Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

В дипломному проекті розроблено технологію попереднього очищення води. Обґрунтовано вибір технологічної схеми з встановленням установки ультрафільтрації на заміну механічним фільтрам, після стадією коагуляції. Вибрано вихідну сировину, допоміжні матеріали у відповідності з діючими стандартами та технічними умовами.

Обґрунтовано норми технологічних режимів, наведена технологічна схема та її опис. Розраховано і вибрано допоміжне обладнання у відповідності з заданою потужністю виробництва.

Запропоновано схему автоматичного регулювання та контролю виробництва. Надано економіко-організаційний розрахунок з обґрунтуванням вибору методу попереднього очищення води. Розглянуто питання екологічної оцінки виробництва та техніки безпеки проведення виробничого процесу.



РЕФЕРАТ

В дипломном проекте разработана технология предварительной очистки воды. Обоснован выбор технологической схемы с установлением установки ультрафильтрации на замену механическим фильтрам, после стадией коагуляции. Выбрано исходное сырье, вспомогательные материалы в соответствии с действующими стандартами и техническими условиями.

Обосновано нормы технологических режимов, приведена технологическая схема и ее описание. Рассчитано и выбрано вспомогательное оборудование в соответствии с заданной мощностью производства.

Предложена схема автоматического регулирования и контроля производства. Предоставлено экономико-организационный расчет с обоснованием выбора метода предварительной очистки воды. Рассмотрены вопросы экологической оценки производства и техники безопасности проведения производственного процесса.



ABSTRACT

In this diploma thesis project the pre-treatment technology of water was made. The choice of technological scheme of the installation of ultrafiltration was made to replace mechanical filters after stage coagulation. The feed stock, ancillary materials according to operating standards and technical conditions, are selected.

The guidelines of the operating practices are justified. The basic and auxiliary equipment is expected and chosen in accordance with the set power of production.

The scheme of automatic control and production control is offered. Economical and organizational calculations with justification of a choice of a water desalting method are provided. The question of an ecological assessment of production and safety measures of carrying out production is considered.



ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

УФ - ультрафільтрація;

ВПУ - водопідготовча установка;

НСВ - насос сирої води;

ГПВДФ - гідролізований полівініліденфторид;

ГПХ - гіпохлорит натрію;

ГДК - гранично - допустимі концентрації;

ГОСТ - державний стандарт;

ТУ - техничні умови;

TMP - трансмембранний тиск;

CEB - хімічно посилена промивка.



Вступ

Вода широко використовується в різних галузях промисловості як теплоносій, чому сприяє широке поширення водоочисних станцій. Наявна в розпорядженні людей вода не може бути без очищення (обробки) теплоносієм у теплоенергетичних установках, оскільки сучасні ТЕЦ в енергетичному циклі використовують воду високої якості з вмістом домішок у межах 0,1-1,0 мг/кг.

Устаткування сучасних ТЕЦ експлуатується при високих теплових навантаженнях, що вимагає жорсткого обмеження товщини відкладень на поверхнях теплоелементів. Такі відкладення утворюються з домішок, що надходять у цикли електростанцій, тому забезпечення високої якості водяних теплоносіїв є надзвичайно важливим завданням.

В технології очищення природних вод використовуються різноманітні технологічні прийоми та методи покращення якості води. Вибір раціональної схеми обробки води представляє значні труднощі, так як вихідна вода має безліч різноманітних домішок.

Для задоволення вимог до якості води, що споживається при виробленні теплової і електричної енергії, виникає необхідність спеціальної фізико-хімічної обробки природної води.

Метою дипломного проекту є реконструкція відділення попереднього очищення води для ТЕЦ, для отримання води з покращеними показниками якості.



1. Обґрунтування та вибір способу виробництва

Необхідність очищення води від забруднень виникає у тому випадку, якщо якість води природних джерел не задовольняє вимоги, що пред'являються. Невідповідність якості води джерела вимогам споживачів визначає вибір методу очищення.

В технології очищення природних вод використовуються різноманітні технологічні прийоми та методи покращення якості води. Вибір раціональної схеми обробки води представляє значні труднощі. Це пояснюється не тільки недостатньо продуманою технологічною схемою, але й зміною складу поверхневої води за час, в результаті скиду стічних вод нових промислових підприємств чи порушення умов експлуатації водойми у зв'язку з розвитком водного транспорту, роботами по осушенню болот (розташованих вище по течії), розвитком торф'яних розробок тощо. Технологічні схеми передбачають компоновку очисних будівель, охоплюючи процеси видалення речовин, що відносяться за звичай до декількох груп класифікації Кульского. Тому при складання схеми водопідготовки необхідно обирати методи та режими, найбільш ефективні для видалення домішків кожної з груп [1].

Основним джерелом питної і технологічної води для України є р. Дніпро.

Води, які поступають на очищення, містять дрібнодисперсні часточки розміром 10-9 до 10-4 м, вони утворюють колоїдно-дисперсну систему. Зокрема, домішки, які зумовлюють каламутність і кольоровість води, різняться надзвичайно малими розмірами, внаслідок чого їх осадження відбувається достатньо повільно. Стійкість дисперсних систем залежить від їх властивостей дисперсійного середовища (води) та дисперсійної фази. Властивості дисперсійного середовища характеризуються вмістом розчинених солей, газів, органічних поверхнево-активних та інших речовин, а також кислотність, лужність, твердістю, густиною, в'язкістю, поверхневим натягом тощо.

Для очищення природних і стічних вод, що утворюють колоїдно-дисперсну систему, треба провести розділяння рідкої й твердої фаз з метою вилучення завислих речовин. При цьому внаслідок малого розміру часточок дисперсної фази, а також високої агрегативної і седиментаційної стійкості систем виникають певні ускладнення. Інтенсифікувати процес розділення, тобто порушити агрегативну стійкість колоідно-дисперсної системи. Можна за рахунок укрупнення часточок в агрегати під дією коагулянтів.

Ще однією з особливостей води р. Дніпро є високий вміст гумінових речовин (ГР), оскільки гирло ріки розташоване в болотистій місцевості. Традиційні технології очищення води, що на сьогодні використовуються на 90 % промислових і комунальних підприємств України і включають окиснення, вапнування з наступними відстоюванням, проясненням, фільтрацією та йонним обміном, не забезпечують належний ступень очищення води від ГР.

