УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ОЗОНОМ И СПОСОБЫ ЕГО ДОЗИРОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
INSTALLATION FOR PROCESSING WATER WITH OZONE AND METHODS OF ITS DOSING (VERSIONS)

1. Краткое описание чертежей схем, графиков
Способы дозирования озона и установка поясняются следующими чертежами, схемами, графиками:
2
На фигуре 1 представлен график зависимости степени поглощения озона водой от удельного расхода озоно-воздушной смеси (ОВС) через 1 см рабочей площади пористых пластин диспергаторов двух типов: штатный ПА-2.1 с пластинами из пористого титана и опытный из пористого стекла (фильтры Шотта). Испытания проведены в модернизированном контактном резервуаре (КР) Восточной станции водоподготовки г. Москвы с улучшенной схемой течения воды в КР.
2
На фигуре 2 представлен график зависимости степени поглощения озона водой от удельного расхода ОВС через 1 см рабочей площади пористых пластин штатных диспергаторов ПА-2.1 в штатном КР.
На фигуре 3 показана экспериментальная зависимость размера диспергируемых пузырьков воздуха от перепада давления на отверстиях диспергаторов при разных нормированных диаметрах отверстий 70, 80 и 100 мкм.
На фигуре 4 представлена расчетно-экспериментальная зависимость степени поглощения озона водой от размера пузырьков ОВС при разной глубине погружения пластин диспергаторов в воду КР: 4,5; 5,0; 5,5 м.
На фигуре 5 показана экспериментальная зависимость удельного расхода ОВС от перепада давления через единичное отверстие перфорированной пластины диспергаторов 2-х типов: диспергатор с тонкой пластиной из титана с отверстиями диаметром 70 мкм и диспергатор AFD-270 с упругой пластиной с щелевыми отверстиями (прорезями).
2
На фигуре 6 представлена экспериментальная зависимость удельного расхода ОВС через 1 см площади пористой пластины диспергаторов двух типов: штатный диспергатор ПА-2.1 с пластиной из пористого титана, опытный диспергатор с фильтрами Шотта.
На фигуре 7 показана зависимость отношения фактических энергозатрат на производство 1 кг озона к минимальному значению от отношения фактической концентрации озона в ОВС к оптимальной величине, соответствующей минимуму энергозатрат на производство 1 кг озона. Зависимость получена по результатам экспериментального определения энергозатрат на опытной установке производительностью 25 кг озона в час.
3
3
На фигуре 8 представлен график 4-ступенчатой зависимости расхода ОВС от дозы озона, соответствующей закону арифметической прогрессии для установки с расходом обрабатываемой воды 10200 м/ч и диапазоном дозы озона от 1,25 до 4,27 г/м.
3
3
На фигуре 9 представлен график 3-ступенчатой зависимости расхода ОВС от дозы озона, соответствующей закону арифметической прогрессии для установки с расходом обрабатываемой воды 13333 м/ч и диапазоном дозы озона от 1,0 до 3,4 г/м.
3
3
3
На фигуре 10 представлен график 6-ти ступенчатой зависимости расхода ОВС от дозы озона, соответствующей закону арифметической прогрессии для установки с расходом обрабатываемой воды 10700 м/ч и диапазоном дозы озона от 1,0 до 6,0 г/м с тремя автономными линиями диспергаторов в каждом КР. На графике надписями со стрелками показаны три разные части полного диапазона дозы, на которых величина дозы обеспечивается произведением выбранной концентрации озона в ОВС и расхода ОВС на данной ступени: рабочий диапазон, зона совмещения с диапазоном, соответствующим низкой ступени расхода ОВС, и резервный диапазон, минимальная доза на котором соответствует минимально допустимой концентрации озона в ОВС, равной 10 г/нм.
3
3
На фигуре 11 показана циклограмма изменения суммарного расхода ОВС, расхода по линиям диспергаторов, концентрации озона в ОВС и дозы озона в воде по времени для установки с тремя автономными линиями диспергаторов, подключаемых последовательно, с расходом обрабатываемой воды 10700 м/ч и диапазоном дозы озона от 1,0 до 6,0 г/м.
На фигуре 12 представлена пневмогидравлическая схема установки с несколькими компрессорами одинаковой постоянной производительности в системе подготовки воздуха. Цифрами на схеме обозначены:
1 - система подготовки воздуха, которая включает компрессоры 7, устройство перепуска воздуха с выхода на вход - 15; блок осушителей воздуха - 8, трубопровод подачи воздуха в генератор озона с запорными элементами - 84, измерители давления 10, 17 и расхода воздуха 11.
2 - генератор озона, который включает: модуль генератора озона 16 с системой охлаждения, источники электропитания 17, измерители концентрации озона в ОВС 18.
3 - магистраль подачи ОВС, которая включает: трубопровод 19, измеритель давления 21, запорный элемент 20, автоматическое дросселирующее устройство 22.
4 - контактный резервуар, который включает: реакционную емкость 23, трубопроводы подачи необработанной воды 24, трубопроводы слива обработанной воды 25, диспергаторы ОВС, которые объединены питающими трубопроводами 26, 27, 28 в три отдельные линии, сообщенные с распределительным коллектором 29 через входные автоматически управляемые дроссели 30, 31, 32. Коллектор снабжен измерителем давления 34 и концентрации 35. Отводной трубопровод, сообщающий коллектор с магистралью ОВС, снабжен запорным элементом 36 и фильтром 80 и измерителем расхода 33. КР снабжен датчиком предельной концентрации озона 55 и датчиком остаточной концентрации озона в газовой подушке при штатной работе 56.
5 - система отведения отработанной ОВС и деструкции остаточного озона содержит: трубопровод отведения 57 с запорным элементом 60, вытяжной вентилятор 65, деструктор остаточного озона 64, измеритель давления разрежения 61 в газовой подушке, датчик предельно допустимой концентрации озона 66 выброса ОВС в атмосферу, автоматически регулируемый дроссель 62, дренажный патрубок 58 с дополнительным мини-деструктором остаточного озона 59.
6 - система продувки включает: магистральный воздухопровод 12, компрессор низкого давления 81, редуктор 82, охладитель 83, автоматически регулируемый дроссель 14, фильтр 79, измеритель расхода 45, отсечной клапан 51. Система продувки дополнительно включает распределительный коллектор 44, измеритель давления 46, отсечные клапаны 48, 49, 50, выходы которых сообщены с выходами дросселей 30, 31, 32 и линиями диспергаторов 26, 27, 28, а также трубопроводами 41, 42, 43 с полостями измерителей перепада давления на диспергаторах 37, 38, 39, другие измерительные полости которых сообщены трубопроводом 40 с водным массивом КР на уровне диспергаторов.
На фигуре 13 представлена пневмогидравлическая схема установки с одним регулируемым компрессором в составе системы подготовки воздуха и с отбором воздуха продувки от воздухосборника этой системы. Состав остальных систем 2, 3, 4, 5 аналогичен установке, представленной на фигуре 12.
1 - система продувки воздуха включает: компрессор высокого давления 7, охладитель 8, воздухосборник 76, редуктор 77, трубопровод подачи воздуха в генератор озона 9 с запорным элементом 84, измеритель давления 10 и расхода воздуха 11.
6 - система продувки отличается от представленной на фигуре 12 трубопроводом подачи воздуха 12, который сообщен с воздухосборником 76 и снабжен измерителем давления воздуха 78 и редуктором 13.
На фигуре 14 изображена схема трубопроводов распределения ОВС между диспергаторами отдельной линии в единичном КР. Цифрами на схеме обозначены: 19 - отвод ОВС от магистрали, 31, 32 - регулируемые входные дроссели, 27, 28 - питающие трубопроводы, 91, 92 -вертикальные питающие трубопроводы, 85, 86 - продольные придонные распределительные трубопроводы, 87 - сливной трубопровод, 88 - поперечные трубопроводы, 89 - вертикальные патрубки, 90 - диспергаторы, 53 - сбросовый трубопровод гидрозатвора.
