способ очистки сточных вод от органических соединений

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод от органических соединений, включающий их испарение, смешение полученного пара с воздухом или кислородом, пропускание образовавшейся горячей паровоздушной смеси через слой катализатора и охлаждение очищенного пара с последующей конденсацией, отличающийся тем, что паровоздушную смесь перед пропусканием через слой катализатора нагревают до 250 400^oС путем пропускания через первый слой инертного материала, а очищенный пар после слоя катализатора охлаждают до температуры не менее 120^oС путем пропускания через второй слой инертного материала, причем направление движения паровоздушной смеси периодически изменяют на противоположное с нагреванием во втором слое инертного материала и охлаждением в первом, при этом очищенный охлаждаемый пар перед конденсацией очищенной воды компримируют до 0,1 2,0 атм, а тепло конденсации используют для испарения очищаемой воды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение объема слоя катализатора и суммарного объема двух слоев инертного материала составляет 1 (1 3).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам очистки сточных вод от органических соединений и может быть использовано в при очистке технологических стоков химических, нефтехимических или других предприятий.

Известен ряд способов очистки сточных вод, основанных на окислении органических примесей кислородом с образованием CO₂ и воды в присутствии катализатора.

Так, известен способ очистки сточных вод [1] (фиг. 1), в котором испарение исходных сточных вод и разогрев паров до температуры протекания реакции окисления ведут в рекуперативном теплообменнике (1 на фиг. 1), затем смешивают с воздухом и подают для окисления в реактор (2), содержащий слой катализатора, в котором токсичные органические примеси окисляются с образованием безвредных соединений: диоксида углерода и паров воды. После реактора очищенные пары охлаждают и конденсируют в теплообменнике 1, используя тепло, выделяемое при конденсации, на испарение очищаемых сточных вод.

Описанный способ очистки достаточно эффективен, но для его реализации требуется большая поверхность теплообмена в теплообменнике 1, обусловленная низким значением коэффициента теплопередачи газ-газ (при нагреве очищаемых паров до температуры реакции выходящими из реактора очищенными парами). Кроме того, разбавление очищаемого пара воздухом фактически снижает температуру конденсации очищенных паров, что весьма существенно снижает эффективность теплообмена конденсирующийся пар кипящая жидкость. Большой размер теплообменника также приводит к росту теплопотерь в окружающую среду. Таким образом, указанные факторы приводят к громоздкости и высокой стоимости оборудования, необходимого для реализации этого способа, а также к тому, что он может быть применен для очистки сточных вод только с высокой концентрацией окисляемых органических примесей (обеспечивающей высокое тепловыделение при протекании реакции окисления), либо при использовании существенного дополнительного подвода энергии.

Известен также более экономичный способ очистки сточных вод [2] (фиг. 2). В этом способе испарение исходных сточных вод и разогрев паров до температуры начала реакции ведут в предварительно нагретом первом слое инертного материала, затем полученные пары смешивают с воздухом и подают в слой катализатора, где происходит окисление органических примесей. Выходящие из слоя катализатора пары охлаждают и конденсируют во втором слое инертного материала. После охлаждения первого слоя инертного материала направление подачи сточных вод изменяют таким образом, что очищаемые сточные воды подают сначала во второй слой инертного материала, где они испаряются за счет тепла, накопленного им в предыдущем цикле. Такой способ позволяет перерабатывать сточные воды с невысоким содержанием органических примесей без дополнительного подвода энергии, либо с меньшими энергозатратами, чем в способе [1] Однако, для эффективной работы установки очистки по этому способу требуется большой объем инертного материала, служащего регенератором тепла, так как в процессе работы он должен запасать значительное количество тепла, достаточное для испарения очищаемых сточных вод и разогрева получаемого пара до температуры начала реакции окисления примесей. Так, при изменении направления подачи очищаемых сточных вод на противоположное каждые 5 минут требуемое соотношение объем инертного материала объем катализатора составляет 3-20:1. Таким образом, этот способ требует так же как и способ [1] громоздкого оборудования и не лишен значительных теплопотерь в окружающую среду.

Разбавление паровой смеси воздухом также приводит к снижению температуры конденсации и, соответственно, степени использования тепла конденсации. Таким образом, способ [2] как и способ [1] не исключает необходимости подвода энергии при переработке сточных вод с низким содержанием примесей.

Кроме того, часть исходных неочищенных сточных вод остается в капельном виде в слое инертного материала, в котором после переключения направления подачи начинается конденсация очищенных паров. При этом происходит загрязнение конденсата остатками неочищенных сточных вод, что снижает фактическую степень очистки.

По наибольшему количеству сходных признаков описанный выше способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи снижения энергоемкости процесса очистки сточных вод, повышения степени очистки и, основное уменьшения габаритов установки, реализующей предлагаемый способ. Схема заявляемого способа приведена на фиг. 3.

Очищаемые сточные воды испаряются в рекуперативном теплообменнике 3. Образовавшийся пар с температурой 100-130^oC смешивают с воздухом или кислородом, и пропускают через реактор 4, содержащий слой подходящего катализатора и по его торцам два слоя инертного проницаемого материала и работающий в режиме поочередного пропускания паровоздушной смеси через слои катализатора и инертного материала в прямом и обратном направлениях. В первом по ходу газа слое инертного материала происходит разогрев очищаемого пара до температуры начала реакции окисления органических веществ 250-400^oC. Затем разогретый пар поступает в слой катализатор, где органические примеси окисляются с образованием диоксида углерода и паров воды. Очищенный пар проходит через второй слой инертного материала, где охлаждается до температуры не ниже 120^oC.

