Traitement des eaux usées par extraction par solvant

L'extraction fait référence au processus consistant à extraire un ou plusieurs composants de solutions ou de solides à l'aide de solvants sélectifs (agents d'extraction). La méthode d’extraction par solvant repose sur un procédé de transfert de masse mettant en jeu deux phases liquides insolubles ou partiellement solubles, entre lesquelles la substance extractible est répartie. Pour augmenter la vitesse du processus, la solution initiale (eaux usées) et l'agent d'extraction sont mis en contact étroit. À la suite de l'interaction des phases, un extrait est obtenu - une solution du composant extrait dans l'agent d'extraction, et le raffinat est la solution initiale résiduelle (eau usée purifiée), à ​​partir de laquelle le composant extrait est retiré avec un degré de complétude variable.

Les phases liquides résultantes (extrait et raffinat) sont séparées les unes des autres par décantation, centrifugation ou autre moyen mécanique. Ensuite, la substance extraite est extraite de l'extrait afin de renvoyer l'agent d'extraction dans le processus d'extraction par extraction avec un autre solvant, ainsi que par évaporation, distillation, interaction chimique ou précipitation.

Lors du processus de purification des eaux usées à partir d'ions de métaux lourds par extraction liquide, les métaux sont transférés dans la phase organique, puis à la suite d'une ré-extraction de la phase organique (extrait) dans une solution aqueuse. Ainsi, le traitement des eaux usées et la concentration du métal sont atteints, c’est-à-dire que des conditions sont créées pour sa régénération.

Les agents d’extraction assurent la transition des composants cibles de la phase épuisée (lourde), qui est le plus souvent une solution aqueuse, à la phase d’extraction (légère) (généralement un liquide organique). Deux phases liquides en contact et un composant cible réparti entre elles forment un système d'extraction. La phase d'extraction comprend uniquement l'agent d'extraction (ou un mélange d'agents d'extraction) ou est une solution d'un ou plusieurs agents d'extraction dans un diluant utilisé pour améliorer les propriétés physiques (viscosité, densité) et d'extraction des agents d'extraction. En tant que diluants, on utilise généralement des liquides (kérosène, benzène, chloroforme, etc.) ou leurs mélanges qui, dans la phase épuisée, sont pratiquement insolubles et inertes vis-à-vis des composants extractibles de la solution. Parfois, des agents de modification sont ajoutés aux diluants pour augmenter la solubilité des composants extractibles dans la phase d'extraction ou pour faciliter la séparation: alcools, cétones, phosphate de tributyle, etc.

Les principales étapes de l'extraction par solvant comprennent:

1) mise en contact et dispersion des phases;

2) séparation ou délamination des phases dans l'extrait (phase d'extraction) et le raffinat (phase épuisée);

3) l'isolement des composants cibles de l'extrait et la régénération de l'agent d'extraction, pour lequel on utilise le plus souvent la ré-extraction (procédé, extraction en phase inverse), en traitant l'extrait avec des solutions aqueuses de substances assurant la conversion complète des composants cibles en solution ou précipité et leur concentration;

4) le lavage de l'extrait pour réduire le contenu et éliminer la solution mère capturée mécaniquement.

Dans tout processus d'extraction, une fois que les taux d'extraction requis ont été atteints, les phases doivent être séparées. Les émulsions formées lors du mélange sont généralement thermodynamiquement instables, ce qui est dû à la présence d'un excès d'énergie libre en raison de la grande surface interfaciale. Ce dernier diminue en raison de la coalescence (fusion) des gouttelettes de la phase dispersée. La coalescence est énergétiquement bénéfique (en particulier dans les systèmes binaires) et se produit jusqu'à ce que deux couches de liquide se forment.

La séparation des émulsions s'effectue généralement en deux étapes. Premièrement, ils précipitent rapidement (flottent) et fusionnent les grosses gouttes. Des gouttes nettement plus petites restent sous la forme d'un "brouillard", qui s'est dissipé pendant un certain temps. Le taux de séparation détermine souvent les performances de l'appareil de l'ensemble du processus d'extraction. En pratique, pour intensifier la séparation des phases, on utilise des forces centrifuges et divers appareils ou buses, situés dans des bassins de décantation (voir ci-dessous). Dans certains cas, le délaminage contribue au champ électrique.