2. Обозначения, индексы, сокращения
3
G - расход воздуха, озоно-воздушной смеси, нормальные куб. метры в час (нм/ч)
Q - производительность генератора озона, кг/ч, (г/ч)
3
c - концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/нм
H2O
G - расход обрабатываемой воды, м /ч
3
β - доза озона, вводимого в воду, г/м
n - порядковый номер ступени расхода озоно-воздушной смеси
N - количество отверстий в диспергаторах
Δp - перепад давления озоно-воздушной смеси на отверстиях диспергаторов, кПа
max - максимальное значение величины
min - минимальное значение величины
opt - оптимальное значение величины
2
уд - удельное значение величины, отнесенное к 1 см площади поверхности или 1 отверстию
уст - установленное проектом значение величины
зад - заданное значение величины
тек - текущее в данный момент времени значение величины
лин - значение величины параметра, отнесенного к отдельной линии диспергаторов
отв - отверстие диспергатора
оп - опытное значение
КР - контактный резервуар
ОВС - озоно-воздушная смесь
ДСУ - диспетчерская система управления
ЛАСУ - локальная система управления
СПВ - система подготовки воздуха
ССО - система синтеза озона
СОД - система отведения ОВС и деструкции озона
СПД - система подачи и диспергирования ОВС
3. Область техники и аналоги заявленной установки
Изобретение относится к технике обработки воды озоном и может быть использовано, в частности, для обеззараживания питьевой воды в системе водоснабжения городов и населенных пунктов.
Известен аналог заявленной установки по своему назначению и совокупности сходных существенных конструктивных признаков.
Это устройство содержит: систему подготовки воздуха, соединенную с генератором озона, снабженным источником электропитания, реакционную емкость, снабженную системами подачи и слива обрабатываемой воды, а также диспергаторами озоно-воздушной смеси, размещенными у дна емкости и сообщенными между собой в единый блок, соединенный трубопроводом с генератором озона, при этом диспергаторы снабжены пористыми пластинами с размерами пор 10~150 мкм или пластинами с отверстиями в виде каналов в форме усеченного конуса, диаметр которых на входе и выходе озоно-воздушной смеси составляет соответственно 180-200 мкм и 100-150 мкм, систему обработки избыточного озона (Патент №2169122 C02F 1/78, опубл. 20.06.2001).
Недостатком известного устройства является наличие в его составе дополнительной системы снижения концентрации избыточного озона в объеме газовой подушки контактного резервуара, который остается в восходящем потоке пузырьков озоно-воздушной смеси из-за неполноты поглощения его водой.
Способ увеличения степени поглощения озона водой в известном устройстве состоит в том, что необработанную воду дополнительно распыляют в объеме озоно-воздушной подушки контактного резервуара, содержащей остаточный озон.
Дополнительное устройство содержит множество распыляющих форсунок, равномерно распределенных в объеме газовой подушки. Оно существенно усложняет конструкцию реакционной емкости и увеличивает стоимость его изготовления и эксплуатации.
Без дополнительного устройства степень поглощения озона в известной установке не превышает 85-90%.
Известна также установка для озонирования воды, содержащая генератор озоно-газовой смеси, контактный резервуар с системой подачи воды и системой слива потребителю, в придонной части которого установлены газо-диспергирующие элементы, соединенные трубопроводом с генератором озона. Газо-диспергирующие элементы, выполненные в виде пустотелых двухслойных панелей с равномерно перфорированным верхним слоем, состыкованных между собой без зазоров с образованием замкнутого пространства между нижним слоем панелей и днищем контактного резервуара. Для прохода воды в панелях предусмотрены гильзы. Газо-диспергирующие элементы снабжены узлами закрутки водного потока в виде центробежных форсунок, выходные сопла которых выполнены как круговые щели, которые размещены над поверхностью перфорированного слоя панелей и параллельны ему, а входные отверстия форсунок сообщены с пространством под панелями и системой подачи воды в контактный резервуар (Патент №2374184 C02F 1/00, опубл. 2007).
В установке используется способ увеличения степени поглощения озона водой за счет принудительного отрыва образующихся пузырьков озоно-газовой смеси тангенциально направленной струей воды и уменьшения их размеров по сравнению с естественными условиями их отрыва.
К недостаткам данной установки относится отсутствие в ней устройства для регулирования расхода воды через форсунки, которое необходимо для эффективного смыва пузырьков при различных расходах озоно-газовой смеси, обеспечивающих различные дозы озона в воде.
2
Другим недостатком данной установки является техническая сложность создания беззазорных стыков между поворотными пустотелыми панелями, устанавливаемыми на всей площади пола контактного резервуара, равной 70…100 м и последующей эксплуатации оборудования, в том числе проведение регламентных работ, включающих санобработку контактного резервуара. Наличие реальных зазоров между панелями и стенами контактного резервуара, намного превышающих суммарную площадь проходного сечения щелевых форсунок, требует существенного увеличения дополнительного напора обрабатываемой воды в пространстве под панелями для эффективного функционирования щелевых форсунок.
2
При перепаде давления воды на форсунках ~0,05 кгс/см нагрузка снизу на полые панели и соединения между ними с учетом архимедовой выталкивающей силы составляет около 45-50 т. В связи с этим возникают дополнительные проблемы с обеспечением прочности полых панелей и узлов стыка между ними.
В первом из известных, приведенных выше, аналогов установки озонирования эффективность использования озона повышается путем вторичного использования остаточного озона в газовой подушке, а во втором путем дополнительного воздействия струи воды на естественный процесс диспергирования пузырьков озоно-воздушной смеси.
4. Результаты экспериментальных исследований влияния различных факторов на эффективность использования произведенного озона
Для установления основного физического фактора процесса диспергирования озоно-воздушной смеси, влияющего на степень поглощения озона водой с участием авторов настоящего изобретения, были проведены сравнительные испытания модернизированной и штатной систем диспергирования озоно-воздушной смеси в промышленном масштабе на Восточной станции водоподготовки г.Москвы [«Отчет по результатам сравнительных испытаний модернизированный и штатной систем диспергирования озоно-воздушной смеси в контактных резервуарах №8 и №10 Восточной водопроводной станции г. Москвы», ЗАО «Московские озонаторы, 2004]. Условия и результаты этих испытаний приведены в Таблицах 1 и 2 и на Фигурах 1 и 2. Степень поглощения озона водой определялась по концентрации остаточного озона в газовой подушке штатного и опытного контактных резервуаров.
2
2
2
Из рассмотрения этих результатов следует, что для однотипных диспергаторов с пористыми пластинами из титанового порошка с размерами пор 40…120 мкм, установленных в штатном и опытном резервуарах, степень поглощения озона водой самым существенным образом зависит от величины удельного расхода озоно-воздушной смеси, приходящегося на 1 см площади пористой пластины диспергатора. В опытном контактном резервуаре при удельном расходе озоно-воздушной смеси ~ 1 нл/ч на 1 см площади пластины была получена степень поглощения озона 96-99,5%. В штатном (контрольном) контактном резервуаре при изменении удельного расхода с 1 см площади от 2 до 8 нл/ч коэффициент использования (поглощения) озона значительно ниже 92-85%.
2
При этом следует учитывать также, что глубина погружения диспергаторов в опытном резервуаре была 3,5 м, тогда как в штатном 4,5 м, что на 28% больше. Фильтры Шотта из стеклянного порошка с пористостью 100 мкм, испытанные в опытном резервуаре, обеспечили степень поглощения озона водой 96-97% при удельном расходе с 1 см площади от 1 до 3 нл/ч.
Одним из недостатков пористых пластин диспергаторов, получаемых спеканием частиц титанового порошка или стекла, является большое различие размеров, образующихся сквозных пор, как в одной пластине, так и в разных пластинах. Следствием является большой разброс величины расхода воздуха до 150-200% при одних и тех же значениях перепада давления, что существенно усложняет комплектацию таких диспергаторов в блок с общим давлением подачи озоно-воздушной смеси.
Минимальный разброс расходно-напорных характеристик имеют пластины из листового титана с нормализованными отверстиями, выполненными с использованием лазерной технологии.