Для компенсации разбавления паров воздухом и увеличения степени использования тепла конденсации очищенный горячий пар компримируют в компрессоре 5 до избыточного давления 0,1-2 ати. Компримирование до давления менее 0,1 ати нецелесообразно, так как не обеспечивает эффективной конденсации паров, а до давления более 2 ати так как приводит к росту энергозатрат.

Далее пар подают в рекуперативный теплообменник 3, где конденсируется очищенный от примесей пар. Выделяющееся при конденсации тепло используют для испарения очищаемой воды. Реактор 2 перед началом работы разогревают до температуры начала реакции окисления органических примесей и далее он работает в автотермичном режиме.

Заявляемый способ позволяет эффективно использовать:

а) высокое значение коэффициента теплопередачи: испаряющаяся жидкость - конденсирующийся пар путем использования рекуперативного теплообменника 3 только при испарении и конденсации;

б) высокую поверхность теплообмена на единицу объема оборудования в слоях инертного материала путем их поочередного использования только для нагрева паров до температуры протекания реакции окисления и охлаждения выходящих из слоя катализатора паров;

в) тепло конденсации выходящих из реактора паров для испарения сточных вод за счет компримирования очищенных паров.

Иными словами, технический результат, достигаемый заявленным изобретением состоит в исключении неэффективных испарения/конденсации в слоях инертного материала и нагрева/охлаждения пара в рекуперативном теплообменнике.

Благодаря существенно меньшему по сравнению с прототипом количеству тепла, которое необходимо аккумулировать в слоях инертного материала для осуществления процесса с продолжительностью цикла между переключениями потока не менее 5-15 минут (за счет того, что количество энергии, необходимой для испарения жидкости на единицу массы существенно ниже количества энергии, необходимого для разогрева пара), в заявляемом способе можно использовать слои инертного материала существенно меньшего объема, чем в прототипе. Соотношение объемов слоев катализатора и инертного материала в заявляемом способе составляет 1: 1-3. Использование соотношения более 1:1 нецелесообразно, так как приводит к необходимости вести процесс при продолжительности цикла менее 5 минут, что приводит к росту потерь степени очистки при переключениях, а использование соотношения менее 1:3 также нецелесообразно, поскольку ведет к большим загрузкам инертного материала и, соответственно, к увеличению габаритов регенераторов тепла и громоздкости установки.

Пример 1. На очистку подают сточные воды производства фенолформальдегидных смол, содержащие фенол в количестве 20 г/л. Расход сточных вод 1 м³/час. Нагрев сточных вод до температуры кипения и испарение воды и фенола производят в трубном пространстве кожухотрубного рекуперативного теплообменника (Т-1 на фиг. 3) с поверхностью теплообмена 15 м². Выходящие из теплообменника пары с температурой 110-120^oC смешивают с необходимым количеством воздуха (около 200 м³/час) и подают в реактор Р-1, содержащий слой катализатора (объем слоя катализатора 200 л), расположенный между двумя слоями инертного материала (объем каждого слоя инертного материала 500 л соотношение объемом слоев катализатор/инерт 1:2,5). В первом по ходу пара слое инертного материала паро-воздушная смесь за счет теплообмена с нагретой насадкой нагревается до 250-400^oC и поступает в слой катализатора, где происходит окисление фенола до диоксида углерода и воды с выделением тепла. Степень превращения фенола при этом составляет 99,5-99,9% Выходящие из слоя катализатора пары нагревают второй слой инертного материала, при этом сами охлаждаются до 120-200^oC. Пары компримируют до избыточного давления 1,0 ати и подают в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника для конденсации. Полученный конденсат сливают в канализацию. Средняя степень очистки сточных вод не ниже 99% По мере охлаждения первого слоя инертного материала направление движения паров в реакторе Р-1 с помощью переключающих клапанов изменяют на противоположное, чем обеспечивается непрерывная работа установки.

Для пуска процесса требуются стартовые затраты топлива на разогрев слоев инертного материала и катализатора в количестве около 40 кг условного топлива (примерно 1 раз в несколько месяцев). Энергозатраты на компримирование и прокачку пара составляют 50 кВт.

При введении очистки сточных вод по схеме, изображенной на фиг. 1, для осуществления процесса требуется рекуперативный теплообменник с поверхностью теплообмена около 200 м² (т.е. в 30 раз больше, чем в заявляемом способе). Кроме того, требуется подвод энергии при осуществлении процесса в количестве около 900 Квт.

При ведении очистки сточных вод по схеме прототипа (фиг. 2) необходимо использовать регенеративные теплообменники с объемом каждого слоя инертного материала (при соотношении катализатор/инерт 1:15 [2]), равным 3 м³, что приводит к росту объема реактора в 4,2-4,5 раза по сравнению с заявляемым способом. При этом общие энергозатраты на ведение процесса (на прокачку пара и компенсацию возросших теплопотерь) составляют оценочно около 70 кВт.

Пример 2. То же, что и в п. 1. Компримирование паров ведут до давления 0,05 ати. Процесс затухает в результате снижения эффективности использования тепла конденсации для испарения сточных вод.

Пример 3. То же, что и в п. 1. Компримирование паров ведут до давления 2.5 ати. Энергозатраты на компримирование возрастают до 90 кВт.

Пример 4. То же, что и в п. 1. Процесс ведут при соотношении объемов слоев катализатор/инерт 1:0.5. За счет уменьшения количества инертного материала процесс осуществляют при малой продолжительности цикла между переключениями (3 мин.). За счет потерь при переключениях степень очистки сточных вод снижается до 98%

Пример 5. То же, что и в п. 1. Процесс ведут при соотношении объемов слоев катализатор/инерт. Рост загрузки инертного материала приводит к увеличению габаритов реактора в 1,6 раза, а также к росту энергозатрат на прокачку пара за счет роста гидравлического сопротивления.