Exigences de base pour les extractants industriels:

- capacité d'extraction élevée sur le composant cible;

- faible solubilité dans le raffinat; compatibilité avec les diluants; facilité de régénération;

- forte résistance chimique et, dans certains cas, résistance aux radiations, incombustibilité ou point éclair suffisamment élevé (plus de 60 ° C);

- faible volatilité et faible toxicité; disponibilité et faible coût.

Les extractants industriels les plus courants sont répartis dans les classes suivantes:

1) neutres, qui sont éliminés par différents mécanismes en fonction de l’acidité de la solution initiale - eau, composés organophosphorés, sulfoxydes de pétrole, alcools saturés, éthers et esters, aldéhydes, cétones, etc.

2) acides, qui extraient les cations métalliques de la phase organique des acides organophosphoriques, acides carboxyliques et naphténiques, acides sulfoniques, alkylphénols, composés chélateurs.

3) basiques, à l’aide desquels ils extraient des anions métalliques de solutions aqueuses, d’amines primaires, secondaires, tertiaires et leurs sels, de sels de bases d’ammonium quaternaire, de phosphonium et d’arsonium, etc.

L'extraction liquide est utilisée pour l'épuration des eaux usées industrielles contenant des phénols, des huiles, des acides organiques, de l'aniline, des ions métalliques, etc., avec une teneur relativement élevée, ce qui vous permet de compenser les coûts d'extraction. Pour la plupart des produits, l'utilisation de l'extraction est recommandée à une concentration de 2 g / l ou plus. Les méthodes d'extraction les plus largement utilisées sont utilisées pour traiter les eaux usées provenant d'installations de traitement thermique de combustibles solides (charbon et lignite, schiste, tourbe) contenant une quantité importante de phénols. L'efficacité de l'extraction des phénols des eaux usées atteint 80 à 97%.

La méthode d'extraction est basée sur la répartition du polluant entre deux liquides insolubles l'un par rapport à l'autre en fonction de leur solubilité dans ceux-ci. La substance extraite est répartie entre l'eau et le solvant ajouté selon la loi de la répartition à l'équilibre:

où Ce et CB sont les concentrations de la substance extraite, respectivement, dans l'agent d'extraction et dans l'eau à l'état d'équilibre.

Le coefficient de distribution Kp caractérise l'équilibre dynamique lors de l'extraction et dépend de la nature des composants du système, de la présence d'impuretés dans l'eau et de l'agent d'extraction, ainsi que de la température. Pour l'extraction des impuretés de l'eau, divers solvants organiques sont utilisés: éthers et esters, alcools, tétrachlorure de carbone, benzène, toluène, chlorobenzène. Extraction avec un mélange de solvants. En ce qui concerne la qualité des produits d'extraction, il est économiquement avantageux d'utiliser divers produits techniques et déchets de production.

Le traitement des eaux usées par extraction comprend plusieurs étapes: mélange des eaux usées avec un agent d'extraction organique, séparation des phases liquides résultantes, régénération de l'agent d'extraction à partir de l'extrait et du raffinat.

Les méthodes d'extraction en fonction de la méthode de contact de l'agent d'extraction et des eaux usées sont divisées en flux croisés, flux à contre-courant et flux à contre-courant non intermittent. Application pratique a reçu les deux dernières méthodes. Avec l'extraction à contre-courant par étapes, l'eau et l'agent d'extraction se déplacent l'un vers l'autre, tout en obtenant une efficacité de nettoyage élevée.

L'extraction fait également référence au processus d'extraction d'un ou de plusieurs composants à partir de solutions ou de solides à l'aide de solvants sélectifs (agents d'extraction). La méthode d’extraction par solvant repose sur un procédé de transfert de masse mettant en jeu deux phases liquides insolubles ou partiellement solubles, entre lesquelles la substance extractible est répartie. Pour augmenter la vitesse du processus, la solution initiale (eaux usées) et l'agent d'extraction sont mis en contact étroit. À la suite de l'interaction des phases, on obtient un extrait - une solution du composant extrait dans l'agent d'extraction et un raffinat - une solution initiale résiduelle (eau usée purifiée), à ​​partir de laquelle le composant extractible est éliminé avec plus ou moins d'intégralité.

