Способ дозирования озона и установка для обработки питьевой воды

Изобретение относится к обработке воды озоном и может быть использовано в системах водоснабжения городов и населенных пунктов для обеззараживания питьевой воды из поверхностных водоисточников, в частности, с большими сезонными колебаниями степени загрязненности воды. В предлагаемых установке и способе одновременно с ростом расхода озоно-воздушной смеси производится увеличение суммарного количества микроотверстий для ее диспергирования. Для малых доз озона, включая минимальную, используют минимальное количество базовых контактных резервуаров постоянного действия, минимальный удельный расход озоно-воздушной смеси через 1 контактный резервуар и минимальную концентрацию в ней озона, а при более высоких дозах, включая максимальную, используют дополнительное количество контактных резервуаров периодического действия, причем при подключении каждого дополнительного контактного резервуара производят перераспределение и уравнивание расходов обрабатываемой воды между действующими контактными резервуарами, а также увеличивают удельный расход озоно-воздушной смеси через один контактный резервуар ступенями с равным шагом, рассчитанным исходя из двукратного допустимого превышения минимального удельного расхода, принятого для обеспечения минимальной заданной дозы озона. Технический результат состоит в упрощении конструкции и повышении надежности системы диспергирования озоно-воздушной смеси за счет использования обычных металлических диспергаторов из титана, в снижении стоимости оборудования за счет уменьшения общего количества диспергаторов, а также запорно-регулирующей аппаратуры, в увеличении срока службы установки за счет использования контактных резервуаров периодического действия для ротации постоянно действующих, а также в сверхнормативном увеличении общего расхода обрабатываемой воды за счет использования дополнительных свободных контактных резервуаров при малых и средних дозах озона. 2 н.п. ф-лы, 11 ил. 7 табл., 1 пр.

 

1. Краткое описание чертежей, схем, графиков

Способ дозирования озона и установка для обработки питьевой воды поясняется чертежами, схемами, графиками:

На фиг. 1 для сравнения представлены принципиальные схемы распределения диспергаторов и регуляторов потока озоно-воздушной смеси (ОВС) в контактных резервуарах (КР) предлагаемой установки (вариант А) и прототипа установки (вариант В). Установка варианта А включает 4 базовых КР непрерывного действия и 3 дополнительных КР периодического действия. В каждом КР установлено по 250 диспергаторов. Четыре базовых КР обеспечивают минимальную дозу озона, а семь КР - максимальную. Каждый КР снабжен одним регулятором потока ОВС и суммарное их количество 7. Прототип установки варианта В включает 6 КР непрерывного действия, которые обслуживают постоянную линию диспергаторов - 1 и две линии периодического действия 2 и 3. Количество диспергаторов в каждой линии по 1000 штук (167*6), а суммарное количество в каждом КР ~500 штук (167*3). Каждый КР снабжен 3-мя регуляторами потока ОВС. Общее количество регуляторов потока - 18 штук.

Из сопоставления количества диспергаторов следует: 1000 диспергаторов в 4-х базовых КР (вариант А) соответствует 1000 диспергаторов в одной автономной линии (вариант В). Однако максимальное количество диспергаторов в 7-ми КР варианта А равное 1750 штук, существенно меньше, чем максимальное количество диспергаторов в 6-ти КР варианта В равное 3000 штук. Соответственно вариант А включает 7 регуляторов потока, а вариант В - 18 штук.

На фиг. 2 показана 4-ступенчатая зависимость удельного расхода воды, общего и удельного расхода ОВС через 1 КР от дозы озона для установки с 4-мя базовыми КР непрерывного действия и 3-мя дополнительными периодического действия с общим расходом обрабатываемой воды 10000 м³/ч. Зависимость построена по данным, приведенным в таблице 4. Четыре ступени постоянного расхода размещаются на графике в зоне между 2-мя наклонными линиями, соответствующими постоянной минимальной 10 г/нм³ и максимальной 17 г/нм³ концентрациями озона в ОВС. Показано, что при использовании только 4-х базовых КР, максимальное увеличение минимальной дозы озона при минимальном удельном расходе ОВС, равном 250 нм³/ч, составляет 1,71, а при использовании 3-х дополнительных КР за счет увеличения удельного расхода до 500 нм³/ч и снижении удельного расхода воды в 1 КР с 2500 м³/ч до 1428 м³/ч увеличение составляет 6 единиц.

На фиг. 3 показана 7-ступенчатая зависимость общего и удельного расхода ОВС от дозы озона для установки с 8-ю базовыми КР непрерывного действия и 6-ю дополнительными периодического действия с общим расходом обрабатываемой воды 20000 м³/ч. На графике показана величина дополнительной дозы озона Δβ, которая образует зону перекрытия границ смежных диапазонов дозы, обеспечиваемых при использовании, например, 12 и 13 КР и необходимая для непрерывной реализации дозы на стыке диапазонов. Показана также дополнительная резервная зона минимальной дозы озона, например, для 13 КР - Δβ_min, при этом минимальная величина дозы озона соответствует минимальной концентрации озона в ОВС, равной 10 г/нм³.

На фиг. 4 представлены ступенчатые зависимости общего и удельного расхода ОВС от дозы озона при одновременном подключении 2-х дополнительных КР для установки с 6-ю базовыми и 6-ю дополнительными КР. Количество ступеней постоянного расхода ОВС 4, вместо 7 при подключении дополнительных КР по одному (см. фиг. 3).

На фиг. 5 представлены ступенчатые зависимости общего и удельного расхода ОВС для установки без дополнительных КР с 4-мя постоянно действующими, от дозы озона. При увеличении общего расхода ОВС в 3,5 раза (с 1000 до 3500 нм³/ч) удельный расход ОВС через 1 КР возрастает также в 3,5 раза (с 250 до 850 нм³/ч), что обуславливает малую степень поглощения озона водой (не более 80-85%).

На фиг. 6 представлена пневмосхема предлагаемой установки озонирования воды, где цифрами обозначены: 1 - компрессор; 2 - осушитель; 3 - воздухозаборник; 4 - редуктор; 5, 6, 7, 13, 20, 46, 52, 56 - запорный элемент; 8, 9, 17, 22, 24, 58 - измеритель давления; 10, 21 -измеритель расхода; 12 - измеритель концентрации озона; 23, 57 - регулятор потока; 16 - регулируемый дроссель; 27 - измеритель уровня воды; 18 - контактный резервуар; 19 - диспергаторы; 11 - генератор озона; 14 -магистраль подачи ОВС; отвод ОВС на КР; 45 - магистраль технического воздуха; 47 - отвод воздуха на КР; 48 - отсечной клапан; 25 - дренажный патрубок; 26 - встроенный минидеструктор остаточного озона; 51 -магистраль отведения ОВС; 59 - деструктор остаточного озона; 50 - вытяжной вентилятор; 53 - сбросовый трубопровод; 60 измеритель входной концентрации остаточного озона; 54 - измеритель выходной концентрации остаточного озона.

На фиг. 7 представлена блок-схема подачи и распределения обрабатываемой воды между КР и слива обработанной воды, где цифрами обозначены: 28 - насос подачи воды; 29 - блок песчаных фильтров; 30, 31, 40, 41 - запорные элементы; 18 - контактные резервуары; 32 - магистраль подачи фильтрованной воды; 33 - отводы на КР; 34 - запорно-регулирующий элемент; 35 - измеритель расхода воды; 36 - магистраль отвода озонированной воды; 37 - отвод озонированной воды; 38 - запорный элемент; 39 - блок угольных фильтров; 42 - магистраль подачи воды потребителю.

На фиг. 8 представлена схема установки гидрозатвора для защиты полостей диспергаторов от несанкционированного повышения избыточного давления сверх допустимой величины, где цифрами обозначены: 33 -трубопровод подачи воды в КР; 37 - трубопровод слива воды из КР; 19 - диспергаторы; 49 - гидрозатвор; 43 перфорированная перегородка; 44 - приемный лоток; 15 - отвод ОВС от магистрали на КР; 23 - регулируемый дроссель; Н_дисп - глубина погружения пластин диспергатора; Н_гз - глубина погружения выходного отверстия гидрозатвора.

На фиг. 9 представлены сравнительные зависимости общего и удельного расхода ОВС через 1 КР и количества используемых диспергаторов от дозы озона для предлагаемой установки (вариант А) и ее прототипа (вариант В), где ∑КР - количество действующих КР для варианта А; сплошными линиями показаны зависимости для варианта А, а пунктирными для варианта В.

На фиг. 10 приведен график зависимости максимального коэффициента увеличения минимальной дозы озона от коэффициента увеличения минимального количества действующих КР (k_N) и аппроксимирующая формула для этой зависимости.

На фиг. 11 представлена циклограмма запуска, работы и останова дополнительных КР периодического действия.

