close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1067.Модернизация процессов обработки промышленной воды

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБРАБОТКА ВОДЫ
МОДЕРНИЗАЦИЯ
ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ
ПРОМЫШЛЕННОЙ ВОДЫ
l. Huchler, MarTech Systems, Inc., Лоренсвиль, шт. Нью-Джерси
Совершенствование мембранной фильтрации и оборудования – переворот в энерготехнических
системах
В течение двух последних десятилетий инженерыконструкторы включают мембраны в системы обработки промышленных вод для удаления растворимых
ионов. По мере повышения надежности мембранной
технологии расширяется использование мембран на
промышленных установках в целях обработки воды.
Мембраны заменяют ионообменные системы, фильтры и биореакторы для обработки сточных вод.
Наиболее привычной мембранной технологией
является обратный осмос (reverse osmosis – RO). Однако инженеры-проектировщики начинают включать
в проектные спецификации технологии мембранной
фильтрации (membrane filtration – MemF), мембранных контакторов для диксигенирования (membrane
contractors – МС) и мембранных биореакторов (membrane bioreactors – MBR). В настоящей статье рассмотрены возможности использования нового оборудования, принципы проектирования, общие указания
по применению и эксплуатации, а также капитальные
затраты в сравнении с обычным оборудованием.
Фильтрация
на молекулярном уровне
Мембраны микрофильтрации (microfiltration – MF)
и ультрафильтрации (ultrafiltration – UF) основаны на
применении пористой системы для удаления растворимых загрязнителей – механизм, подобный тканевым
фильтрам. Однако у мембран нанофильтрации (nanofiltration – NF) и обратного осмоса (RO) совершенно
иной механизм действия; разделение происходит в
результате диффузии воды через мембрану.
Поэтому системы RO и NF требуют более высоких
давлений, чем системы MF и UF, где эффективность
фильтрации намного ниже. Эффективность фильтрации – первая из двух характеристик, определяющих
процесс фильтрации; она известна также как производительность или поток – галл/фут2/ч (л/м2/ч). Второй
характеристикой, определяющей процесс мембранной
фильтрации, является селективность, известная также как удерживание или коэффициент разделения
– галл/фут2/ч (л/м2/ч). На рис. 1 показана селективность систем фильтрации на мембранной основе (MF,
UF и NF) и RO.
Системы МС удаляют растворенные газы из жидкостей, делая их пригодными для удаления растворенного кислорода (О2) и растворенного диоксида углерода (СО2). Системы MBR используют мембранную
технологию UF, упрощая, таким образом, конечную
ступень фильтрации для доочистки сточной воды.
70
Ионы
Молекулы
Макромолекулы
Микрофильтрация
Ультрафильтрация
Нанофильтрация
Обратный осмос
Рис. 1. Селективность мембран
Преимущество мембранной технологии по сравнению с обычными технологиями неоднозначно. RO
использует значительно меньший объем химикатов,
но создает больший поток сточной воды, что иногда
имеет значение для оборотного водоснабжения. UF
образует большие объемы сточной воды, чем обычные
отстойники, но с меньшим количеством шлака и может
заменить как отстойник, так и последующие фильтры
среды. Системы MC не требуют водяного пара, как
обычные деаэраторы, но им необходим инертный вытесняющий газ, такой как азот (N2). MBR занимают
гораздо меньшую площадь, чем обычные биореакторы, и могут заменить как биореакторы, так и фильтры
тонкой доочистки.
Процессы RO
RO – самый известный из мембранных процессов удаления как ионов, так и молекул в растворимой
форме. RO способен удалять частицы размером от
30 дальтон до 1 мкм.
Мембраны RO для пресной воды удаляют от 95 до
99,5 % растворимых загрязнителей в потоке подаваемой воды. Мембраны RO для обессоливания работают при более высоких давлениях, чем мембраны RO
для пресной воды, и удаляют 99,5 % хлорида натрия
(NaCl). Технология RO стала общепринятым методом
для очистки питьевой воды и воды для подпитки паровых котлов.