Les phases liquides résultantes (extrait et raffinat) sont séparées les unes des autres par décantation, centrifugation ou d'autres procédés mécaniques. Ensuite, la substance extraite est extraite de l'extrait afin de renvoyer l'agent d'extraction au processus d'extraction par ré-extraction avec un autre solvant, ainsi que par évaporation, distillation, interaction chimique et précipitation.

Comme il n'y a pas de liquides complètement insolubles dans l'eau, une partie de l'agent d'extraction est dissoute dans les eaux usées au cours du processus d'extraction, devenant ainsi un nouveau polluant de l'eau. par conséquent, il est nécessaire d'extraire l'agent d'extraction du raffinat. Les pertes de l'agent d'extraction avec les eaux usées ne sont autorisées que si sa solubilité dans l'eau n'est pas supérieure à la MPC et le faible coût de l'agent d'extraction. Dans le processus de purification des eaux usées d'ions de métaux lourds par le procédé d'extraction liquide, les métaux sont transférés dans la phase organique, puis à la suite d'une ré-extraction de la phase organique (extrait) dans une solution aqueuse. Ainsi, le traitement des eaux usées et la concentration en métal, c'est-à-dire les conditions pour sa régénération sont créées. La phase organique contient l'agent d'extraction et le liquide organique - le solvant de l'agent d'extraction (kérosène, benzène, chloroforme, toluène, etc.) est utilisé comme agent d'extraction. Les agents d'extraction sont des solutions aqueuses d'acides et de bases inorganiques..

L’extraction des métaux de la phase aqueuse à la phase organique s'effectue de trois manières: 1) par extraction par échange de cations - c.-à-d. échange de cation métallique récupérable contre cation extractant; 2) extraction par échange d'anions - c'est-à-dire l'échange de l'anion contenant un métal contre l'anion de l'agent d'extraction;

3) par extraction de coordination, dans laquelle la liaison de coordination de la molécule ou de l’ion extractant est formée directement avec l’atome (ion) du métal extrait.

L'extraction par échange de cations sous forme générale est décrite par l'équation:

où la valence métallique z, R est le résidu acide d'un acide organique. Les agents d'extraction échangeurs de cations sont des acides gras du type RCOOH (par exemple, des acides carboxyliques) avec le nombre d'atomes de carbone dans le radical de 7 à 9 et des acides naphténiques, qui sont obtenus à partir de pétrole brut.

Un type d'extraction par échange de cations est l'extraction d'agents d'extraction complexants (chélateurs). Dans ce cas, l'extraction résulte de l'échange d'ions et de la coordination de l'agent d'extraction avec l'atome (ion) du métal extrait avec la formation de composés intracomplexes. Dans les procédés d'extraction par échange d'anions, les amines primaires RNH sont utilisées comme agents d'extraction.2, secondaire R2NH et Tertiaire R3N (R-C7-C9). Dans les amines, l'azote peut former des composés de coordination: R3N + HCl => (R3NH) Cl.

Avec l'extraction continue à contre-courant (figure 2), l'eau et l'agent d'extraction se déplacent l'un vers l'autre dans le même appareil, ce qui permet la dispersion de l'agent d'extraction dans l'eau, tandis que les impuretés des eaux usées sont continuellement transférées à l'agent d'extraction.

Figure 2. Schéma de l'extraction continue à contre-courant

Le schéma technologique du traitement des eaux usées industrielles par extraction dépend de la quantité et de la composition des eaux usées, des propriétés de l'agent d'extraction, des méthodes de régénération et d'autres facteurs, et comprend généralement les installations suivantes: traitement des eaux avant extraction (fosses septiques, cellules de flottation, filtres de nettoyage mécanique, neutralisants, etc.) ; l'extraction elle-même; régénération du solvant de l'agent d'extraction et de l'eau purifiée. La conception des colonnes d'extraction dépend de la méthode de contact des eaux usées et de l'agent d'extraction.

Il y a des colonnes de pulvérisation et d'injection. On utilise souvent des colonnes à garnissage dans lesquelles on utilise comme buses des formes de blocs en céramique, métal, plastique, ainsi que des éléments de charge en céramique, métal (bagues de Raschig, bagues de Pall, selles de Berl, etc.). Pour augmenter l'intensité et l'efficacité du mélange, on utilise également des colonnes à plaques, des colonnes à pulsation ou des plaques à mailles mobiles. Le choix du type de colonne est déterminé par le nombre d'étapes d'extraction requis et par la dépense d'énergie autorisée.

