Исследование процесса очистки воды при окислении загрязняющих веществ

 

     Целью работы является получение основных представлений о процессах очистки воды при окислении загрязняющих веществ, а также освоение методики расчета основных параметров этого процесса.

    Достаточно обширная группа загрязняющих веществ, встречающихся в сточной воде, относится к органическим веществам. Поэтому для очистки воды от этих веществ, используют процессы их окисления. Процесс очистки воды с применением окисления пред­ставляет собой химическую реакцию окисления веществ, загрязняю­щих воду, веществом-окислителем, например, озоном. Окисление загрязняющих веществ осуществ­ляется до их полного превраще­ния в углекислый газ и воду или до по­явления промежуточных продуктов этой реакции, которые начинают интенсивно коагулировать, то есть образовывать хлопьевидную массу.

      Процесс озонирования описывается законами химической кинетики. Скорость реакции озона с органическими веществами описыва­ется уравнением, решение которого позволяет определить сте­пень превра­щения реагирующих веществ в зависимости от времени

 

 ,

 

где n – концентрация загряз­няю­щих веществ или озона, прореагировавших к моменту времени t; k - константа скорости реакции окисле­ния;  и  - текущие концентрации загряз­няю­щих веществ и озона, которые можно записатькак

= а – n, = b – n

где а и b - начальные концентрации соответственно загряз­няю­щих веществ и озона.

    Решением этого уравнения при начальных условиях

 

t=0; n=0;

 

будет выражение

 

                                        4.6

 

    В том случае, когда а = b последнее выражение преобразуется в

 

                                          4.7

 

    Процесс окисления протекает до какого-то момента времени Т_пр , ко­гда практически прекращается изменение концентрации загрязняющих веществ.

    Полная длительность процесса очистки Т_пр  (в секундах) может быть рассчитана по следующим зависимостям:

а) при a = b

                    б) при    а >b                4.8

в) при a < b

    Остаточная концентрация загряз­няю­щих веществ к моменту прекращения   реакции окисления, будет зависеть от соотношения а / b и   может быть вычислена по нижеследующим формулам        

 

          при a>b

                                                                                     4.9

при a<b или a=b

                                

       

       Таким образом, вышеприведенные зависимости позволяют рассчитать степень счистки очистки загрязненной воды при заданной на­чальной концентрации загрязняющего вещества и начальной концентрации озона, а также определить время реакции, то есть Т_пр. Это время необходимо для расчета объема и размеров уст­ройства для очистки воды окислением при за­данном значении производи­тельности технологической линии очистки. Объем такого устройства V будет равен

V = Q · Т_пр ,

 

где Q – производительность очистки.

   Размеры устройства будут определяться по известным в математике формулам в зависимости от формы устройства. Наиболее предпочтительной по многим причинам является цилиндрическая форма устройств для очистки воды.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Познакомиться с основными положениями выполняемой работы.

2. Записать исходные данные в соответствии с индивидуальным вариантом задания (см. табл. 4. 5).

3. По зависимостям (4.6) или (4.7) рассчитать и построить кинетичес­кую кривую изменения концентрации органических веществ (нефтепродуктов) в процессеихокисления. Кинетическая кривая строится по 5-7 точкам. Значения константы скорости реакции для всех вариантов заданий равно k = 0,032 л/ммоль·сек. Для расчета выходной кривой рекомендуется принимать следующие значения текущего времени реакции окисления: t – 50, 100, 200, 300, 600, 900, 1200 сек. Для тех условий реакции, когда a= b, значения времени реакции окисления будут порядка 2000, 5000, 10000, 20000 и может быть более секунд.

4. На графике выходной кривой указать время окончания реакции Т_пр и остаточную концентрацию загрязняющих веществ - .

5. По зависимостям (4.8) и (4.9) рассчитать время Т_пр  и остаточную кон­центрацию  . Сравнить полученные расчетом значения Т_пр  и  со значениями этих параметров, полученными при анализе выходной кривой.