№4 апрель • 2009
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБРАБОТКА ВОДЫ
Выход
концентрата
Сырьевой поток
Подача, 100 г/мин
Соленепроницаемое
уплотнение
Мембраны RO
Концентрат,
25 г/мин
Пермеат
Выход
концентрата
Очищенная вода, 75 г/мин
Подача
Рис. 3. Одноступенчатая система RO
Сырьевой поток
Подача
Спейсер сырья
Мембрана
Проницаемый спейсер
Мембрана
Спейсер сырья
Подача, 100 г/мин
Рис. 2. Компоненты спирально смотанной мембраны RO (вид
в разрезе)
Таблица 1. Сравнение качества пресной поверхностной воды и
типичного продукта
Загрязнитель, млн-1
Неочищенная Умягченная Пермеат*
пресная вода
вода
RO
Кальций (на СаСО3)
Магний (на СаСО3)
Натрий (на Na)
Карбонат (на СаСО3)
Хлорид (на Cl)
Сульфат (на SO4)
Двуокись кремния (на Si)
70
24
2
22
25
36
4
<0,5
<0,5
62
22
25
36
4
<0,01
<0,01
<0,01
0,22
0,25
0,36
0,08
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,05
* Сырье: умягченная вода
** Два слоя (катион сильной кислоты, анион сильного основания)
Установки RO состоят из плоских мембран, свернутых в спиральную конфигурацию, снабженную непроницаемым покрытием и соединительными муфтами на каждом конце, как показано на рис. 2. Плоские
мембраны RO применяются в системах электродионизации – процессе с использованием электрического
заряда растворимых ионных загрязнителей (для удаления этих загрязнителей).
Характеристики системы RO. Качество выходящего потока, или пермеата, из системы RO зависит
от качества поступающей воды и конструкции системы. Качество потока пресной воды из RO выше, чем
у умягченной воды, но она менее чистая, чем деминерализованная вода (табл. 1). Установки RO часто
используются в сочетании с другими технологиями,
например, умягчение цеолитом натрия или деминерализация в смешанном слое.
Одним показателем эффективности мембраны RO
является процент удаления определенного иона, например, кальция (Са2+), как показано в ур. 1. Чем выше
концентрация загрязнителя в подаваемой воде, тем
выше концентрация этого загрязнителя в полученной
воде:
Процент удаления = [ион]концентрат/[ион]сырье (1)
Степень отбора – другой показатель эффективности мембраны RO (ур. 2). Подогрев поступающей
воды повышает степень отбора. Однако максимально
допустимая температура подачи равна 90 °F (32 °С).
Процент отбора = (расход)пермеат/(расход)сырье × 100 (2)
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№4 • апрель 2009
Мембраны RO
Концентрат,
25 г/мин
Очищенная вода 75 г/мин
Очищенная вода
93,75 г/мин
Мембраны RO
Концентрат 6,25 г/мин
Рис. 4. Двухступенчатая система RO
Конфигурации системы RO. На рис. 3 показано,
что типичный отбор на неочищенную воду одноступенчатой системы RO составляет 75 %. Установка
дополнительных ступеней повышает чистый отбор (рис. 4). Дополнительные проходы повышают
чистоту, но снижают объем пермеата. Все системы
создают непрерывный поток отходов или концентрата. Персонал установки может повторно использовать поток концентрата в качестве подпитки для
градирни в зависимости от качества концентрата и
контроля за образованием отложений и коррозией
на градирне.
Инструкции по применению RO. Вначале в мембранах RO использовался ацетат целлюлозы. Однако
в современных мембранах RO используют запатентованные тонкопленочные композитные материалы, нестойкие к хлору. Эти мембраны работают
при 300–1000 фут/дюйм2 и рН в пределах от 2 до
12. Системы RO, обрабатывающие поверхностную
воду, имеют некоторые очень важные ограничения:
персонал установки должен их эксплуатировать
почти непрерывно и ограничить время простоя во
избежание развития микробиологической среды,
которая загрязняет мембрану. Неочищенная мембрана приводит к потере отбора, кроме того возможно физическое повреждение мембраны. Некоторые
операторы во избежание длительных периодов простоя делают обводную линию, чтобы не останавливать неработающие установки RO в то время, когда
другие установки последовательно выполняют эту
операцию. Системы RO, которые используют колодезную воду или имеют системы UF, расположенные
в начале потока, неуязвимы для микробиологического загрязнения мембран.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБРАБОТКА ВОДЫ
Образование накипи и загрязнение – два самых
важных операционных ограничения. Часто на установках неочищенную воду смягчают перед подачей
на RO. Эта практика снижает тенденцию к образованию накипи. Образование накипи на поверхности
мембраны происходит при концентрации неорганических загрязнителей, таких как кальций или магний,
превышающей предел растворимости, и их выпадении
в осадок. Другим вариантом борьбы с образованием
накипи является введение химического антинакипина
или кислоты.