Une vitesse d'extraction élevée est atteinte dans les extracteurs centrifuges, dans lesquels, pour créer une surface interfaciale développée, les liquides sont broyés en gouttelettes lors de leur déplacement dans les trous des éléments de contact. Le fluide lourd est injecté dans le centre du rotor à travers la cavité, la lumière - dans la partie périphérique de celui-ci. La séparation des liquides dans les parties centrales et périphériques du rotor est accélérée sous la pression des forces centrifuges. Le réactif dissous dans l'eau est généralement régénéré par distillation, laquelle est effectuée dans une colonne à garnissage. L'eau chauffée est fournie par le haut de la colonne et la vapeur chaude par le bas. Les solvants ayant une pression de vapeur élevée peuvent être régénérés en soufflant de l'air ou d'autres gaz. Cela permet de réduire la consommation de chaleur pour le chauffage de l'eau, ainsi que la perte de solvant causée par l'hydrolyse à des températures élevées.

Pour les solvants qui hydrolysent facilement et qui ont un coût élevé, des points d’ébullition, une capacité calorifique et une chaleur de vaporisation élevés, il peut être judicieux d’utiliser la méthode de ré-extraction. L'essence de la méthode est que le solvant est extrait de l'eau par un autre solvant moins cher, qui peut ensuite être facilement éliminé de l'eau par distillation. La régénération du solvant de l'agent d'extraction s'effectue généralement par distillation.

Selon le procédé de mise en contact des phases, les extracteurs industriels sont divisés en structures à contact différentiel (appareil à colonne), étagées et intermédiaires. L'appareil du premier groupe se distingue par un contact continu des phases et par un changement régulier de la concentration du composant extrait le long de la longueur (hauteur) de l'appareil. Avec un tel profil de concentration, les phases d'un point quelconque de l'extracteur ne sont pas équilibrées. Ces dispositifs sont plus compacts et nécessitent des zones de production limitées. Cependant, en raison du mélange longitudinal (en raison des flux axiaux de convection, des zones stagnantes, des pulsations turbulentes, etc.), la force motrice moyenne peut être considérablement réduite.

Les dispositifs du deuxième groupe sont constitués d'étages discrets, dans lesquels les phases sont en contact, après quoi ils sont séparés et se déplacent à contre-courant dans les étapes suivantes. Le mélange longitudinal est moins prononcé, mais la nécessité d'une séparation de phase entre les marches adjacentes peut conduire (avec des systèmes de sédimentation médiocre) à une augmentation significative de la taille de l'extracteur.

Les extracteurs de colonnes sont divisés en gravité et avec un apport d’énergie externe.

Extracteurs de gravité. En eux, le mouvement des liquides en interaction se produit sous l'action de la différence de densité des phases; la surface de leur contact est formée en raison de l'énergie inhérente aux écoulements. Ces dispositifs comprennent des extracteurs à pulvérisation, à buse et à tamis.

Les extracteurs à pulvérisation (Fig. 3) sont des colonnes creuses équipées de buses, d'injecteurs et d'autres sprays pour disperser les phases en interaction. De tels dispositifs se distinguent par leur simplicité et leurs performances élevées, mais leur efficacité relativement faible. Extracteurs de buse légèrement plus efficaces, mais moins productifs, dont le dispositif ne diffère pas des autres appareils similaires à transfert de masse. Les tamiseuses sont des colonnes à plaques perforées équipées de dispositifs de débordement. L'un des liquides en interaction passant par les trous des plaques est dispersé; Cela crée une grande surface de contact avec le fluide venant en sens inverse traversant les dispositifs de débordement sous forme d'une phase continue. Les tamis extracteurs ont des performances inférieures à celles des pulvérisateurs, sont fiables en fonctionnement (en raison de la simplicité de leur conception et de l'absence de pièces mobiles), mais ont une faible efficacité.

