Установки озонирования

2. Критерии выбора реакторов озонирования.

Критерий Хатта (Hatta) – безразмерное число (На), позволяет охарактеризовать режим протекания реакции окисления и таким образом выбрать реактор для контакта газ-жидкость в соответствии с определяющей характеристикой [2], как показано в табл.4. Например:

• очень низкое число Хатта означает, что способность переноса жидкого слоя велика и превышает скорость потребления озона: в таком случае речь идет о химическом режиме;
• при большом числе Хатта скорость потребления озона может быть значительно выше потока переносимого озона: тогда речь идет о диффузионном режиме.

Для необратимой реакции второго порядка этот критерий будет таким:

 

 — диффузионная подвижность озона выражена в м²/с; k — в (моль/л)^-1/с;

[М] — концентрация соединения М, моль/л;

k_L — коэффициент переноса вещества со стороны жидкости, м/с. 

5. Реакторы озонирования.

Основные реакторы для контакта озон-вода представлены ниже в соответствии со случаями в табл.4 [2].

1. Барботажная колонна и камера озонирования, оборудованные пористыми диффузорами.

Барботажная колонна является наиболее классическим контактным реактором для озонирования, используемым в обработке воды. Данный тип реактора бывает двух видов: обычная барботажная колонна и камера озонирования с несколькими последовательными отсеками. Оба реактора схематично изображены на рис.2 [3].

Пористые диффузоры, установленные  в основании барботажных колонн, формируют пузырьки диаметром около 3 мм, которые равномерно распределяются по всей площади поперечного сечения колонны. Газ и жидкость перемещаются в противоположных направлениях, при этом вода вводится в головную часть колонны. Противоток может также создаваться с помощью перегородок в каждом отсеке камеры озонирования. В реакторах этого типа уровень воды над диффузорами — 5-7 м. Число отсеков (обычно 2 или 3) определяется скоростью химической реакции и распределением расхода озонсодержащего газа в зависимости от протекания реакции [2].

2. Реактор с турбиной или радиальным диффузором.

Реактор с перемешиванием турбиной или радиальным диффузором позволяет эффективно смешать воду и озон в зоне контакта и обеспечить дисперсию газа по всей жидкой массе [2]. Смешивание может производиться с помощью [2]:

• турбины с радиальными лопастями, которая всасывает обрабатываемую воду и подает ее влизи потока озонсодержащего газа, прорезая газовые пузырьки (рис.3).
• радиального диффузора, который выбрасывает создаваемый гидроэжектором турбулентный поток смеси озонсодержащего газа и воды (рис.4). Газ всасывается гидроэжектором, переносистся и распространяется в воде, рециркулируемой с помощью насоса под разряжением, которое возникает при сужении потока жидкости. Данный вариант обеспечивает лучший перенос озона: в гидроэжекторе одновременно осуществляется дисперсия газа и его смешивание с обрабатываемой водой.

 

3. U-образный реактор.

U-образный реактор представляет собой две вертикальные концентрические трубы, сообщающиеся в нижней части (рис.5). С помощью высокоскоростного насоса озонсодержащий газ подается со скоростью около 1,7 м/с и распространяется в нисходящем потоке обрабатываемой воды, находящейся в центральной трубе. Максимально допустимое соотношение расхода газа и жидкости составляет 0,17. 8 центральной трубе под воздействием скорости воды и роста давления образуются пузырьки малого размера. Сформированная эмульсия поступает восходящим потоком в кольцевое пространство реактора. Гидростатическое давление и продолжительность пребывания пузырьков газа в воде оказываются значительными, поскольку высота слоя воды обычно составляет 20 м. В результате облегчается процесс переноса озона в воду [2].

 

4. Насадочная колонна.

В насадочной колонне подлежащая обработке вода подается противотоком газу, насыщенному озоном (рис.6). Поступая сверху, она течет вниз под действием силы тяжести и распределяется в виде тонкой пленки и капель по поверхности насадки. Смачивание элементов насадки способствует увеличению поверхности контакта газовой и жидкой фаз [2].

Насадка может быть засыпана в колонну произвольно либо уложена  в определенном порядке. Она может  быть из нержавеющей стали и керамики, должна обладать как можно большей  удельной поверхностью и низким гидравлическим сопротивлением [2].

5. Статический смеситель.

