СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD AND APPARATUS FOR CONTINUOUS TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS

Область изобретения
Данное изобретение относится к способу измерения, регулирования по разомкнутому и замкнутому циклу оптимального дозируемого расхода химреагентов для обработки, вводимых в непрерывно текущие обрабатываемые жидкости, в частности химреагентов для обработки технологических и сточных вод, эмульсий и водных дисперсий, содержащих масла, поверхностно-активные вещества, лаки, краски и тяжелые металлы.
Уровень техники
Например, в процессе обработки металлов часто используют водорастворимые маслосодержащие смазочно-охлаждающие жидкости. В промышленном производстве при обработке заготовок на металлорежущих станках эти жидкости за счет смазывания способствуют теплоотводу и уменьшению трения между инструментом и заготовкой. Кроме того, их применяют в некоторых процессах обработки металлов резанием, например, для удаления стружки путем ее смывания из рабочей зоны. Очистку отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей осуществляют посредством ввода в обрабатываемую жидкость химреагентов для обработки. Особое практическое значение имеет обработка технологических вод, эмульсий и водных дисперсий, содержащих масла, поверхностно-активные вещества, лаки, краски и тяжелые металлы.
До конца 1980-х годов отработанные смазочно-охлаждающие жидкости утилизировали с применением неорганических кислот и солей, при этом образовывалось большое количество маслосодержащих неорганических шламов. Кроме того, в числе прочего, происходило засаливание и значительное падение показателя рН жидкой фазы с возможными последующими проблемами.
В 1990-е годы все большее значение для расщепления отработанных эмульсий стали приобретать так называемые органические расщепители на основе полиамина (например, произведенные фирмами Bayer, Henkel, Hoechst), позволяющие улучшить возможности утилизации.
Количество применяемых органических расщепителей приходилось определять в процессе дорогостоящих лабораторных испытаний. Только после этого появлялась возможность осуществить периодическое деэмульгирование в баке. Поэтому эти расщепители могли использовать только крупные потребители, например автомобильные заводы, предприятия по изготовлению коробок передач, утилизирующие предприятия и т.д. Технология, соответствующая этому виду расщепления, заключалась в периодической обработке имеющегося количества отработанных эмульсий.
Среди мелких потребителей в качестве возможной автоматической технологии обработки утвердился способ ультрафильтрации. Однако для пользователя эта технология связана с тем недостатком, что остаточный продукт утилизации содержит существенно больше воды и поэтому иногда его количество возрастает вплоть до 100% по сравнению с органическим расщеплением. Несмотря на то что применение установок для ультрафильтрации связано со сравнительно высокими капитальными затратами, в установках возникают неисправности, вызванные наличием химикатов, повреждающих мембраны. Кроме того, необходимость в периодической чистке мембран приводит к возникновению дополнительных проблем утилизации используемых моющих средств.
Органическое расщепление эмульсий отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей и маслосодержащих сточных вод при помощи катионных расщепителей до сих пор, как правило, осуществляют периодическим способом. Главная причина заключается в необходимости точного дозирования расщепителей, чтобы не допустить ухудшение результата из-за передозировки. Для этого количество расщепителей определяют заранее в лабораторном химическом стакане. Большинство известных способов определения дозируемого расхода являются слишком медленными, инерционными и дорогими для того, чтобы стать основой непрерывного автоматического процесса.
С момента разработки технологии органического расщепления недостатка в идеях и попытках найти приемлемые способы измерения и регулирования, позволяющие заменить сложные лабораторные испытания и одновременно создать предпосылки для непрерывного процесса обработки, не было.
В патентном документе DE 3743428 А1 раскрыт способ обезвоживания шламовых суспензий, при котором путем добавления коагулянтов в суспензии образуются хлопья определенных размеров.
В документе US 3,731,807 описано устройство, также предназначенное для расщепления суспензий, в котором предусмотрено несколько резервуаров для расщепления. Оптимальный дозируемый расход определяют периодически путем измерения в отдельных резервуарах для расщепления.
В документе DE 4403682 А1 раскрыт способ регулирования показателя рН питьевой воды по отношению к заданному показателю рН.