Par rapport aux autres appareils à colonne, tous les extracteurs par gravité sont inefficaces en raison de la surface relativement petite de la surface de contact spécifique des phases, en raison de la taille importante des gouttelettes (jusqu'à plusieurs mm). L'approvisionnement en énergie vous permet d'écraser des gouttes (jusqu'à dixièmes de mm), ce qui permet de réduire la hauteur de colonne requise d'un ordre de grandeur.

Fig. 3. Extracteur de pulvérisation: 1,2 - pulvérisateurs.

Les extracteurs avec apport d’énergie externe sont divisés en pulsation, vibration, avec agitation mécanique. Ce dernier type d’appareil comprend des extracteurs à disques rotatifs, des mélangeurs en alternance et des buses à décantation (colonnes Scheibel). Dans les unités à disques rotatifs (Fig. 4), les disques rotatifs mélangent et dispersent les liquides en contact, après quoi ils sont stratifiés. Dans les colonnes de Scheibel (Fig. 5), les mélangeurs à pales ou à turbine sont placés sur un arbre vertical commun en alternance avec des couches d'une buse fixe. Fluide mixte traversant la couche de buses, stratifié.

Fig. 4. Extracteur à disque rotatif: 1 - rotor (arbre avec disques); 2 - partitions annulaires du stator.

Fig. 5. Extracteur à sections alternées de mélange et de décantation (colonne de Scheibel): 1 arbre; 2 - agitateur; 3 - buse.

Extracteurs d'étape. Ceux-ci incluent divers types de puisards mélangeurs. La section d'un tel dispositif se rapproche de l'efficacité d'un niveau théorique. Le nombre d'étapes requis est atteint en connectant les sections en cascade. Souvent, plusieurs sections, séparées par des partitions, sont combinées dans un cas (extracteurs de boîtes; Fig. 6). Chaque section (stade) a une chambre de mélange et de décantation. Le mélange de phase peut être de type pulsé ou mécanique (les mélangeurs à turbine les plus souvent utilisés transportent simultanément des liquides d’un étage à l’autre).

extraction liquide des eaux usées

Fig. 6. Extracteur de caisses: 1.3 - chambres de mélange et de décantation; 2 - partition; Limite à 4 phases; 5 - tuyau de recirculation; 6 - collecteur d'aspiration; 7 - agitateur à turbine.

Parmi les dispositifs qui occupent une position intermédiaire entre le contact différentiel et l’étage, les extracteurs centrifuges sont les plus courants, dans lesquels la séparation et parfois le mélange des phases se produisent dans le champ d’action des forces centrifuges. Le corps de travail (rotor) de ces dispositifs consiste en un ensemble de cylindres perforés, de rubans spiralés, etc. La solution initiale et l'agent d'extraction se rapprochent les uns des autres, avec une phase plus lourde - du centre vers la périphérie, et une plus légère - dans le sens opposé. Le contact des liquides se produit lors de leur mouvement et de leur dispersion lors du passage à travers les parties perforées des cylindres.

Les extracteurs centrifuges sont divisés en chambre (étape discrète) et contact différentiel. L'appareil du premier groupe comprend des étages distincts (chambres), dans chacun desquels les phases mobiles à contre-courant sont mélangées et séparées de manière séquentielle (par exemple, les extracteurs de "Luvest" et "Robert"). Dans l'appareil du deuxième groupe, le processus se déroule au contact presque continu des flux de phase en mouvement à contre-courant; le mouvement se fait à travers les canaux formés par les cloisons internes du rotor (par exemple, les extracteurs Podbilnyak).

Les extracteurs centrifuges se caractérisent par une productivité élevée (débits pouvant atteindre des centaines de m 3 / h) et une efficacité élevée (3 à 10 étages théoriques), une courte durée de contact des phases (plusieurs secondes ou moins) et des échanges massiques intensifs. De tels dispositifs sont prometteurs pour la production de composés instables (par exemple, des antibiotiques), pour le traitement de solutions hautement radioactives et d'émulsions stables, systèmes ayant des densités de phase similaires.

Le choix des extracteurs de conceptions optimales pour des processus industriels spécifiques doit être basé sur la comparaison technique et économique des dispositifs, en tenant compte de l'efficacité de leur travail, de leur productivité, de leur capacité de séparation, de l'énergie, des coûts en capital et des coûts d'exploitation.

