РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ НОСИТЕЛЯ 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.royalhaskoningdhv.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 CO 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 загрузки, и вода свободно движется через расширенный слой. При этом поверхность частиц песка оказывается полностью омываемой водой. После подачи реагента начинается реакция образования кристаллов карбоната кальция, которые осаждаются на поверхность частиц песка. 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 песка и процесс продолжается.
Примерами таких реакторов являются пеллет реакторы, например компании из Нидерландов, внедрившая большое число таких устройств (Softening WATER TREATMENT. 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://www.royalhaskoningdhv.com/en/crystalactor) для умягчения и декарбонизации воды и удаления тяжелых металлов, фосфора и т.п. Так, пеллет реактор с псевдоожиженным слоем (Softening WATER-TREATMENT. https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/Softening-1.pdf), представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну, имеющий в верхней части расширение корпуса, в котором установлен лотком 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 ввода затравочного материала, а в нижней-патрубок для вывода образовавшихся гранул карбоната кальция.
3
2
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 песка, 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, р. 167-168). 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 колпачковые устройства, в результате кристаллы образуются на поверхности верхней тарелки и колпачковых устройств, создавая помехи процессам фильтрации жидкости (Improving CFD modelling of drinking water reactors. file:///C:/Users/riabc/Downloads/180507%20MSc_project%20CFD%20FBI%20nozzles%201.3.pdf, рис. 6-7).
Наиболее близким по конструкции к предлагаемому решению являются т.н. аппараты «Амстердамского типа» работающие с дозированием концентрированной щелочи, в которых применяется специальная сдвоенная опорно-распределительная тарелка и очень сложные колпачковые устройства, через которые одновременно вводятся и вода и щелочь. При этом вода подается под нижнюю распределительную тарелку, а щелочь - в пространство между тарелками (Softening WATER TREATMENT. С. 167-168).
Опорно-распределительная тарелка состоит из двух параллельных, соединенных по торцам диска, в которых симметрично проделаны сквозные отверстия, в которые по всему сечению вставлены собранные колпачковые элементы. Внутренняя полость между двумя дисками заполнена щелочью.
Колпачок для одновременного ввода воды и щелочи представляет собой массивную конструкцию, выполненную из монолитного куска пластика, в которой имеется центральная полость, соединенная снизу с нижней зоной аппарата, в которую подается очищаемая вода, а в верхней части в теле колпачка сделаны горизонтальные отверстия, выходящие выше верхней поверхности тарелки. В теле колпачка сделаны горизонтальные и вертикальные соединенные друг с другом каналы, которые начинаются в межтарельчатом пространстве, а оканчиваются горизонтальным каналом на самой высшей точке колпачка.
Каждый колпачок устанавливается герметично на параллельных дисках за счет герметизирующих колец и стяжной гайки.
Недостатком такой конструкции является высокая сложность и трудоемкость изготовления колпачков и то, что реакция происходит в непосредственной близости от поверхности верхней тарелки, на которой установлены колпачковые устройства в результате чего 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/Af-delingen/Process%20%26%20Enery/Education/available%20projects/IRS/180507%20MSc_project%20CFD%20FBI%20nozzles%201.3.pdf).
Кроме того, при остановках подачи воды в аппарат возможно забивание отверстий частицами песка. Об это говорит установка резиновых трубочек на верхних патрубках, закрывающих в них отверстия для выхода щелочи (Zentrale Enthar-tung von Trinkwasser. Gwf. Wasser/Abwasser. 2110. №11. P. 1088.).
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции тарелки, позволяющее устранить возможность образования кристаллов на поверхности распределительной тарелки и колпачковых устройств и забивание отверстий частицами песка при остановках подачи воды.
Технический результат достигается тем, что устройства для ввода воды и реагентов разделены таким образом, что ввод воды осуществляется через распределительную тарелку, а реагенты вводятся над поверхностью тарелки в толщу псевдоожиженного слоя загрузки над дренажными колпачками.
При этом предлагается распределительная система для подачи очищаемой воды и реагентов, представляющая собой два параллельных соединенных по торцам диска, в которых через симметрично проделаны сквозные отверстия вставлены дренажные колпачки, связанные с системой для подачи очищаемой воды и реагентов, причем дренажный колпачок содержит несущую трубку, которая походит через оба диска и соединена в нижней части с патрубком подачи воды, в верхней части которой выполнены отверстия для выхода воды, а снаружи установлен внешний колпачок с высотой, превышающей возможную высоту попадания инертной загрузки (песка) в эти отверстия, а внутри трубки установлена трубка меньшего диаметра, связанная патрубком для подачи щелочи с междисковой полостью с щелочью, а сверху над трубкой закреплен защитный колпачок, не дающий при остановках частицам загрузки попасть вовнутрь трубки.