Гумінові речовини є безпечними для здоров'я людини, проте похідні, що утворюються при окисній обробці води недостатньо очищеної від ГР, здійснюють виражений негативний вплив на дихальні шляхи та шкірні покриви людини. Разом з тим, безпосередньо ГР можуть завдавати значної шкоди у різноманітних технологічних процесах, викликаючи закупорювання чи дезактивацію поверхні йонобмінних смол, ініціювати біофоулінг поверхні ультрафільтраційних та зворотноосмотичних мембран. Крім того, з кожним днем все гостріше постає питання їх екологічної безпеки та негативного впливу на навколишнє середовище. Так, в результаті багаторічної експлуатації установок водопідготовки, що працюють за традиційною технологією, на деяких підприємствах склалася критична ситуація, викликана переповненням шламонакопичувачів рідкими стоками [2].

У традиційній схемі попереднього очищення води використовується процес коагуляції з подальшим механічним фільтруванням. В даному дипломному проекті вирішено її реконструювати та поставити на заміну механічним фільтрам ультрафільтраційні мембрани, які на відміну від попередніх можуть видаляти дрібнодисперсні часточки та органічні речовини, які порушують роботу подальшого обладнання.

Розглянувши недоліки та переваги традиційної схеми було вибрано схему в якій поєднана стадія коагуляції в освітлювачі та ультрафільтраційна установка. За допомогою цього можна вилучити повністю всі завислі дрібнодисперсні речовини та понизити кількість органічних сполук. Перед подачею води в освітлювач ми подаємо її в теплообмінник для підігріву, щоб збільшити швидкість коагуляціі.

1.1 Очищення води коагуляцією

Нині в процесах водопідготовки широко використовується коагуляція. Її використовують для зниження вмісту завислих і колоїдно-дисперсних домішок під дією сил тяжіння. Проте домішки, які обумовлюють каламутність і колірність природних вод, мають малі розміри і їх осадження відбувається надзвичайно повільно. Дрібнодисперсні колоїдні частинки ще більше ускладнюють процес осадження. Тому для прискорення процесів відокремлення вказаних домішок шляхом осадження, фільтрування або флотації здійснюють їх коагуляцію.

Коагуляцією домішок води називають процес агломерації найдрібніших колоїднодисперсних частинок, що відбувається внаслідок їх взаємного злипання. Коагуляція завершується утворенням крупних агрегатів-пластівців, які відокремлюються від води, що очищується.

Завислі домішки води в більшості випадків мають одинакові заряди, що обумовлює виникнення міжмолекулярних сил відштовхування і їх агрегативну стійкість. У технології підготовки води прагнуть порушити агрегативну стійкість домішок і в результаті здійснити повне або часткове їх видалення. Це досягається додаванням до води коагулянтів: сульфатів алюмінію, феруму (ІІ і ІІІ), хлориду алюмінію і феруму (ІІІ), алюмінату натрію, оксохлориду алюмінію, гідроксосульфату алюмінію, гідроксосульфату алюмінію або інших речовин, які сприяють порушенню агрегативної стійкості [3].

Воду, що очищується, підлуговують, якщо лужний резерв недостатній для задовільного гідролізу коагулянтів. Для підлуговування води і зв'язку утвореного під час гідролізу агресивного оксиду вуглецю (IV) застосовують гідроксид і карбонат натрію, карбонат кальцію і вапно, а також в невеликих кількостях аміак і аміачну воду. В процесі підлуговування значення рН підтримують в межах 6,5 … 7,5. Це сприяє зменшенню залишкового вмісту алюмінію і заліза в очищеній воді і зменшенню їх корозійних властивостей.

Одним з найбільш істотних параметрів технологічного процесу очищення води коагуляцією є доза коагулянта і порядок введення реагентів. Її оптимальна величина залежить від властивостей дисперсної системи (води, що очищується): температури, кількості завислих і колоїднодисперсних речовин, колірності, йонного складу дисперсного середовища, значенням рН та інших фізико-хімічних показників. В разі недостатнього дозування коагулянта або його неправильного введення у воду, що очищується, не досягають необхідного ефекту очищення, а в разі його надлишку - поряд з перевитратою - дорого коштовного реагенту в деяких випадках може погіршитись коагуляція.

1.2 Очищення води ультрафільтрацією

Метод видалення крупнодисперсних та дрібнодисперсних домішок із води фільтруванням широко застосовується в технології водоочищення та підготовки води для різноманітних потреб. Необхідність використання процесів фільтрування зумовлена суворими вимогами до вмісту завислих речовин у воді різного призначення та технологічними обмеженнями по вмісту зависів, що існують для різних методів оброблення води.

Ультрафільтрація -- це мембранний процес, який за розмірами частинок затримуваних домішок займає проміжну ланку між нанофільтрацією та мікрофільтрацією. Ультрафільтраційні мембрани мають розміри пор 0,01 - 0,1 мкм, що дозволяє їм затримувати тонкодисперсні та колоїдні домішки, макромолекули (нижня межа маси затримуваних молекул складає кілька тисяч одиниць), водорості, високомолекулярні органічні сполуки, одноклітинні організми, цисти, бактерії та віруси. Видалення іонів та розчинених у воді речовин не відбувається. Таким чином, використання мембранної ультрафільтрації для очищення води дозволяє зберегти її сольовий склад.

ультрафільтрація коагуляція екологічний вода



2. Характеристика продукції, сировини, допоміжних матеріалів

2.1 Характеристика продукції

Продукцією цеху підготовки попередньо очищеної води відповідно є вода після певних стадій освітлення та фільтрації через ультрафільтраційні мембрани.

2.2 Характеристики сировини

Вихідна вода потрапляє на ТЕЦ з берегової насосної станції, розташованої на березі Русанівського каналу. Вона попередньо підігрівається до температури 40?С (±1) в теплообміннику.

Склад води є не постійним. Він залежить від сезону, опадів, водного транспорту та стічних вод заводів розташованих вище за течії.

Контроль за якістю вихідної та освітленої води виконується персоналом з періодичністю 1раз на місяць.

2.3 Характеристика допоміжних матеріалів

У процесі коагуляційного очищення води використовуються вапняне молоко та коагулянт. Для їх приготування передбачено вапняне господарство та установки для приготування розчину коагулянту.