Установки RO крайне нетерпимы к присутствию
частиц, таких как взвешенные твердые частицы, коллоидальная (нереактивная) двуокись кремния, растворимые соединения алюминия, оксид железа, высокомолекулярные органические соединения с длинной
цепью (например, гуминовые кислоты) и микробиологические организмы, которые питаются этими органическими соединениями. Эти частицы засоряют
мембрану. Кроме того реактивная двуокись кремния
может полимеризироваться в мембранах и вызывать
дополнительное загрязнение. Растворимое железо
окисляется и осаждается внутри мембран в условиях
высокого рН.
Загрязнение и образование накипи снижают процент отбора и повышают перепад давления в мембране. Если давление на входе слишком высокое, мембранные уплотнения могут постоянно подвергаться
повреждению. Соответствующая предварительная
обработка подаваемого потока имеет первостепенное значение. Даже превосходная фильтрация среды
подаваемого потока не освобождает мембраны RO от
периодической чистки. Недостаточная очистка для эффективного удаления загрязнителей и накипи – самая
распространенная причина преждевременного выхода
мембраны из строя.
Эксплуатационные и капитальные затраты RO.
Эксплуатационные расходы на умягчение воды цеометом натрия и деминерализацию пропорциональны
концентрации загрязнителей, присутствующих в неочищенной воде. Для установок RO эксплуатационные расходы основаны на энергопотреблении насоса
и использовании антинакипина, дехлорирующих и
очищающих химических средств. Чем выше общая
концентрация жесткости неочищенной воды, тем
ниже эксплуатационные расходы RO по сравнению
с умягчением и деминерализацией.
Проектировщики систем часто используют опреснители перед установками RO для снижения затрат
на химические антинакипины, сокращения объема
концентрата и обеспечения качества концентрата,
пригодного для повторного использования на другой
установке, например, в градирне. Капитальные затраты для системы опреснитель/RO аналогичны затратам
деминерализаторов.
Мембранная
фильтрация
В системе MemF использовано давление для отделения взвешенных частиц от неочищенной воды
с удалением всех веществ в форме частиц, бактерий
и большинства вирусов и коллоидов. Установки NF
72
удаляют также двухвалентные растворимые разновидности, например, ионы кальция. В системах MemF
использованы полимерные материалы: полисульфон
(polysulfone – PS), полиэфирсульфон (polyethersulfone – PES), полипропилен (polypropylene – РР)
или поливинилиденфторид (polyvinylidenefluoride –
PVDF).
Нанофильтрация
(0,001 мкм – 0,01 мкм)
NF тесно связана с мембранами RO. Вода диффундирует вместе с очень низкой концентрацией
растворимых загрязнителей. Подобно установкам
RO установка NF нестойки к суспендированным
твердым веществам. Специалисты по обработке
воды иногда называют эти мембраны «sloppy RO»
(неряшливые). Подобно мембранам RO мембраны
NF работают при давлениях от 200 фунт/дюйм2 до
600 фунт/дюйм2 (от 14 атм. до 41 атм.) и в диапазоне
pHs от 1 до 14 (хотя многие ограничены диапазоном
рН 2–11).
UF и MF
UF (0,008 мкм – 0,1 кмк) и MF (0,1 мкм – 2,0 мкм)
представляют собой мембранные технологии, в значительной степени отличающиеся от NF. Эти процессы
удаляют суспендированные твердые частицы, фактически не удаляя растворенные загрязнители. Мембраны UP и MF, в зависимости от конфигурации и применения, работают в пределах от 30 до 250 фунт/дюйм2,
имеют верхний температурный предел 194 °F (90 °С)
и диапазон рН от 1 до 14.