En laboratoire, on utilise essentiellement les mêmes méthodes utilisées dans l'industrie pour l'extraction liquide réalisée dans des extracteurs en verre, en métal ou en polymère de différentes conceptions, dont les plus simples sont des entonnoirs séparateurs, un instrument de Lewis (un bécher avec agitateur), etc.

Distillation (distillation) et rectification dans le traitement des eaux usées.


La distillation et la rectification font partie des méthodes les plus courantes pour séparer les liquides organiques dissous des eaux usées. Les installations de distillation et de rectification des eaux usées font généralement partie des systèmes technologiques des principales installations de production.Les impuretés isolées des eaux usées sont généralement utilisées dans les mêmes installations de production.

Distillation (à partir de la distillation Lat. Distillatio - dripping), séparation des mélanges liquides en fractions de composition différente. Le procédé est basé sur la différence de points d'ébullition des composants du mélange. Selon les propriétés physiques des composants des mélanges liquides séparés, différentes méthodes de distillation sont utilisées.

Une distillation simple est effectuée dans l'installation (Fig. 1) d'une action périodique ou continue par l'évaporation progressive des eaux usées dans l'alambic de distillation. Les vapeurs résultantes sont condensées dans un condenseur-refroidisseur et le distillat entre dans la collection. Appliquez-le sur les eaux usées à partir d'impuretés dont le point d'ébullition est nettement inférieur au point d'ébullition de l'eau (acétone, alcool méthylique, etc.). Pour une séparation plus complète des mélanges et obtenir un distillat concentré, la distillation est effectuée à reflux (condensation partielle de mélanges de divers vapeurs et gaz afin de les enrichir en composants à bas point d'ébullition). Un condenseur à reflux tubulaire ou en serpentin est installé au-dessus du cube de distillation, dans lequel les vapeurs d’eau à point d’ébullition élevé sont partiellement condensées, puis reflux (humidité) dans un cube et les vapeurs enrichies en composant à bas point d’ébullition sont envoyées au condenseur du réfrigérateur.

1- cube de distillation

3 collection
Figure 1. Distillation simple

La distillation fractionnée, également appelée distillation fractionnée (Figure 2), est un type de distillation simple. Utilisé pour séparer le mélange de liquides en fractions bouillant dans des plages de température étroites. Dans le même temps, des distillats de différentes compositions sont retirés (successivement dans le temps) dans plusieurs collections. La collection 1 reçoit la première partie du distillat, la plus riche en composants à faible point d'ébullition, la collection 2 moins riche, la collection 3 encore moins riche, etc. Dans chacun de ces distillats (fractions), un ou plusieurs composants du mélange initial avec des points d'ébullition proches prévalent. Une distillation simple pour améliorer la séparation des mélanges est souvent associée à une distillation à reflux à contre-courant (condensation partielle de mélanges de divers vapeurs et gaz afin de les enrichir en composants à bas point d'ébullition) (Fig. 3). Dans ce cas, les vapeurs formées dans le cube 1 sont partiellement condensées dans le condenseur à reflux 2, le condensat (reflux) est renvoyé en continu dans le cube et le reste de la vapeur après que le condenseur à reflux entre dans le condenseur 3, à partir duquel le distillat s'écoule dans le collecteur 4. Ce procédé permet un enrichissement plus important du distillat avec des composants à basse ébullition, t. à Lors de la condensation partielle (reflux) des vapeurs, les composants à haut point d'ébullition sont principalement condensés.

La distillation à l'équilibre (évaporation simple) est caractérisée par l'évaporation d'une partie du liquide et le contact prolongé des vapeurs avec le liquide non évaporé jusqu'à atteindre l'équilibre de la phase (Fig. 4.). Le mélange séparé passe dans des tuyaux 1 chauffés de l'extérieur avec des gaz de combustion. Le mélange vapeur-liquide résultant, proche de l'état d'équilibre, entre dans le séparateur 2 pour la séparation mécanique du liquide de la vapeur. Les vapeurs (P) du séparateur entrent dans le condenseur, à partir duquel le distillat s'écoule dans le récepteur et le liquide restant dans le séparateur est évacué dans la collecte. Dans ce processus, le rapport entre la vapeur et le liquide est déterminé par le bilan matière et les conditions d'équilibre des phases. La distillation d'équilibre est rarement utilisée pour les mélanges à deux composants; de bons résultats sont obtenus principalement dans le cas de mélanges multicomposants, à partir desquels il est possible d'obtenir des fractions de composition très différente.

