Устройство распределения реагентов в псевдоожиженном слое
APPARATUS FOR REAGENT DISTRIBUTION IN THE FLUIDISED BED

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для распределения потоков, а именно для распределения реагента в реакторе для умягчения воды с псевдоожиженным слоем носителя, на котором происходит осаждение кристаллов солей жесткости, и может использоваться в установках для умягчения питьевой воды, в энергетике, в химической и других отраслях промышленности.
Для реагентного умягчения воды используются ряд технологических приемов и конструкция аппаратов. Наиболее распространенным способом является обработка воды известковым молоком с железным коагулянтом и органическим флокулянтом в горизонтальных и вертикальных осветлителях разного типа.
Другим способом является обработка воды химическими реагентами: известковым молоком, щелочью или содой в присутствии специальной затравки, как правило, это песок заданной крупности.
3
2
2
3
2
Са(НСО) + Са(ОН) → 2СаСО↓ + 2НО,
3
2
3
2
3
2
Са(НСО) + 2NaOH = СаСО↓+ NаСО + 2НО.
3
2
2
2
3
3
Са(НСО) + Са(ОН) + NаСО = 2СаСО↓ + 2NaOH
3
При вводе реагента происходят описанные выше реакции, которые приводят к образованию твердого вещества СаСО карбоната кальция, который осаждается на поверхности частиц носителя - затравки, находящихся в псевдоожиженном слое.
Известны устройства для распределения реагента в псевдоожиженном слое носителя в так называемых пеллет-реакторах, например, компании из Нидерландов, внедрившей большое число таких устройств (Softening WАTER TREATMENТ, https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/Softening-1.pdf) для умягчения и декарбонизации воды, или процесс «Crystalactor», разработанный голландской компанией DHV и реализованный в США компанией Procorp (The Crystalactor Efficient Treatment without Waste, https://global.royalhaskoningdhv.com/en/crystalactor) для умягчения и декарбонизации воды и удаления тяжелых металлов, фосфора и т.п. - расположенная внизу реактора специальная распределительная система для ввода очищаемой воды и реагента.
Установка с псевдоожиженным слоем представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну с расположенной внизу специальной распределительной системой для ввода очищаемой воды и реагентов, а вверху расширением и сборным лотком для сбора очищенной (умягченной и декарбонизированной) воды. Сверху предусмотрен патрубок ввода затравочного материала, а снизу для вывода образовавшихся гранул карбоната кальция.
-
-2
3
Работа такой установки основана на реакции образования карбоната кальция при взаимодействии растворенных солей кальция с он или со ионом, вносимым в раствор при дозировке щелочи или соды. Процесс осуществляется в присутствии специальной затравки, загружаемой в реактор. В качестве затравки применяется мелкий тяжелый материал - песок, гарнет, кальцит и т.п. исходный размер его частиц составляет от 0,2 до 0,5 мм.
При подаче воды со скоростью до 100 м/ч происходит псевдоожижение слоя загрузки, а вода свободно движется через расширенный слой. Поверхность частиц песка оказывается полностью омываемой водой. При подаче реагента начинается реакция образования кристаллов карбоната кальция, которые налипают на поверхность частиц песка. При движении воды вверх по слою кристаллы полностью захватываются частицами загрузки. На выходе вода полностью чиста. По мере продолжения работы размер образовавшихся гранул (пеллет) постоянно увеличивается. При достижении гранулами размера 1-5 мм они выводятся из нижней части аппарата. При этом выводится только наиболее крупная часть слоя. Сверху добавляются новое количество мелкого песка и процесс продолжается.
Регулируя расход вводимого реагента и скорость воды можно регулировать глубину умягчения или декарбонизации или степень удаления тяжелых металлов или фосфора.
Такой аппарат имеет высокую производительность 50-100 м3/м2*ч и, соответственно, занимает малую площадь и строительный объем. В отличие от отстойников, он не требует применения коагулянтов и флокулянтов, достаточно стабильно работает при изменении температуры и расхода воды, что очень важно, позволяет получать минимальный объем отходов - менее 1% в твердом виде, пригодном для утилизации.
Конструкция аппарата относительно проста. Наиболее сложной деталью является распределительная система. Она должна обеспечивать:
- равномерное распределение воды по сечению аппарата;
- равномерный ввод реагента по всему сечению при том, что расход реагентов составляет всего порядка 1% от потока воды;
- равномерную выгрузку образовавшихся гранул.
Это происходит в условиях очень быстрого начала кристаллизации и наличия мелкого песка, который забивает все отверстия.