Как правило, UF и MF работают при постоянном
потоке пермеата. Трансмембранное давление (transmemrane pressure – ТМР) со временем повышается,
и требуется процедура очистки, включая обратную
продувку и/или очистку воздухом для удаления загрязняющего слоя. Могут быть использованы дезинфицирующие и другие очищающие средства для полного
удаления и предотвращения потери эффективности
в результате развития биологической среды, а также
других загрязнителей.
Муниципальные установки водоснабжения, как
правило, используют UF для очистки питьевой воды
из-за ее способности удалять бактерии. Однако персонал промышленных установок уже начинает применять UF в качестве альтернативы гравиметрическим
системам очистки и фильтрации.
Поставщики обеспечивают все мембраны, используемые для очистки неочищенной воды, как установки
UF, даже если некоторые из них фактически являются
установками MF, например, имеют другой номинальный размер пор, чем установки UF. Эффективность
MemF во многом зависит от целостности волокна. Подобно другим новым технологиям отсутствие основательного практического опыта и эксплуатационные
расходы повышают осознание риска персоналом установки.
Другим препятствием являются капитальные затраты. С развитием технологии капитальные затраты
снижаются. Тем не менее, они будут выше, чем у традиционных систем очистки.
№4 апрель • 2009
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБРАБОТКА ВОДЫ
Таблица 2. Характеристики мембран для различных уровней эффективности фильтрации
Размер частиц, микрон
Микрофильтрация
Взвешенные твердые частицы
Удаляет более крупные
взвешенные твердые частицы
Удаляет все взвешенные
твердые частицы
Ультрафильтрация
Не рассчитана на присутствие твердых
взвешенных частиц в сырье
Растворимые загрязнители
Не удаляет
Бактерии
Коллоидальная двуокись
кремния
Рабочее давление, фунт/дюйм2
Не удаляет
Не удаляет
Удаляет крупные растворенные
твердые загрязнители. Пропускает
большинство кислот и оснований
Да
Да
Пропускает одновалентные соли, кислоты
и основания. Удаляет двухвалентные соли,
кислоты и основания
Да
Да
10–100
5–150
50–450
Характеристики
системы MemF
Как показано в табл. 2, UF и MF имеют несколько
разные размеры пор, но обе технологии производят
воду со значительно меньшей мутностью, чем гравитационный очиститель/система фильтрации среды под
давлением. Как правило, мутность исходящего потока
ниже 1 нефелометрической единицы мутности (nephelometric turbidity unit – NTU) несмотря на мутность
входящего потока, и часть ниже 0,5 NTU.
Важнейшими загрязнителями, которые удаляются
этими системами на станции очистки поступающей
воды, являются присутствующие в ней органические
соединения (железо и марганец). Система должна
включать предварительную химическую очистку: регулирование рН и/или введение коагулянта, например, квасцов – для снижения воздействия органических загрязнителей, и окисление или химическая
обработка – для ограничения загрязнения железом и
марганцем. Индекс плотности осадка (silt density index
– SDI) фильтрованной воды ниже, чем у поступающей
воды, и намного ниже, чем у воды гравиметрической
очистки, за исключением высокой концентрации органических загрязнителей. Все снижения SDI влияют
на снижение периодичности очистки систем RO, расположенных далее.
Конфигурации
систем MemF
Системы мембранной фильтрации разработаны в
двух вариантах: спирально свернутые плоские листы,
наподобие мембраны RO и полые волокна или нити,
похожие на пряди волос.
Инженеры проектируют половолоконные системы с обоими вариантами траектории потока: «внутрьнаружу» с втекающей водой, которая поступает внутрь
мембраны, и чистой водой, текущей снаружи, или
противоположная конфигурация «снаружи-внутрь».
Для полых волокон разработаны две проектные конфигурации: под давлением и погружная под вакуумом.
На установках под давлением нити собраны в пучок
в пластмассовом цилиндрическом кожухе, тогда как
на погружных вакуумных установках они связаны
в кольцевые или прямоугольные пучки в погружной
прямоугольной емкости.