2. Обозначения, индексы, сокращения

G - расход воздуха, озоно-воздушной смеси, нм³/ч

- расход обрабатываемой воды, м³/ч

Q - производительность генератора озона, кг/ч, (г/ч)

с - концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/нм³

β - доза озона, вводимого в воду, г/м³

k_G - коэффициент увеличения минимального общего расхода ОВС

- коэффициент увеличения минимального удельного расхода ОВС через 1 КР

k_c - коэффициент увеличения минимальной концентрации озона в овс

k_N - коэффициент увеличения минимального фиксированного базового количества действующих КР

k_β - коэффициент увеличения минимальной заданной дозы озона

n - порядковый номер ступени расхода озоно-воздушной смеси

n_отв - количество отверстий в диспергаторах

n_б - количество базовых контактных резервуаров

n_д - количество дополнительных контактных резервуаров

F - площадь поверхности пластины диспергатора, поперечного сечения контактного резервуара, м²

max - максимальное значение величины

min - минимальное значение величины

opt - оптимальное значение величины

уд - удельное значение величины, отнесенное к 1 см² площади поверхности, к 1 отверстию, к 1 контактному резервуару

зад - заданное значение величины

тек - текущее измеренное в данный момент времени значение величины

лин - значение величины параметра, отнесенного к отдельной линии диспергаторов

раб - рабочая площадь пластины диспергатора

отв - отверстие диспергатора

оп - опытное значение

ГО - генератор озона

КР - контактный резервуар

ОВС - озоно-воздушная смесь

ДСУ - диспетчерская система управления

ЛАСУ - локальная автоматизированная система управления

СПВ - система подготовки воздуха

ССО - система синтеза озона

СОД - система отведения ОВС и деструкции озона

СПД - система подачи и диспергирования ОВС.

3. Область техники и аналоги изобретения

Из уровня техники известен способ дозирования озона при обработке питьевой воды, забираемой из природных источников и характерных большими сезонными колебаниями дозы озона, необходимой для ее очистки, в 6 и более раз, а также установка для реализации способа (заявка №2012144107/05 (070806)). При указанных дозах озона требуется повышенный расход озоно-воздушной смеси (ОВС), тем больший, чем ниже верхний предел по оптимальной концентрации в ней озона. Особенность процесса диспергирования ОВС состоит в том, что при увеличении удельного расхода через единичное отверстие диспергатора происходит рост размеров пузырьков ОВС, уменьшение времени их всплытия до уровня горизонта воды в контактном резервуаре (КР), и, как следствие, снижение степени поглощения озона водой и рост потерь произведенного озона.

В известном способе величину удельного расхода ОВС через единичный КР ограничивают путем пропускания части возрастающего расхода ОВС через дополнительные группы (линии) диспергаторов периодического действия.

Принципиальная схема распределения диспергаторов ОВС между КР установки, принятой в качестве прототипа, производительностью, например, 10000 м³ воды в час с использованием дозы озона до 6 г/м³ приведена на фиг. 1 (вариант В). Установка содержит 6 КР непрерывного действия, в каждом из которых установлена одна группа диспергаторов непрерывного действия и две дополнительные группы диспергаторов периодического действия с равным количеством диспергаторов в каждой группе (по 167 шт.), при этом диспергаторы во всех КР объединены в одну автономно управляемую линию непрерывного действия и в две периодического с равным количеством диспергаторов в каждой линии (по 1000 шт.).

Группа диспергаторов, установленная в каждом КР, входящая в состав одной из трех объединенных линий, снабжена входным регулируемым дросселем. Эти дроссели в разных КР работают синхронно. Диспергаторы каждой из трех групп в КР распределены равномерно по поперечному сечению КР. Основные расчетные характеристики этой установки приведены в таблице 6 (вариант В). Для защиты от интенсивного минерального и биологического обрастания отверстий диспергаторов при контакте пластин диспергаторов с очищаемой водой без продувки их газом в нерабочие периоды используют специальные диспергаторы с пластинами, выполненными из синтетического этиленпропиленового каучука и снабженными щелевыми микроотверстиями (прорезями), закрывающимися при сбросе давления газа с обеспечением герметичности внутренней полости и самоочищающимися от отложений при раскрытии прорезей под давлением подаваемого газа. Исходя из взаимозаменяемости линий диспергаторов, все они снабжены каучуковыми пластинами.

Известный способ и установка имеют следующие недостатки. Количество автономно управляемых линий диспергаторов избыточно при заданном увеличении минимальной дозы озона в 6 раз, что следует из результатов рассмотрения характеристик установки, представленной в нижеследующей таблице 1. Расчеты величины необходимой дозы озона выполнены по приведенной в описании настоящего изобретения формуле:

,

где $$k_{\beta }^{\max }=\frac{{\beta }_{\max }}{{\beta }_{\min }}$$ - коэффициент заданного увеличения минимальной дозы озона - β_min;

$$k_c^{\max }=\frac{c_{\max }}{c_{\min }}$$ - коэффициент увеличения минимальной концентрации озона в ОВС;

$${\left(k_G^{уд}\right)}_{\text{max}}=\frac{{\left(G_{1лин}^{уд}\right)}_{\text{max}}}{{\left(G_{1лин}^{уд}\right)}_{\text{min}}}$$ - коэффициент увеличения минимального удельного расхода ОВС через одну автономную линию диспергаторов;

$$k_{лин}^{\max }=\frac{{\text{N}}_{\text{лин}}^{\text{max}}}{{\text{N}}_{\text{лин}}^{\text{min}}}$$ - коэффициент увеличения минимального количества действующих линий диспергаторов.

Таблица 1
$$k_c^{\max }$$	$$k_{лин}^{\max }$$	$${\left(k_G^{уд}\right)}_{\text{max}}$$
		1,0	1,25	1,5	1,75	2,0
$$k_{\beta }^{\max }=\frac{{\beta }_{\max }}{{\beta }_{\min }}$$
1,71	1	1,71	2,13	2,56	2,99	3,42
	2	3,42	4,27	5,12	5,98	6,84
3	5,13	6,39	7,68	8,97	10,26
Степень поглощения озона водой - ε, %	~99	~98	~97	~96	~95

Из таблицы 1 следует, что три линии обеспечивают коэффициент увеличения минимальной дозы озона k_β=6,39 при $${\text{k}}_G^{уд}=\mathrm{1,25}$$ и степень поглощения озона водой $$\epsilon \cong 98\%$$ , две автономные линии обеспечивают k_β=5,98 при $$k_G^{уд}=\mathrm{1,75}$$ и степень поглощения озона водой $$\epsilon \cong 96\%$$ .

Три линии, при том же значении $$k_G^{уд}=\mathrm{1,75}$$ , обеспечивают избыточное увеличение дозы k_β=8,97. Таким образом, при использовании двух линий вместо трех обеспечивается снижение количества используемых диспергаторов на 1/3, что весьма существенно. При этом степень поглощения озона водой сохраняется выше допустимых 95%.

Наличие в каждом КР установки по три автономно управляемых линий диспергаторов существенно увеличивает набор необходимых контрольно-измерительных приборов и запорно-регулирующей арматуры и тем самым увеличивает стоимость оборудования, его обслуживание и ремонт, а также увеличивает вероятность отказов при работе КР.

Кроме того, в процессе длительного использования диспергаторов с каучуковыми пластинами при малых удельных расходах ОВС существует вероятность чрезмерного увеличения толщины слоя отложений на поверхности неработающих пластин с закрытыми прорезями. При возобновлении подачи ОВС некоторая часть прорезей может не раскрыться, что приведет к росту размеров пузырьков ОВС в раскрывшихся отверстиях и снижению степени поглощения озона.

Существует также вероятность меньшего срока службы диспергаторов с каучуковыми пластинами при высоких концентрациях озона в ОВС по сравнению с традиционными титановыми диспергаторами.

4. Техническая задача изобретения и описание предлагаемого способа дозирования озона

Техническая задача, поставленная изобретением, состоит в обеспечении возможности применения традиционных надежных титановых диспергаторов с пористыми или перфорированными лазером пластинами в качестве диспергаторов периодического использования в установках для озонирования воды, характерной большими сезонными изменениями необходимой дозы озона - β до 6 и более раз, например: при сохранении степени поглощения озона водой не менее 95% за счет ограничения удельного расхода ОВС через отверстия диспергаторов, а также в упрощении конструкции установки, снижении стоимости ее изготовления и обслуживания и в увеличении срока службы.

Техническая задача решается путем реализации предлагаемого способа дозирования озона, включающего: подготовку сжатого, охлажденного и осушенного воздуха, пропускание воздуха отдельными ступенями с заданным постоянным расходом через генератор озона с источником электропитания, синтез озона с обеспечением заданной концентрации его в ОВС, пропускание ее сквозь отверстия диспергаторов непрерывного и дополнительно периодического действия с выходом из них восходящего потока мелких пузырьков ОВС в объем обрабатываемой воды, протекающей через реакционные емкости КР с обеспечением времени поглощения заданной дозы озона в каждом из них, распределения общего расхода ОВС между КР пропорционально расходу воды в каждом из них, отведение отработанной ОВС из газовых подушек КР на деструктор остаточного озона с последующим выбросом ОВС с безопасной концентрацией в ней озона в атмосферу и характерного тем, что при увеличении дозы озона за счет увеличения общего расхода ОВС - G и концентрации в ней озона прирост удельного расхода ОВС через единичный КР - G_уд уменьшают пропуская часть возрастающего расхода ОВС через диспергаторы дополнительных отдельных КР периодического действия - N_д, причем на каждой, начиная со 2-й, более высокой ступени общего расхода ОВС к минимальному базовому количеству КР - N_б подключают по одному дополнительному КР, при этом максимальное количество действующих КР выбирают из условия обеспечения степени поглощения озона водой не менее 95%; для чего ограничивают удельный расход ОВС через 1 КР:

а постоянный расход обрабатываемой воды - поровну распределяют между всеми действующими КР, при этом удельный расход воды через единичный КР снижают, а плавный рост дозы озона обеспечивают путем сочетания ступенчатого увеличения общего расхода ОВС и плавного изменения в ней концентрации озона на установленной ступени постоянного расхода в пределах от 70 до 120% от величины оптимальной концентрации, соответствующей минимуму энергозатрат на производство 1 кг озона и характерной для используемой озонаторной установки; минимальное базовое количество постоянно действующих КР - N_б определяют по формуле:

где: - общий расход обрабатываемой воды, м³/ч;

τ_min - минимально допустимое время пребывания обрабатываемой воды в реакционной зоне КР, час;

µ - коэффициент расхода площади проходного поперечного сечения КР;

n - порядковый номер ступени общего расхода ОВС;

- минимальный общий расход ОВС, нм³/ч;

- минимальная заданная доза озона, г/м³;

- минимальная концентрация озона в ОВС, г/нм³.

