадь фундаментной опоры фильтра из швеллера составит:

420 х 16 х 2 = 13 440 (см²),

общий вес конструкции с находящейся в ней водой не должна превысить 13 440 х 300 = 4 032 000 (кгс). Это намного больше, чем вес фильтра 15 000 кгс.

2.10 Расчет входных и отводящих трубопроводов ППФ

Для большей наглядности методики проведения расчета диаметров трубопроводов, сделаем это на примерах, близких к реальным.

2.10.1 Пример расчета входного трубопровода фильтра

Гидравлический расчет основан на максимальной производительности одной секции фильтра и максимальной допустимой скорости движения воды в напорном трубопроводе.

Для примера, максимальная производительность фильтрующей секции выбираем из максимальной скорости фильтрации 100 м/ час и площади фильтрации 0,245 м² х 5 = 1,225 м² , что равна 122,5 м³ / ч. Для металлических труб наибольшая скорость движения воды следует принимать 8 м/с ( СН и П 2.04.02-84), тогда наименьшее сечение трубы должно быть 122, 5: (8 х 3600) = 0,00425 (м²), что соответствует внутреннему диаметру трубы в 74 мм, с учетом уменьшения сопротивления в подающем трубопроводе и максимальной автоматизации процесса фильтрации выбираем трубу Ду100 и заслонку с электроприводом.

Общий подводящий трубопровод будет таким же диаметром, как и общий водовод - Ду 400 мм. Максимальная скорость движения воды в этой трубе будет

(6 х 122,5 х 4): (р х 0,4² х 3600) = 1,42 (м/с),

что не превышает приведенный норматив по скорости движения воды в металлическом трубопроводе, и близко к экономической рекомендацией НИИ санитарной техники - 1,5м/сек . В других случаях экономичными можно считать скорости 0,9 - 1,2 м/с [20].

Максимальной расчетной скоростью, называют допустимую скорость течения жидкости, не вызывающую снижение механической прочности материала труб при истирающем действии песка и твердых веществ, транспортируемых сточной жидкостью.

Эту скорость обычно принимают 4 м/с для неметаллических труб и 8 м/с для металлических труб. В дождевой канализации для неметаллических труб эта скорость может быть принята до 7 м/с, а для металлических 10 м/с, т. к. потоки воды здесь имеют кратковременный характер[21].

В промышленных трубопроводах скорость маловязких капельных жидкостей не должна превышать 3 м/с; для вязких капельных жидкостей - 1 м/с, скорость при движении самотеком капельных жидкостей рекомендуют (0,2 ? 1) м/с, а при перекачке насосами - (1 ? 3) м/с [22]. Для более точных специальных расчетов трубопроводов необходимо использовать справочники и таблицы [23, 24].

2.10.2 Пример расчета выходного трубопровода фильтра

Конструктивно выбираем отводящую трубу Ду 100. Для уменьшения гидравлического сопротивления выходной трубы врезка в фильтр будет горизонтальная, в днище фильтра. На данном трубопроводе не будет установлены задвижки, и труба будет уходить вертикально вниз. Максимальную скорость движения воды для трубы Ду100 будет равна

4 х 122,5 : ( р х 0,1² х 3600) = 4,33 (м/сек)

На данной скорости определим местное гидравлическое сопротивление, для случая резкого сужения представлено в эмпирической формуле:

,

где щ₂/щ₁ = 0,25х р х 0,1² /1,2 х 0,32 = 0,02 - отношение площадей сечений перед входом в трубу щ₁ и трубы щ₂

Таким образом, при скорости фильтрации 100 м/час потеря напора на входе в трубу составит 458 мм, тогда как высота фильтра 675 мм. Отводящая труба диаметром Ду100 по гидравлическому сопротивлению подходит.

2.10.3 Пример расчета системы канализации ППФ

Диаметр трубопровода канализации, опорожнения ФУМ имеет существенное технологическое значение, которое влияет на скорость промывки ФМ, а также влияет на время цикла регенерации. Конструктивно выбираем максимальное сечение трубопровода Ду50 на один ФУМ, если модулей в секции будет больше одного, то живое сечение канализационной трубы будет увеличено во столько же раз. Так, если в секции будет три ФУМ, то диаметр канализационной трубы рассчитаем по формуле:

(мм)

Выбираем трубу из ближайшего максимального стандартного сечения: труба 20ГОСТ 3263-75 80х3,5. Для уменьшения гидравлического сопротивления на входе канализационной трубы желательно установить стандартный переход, например, по ГОСТ 17378-83 80/50.

С технологической логики для лучшего отвода промывных вод фильтрующей секции ее днище выполнено с уклоном не менее i = 0,1 в противоположную сторону от входящей трубы. Это объясняется тем, что поступающая на очистку вода будет смывать осадок с нижнего ФМ в противоположную сторону, под стенку перегородки фильтрующей секции.