В наличии имеются две конструкции MemF: полые волокна в форме очень тонких соломинок для
напитков (например, гибкие пластмассовые нити
толщиной немного больше человеческого волоса),
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№4 • апрель 2009
Нанофильтрация
Удаление
Сырье
Пермеат
Рис. 5. Модуль мембранной фильтрации – пучок волокон
(в разрезе)
заключенные в цилиндрический кожух (рис. 5), и
плоские пластмассовые листы, сложенные в спиральную конфигурацию, очень похожую на мембрану RO. Возможны две конфигурации: внутрь-наружу
и снаружи-внутрь, а также подача под давлением и
вакуумный вариант.
Для очистки неочищенной воды конфигурация
снаружи-внутрь является оптимальной по снижению тенденции к загрязнению. В случае очень мутной воды погруженные вакуумные системы снижают
опасность разрыва нитей. В вакуумных системах недостаток резервного перепада давления не позволяет
справиться с низкотемпературными операциями или
изменениями качества сырья. Низкие температуры
повышают вязкость воды, сокращая, таким образом,
расход системы при одном и том же перепаде давления. Следовательно для одной и той же скорости
течения, размеры вакуумных систем, работающих
при более низком секундном расходе, будут больше,
и капитальные затраты выше, чем у систем под давлением, которые работают при более высоком секундном расходе.
Инструкции по применению MemF. Максимальная
температура подачи 104 °F (40 °С). В отличие от RO
эти мембраны способны выдерживать химикаты на
основе алюминия для предварительной обработки, регулируемые концентрации хлора для снижения микробиологического (microbiological – МВ) загрязнения
и бисульфит в период хранения для ограничения МВ
развития. Аналогично RO, унос катионных полимеров
и эмульсионных полимеров в мембраны необратимо
загрязняет эту систему.
Чем выше мутность входящего потока, тем больше
размер системы; проектировщики должны контроли73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБРАБОТКА ВОДЫ
ровать максимальный расход через мембрану. Согласно спецификации максимальная мутность входящего
потока находится в пределах от 100 до 300 NTU.
Однако есть исключения; одна система может
быть использована для входящего потока, мутность
которого превышает 1000 NTU. Эти мембраны из полого волокна армированы для обеспечения сопротивления силе и абразивности высоких концентраций
суспендированных твердых веществ. Соответствующая гарантия для систем обработки речной воды от
7 до 10 лет.
По мере старения мембраны становятся уязвимы
к перфорации. Многие системы имеют анализаторы
мутности входящего и выходящего потока (работающие в реальном масштабе времени) для отслеживания рабочих характеристик системы. Для установок
MemF, используемых в системах подпитки паровых
котлов, мутность или SDI являются приемлемыми
методами для подтверждения целостности мембран
и защиты от повреждения оборудования, расположенного далее.
Эксплуатационные и капитальные затраты MemF.
В результате снижения капитальных затрат вновь построенные системы MemF стали достаточно конкурентоспособными в сравнении с очистителем входящего
потока и системами фильтрации среды. Например для
очистителя производительностью 400 г/мин капитальные затраты на систему UF были всего на 15 % больше,
чем у очистителя с наклонной пластиной и у фильтров
среды.
Установка систем MemF на нефтеперерабатывающих заводах и нефтехимических/химических установках США применяется редко ввиду малочисленности новых объектов. В большинстве случаев новая
мощность по очистке воды внедряется в рамках расширения существующей установки, где новые технологии часто рассматривают как представляющие
больший риск, чем адаптация существующей технологии.
Поставщики оборудования указывают, что эксплуатационные расходы MemF ниже, чем у обычных
очистителей, однако это сравнение затрат зависимо от
конкретных систем. Для системы MemF необходимы
химические чистящие средства (кислота и гипохлорит
натрия), тогда как для очистителей необходимы химические коагулянты и, возможно, потребуются фиоккулянты. У систем, обрабатывающих воду с высокой
мутностью, затраты на очистку системами MemF могут
быть выше затрат на химикаты для очистителя. Объемы сточной воды, характеристики и пригодность для
повторного использования очень различны. Очистители дают малый объем шлама, который в большинстве
случаев должен быть направлен на установки обработки отходов. Исключением из этого правила является
бассейн реки Миссисипи, где шлам из очистителей и
известковые смягчители могут выгружаться непосредственно в бассейн реки без дополнительной предварительной обработки. Системы MemF вырабатывают
больший объем воды для промывки обратной струей,
которая может быть пригодна для непосредственного
сброса в местный речной бассейн без дополнительной
обработки.
