16.
Дистилляция (перегонка) и ректификация в очистке сточных вод
Перегонка и ректификация являются одними из наиболее распространенных
методов выделения из сточных вод растворенных органических жидкостей.
Установки перегонки и ректификации сточных вод, как правило, входят в
состав технологических схем основных производств, Выделенные из сточной
воды примеси обычно используются на этих же производствах.
Дистилляция (от лат. distillatio — стекание каплями) перегонка,
разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Процесс
основан на различии температур кипения компонентов смеси. В зависимости
от физических свойств компонентов разделяемых жидких смесей применяют
различные способы дистилляции.
Простую перегонку проводят в установке (рис.1) периодического или
непрерывного действия путем постепенного испарения сточной воды,
находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары конденсируются в
конденсаторе-холодильнике, и дистиллят поступает в сборник. Применяют ее
для очистки сточных вод от примесей, температура кипения которых
значительно ниже температуры кипения воды (ацетон, метиловый спирт и
т.п.). Для более полного разделения смесей и получения
концентрированного дистиллята перегонку проводят с дефлегмацией
(частичная конденсация смесей различных паров и газов с целью обогащения
их низкокипящими компонентами). Над перегонным кубом устанавливают
трубчатый или змеевиковый дефлегматор, в котором пары более
высококипящей воды, частично конденсируются, и она в виде флегмы (влага)
сливается в куб, а пары, обогащенные низкокипящим компонентом,
направляются в холодильник-конденсатор.
1- дистилляционный куб
2-конденсатор- холодильник
3-сборник
Рис 1. Простая перегонка
Фракционная дистилляция, называемая также дробной перегонкой (рис 2) -
одна из разновидностей простой дистилляции. Применяют для разделения
смеси жидкостей на фракции, кипящие в узких интервалах температур. При
этом дистилляты разных составов отводят (последовательно во времени) в
несколько сборников. В сборник 1 поступает первая по времени порция
дистиллята, наиболее богатая низкокипящими компонентами, в сборник 2 —
менее богатая, в сборник3 — ещё менее богатая и т.д. В каждом из этих
дистиллятов (фракциях) преобладает один или несколько компонентов
исходной смеси с близкими температурами кипения. Простую дистилляцию для
улучшения разделения смесей часто комбинируют с противоточной
дефлегмацией(частичная конденсация смесей различных паров и газов с
целью обогащения их низкокипящими компонентами) (рис3). При этом
образующиеся в кубе 1 пары частично конденсируются в дефлегматоре 2,
конденсат (флегма) непрерывно возвращается в куб, а остаток паров после
дефлегматора поступает в конденсатор 3, откуда дистиллят стекает в
сборник 4. Этим способом достигается большее обогащение дистиллята
низкокипящими компонентами, т.к. при частичной конденсации (дефлегмации)
паров преимущественно конденсируются высококипящие компоненты.
Равновесная дистилляция (однократное испарение) характеризуется
испарением части жидкости и продолжительным контактом паров с
неиспарившейся жидкостью до достижения фазового равновесия (рис
4.) Разделяемая смесь проходит по трубам 1, обогреваемым снаружи
топочными газами. Образовавшаяся при этом парожидкостная смесь, близкая
к равновесному состоянию, поступает в сепаратор 2 для механического
отделения жидкости от пара. Пары (П) из сепаратора поступают в
конденсатор, откуда дистиллят стекает в приёмник, а оставшаяся в
сепараторе жидкость отводится в сборник. В этом процессе соотношение
между паром и жидкостью определяется материальным балансом и условиями
фазового равновесия. Равновесная дистилляция редко применяется для
двухкомпонентных смесей; хорошие результаты получают в основном в случае
многокомпонентных смесей, из которых можно получить фракции, сильно
различающиеся по составу.
Молекулярная дистилляция основана на разделении жидких смесей свободным
их испарением в высоком вакууме 133—13,3 мн/м2 (10-3—10-4 мм рт. ст.)
при температуре ниже точки их кипения. Процесс проводят при взаимном
расположении поверхностей испарения и конденсации на расстоянии, меньшем
длины свободного пробега молекул перегоняемого вещества. Благодаря
вакууму молекулы пара движутся от испаряющей поверхности к
конденсирующей с минимальным числом столкновений. При молекулярной
дистилляции изменение состава пара по сравнению с составом жидкости
определяется различием скоростей испарения компонентов. Поэтому этим
способом можно разделять смеси, компоненты которых обладают одинаковым
давлением паров. При данной температуре жидкости и соответствующем ей
давлении паров скорость молекулярной дистилляции растёт с понижением
давления в аппарате.