Были изготовлены и испытаны в лабораторных условиях модельные дисковые диспергаторы диаметром 290 мм с титановыми пластинами толщиной 0,4-0,5 мм, в которых лазером были выполнены 1500 отверстий диаметром 70±5 мкм. В результате испытаний была получена зависимость удельного расхода воздуха от перепада давления при глубине погружения диспергаторов 5 м, аппроксимация которой представлена следующей зависимостью
3
где  - удельный расход воздуха через одно нормированное отверстие, нормальные кубические метры в час (нм/ч);
ΔP - перепад давления воздуха между входом в отверстие и выходом из него в воду, кПа;
0
ΔP=3 кПа - критический перепад давления воздуха на отверстии, при котором расход воздуха равен 0;
cp
-3
k=0,52·10 - экспериментальный коэффициент пропорциональности, зависящий от фактического среднего значения диаметра отверстия в пластине и коэффициента расхода. Разброс от среднего значения в 10 испытанных пластинах составил ±15%.
Лабораторными испытаниями были также получены зависимости размеров пузырьков от перепада давления для отверстий ⌀70, 80 и 100 мкм. Результаты представлены на Фигуре 3.
Зависимость степени поглощения озона от размеров пузырьков, полученная в работе [Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии. Издательство «Университет и школа», 2004], приведена на Фигуре 4.
Из сопоставления зависимостей, представленных на Фигуре 3 и Фигуре 4, следует, что степень поглощения озона более 95% может быть получена при размерах пузырьков от 0,8 до 1,2 мм. Диспергирование таких пузырьков через нормализованные отверстия диаметром 70±5 мкм может быть обеспечено при перепаде давления от 4 до 6,5 кПа. Согласно формуле (1) удельный расход будет:
3
Таким образом, при использовании в предлагаемой установке диспергаторов с перфорированными лазером нормализованными отверстиями диаметром 70±5 мкм, степень поглощения озона водой более 95% может быть получена в диапазоне перепадов давления озоно-воздушной смеси от 4 до 6,5 кПа, при этом удельный расход через единичное отверстие составляет от 0,52 до 0,97 нл/ч или от 145 до 270 нмм/с.
Из практики использования диспергирующих устройств для очистки воды известны диспергаторы типа AFD-270, допускающие периодическую подачу озоно-воздушной смеси в воду и имеющие эластичную мембрану из синтетического каучука со щелевидными самоочищающимися при наддутии отверстиями, которые при перепаде давления ~2 кПа диспергируют пузырьки размером около 1 мм.
Характеристики четырех типов диспергаторов с перфорированными и пористыми пластинами, которые могут обеспечить степень поглощения озона водой более 95%, приведены в Таблице 3, а на Фигурах 5 и 6 приведены графики зависимости удельного расхода от перепада давления.
5. Техническая задача изобретения и варианты способов ее решения
Установление основного фактора, влияющего на величину степени поглощения озона водой на установках обработки воды озоном, позволяет сформулировать техническую задачу предлагаемого изобретения.
Она состоит в устранении противоречия между необходимостью увеличения общего расхода озоно-воздушной смеси для достижения заданной дозы озона в воде и необходимостью ограничения величины удельного расхода озоно-воздушной смеси через отверстия диспергаторов для обеспечения высокой степени поглощения озона водой, например, не менее 95%.
Доза озона, вводимого в воду контактного резервуара, определяется по формуле:
3
где β - доза озона, г/м;
3
с - концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/нм;
3
G - расход озоно-воздушной смеси, нм/ч;
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub></mrow>
3
- расход воды, м/ч.
При постоянном расходе воды, регулирование дозы озона в автоматическом режиме работы установки возможно выполнить тремя способами:
1. путем изменения только концентрации - с при заданном постоянном общем и удельном расходе через диспергаторы;
2. путем изменения общего и удельного расхода через диспергаторы в допустимых пределах при постоянной, например, оптимальной концентрации с;
3. комбинированным способом: путем ступенчатого закономерного изменения расхода G с сохранением его постоянного уровня на каждой ступени и изменения концентрации с в определенном диапазоне на каждой ступени расхода G.
Положительное свойство первого способа состоит в том, что сохраняется при выборе достаточно большого количества отверстий в диспергаторах постоянство малой величины удельного расхода озоно-воздушной смеси, гарантирующей высокую степень поглощения озона водой. Существенный недостаток состоит в экономической неэффективности ведения процесса озонирования на постоянном максимальном расходе озоно-воздушной смеси, который необходим для обеспечения максимальной дозы озона, а снижение концентрации озона в озоно-воздушной смеси для малых доз озона сопряжено с увеличением энергозатрат на производство 1 кг озона.
Экспериментальная зависимость суммарных энергозатрат от концентрации озона для опытной установки производительностью 25 кг озона в час приведена на Фигуре 7. По оси абсцисс отложена величина отношения реализуемой концентрации к оптимальной, по оси ординат величина отношения фактических энергозатрат к минимальному значению, соответствующему оптимальной концентрации.
Зависимость относительной величины энергозатрат от отношения максимальной установленной дозы озона к минимальной при регулировании дозы озона путем изменения концентрации приведена в Таблице 4.
Из Таблицы 4 следует, что при  энергозатраты увеличиваются на 10%, при
Повышение степени поглощения озона водой этим способом дозировки озона на 5-10% приводит к увеличению энергозатрат на производство озона на 10-20%. В связи с этим его использование нецелесообразно.
Второй способ регулирования дозы озона путем пропорционального изменения расхода озоно-воздушной смеси при постоянной оптимальной концентрации в ней озона используется на Французской установке озонирования воды, установленной на Рублевской станции водоподготовки г.Москвы. Установка содержит воздушный компрессор с плавным регулированием производительности в 3,5-4 раза. Этот способ обеспечивает минимум энергозатрат на производство 1 кг озона. Вместе с тем степень поглощения озона водой не менее 95% может быть реализована при увеличении минимальной дозы не более чем в 2 раза.
Приемлемое решение поставленной технической задачи может обеспечить третий предлагаемый комбинированный способ дозирования озона, в котором в различные периоды времени эксплуатации установки озонирования воды, озоно-воздушную смесь пропускают через диспергаторы различными ступенями с постоянным расходом, а изменение дозы на каждой ступени обеспечивают изменением концентрации озона в озоно-воздушной смеси в допускаемых пределах.