74
Вытесняющий газ
Вакуумная
фаза
с удаленным
газом
Выход
жидкости
Ввод жидкости
с растворенным
газом
Рис. 6. Пучок волокна мембранного контактора (в разрезе)
Мембранные контакторы
для дезоксигенирования
МС, иногда называемые газтрансферными мембранами, удаляют растворенные газы из жидких
потоков, используя полупронизаемые мембраны из
полого волокна и инертный вытесняющий газ, например, N2. Полое волокно этих мембран отличается от волокна, используемого в сфере применения
MemF. Это волокно представляет собой гидрофобный пористый полипропиленовый (polypropylene – РР) материал. В промышленных энерготехнических системах эти установки можно использовать для удаления растворенных газов (О2 и СО2)
и воды для питания паровых котлов и теплообменников.
Характеристики системы. Поставщики изготовляют установки МС нескольких размеров; максимальная производительность самых крупных патронов
промышленного масштаба 400 г/мин. При максимальных расчетных скоростях потока эффективность удаления растворенного кислорода (dissolved
oxygen – DO) равна минимальной номинальной
производительности. Например, патрон может быть
рассчитан на 99,5 % – удаление DO при 70 г/мин.,
но только на 88 % – удаление при 350 г/мин. В самой
экономичной конструкции используется несколько ярусов патронов для достижения более низкой
концентрации DO при максимальной расчетной скорости потока. Эти системы требуют малого объема
N2 промышленного качества. Бросовый поток N2 и
газообразного О2 может содержать некоторое количество паров воды; у операторов есть выбор: отобрать конденсированные пары или выпустить их в
атмосферу.
Конфигурации системы. Установки МС используют мембраны из полого волокна, смотанного в пучок в
цилиндрическом кожухе из нержавеющей стали, как
показано на рис. 6. Вода, входящая на одном конце,
протекает по внешней стороне половолоконной мембраны и выходит на противоположном конце патрона.
В центре патрона имеется перегородка, позволяющая
направлять поток воды в обратную сторону для обеспечения максимального контакта с волокном. Газообразный азот поступает в полые волокна в направлении,
противоположном потоку воды. Для систем, использующих воду, насыщенную О2, необходимо несколько
ступеней установок МС для достижения содержания
DО в сточной воде, отвечающего требованиям ASME
к котловой воде.
№4 апрель • 2009
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБРАБОТКА ВОДЫ
Инструкции по применению. MC используют полое волокно, для которого требуется вода с низкой
концентрацией суспендированных твердых веществ.
Любая измеримая мутность вызывает загрязнение и
потерю мощности. Максимальный температурный
предел для половолоконных мембран 140 °F (60 °С). По
мере повышения температуры и увеличения скорости
потока эффективность удаления DO снижается. Однако с повышением температуры увеличивается объем
паров воды, которые, действуя как вытесняющий газ,
сокращают требуемый объем инертного вытесняющего газа.
До загрязнения системы никакого рутинного техобслуживания или очистки не требуется. Операторы
могут позволить мембранам работать на холостом ходу
без специальных процедур простоя. Однако они должны защитить установки от температур, вызывающих
замерзание.
Эксплуатационные и капитальные затраты МС.
Капитальные затраты для установок МС очень высоки по сравнению с деаэраторами водяного пара,
особенно при размерах систем с расходом воды для
питания паровых котлов на НПЗ и нефтехимических
установках. Например, в капитальных затратах трехступенчатой системы (1300 г/мин) со степенью отбора О2 99,67 % и номинальной концентрацией DО в
сточной воде 30, затраты по О2 в два раза больше, чем
у деаэратора. Однако затраты на сооружение значительно ниже, чем у обычного деаэратора. Для этой
системы концентрация DO в сточной воде, равная
30 млрд-1, не отвечает требованиям ASME. Эта система хорошо обрабатывает воду для теплообменников на отдаленной территории завода. Поскольку
в этих теплообменниках не было генерации пара,
персонал установки предпочел введение химического выносителя для удаления оставшегося DO.
Однако для систем питания паровых котлов проектировщики могли бы добавить четвертую ступень
контакторов для достижения соответствия требованиям ASME.
