Окислення та дезінфекція озону - Вибір реакторів для озонування - Degremont®

Ми вже бачили в розділі про окислювачі та дезінфікуючі засоби, що озон може реагувати молекулярно (активним окисником є озон) та/або радикальним шляхом (активним окисником є гідроксильний радикал, отриманий при розкладанні озону) відповідно до складу середовище, в якому воно переноситься. Ця реакція може змінити перенесення озону.

кінетичний аспект - реакторна гідравліка

Вибір реактора, який найкраще підходить для проведення окислення, залежить від режиму реакції. Загалом, швидкість реакції озону з неорганічними та органічними сполуками та мікроорганізмами формалізується рівнянням другого порядку з частковими порядками 1 для кожного з реагентів:

де: k - константа швидкості реакції, í - стехіометричний коефіцієнт, [M] ([O3]) - концентрація сполуки M (розчиненого озону), rM (rO3) - швидкість зникнення сполуки M (норма споживання розчиненого озону). Значення констант швидкості k сильно варіюються в залежності від реакційної здатності сполук М щодо озону. Якісні показання наведені в розділі про окислювачі та дезінфікуючі засоби.

З огляду на частковий порядок 1, реактор із вставним потоком рідкої фази завжди буде працювати ефективніше, ніж ідеально змішаний реактор. Тому ми будемо намагатися спроектувати реактори озонування так, щоб поведінка рідкої фази було якомога ближче до потоку пробки.

Критерії вибору для реакторів озонування

Значення критерію Хатти (Ha), додаткове число, дозволяє охарактеризувати робочий режим реакції окислення і, таким чином, направити вибір реактора газ - рідина відповідно до визначальної характеристики, як зазначено в таблиці 8. Для приклад:

дуже низьке число Хатти означає, що пропускна здатність рідкої плівки велика в порівнянні зі швидкістю споживання озону: це хімічний режим;
І навпаки, коли Ha високий, рівень споживання озону може бути набагато більшим, ніж потік перенесеного озону: це дифузійний режим.

Для незворотної реакції порядку 2 справедливим є цей критерій:

Вираз переданого потоку озону з рівняння (1) стає:

де Е являє собою коефіцієнт прискорення переносу внаслідок реакції рідкої фази, яка пов'язана з числом Хатти.

На рисунку 15 показані профілі концентрацій поблизу межі розділу для різних випадків, пояснених у таблиці 8 на основі моделі подвійної плівки.

реактори озонування

Основні контактори озон-вода представлені нижче згідно з класифікацією в таблиці 8.

бульбашкова колонка та камера озонування, оснащені пористими дифузорами

Колонка бульбашок є найбільш класичним контактором для озонування при обробці води. Цей тип реакторів доступний у двох формах: звичайна барботажна колонка та багатокамерна камера озонування послідовно. Ці реактори схематично показані на рисунку 16. У цих реакторах газові бульбашки близько 3 мм створюються пористими дифузорами, розташованими біля основи реактора, для розподілу газу по всій ділянці колони (фото 10). Рідини циркулюють у протитоці, пропускаючи воду в головку колони або встановлюючи перегородки в кожному відділенні озонуючої камери. У цьому типі реакторів висота води становить від 5 до 7 м над дифузорами. Кількість відсіків (як правило, 2 або 3) регулюється відповідно до швидкості хімічної реакції з розподілом швидкості потоку озонованого газу відповідно до прогресу реакції (див. Також рисунок 26).

реактор, обладнаний турбіною або радіальним дифузором

Цей тип реактора з перемішуванням дозволяє гомогенізувати суміш у зоні контакту, створюючи дисперсію газу по всій масі рідини.

Цю суміш можна досягти:

турбіна з радіальними лопатями, яка засмоктує воду, що підлягає очищенню, і подає її близько до потоку озонованого газу, одночасно зсуваючи бульбашки газу (малюнок 17);
радіальний дифузор, який викидає турбулентний озонований газово-водний струмінь, створений гідроежектором (рисунок 18). В останньому газ всмоктується, захоплюється і диспергується у рециркульованій воді за допомогою насоса під впливом депресії, створюваної стисненням потоку рідини. Цей другий варіант забезпечує кращий перенос озону: одночасна реалізація дисперсії газу та суміші з водою, що обробляється в гідроекторі.

U трубка

П-подібна трубка складається з двох вертикальних концентричних трубок, які сполучаються внизу (рисунок 19). Озонований газ захоплюється і диспергується у воді, що підлягає очищенню, впорскується високошвидкісним насосом (приблизно 1,7 м · с –1) у низхідному потоці в центральній трубі. Максимально допустиме співвідношення витрат газу та рідини становить 0,17. У центральній трубці швидкість води та збільшення тиску утворюють невеликі бульбашки. Потім створена емульсія піднімається в кільцевій частині. Гідростатичний тиск і час перебування газових бульбашок важливі через висоту води близько 20 м. Таким чином, сприяє передачі озону.

упакована колонка

У цьому типі реакторів оброблювана вода обприскується проти струму озонованого газу (рисунок 20). Роль футеровки, що міститься в корпусі реактора, полягає в розподілі рідкої фази у вигляді плівки та крапель протягом усього її гравітаційного потоку. Змочування пакувальних елементів створює газообмінну поверхню обміну.

Начинка може бути організована навалом або структурована. Він може бути виготовлений з нержавіючої сталі або кераміки. Він повинен пропонувати максимально можливу площу поверхні на одиницю об'єму та низький перепад тиску.

статичний змішувач

Статичний змішувач складається з трубки, в якій встановлені нерухомі елементи, що дозволяють змішувати фази послідовним поділом потоку. Статичний змішувач встановлюється в трубі; вода протікає через нього зі швидкістю 0,5-1,7 м · с –1 насосом, а озон впорскується вище за течією через форсунки. Статичний змішувач утворює бульбашки порядку мм, які створюють дуже високу поверхню поверхні. Основною характеристикою статичних змішувачів є перепад тиску, який визначає потужність, що розсіюється, і таким чином фіксує розмір бульбашок.

Останній змінюється залежно від витрати рідини, типу та кількості елементів змішувача. Він може варіюватися від 0,05 до 0,3 бар на метр довжини статичного змішувача. Цей тип пристрою використовується для нагнітання газу в головку контактора так само, як і гідроектор, а також для передачі озону в рідкій фазі. Типова схема установки включає перший байпасний статичний змішувач для дисперсії газу та основний статичний змішувач для передачі озону (рис. 21). Залежно від допустимого перепаду тиску вторинний статичний змішувач замінюється гідроектором. Для установки зазвичай потрібна дегазаційна колона для розділення фаз.

Критерії ефективності основних описаних реакторів озонування порівнюються в таблиці 9.

Для кожного застосування вибір реактора продиктований визначальним фактором процесу, який є:

час контакту для повільних реакцій;
гідродинаміка для швидких і помірно швидких реакцій (потім шукають поршневий потік);
передача озону для дуже швидких реакцій (найбільш підходящі контактори з великою поверхнею поверхні).

У таблиці 10 узагальнено технічні переваги та недоліки, пов'язані з кожним реактором, та представлена галузь застосування, яка відповідає їм.