В результате использования данного решения вся поверхность тарелки омывается водой и благодаря интенсивному перемешиванию псевдоожиженного слоя реагенты быстро распределяются по сечению аппарата.
Для предотвращения попадания песка в тарелку оптимально использовать колпачки, конструкция которых основана на явлении «естественного откоса», свойственного всем сыпучим материалам (для песка он равен 15-18°).
Общий вид реактора приведен на фиг. 1, схема распределительной тарелки - на фиг. 2, где используются следующие обозначения:
1 - цилиндрический корпус; 2 - распределительная тарелка; 3 - дренажный колпачок для ввода воды и щелочи; 4 - псевдоожиженный слой песка; 5 - расширение; 6 - оголовок; 7 - патрубок выгрузки гранул; 8 - насос подачи щелочи; 9 - емкость для щелочи; 10 и 11- диски сдвоенной тарелки; 12-полость со щелочью, 13 - несущая трубка; 14 - патрубок подачи воды; 15 - уплотнительная кольцевая резинка; 16 - зажимная гайка; 17- отверстия ввода воды; 18-внешний колпачок; 19 - трубка подачи реагента; 20- патрубок подачи реагента; 21 -защитный колпачок.
Реактор содержит цилиндрический корпус 1 с расположенной внизу распределительной тарелкой 2, служащей для распределения очищаемой воды и щелочи по всему сечению реактора и не допускающий попадания песка в трубопроводы, подающие воду и щелочь. На распределительной тарелке установлены дренажные колпачки для ввода воды и щелочи 3. Над распределительной тарелкой 2 располагается псевдоожиженный слой песка 4, который занимает 50-80% высоты аппарата. Расширение в верхней части 5 необходимо для снижения скорости воды и предотвращения уноса мелкого песка. Умягченная вода выводится через оголовок 6. Выгрузка образовавшихся гранул, представляющих из себя частицы песка с налипшим на них слоем карбоната кальция, осуществляется через патрубок трубопровода выгрузки гранул 7. Щелочь подается в нижнюю часть реактора насосом подачи щелочи 8 из емкости для щелочи 9.
Особенностью заявляемого реактора является конструкция его распределительной тарелки 2. Она состоит из двух параллельных соединенных по торцам дисков сдвоенной тарелки 10 и 11, образующих между собой полость, заполненную щелочью 12. В дисках симметрично проделаны сквозные отверстия, в которые по всему сечению вставлены собранные колпачки 3. Они содержат проходящую через диски 10 и 11 несущую трубку 13, соединенную с патрубком подачи воды 14 и закрепленную уплотнительной кольцевой резинкой 15 и зажимной гайкой 16. В верхней части несущей трубки 13 ниже заглушенного торца выполнены отверстия 17 для выхода воды, а снаружи установлен внешний колпачок 18, с высотой, превышающей возможную высоту попадания инертной загрузки (песка) в эти отверстия. Внутри несущей трубки 13 установлена трубка подачи реагента 19 меньшего диаметра, которая соединена с междисковой полостью 12 для подачи щелочи через патрубок 20. Сверху над трубкой подачи реагента 19 закреплен защитный колпачок 21 не дающий при остановках частицам загрузки попасть вовнутрь трубки подачи реагента 19. Для равномерного подвода щелочи ко всем колпачкам ее ввод между дисками тарелки может производиться в нескольких точках по окружности.
Благодаря тому, что внутренняя трубка подачи реагента 19 с защитным колпачком 21 располагаются много выше колпачка ввода воды, щелочь равномерно вводится и разбавляется, а затем уже реагирует с содержащимся в воде кальцием. Этим сокращается возможность образование отложений на поверхности дренажных колпачков.
Заявляемая конструкция обеспечивает протекание реакции в пространстве, свободном от частей распределительной тарелки. 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.
При остановке реактора слой оседает и заполняет все свободное пространство, но из-за явления «естественного откоса», он не может подняться выше определенного уровня под колпачки тарелки и попасть в трубку подачи воды. Аналогично песок не может попасть в трубку дозирования щелочи.
3
Проведенные трехмесячные 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.