Оскільки технічна вода не піддається знезараженню на водозаборі, крім очистки проектом передбачено також її знезараження гіпохлоритом натрію.

Для утримання обладнання у робочому стані необхідно проводити періодичні промивки апаратів. Наприклад, для промивки ультрафільтраційних мембран необхідні такі реагенти як соляна кислота, гіпохлорит натрію і гідроксид натрію, ГОСТи яких описані нижче.

3. Фізико - хімічні основи вибраного методу виробництва

В даному дипломному проекті головними стадіями підготовки води є коагуляція та ультрафільтрація, тому нижче детально розглянуті механізми і реакції протікання даних процесів.

3.1 Теоретичні основи методу ультрафільтрації

Метод видалення крупнодисперсних та дрібнодисперсних домішок із води фільтруванням широко застосовується в технології водоочищення та підготовки води для різноманітних потреб. Необхідність використання процесів фільтрування зумовлена суворими вимогами до вмісту завислих речовин у воді різного призначення та технологічними обмеженнями по вмісту зависів, що існують для різних методів оброблення води Так, наприклад, для проведення ефективного знезараження води ультрафіолетовим випромінюванням вода повинна містити не більше 10 мг/дм3 завислих речовин [4]; для подачі води на установки зворотнього осмосу вміст у ній завислих речовин допускається не більше 0,6 мг/дм3 [5]. У зв'язку із цим було розроблено велику кількість різноманітних процесів фільтрування води.

Усі ці методи можна за принципом здійснення власне процесу фільтрування умовно поділити на дві великі групи: фільтрування через шар зернистого завантаження або фільтрування через порувату перетинку.

Фільтрування крізь шар зернистого завантаження широко застосовується у технологіях підготовки води з застосуванням піщаних, вугільних та інших видів фільтрів. При проведенні фільтрування крізь шар зернистого завантаження домішки затримуються за рахунок складних гідродинамічних, фізико-хімічних та хімічних процесів, які протікають у всьому об'ємі завантаження.

Фільтрування крізь порувату перетинку здійснюється у різноманітних тканинних фільтрах та лежить в основі усіх процесів розділення за допомогою мембран. При фільтруванні крізь порувату перетинку існує два можливих механізми затримування частинок. Якщо затримуються дисперсні частинки із розміром більшим, ніж розмір пор, можна говорити про так званий ситовий механізм, який є характерним для процесів мікрофільтрації та ультрафільтрації. Або ж затримання домішок здійснюється внаслідок дифузного механізму перенесення, такий механізм характерний для процесів нанофільтрації та зворотного осмосу [6].

Зворотний осмос, ультрафільтрація, нанофільтрація, мікрофільтрація належать до так званих баромембранних процесів, рушійною силою яких є різниця тиску рідини з обох боків мембрани.

Ультрафільтрація - це мембранний процес, який за розмірами частинок затримуваних домішок займає проміжну ланку між нанофільтрацією та мікрофільтрацією. Ультрафільтраційні мембрани мають розміри пор (0,01 ? 0,1) мкм, що дозволяє їм затримувати тонкодисперсні та колоїдні домішки, макромолекули (нижня межа маси затримуваних молекул складає кілька тисяч одиниць), водорості, одноклітинні організми, цисти, бактерії та віруси. Видалення іонів та розчинених у воді речовин не відбувається. Таким чином, використання мембранної ультрафільтрації для очищення води дозволяє зберегти її сольовий склад і здійснити освітлення та знезараження без застосування хімічних речовин, що робить цю технологію перспективною з екологічної та економічної точки зору.

Слід зупинитися на основних характеристиках та закономірностях, властивих процесам мембранного розділення водних розчинів та колоїдних систем, в тому числі і процесу ультрафільтрації.

Найважливішими функціональними характеристиками будь-яких синтетичних мембран є коефіцієнт затримування (селективності) розчиненої речовини [5]:



(3.1)

та продуктивність (об'ємний потік) крізь мембрану [5]:

(3.2)

де С0 і Сф - відповідно концентрації розчиненої речовини в початковому розчині і в фільтраті; ?q - об'єм фільтрату, що пройшов крізь мембрану площею S за інтервал часу ??.

Об'ємний потік очищеної води через мембрану прямо пропорційно залежить від різниці тисків [5]:

, (3.3)

де J - потік води через мембрану; К - константа проникності, яка враховує всі структурні фактори, що впливають на процес; ?Р - різниця тисків рідини з різних боків мембрани.

Окрім тиску, величина об'ємного потоку залежить від товщини мембрани. Чим тоншою є мембрана, тим вищою буде її продуктивність (за умови рівності інших умов). Для багатошарових мембран враховують товщину найщільнішого шару.

Вплив на значення об'ємного потоку має також температура [5]. Підвищення температури води зменшує її в'язкість і внаслідок цього підвищує пропускну здатність мембрани. Збільшення величини об'ємного потоку складає приблизно 3 % на кожен градус.

Продуктивність мембрани має властивість знижуватися при збільшенні концентрації домішок у воді, які затримуються даним типом мембрани.

Фільтрування води через крупнопористі мембрани можна проводити за будь-якого тиску. Проте, коли розмір отворів мембранної перегородки стає настільки малим, що наближається до розміру молекул, то картина принципово змінюється. Через те, що розчинені солі вже не можуть безперешкодно проходити крізь мембрану, виникає осмотичний тиск, який спрямований назустріч робочому тиску у мембранному елементі. У цій ситуації робочий тиск повинен перевищувати осмотичний тиск, який йому протидіє, інакше проникнення води крізь мембрану відбуватися не буде. При цьому величина осмотичного тиску прямо пропорційна вмісту розчинених солей у воді: збільшення концентрації на кожні 1000 мг/дм3 дає зростання осмотичного тиску на (0,6 ? 0,8) бар.

Зміна тиску впливає на селективність мембранного розділення. При збільшенні тиску потік води через мембрану зростає, а проходження домішок практично не змінюється. Крім того, під дією тиску полімерна мембрана дещо ущільнюється і стає менш проникною для домішок. Тому в області малого тиску селективність лінійно зростає разом із підвищенням тиску. Проте, при подальшому збільшенні тиску зростання сповільнюється та при певному значенні селективність досягає максимуму, значення якого залежить від типу мембрани та природи домішок, які видаляються. В області малих концентрацій селективність від концентрації домішок не залежить.