В эксплуатационные затраты на контакторы входят
вытесняющий газ и вакуумные насосы; представленная здесь система требует от 0,2 до 0,5 ст. фут3/м N2 и
электроэнергию для работы вакуумных насосов приблизительно при 66 матм. Системе необходим также
химический выноситель кислорода, например, сульфит или карбогидразид.
Мембранные
биореакторы
Установки MBR заменяют вторичные очистители
сточной воды и удаляют взвешенные твердые вещества в смешанном жидком растворе в биореакторе.
MBR используют на многих муниципальных установках по обработке сточных вод. Однако в промышленных системах использование MBR было
ограничено. Установки MBR хорошо подходят для
программ повторного использования воды, поскольку мембраны обеспечивают защиту от патогенных
микроорганизмов. Системы MBR могут эффективно перерабатывать смешанные жидкие растворы,
для которых характерны плохое осаждение шлама
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№4 • апрель 2009
и достаточно изменчивые скорости течения. В системах MBR используются такие же волокна и плоские листы, как в системах MemF, и применяются
многие аналогичные процедуры очистки и эксплуатации.
Характеристика системы. Ключом к успешной
работе MBR является образование биопленки на
мембранной поверхности. Этот слой клеток функционирует как динамическая мембрана, защищая от
загрязнения и создавая дополнительную преграду развитию патогенных процессов.
Операторы должны регулировать периодичность
очистки воздухом, автономной очистки, и вести мониторинг состояния биологических организмов для
поддержания оптимальной толщины и пористости
биопленки и оптимизации гидравлического режима
системы. Этот аспект систем MBR называют «биогидравликой».
Конфигурации системы. Существуют две основные конфигурации установок MBR: полые волокна в
цилиндрическом патроне или плоские листы, погруженные в резервуар. Системы MBR занимают меньшую площадь, чем обычные вторичные очистители,
и они полностью автономны с измерением данных в
режиме онлайн для слежения за работой системы.
Установки могут работать под давлением или под
вакуумом в зависимости от номинальной скорости
потока. Для систем с цилиндрическими патронами
требуются рутинные процедуры автономной очистки на месте. Типичный интервал между процедурами
очистки 4–6 мес; процесс очистки длится от 4 до 6 ч.
В конфигурациях с плоскими местами для очистки используется периодическая очистка воздухом на потоке.
Аэрация барботированием вызывает перемешивание, ограничивающее загрязнение и питающее
кислородом биомассу. Вакуумные системы используют обратную пульсацию для очистки на потоке,
и нуждаются в рутинных процедурах очистки на
месте. Типичный интервал между этими процедурами очистки на потоке 4–6 мес; продолжительность процесса очистки 4–6 ч. В конфигурациях с
плоскими листами используется процедура периодической очистки воздухом на потоке. Системам с
плоскими листами необходимы также автономные
очистки. Однако эти очистки проводятся реже, чем
в системах патронного типа. Основными химическими чистящими средствами служат лимонная кислота
и гипохлорит натрия.
Инструкции по применению. Проницаемость или
поток, превышающий трансмембранное давление
(ТМР) – галл/сут/фунт/дюйм2 – является ключевым
параметром для определения загрязнителя и интервалов между автономными очистками. Операторы должны поддерживать заданное содержание твердых взвешенных частиц в смешанной жидкости (mixed-liquor
suspended solid – MLSS), которое соответствует приблизительному времени удерживания твердых частиц.
На некоторых установках используют биомониторинг
на потоке для определения этого параметра. Поддержание низкого ТМР сохраняет целостность биопленки
и минимизирует скорость необратимого загрязнения.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБРАБОТКА ВОДЫ
Основными источниками загрязнения являются экстрапористые полимерные вещества и растворимые
продукты микробиологической деятельности. Недостаточное время удерживания твердых веществ приводит к образованию полисахаридов, секретированных
микробами в усилии стабилизировать свою среду и
способствовать флоккуляции; они могут соединяться,
образуя коллоидальное вещество, забивающее поры
биопленки и увеличивающее сопротивление фильтрации.