6. Выполнить расчет объема V устройства для очистки воды окисле­нием.

7. Выбрав форму и определив размеры устройства для очистки воды окислением, нарисовать эскиз этого устройства с элементарной его проработкой.

8. Составить выводы по работе, в которых указать эффект дос­тигаемой очистки и основные технологические параметры - время очистки, объем и производительность очистного устрой­ства.

9. Все расчеты и оформление работы осуществляются в строгом соответствии с примером расчета и оформления работы, который приводится ниже.

 

Таблица 4.5

Данные для расчета процесса очистки окислением

 

Вариант задания		а, ммоль/л		b, ммоль/л		Q,
1		2		3		4
1		0,1		0,20		0,25
2		0,1		0,15		0,50
3		0,1		0,10		0,75
4		0,1		0,05		1,0
5		0,2		0,20		1,25
	6		0,2		0,15		1,50
	7		0,2		0,10		1,75
	8		0,2		0,05		2,0
	9		0,3		0,20		2,25
	10		0,3		0,15		2,50
	11		0,3		0,10		2,75
	12		0,3		0,05		3,0
	13		0,4		0,2		3,25

 

продолжение табл. 4.5

 

 

1	2	3	4
14	0,4	0,15	3,50
15	0,4	0,10	3,75
16	0,4	0,05	4,0
17	0,5	0,20	4,25
18	0,5	0,15	4,50
19	0,5	0,10	4,75
20	0,1	0,25	2,0
21	0,2	0,40	1,50
22	0,2	0,10	0,50
23	0,4	0,25	0,25
24	0,5	0,15	1,80
25	0,2	0,40	3,50
26	0,4	0,25	0,50
27	0,3	0,10	0,75
28	0,4	0,05	1,25
29	0,3	0,30	2,50
30	0,4	0,45	4,0
31	0,5	0,40	3,6
32	0,5	0,05	5,0

 

Пример расчета и оформления работы

1. исходные данные для расчета:

 а = 0,5 ммоль/л; b = 0,1 ммоль/л; Q =1,2

 2. расчет изменения концентрации загрязнений:

при t=50 сек

при t=100 сек

при t= 200 сек

при t= 600 сек

3. по результатам расчета строим график изменения концентрации загрязняющих веществ

   0,20 

                                                                                                                            

                                                                                                                        

   0,15

 

   0,10            

 

   0,05     100 200 300 400 500 600 700                    t, сек

                      

по графику значение = 0,20 при Т_пр ≈ 400 сек

 

4.  рассчитываем значение

 

при a> b                       

рассчетное значение  совпадает со значением, которое было определено по графику;

рассчитываем значение Т_пр

 

 полученное расчетом значение Т_пр достаточно точно совпадает со значением, которое взято по графику

5. рассчитываем объема устройства

 

  V = Q · Т_пр = 1,2 м ³/ час · 400 сек = 0,14 м ³

 

6. рассчитываем размеры устройства

 

принимаем цилиндрическую форму устройства;

для цилиндра:

V = H·S при высоте устройства H = 0,6 м площадь днища корпуса составит S = 0,14 / 0,6 = 0,23 м ², отсюда диаметр корпуса составит

 

D = √ 4S / π = √ 4·0,23 / 3,14 = 0,55 м

                                                                                                                                  

                                           D = 0,55 м

            DDd                

                                                  H = 0,6 м

 

                       

 

 

7. Выводы:

а) исследование процесса очистки воды окислением показало, что наибольшая степень очистки воды от органических примесей составляет 0,2 от начального их содержания; причиной такой незначительной очистки является низкое содержание озона в очищаемой воде, поэтому можно рекомендовать увеличить подачу озона в очистное устройство;

б) полная длительность процесса очистки составляет около 400 секунд;

 в) расчет основных технологических параметров процесса очистки позволил разработать эскиз очистного устройства.