Статический смеситель представляет собой трубу, в которой установлены неподвижные элементы, позволяющие смешивать фазы благодаря последовательным разделениям потока. Такой смеситель монтируется в трубопровод; вода в него подается насосом и проходит со скоростью 0,5-1,7 м/с, а озон вводится в воду через специальные сопла, расположенные до зоны смешения. В реакторе образуются пузырьки газа диаметром порядка 1мм, способствующие формированию значительной поверхности контакта фаз. Важнейшей характеристикой статического реактора является потеря напора, определяющая рассеивание энергии и размер пузырьков. Потеря напора зависит от расходов потоков, типа и количества элементов смесителя. Она может варьироваться в пределах 0,05-0,30 бар на погонный метр статического смесителя. Смеситель данного типа используется для ввода в головную часть контактной камеры аналогично гидроэжектору, а также для переноса озона в жидкую фазу. В классический вариант установки озонирования входит первичный смеситель для диспергирования газа, установленный на параллельной обводной линии, и основной статический смеситель, в котором осуществляется процесс переноса озона (рис.7). В зависимости от допускаемой потери напора первичный смеситель может быть заменен на гидроэжектор. Обычно такая установка озонирования дополняется на выходе дегазационной колонной для разделения фаз [2].

Характеристики основных описанных выше реакторов озонирования сравниваются в табл.5.

На выбор реактора в каждом конкретном случае применения влияют следующие определяющие процесс факторы [2]:

• время контакта для медленных реакций;
• гидродинамический режим для быстрых и средних реакций (в таком случае необходимо течение в режиме вытеснения);
• перенос озона для очень быстрых реакций (в этом случае лучше всего подходят контактные камеры с большой площадью поверхности раздела).

 

Таблица 5. Сравнение характеристик основных реакторов озонирования

Тип реактора	Диспергируемая фаза	kL а, с-1		Потребляемая мощность, кВт/м3 объема реактора
Барботажная колонна с пористыми диффузорами	Газ	0,0001-0,1	< 0,2	0,01-1
Реактор с турбиной или радиальным диффузором	Газ	0,01-0,2	< 0,1	0,5-4
Насадочная колонна	Жидкость	0,005-0,02	> 0,3	0,01-0,2
Статический смеситель	Газ	0,1-10	0,5	10-200

 — безразмерный параметр, который характеризует удерживание газа в реакторе и рассчитывается как отношение объема, занимаемого газом в реакторе озонирования, к общему объему этого реактора.

Таблица 6. Практические аспекты выбора реактора озонирования

Тип реактора	Преимущества	Недостатки	Область применения
Барботажная колонна с пористыми диффузорами	Относительно мягкая работа. Низкая стоимость эксплуатации	Сложная конфигурация гидродинамических течений. Большая высота жидкости. Возможна кольматация пор	Небольшие дозы озона. Медленная реакция. Питьевая вода
Реактор с турбиной или  радиальным диффузором	Хороший контакт озона и воды за счет лучшего перемешивания. Гибкость относительно изменения расхода жидкости	Потребление энергии. Обслуживание механического оборудования	Высокие дозы озона. Реакция средней скорости. Питьевая и сточная вода
U-образный реактор	Хороший перенос озона в воду благодаря гидродинамическим условиям. Малая производственная площадь	Расходы на строительство вертикальной шахты. Малые возможности в отношении изменения расхода жидкости	Быстрая реакция. Питьевая вода
Насадочная колонна	Хороший перенос озона в воду за счет поршневого потока. Низкая стоимость эксплуатации	Возможно засорение насадок	Быстрая реакция. Промывка газа. Получение озонированной воды
Статический смеситель	Хороший перенос озона  и воды за счет лучшего перемешивания. Низкая стоимость эксплуатации. Небольшие размеры установки	Потребление энергии. Очень короткое время контакта. Возможна кольматация	Очень быстрая реакция. Система диспергирования. Питьевая и сточная вода

 

6. Список использованной литературы.

 

1. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М.. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное. Учебное пособие. – М.: Издательство АСВ, 2003. – 288 с.

 

2. Технический справочник по обработке воды: в 2т.: пер. с фр. – СПб.: Новый журнал, 2007.

 

3. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Самойлович В.Г.. Озонирование в процессах очистки воды./ Под общей редакцией В.Л. Драгинского, – М: ДеЛи принт, 2007. – 400с.

 

4. Орлов В.А.. Озонирование воды. М.: Стройиздат, 1984. – 88 с., ил.