На станции очистки сточных вод при отделке металла всего через пять месяцев был заменен погружной ПТФЭ-нагреватель мощностью 6 кВт. Нагреватель был установлен в уравнительном баке емкостью 15 000-литров, в который поступала промывочная вода от линий гальванического покрытия, фосфатирования и анодирования. В резервуаре содержалось 3–5% взвешенных веществ: гидроксидов металлов, осадков фосфата кальция и перенесенного песка. На поверхности нагревателя образовался толстый неровный слой отложений с вкраплениями частиц. Сопротивление изоляции упало ниже 20 МОм.
Сточные воды с высоким-твердым содержанием принципиально отличаются от чистых гальванических ванн. Жидкость не является раствором-, это суспензия. Твердые частицы оседают, откладываются и накапливаются на нагретых поверхностях. Термические и механические требования к погружному нагревателю из ПТФЭ в этой среде требуют подхода к проектированию, учитывающего концентрацию твердых частиц, гранулометрический состав, скорость осаждения и метод очистки, доступный на заводе.
Почему взвешенные твердые вещества меняют уравнение теплопередачи
Взвешенные частицы влияют на теплообмен двумя способами. Во-первых, они увеличивают эффективную вязкость жидкости, утолщая тепловой пограничный слой на поверхности нагревателя. Во-вторых, они осаждаются непосредственно на нагревателе, образуя пористый неровный слой, который увеличивает термическое сопротивление и создает локальные горячие точки под более толстыми отложениями.
Скорость осаждения зависит от концентрации частиц, скорости потока в нагревателе и разницы температур между нагревателем и объемной жидкостью. Высокая температура поверхности нагревателя увеличивает осаждение, способствуя осаждению растворенных частиц и заставляя частицы более прочно прилипать к горячей поверхности.
| Концентрация взвешенных веществ | Относительная вязкость | Скорость осаждения на нагревателе | Время до масштаба 2 мм | Безопасная плотность ватт |
|---|---|---|---|---|
| <0.1% (clean water) | 1.0× | Очень низкий | >12 месяцев | 1,5–2,0 Вт/см² |
| 0,5–1,0% (легкие твердые вещества) | 1.1–1.3× | Низкий | 6–10 месяцев | 1,2–1,4 Вт/см² |
| 2–3% (умеренные твердые вещества) | 1.3–1.8× | Умеренный | 3–5 месяцев | 0,9–1,1 Вт/см² |
| 4–6% (тяжелые твердые вещества) | 1.8–2.5× | Высокий | 6–10 недель | 0,6–0,8 Вт/см² |
Скорость осаждения из резервуаров очистки сточных вод, получающих смешанную воду для гальванического покрытия и фосфатирования для промывки
Вертикальный и горизонтальный монтаж при работе с высоким-твёрдым содержанием
Ориентация нагревателя определяет, будут ли твердые частицы оседать на поверхности или соскальзывать. Горизонтально установленный нагреватель представляет собой большую-поверхность, обращенную вверх, на которой частицы скапливаются под действием силы тяжести. Слой отложений растет сверху вниз, а самые толстые отложения образуются на верхней поверхности, где поток наиболее слабый.
Вертикально установленный обогреватель имеет меньшее горизонтальное поперечное-сечение. Твердые частицы, оседающие на верхней части фланца или на горизонтальных опорных элементах, не покрывают всю нагретую поверхность. Поверхность вертикального нагревателя подвергается преимущественно сдвиговому-осаждению, а не гравитационному оседанию. Полевые данные по резервуарам для сточных вод показывают, что вертикально установленные нагреватели накапливают на 40–60% меньше отложений за тот же период эксплуатации по сравнению с горизонтальными агрегатами.
| Монтажная ориентация | Накопление депозита | Частота очистки | Лучшее приложение |
|---|---|---|---|
| Горизонтально, вверх-лицом | Высокий | Частый | Не рекомендуется |
| Горизонтально,-направлена вниз | Умеренный | Умеренный | Ограниченное пространство |
| Вертикально, параллельно потоку | Низкий | Нечасто | Большинство приложений |
| Вертикально, перпендикулярно потоку | Умеренный | Умеренный | Резервуары с высоким-потоком |
Ориентация монтажа и ее влияние на накопление отложений
Влияние шероховатости поверхности и геометрии нагревателя
Гладкая, полированная поверхность ПТФЭ снижает прочность сцепления осаждаемых твердых частиц. Частицы, которые прочно прикрепляются к шероховатой поверхности, легче соскальзывают, когда скорость потока увеличивается во время циклов смешивания или очистки резервуара. Полированные поверхности увеличивают интервал очистки на 30–50 % при работе с высоким содержанием-твердых частиц по сравнению со стандартной отделкой поверхности.