5.1. Описание 1-го способа дозирования
3
3
2
3
Первый вариант предлагаемого комбинированного способа дозирования озона при обработке питьевой воды, включающий подготовку сжатого, охлажденного и осушенного атмосферного воздуха, пропускание воздуха с заданным расходом через генератор озона с источником электропитания, синтез озона с обеспечением заданной концентрации озона в озоно-воздушной смеси, пропускание озоно-воздушной смеси сквозь отверстия диспергаторов с выходом из них восходящего потока мелких пузырьков в объем обрабатываемой воды, протекающей через реакционную емкость контактных резервуаров с обеспечением заданной дозы озона в каждом из них путем распределения общего расхода озоно-воздушной смеси между контактными резервуарами пропорционально расходу воды в каждом из них, отведение отработанной озоно-воздушной смеси из газовых подушек контактных резервуаров на деструктор остаточного озона с последующим выбросом озоно-воздушной смеси с безопасной концентрацией в ней озона в атмосферу, существенно отличается от наиболее близкого аналога тем, что в различные периоды времени эксплуатации установки озонирования воды озоно-воздушную смесь пропускают через диспергаторы различными ступенями с постоянным расходом, а необходимое изменение дозы на каждой ступени обеспечивают изменением концентрации озона в озоно-воздушной смеси в пределах от 70 до 120% от величины оптимальной концентрации, соответствующей минимуму энергозатрат на производство 1 кг озона и характерной для используемой озонаторной установки, причем отношение максимального удельного расхода озоно-воздушной смеси на последней ступени к минимальному на первой принимают равным не более 2, при этом непрерывное изменение дозы озона на стыке ступеней расхода озоно-воздушной смеси обеспечивают путем захода границ каждого диапазона дозы за границу смежного не менее чем на 15% от величины диапазона, например, при переходе на более высокую ступень расхода ОВС минимальную рабочую дозу озона для нее выбирают по величине меньше максимальной рабочей дозы на предшествующей более низкой ступени, причем величину разницы в 15% относят ко всему рабочему диапазону, соответствующему более высокой ступени расхода. Пример совмещения диапазонов приведен на фигуре 10, а размеры пузырьков озоно-воздушной смеси от 0,8 до 1,2 мм, обеспечивающие степень поглощения озона водой в пределах более 95%, получают пропусканием озоно-воздушной смеси либо через тонкие толщиной 0,4-0,5 мм перфорированные пластины диспергаторов из титана, в которых отверстия изготовлены методом лазерной прошивки, причем средний диаметр отверстий установлен в пределах от 65 до 75 мкм, а диаметр любого отверстия в пределах от 60 до 80 мкм, общее количество отверстий в диспергаторах и минимальный перепад давления озоно-воздушной смеси на отверстиях выбирают исходя из условий пропуска через диспергаторы заданного минимального расхода озоно-воздушной смеси при средней величине удельного объемного расхода через одно отверстие, равного 145±15 нмм/с (нормальных мм в сек), либо озоно-воздушную смесь пропускают через диспергаторы с пористыми пластинами толщиной 3-4 мм, изготовленными методом спекания титанового порошка с пористостью от 45 до 50% и размерами сквозных пор от 40 до 120 мкм, причем суммарную рабочую площадь пластин и максимальный перепад давления озоно-воздушной смеси на пластинах выбирают исходя из условия пропуска через диспергаторы заданного минимального расхода озоно-воздушной смеси при средней величине удельного расхода через 1 см площади пластины диспергатора равной 290±30 нмм/с, выбор ступени расхода озоно-воздушной смеси и величины концентрации в ней озона производит соответствующий блок программно-математического обеспечения диспетчерской системы автоматического управления работой установки озонирования воды, который вычисляет заданную текущую производительность генератора озона по следующей формуле:
где Q - производительность генератора озона, кг/ч;
3
β - доза озона в воде, г/м;
H2O
3
G - расход воды, м/ч;
1
ε - фактическая степень поглощения озона водой, которая устанавливается по результатам пуско-наладочных работ;
2
ε - коэффициент потерь озона при транспортировании озоно-воздушной смеси от генератора озона до диспергаторов,
и устанавливает пригодную ступень расхода, на которой выполняется условие:
вычисляет необходимую величину текущей концентрации озона в озоно-воздушной смеси по формуле:
где n - порядковый номер ступени расхода;
opt
opt
затем выдает сообщения в локальные системы автоматического управления (ЛАСУ) блока подготовки воздуха, генератора озона и диспергирования озоно-воздушной смеси о выбранной ступени расхода воздуха и в ЛАСУ генератора озона о необходимой величине концентрации озона и, получив сообщение от ЛАСУ о готовности к запуску, производит запуск установки по принятой циклограмме, при переходе на ступень с большим расходом озоно-воздушной смеси увеличивают раскрытие заслонок дросселей, установленных на входе отдельных линий диспергаторов, и перепад давления на отверстиях и подают дополнительный воздух в генератор озона и дополнительную озоно-воздушную смесь на диспергаторы, при этом величину электрической мощности источника питания генератора озона сохраняют, а концентрацию озона при этом снижают за счет увеличения расхода воздуха, благодаря чему сохраняют на 3-5 минут дозу озона на уровне прежней ступени, а затем, после установления стационарного процесса, увеличивают концентрацию, обеспечивая заданную дозу на новой ступени расхода озоно-воздушной смеси, корректируют в пределах 5-10% уровень расхода озоно-воздушной смеси на действующей ступени, максимальную производительность генератора и величину дозы озона получают на последней ступени расхода озоно-воздушной смеси при максимальной концентрации в ней озона равной 1,2c, а минимальную на первой ступени при минимальной концентрации, равной 0,7c, при этом наибольшую реализуемую величину отношения максимальной дозы к минимальной определяют по формуле:
Заданные расходы озоно-воздушной смеси на выбранных ступенях обеспечивают путем установки в заданное положение заслонок дросселей, установленных на питающих трубопроводах контактного резервуара перед отдельными группами диспергаторов.
Признаки, характеризующие способ лишь в частных случаях:
1) давление озоно-воздушной смеси перед дросселями на всех ступенях расхода поддерживают на одном уровне, путем изменения гидросопротивления дополнительного дросселя, установленного на магистрали подачи озоно-воздушной смеси, компенсирующего изменение потерь давления озоно-воздушной смеси в сети при регулировании величины расхода;
2) однотипные диспергаторы озоно-воздушной смеси в контактном резервуаре объединяют в три отдельные линии с автономно управляемыми входными дросселями, в которых предусматривают необходимый сверхнормативный запас хода раскрытия заслонок, и используют его при неисправности одной из линий диспергаторов или при снижении пропускной способности отверстий диспергаторов из-за минерального или биологического обрастания при озонировании воды увеличивая перепад давления на отверстиях до максимально допустимого, и добиваются требуемого расхода озоно-воздушной смеси и дозы озона;
2
3) для предварительного сжатия атмосферного воздуха используют несколько осевых компрессоров низкого давления (1,8-2,1 кгс/см) с одинаковым постоянным уровнем производительности, последовательно включают в работу по одному компрессору обеспечивают ступенчатое изменение расхода воздуха в генератор озона в соответствии с законом арифметической прогрессии:
где n - порядковый номер ступени расхода;
n
3
G - расход на n-ой ступени, нм/ч;
d - разность прогрессии, равная производительности одного компрессора;
1
1
3
G=m·d - расход на 1-ой ступени, нм/ч;
1
m - количество компрессоров, задействованных на первой ступени расхода,
max
max
при этом отношение расхода воздуха на последней ступени к расходу на первой принимают равным 2, а максимальное необходимое количество компрессоров - m и ступеней расхода воздуха - n определяют по формулам:
max
1
m=2·m,
max
1
n=m+1.
Пример ступенчатой зависимости расхода озоно-воздушной смеси от дозы озона применительно к закону арифметической прогрессии, приведен на Фигуре 8;
2
2
4) для предварительного сжатия атмосферного воздуха используют, по крайней мере, один рабочий компрессора высокого давления, например, 7-10 кгс/см периодического действия с выходом в воздухосборник (ресивер), снабженный на выходе редуктором автоматически поддерживающим давление воздуха на выходе из него в сеть, например, в пределах от 1,8 до 2,1 кгс/см при изменении потребления в сети до 2-х раз, отбор воздуха из ресивера и озоно-воздушной смеси из генератора озона на диспергаторы производят ступенями с расходом в соответствии с законом геометрической прогрессии:
n
1
n-1
3
G=G·q, нм/ч,
n
где G - расход на n-ой ступени;
1
G - расход на 1-ой ступени;
n - порядковый номер ступени расхода;
q - знаменатель прогрессии;
nk
1
отношение максимального расхода озоно-воздушной смеси на конечной ступени - G к минимальному расходу на первой G принимают равным 2, а знаменатель прогрессии - q определяют в зависимости от выбранного количества ступеней расхода по формуле:
возможное рекомендуемое количество ступеней 3 или 4, при этом пределы по располагаемой дозе озона на каждой ступени расхода ОВС определяют по формулам:
5.2. Описание 2-го способа дозирования
Для поверхностных источников обрабатываемой воды с большими сезонными колебаниями дозы озона, необходимой для ее качественной очистки, например, в 4-6 раз поставленная изобретением задача решается тем, что во втором варианте комбинированного способа дозирования озона, включающем подготовку сжатого, охлажденного и осушенного атмосферного воздуха, пропускание воздуха с заданным расходом через генератор озона с источником электропитания, синтез озона с обеспечением заданной концентрации озона в озоно-воздушной смеси, пропускание озоно-воздушной смеси сквозь отверстия диспергаторов с выходом из них восходящего потока мелких пузырьков в объем обрабатываемой воды, протекающей через реакционную емкость контактных резервуаров с обеспечением заданной дозы озона в каждом из них путем распределения общего расхода озоно-воздушной смеси между контактными резервуарами пропорционально расходу воды в каждом из них, отведение отработанной озоно-воздушной смеси из газовых подушек контактных резервуаров на деструктор остаточного озона с последующим выбросом озоно-воздушной смеси с безопасной концентрацией в ней озона в атмосферу, для диспергирования озоно-воздушной смеси в контактном резервуаре используют три отдельные автономно управляемые по расходу озоно-воздушной смеси линии диспергаторов, допускающие периодическое пропускание озоно-воздушной смеси без потери пропускной способности из-за минерального и биологического их обрастания отверстий в нерабочие периоды, в которых используют перфорированные пластины, изготовленные из озоностойкого высокоэластичного этилен пропиленового каучука марки ЭПДМ, отлитого под давлением с нанесенным на внешнюю поверхность пластины антиадгезионным покрытием из тефлона с множеством сквозных прорезей, раскрывающихся и самоочищающихся при натяжении пластин от давления озоно-воздушной смеси, подаваемой внутрь полости диспергатора, а при сбросе давления закрывающихся под давлением воды, с обеспечением герметичности, причем диспергаторы имеют линейную зависимость удельного расхода озоно-воздушной смеси через одно раскрывающееся отверстие от перепада давления в виде:
где  - удельный расход озоно-воздушной смеси через 1 прорезь, нл/ч/1 отв;
Δр - перепад давления, кПа;
оп
k≈0,5±0,05 - опытный коэффициент,
при этом отбор сжатого воздуха на синтез озона призводят из воздухосборника системы подготовки воздуха, причем в зависимости от величины диапазона дозы озона в воде, отбор производят с расходом, соответствующим одной из шести предусмотренных ступеней, на каждой из которых величина расхода озоно-воздушной смеси соответствует следующему закону арифметической прогрессии:
где n - порядковый номер ступени;
- суммарное количество отверстий в диспергаторах одной линии;
- минимальная величина установленной дозы озона в воде;
opt
c - оптимальная концентрация озона в озоно-воздушной смеси;
- заданный расход обрабатываемой воды;
3
- минимальная величина удельного расхода озоно-воздушной смеси через одну прорезь диспергатора, принимая равной 0,45 нл/ч или 125±13 нмм/с, при этом для увеличения минимальной дозы озона не более чем в 6 раз 1-ю и 2-ю ступени расхода используют для пропуска озоно-воздушной смеси через одну линию диспергаторов, 3-ю и 4-ю ступени для одновременной синхронной работы двух линий диспергаторов и 5-ю и 6-ю ступени для одновременной синхронной работы трех линий.
opt
opt
Допустимый диапазон изменения концентрации озона в озоно-воздушной смеси на каждой ступени расхода выбран от 0,7 c до 1,2 c.
Непрерывное изменение дозы озона при переходе на следующую ступень расхода озоно-воздушной смеси обеспечивают путем использования возможности захода границ каждого участка диапазоны дозы за границу смежного участка не менее, чем на 15% от величины диапазона дозы, например, при переходе на более высокую ступень расхода озоно-воздушной смеси. Минимальную рабочую дозу для нее выбирают по величине меньше максимальной рабочей дозы на предшествующей более низкой ступени, причем величину разницы в 15% относят ко всему рабочему диапазону, соответствующему более высокой ступени расхода.
Пример 6-ступенчатой зависимости расхода озоно-воздушной смеси приведен на Фигуре 10, на которой показано расположение совмещенных зон диапазонов дозы, а в таблице 5 приведено распределение ступеней расхода и диапазонов дозы озона по отдельным линиям диспергаторов. Из этих данных следует, что увеличение дозы озона в 6 раз обеспечивается увеличением минимального расхода озоно-воздушной смеси через одну линию в 1,5 раза и увеличением концентрации озона в озоно-воздушной смеси в 1,7 раза и суммированием расходов по линиям. Для сравнения при пропуске озоно-воздушной смеси одновременно через все линии диспергаторов увеличение дозы озона в 6 раз требует аналогичного увеличение расхода на каждой линии в 3,5 раза. Однако при таком увеличении удельного расхода через отверстия диспергаторов степень поглощения озона водой не превысит 85%.
Расход ОВС на выбранных ступенях поддерживают на заданном уровне путем установки в соответствующее положение заслонок входных дросселей отдельных линий диспергаторов, при этом на всех ступенях расхода поддерживают на одном уровне давление ОВС перед дросселями путем изменения гидросопротивления дополнительного дросселя, установленного на магистрали подачи ОВС во все контактные резервуары установки.
n
min
opt
max
opt
Регулирование текущей величины дозы озона - βпри постоянном расходе озоно-воздушной смеси на выбранной ступени осуществляют путем изменения концентрации в ней озона в установленных пределах от c≥0,7c до c≤1,2·c, при этом
Выбор ступени расхода количества рабочих линий диспергаторов и величины концентрации озона в озоно-воздушной смеси осуществляет соответствующий блок программно-математического обеспечения диспетчерской системы автоматического управления работой установки, который вычисляет текущую потребную производительность генератора озона по следующей формуле:
где Q - производительность генератора озона, кг/ч;
3
β - доза озона в воде, г/м;
3
- расход воды, м/ч;
1
ε - фактическая степень поглощения озона водой, определенная по результатам пуско-наладочных работ;
2
ε - коэффициент потерь озона из-за разложения при транспортировании озоно-воздушной смеси от генератора озона до диспергаторов,
и устанавливает смежные ступени расхода, на которых выполняется условие:
вычисляет для каждой ступени необходимую величину текущей концентрации озона в озоно-воздушной смеси по формуле:
и выбирает ступень расхода с минимальной разницей между необходимой концентрацией и оптимальной и выдает сообщения в локальные системы автоматического управления блока подготовки воздуха, генератора озона и диспергирования озоно-воздушной смеси о выбранной ступени расхода и номерах рабочих линий диспергаторов, а в локальную систему управления генератором озона дополнительно о необходимой величине концентрации озона; производит запуск агрегатов установки по принятой циклограмме и выводит ее на установившийся заданный технологический режим.
При получении нового задания на увеличение дозы озона, при котором не требуется подключения дополнительной линии диспергаторов, а только переход на большую ступень расхода ОВС, локальная система управления процессом диспергирования по команде ДСУ синхронно увеличивает проходные сечения входных дросселей действующих линий, добиваясь отбора воздуха из воздухосборника системы подготовки воздуха с требуемым суммарным расходом, а локальная система управления синтезом озона по команде ДСУ изменяет концентрацию озона в ОВС, добиваясь требуемой производительности генератора озона и дозы озона в воде.
При необходимости подключают дополнительную линию диспергаторов, при этом по команде ДСУ локальная система управления процессом диспергирования сначала выдает команду на синхронное уменьшение проходного сечения дросселей действующих линий и увеличения проходного сечения входного дросселя подключаемой линии, добиваясь сначала сохранения прежнего расхода озоно-воздушной смеси и уравнивания долей расхода с использованием показаний измерителей перепада давления по линиям, а затем на синхронное увеличение проходных сечений дросселей совместно действующих линий, добиваясь установления требуемого суммарного расхода озоно-воздушной смеси, а затем локальная система синтеза озона по команде ДСУ увеличивает концентрацию озона в озоно-воздушной смеси, добиваясь требуемой величины производительности генератора и величины дозы озона.
Пример циклограммы изменения суммарного расхода озоно-воздушной смеси, расхода по линиям диспергаторов, концентрации озона в озоно-воздушной смеси и дозы озона в воде в различные периоды времени эксплуатации установки приведен на Фигуре 11.
При неисправности одной из линий диспергаторов используют предусмотренный запас хода заслонок дросселей исправных линий и увеличивая перепад давления озоно-воздушной смеси в допустимом пределе добиваются восстановления требуемого расхода и дозы озона.
6. Установка для обработки воды озоном
6.1. Описание конструкции
Поставленная изобретением задача увеличения эффективности использования произведенного озона за счет повышения степени поглощения озона водой в реакционной емкости КР путем реализации заявленных способов дозирования озона и дополнительная задача, заключающаяся в повышении точности дозирования озона, надежности функционирования установки и ее озонобезопасности, решается тем, что предлагаемая установка для обработки воды озоном, содержащая систему подготовки воздуха, включающую компрессорный блок, осушитель, охладитель, систему синтеза озона, включающую генератор озона с источником электропитания, контактные резервуары с системой подачи, пропускания и слива воды потребителю, систему подачи, распределения и диспергирования озоно-воздушной смеси, содержащую магистральный трубопровод, сообщенный с генератором озона и с отводами на контактные резервуары, диспергаторы пузырьков озоно-воздушной смеси равномерно размещенные в природной части контактных резервуаров на питающих трубопроводах, которые сообщены с отводами от магистрального трубопровода и генератором озона, систему отведения отработанной озоно-воздушной смеси из газовых подушек контактных резервуаров, деструкции остаточного озона и выброса смеси в атмосферу, систему автоматизированного управления с запорно-регулирующей и контрольно-измерительной аппаратурой, согласно газогидравлических схем, представленных на фиг.12 и фиг.13, отличается следующей совокупностью конструктивных признаков, обеспечивающих заявленный технический эффект:
2
2
2
- система подготовки осушенного воздуха 1 включает либо несколько однотипных осевых компрессоров 7 низкого давления в пределах от 1,8 до 2,1 кгс/см (фиг.12) с одинаковым постоянным уровнем производительности, устройство перепуска воздуха 15 с выхода компрессоров на вход, используемое при пуске компрессоров и при изменении потребления воздуха в сети, блок осушителей воздуха 8, трубопровод подачи воздуха 9 в генератор озона 2 с выходным запорным элементом 84, измерители давления 10 и расхода 11, либо включает, по крайней мере, один рабочий компрессор 7 (фиг.13) высокого давления от 7 до 10 кгс/см периодического действия с выходом в воздухосборник (ресивер) 76, снабженный на выходе редуктором 77, автоматически поддерживающим давление воздуха на выходе в сеть в пределах от 1,8 до 2,1 кгс/см при изменении потребления в сети, охладитель 8, трубопровод подачи воздуха 9 в генератор озона 2 с выходным запорным элементом 84, измерители давления 10 и расхода 11.
Последовательное включение в работу нескольких компрессоров равной производительности обеспечивает предусмотренное описанным способом дозирование озона, ступенчатое изменение общего расхода озоно-воздушной смеси по закону арифметической прогрессии с разностью, равной производительности одного компрессора.
Наличие воздухосборника в альтернативном решении позволяет отбор из него воздуха и подачу ОВС на диспергаторы осуществлять по любому заранее установленному закону, например, по закону арифметической прогрессии с постоянным шагом или по закону геометрической прогрессии с переменным шагом путем изменения площади проходного сечения дросселей 30, 31, 32, установленных на входе в отдельные линии диспергаторов 26, 27, 28.
- генератор озона 2 включает четыре модуля генератора озона 16 равной производительности с системой охлаждения, источники электропитания модулей 17, измерители концентрации озона в озоно-воздушной смеси 18;
- магистраль подачи озоно-воздушной смеси 3 включает трубопровод 19, в который до отводов на контактные резервуары вмонтированы измеритель давления 21, запорный элемент 20 и автоматическое дросселирующее устройство 22 с возможностью поддержания уровня давления подачи путем компенсации изменения потерь напора при регулировании величины расхода озоно-воздушной смеси, а также для поддержания давления подачи в контактные резервуары на уровне, при котором была выполнена тарировка зависимости расхода от хода заслонок дросселей 30, 31, 32;
- контактный резервуар 4 содержит: реакционную емкость 23, трубопроводы подачи необработанной воды 24, трубопроводы слива обработанной воды потребителю 25, однотипные диспергаторы озоно-воздушной смеси, которые объединены питающими трубопроводами 26, 27, 28 в три отдельные линии, сообщенные с распределительным коллектором 29 через входные дроссели 30, 31, 32 с автоматически регулируемой площадью проходного сечения, максимальная величина которой выбрана в 3÷4 раза больше суммарной площади проходного сечения отверстий в пластинах диспергаторов отдельной линии; а распределительный коллектор 29 сообщен с магистралью 19 отводным трубопроводом, снабженным запорным элементом 36, фильтром тонкой очистки 80, задерживающим частицы размером более 20 мкм, и измерителем расхода 33, которые расположены перед коллектором 29, а коллектор снабжен измерителями давления 34 и концентрации озона 35. Три отдельные автономно управляемые линии диспергаторов в совокупности с запасом максимальной площади проходного сечения входных дросселей позволяют повысить надежность системы диспергирования за счет увеличения расхода озоно-воздушной смеси через две линии при неисправности третьей, а при снижении пропускной способности всех линий из-за минерального и биологического зарастания отверстий необходимый расход озоно-воздушной смеси поддерживают путем увеличения в допустимых пределах перепада давления на диспергаторах.
3
- в состав отдельных линий диспергаторов, совместно функционирующих с равными расходами ОВС, при условии увеличения дозы озона не более чем в 3÷4 раза (1 способ дозирования озона) могут входить либо однотипные диспергаторы с титановыми пластинами толщиной 0,4÷0,5 мм, перфорированные лазером со средним диаметром отверстий в комплектующей линию партии диспергаторов в пределах от 65 до 75 мкм при диаметре любого отверстия от 60 до 80 мкм, либо однотипные диспергаторы с пористыми титановыми пластинами толщиной 3÷4 мм, изготовленными методом спекания из титанового порошка с размерами сквозных пор от 40 до 120 мкм в одном диспергаторе. Суммарное количество отверстий в перфорированных лазером пластинах с диаметром отверстий 75±5 мкм выбрано из условия обеспечения минимальной установленной дозы озона в воде при минимальной концентрации озона в озоно-воздушной смеси, равной 70% от величины оптимальной концентрации и средней величине удельного расхода озоно-воздушной смеси через 1 отверстие, равной (145±15)·нмм/с и определено по формуле:
3
где  - минимальная установленная доза озона в воде, г/м
3
- установленный расход обрабатываемой воды, м/ч
щзе
3
с - оптимальная концентрация озона, г/нм;
- минимальный удельный расход ОВС через одно отверстие в перфорации пластины, при этом величина удельного расхода может быть определена по экспериментальной зависимости от перепада давления:
где Δp - перепад давления на отверстиях, кПа;
o
Δp=3 кПа - критический перепад давления, соответствующий нулю расхода ОВС.
min
Принимая Δp=4 кПа, то есть на 33% больше критического, получаем
Суммарная рабочая площадь пористых пластин диспергаторов с размерами пор от 40 до 120 мкм выбрана из условия:
2
где  - минимальный удельный расход ОВС через 1 см площади пластины,
при этом величина удельного расхода может быть определена по экспериментальной зависимости от перепада давления:
o
где Δp≈1 кПа.
min
Принимая Δp≥1,15 кПа, получаем:
2
Таким образом, суммарная рабочая площадь пористых пластин диспергаторов трех линий выбрана из условия обеспечения минимальной установленной дозы озона в воде при минимальной концентрации озона в озоно-воздушной смеси, равной 70% от величины оптимальной концентрации, соответствующей минимуму энергозатрат на производство 1 кг озона для используемой озонаторной установки, и средней величине удельного расхода озоно-воздушной смеси через 1 см рабочей площади пластин, равной
В состав отдельных линий диспергаторов, функционирующих в условиях последовательного включения их в работу при условии требуемого увеличения дозы не менее чем в 6 раз (2-ой способ дозирования озона), включают диспергаторы периодического действия с пластинами, изготовленными из озоно-стойкого высокоэластичного синтетического этилен-пропиленового каучука марки ЭПДМ, отлитого под давлением, с нанесенным на внешнюю поверхность пластины антиадгезионным покрытием из тефлона с множеством сквозных прорезей, раскрывающихся при натяжении пластин от внутреннего давления ОВС, а при сбросе давления, закрывающихся под давлением воды с обеспечением герметичности.
Суммарное количество сквозных прорезей в диспергаторах каждой из трех линий выбрано из условия:
при этом величина удельного расхода через одну сквозную прорезь может быть определена по экспериментальной зависимости от перепада давления:
где Δро=1 кПа.
min
Принимая Δp=2 кПа, получаем
Исходя из данных, приведенных в таблице 3, для обеспечения степени поглощения озона не менее 95% допустимое увеличение удельного расхода через диспергаторы может быть принято не более чем в 1,5÷2 раза.
2
2
2
- контактный резервуар 4 дополнительно снабжен системой воздушной продувки 6 линий диспергаторов с целью вытеснения воды и осуществления контроля снижения пропускной способности отверстий диспергаторов. Система продувки 6 включает: магистральный воздухопровод 12 (фиг.12, 13), который сообщен либо с воздухосборником (ресивером) 76 системы подготовки воздуха и содержит дополнительный редуктор 13, настроенный на поддержание уровня давления на выходе в сеть в пределах от 1,8 до 2,1 кгс/см, либо сообщен с отдельным дополнительным компрессором низкого давления (1,8÷2,1 кгс/см) 81 (фиг.13) типа Kaeser compressoren производства Германии, снабженным устройством 82 для поддержания постоянного давления в сети и охладителем 83 на выходе в сеть, причем магистральный воздухопровод 12 снабжен: дросселем 14, автоматически регулирующим заданный расход воздуха, фильтром тонкой очистки 79, задерживающим частицы размером более 20 мкм, измерителем расхода 45 и отсечным клапаном 51, выход которого сообщен с коллектором ОВС 29 реакционной емкости 23. Слив вытесняемой воды из линий диспергаторов 26, 27, 28 производится в воду КР через гидрозатворы 52, 53, 54, установленные в местах наибольшего понижения трубопроводов слива, при этом гидрозатвор выполнен в виде двух вертикальных труб с закругленной перемычкой вверху, верхняя точка которой расположена на 30÷50 мм выше горизонта расположения пластин диспергаторов, открытый конец сбросового трубопровода гидрозатвора опущен в воду КР на глубину, например, на 2±0,05 м ниже пластин диспергаторов при глубине их погружения 5±0,1 м, это обеспечивает срабатывание гидрозатвора при избыточном давлении ОВС в полости диспергаторов, равном 0,2 кгс/см или 2 м водяного столба, а вход в гидрозатвор сообщен с полостью труб линии диспергаторов в месте их наибольшего понижения к полу КР.
Система подачи воздуха дополнительно снабжена распределительным коллектором 44 с тремя отводами, выход каждого из которых сообщен с выходом дросселя 30, 31, 32 соответствующей линии диспергаторов 26, 27, 28, а на входе в отводы установлены отсечные клапаны 48, 49, 50 автоматического действия с возможностью подачи воздуха для текущего поочередного контроля снижения пропускной способности отверстий диспергаторов отдельной линии при штатной работе других на ОВС, при этом контактный резервуар снабжен тремя измерителями 37, 38, 39 перепада давления на диспергаторах, одна измерительная полость которых сообщена с водным массивом на горизонте пластин диспергаторов, а другая с соответствующим отводом от дополнительного распределительного коллектора.
факт
Реакционная емкость 23 контактного резервуара снабжена системой контроля концентрации остаточного озона в газовой подушке, включающей датчик предельно-допустимой концентрации озона 55, по показаниям которого выдается разрешение на вход внутрь контактного резервуара обслуживающему персоналу, и датчик остаточной концентрации 56 при работе контактного резервуара на установившемся штатном режиме. Отбор проб ОВС производится непосредственно над уровнем воды в контактном резервуаре. Показания датчика 56 используют для периодического контроля фактической степени поглощения озона водой ε, Для чего используют формулу:
исх
3
где С - исходная концентрация озона, измеренная датчиком 35 на входе в контактный резервуар, г/нм;
ост
3
С - остаточная концентрация, измеренная датчиком 56, г/нм.
С помощью контроля концентрации остаточного озона в газовой подушке возможно определить наличие нештатных ситуаций, обусловленных, например, разгерметизацией трубопроводов распределения ОВС, полостей диспергаторов, мест крепления диспергаторов и приводящих к укрупнению пузырьков ОВС и увеличению «проскока» озона в газовую подушку.
- система отведения отработанной ОВС из газовых подушек КР и деструкции остаточного озона 5 (фиг.12, 13) содержит трубопровод отведения 57 с запорным элементом 60, вытяжной вентилятор 65, деструктор остаточного озона 64, датчик давления разрежения 61 в газовой подушке, датчик ПДК в выбросе в атмосферу 66, а также дополнительно дроссель 62 с площадью проходного сечения автоматически регулируемой по показаниям датчика разрежения 61. Наличие дросселей 62 на всех КР, сообщенных между собой магистралью отведения 63, обеспечивает поддержание давления разрежения в газовых подушках в узких пределах, например, от 50 до 150 мм вод. ст., необходимого для сохранения целостности потолочного перекрытия КР.
В аварийный дренажный патрубок 58, сообщающий объем газовой подушки с атмосферой на случай нештатного роста давления ОВС, дополнительно вмонтирован деструктор остаточного озона 59, который повышает озонобезопасность выброса ОВС в окружающую атмосферу;
- диспергаторы могут быть выполнены в виде полых панелей с перфорированной верхней стенкой с соотношением длины к ширине от 5:1 до 6:1, при этом панели в контактном резервуаре установлены рядами так, что продольные оси симметрии панелей параллельны друг другу, причем панели отдельных линий чередуются в одинаковой последовательности, а между рядами панелей предусмотрены проходы для обслуживания; узлы крепления панелей к питающим патрубкам выполнены с возможностью поворота панелей в горизонтальной плоскости, при этом плоскости поворота панельных диспергаторов отдельных линий смещены по вертикали на величину большую толщины панелей; либо выполнены в виде полых дисков и объединены в компактные группы по одному диспергатору из каждой линии с равными расстояниями между центрами с образованием свободных проходов, достаточных для монтажа и обслуживания при эксплуатации;
2
- трубопровод, питающий озоно-воздушной смесью диспергаторы отдельной линии, может быть выполнен в виде прямоугольной решетки (Фиг.14), установленной на опорах на дне контактного резервуара с зазором относительно стен, и при этом содержит два продольных распределительных трубопровода 85, 86, расположенных на одном горизонте у стен и один сливной 87 посередине между стенами на более низком уровне, несколько поперечных трубопроводов 83 с вертикальными патрубками 89 и установленными на них диспергаторами 90 и сообщенных со сливным и распределительным трубопроводами, при этом сливной трубопровод выполнен с понижением от поперечных стен к середине контактного резервуара и в месте наибольшего понижения к нему пристыкован сбросовый трубопровод 52, 53, 54 в виде двух вертикальных труб с закругленной перемычкой вверху, верхняя точка которой расположена выше горизонта пластин диспергаторов данной отдельной линии, открытый конец сбросового трубопровода опущен в воду контактного резервуара на глубину, например, на 2±0,05 м ниже горизонта пластин диспергаторов, что соответствует допустимому избыточному давлению в полостях диспергаторов, равному 0,2 кгс/см или 2 м водяного столба, а к середине каждого продольного распределительного трубопровода пристыкованы вертикальные трубопроводы 91, 92, которые под потолком контактного резервуара пристыкованы к трубопроводу 27, сообщенному с выходом дросселя 31.
Каждая отдельная линия диспергаторов снабжена устройством защиты от нештатного повышения давления ОВС в виде гидрозатвора, вход которого сообщен с питающим трубопроводом линии диспергаторов, а выход сбросового трубопровода сообщен с водным массивом контактного резервуара на уровне, расположенном ниже горизонта пластин диспергаторов на величину, соответствующую допустимому перепаду давления ОВС на отверстиях диспергаторов, выраженных в м водяного столба.
Предложенная конструкция трубопровода, питающего диспергаторы отдельной линии, обеспечивает необходимую равномерность загрузки всех диспергаторов линии. Предусмотренные уклоны трубопроводов к середине контактного резервуара и наличие сбросового трубопровода обеспечивают полное удаление воды из системы при продувке воздухом, а при нештатном повышении давления подачи озоно-воздушной смеси сбросовый трубопровод срабатывает как гидрозатвор и исключает разрушение диспергаторов, что повышает надежность установки.
6.2. Пример расчета параметров установки и процесса озонирования воды
Рассмотрен 2-ой вариант способа дозирования озона с последовательным включением в работу 3-х линий диспергаторов марки AFD-270. Исходные данные для расчета представлены в таблице 6.
Расчет параметров установки
1. Суммарное количество отверстий в диспергаторах AFD-270 отдельной линии в одном контактном резервуаре:
2. Количество диспергаторов AFD-270 в одной линии одного Кр:
3. Количество диспергаторов AFD-270 в одном КР:
4. Суммарное количество диспергаторов AFD-270 в 6-ти КР:
5. Перепад давления ОВС на отверстиях диспергаторов отдельной линии:
6. Расход ОВС на разных ступенях:
7. Диапазон реализуемой дозы озона в воде на каждой ступени расхода ОВС:
Ступенчатая зависимость общего расхода ОВС от дозы озона приведена на фиг.10. Циклограмма изменения суммарного расхода ОВС, расхода по отдельным линиям диспергаторов, концентрации озона в ОВС и дозы озона в воде по времени эксплуатации приведены на фиг.11.
8. Диапазон реализуемой производительности генератора озона на каждой ступени расхода ОВС:
6.3. Работа установки
Описание работы установки выполнено применительно ко 2-му способу дозировки озона с использованием разного количества одновременно работающих линий диспергаторов.
При описании работы установки использованы величины ее параметров, приведенные в таблице 6 и на графике ступенчатой зависимости расхода озоно-воздушной смеси от дозы озона, приведенном на фиг.10.
Установка работает следующим способом.
Предпусковые операции:
- Заполнение контактных резервуаров водой
Его производят с ограниченным расходом воды, обеспечивающим эффективный сброс вытесняемого воздуха через дренажный патрубок 58, исключающий ненормативную величину избыточного давления на потолочное перекрытие резервуара. Заполнение производят до заданного уровня, например, на 5,2 м выше горизонта крышек диспергаторов.
- Тарировка расхода воздуха по ходу раскрытия заслонок дросселей 30, 31, 32 отдельных линий диспергаторов
Устанавливают в закрытое положение задвижки на выходе из воздухосборника 76 в генератор озона 2 и в систему воздушной продувки 6, а также задвижку 36 на входе в контактный резервуар и заслонки тарируемых дросселей 30, 31, 32.
Устанавливают в открытое положение дроссель 14 и отсечной клапан 51 системы продувки 6, заслонку 60 и дроссель 62 системы отведения и деструкции остаточного озона 5.
Запускают воздушный компрессор 7 и заполняют воздухом ресивер 76 до заданного давления. Запускают вентилятор 65.
Устанавливают заслонку первого тарируемого дросселя 30 в положение, соответствующее доле от первой ступени суммарного расхода, приходящейся на одну загружаемую линию одного контактного резервуара, а именно:
Открывают задвижку на выходе из ресивера 76 в систему воздушной продувки 6 и фиксируют давление в коллекторе 29 по датчику 34 и расход по датчику 33. Заданное давление обеспечивают изменением положения дросселя 14 и фиксируют, а заданный расход обеспечивают изменением положения заслонки тарируемого дросселя 30. Давление в газовой подушке регулируют дросселем 62 по показаниям датчика разрежения 61.
Затем устанавливают заслонку дросселя 30 в положение, соответствующее 6-ой ступени расхода и 3-м одновременно работающим линиям, а именно . Выводят параметры на установившийся режим и фиксируют расход и положение заслонки дросселя.
Далее тарировку производят для n-ой ступени расхода и 2-х одновременно работающих линий, а именно:  и для 2-ой ступени и одной работающей линии, а именно: .
Аналогично тарируют заслонки дросселей 31 и 32 двух других линий диспергаторов. В процессе тарировки всех дросселей при каждом расходе фиксируют также показания датчиков перепада давления 37, 38, 39.
1
засл.
2
Результаты тарировки обрабатывают и в виде апроксимирующих зависимостей G=f(h) и G=f(Δр) заносят в программно-математический блок локальной системы автоматического управления процессом диспергирования.
Пуск установки
Пуск установки производят в автоматическом режиме по установленной циклограмме.
Диспетчерская система управления (ДСУ) установки производит анализ задания на озонирование воды, содержащего расход обрабатываемой воды, количество и порядковые номера действующих контактных резервуаров и дозу озона.
Пример задания
3
Расход воды проектный - 10700 м/ч;
Количество контактных резервуаров - 6;
3
Доза озона в воде - 3,3 г/м.
Программно математический блок ДСУ производит выбор необходимой ступени расхода озоно-воздушной смеси, используя следующее неравенство:
3
Согласно графику ступенчатой зависимости расхода озоно-воздушной смеси от дозы озона, приведенного на фиг.8, этому условию удовлетворяют рабочие диапазоны дозы на ступенях 3 и 4 с расходом 2140, 2675 нм/ч
при
Для однозначного выбора ступени определяют величину необходимой текущей концентрации озона на каждой из них по формуле:
при
4
опт
3
3
Выбирают четвертую ступень расхода, при которой необходимая концентрация С=13,4 г/нм наиболее близка к оптимальной концентрации С=14 г/нм.
По номеру 4 выбранной ступени определяют необходимое количество отдельных линий диспергаторов, равное 2.
С учетом технологических потерь озона программно-математический блок ДСУ определяет текущую потребную производительность генератора озона по следующей формуле:
1
где ε=0,95 - фактическая степень поглощения озона водой;
2
ε=0,98 - коэффициент потерь озона из-за саморазложения при транспортировке по подводящим трубопроводам.
Результаты анализа задания на озонирование воды ДСУ сообщает:
- в ЛАСУ СПВ, ССО; СПД и СОД номер ступени и величину расхода ОВС;
- в ЛАСУ ССО, СПД величину производительности генератора озона, концентрации озона в ОВС;
- в ЛАСУ СПД количество отдельных линий диспергаторов.
Локальные системы управления осуществляют предусмотренную диагностику исправности оборудования, запорно-регулирующей арматуры и измерительных приборов.
Заслонки запорной и регулирующей арматуры устанавливаются в открытые положения, соответствующие пропуску заданного расхода озоно-воздушной смеси, кроме заслонки на выходе из воздухосборника 76 в генератор озона 2.
В открытое положение устанавливают задвижки на выходе из модулей 16 генератора озона, выбранных в качестве рабочих, и задвижки 18 на выходе трубопроводов, объединяющих модули, в магистральный трубопровод 19 подачи озоно-воздушной смеси в контактные резервуары, а также задвижку 20 и дроссель 22 на трубопроводе 19.
В открытое положение устанавливают задвижку 36 на входе в контактные резервуары.
Заслонки дросселей 30 и 31 устанавливают в открытое положение, соответствующее пропуску расхода выбранной 4-ой ступени, а именно:
используя результаты тарировки, проведенной до пуска.
В открытое положение устанавливают задвижку 60 и дроссель 62 системы отведения и деструкции 5.
После получения сообщения от ЛАСУ о готовности выполнить задание ДСУ выдает команду «Пуск», которая исполняется в автоматическом режиме по установленной циклограмме.
Сначала обеспечивают проток воды через контактные резервуары с заданным расходом.
Включают вентилятор 65 системы отведения 5 и открывают задвижку на пропуск воздуха из ресивера 76 в генератор озона 2.
Напряжение на источник питания не подают. Добиваются получения установившихся параметров потока воздуха: давления, расхода, перепада давления в разных точках тракта. Измеряют фактический расход обрабатываемой воды. Корректируют положения заслонок дросселя 22 на магистральном трубопроводе 19 и дросселей 30, 31 отдельных линий диспергаторов, добиваясь заданных величин давления воздуха в коллекторе 29 по датчику 34 и расхода воздуха по измерителю 33.
3
3
Затем подают напряжение на источники электропитания рабочих модулей генератора озона и добиваются получения заданной дозы озона, равной 3,4 г/м. Вычисляют реализуемую производительность генератора озона. Корректируют концентрацию озона в ОВС путем сопоставления заданного расхода воды и фактически измеренного, обеспечивая заданную дозу озона. Коррекция выполняется в пределах от 10 до 17,1 г/нм для данной ступени расхода.
3
3
3
При увеличении степени загрязненности обрабатываемой воды в ДСУ установки поступает новое задание по дозе озона. Например, увеличивается с 3,4 до 4,5 г/м. В этом случае согласно графику, представленному на фиг.10, необходим переход на 6-ю ступень расхода с подключением дополнительно 3-ей линии диспергаторов. Локальная система управления выдает команду сначала на синхронное уменьшение проходного сечения дросселей 30, 31 действующих линий диспергаторов и увеличение проходного сечения дросселя 32 подключаемой линии диспергаторов, добиваясь сначала сохранения прежнего расхода 4-ой ступени с уравниванием долей расхода по линиям, а затем на синхронное увеличение проходного сечения всех трех дросселей, добиваясь установления требуемого суммарного расхода озоно-воздушной смеси на 6-ой ступени, равного 3745 нм/ч. Затем увеличивают концентрацию озона в генераторе озона до требуемого значения и обеспечивают необходимую дозу озона, равную 4,5 г/м.