Минимальный удельный расход ОВС через 1 КР, соответствующей первой ступени расхода определяют по формуле:

Исходя из формул для дозы озона на выбранных n-й и 1-й ступенях расхода ОВС:

формула для коэффициента увеличения дозы озона на n-й ступени относительно минимальной дозы на 1-й ступени имеет следующий вид:

где - коэффициент увеличения минимальной заданной дозы озона;

- коэффициент увеличения минимальной концентрации озона в ОВС на любой ступени расхода, при этом:

поскольку N_д=n-1;

коэффициент (k_N)_n зависит от N в соответствии с законом арифметической прогрессии с разностью прогрессии

- коэффициент увеличения минимального удельного расхода ОВС; с целью обеспечения равномерности шага его увеличения в диапазоне от n=1 до n=n_max принят закон арифметической прогрессии:

для обеспечения степени поглощения озона водой не менее 95% принимают при этом и с учетом и N_д=n-1 формула принимает вид:

где - разность арифметической прогрессии;

в результате формула для (k_β)_n принимает следующий окончательный вид, пригодный для практических расчетов параметров озонирования воды на разных ступенях общего расхода ОВС при любых расходах обрабатываемой воды:

на любой ступени расхода ОВС; необходимую величину коэффициента k_c устанавливают в пределах от 1 до 1,71.

Максимальное количество дополнительных КР определяют используя формулу для коэффициента

откуда

при и ^, 71, выражение принимает вид:

Результат, вычисленный по этой формуле, округляют до ближайшего большего целого числа, а величину увеличивают для сохранения равенства; дополнительные КР периодического действия начинают использовать преимущественно при увеличении минимальной заданной дозы озона более, чем в 1,7 раза, что позволяет использовать свободные дополнительные КР для ротации действующих КР с достаточно малыми интервалами времени, это повышает равномерность износа оборудования КР и увеличивает срок службы установки озонирования в целом. Эта особенность позволяет также использовать свободные дополнительные КР для сверхнормативного увеличения общего расхода обрабатываемой воды, что на практике может иметь существенное значение. Размещение диспергаторов периодического действия в отдельных дополнительных КР исключает контакт диспергаторов с обрабатываемой водой в нерабочие периоды и потерю их пропускной способности, благодаря чему используют титановые диспергаторы с высокими эксплуатационными характеристиками.

С использованием формулы выполнены расчеты параметров процесса озонирования воды на установках с различными расходами обрабатываемой воды в диапазоне от 240 до 600 тысяч м³ в сутки. Для примера выбраны следующие исходные данные:

Результаты расчета безразмерных величин коэффициентов приведены в таблице 2.

Результаты расчета размерных величин β_max; β_min; G_уд; G; N_д в зависимости от ступени расхода ОВС представлены в таблице 3, при этом использованы следующие соотношения:

Результаты, приведенные в этих таблицах, показывают, что для всех вариантов рассмотренных установок увеличение минимальной дозы озона в 6-6,5 раз может быть обеспечено при увеличении минимального базового количества действующих КР в 1,75-1,86 раза и практически не зависит от расхода обрабатываемой воды и количества базовых КР.

Для конкретной установки с заданным фиксированным расходом обрабатываемой воды в эти таблицы добавляют достижимые пределы диапазонов дозы озона на разных ступенях расхода ОВС в случаях, соответствующих нештатным режимам работы установки с уменьшенным количеством исправных КР. Примеры и форма представления дополненных данных приведены в таблице 4 для установки с расходом обрабатываемой воды 240 тысяч м³ в сутки, в таблице 5 для установки с расходом обрабатываемой воды 480 тысяч м³ в сутки.

В дополнение к этим таблицам, для наглядности, на фиг. 2 и 3 приведены графики ступенчатой зависимости общего и удельного расходов ОВС от диапазона достижимой дозы озона, а на фиг. 4 показана возможность уменьшения количества сопряженных диапазонов дозы за счет одновременного подключения 2-х дополнительных КР для случая, когда установка содержит большое количество КР.

На фиг. 5 показана ступенчатая зависимость удельного расхода через 1 КР в случае наличия в установке 4-х постоянно действующих КР. Коэффициент увеличения удельного расхода при этом $$k_G^{уд}=\frac{875}{250}=\mathrm{3,5}$$ , а степень поглощения озона водой не превышает 80-85%.

Информацию о располагаемых дозах озона на разных ступенях расхода ОВС в виде аналогичных таблиц приводят в инструкции по эксплуатации установки и вводят в базу данных соответствующих блоков автоматизированной системы управления установки.

Выбор параметров процесса озонирования воды, обеспечивающих заданную дозу озона, производит блок АСУ с использованием информации о располагаемых дозах озона на разных ступенях расхода ОВС, выбирает раздел таблицы, соответствующий количеству исправных КР на данный момент времени и ступень - n расхода ОВС с меньшим количеством КР, на которой выполняется условие:

далее определяют необходимую текущую производительность генератора озона:

где ε₁≤1 - фактическая степень поглощения озона водой, устанавливаемая по результатам пуско-наладочных работ;

ε₂≤1 - коэффициент потерь озона при транспортировании ОВС от генератора озона до диспергаторов на саморазложение;

и вычисляют необходимую концентрацию озона в ОВС на выбранной ступени расхода:

Данные о произведенном выборе параметров процесса озонирования сообщают в локальные системы автоматизированного управления установки: в ЛАСУ СПВ - о потребном расходе воздуха; в ЛАСУ ССО - о расходе воздуха и концентрации озона в ОВС на выходе из генератора озона; в ЛАСУ СПД - о количестве и порядковых номерах задействованных КР, удельном расходе ОВС и удельном расходе обрабатываемой воды через 1 КР; в ЛАСУ СОД - о порядковых номерах задействуемых КР, общем расходе ОВС и исходной концентрации в ней озона; в ЛАСУ системы подачи и распределения воды об общем и удельном расходе воды через 1 КР, о количестве и порядковых номерах задействованных КР.

В случае, если для обеспечения новой дозы озона не требуется изменения расхода ОВС и количества действующих КР, изменяют напряжение электрического тока на источнике питания ГО и доводят концентрацию озона в ОВС до получения требуемой его производительности. В случае, если требуется увеличение расхода ОВС и подключение дополнительного КР, то сначала производят подключение дополнительного КР к системе подачи воды.

Перед заполнением КР водой осуществляют защитную воздушную продувку полостей диспергаторов с заданным расходом. При этом отбор воздуха производят из воздухосборника СПВ по отдельной технологической линии, снабженной отводами с запорным элементом на диспергаторы каждого КР. Защитная продувка исключает попадание воды внутрь полости диспергаторов за счет поддержания избыточного давления воздуха. Заполнение КР водой ведут с малым расходом, ограничивающим величину избыточного давления на потолочные перекрытия воздуха, вытесняемого в атмосферу через дренажное отверстие в перекрытии. После заполнения КР до уровня слива воды ее удельный расход в подключаемом КР доводят до заданной величины, одновременно снижают удельные расходы воды в действующих КР до той же величины, уравнивая их во всех КР. Пример циклограммы продувки приведен на фиг. 11.

В период перестройки процесса подачи воды удельный расход ОВС на действующих КР оставляют без изменения. После уравнивания удельных расходов воды прекращают защитную воздушную продувку диспергаторов в подключаемом КР и открывают заслонку дросселя на линии отвода ОВС на деструктор. Далее открывают заслонку входного дросселя на линии подачи ОВС в КР до величины, соответствующей удельному расходу при новой заданной дозе озона. Одновременно увеличивают удельный расход ОВС на действующих КР. При этом увеличивают напряжение электрического тока на источнике питания ГО и повышают концентрацию озона в ОВС до величины, соответствующей новой заданной дозе озона.

В случаях, если для перехода на новую меньшую дозу озона необходимо отключение КР, то перед прекращением подачи в КР воды прекращают подачу ОВС, осуществляют защитную воздушную продувку полостей диспергаторов, а после слива воды продувают объем полости КР для снижения концентрации озона до нормативного безопасного уровня.

Циклограмма подачи в дополнительный КР воздуха защитной продувки диспергаторов, подачи озонируемой воды и ОВС при его запуске, работе и остановке приведена на фиг. 11.

5. Описание совокупности конструктивных признаков установки

Задача, поставленная изобретением, состоит в обеспечении возможности применения надежных традиционных титановых диспергаторов с пористыми или перфорированными лазером пластинами в качестве диспергаторов периодического использования в установке озонирования воды с 6-ти кратным изменением дозы озона, а также при сохранении высокой эффективности использования произведенного озона, в упрощении конструкции установки, снижении стоимости ее изготовления и обслуживания и решается путем реализации заявленного способа дозирования озона в установке, содержащей систему подготовки воздуха, включающую компрессорный блок, осушитель, воздухосборник с редуктором постоянного давления на выходе, систему синтеза озона, включающую генератор озона (ГО) с источником электропитания, контактные резервуары с системой подачи, пропускания и слива воды потребителю, систему подачи, распределения и диспергирования озоно-воздушной смеси (ОВС), включающую магистральный трубопровод, сообщенный с ГО и снабженный отводами на контактные резервуары (КР), в которых установлены диспергаторы пузырьков озоно-воздушной смеси (ОВС) непрерывного и периодического действия, равномерно размещенные в придонной части КР на питающих трубопроводах, которые сообщены с отводами от магистрального трубопровода и ГО, систему отведения отработанной ОВС из газовых подушек КР, деструкции остаточного озона и выброса смеси в атмосферу, систему технологической воздушной продувки диспергаторов, систему автоматизированного управления с запорно-регулирующей и контрольно-измерительной аппаратурой и имеющей согласно конструктивных схем, представленных на фиг. 6 и 7 следующую совокупность конструктивных признаков, обеспечивающих заявленный технический эффект:

- система подготовки осушенного воздуха (СПВ) включает, по крайней мере, один рабочий компрессор 1 (фиг. 6) высокого давления от 7 до 10 кгс/см² периодического действия с выходом через осушитель 2 в воздухосборник (ресивер) 3, снабженный на выходе редуктором 4, автоматически поддерживающим давление воздуха на выходе в сеть в пределах от 1,8 до 2,1 кгс/см² при изменении потребления воздуха в сети до 3,5 раз, запорные элементы 5, 6, измерители давления 8, 9 и расхода воздуха 10; наличие воздухосборника заданного объема позволяет отбор воздуха из него и подачу ОВС на диспергаторы осуществлять в любое время подключения дополнительных КР по заранее установленному закону, например, арифметической прогрессии с постоянным шагом или геометрической прогрессии с переменным шагом путем изменения площади проходного сечения дросселей 23, установленных на входе в систему диспергирования ОВС каждого КР;

- ГО 11 включает несколько модулей равной производительности с системой охлаждения, источники электропитания модулей, измеритель концентрации озона в ОВС 12, запорный элемент 13;

- магистраль подачи ОВС 14 содержит отводы 15 на каждый КР, снабженные запорно-регулирующей и измерительной аппаратурой, а на входе дросселирующее устройство 16, выполненное с возможностью компенсации снижения гидросопротивления сети при уменьшении расхода ОВС в 3,5 раза от максимального уровня и поддержания заданного уровня давления по показаниям измерителя давления 17. Устройство стабилизации давления подачи ОВС повышает точность дозирования озона и снижает потери произведенного озона;

- однотипные односекционные КР 18 и установленные в них диспергаторы ОВС 19 условно разделены на 3 части, отличающиеся по назначению и времени действия: резервные, базовые непрерывного действия, служащие для обеспечения малых доз озона, дополнительные периодического действия, обеспечивающие достижение больших доз, включая максимальную, использование которых исключает контакт диспергаторов с водой в нерабочие периоды и позволяет применить традиционные титановые диспергаторы с пористыми или перфорированные лазером пластинами, вместо специальных диспергаторов периодического действия (как в прототипе) с каучуковыми пластинами, способных постоянно находиться в контакте с водой, и что обеспечивает решение основной поставленной задачи изобретения;

- пластины всех диспергаторов 19 выполнены либо из листового титана толщиной 0,4-0,5 мм с перфорированными лазером отверстиями диаметром 70±5 мкм, при этом допустимая величина удельного расхода ОВС через единичное отверстие принята в пределах (0,5-1,0) 10^-3 нм³/ч, либо из пористого титана толщиной 3-4 мм со сквозными порами в пределах (40-120) мкм, при этом допустимая величина удельного расхода ОВС через 1 см² рабочей площади пластины принята в пределах (1-2) 10^-3 нм³/ч. Ограничение удельного расхода ОВС обеспечивает степень поглощения озона водой более 95%;

- суммарное количество отверстий диаметром 70±5 мкм в перфорированных пластинах всех диспергаторов, установленных в базовых КР, выбрано из условия пропуска ОВС с расходом, обеспечивающим минимальную заданную дозу озона и определено по формуле:

,

где $${\left(G_{1отв}^{уд}\right)}_{\text{min}}=\mathrm{0,5}\cdot {10}^{-3}$$ нм³/ч; при этом количество отверстий в диспергаторах, установленных в любом единичном КР установки, определено по формуле:

,

а суммарная рабочая площадь пористых пластин всех диспергаторов, установленных в базовых КР с размерами сквозных пор 40-120 мкм, выбранная из того же условия, определена по формуле:

,

где $${\left(G_{1с{м}^2}^{уд}\right)}_{\text{min}}=1\cdot {10}^{-3}$$ нм³/ч, при этом суммарная рабочая площадь пористых пластин диспергаторов, установленных в любом единичном КР установки, определена по формуле:

,

- базовое количество КР - n_б выбрано в зависимости от объемного расхода обрабатываемой воды, минимально допустимого времени ее пребывания в реакционной зоне КР, объема рабочей полости КР, заполненного водой, с учетом влияния расхода ОВС и определено по формулам:

,

где $$G_{H_{2}O}$$ - расход обрабатываемой воды через 1 КР, м³/ч;

τ_min - минимальное время пребывания воды в КР, ч;

f_1kp - площадь поперечного сечения 1 КР, м²;

µ - коэффициент снижения площади поперечного проходного сечения КР из-за наличия потока ОВС;

$$G_{OBC}^{уд}$$ - удельный расход ОВС через 1 КР, нм³/ч;

- максимальное количество дополнительных КР - $${\text{N}}_{\text{д}}^{\text{max}}$$ определено по формуле, учитывающей заданный максимальный коэффициент увеличения минимальной дозы озона $${\left(k_{\beta }^{\max }\right)}_{зад}$$ , коэффициент максимального увеличения минимального удельного расхода ОВС $${\left({\text{k}}_G^{уд}\right)}_{\max }=2$$ ; коэффициент максимального увеличения минимальной концентрации озона в ОВС - $$k_c^{\max }=\mathrm{1,71}$$ и количество базовых КР - N_б:

,

при этом результаты, полученные по формуле, увеличивают до ближайшего большего целого числа, а величину $${\left(k_{\beta }^{\max }\right)}_{зад}$$ соответственно корректируют в большую сторону для восстановления равенства;

- каждый КР снабжен автономно управляемой системой подачи, распределения и диспергирования ОВС, включающей отвод 15 от магистрали 14, на котором смонтированы в направлении потока ОВС запорный элемент 20, измеритель расхода 21 и давления 22, регулятор потока 23, измеритель давления 24, на крышке КР смонтирован дренажный патрубок 25 с встроенным минидеструктором остаточного озона 26, сообщенный с полостью газовой подушки КР и атмосферой, а также измеритель высоты уровня воды 27, система распределительных трубопроводов у дна КР с равномерно установленными на них однотипными диспергаторами 19, полости которых сообщены с отводом 15, максимальная площадь проходного сечения регулятора потока 23 выбрана в 3-4 раза больше суммарной площади проходного сечения отверстий в диспергаторах, установленных в КР, и рассчитана из условия пропуска минимального и максимального удельного расхода ОВС:

;

,

а автоматизированный привод заслонки регулятора потока выполнен с возможностью пропуска различных промежуточных ступеней с постоянным удельным расходом ОВС, величина которого определена по закону арифметической прогрессии вида:

,

где n=1 - первая ступень с расходом $$G_{n=1}^{уд}={\text{G}}_{\text{min}}^{уд}$$ ;

d - разность арифметической прогрессии;

;

;

при $$G_{n={\text{n}}_{\max }}^{уд}=2\cdot {\text{G}}_{\text{n}=\text{1}}^{уд}$$ формула арифметической прогрессии принимает вид:

;

при этом границы диапазона дозы озона, обеспечиваемые на каждой ступени удельного расхода ОВС в каждом КР, определены по формулам:

;

;

где $$\left(G_{H_{2}O}^{уд}\right)=\frac{{\text{G}}_{{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}}{{\left({\text{N}}_{\text{б}}+{\text{N}}_{\text{д}}\right)}_n}$$ ;

- система подачи, пропускания и слива воды потребителю (фиг. 7) включает: насос подачи 28, блок из нескольких параллельно установленных песчаных фильтров 29 с запорными элементами 30, 31, магистраль подачи фильтрованной воды 32, отводы 33 на КР 18, на каждом из которых установлен запорно-регулирующий элемент 34 и измеритель расхода воды 35, магистраль отвода озонированной воды 36 с отводами от каждого КР 37, с запорными элементами 38, блок из нескольких параллельно установленных угольных фильтров с запорными элементами 40, 41, магистраль подачи воды потребителю 42. Равномерность распределения воды по поперечному сечению КР (см. фиг. 8) обеспечивает перфорированная перегородка 43, установленная ниже диспергаторов, и приемные лотки 44, установленные под уровень горизонта воды в КР. КР могут быть расположены, например, в 2 ряда по обе стороны от магистрали подачи фильтрованной воды. В каждом ряду количество базовых и дополнительных периодического действия КР преимущественно равное. Привод запорно-регулирующего элемента 34 на подаче воды в КР выполнен с возможностью синхронизации дистанционного автоматического управления в процессе опережающей воздушной продувки диспергаторов, исключающей заполнение полостей диспергаторов поступающей водой;

- каждый КР снабжен дополнительно системой воздушной продувки воды из полостей диспергаторов при нештатных ситуациях и опережающего наддува полостей диспергаторов при штатном заполнении КР водой, исключающего заполнение полостей диспергаторов водой, что повышает надежность работы установки. Система воздушной продувки (см. фиг. 6) включает: магистральные трубопроводы подачи воздуха 45 с входным запорным элементом 46, сообщенные с воздухосборником 3, отводы 47 от магистрали 45, сообщенные с отводом 15 для подачи ОВС и снабженные запорным элементом 48. При открытых запорных элементах 46 и 48 отбор воздуха регулируется дросселем 23 (фиг. 6), а вытеснение воды из полостей диспергаторов и трубопроводов осуществляется через гидрозатвор 49 (фиг. 8), установленный в месте наибольшего понижения трубопроводов, несущих диспергаторы, при этом гидрозатвор выполнен в виде двух вертикальных труб с закругленной перемычкой вверху, верхняя точка которой расположена на 30-50 мм выше горизонта расположения пластин диспергаторов, а открытый конец сбросового трубопровода гидрозатвора опущен в воду КР на глубину ниже диспергаторов, что ограничивает избыточное давление ОВС на пластины диспергаторов путем сброса избытка газа.

Изменение расхода воздуха при опережающем наддуве диспергаторов в случае штатного заполнения КР водой производится параллельно с работой регулятора 34 расхода воды по согласованной программе;

- система отвода отработанной ОВС из газовых подушек КР и деструкции остаточного озона включает: вытяжной вентилятор 50, магистральный трубопровод отведения 51 с запорным элементом 52, сбросовый трубопровод 53 с измерителем концентрации остаточного озона 54, отводы от каждого КР 55 с запорным элементом 56, регулируемым дросселем 57, а также измерители давления разряжения 58 и входной концентрации остаточного озона 60. Наличие дросселей 57 с площадью проходного сечения, регулируемой по показаниям измерителей давления разряжения 58, обеспечивает поддержание давления разряжения в газовых подушках всех КР в узких пределах, например, от 50 до 150 мм водяного столба, необходимого для сохранения целостности потолочного перекрытия КР.

- диспетчерская система автоматизированного управления (ДСУ) установки выполнена с возможностью осуществления запуска и останова дополнительных КР периодического действия посредством выдачи соответствующим ЛАСУ последовательных команд по установленной циклограмме на изменение положения заслонок запорно-регулирующих элементов, установленных на линиях подачи в КР обрабатываемой воды, ОВС и воздуха технологической продувки диспергаторов;

- локальная система автоматизированного управления положением заслонок дросселей, установленных на отводах от магистрали подачи ОВС в КР, выполнена с возможностью обеспечения ступенчатого изменения заданного уровня удельного расхода ОВС по следующему закону арифметической прогрессии:

;

где: n=N_д+1 - порядковый номер ступени удельного расхода ОВС;

N_д - количество дополнительных КР;

- минимальный удельный расход ОВС на 1-й ступени;

- знаменатель арифметической прогрессии; при этом границы диапазона дозы озона, обеспечиваемые на каждой ступени удельного расхода ОВС в каждом КР, определены по формулам:

где:

при этом ЛАСУ использует показания измерителей расхода ОВС, установленных перед дросселями, а при переходе на новую ступень удельного расхода ОВС ЛАСУ выполнена также с возможностью обеспечения заданной продолжительности установки заслонок в новое положение, например, в течение не менее 3-4 минут для обеспечения пределов допустимого изменения уровня давления внутри воздухосборника на переходном режиме потребления воздуха;

- ЛАСУ процессом технологической продувки системы диспергирования ОВС выполнена с возможностью поддержания заданного уровня избыточного давления воздуха в полостях диспергаторов по отношению к изменяющемуся противодавлению столба воды над пластинами диспергаторов путем изменения положения заслонок дросселей, установленных на отводах от магистрали подачи ОВС в КР, используя показания измерителей давления ОВС, установленных за дросселями, и измерителя высоты уровня воды над диспергаторами, установленного в КР.

6. Сравнительные характеристики систем диспергирования заявленной установки и ее прототипа

Сравнение характеристик выполнено на примере установки с расходом обрабатываемой воды 10000 м³/ч.

Принципиальные схемы КР и распределение в них диспергаторов ОВС приведены на фиг. 1. Ступенчатые зависимости общего и удельного расхода ОВС через 1 КР, а также суммарного количества используемых диспергаторов ОВС от дозы озона представлены на фиг. 9. Сравнительные характеристики систем диспергирования установок приведены в таблице 6.

Из рассмотрения зависимостей, представленных на фиг. 9, следует, что в заявленной установке (вариант А) и в ее прототипе (вариант В) общий расход ОВС изменяется ступенями в пределах от 1000 до 3500 нм³/ч. В варианте А предусмотрено 4 ступени расхода по количеству дополнительных КР плюс 1, а в варианте В 6 ступеней - по 2 ступени на каждую из трех автономных линий диспергаторов. Принципиальных отличий нет.

Таблица 6
Сравнительные характеристики предлагаемой установки и ее прототипа
№ п/п	Характеристика	Вариант установки
А предлагаемый	В прототип
1	Расход обрабатываемой воды, м3/ч	10000	10000
2	Диапазон дозы озона, г/м3	1-6	1-6
3	Диапазон расхода ОВС, нм3/ч	1000-3500	1000-3500
4	Диапазон концентраций озона в ОВС, г/нм3	10-17	10-17
5	Количество КР:
	- общее	8	7
	- постоянного действия	4	6
	- периодического действия	3	0
	- резервных	1	1
6	Тип используемых диспергаторов ОВС	штатные из титана	специальные из каучука
7	Удельный расход ОВС через 1 диспергатор, нм3/ч	1	1
8	Количество диспергаторов
	- общее (включая резервный КР)	2000	3500
	- в одном КР	250	500
	- в базовых КР	1000	-
	- в одной базовой линии всех КР	-	1000
9	Количество групп диспергаторов автономно управляемых по расходу ОВС	4	3
10	Количество одновременно действующих диспергаторов:
	- максимальное	1750	3000
	- минимальное	1000	1000
11	Коэффициент увеличения максимального удельного расхода ОВС через 1 КР
	- максимальный	2	1,5
	- средний	1,54	1,15
12	Средняя величина степени поглощения озона водой, %	97	98,5
13	Количество ступеней расхода ОВС	4	6
14	Количество регуляторов расхода ОВС	8	21

Основное существенное отличие рассматриваемых установок состоит в следующем: для варианта А ступени удельного расхода ОВС через 1 КР с равным шагом увеличиваются от минимального значения, равного 250 нм³/ч до 500 нм³/ч, то есть в 2 раза, в связи с чем количество необходимых диспергаторов увеличивается с 1000 до 1750 штук, то есть в 1,75 раза, так же как и количество действующих КР $$\left(\frac{7}{4}=\mathrm{1,75}\right)$$ , а для варианта В ступенчатая зависимость удельного расхода имеет, напротив, убывающий характер от 250 до 194 нм³/ч, что обусловлено выбранным ступенчатым увеличением количества диспергаторов в 2 или 3 раза (1000, 2000, 3000 шт. ). В связи с этим в варианте В не может быть использована возможность двукратного увеличения минимального удельного расхода, при котором обеспечивается допустимая степень поглощения озона водой не менее 95%. Для варианта А увеличение удельного расхода составляет в среднем 1,54, а степень поглощения озона водой ~97%, а для варианта В среднем увеличение удельного расхода составляет ~1,15 и степень поглощения озона водой ~97,5%.

Таким образом, предлагаемая установка обеспечивает на 0,5% меньшую степень поглощения озона водой, но при этом требует на 42% меньшего количества диспергаторов ОВС. Кроме того, наличие трех автономных линий диспергаторов ОВС в каждом КР для прототипа установки (вариант В) увеличивает количество регуляторов расхода ОВС до 21 против 8 для предлагаемой установки. Наличие в конструкции предлагаемой установки дополнительных КР периодического действия, используемых преимущественно при больших и максимальных дозах озона, позволяет при малых и средних дозах озона использовать свободные дополнительные КР для ротации действующих КР с достаточно малыми интервалами времени, что повышает равномерность износа оборудования и увеличивает срок службы установки в целом.

Эта особенность конструкции позволяет также при малых и средних дозах использовать свободные дополнительные КР для сверхнормативного увеличения общего расхода обрабатываемой воды, что на практике может иметь существенное значение.