Существующие установки MBR работают при времени удерживания твердых веществ приблизительно от 10 до 20 сут, обеспечивая более управляемые
уровни MLSS (10–15 г/л). Типичное время удерживания жидкости (hydraulic retention times – HRT)
находится в пределах 3–10 ч. Степень поглощения
загрязнителей выше, чем у обычных биореакторов,
из-за большего количества микроорганизмов в MBR,
сокращающих объем реакторов. Обычные биореакторы, как правило, достигают 95 % снятия потребности
химического кислорода (chemical oxygen demand –
COD). Установки MBR могут достигать 96–99 % снятия COD.
По мере старения мембраны становятся уязвимы
к перфорации. Системы втекания обеспечены на
потоке мониторингом мутности или счетом частиц
на входе и выходе для слежения за эффективностью
работы системы. Некоторые операторы используют
эти методы для подтверждения целостности мембран.
Однако эти методы рассматриваются как косвенные
испытания целостности, и они не так чувствительны
как «непосредственные испытания целостности». В
сфере применения, где требуется строго регламентированное качество вытекающего потока, например,
для повторного использования в системах питьевой
воды, необходимо прямое испытание целостности
мембраны. Проверка на потоке постепенного понижения давления является «Прямым испытанием целостности» и оптимальным методом проверки. Само
название испытания говорит о том, что процедура
тестирования спада давления требует применения
противодавления к мембранной системе со стороны
пермеата (чистая вода) в течение заданного времени.
Если система не может поддерживать противодавление, т.е. давление снижается или «затухает», это
означает, что некоторые волокна мембраны порваны. Операторы должны провести диагностическое
испытание, чтобы найти и изолировать порванные
волокна.
Перспективы
водоочистки
Продолжающееся развитие мембранных технологий предоставляет все новые возможности, расширяя
сферы применения и снижая капитальные затраты.
Преимущества этих технологий связаны также с
объемами и характеристиками сточной воды. Специалистам по эксплуатации и проектировщикам следует ориентировочно определить общую стоимость
владения мембранными системами и сравнить ее с затратами на обычные системы для принятия наиболее
экономичного решения.
76
Самой сложной проблемой при выборе мембранных технологий является точное определение пригодности таких систем для промышленной эксплуатации.
Например, персонал муниципальной установки водоснабжения требует проведения пилотного исследования перед выбором UF для конкретного объекта. Персоналу промышленной установки, возможно, придется
провести такие пилотные исследования для снижения
риска этой новой технологии на речной воде с очень
высокой мутностью. Другим примером является точная оценка надежности усовершенствованной системы по сравнению с затратами на обучение операторов
по новой технологии.
Проектировщики систем должны также учитывать
динамические рабочие характеристики этих технологий. Например в случае краткосрочного катастрофического нарушения работы оборудования система
UF не произведет воды, не отвечающей требованиям
спецификации. С увеличением загрязнения или с изменениями нагрузки скорость течения снижается, но
качество продукта остается неизменным. Установки
MBR имеют аналогичную рабочую динамику, снижающую риск нарушений разрешения на слив по причине
мутности. Для принятия правильного решения необходимо, чтобы выбор технологии был основан на полном анализе технических, экономических факторов и
факторов риска.
Перевела Н. Иванова
НОМЕНКЛАТУРА
COD – Химическое потребление кислорода
HRT – Время удерживания жидкости
МВ – Микробиологический
MBR – Мембранные биореакторы
МС – Мембранные контакторы
MemF – Мембранная фильтрация
MF – Микрофильтрация
MLSS – Взвешенные твердые вещества в смешанной
жидкости
NF – Нанофильтрация
NTU – Нефелометрические единицы мутности
RO – Обратный осмос
SDI – Индекс плотности осадка
ТМР – Трансмембранное давление
UF – Ультрафильтрация
Loraine A. Huchler (Л. А. Хачлер) – президент MarTech
Systems, Inc., технологическая консалтинговая фирма,
предоставляющая услуги по оптимизации энергетических систем и систем, связанных с водой, включая
водяной пар, охлаждающую воду и сточную воду, на
НПЗ и нефтехимических установках. Дипломированный инженер, имеет степень бакалавра по химическим
технологиям. Связаться с г-жой Л. Хачлер можно по
адресу: [email protected]
№4 апрель • 2009
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
429 Кб
Теги
процессов, 1067, модернизация, воды, промышленном, обработка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа