РЕАКТОР ДЛЯ РЕАГЕНТНОГО УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ

Полезная модель относится к области водоочистки, а именно к устройствам для умягчения воды с псевдоожиженным слоем носителя, на котором происходит осаждение кристаллов солей жесткости, и может использоваться для подготовки питьевой воды, воды для энергетики, а также в химической и других отраслях промышленности.
В настоящее время для реагентного умягчения воды известна обработка воды в осветлителях известковым молоком или щелочью в присутствии железосодержащего коагулянта или в присутствии специальной затравки, как правило, песка заданной крупности. (RU 94565, 2010; RU 139630, 2014; RU 8270, 1998).
Для реализации такого процесса используют, в частности, вихревые реакторы (RU 2156747, 2002). Такой реактор, как правило, состоит из трех размещенных одна над другой цилиндрических камер с последовательно увеличивающимся диаметром, соединенных усеченными конусами, нижней камеры быстрого смешения, оснащенным тангенциальным патрубком ввода исходной воды и патрубками ввода щелочного реагента и вывода гранул затравочного материала. При этом камера быстрого смешения снабжена конгруэнтной вставкой, оснащенной спиралевидной направляющей, с увеличивающимся по высоте шагом и углом нарезки - 30-35°. Средняя камера, где проходит кристаллизация, снабжена слоем затравочного материала, а верхняя камера стабилизации снабжена патрубком для ввода гранул затравочного материала и патрубком вывода умягченной и декарбонизированной воды. В камере быстрого смешения организовано интенсивное перемешивание реагента.
Достоинством такого аппарата является высокая производительность малая занимаемая площадь и получение минимального объема отходов в твердом виде. Недостатком устройства является нестабильность работы в связи с тем, что распределение жидких реагентов по сечению осуществляется только за счет энергии входного потока, а также сложность масштабирования.
-
-2
3
Более перспективными для использования в промышленных масштабах являются т.н. «паллет реакторы» (https://www.rovalhaskoningdhv.com/en/crys-talactor), используемые для умягчения воды и удаления тяжелых металлов. Работа такого реактора основана на реакции образования карбоната кальция при взаимодействии растворенных солей кальция с ОН или СО ионами, вносимыми в раствор при дозировке щелочи или соды. Процесс осуществляется в присутствии специальной затравки, загружаемой в реактор. В качестве затравки применяется песок, кальцит и т.п. материалы с размером частиц от 0,2 до 0,5 мм.
В реакторе при подаче воды со скоростью до 100 м/ч происходит псевдоожижение слоя затравки, и вода свободно движется через расширенный слой. При этом поверхность ее частиц оказывается полностью омываемой водой. После подачи реагента начинается реакция образования кристаллов карбоната кальция, которые осаждаются на поверхность частиц затравки. В результате прохождения слоя затравки осадок полностью сорбируется и на выходе вода не имеет взвесей и имеет заданную концентрацию солей жесткости. Регулируя расход вводимого реагента, можно регулировать глубину умягчения или декарбонизации.
По мере продолжения работы реактора размер образовавшихся гранул (паллет) постоянно увеличивается. При достижении гранулами размера 1-5 мм наиболее крупная часть псевдоожиженного слоя выводится из нижней части аппарата, после чего сверху добавляют необходимое количество мелкодисперсного материала и процесс продолжается.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому решению является паллет реактор с псевдоожиженным слоем (Softening WATER-TREATMENT. https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/Softening-1.pdf), который представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну, имеющий в верхней части расширение корпуса, в котором установлен лоток для сбора очищенной (умягченной и декарбонизированной) воды, а в нижней части установлена распределительная системой для поступления очищаемой воды и реагентов. Кроме того в верхней части реактора предусмотрен патрубок трубопровода ввода затравочного материала, а в нижней - патрубок трубопровода вывода образовавшихся гранул карбоната кальция.
Применяемая распределительная система должна обеспечивать равномерное распределение воды по сечению аппарата, равномерную выгрузку образовавшихся гранул и ввод реагента по всему сечению в условиях очень быстрого начала кристаллизации и наличия мелкого материала, который забивает все отверстия, предназначенные для движения жидкости. Она состоит из специальной сдвоенной тарелки и колпачковых устройств, через которые одновременно вводятся и вода, и реагенты. При этом вода подается под нижнюю распределительную тарелку, а реагент - в пространство между тарелками (Softening WATERTREATMENT.C. https://ocw.tudelft.nl/wp-content/up-loads/Softening-1, p. 167-168).
3
2
Такой аппарат имеет высокую удельную производительность 50-100 м/м⋅ч и, соответственно, малую занимаемую площадь и строительный объем. В отличие от используемых для решения аналогичных задач отстойников, такой реактор не требует применения коагулянтов и флокулянтов, подогрева воды, позволяет осуществить минимизацию отходов (объем отходов - менее 1% в твердом виде, пригодном для утилизации).
Недостатком устройства наряду с высокой сложностью конструкции является ненадежность распределительной системы, обусловленная тем, что реакция осаждения карбоната кальция происходит в непосредственной близости от поверхности верхней тарелки, на которой установлены дренажные колпачки устройства, в результате кристаллы образуются на поверхности верхней тарелки и колпачков, создавая помехи процессам фильтрации жидкости (Improving CFD modelling of drinking water reactors. file:///C:/Users/riabc/Downloads/180507%20MSc_pro-ject%20CFD%_20FBI%20 nozzles%201.3.pdf. рис. 6-7).
Технической задачей, решаемой авторами, является усовершенствование конструкции, позволяющее устранить возможность образования кристаллов на поверхности распределительной тарелки и колпачков, а также возможность попадания мелкозернистой затравки в трубопроводы подачи реагентов и воды.
Техническая задача решалась путем разделения систем ввода очищаемой воды и реагентов.
Технический результат достигается тем, что в реакторе с псевдоожиженным слоем затравки, представляющем из себя вертикальную цилиндрическую колонну, снабженную в верхней части расширением и сборным лотком для сбора очищенной воды и расположенной в нижней части распределительной системой, состоящей из распределительной тарелки с дренажными колпачками, а также трубопроводов подачи воды и реагентов, в распределительной системе трубопровод для подачи воды соединен с распределительной тарелкой, снабженной дренажными колпачками, а система подачи
реагентов выполнена таким образом, что реагенты вводятся над поверхностью тарелки на расстоянии не менее высоты дренажных колпачков.
Оптимально выполнение системы подачи реагента в виде трубок, соединенных с коллектором подачи реагента, опущенных в толщу псевдоожиженного слоя загрузки над дренажными колпачками. В результате этого при ее использовании благодаря интенсивному перемешиванию псевдоожиженного слоя реагенты быстро распределяются по сечению аппарата.
В качестве мелкозернистого материала затравки, как правило, используют также как в аналогах мелкозернистый песок с размером частиц от 0,2 до 0,5 мм. В качестве дренажных колпачков могут использоваться стандартные колпачки, используемые в механических и ионообменных фильтрах, однако лучшие результаты достигаются при использовании колпачков, основанных на явлении т.н. «естественного откоса», свойственного всем сыпучим материалам. При использовании в качестве затравки песка укол скоса составляет 16±2°.
На фиг. 1 показана схема работы заявляемого реактора с псевдоожиженным слоем, на фиг. 2 - схема работы дренажных колпачков, использующих явление «естественного откоса» в рабочем режиме при подаче воды, а на фиг. 3 - схема работы дренажных колпачков при остановке подачи воды.
При этом используются следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - распределительная тарелка; 3 - трубопровод подачи воды; 4 - псевдоожиженный слой мелкозернистого материала; 5 - область расширения корпуса; 6-трубопровод отвода умягченной воды; 7 - система подачи реагента; 8 - дренажный колпачок; 9 - трубопровод выгрузки конечного продукта; 10 - насос; 11 - емкость для реагента; 12 - трубопровод подачи свежего мелкозернистого материала (песка); 13 - буферная емкость; 14 - трубопровод ввода воды; 15 - штыри для крепления колпачка.
Реактор состоит из цилиндрического корпуса 1 с установленным внизу патрубком трубопровода подачи воды 3 в буферную емкость 13, расположенную под распределительной тарелкой 2, служащей для распределения очищаемой воды по всему сечению реактора и не допускающий попадания мелкозернистого материала в трубопровод подачи воды 3. Тарелка 2 снабжена отверстием для периодической выгрузки мелкозернистого материала с налипшим на него слоем карбоната кальция, соединенным с трубопроводом выгрузки конечного продукта 9. Над распределительной тарелкой 2 расположена распределительная система для равномерного ввода раствора реагента 7 (щелочи или соды) в псевдоожиженный слой мелкозернистого материала 4. В цилиндрическом корпусе над тарелкой располагается псевдоожиженный слой мелкозернистого материала 4, который занимает 50-80% высоты аппарата. Расширение в верхней части 5 необходимо для снижения скорости воды и предотвращения уноса мелкозернистого материала. Умягченная вода выводится через трубопровод отвода умягченной воды 6.
Система подачи реагента 7 представляет собой трубчатый коллектор с опущенными вниз патрубками, расположенными выше распределительной тарелки 2 и дренажных колпачков 8. Это обеспечивает протекание реакции в пространстве, свободном от частей распределительной тарелки 2. В распределительную систему насосом 10 подается раствор щелочи или кальцинированной соды из емкости для реагента 11. Реакция образования карбоната кальция происходит в слое микрозернистого материала (песка), карбонат откладывается на его частицах, обволакивая их и образуя твердый слой. По мере увеличения размеров образующихся частиц, которые называют пеллетами, они образуют более тяжелый слой в нижней части корпуса реактора 1. По мере накопления крупных пеллет, они выгружаются из реактора через патрубок трубопроводом выгрузки конечного продукта 9, а сверху через патрубок трубопровода подачи свежего мелкозернистого материала 12 вводится порция свежей затравки.
Благодаря тому, что размеры отверстий распределительной системы много больше, чем у дренажных колпачков, их забивание менее возможно.
1
2
1
2
Конструкция дренажных колпачков 8 распределительной системы 7 может быть выполнена на основанном на явлении «естественного откоса», свойственного сыпучим материалам. Для песка он равен 16±3°. В рабочем состоянии вода, подаваемая через патрубок трубопровода подачи воды 3 под распределительную тарелку 2 свободно проходит через нее по патрубку трубопровода ввода воды 14, поднимая его на высоту штырей для крепления колпачка 15 и, проделав зигзагообразный путь под дренажным колпачком 8, вводится снизу псевдоожиженного слоя 4. При остановке реактора слой оседает и заполняет все свободное пространство, но из-за явления «естественного откоса», он не может подняться выше определенного уровня. Этот уровень рассчитывается как: H=(d-d)/2⋅tgα, где d диаметр колпачка; d - диаметр патрубка; α - угол естественного откоса. Высота патрубка должна быть больше рассчитанного уровня подъема песка.
3
Проведенные длительные испытания заявляемой 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.