Диаметр нагревателя также имеет значение. Оболочка большего-диаметра имеет меньшее соотношение поверхности-площади-к-объему, что уменьшает общую поверхность, доступную для осаждения на единицу передаваемой энергии. Но больший диаметр также означает меньшую площадь поверхности при заданной длине, поэтому для достижения той же мощности требуется более длинный нагреватель или более высокая плотность мощности.
Стратегии перемешивания и очистки резервуаров с-нагруженными твердыми веществами
Прерывистое перемешивание на высокой-скорости более эффективно, чем непрерывное перемешивание на низкой-концентрации при работе с высоким-содержанием твердых частиц. Периодическое повышение скорости потока на нагревателе до 0,5–0,8 м/с размывает рыхлые отложения до того, как они затвердеют в прочный слой. Этого можно добиться с помощью эжектора,-управляемого таймером, или специального смесительного насоса, который включается на 5–10 минут каждый час.
Химическая очистка на месте требует чистящего раствора, который растворяет определенный состав отложений. Отложения гидроксидов металлов реагируют на разбавленную кислоту. Отложения фосфата кальция требуют хелатирующего агента или мягкой кислотной обработки. График очистки, основанный на результатах проверок,-а не фиксированный календарь-, предотвращает достижение толщины отложений, которая приводит к тому, что температура поверхности нагревателя становится ниже диапазона деградации.
| Метод очистки | Эффективность в отношении гидроксидов металлов | Эффективность в отношении фосфатных отложений | Риск для ПТФЭ | Рекомендуемый интервал |
|---|---|---|---|---|
| Разбавленная циркуляция HCl | Высокий | Умеренный | Низкий | 4–8 недель |
| Замачивание с сульфаминовой кислотой | Умеренный | Высокий | Низкий | 6–10 недель |
| Хелатирование ЭДТА | Умеренный | Высокий | Низкий | 8–12 недель |
| Водоструйная-струя воды высокого давления | Высокий | Умеренный | Умеренный | 8–12 недель |
| Механическая чистка | Высокий | Высокий | Высокий | Не рекомендуется |
Рекомендации по методам очистки очистных сооружений с погружными нагревателями из ПТФЭ
Практические шаги по спецификации для сточных вод с высоким-высоким содержанием твердых частиц
Начните с характеристики твердых веществ. Общая концентрация взвешенных веществ, гранулометрический состав и минеральный состав определяют скорость осаждения и необходимый метод очистки. Простой гравиметрический анализ и обзор химического состава технологического процесса предоставляют большую часть необходимой информации.
Выберите плотность ватт исходя из фактической концентрации твердых веществ. Для 2–3 % взвешенных веществ приемлемым пределом является 0,9–1,1 Вт/см². При содержании твердых частиц более 4% снизить мощность до 0,6–0,8 Вт/см². Эти значения предполагают вертикальную установку и периодическое перемешивание на высокой-скорости. Горизонтальный монтаж требует дальнейшего снижения на 20–30%.
Укажите полированную поверхность нагревателя. Дополнительные затраты скромны, а интервал очистки значительно увеличивается. Убедитесь, что резервуар имеет достаточную глубину для вертикальной установки с покрытием жидкости над нагреваемой секцией не менее 75 мм. Если глубина недостаточна, рассмотрите возможность использования нескольких более коротких обогревателей, а не одного длинного блока.
Установите систему контроля расхода и предохранитель-высокую температуру. При работе с высоким-твердым содержанием засоренный фильтр или вышедший из строя смесительный насос могут привести к падению скорости потока ниже безопасного порога в течение нескольких часов. Реле потока и ограничение температуры поверхности нагревателя на 15–20 градусов выше нормальной рабочей температуры обеспечивают защиту от быстрого перегрева, который следует за потерей потока.
Когда стандартные нагреватели не могут выдержать нагрузку по твердым веществам
Резервуары для очистки сточных вод с высокой концентрацией твердых частиц и ограниченным периферийным пространством часто не могут вместить стандартные погружные нагреватели из ПТФЭ с удельной мощностью, предотвращающей быстрое загрязнение. Для работы мощностью 6 кВт при 0,8 Вт/см² требуется площадь поверхности нагревателя на 7500 см²-больше, чем обеспечивает один нагреватель при типичных размерах резервуара.
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с большой площадью поверхности, низкой удельной мощностью и полированной поверхностью устраняет основную причину загрязнения, связанного с твердыми частицами-. Для процесса спецификации требуется указать концентрацию взвешенных твердых веществ, характеристики частиц, размеры резервуара, метод смешивания и требуемую мощность. На предприятиях с несколькими резервуарами для очистки сточных вод этот подход-специально для применения снижает перегрев,-связанный с отложениями, и увеличивает интервал между необходимыми очистками.