Близкими по конструкции являются аппараты «Нидерландского типа», работающие с дозированием концентрированной щелочи, в которых применяются устройства для распределения реагента в псевдоожиженном слое, включающие специальную сдвоенную распределительную тарелку и очень сложные колпачковые устройства, через которые одновременно вводят и воду, и щелочь. При этом вода подается под нижнюю распределительную тарелку, а щелочь - в пространство между тарелками (Softening WATER TREATMENT. С. 167-168).
Недостатком описанного устройства является то, что реакция происходит в непосредственной близости от поверхности верхней тарелки, на которой установлены колпачковые устройства. В результате происходит образование кристаллов на поверхности верхней тарелки и колпачковых устройств. (Improving CFD modelling of drinking water reactors. рис. 6-7. https://d1rkab7tlqy5f1.cloudfront.net/3mE/Organisatie/Afdelingen/Process%20%26%20Energy/Education/available%20projects/IRS/180507%20MSc_project%20CFD%20FBI%20nozzles%201.3.pdf ).
Наиболее близким аналогом является устройство для распределения реагента в псевдоожиженном слое в реакторе для реагентного умягчения воды (Патент РФ №198959 от 05.08.2020), состоящее из распределительной тарелки с дренажными колпачками и устройства для подачи реагента - трубчатого коллектора с распределенные по его сечению патрубками, погруженного в псевдоожиженный слой выше дренажных колпачков распределительной тарелки.
Недостатком такого решения является трудность в очистке устройства для распределения реагента в псевдоожиженном слое при его зарастании солями карбоната кальция. Необходимо не только останавливать работу аппарата, но и выгружать из него образовавшиеся гранулы и песок.
Задачей изобретения является уменьшение образования кристаллов на поверхности тарелки распределительной системы с дренажными колпачками для воды и уменьшение образования кристаллов на распределительном устройстве для ввода реагентов, исключение возможности попадания песка в линии подачи реагентов и воды, а также упрощение конструкции при сохранении остальных положительных качеств прототипа, при сохранении эффективности очистки воды.
Поставленная задача решается тем, что устройство распределения реагентов в псевдоожиженном слое для умягчения воды выполнено в виде: вертикальной цилиндрической колонны, расширяющейся к вверху, в нижней части которой установлена распределительная система с дренажными колпачками для ввода умягчаемой воды, а в верхней части - система вывода умягченной воды. Также в колонне, над распределительной системой с дренажными колпачками установлено устройство для распределения реагента с системой его подачи, а сама колонна заполнена псевдоожиженным слоем мелкозернистого материала - песком. При этом над распределительной системой с дренажными колпачками, выполнен вывод отработанного песка - гранул.
Также устройство распределения реагентов, расположено в псевдоожиженном слое над поверхностью тарелки распределительной системы с дренажными колпачками на расстоянии больше чем 5 высот ее дренажных колпачков и представляет собой трубчатый коллектор с установленными на нем дренажными колпачками, распределенными равномерно по сечению коллектора.
А при этом устройство распределения реагентов выполнено подвижным и съемным, и соединено вертикальным гибким шлангом, через верх колонны, с системой подачи реагента, и поддерживается в псевдоожиженном слое тросом, связанным с подъемным устройством, которое выполнено с возможностью регулировки глубины погружения и подъема устройства распределения реагентов через верх колонны.
В верхней части колонны предпочтительно дополнительно должен быть выполнен патрубок для подачи мелкозернистого материала взамен отработанного.
Подъемное устройство выполняют в виде тали.
Ввод реагентов может производиться через устройство для распределения реагента, выполненного в виде трубчатого коллектора с опущенными вниз патрубками малого сечения, равномерно распределенные по сечению трубчатого коллектора.
Либо ввод реагентов может производиться через устройство для распределения реагента, выполненного в виде трубчатого коллектора с установленными вверх колпачками, основанными на явлении «естественного откоса».
Либо ввод реагентов может производиться через устройство для распределения реагента, выполненного в виде трубчатого коллектора с установленными вверх дренажными колпачками щелевого стандартного типа, применяемые в механических и ионообменных фильтрах.
Распределительное устройство представляет собой трубчатый коллектор, соединенный с гибким шлангом подачи реагента и тросом. Трубчатый коллектор выполнен в виде трубок соединенных друг с другом в горизонтальной плоскости и с установленными на них колпачками, которые предпочтительно должны быть равномерно распределены по всем трубкам коллектора. Колпачки могут быть, как обычными опущенными вниз трубками, (как это выполнено в ближайшем аналоге), так и поднятыми вверх трубками с колпачками, основанными на явлении «естественного откоса» (колпачками установленными на патрубках ввода таким образом, что ввод воды выполняется выше нижнего отверстия колпачка на высоту, большую чем может подняться слой твердого зернистого материала после его осаждения), и выполненные каждый следующим образом: колпачок установлен на патрубке для вывода жидкости из трубки коллектора и закреплен так, что его внутренняя трубка соединялась с трубкой коллектора, а наружный колпачок был свободен; так и дренажными щелевыми колпачками стандартного типа, применяемые в механических и ионообменных фильтрах.
Благодаря интенсивному перемешиванию псевдоожиженного слоя реагенты быстро распределяются по сечению реактора.
Заявляемое устройство для распределения реагента в псевдоожиженном слое представлено на фиг. 1 и состоит:
1 - цилиндрическая колонна;
2 - распределительная тарелка для воды;
3 - устройство для распределения реагента;
4 - псевдоожиженный слой песка;
5 - трос для извлечения и регулировки высоты устройства для распределения реагента;
6 - шланг подачи реагента;
7 - патрубок для вывода умягченной воды;
8 - патрубок для подачи свежего песка;
9 - патрубок для вывода отработанного песка - гранул;
10 - трубчатый коллектор;
11 - патрубки с открытыми концами, опущенные вниз;
12 - патрубки, снабженные дренажными колпачками, выполненные на основании явления «естественного откоса» и направленные вверх;
13 - патрубки, снабженные дренажными колпачками стандартного типа;
14, 15 - крепления для троса;
16 - регент,
17 - обрабатываемая вода.
Заявляемое устройство - реакционный аппарат представляет собой (Фиг. 1) цилиндрический корпус 1 с расположенной внизу распределительной тарелкой 2, служащей для распределения очищаемой воды по всему сечению аппарата и не допускающий попадания песка в трубопроводы, подающие воду. Над распределительной тарелкой располагается псевдоожиженный слой песка 4, который занимает 50-80% высоты аппарата. В толще псевдоожиженного слоя расположено распределительное устройство 3. Оно соединено с тросом 5 для его извлечения и регулировки высоты и со шлангом подачи реагента 6. Трос 5 может быть закреплен посредством подъемного устройства (например, тали). При этом подъемное устройство регулирует глубину погружения распределительного устройства 3 и обеспечивает возможность его извлечения, отмывки и ремонта.
Расширение в верхней части необходимо для снижения скорости воды и предотвращения уноса мелкого песка. Умягченная вода выводится через патрубок для вывода 7.
В верхней части аппарата расположен патрубок подачи свежего песка 8.
В нижней зоне расположен патрубок для периодической выгрузки гранул т.е. песка с налипшим на него слоем карбоната кальция, соединённым с патрубком 9 и далее с трубопроводом.
Такое расположение распределительного устройства обеспечивает протекание реакции в пространстве, свободном от частей нижней распределительной тарелки.
В распределительное устройство насосом подается раствор щелочи, кальцинированной соды или известковой воды. Реакция образования карбоната кальция происходит в слое песка, карбонат откладывается на его частицах, обволакивая их и образуя твердый слой. По мере увеличения размеров образующихся частиц, которые называют гранулами, они образуют более тяжелый слой в нижней части реактора. По мере накопления крупных гранул, они выгружаются из реактора, а сверху вводится порция свежей загрузки.
На фиг. 2-5 показаны варианты конструкции устройств распределения реагентов 3. Трос 5 для его подъема жестко закрепляется на коллекторе 10 в точках 14 или 15. К нему же подключается гибкий шланг подачи реагента 6. Ввод реагента в слой песка производится через распределенные по периметру коллектора 10 устройствами, которые могут быть как в виде опущенных вниз трубок 11 в соответствие с патентом РФ № 198959 (см. фиг. 2), так и, с поднятыми вверх трубками и колпачками 12, основанными на явлении «естественного откоса» в соответствие с патентом РФ № 2752351 (см. фиг. 3), так и стандартного типа 13, применяемые в механических и ионообменных фильтрах, показанных на фиг. 4. При этом расположение выводящих устройств 11,12,13 из трубчатого коллектора 10 показано на фиг. 5.
3
Проведенные длительные испытания модели реактора с псевдоожиженным слоем производительностью 3 м/ч показали его эффективную и устойчивую работу на скоростях 45-110 м/ч. При этом образование отложений на узлах распределительной системы и стенках аппарата не обнаружено. Степень умягчения соответствовала концентрации временной жесткости, что соответствует расчётам.