В документе US 6,068,012 описан способ регулирования и контроля нескольких параметров в системе охлаждения.
В патентном документе US 3,605,775 раскрыт способ регулирования дозируемого расхода химреагентов для обработки по отношению к заранее определенному теоретическому значению.
Задача
Задача данного изобретения заключается в определении способа и устройства, позволяющего осуществить непрерывную обработку загрязненных жидкостей с помощью органических и/или неорганических расщепителей и/или их соединений (химреагентов для обработки)
Решение
Поставленная задача решается благодаря изобретениям с признаками, раскрытыми в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах. Этой ссылкой в содержание данного описания включен текст всех пунктов формулы изобретения. Кроме того, данное изобретение охватывает все имеющие смысл, в частности все упомянутые, комбинации независимых и/или зависимых пунктов.
Ниже более подробно описаны отдельные этапы предлагаемого способа обработки. Эти этапы не обязательно осуществляют в указанной последовательности. Описываемый способ также может содержать дополнительные, не названные этапы.
В предлагаемом способе измерения, регулирования по разомкнутому и замкнутому циклу оптимального дозируемого расхода химреагентов, вводимых в непрерывно текущие обрабатываемые жидкости, например органических деэмульгаторов, в том числе катионных полимеров или соединений солей многовалентных металлов, в частности химреагентов для обработки технологических и сточных вод, эмульсий и водных дисперсий, содержащих масла, поверхностно-активные вещества, лаки, краски и тяжелые металлы, на первом этапе задают максимальное и минимальное абсолютные значения дозируемого расхода вводимых химреагентов для обработки, причем дозируемый расход не больше максимального и соответственно не меньше минимального значения. Минимальное и максимальное значения дозируемого расхода определяют в рамках предварительного исследования различных проб сточных вод.
На втором этапе перед началом измерения и регулирования по разомкнутому и замкнутому циклу осуществляют анализ дозирования, при котором проверяют предварительно установленный диапазон значений дозирования, и в качестве оптимального начального значения дозируемого расхода принимают дозируемый расход, изменяющий определенную характеристику обрабатываемой жидкости.
Как правило, выбор подходящего расщепителя и определение его количества осуществляют один раз в процессе сравнительного испытания в лабораторном химическом стакане. С этой целью применяют различные известные специалистам методы испытания первичного расщепления. В случае существенного изменения состава сточной воды это испытание повторяют.
Анализ дозирования предусматривает проверку того, при каком предварительно установленном дозируемом расходе вводимых химреагентов достигается сравнительно наиболее благоприятное значение определенной характеристики обрабатываемой жидкости. В качестве оптимальной начальной дозировки принимают дозируемый расход вводимых химреагентов для обработки, которому соответствует относительный минимум кривой изменения определенной характеристики обрабатываемой жидкости. При этом расход вводимых химреагентов ограничивают максимальным и минимальным абсолютными значениями дозируемого расхода. При достижении относительного минимума кривой изменения определенной характеристики жидкости расход вводимых при этом химреагентов принимают за оптимальное значение (начальная дозировка).
Определение начального значения дозируемого расхода вводимых химреагентов схематично показано на графике, представленном на фиг.3.
Значение определенной характеристики жидкости, измеренное в точке относительного минимума кривой, принимают в качестве первого исходного значения для автоматического процесса регулирования по замкнутому циклу. В начале автоматической непрерывной подготовки и/или расщепления (автоматический режим) установленное оптимальное значение начальной дозировки задают в устройство регулирования по разомкнутому циклу.
При этом определенную характеристику обрабатываемой жидкости находят при помощи измерительной аппаратуры, например, посредством датчика для измерения экстинкции, рассеянного освещения или мутности. Кроме того, на втором этапе определенную характеристику непрерывно текущей обрабатываемой жидкости непрерывно, предпочтительно непрерывно и автоматически, контролируют при помощи измерительной аппаратуры.
На основе непрерывного (и по возможности автоматического) контроля определенной характеристики обрабатываемой жидкости при помощи измерительной аппаратуры непрерывно и автоматически измеряют и регулируют по разомкнутому и замкнутому циклу дозируемый расход вводимых химреагентов для обработки.