Для уменьшения времени диффузии молекул летучего компонента из
глубины слоя жидкости к поверхности испарения процесс в современных
молекулярных кубах проводят в очень тонких плёнках жидкости, что
позволяет, кроме того, уменьшить время нахождения вещества на
поверхности испарения и опасность его термического разложения. Для
молекулярной дистилляции применяют аппараты с горизонтальными и
вертикальными поверхностями испарения, а также получившие наибольшее
промышленное применение центробежные аппараты. В последних процесс
характеризуется наименьшими толщиной жидкой плёнки (в среднем 0,05 мм) и
временем её пребывания на поверхности нагрева (0,03—1,2 сек). В
центробежных аппаратах (рис. 5) на испаритель 1, представляющий собой
быстровращающийся конус (иногда диск), подаётся разделяемая смесь.
Центробежная сила перемещает жидкость от центра к периферии (вверх).
Пары перегоняемого вещества собираются на неподвижном конденсаторе 2,
расположенном параллельно поверхности испарителя, откуда дистиллят
непрерывно отводится. Остаток после перегонки сбрасывается в кольцевой
жёлоб 3и выводится из куба. Для увеличения эффекта разделения
устанавливают несколько аппаратов последовательно.
Молекулярную дистилляцию применяют для разделения и очистки
высокомолекулярных и термически нестойких органических веществ, например
для очистки эфиров себациновой, стеариновой, олеиновой и др. кислот, для
выделения витаминов из рыбьего жира и различных растительных масел, при
производстве медицинских препаратов, вакуумных масел и др.
Ректификация (от позднелатинского rectificatio — выпрямление,
исправление) один из способов разделения жидких смесей, основанный на
различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами.
При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных
направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в
специальных аппаратах (ректификационных колоннах), причём часть
выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после
конденсации (для пара) или испарения (для жидкости).
Аппаратура для ректификации. Аппараты, служащие для проведения
ректификации, — ректификационные колонны — состоят из собственно
колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и
жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и
конденсация пара, — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой
вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены т. н.
тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен
фигурный кусковой материал — насадка. Куб и дефлегматор — это обычно
кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и
роторные испарители).
Назначение тарелок и насадки — развитие межфазной поверхности и
улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило,
снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции трёх типов
переливных тарелок показаны на рис. 1 (а, б, в). В качестве насадки
ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр
которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига (рис. 2,
1) и их различные модификации (рис. 2, 2—4).
Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая
энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления
контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар
— жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также
ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых
дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси
колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что
особенно важно для вакуумных колонн.
По способу проведения различают непрерывную и
периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно
подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся
две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и
обеднённых другими. Схема потоков типичного аппарата для непрерывной
ректификации — полной колонны — показана на рис. 3, а. Полная колонна
состоит из 2 секций — укрепляющей (1) и исчерпывающей (2). Исходная
смесь (обычно при температуре кипения) подаётся в колонну, где
смешивается с т. н. извлечённой жидкостью и стекает по контактным
устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к
поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток,
обогащенный тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны (3).
Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим
теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий
из этой секции пар (т. н. отгонный) поступает в укрепляющую секцию.
Пройдя её, обогащенный легко-летучими компонентами пар поступает в
дефлегматор (4), где обычно полностью конденсируется подходящим
хладагентом. Полученная жидкость делится на 2 потока: дистиллят и
флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на
орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает.
Часть жидкости выводится из куба колонны в виде т. н. кубового остатка
(также продуктовый поток).
Отношение количества флегмы к количеству дистиллята
обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число —
важная характеристика ректификации: чем больше R, тем больше
эксплуатационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые
расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной
задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия
минимального флегмового числа, которое находится расчётным путём в
предположении, что число контактных устройств, или общая высота насадки,
стремится к бесконечности.
Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на
число фракций больше двух, то применяется последовательное, либо
параллельно-последовательное соединение колонн.
При периодической ректификации (рис. 3, б) исходная жидкая
смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которого
соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в
колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В
начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает т.
н. режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и
дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом
числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие
компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию (или фракции)
отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной
переработки первоначально загруженной смеси.
17.Виды загрязнений воды. Определение сточных вод(методичка)
18.Классификация сточных вод(методичка)
19.Основные методы очистки сточных вод (механические, химические и
физико-химические, биологические, локальные методы)-методичка
20.Биологический метод очистки сточных вод (биологические фильтры,
биологические пруды, поля фильтрации)-методичка