Очевидным преимуществом предлагаемой установки является применение широко используемых на станциях промышленной водоподготовки титановых диспергаторов ОВС с высокими эксплуатационными характеристиками. Они надежны, допускают многократное восстановление начальной пропускной способности, которая обеспечивает многолетний срок службы без замены.

Используемые в прототипе установки диспергаторы из синтетического каучука с раскрывающимися под давлением ОВС прорезями менее надежны. В длительные периоды работы установки при малых и средних дозах на одной или двух линиях диспергаторов существует вероятность чрезмерного увеличения толщины и прочности слоя минеральных и биологических отложений на поверхности пластин неработающих диспергаторов с закрытыми прорезями. При возобновлении подачи ОВС на больших дозах озона значительная часть прорезей может не раскрыться, что приведет к росту размеров диспергируемых пузырьков ОВС на раскрывшихся прорезях и к снижению степени поглощения озона водой. Существует также вероятность меньшего срока службы каучуковых диспергаторов при высоких концентрациях озона в ОВС.

7. Примеры расчета параметров установки по заданной дозе озона

Выполнены 2 примера с разными расходами обрабатываемой воды 10000 и 12500 м³/ч и схемами расчета. Исходные данные для расчета представлены в таблице 7.

Пример 1

Последовательность расчета параметров установки

1. Базовое минимальное количество КР

2. Максимальное количество дополнительных КР

3. Общее количество действующих и дополнительных КР на разных ступенях расхода ОВС

n=N_д+1

4. Коэффициенты увеличения минимальной заданной дозы озона на каждой ступени расхода ОВС

5. Ступени общего расхода и удельного расхода ОВС через 1 КР

2. Максимальное количество дополнительных КР

;

;

;

;

3. Общее количество действующих и дополнительных КР на разных ступенях расхода ОВС

n=N_д+1

n	1	2	3	4
Nд	0	1	2	3
Nб+Nд	4	5	6	7

4. Коэффицинеты увеличения минимальной заданной дозы озона на каждой ступени расхода ОВС

n	$$k_G^{уд}$$	kN	$${\text{k}}_{\text{c}}^{\text{max}}$$	$$k_{\beta }^{\max }$$	$$k_c^{\min }$$	$$k_{\beta }^{\min }$$
1	1	1	1,71	1,71	1	1
2	1,33	1,25	1,71	2,84	1	1,66
3	1,66	1,5	1,71	4,27	1	2,5
4	2,0	1,75	1,71	6,0	1	3,5

5. Ступени общего расхода и удельного расхода ОВС через 1 КР

;

n	$$k_G^{уд}$$	Gуд, нм3/ч	G, нм3/ч
1	1	250	1000
2	1,33	333	1666
3	1,66	416	2500
4	2,0	500	3500

6. Общее количество отверстий в пластинах диспергаторов, установленных в 1 КР

.

7. Количество диспергаторов в 1 КР

.

8. Границы диапазонов дозы, достижимой на каждой ступени расхода ОВС

n	G	βmin	βmax
1	1000	1	1,71
2	1666	1,66	2,84
3	2500	2,5	4,27
4	3500	3,5	6,0

Ступенчатая зависимость общего и удельного расхода ОВС от дозы озона приведена на фиг. 2.

9. Диапазон реализуемой производительности генератора озона на каждой ступени расхода ОВС при ε₁=ε₂=1;

; ;

n	G	Qmin	Qmax
1	1000	10,0	17,1
2	1666	16,66	28,5
3	2500	25,0	42,7
4	3500	35,0	59,8

10. У дельный расход обрабатываемой воды, пропускаемый через 1 КР

n	Nб+Nд	$${\left(G_{H_{2}O}^{уд}\right)}_{\text{n}}$$
1	4	2500
2	5	2000
3	6	1666
4	7	1428

11. Время пребывания воды в реакционной зоне КР

;

n	Nб+Nд	G	$$\frac{G}{G_{H_{2}O}}$$	µ	τ, ч	τ, мин
1	4	1000	0,10	0,9	0,166	10
2	5	1666	0,16	0,84	0,193	11,6
3	6	2500	0,25	0,75	0,207	12,4
4	7	3500	0,35	0,65	0,209	12,6

Пример 2

В этом примере использована измененная схема расчета, основанная на представлении данных таблицы 3 в виде графика зависимости коэффициента увеличения минимальной дозы озона (k_β) только от коэффициента увеличения минимального количества действующих КР (k_N), поскольку коэффициент увеличения удельного расхода ОВС через 1 КР в свою очередь также зависит от k_N:

График зависимости k_β=f(k_N) представлен на фиг. 10 и включает данные для всех вариантов расходов обрабатываемой воды () от 10000 до 25000 м³/ч для всего диапазона изменения коэффициента k_N от 1 до 1,86. Аппроксимирующая формула для этой зависимости имеет вид:

;

а аппроксимация обратной зависимости k_N=ƒ(k_β) имеет вид:

Последовательность расчета параметров установки следующая:

1. Определяем базовое минимальное количество КР:

2. Определяем величину

Фактически возможная величина соответствующая и N_б=5.

3. Определяем фактические величины k_N на разных ступенях расхода ОВС по формуле:

4. Определяем величины соответствующие максимальной дозе озона на каждой ступени

5. Определяем величины $$k_{\beta }^{\min }$$ соответствующей минимальной заданной дозе озона по формуле:

;

6. Определяем величину $$k_G^{уд}=\frac{{\text{k}}_{\beta }^{\max }}{{\text{k}}_{\text{c}}^{\text{max}}\cdot k_N}$$ /:

7. Определяем величины удельных расходов ОВС через 1 КР на разных ступенях:

8. Определяем суммарный расход ОВС по формуле G=G_уд·(N_б+N_д):

n=1 G=250·5=1250 нм³/ч;

n=2 G=3125,6·6=1875 нм³/ч;

n=3 G=375·7=2625 нм³/ч;

n=4 G=487,5·8=3500 нм³/ч;

n_max=5 G=5000·9=4500 нм³/ч;

9. Диапазон дозы озона по каждой ступени расхода ОВС

10. Производительность генератора озона

.

11. Удельный расход воды через 1 КР $$G_{H_{2}O}^{уд}=\frac{{\text{G}}_{{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}}{{\text{N}}_{б}+{\text{N}}_{\text{д}}}$$

Полученные величины параметров процесса озонирования практически не отличаются от данных таблиц 2 и 3, что подтверждает правомерность использования аппроксимирующих зависимостей и упрощающих расчеты, в особенности на этапе проектирования новых установок озонирования воды.

12. Время пребывания воды в реакционной зоне КР

8. Работа установки

Описание работы выполнено на примере установки, программа изменения параметров которой приведена в таблице 4, а также на графике ступенчатой зависимости расхода ОВС от дозы озона, приведенном на фиг. 2.

Конструктивные схемы установки приведены на фиг. 6 и фиг. 7.

Описание выполнено для случая первичного запуска при вводе установки в эксплуатацию при заданной дозе озона 1,5 г/м³, для обеспечения которой достаточно использование 4-х базовых КР непрерывного действия. Перед запуском все КР установки не заполнены водой, а заслонки запорно-регулирующей аппаратуры находятся в закрытом положении. До заполнения КР водой осуществляют защитную воздушную продувку трубопроводов и полостей диспергаторов. Запускают воздушный компрессор 1 и заполняют воздухом до заданного давления воздухосборник 3, например, до 10 кг/см². На 4-х базовых КР устанавливают в открытое положение задвижки 20 на подаче ОВС и задвижки 56 на отводе ОВС. Открывают задвижку 52 на входе в деструктор 59 и запускают вытяжной вентилятор 50. Затем открывают задвижку 7 на выходе из воздухосборника и заполняют воздухом трубопроводы генератора озона и системы подачи ОВС в КР до давления 1,8 - 2,0 кг/см², соответствующего настройке редуктора 4. После этого открывают постепенно задвижки дросселей 23 на 4-х базовых КР. При этом контролируют по измерителям 24 уровень избыточного давления воздуха внутри полостей диспергаторов и по расходомерам 21 величину расхода воздуха. Открытие задвижек прекращают при расходе, равном среднему удельному расходу ОВС при штатном режиме, например, $$375=\frac{250+500}{2}\raisebox{1ex}{$н{м}^3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$ч$}\right.$$ . После установления режима штатной продувки открывают входные задвижки 34, 38 на подачу и слив воды и задвижки 30 и 31 на песчаных фильтрах (см. фиг. 7), производят заполнение водой 4-х базовых КР. Заполнение ведут с малым расходом воды в течение 45-60 минут, при этом поддерживают установленный начальный уровень расхода воздуха путем увеличения степени открытия заслонок дросселей 23, обеспечивающих необходимый рост давления воздуха внутри диспергаторов при повышении уровня воды над ними. Заполнение КР водой контролируют уровнемерами 27 и прекращают при достижении уровня сливных кромок, например, на 5 м выше уровня расположения пластин диспергаторов для чего задвижки 34 закрывают. Наличие дросселей 57 на трубопроводах отведения ОВС, сообщающих газовые подушки КР с входом вытяжного вентилятора 50 и измерителем давления разряжения 58, обеспечивает стабилизацию прихода и расхода воздуха в каждом КР и поддержание уровня давления разряжения в газовых подушках КР в узких пределах, например, 50-150 мм водяного столба, необходимого для сохранения целостности потолочного перекрытия КР.

По окончании заполнения КР водой удельный расход воздуха с помощью дросселей 23 устанавливают на заданный уровень 250 нм³/ч в каждом КР, а суммарный расход воздуха 1000 нм³/ч из воздухосборника контролируют по расходомеру 10. Далее осуществляют переход на ОВС с заданной концентрацией озона и обеспечивают подачу воды в базовые КР с заданным удельным расходом по 2500 м³/ч, для чего заслонки задвижек 34 устанавливают в соответствующее положение.

Для дозы озона в воде 1,5 г/м³ требуется следующая производительность генератора озона:

.

При этом необходимая концентрация озона в ОВС будет:

Для получения ОВС с необходимой концентрацией озона подают соответствующее напряжение от источника электропитания на ГО 11. Производительность ГО контролируют по показаниям расходомера 10 и измерителя концентрации озона 12. Фактическую величину дозы озона, вводимого в каждый КР, определяют по формуле:

где: $$G_{уд}^{факт}$$ - фактический удельный расход ОВС, измеренный в каждом КР расходомером 21;

с_факт - фактическая концентрация озона в ОВС, измеренная в каждом КР измерителем 22;

$${\left({\text{G}}_{{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}^{\text{уд}}\right)}_{\text{факт}}$$ - фактически измеренный удельный расход воды через 1 КР расходомером 35 (см. фиг. 7).

При использовании 4-х базовых КР доза озона может быть уменьшена до 1 г/м³, что соответствует минимальной концентрации озона в ОВС в 10 г/нм³ или увеличена до 1,7 г/м³, что соответствует максимальной концентрации 17,1 г/нм³. При существенно большей загрязненности обрабатываемой воды заданная доза озона может возрасти, например, до 3,5 г/нм³. В этом случае согласно данным таблицы 4 необходимо подключение 2-х дополнительных КР, увеличение удельного расхода ОВС через 1 КР до 416 нм³/ч при общем расходе ОВС через 6 КР равном 1666 нм³/ч.

В отличие от первичного запуска установки для защитной воздушной продувки диспергаторов в двух подключаемых КР используют специальную автономную технологическую систему продувки с отбором воздуха из действующего воздухосборника 3. Циклограмма запуска, работы и останова дополнительного КР периодического действия приведена на фиг. 11.

Защитную воздушную продувку начинают до заполнения 2-х дополнительных КР водой. Для этого дроссели 23 на входе в КР устанавливают в положение, обеспечивающее требуемый расход ОВС 416 нм³/ч, открывают задвижку 56 на отводе ОВС. Затем устанавливают отсечные клапаны 48 на отводах от технологической воздушной линии на 2 дополнительных КР, а затем задвижку 46 на входе этой линии. Давление воздуха и расход контролируют измерителями 24 и расходомерами 21, а противодавление изменяющегося столба воды по показаниям уровнемеров 27. Локальная автоматизированная система управления (ЛАСУ), используя показания этих приборов, изменяет положение заслонки дросселя 23, увеличивает расход воздуха и поддерживает избыточное давление внутри полостей диспергаторов. Открывают задвижки 34 на подаче воды и 37 на сливе и заполняют водой два дополнительных КР аналогично заполнению базовых КР. Затем устанавливают задвижки 34 на подаче и 37 на сливе воды во всех действующих КР в положение, обеспечивающее удельный расход воды через каждый КР равный $$\frac{10000}{6}=1666$$ м³/ч. После уравнивания расходов воды в КР закрывают отсечные клапаны 48 на 2-х дополнительных КР и задвижку 46 на входе в технологическую линию воздушной продувки, открывают задвижки 20 на подаче ОВС в два дополнительных КР, а заслонки дросселей 23 на 4-х базовых КР устанавливают в положение, обеспечивающее удельный расход через них, равный 416 нм³/ч, вместо прежнего расхода 200 нм³/ч. Уравнивают расходы ОВС во всех действующих КР, контролируя удельные расходы расходомерами 21, добиваясь при этом обеспечения общего расхода ОВС на уровне 416·6≈2500 нм³/ч, контролируя расходомером 10.

Для заданной дозы озона в воде 3,5 г/м³ требуется следующая производительность ГО:

,

при этом необходимая концентрация озона должна быть:

После уравнивания удельных расходов воды и ОВС в действующих КР увеличивают напряжение на источнике питания ГО и доводят концентрацию озона на выходе из ГО до 14 г/нм. Задание по переходу на новую дозу считают выполненным.

1. Способ дозирования озона при обработке питьевой воды, включающий: подготовку сжатого, охлажденного и осушенного воздуха, пропускание воздуха отдельными ступенями с заданным расходом через генератор озона с источником электропитания, синтез озона с обеспечением заданной концентрации его в озоно-воздушной смеси (ОВС), пропускание ее сквозь микроотверстия диспергаторов непрерывного и периодического действия с выходом из них восходящего потока мелких пузырьков ОВС диаметром 0,8-1,2 мм в объем обрабатываемой воды, протекающей через реакционные емкости контактных резервуаров (КР), с обеспечением времени поглощения водой введенной дозы озона в каждом из них и распределения общего расхода ОВС между КР пропорционально удельному расходу воды в каждом из них, отведение отработанной ОВС из газовых подушек КР на деструктор остаточного озона с последующим выбросом ОВС с безопасной концентрацией в ней озона в атмосферу с помощью вытяжного вентилятора, отличающийся тем, что при увеличении дозы озона за счет увеличения общего расхода ОВС и концентрации в ней озона прирост удельного расхода ОВС через единичный КР - G_уд уменьшают, пропуская часть возрастающего расхода ОВС через дополнительные отдельные КР периодического действия N_д, причем на каждой, начиная со второй, более высокой ступени общего расхода ОВС к минимальному базовому количеству КР - N_б подключают по одному дополнительному КР, при этом максимальное количество действующих КР выбирают из условия обеспечения степени поглощения озона водой не менее 95%, для чего ограничивают удельный расход ОВС через 1 КР:
а постоянный расход обрабатываемой воды - поровну распределяют между всеми действующими КР, при этом удельный расход воды через единичный КР снижают, а плавный рост дозы озона обеспечивают путем сочетания ступенчатого увеличения общего расхода ОВС и плавного изменения в ней концентрации озона на установленной ступени постоянного расхода в пределах от 70 до 120% от величины оптимальной концентрации - c_opt, соответствующей минимуму энергозатрат на производство 1 кг озона и характерной для используемой озонаторной установки; минимальное базовое количество постоянно действующих КР - N_б определяют по формуле:

где: - общий расход обрабатываемой воды, м³/ч;
τ_min - минимально допустимое время пребывания обрабатываемой воды в реакционной зоне КР, час;
µ - коэффициент расхода площади проходного поперечного сечения КР;
n - порядковый номер ступени общего расхода ОВС;
- минимальный общий расход ОВС, нм³/ч;
- минимальная заданная доза озона, г/м³;
- минимальная концентрация озона в ОВС, г/нм³;
максимальное количество дополнительных КР определяют по формуле:
где: результат, вычисленный по этой формуле, округляют до ближайшего большего целого числа, а величину увеличивают для сохранения равенства; свободные дополнительные КР используют для ротации действующих КР, что повышает равномерность износа оборудования КР и увеличивает срок службы установки озонирования воды в целом; размещение диспергаторов периодического действия в отдельных дополнительных КР исключает контакт диспергаторов с обрабатываемой водой в нерабочие периоды и потерю их пропускной способности, благодаря чему используют титановые диспергаторы с высокими эксплуатационными характеристиками; количество дополнительных КР на выбранной ступени расхода ОВС определяют по формуле: (N_д)_n=n-1; при n=1 (N_д)_n=0; достижимую дозу озона на выбранной ступени расхода ОВС определяют по формуле:
где:
(k_β)_n - коэффициент увеличения минимальной заданной дозы озона,
(k_c)_n - коэффициент увеличения минимальной концентрации озона в ОВС на любой выбранной ступени расхода ОВС;
; ; ;
- коэффициент увеличения минимального удельного расхода ОВС через 1 КР;

- коэффициент увеличения минимального базового количества действующих КР; при этом:
общий расход и удельный расход ОВС через 1 КР на каждой ступени расхода определяют по формулам:



границы диапазонов дозы, достижимой на каждой ступени расхода ОВС, определяют по формулам:

диапазон располагаемой производительности генератора озона на каждой ступени расхода ОВС определяют по формулам:

где ε₁ - фактическая степень поглощения озона водой, устанавливаемая по результатам пуско-наладочных работ;
ε₁ - фактический коэффициент потери озона на саморазложение при транспортировке от генератора озона до диспергаторов; время пребывания воды в реакционной зоне в зависимости от количества действующих КР определяют по формуле:

удельный расход обрабатываемой воды через 1 КР определяют по формуле:

результаты расчета параметров процесса озонирования воды для конкретной установки, соответствующих разным ступеням расхода ОВС, а именно: общее количество действующих удельный расход ОВС через 1 КР - G_уд, общий расход ОВС - G, минимальная возможная доза озона - максимальная возможная доза озона - удельный расход воды через 1 оформляют в виде таблицы и вводят ее в базу исходных данных соответствующего блока автоматизированной системы управлений (АСУ); блок АСУ выбирает ступень общего расхода ОВС с меньшим количеством КР, на которой выполняется условие: а затем определяют текущую производительность генератора озона, необходимую для обеспечения заданной дозы озона, по формуле:

и вычисляют необходимую величину концентрации озона в ОВС при выбранной ступени расхода по формуле:

о произведенном выборе параметров процесса озонирования воды диспетчерская система управления (ДСУ) сообщает в локальные системы автоматического управления (ЛАСУ): в ЛАСУ системы подготовки воздуха о выбранной величине расхода воздуха - G_n; в ЛАСУ генератора озона о расходе воздуха и концентрации озона - с на выходе, т.е. о производительности ГО - Q; в ЛАСУ системы подачи, распределения и диспергирования ОВС о суммарном количестве КР-(N_б+N_д) и порядковых номерах КР, выбранных в качестве действующих; удельном расходе ОВС - и удельном расходе обрабатываемой воды через 1 КР - в ЛАСУ системы отведения ОВС и деструкции остаточного озона о порядковых номерах задействованных КР, исходной концентрации озона в ОВС на входе в КР - c_n; в ЛАСУ системы подачи и распределения воды об общем и удельном расходе - обрабатываемой воды через 1 КР, о количестве и порядковых номерах задействованных КР; в случае, если для обеспечения новой дозы озона не требуется изменения количества действующих КР и ступени расхода ОВС, то производят изменение напряжения электрического тока на источнике питания ГО и устанавливают концентрацию озона в ОВС, обеспечивающую требуемую производительность ГО и дозу озона; в случае, если требуется подключение дополнительного КР, то сначала производят подключение дополнительного КР к системе подачи обрабатываемой воды, при этом перед заполнением КР водой осуществляют защитную воздушную продувку полостей диспергаторов с заданным расходом, причем отбор воздуха производят из воздухосборника системы подготовки воздуха по отдельной технологической линии, что исключает заполнение водой полостей диспергаторов; после заполнения подключаемого КР водой, ее удельный расход доводят до заданной величины, а удельные расходы в действующих КР снижают до той же величины, добиваясь уравнивания расходов во всех КР, после чего защитную воздушную продувку диспергаторов подключаемого КР прекращают, затем начинают отбор ОВС из магистрали подачи и отведения ее на деструктор остаточного озона и доводят удельный расход ОВС через подключаемый КР до заданного уровня, соответствующего новой дозе, при этом удельный расход ОВС на действующих КР постепенно доводят до того же уровня, после чего изменяют напряжение на источнике питания ГО и концентрацию озона в ОВС и доводят производительность ГО до нового уровня, соответствующего новой заданной дозе озона; в случае, если для перехода на новую меньшую дозу озона необходимо отключить КР, то сначала прекращают подачу ОВС в этот КР, затем без задержки осуществляют воздушную продувку полостей диспергаторов и слив воды из выводимого КР, а после слива воды продувают объем полости КР до снижения концентрации озона в нем до безопасного уровня; в случае невозможности подключения дополнительного КР из-за неисправного оборудования используют имеющийся запас по величине удельного расхода ОВС и увеличивают дозу озона в действующих КР до возможного при этом уровня.

2. Установка для обработки воды озонированием, содержащая систему подготовки воздуха, включающую компрессорный блок, осушитель, воздухосборник с редуктором постоянного давления на выходе, систему синтеза озона, включающую генератор озона с источником электропитания, контактные резервуары (КР) с системой подачи, пропускания и слива обработанной воды потребителю, систему ступенчатой подачи, распределения и диспергирования озоно-воздушной смеси (ОВС), включающую магистральный трубопровод, сообщенный с генератором озона и снабженный отводами с установленными на них регулирующими дросселями на входе в контактные резервуары, в которых установлены диспергаторы озоно-воздушной смеси непрерывного и периодического действия, которые равномерно размещены у дна контактных резервуаров и сообщены питающими трубопроводами с отводами от магистрального трубопровода, систему отведения отработанной озоно-воздушной смеси из газовых подушек контактных резервуаров, деструкции остаточного озона и выброса смеси в атмосферу, систему технологической воздушной продувки системы диспергирования, сообщенную с воздухосборником, систему автоматизированного управления с запорно-регулирующей и контрольно-измерительной аппаратурой, отличающаяся тем, что диспергаторы непрерывного и периодического действия установлены отдельно в разных группах контактных резервуаров: диспергаторы непрерывного действия в минимальном фиксированном количестве базовых - N_б контактных резервуаров, используемых на первой ступени (n=1) с минимальным общим расходом - G ОВС для обеспечения малых доз озона - β путем изменения концентрации озона - с в ОВС в пределах от до а диспергаторы периодического действия установлены в дополнительных - N_д КР, используемых на второй и последующих ступенях расхода ОВС для обеспечения более высоких доз озона, включая максимальную заданную дозу - при этом достижимую дозу на выбранной ступени расхода ОВС определяют по формуле:

где: n - порядковый номер ступени расхода ОВС, n=1+N_д;
G_уд - удельный расход ОВС через единичный КР, нм³/ч;
- расход обрабатываемой воды, м³/ч;
количество КР определено из условия обеспечения минимально допустимого времени пребывания обрабатываемой воды в реакционной зоне КР по формуле:

где: - расход обрабатываемой воды, м³/ч;
τ_min - время пребывания воды в реакционной зоне, ч;
F_1KP - площадь поперечного проходного сечения 1 КР, м²;
Н - глубина погружения диспергаторов, м;
- коэффициент расхода площади поперечного проходного сечения 1 КР;
- минимальный общий расход ОВС, нм /ч;
максимальное количество дополнительных определено по формуле, учитывающей заданный максимальный коэффициент увеличения минимальной дозы озона - коэффициент максимально допустимого увеличения минимального удельного расхода ОВС через 1 коэффициент максимального увеличения минимальной концентрации озона в ОВС - и количество базовых КР N_б:

при этом полученный результат увеличивают до ближайшего большего целого числа, а коэффициент увеличивают для восстановления равенства; пластины всех диспергаторов выполнены либо из листового титана толщиной 0,4-0,5 мм с перфорированными лазером отверстиями диаметром 70±5 мкм, при этом допустимая величина удельного расхода ОВС через единичное отверстие принята в пределах (0,5-1,0) 10^-3 нм³/ч, либо из пористого титана толщиной 3-4 мм со сквозными порами в пределах (40-120) мкм, при этом допустимая величина удельного расхода ОВС через 1 см² рабочей площади пластины принята в пределах (1-2) 10^-3 нм³/ч;
суммарное количество отверстий диаметром 70±5 мкм в перфорированных пластинах всех диспергаторов, установленных в базовых КР, выбрано из условия пропуска ОВС с расходом, обеспечивающим минимальную заданную дозу озона, и определено по формуле:

где нм³/ч; при этом количество отверстий в диспергаторах, установленных в любом единичном КР установки, определено по формуле:

а суммарная рабочая площадь пористых пластин всех диспергаторов, установленных в базовых КР с размерами сквозных пор 40-120 мкм, выбранная из того же условия, определена по формуле:

где нм³/ч, при этом суммарная рабочая площадь пористых пластин диспергаторов, установленных в любом единичном КР установки, определена по формуле:

диспетчерская система автоматизированного управления (ДСУ) установки выполнена с возможностью осуществления запуска и останова дополнительных КР периодического действия посредством выдачи соответствующим ЛАСУ последовательных команд по установленной циклограмме на изменение положения заслонок запорно-регулирующих элементов, установленных на линиях подачи в КР обрабатываемой воды, ОВС и воздуха технологической продувки диспергаторов;
локальная система автоматизированного управления положением заслонок дросселей, установленных на отводах от магистрали подачи ОВС в КР, выполнена с возможностью обеспечения ступенчатого изменения заданного уровня удельного расхода ОВС по следующему закону арифметической прогрессии:

где: n=N_д+1 - порядковый номер ступени удельного расхода ОВС;
N_д - количество дополнительных КР;
- минимальный удельный расход ОВС на 1-ой ступени;
- знаменатель арифметической прогрессии, при этом границы диапазона дозы озона, обеспечиваемые на каждой ступени удельного расхода ОВС в каждом КР, определены по формулам:

где:
при этом ЛАСУ использует показания измерителей расхода ОВС, установленных перед дросселями, а при переходе на новую ступень удельного расхода ОВС ЛАСУ выполнена также с возможностью обеспечения заданной продолжительности установок заслонок в новое положение, например, в течение 3-4 минут для обеспечения пределов допустимого изменения уровня давления внутри воздухосборника на переходном режиме потребления воздуха;
ЛАСУ процессом технологической продувки системы диспергирования ОВС выполнена с возможностью поддержания заданного уровня избыточного давления воздуха в полостях диспергаторов по отношению к изменяющемуся противодавлению столба воды над пластинами диспергаторов путем изменения положения заслонок дросселей, установленных на отводах от магистрали подачи ОВС в КР, используя показания измерителей давления ОВС, установленных за дросселями, и измерителя высоты уровня воды над диспергаторами, установленного в КР.