Если выявляют изменение контролируемой характеристики обрабатываемой жидкости, то дозируемый расход вводимых химреагентов изменяют, предпочтительно уменьшают. Дозируемый расход химреагентов меняют до тех пор, пока определенная характеристика обрабатываемой жидкости не достигает оптимального значения. Это оптимальное значение считают новым исходным значением для процесса регулирования по замкнутому циклу.
Если в дальнейшем снова фиксируют изменение контролируемой характеристики обрабатываемой жидкости, то вышеописанный этап повторяют в каждом случае до тех пор, пока определенная характеристика обрабатываемой жидкости вновь не достигнет оптимального значения.
Оптимальный дозируемый расход (начальная дозировка) определяют как вручную, так и автоматически.
Применение процессоров нового поколения в сочетании с высокоэффективными сенсорными системами и современными алгоритмами регистрации и обработки результатов измерений позволяет осуществить предлагаемый способ непрерывной и автоматической обработки, в частности органического расщепления.
Применение расщепителей в зависимости от конкретного типа сточных вод, например органических деэмульгаторов, в том числе катионных полимеров или соединений солей многовалентных металлов, также позволяет осуществить способ непрерывной и автоматической обработки фактически для любого объемного расхода жидкости.
Кроме того, предпочтительно обеспечивается возможность оптимизировать расход вводимых химреагентов для обработки (например, расщепителей) благодаря непрерывной оценке результатов обработки (например, результатов расщепления). Такая оптимизация особенно предпочтительна, поскольку в большинстве случаев в производственных условиях тип и концентрация эмульсий в сточной воде постоянно меняются. В известных до настоящего времени способах, как правило, обработка проводилась с избыточным или недостаточным дозируемым расходом вводимых химреагентов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения определенная характеристика обрабатываемой жидкости представляет собой параметр, характеризующий ослабление излучения, предпочтительно светового излучения, в обрабатываемой жидкости.
Ослабление излучения предпочтительно определяют посредством измерения экстинкции. Экстинкция или оптическая плотность среды является мерой ослабления излучения (например, света) в этой среде.
0
Если интенсивность излучения, падающего на поглощающую среду, обозначить I, а интенсивность излучения, прошедшего поглощающую среду, - I, то экстинкция Е равна логарифмической величине, обратной коэффициенту пропускания τ для излучения с длиной волны λ:
Величина пропущенного излучения (отношение интенсивности излучения, прошедшего поглощающую среду, к интенсивности излучения, падающего на поглощающую среду) называется коэффициентом пропускания. Итак, экстинкция представляет собой отрицательный десятичный логарифм коэффициента пропускания. В общем, ослабление излучения характеризуется такими параметрами, как поглощение, рассеяние, дифракция и отражение излучения, оно также зависит от длины волны. Поэтому, измеряя экстинкцию при световом излучении с определенными длинами волн, также можно установить степень чистоты или мутности среды (например, жидкости).
В соответствии с изобретением ослабление излучения измеряют на заданной длине волны из диапазона длин волн, когда жидкость после обработки химреагентами имеет максимально измененное значение экстинкции. В качестве альтернативного варианта (или в качестве дополнения) возможно использование источника сплошного излучения (белый свет).
Ослабление излучения измеряют при помощи датчика, предпочтительно при помощи фотодатчика, работающего в указанных диапазонах длин волн.
При этом проводят измерение экстинкции (оптической плотности или мутности) жидкости. В результате проведения подобного измерения происходит автоматическое регулирование дозируемого расхода вводимых химреагентов. Данное регулирование основано на сравнении текущего фактического значения с исходным значением, например экстинкции обрабатываемого в очистной установке потока сточных вод. Измеряют не просто концентрацию или другие показатели, представляющие интерес в частности, а ограничиваются измерением особой характеристики жидкости, например мутности, позволяющей судить о качестве обработки.
Особенно предпочтительным является тот факт, что экстинкцию обрабатываемой жидкости измеряют непрерывно (в течение всего процесса обработки) и дозируемый расход меняют, то есть автоматически регулируют, только в случае изменения первоначально измеренного (оптимального) значения, например, вследствие изменения состава компонентов сточных вод и/или их концентрации.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения обрабатываемую жидкость и химреагенты для ее обработки смешивают друг с другом на первом этапе, предпочтительно при помощи статического смесителя, а измерение определенной характеристики обрабатываемой жидкости проводят после смешивания лишь по истечении определенного периода времени.
Для осуществления предлагаемого способа непрерывной и автоматической обработки (например, органического расщепления) предпочтительно применяют процессоры нового поколения в сочетании с высокоэффективными сенсорными системами и современными алгоритмами. Разработка точного и быстрого алгоритма регистрации и обработки результатов измерения мутности и их анализа совместно с гибкой геометрией датчиков позволяет, используя одно и то же технологическое оборудование, реализовать как "быстрые", так "медленные" реакции расщепления. Процессы с различной скоростью протекания реакций с химреагентами для обработки можно оптимизировать, например, посредством настройки времени пребывания в трубчатом реакторе. Каждую отдельную оптическую плотность обрабатываемой жидкости выравнивают посредством регулировки светового пути (геометрии датчиков). При использовании этих двух методов регулировки данный способ можно применять при различных составах сточных вод. При этом геометрия датчиков определяется расстоянием от датчика до источника света.
Кроме того, предусмотрена возможность с помощью переключающего устройства повторно пропускать обрабатываемую жидкость через циркуляционную систему для дополнительной обработки. В результате этого можно улучшить степень чистоты обрабатываемой жидкости.
Задача также решается благодаря предлагаемому устройству. Это устройство содержит, по меньшей мере:
a) один измерительный прибор, предназначенный для установки численного значения определенной характеристики обрабатываемой жидкости;
b) один регулятор, предназначенный для оптимизации дозируемого расхода вводимых химреагентов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемое устройство имеет средства дистанционного контроля и регулирования, например GSM-модуль (глобальная система подвижной связи) и/или ТСР/IP-соединение (Интернет).
В предлагаемом устройстве «измерение» и «обработка данных с обратной связью» для автоматизации дозировки предпочтительно создает возможность не только непрерывно осуществлять обработку (например, расщепление) эмульсионных и дисперсионных отработанных жидкостей, но и одновременно осуществлять автоматическое управление процессом обработки при оптимальном вводе реактивов. Кроме того, интеграция GSM-модуля делает возможными удаленные запросы и удаленное управление процессом обработки.
3
Измерение для оценки определенной характеристики обрабатываемой жидкости предпочтительно проводят в обходном потоке и/или непосредственно в прямом потоке сточной воды. При этом обходной поток представляет собой ответвление от исходного потока сточной воды, проходящее через измерительный прибор. Однако если измерение для оценки определенной характеристики обрабатываемой жидкости проводят непосредственно в прямом потоке сточной воды, объемный расход жидкости задают не более 20 м/ч.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения в предлагаемом устройстве предусмотрен статический смеситель. Предпочтительно между измерительным прибором и смесителем находится участок смешения, в зависимости от продолжительности реакции, например, в виде гибкой петли шланга или трубного флоккулятора. Измерительный прибор или ответвление к измерительному прибору предпочтительно расположены за этим участком смешения.
Благодаря модульной конструкции эти системы используют фактически при любом объемном расходе жидкости. Предусмотрена возможность присоединять как обычные мембранные дозирующие насосы, так и частотно-регулируемые насосные системы. Чтобы достичь оптимального результата обработки сточных вод, отдельно устанавливают сенсорную системы и контролирующую программу.
Кроме того, данное изобретение предусматривает возможность изготавливать чрезвычайно компактную конструкцию требуемого технологического оборудования, которое практически не нуждается в техническом обслуживании и требует для монтажа лишь небольшую часть той площади, которая необходима в случае установки типового расщепляющего оборудования периодического действия.
При этом в зависимости от пожеланий и требований заказчика для реализации специальных вариантов исполнения оборудования, вплоть до полностью укомплектованного варианта возможна поставка системы управления в качестве решения "включай и работай". Возможны различные варианты исполнения - от автономного варианта до объединения в современные системы Profi-Bus (высокоскоростная шина цифрового технологического оборудования).
Остальные подробности и признаки вытекают из дальнейшего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения в сочетании с зависимыми пунктами формулы изобретения. Соответствующие признаки осуществляются по отдельности или в сочетании друг с другом. Возможности решения поставленной в изобретении задачи не ограничиваются предпочтительными вариантами осуществления изобретения. Так, например, указанные диапазоны всегда включают все (не названные) промежуточные значения и все возможные частичные интервалы.
Примеры осуществления изобретения схематично изображены на чертежах. Одинаковые номера позиций на отдельных чертежах обозначают одни и те же элементы или элементы, выполняющие одинаковые функции. На чертежах, в частности, показано следующее:
Фиг.1 - общая схема предлагаемого способа, осуществленного в обходном потоке обрабатываемых сточных вод.
Фиг.2 - структурная схема предлагаемого способа, осуществленного в прямом потоке сточных вод.
Фиг.3 - графическое изображение метода определения оптимального дозируемого расхода.
На фиг.1, например, изображено устройство 100 для осуществления предлагаемого способа в обходном потоке обрабатываемых сточных вод, содержащее резервуар 101 для сточных вод, в котором собирают обрабатываемую жидкость 102, подаваемую по различным трубопроводам 104. По трубопроводу 106 жидкость при помощи насоса 108 направляют в статический смеситель 110. По трубопроводу 112 в статический смеситель 110 также вводят органический расщепитель 114. Регулирование дозируемого расхода расщепителей, вводимых насосом 116 из бака 118, содержащего расщепители, осуществляют при помощи блока 120 управления. Через трубопровод 121, редукционный створчатый клапан 122, открытый на 90%, и далее по трубопроводу 124 обработанная жидкость поступает в разделительный резервуар 126, в котором собирают очищенную воду 128 и отделенные загрязняющие вещества 130.
Параллельно этому по трубопроводу 132 из статического смесителя 110 в блок 120 управления подают пропорциональное количество обработанной жидкости. Через входной клапан 134, фильтр 136 грубой очистки и второй клапан 138 это количество жидкости направляют к измерительной ячейке (регулируемому датчику) 140, предпочтительно выполненной в виде поплавкового расходомера для измерения мутности. Здесь осуществляют измерение и оценку особой характеристики обработанной жидкости, например, предпочтительно путем определения мутности (оптической плотности) посредством измерения экстинкции.
При помощи регулятора 142 в случае изменения (отклонения от текущего исходного значения) контролируемой характеристики жидкости автоматически можно осуществить необходимое регулирование дозируемого расхода органического расщепителя через выход 144 регулятора. Через выходной клапан 146 блока 120 управления контролируемое количество обработанной жидкости по трубопроводам 148, 124 также направляют в разделительный резервуар 126.
На фиг.2 схематично показан способ обработки, осуществленный в прямом потоке сточной воды. Из резервуара 101 для сточных вод подлежащая обработке сточная вода 102 через клапан 200 по трубопроводу 106 поступает к питающему насосу 108, подающему обрабатываемую жидкость в статический смеситель 110. Смеситель 110 имеет соответствующий продолжительности реакции реакционный участок 202 (участок смешения), выполненный в виде гибкой петли шланга или трубного флоккулятора. По трубопроводу 112 в статический смеситель 110 из резервуара 118 для расщепителей также вводят органический расщепитель. При помощи дозирующего насоса 116 расщепитель подают в смеситель 110 с соответствующим дозируемым расходом. В статическом смесителе 110 органический расщепитель смешивают с жидкостью.
Если необходимо отрегулировать показатель рН жидкости, то из резервуара 204, содержащего рН-корректоры, при помощи насоса 206 в жидкость добавляют рН-корректоры.
Расход расщепителя или обрабатываемой жидкости соответственно измеряют при помощи расходомера, например калориметрического расходомера.
После смесителя 110 обработанную жидкость через реакционный участок 202 и далее через клапан 210 направляют к датчику 140 блока управления. Датчик 140 определяет текущие значения контролируемой характеристики жидкости. Регулирование дозировки осуществляют на основе измеренных значений, определенных датчиком 140 блока управления. При этом регулятор автоматически осуществляет регулирование дозируемого расхода расщепителей, подаваемых дозирующим насосом 116 из резервуара 118 для расщепителей.
3
3
Например, для дозирования предпочтительно используют эксцентриковый шнековый насос с производительностью 3 л/ч, управление которым осуществляют при помощи частотного преобразователя с частотой примерно до 87 Гц. Это соответствует максимальному дозируемому расходу примерно в 5 л/м при объемном расходе жидкости 1 м/ч.
Автоматически регулируют также возможное добавление рН-корректоров из резервуара 204. Кроме датчика 140 к блоку управления также относится питающий насос 108, дозирующий насос 116 для дозировки раствора расщепителя, как правило, 5-10-процентного, и насос 206 для регулировки уровня рН. Дозировку рН-корректоров, добавляемых в поток сточных вод, как правило, осуществляют при помощи мембранного дозирующего насоса или электромагнитного клапана, регулируемого в зависимости от показателя рН.
Для взятия проб жидкости предназначено два пробоотборных крана 212 и 214. При помощи редукционного створчатого клапана 122 с расходомером 216 обработанную жидкость через выходной клапан 146 и выходное отверстие 218 направляют в разделительный резервуар или на флотацию.
3
Процесс автоматического непрерывного органического расщепления эмульсий осуществляют с расходом жидкости не более 1 м/ч, при этом первоначальное значение показателя рН эмульсии составляет 7-9.
На графике фиг.3 показана кривая 300 изменения экстинкции обрабатываемой жидкости в зависимости от дозируемого расхода (горизонтальная ось) вводимого органического расщепителя. Диапазон 302 значений дозируемого расхода вводимого расщепителя ограничен минимальным 310 и максимальным 312 значениями дозируемого расхода. Кривая имеет минимум 304. Ход кривой показывает, что при увеличении дозируемого расхода экстинкция (мутность) жидкости сначала снижается до минимума 304. При дальнейшем увеличении дозируемого расхода экстинкция жидкости снова повышается. При этом значение дозируемого расхода, которое приводит к минимальной экстинкции (мутности) 306 жидкости, принимают в качестве оптимального значения дозируемого расхода 308. Оптимальное значение дозируемого расхода 308, определенное вначале вручную или автоматически путем анализа дозирования, устанавливают как начальную дозировку для начала автоматического регулирования. Таким образом, значение экстинкции жидкости, соответствующее оптимальному значению дозируемого расхода 308, также считают исходным значением для начала автоматического регулирования дозируемого расхода при помощи регулятора. В течение автоматического процесса при изменении мутности жидкости (например, при изменении состава химреагентов или обрабатываемой жидкости) автоматически определяют новое оптимальное значение дозируемого расхода 308 и на его основе устанавливают новое исходное значение для автоматического регулятора, и соответственно автоматически настраивают оптимальное значение дозируемого расхода 308. Значение экстинкции обработанной жидкости после окончания процесса также является показателем успешного завершения процесса непрерывного автоматического расщепления эмульсии.
Перечень номеров позиций
100
Устройство для осуществления предлагаемого способа
101
Резервуар для сточных вод
102
Обрабатываемая жидкость
104
Подающие трубопроводы
106
Трубопровод
108
Насос
110
Статический смеситель
112
Трубопровод
114
Органический расщепитель
116
Насос
118
Резервуар (бак) для расщепителя
120
Блок управления
121
Трубопровод
122
Редукционный створчатый клапан
124
Трубопровод
126
Разделительный резервуар
128
Очищенная жидкость
130
Отделенные загрязняющие вещества
132
Трубопровод
134
Входной клапан
136
Фильтр грубой очистки
138
Второй клапан
140
Измерительная ячейка (регулируемый датчик)
142
Регулятор
144
Выход регулятора
146
Выходной клапан
148
Трубопровод
200
Клапан
202
Реакционный участок
204
Резервуар с рН-корректорами
206
Насос
208
Двигатель
210
Клапан
212
Пробоотборный кран
214
Пробоотборный кран
216
Расходомер
218
Выпускное отверстие к разделительному резервуару
300
Кривая изменения экстинкции
302
Диапазон значений дозируемого расхода
304
Минимум кривой изменения
306
Минимальное значение экстинкции / исходное значение
308
Оптимальное значение дозируемого расхода