Відношення об'єму отриманого фільтрата до об'єму води на вході, виражене у відсотках, називають конверсією:

(3.4)

де Vф - об'єм одержаного фільтрата, V0 - об'єм води на вході до мембранного модуля.

Оскільки певна частина води витрачається на промивання мембрани, конверсія завжди менша за 100%, вона знаходиться в межах 40-80%. Конверсію можна регулювати, змінюючи параметри проведення процесу фільтрації. Висока конверсія означає скидання менших об'ємів води у дренаж та, відповідно, більший вихід кінцевого продукту - очищеної води. У деяких випадках така економія є дуже важливою, і для її досягнення слід докласти спеціальних зусиль. Але, слід пам'ятати, що, збільшуючи конверсію та, відповідно, зменшуючи долю концентрату, можна спричинити швидке забруднення мембрани і різке падіння продуктивності. Величина конверсії повинна регулюватися залежно від складу вихідної води, у тому числі від якості її попереднього очищення, а також від необхідної якості фільтрату.

За способом створення рушійної сили процесу - трансмембранного тиску - ультрафільтрацію можна поділити на напірну та вакуумну. У випадку напірної ультрафільтрації різниця тисків, необхідна для забезпечення процесу фільтрування води крізь мембрану, створюється за рахунок тиску води, яка подається на мембрану. При вакуумній ультрафільтрації різниця тисків забезпечується створенням розрідження на виході мембранного елемента, який є зануреним у воді [5].

Тупикова фільтрація є характерною саме для мікрофільтрації та ультрафільтрації та майже не застосовується при нанофільтрації та зворотному осмосі. Подібна організація процесу передбачає періодичне очищення фільтрувальної перетинки від забруднень, наприклад, зворотними промивками пермеатом, на що може витрачатися до 15 % очищеної води.

При тангенціальній фільтрації забруднення постійно змиваються з поверхні мембрани тангенційно направленим потоком води, на що може витрачатися до 80 % пермеату. Процес тангенціальної фільтрації більш характерний для нанофільтрації та зворотного осмосу і майже не використовується в мікрофільтрації та ультрафільтрації через складнощі конструктивної організації процесу [5].

Технологія обробки води за допомогою ультрафільтраційних мембран полягає у тупиковій фільтрації води крізь мембрану без скидання концентрату. Такий режим роботи дозволяє зменшити витрати води для власних потреб станції очищення і знизити її загальне енергоспоживання. Процес фільтрації триває (20 ? 60) хв, після чого йде промивання мембрани в зворотному до фільтрування напрямку. Для цього частина очищеної води під тиском подається до фільтратного тракту протягом (20 ? 60) с. У процесі зворотного промивання вода видаляє з поверхні мембран накопичений шар забруднення [5].

Ефективність зворотного промивання залежить від його інтенсивності (при сталому тиску промивання можна оперувати величиною тривалості зворотного промивання ?) та інтервалу між промиваннями (тривалості фільтроциклу t) : чим менше t, тим ефективнішим буде відмивання мембрани від забруднень, але й тим більшою буде витрата води на промивання. Одним з способів інтенсифікування зворотних промивок є додаткова аерація, що проводиться безпосередньо перед зворотною промивкою водо-повітряною сумішшю.

У процесі тривалої роботи продуктивність мембранних апаратів поступово зменшується, адже на поверхні мембрани та на стінках пор мембран сорбуються різноманітні речовини і відкладаються частинки забруднень, які збільшують загальний гідравлічний опір мембранних апаратів. Для відновлення початкової продуктивності кілька разів на рік проводиться хімічне промивання мембранних апаратів спеціальними кислотними та лужними реагентами для видалення накопичених забруднень.

Варто звернути увагу на те, що застосування ультрафільтрації для очищення води може замінити не один лише процес фільтрування, а цілий ряд процесів: коагуляцію, флотацію та первинне знезараження. Або ж процес коагуляції може бути доповнений процесом ультрафільтрації для видалення утворених при коагуляції пластівців [5].

Таким чином, стають очевидними економічні та якісні переваги ультрафільтраційних мембран порівняно із інщими технологіями фільтрування води, які застосовуються у сучасних схемах водопідготовки[3]:

- ефективне відфільтровування домішок при невеликих значеннях робочого тиску (2 ? 3) атм;

- зниження собівартості очищеної води;

- зменшення зайнятої площі під обладнання;

- зменшення кількості використовуваних реагентів;

- зниження витрат води для потреб очищення;

- зменшення енерговитрат;

- простіша автоматизація;

- повне видалення завислих речовин;

- ефективна дезінфекція (видалення 99,99% бактерій і вірусів);

- освітлення води (зниження показників каламутності та колірності води);

- високий ступінь очищення води від заліза і марганцю;

- ефективне видалення колоїдного кремнію та органічних речовин;

- ультратонке очищення води (затримування частинок розміром від 0,01 мікрон);

- збереження сольового складу природної води;

- зниження капітальних витрат на будівництво споруди для розміщення нового обладнання.

В той же час ультрафільтрація має декілька недоліків порівняно із іншими методами фільтрування. Так, до обмежень ультрафільтрації можна віднести вузький технологічний діапазон - необхідність точного підтримування умов проведення процесу; порівняно невисоку межу концентрування, яка для гідрофільних речовин звичайно не перевищує 20-35%, а для гідрофобних - (50?60)%; невеликий (1?7 роки) термін служби мембран внаслідок осадоутворення в порах і на їх поверхні, що призводить до забруднення, отруєння і порушення структури мембран або погіршення їх механічних властивостей [6]. Відсутність можливості селективно видаляти ті, чи інші домішки, що власне є недоліком усіх баромембранних процесів.



3.2 Теоретичні основи методу коагуляції

Дисперсні системи поділяються на ліофільні та ліофобні. Відмінність у характері прояву сил міжмолекулярної взаємодії на межі поділу фаз дисперсної системи зумовлює різний механізм стабілізації та коагуляції ліофобних та ліофільних колоїдів. Ліофільні системи характеризуються сильною міжмолекулярною взаємодією часточок дисперсної фази з дисперсійним середовищем (водою), довільним диспергуванням і термодинамічною стійкістю системи. До ліофільних систем належать глини, мила, агрегати високомолекулярних сполук тощо, які утворюють у водному середовищі необмежено стійкі дисперсійні системи. Ліофобні системи характеризуються значною енергією зв'язку всередині дисперсної фази, яка значно перевищує енергію її взаємодії із середовищем. У цьому разі диспергування відбувається під дією зовнішніх сил - механічних і хімічних. Серед ліофобних колоїдів розрізняють седиментаційну та агрегативну стійкість. Седиментаційною називають стійкість дисперсії щодо сили гравітації. Розділення фаз у цьому разі відбувається як осадженням часточок під дією сил гравітації, так і втратою агрегативної стійкості в результаті об'єднання часточок при добавленні електролітів та флокулянтів.

Отже, під агрегативною стійкістю розуміють здатність часточок протистояти злипанню. Тонкодисперсні колоїдні розчини (золі, мікроемульсії) відрізняються від грубодисперсних суспензій (зависей) високою агрегативною стійкістю.

Між колоїдними часточками діють сили притягання і відштовхування. Стійкість дисперсної системи залежить від хімічної природи поверхні часточок і визначається балансом сил притягання і відштовхування. Між часточками переважно діють сили притягання - сили Ван дер Ваальса, електростатичні сили відштовхування (в деяких випадках вони можуть зумовити притягання), структурні сили відштовхування, спричинені взаємодією абсорбованих макромолекул. Молекулярні та електростатичні сили є універсальними , дія яких спостерігається завжди, навіть у разі переважання інших сил. Сили відштовхування адсорбованих молекул і структурні більш специфічні. Вони діють лише поблизу ліофільних або ліофілізованих (наприклад, за рахунок адсорбції поверхнево-активних речовин) поверхонь, перші - за наявності достатньо довгих адсорбційних шарів високомолекулярних сполук [7].

Електростатичні сили відштовхування. У дисперсній системі на межі поділу фаз виникає подвійний електричний шар (ПЕШ). У разі зближення колоїдних часток та внаслідок взаємодії ПЕШ виникають електростатичні сили відштовхування. Величина цих сил залежить від параметрів шару: розподілу зарядів і потенціалів та їх змін у разі добавляння електролітів, ПАР та полімерів.

Густина поверхневого заряду, що дорівнює числу елементарних зарядів на одиниці поверхні, визначають за формулою:

(3.5)

де - кількість йонів, адсорбованих на 1 см2 поверхні (різницю між можна визначити за даними потенціометричного титрування).

Шари локалізованих на поверхні йонів, що створюють заряд, формують внутрішню обкладинку ПЕШ. Ці йони компенсуються такою самою кількістю протилежно заряджених йонів, які становлять зовнішню обкладинку цього шару. Відповідно до загальноприйнятої моделі Гуї-Штерна зовнішню обкладинку ПЕШ умовно поділяють на дві зони: щільну частину з моношару протийонів, що прилягає безпосередню до поверхні, і дифузну частину, в якій розподіл йонів зумовлюється конкуренцією між електричним полем сусідньої фази, яке притягує протилежно заряджені та відштовхує однойменно заряджені йони, і тепловим рухом, який прагне рівномірно розподілити йони в просторі. У дифузній частині протийони утримуються біля поверхні електростатичними силами, а в повній (штернівський) - до них долучається специфічні адсорбційні сили. Отже, заряд поверхні компенсується сумою зарядів, локалізованих у щільній () та дифузній () частинах ПЕШ:

. (3.6)

Для опису структури ПЕШ потрібно знати три параметри: потенціал поверхні ?0, потенціал шару Штерна ?1 та електрокінетичний потенціал ?.

Сьогодні для характеристики ПЕЩ в основному використовують здебільшого ? - потенціал, за величиною якого оцінюють стійкість дисперсної системи.

Структура ПЕШ змінюється при добавлянні до дисперсних систем електролітів або ПАР. Із підвищенням концентрації електроліту, що не містить потенціал визначальних йонів, відбувається зменшення товщини ПЕШ. Це стискання супроводжується зниженням ?1 та ? потенціалів за незмінного поверхневого потенціалу.

Тонкодисперсні протийони феруму чи алюмінію або складні органічні йони (ПАР) внаслідок сил Ван дер Ваальса можуть адсорбуватися над еквівалентно, накопичуючись у штернівському шарі. В результаті цього може змінюватись не лише величина, а й знак електрокінетичного-потенціалу. Залежність електро-кінетичного потенціалу від концентрації проходить через ізо-електричну точку, коли система стає нестабільною, та втрачає агрегативну стійкість.

Баланс опозиційних сил

За теорією ДЛФО поведінка часток в воді описується як баланс між двома опозиційними силами - електростатичного відштовхування та Ван дер Ваальсовими силами притягання, саме ця теорія пояснює чому деякі частинки алгомеруються та осідають, а інші ні.

Сили відштовхування

Електростатичне відштовхування стає значним, коли дві частинки наближаються одна до одної і їх ПЕШ починають перекриватися. Енергія відштовхування - це енергія, яка потрібна на подолання сил відштовхування, щоб змусити агломерацію часток. Рівень енергії необхідний на подолання сил відштовхування зростає в міру зменшення відстані між частками. Крива електростатичного відштовхування використовується для визначення енергії, яка необхідна на подолання сил відштовхування в мірі зближення частинок.

Сили притягання

Ван дер Ваальсові сили притягання між двома частинками в основному це результат сил між індивідуальними молекулами кожної частинки. Ефект є адитивним, це значить, що одна молекула першої частинки притягаються до кожної молекули другої частинки. Це повторюється для кожної молекули першої частинки і в загальному - це сума всіх сил притягання між молекулами.



4. Опис технологічної схеми

Вода з річки Дніпро поступає у теплообмінник 1, де підігрівається до 40С (±1), далі за допомогою насосів сирої води або насосів водоструминних ежекторів надходить в освітлювач 2. В освітлювач подається підігріта до 40С вихідна вода, яка пройшла повітровідділювач. Дозуючі розчини реагентів окремо вводяться в нижню частину освітлювача - камеру змішування за допомогою тангенціально розташованих сопел, а саме: коагулянт FeSO4 (з мішалки коагулянту 5) та вапняне молоко Са(ОН)2 (з мішалки Са(ОН)2 6). Обертальний рух води сповільнюється за допомогою перфорованих вертикальних перегородок, а вирівнювання швидкості підйому води здійснюється горизонтальними решітками. Тверда фаза, що виділяється, підтримується водою у зваженому стані, причому максимальний рівень осаду підтримується на 1,5 м нижче верхнього збірного пристрою, у результаті чого утворюється захисний шар освітленої води. Основна частина води, піднімаючись, проходить шар зваженої фази і захисну зону, звільняючись при цьому від суспензії, збирається в кільцевому жолобі і виводиться з освітлювача. Менша частина води (10 - 15%) з верхньої частини зваженого шару разом із твердою фазою надходить через шламоприймальні вікна в шламоущільнювач, у якому через відсутність висхідного руху шлам відстоюється, частково зневоднюється і видаляється по лінії постійної чи періодичної продувки. Звільнена від осаду вода відводиться від шламоущільнювача і подається по трубопроводу в збірний жолоб освітлювача. Для видалення піску, що накопичується, і інших грубодисперсних домішок у нижній частині освітлювача роблять періодичну продувку.

Коагулянт подається на спеціально захищену від корозії механічну мішалку 5 разом з водою для змішування до концентрованого розчину. Після змішування через тканинних фільтр подається до освітлювача за допомогою насоса-дозатора.

Після попереднього гасіння вапна та очищення його від нерозчинених домішок вапняне молоко разом з водою подається на механічну мішалку 6 для отримання потрібної концентрації. Далі насосами-дозаторами поступово перекачується до освітлювача 2.

Після освітлювача вода збирається в баку вапнованої води 3, звідки насосом подається на ряд ультрафільтраційних мембран 4, що забезпечує тонку фільтрацію води до 0,01 мкм, що дозволяє очистити воду від залишкових зважених частинок, високомолекулярних органічних речовин, мікроорганізмів. Після ультрафільтраційних мембран, вода надходить у баки для пермеату, звідси деяку частину пермеату подають на зворотну промивку мембран, та в баки для змішування з коагулянтом та вапном.

Проектом передбачається 4 модуля ультрафільтрації з номінальною продуктивністю 125 м3/год кожен, що складаються з 11 ультрафільтраційних елементів Dow Ultrafiltration SFP2860 компанії Dow Chemical, США.

Ультрафільтраційні модулі вимагають короткочасної періодичної промивки очищеною водою, для чого передбачена установка накопичувальної ємності УФ пермеата об'ємом 200 м3 поз.8. Перемикання режимів роботи установки проводиться автоматично за заданою програмою. Крім того, для хімічної промивки та хімічної регенерації модулів в складі установки є спеціальне устаткування для приготування реагентів 11.

Після зворотної промивки мембран воду пускаємо в цикл перед освітлювачем.



5. Розрахунок і вибір основного технологічного обладнання

5.1 Основне обладнання

Для розрахунку установки ультрафільтрації необхідно обрати мембранний елемент, який характеризується певними робочими параметрами.

Мембранні елементи DOW SFP-2860, що застосовуються в даній технології, відрізняються високою питомою продуктивністю - для дніпровської води вона становить (60?70) дм3/ (м2 · год). Мембранні елементи фірми Dow Сhemiсal виготовлені з гідрофілізованого полівініліденфториду (ГПВДФ) і мають високу міцність і хімічну стійкість. Також даним мембранам властива гідрофільність, яка досягається в результаті фірмової технології, поліпшує їх опір до органічних забруднень. Розмір пор даних ультрафільтраційних мембран 0,03 мкм.

Кожен мембранний елемент являє собою корпус з розташованими всередині пучками полімерних трубчастих мембран діаметром (0,7?2,0) мм, поверхня фільтрації 1-го елемента - 102,5 м2, напрямок фільтрації - ззовні всередину. Елементи DOW SFP-2860 характеризується високою щільністю "упаковки" мембран, високими питомими потоками і гідродинамікою всередині волокон, що виражається в меншій схильності до засмічення внутрішніх напірних каналів мембран. Система INTEGRAPAС передбачає можливість безпосереднього з'єднання елементів між собою.

У 2009-2012 роках ТОВ "НВО "ЕКОСОФТ" на підприємствах Киівенерго ТЕЦ-5 та ТЕЦ-6 проведені пілотні випробовування ультрафільтраційних мембран DOW, що підтвердили їх високу ефективність та відмінні експлуатаційні властивості.

Забезпечення середньодобової продуктивності по очищеній воді становить 500 м3/год, необхідно знайти кількість обраних мембранних елементів за формулою 5.1.

, (5.1)

де n - кількість мембранних елементів, Qc - продуктивність модулю, м3/год, S - площа 1-го мембранного елементу, м2, q - питома продуктивність елементу, дм3/ (м2 · год).

Беремо три мембрани, як запасні, отже загальна кількість мембранних елементів 44.

Для видалення забруднень з поверхні мембран необхідно розрахувати витрати води на зворотну промивку за формулою 5.2.

=, (5.2)

де Qп - витрати води на зворотну промивку, м3, qп - питома витрата води на промивку для 1 елементу, дм3/ (м2 · год), tп - тривалість однієї промивки, с.

Кількість зворотних промивок, яка приходиться на отримання 1000 м3 УФ пермеату становить:

=, (5.3)

де t - частота зворотних промивок [9].

При роботі УФ модулю на поверхні мембран накопичуються частинки розміром більше 0,03 мкм. Для збільшення ефективності їх відмивки з поверхні мембран при зворотній промивці в воду дозуються окисники. В даній технології використовується гіпохлорит натрію. Кількість 100 % гіпохлориту, що витрачається на одну зворотну промивку становить :



=, (5.4)

де m100%NaOCl - маса 100%-го гіпохлориту, що витрачається на 1 промивку, г, С100%NaOCl - доза 100%-го гіпохлориту, мг/дм3.

У перерахунку на товарну форму - 15% гіпохлориту, маса товарного NaOCl, що витрачається на 1 промивку становитиме:

, (5.5)

де m15%NaOCl - маса 15%-го гіпохлориту, г.

При зворотних промивках не відмиваються абсолютно всі частинки, що забили пори мембрани або відклалися на поверхні, тому необхідно періодично проводити СЕВ та СІР промивки. СЕВ промивка складається з тих же стадій, що й зворотна, але з додаванням більшої кількості реагентів. СІР промивка - хімічна реагентна очищення мембран. Проводиться приблизно раз на рік. Витрата води для приготування миючого розчину становить :

=, (5.6)

де VCIP - об'єм води,необхідний на приготування миючого розчину м3.

На отримання 1000 м3 необхідно провести СІР промивок :

=, (5.7)

де tp - години роботи модуля за добу, год/добу, fCIP - кількість діб між СІР промивками, діб.

Розрахуємо витрати реагентів, необхідних для приготування миючого розчину.

Гіпохлорит натрію у товарній формі (15%) :

=, (5.8)

де mNaOCl - маса товарного гіпохлориту, необхідна для приготування миючого розчину, г, СNaOCl - доза гіпохлориту для СІР, г/дм3.

HCl у товарній формі (35%):

=, (5.9)

де mHCl - маса товарної HCl, необхідна для приготування миючого розчину, г, СNaOCl - доза HCl для СІР, г/дм3.

NaOH у товарній формі (100%):

=, (5.10)

де mNaOH - маса товарного NaOH, необхідна для приготування миючого розчину, г, СNaOH - доза NaOH для СІР, г/дм3.

Кількість очищеної води, яка використовується на промивки в рік:

= (5.11)

5,74 8640 + 6 28 = 49761,6 м3/рік.

Для оцінки роботи модулю використовують поняття проникності мембран Р - відношення питомої витрати фільтрату до перепаду тиску на мембрані.

=, (5.12)

де Р - проникність мембрани, дм3/(м?/год/MПa), ТМР - падіння тиску на мембрані, МПа.

Так як проникність залежить від температури, необхідно скорегувати значення проникності для робочої температури води, що становить 35 °С.

, (5.13)

де Р35 - проникність мембрани при робочій температурі, Тк - температурний коефіцієнт [8].

Гідравлічний ККД процесу ультрафільтрації визначається як відношення потоку фільтрату до сумарного потоку вихідної води, що подається на установку. Чим частіше для установки проводиться процедура зворотного промивання, тим нижчий гідравлічний ККД установки.

=. (5.14)

Отже ККД ультрафільтраційної установки має високе значення, що свідчить про доцільність її використання в якості попереднього очищення.

Установка ультрафільтрації складається з одного блоку ЕКОСОФТ МУ-170 виробництва ООО "НПО "ЕКОСОФТ" (Україна). Кожен блок складається з чотирьох незалежно працюючих ультрафільтраційних модулів, що керуються одним програмованим логічним контроллером. Кожен блок ЕКОСОФТ УФ-170 складається з:

– чотирьох рам з встановленими на них елементами DOW SFP-2680 INTEGRAPAС (по 11 шт. на кожній рамі);

– рами з трубною обв'язкою, запірною та регулюючою арматурою, приладами КВПіА та шафою управління, поєднаною із силовою шафою.

Ультрафільтраційні блоки оздоблено всіма необхідними приладами контролю, що забезпечують постійний моніторинг параметрів роботи модулів. Перемикання режимів роботи модуля здійснюється:

– автоматично від автоматичної системи управління;

– в ручному режимі з клавіатури місцевого контролера.

Кожен ультрафільтраційний блок підключається до таких колекторів:

– колектору подачі фільтрованої води;

– колектору відведення УФ-пермеата;

– колектору подачі зворотної промивки;

– колектору подачі стислого повітря;

– колектору подачі розчинів СIP-промивки;

– колектору відведення розчинів СIP-промивки;

В комплект постачання кожного блоку входить щит управління модулями з програмованим логічним контролером, що підключається до автоматичної системи управління установкою

5.2 Допоміжне обладнання

Дозувальна станція гіпохлориту

Станція дозування гіпохлоріту виробництва ООО "НПО "ЕКОСОФТ" (Україна) складається з:

витратної ємності 2000 дм3 з пристроєм для уловлювання випаровувань реагенту;

двох насосів-дозаторів продуктивністю 60 дм3/год;

двох насосів-дозаторів продуктивністю 1000 дм3/год;

бочкового насосу продуктивністю 5000 дм3/год;

запірної арматури, трубної обв'язки, приладів КВПіА та шафи управління, поєднаною із силовою шафою.

Усе обладнання змонтовано на рамі.

Станцію оздоблено всіма необхідними приладами контролю, що забезпечують постійний моніторинг роботи дозаторів та рівня робочого розчину у витратній ємності.

Щит управління станції підключається до автоматичної системи управління установкою.

Електрична потужність станції - 1 кВт.

Габаритні розміри станції - 1500х2500х1800мм.

Вага станції в робочому стані - 3000 кг.

Дозувальна станція соляної кислоти

Станція дозування соляної кислоти виробництва ООО "НПО "ЕКОСОФТ" (Україна) складається з:

витратної ємності 1000 л з пристроєм для уловлювання випаровувань реагенту;

двох насосів-дозаторів продуктивністю 1000 дм3/год;

бочкового насосу продуктивністю 5000 дм3/год;

запірної арматури, трубної обв'язки, приладів КВПіА та шафи управління, поєднаною із силовою шафою.

Усе обладнання змонтовано на рамі.

Станцію оздоблено всіма необхідними приладами контролю, що забезпечують постійний моніторинг роботи дозаторів та рівня робочого розчину у витратній ємності.

Щит управління станції підключається до автоматичної системи управління установкою.

Електрична потужність станції - 1 кВт.

Габаритні розміри станції - 1500х2500х1800 мм.

Вага станції в робочому стані - 1300 кг.

Дозувальна станція гідроксиду натрію

Станція дозування каустіку виробництва ООО "НПО "ЕКОСОФТ" складається з:

витратної ємності 1000 дм3 з пристроєм для уловлювання випаровувань реагенту;

двох насосів-дозаторів продуктивністю 500 л/год;

запірної арматури, трубної обв'язки, приладів КВПіА та шафи управління, поєднаною із силовою шафою.

Усе обладнання змонтовано на рамі.

Станцію оздоблено всіма необхідними приладами контролю, що забезпечують постійний моніторинг роботи дозаторів та рівня робочого розчину у витратній ємності.

Щит управління станції підключається до автоматичної системи управління установкою.

Електрична потужність станції - 0,5 кВт.

Габаритні розміри станції - 1500х2500х1800мм.

Вага станції в робочому стані - 1500 кг.

5.3 Установка СІР-промивки мембран

Установка СІР-промивки мембран виробництва ООО "НПО "ЕКОСОФТ" (Україна) складається з:

ємності 3 м3 з пристроєм для уловлювання випаровувань реагенту;

насосу продуктивністю 60 м3/год;

картриджного фільтру продуктивністю 60 м3/год;

електронагрівача потужністю 18,5 кВт;

запірної арматури, трубної обв'язки, приладів КВПіА та шафи управління, поєднаною із силовою шафою.

Усе обладнання змонтовано на рамі.

Установку оздоблено всіма необхідними приладами контролю.

Управління установкою здійснюється по місцю.

Електрична потужність установки - 25 кВт.

Габаритні розміри установки - 2000х4500х2000мм.

Вага установки в робочому стані - 4000 кг.

Ємність УФ-пермеату

Ємність ультрафільтраційного пермеату виробництва фірми AСIO (Україна).

Матеріал - поліпропилен.

Робочий тиск - під наливом.

Місткість - 200 м3.

Габаритні розміри - O 6 630, Н 6 000 мм.

Вага в робочому стані - 23000 кг.



6. Автоматичне регулювання та контроль виробництва

Обмежені можливості людського організму (стомлюваність, недостатня швидкість реакції на зміну навколишнього середовища й на величину кількості одночасно інформації, що надходить, суб'єктивність в оцінці ситуації і т. ін.) є перешкодою для подальшої інтенсифікації виробництва. Наступає новий етап машинного виробництва, коли людина звільняється від особистої участі у виробництві, а функції керування технологічними й виробничими процесами передаються автоматичним пристроям. Автоматизація призводить до поліпшення головних показників ефективності виробництва: збільшення кількості, поліпшення якості й зниження собівартості продукції, що виробляється. Впровадження автоматичних пристроїв забезпечує високу якість продукції, скорочення браків та відходів, зменшення витрат сировини й енергії, зменшення чисельності основних робітників, зниження капітальних витрат на будівництво будівель, продовження міжремонтних термінів експлуатації устаткування.

Впровадження спеціальних автоматичних пристроїв сприяє безаварійній роботі устаткування, виключає випадки травматизму, попереджає забруднення атмосферного повітря промисловими викидами .

У хімічній промисловості питанням автоматизації приділяється особлива увага. Це пояснюється складністю та великою швидкістю протікання технологічних процесів, високою чутливістю їх до порушення режиму, швидкістю умов роботи, вибухонебезпечністю та пожежонебезпекою речовин, що переробляють і т. ін.



6.1 Аналіз технологічного процесу як об'єкта автоматизації та обґрунтування задач автоматизації

На підставі аналізу технологічного процесу постають такі задачі автоматизації:

- контроль температури вихідної води;

- контроль витрати вихідної води;

- контроль та регулювання рівня води в освітлювачі;

- контроль рН вапнованої води;

- контроль та регулювання перепаду тиску на ультрафільтраційних мембранах;

- контроль рівня очищеної води у баках.

6.2 Опис розробленої схеми автоматизації процесу

Для нормальної роботи усього технологічного устаткування, мінімізації можливих людських помилок, контролю, реєстрації та регулювання технологічних параметрів розроблено схему автоматизації.

Для контролю температури в трубопроводі 1а розроблено контур 1. Він складається з термоперетворювача опору (поз. 1-1), та вторинного показувального та реєструвального приладу (поз. 1-2) .

Для контролю витрати вихідної води застосовано контур 2. Він складається з камерної діафрагми (поз. 2-1), вимірювального тензо- перетворювача (поз. 2-2), показувального та реєструвального приладу

(поз. 2-3), нормувального перетворювача (поз. 2-4), та виконавчого електричного механізму (поз. 2-5).

Контур 3 застосовують для контролю рівня води в освітлювачі, що складється з первинного вимірювального перетворювача акустичного рівнеміра (поз. 4-1), проміжного перетворювача акустичного рівнеміра (поз. 4-2), вторинного показувального пристрою з вбудованим пристроєм сигналізації (поз. 4-3), мікропроцесорного регулятора (поз. 4-4) та виконавчого електричного механізму (поз. 4-5).

Для контролю рН в трубопроводі 1а розроблено контур 4. Він складається з чутливого елемента рН-метра (поз. 5-1), перетворювача високоомного (поз. 5-2), показувального приладу (поз. 5-3).

Контур 5 застосовують для контролю, регулювання перепаду тиску на ультрафільтраційних мембранах, що складається з мікропроцесорного тензодатчика різниці тисків (поз. 6-1), вторинного показувального та реєструвального приладу (поз. 6-2), мікропроцесорного регулятора (поз. 6-3), електропневматичного перетворювача (поз. 6-4) та пневма- тичного виконавчого механізму (поз. 6-5, 6-6, 6-7).

Контур 6, 7 та 8 застосовують для контролю та сигналізації рівня у баках очищеної води, що складається з первинного вимірювального пе-ретвоювача акустичного рівнеміра (поз. 8-1, 9-1, 10-1), проміжного перетворювача акустичного рівнеміра (поз. 8-2, 9-2, 10-2), вторинного показувального пристрою з вбудованим пристроєм сигналізації (поз. 8-3, 9-3, 10-3).

Висновки

У цьому розділі пояснювальної записки на підставі аналізу технологічної схеми, норм технологічного режиму та апаратурного оформлення технологічного процесу визначено необхідний рівень автоматизації виробництва, а також розроблена спрямована на його забезпечення схема автоматизації.



7. Техніко-економічні розрахунки відділення попереднього очищення води

На сьогоднішній час є досить актуальним питання очищення води чи то для господарських потреб, чи з точки зору екології. Завданням даного дипломного проекту є реконструкція відділення попереднього очищення води для ТЕЦ.

Теплові електростанції не тільки виробляють електроенергію, але і є джерелом теплової енергії в централізованих системах теплопостачання у вигляді пари та гарячої води, у тому числі і для забезпечення гарячого водопостачання та отеплення жилих будівель та промислових об'єктів.

З промислової точки зору, теплова електростанція являється домінуючим електрогенеруючим підприємством у вітчизняній та закордонній енергетиці. На долю теплових електростанцій відходить біля 70% електрогенеруючих встановлених потужностей в Україні, а з урахуванням атомних електростанцій встановлена потужність становить приблизно 90%. Але велика частина сучасних електростанцій у даний час потребує модернізації технології.