La distillation moléculaire est basée sur la séparation des mélanges liquides par évaporation libre dans un vide poussé de 133-13,3 mN / m 2 (10 -3 -10 -4 mm Hg) à une température inférieure à leur point d'ébullition. Le processus est mis en oeuvre avec l'arrangement mutuel des surfaces d'évaporation et de condensation à une distance inférieure au libre parcours moyen des molécules de la substance distillée. En raison du vide, les molécules de vapeur se déplacent de la surface en évaporation à la surface en condensation avec le nombre minimum de collisions. Dans la distillation moléculaire, l’évolution de la composition de la vapeur par rapport à la composition liquide est déterminée par la différence de vitesse d’évaporation des composants. Par conséquent, cette méthode peut être utilisée pour séparer des mélanges dont les composants ont la même pression de vapeur. À une température donnée du liquide et à la pression de vapeur correspondante, la vitesse de distillation moléculaire augmente avec la diminution de la pression dans l'appareil.

Pour réduire le temps de diffusion des molécules du composant volatil de la profondeur de la couche de liquide à la surface d'évaporation, le processus en cubes moléculaires modernes est mis en oeuvre dans de très minces pellicules de liquide, ce qui permet en outre de réduire le temps passé sur la surface d'évaporation et le risque de sa décomposition thermique. Pour la distillation moléculaire, des dispositifs à surfaces d'évaporation horizontales et verticales sont utilisés, ainsi que des dispositifs centrifuges ayant reçu la plus grande application industrielle. Dans ce dernier cas, le procédé est caractérisé par la plus petite épaisseur de film liquide (0,05 mm en moyenne) et par son temps de séjour sur la surface chauffante (0,03 à 1,2 s). Dans les appareils centrifuges (figure 5), l’évaporateur 1, qui est un cône à rotation rapide (parfois un disque), est alimenté avec un mélange séparable. La force centrifuge déplace le fluide du centre vers la périphérie (vers le haut). Les vapeurs de la substance distillée sont recueillies sur un condenseur fixe 2, situé parallèlement à la surface de l'évaporateur, à partir duquel le distillat est soutiré en continu. Le résidu après distillation est déchargé dans la goulotte annulaire 3 et retiré du cube. Pour augmenter l'effet de séparation, plusieurs périphériques sont installés en série.

La distillation moléculaire est utilisée pour la séparation et la purification de substances organiques de haut poids moléculaire et thermiquement instables, par exemple pour la purification des acides sébaciques, stéariques, oléiques et autres, pour l'isolation de vitamines à partir d'huile de poisson et de diverses huiles végétales, dans la fabrication de préparations médicales, d'huiles à vide, etc.

La rectification (du latin tardif rectificatio - redressement, rectification) est l’une des méthodes de séparation des mélanges liquides, basée sur une répartition différente des composants du mélange entre les phases liquide et vapeur.

Lors de la rectification, la vapeur et le liquide s’écoulent dans des directions opposées (à contre-courant), se touchent de manière répétée dans des dispositifs spéciaux (colonnes de distillation) et une partie de la vapeur (ou du liquide) sortant de l’appareil revient après la condensation (pour la vapeur) ou l’évaporation (pour fluide).

Équipement de rectification. Les dispositifs utilisés pour la rectification, les colonnes de distillation, sont constitués de la colonne proprement dite, où sont mis en contact des vapeurs et des liquides à contre-courant, ainsi que des dispositifs dans lesquels l'évaporation et la condensation des vapeurs ont lieu, le cube et le déphlegmateur. La colonne est un cylindre creux vertical, à l'intérieur duquel sont installés les soi-disant. plaques (dispositifs de contact de différentes conceptions) ou matériaux mis en forme mis en forme - buse. Le cube et le déphlegmateur sont généralement des échangeurs de chaleur à tubes et calandres (des fours à tubes et des évaporateurs rotatifs sont également utilisés).

Le but des plaques et des buses est le développement de la surface interfaciale et l'amélioration du contact entre le liquide et la vapeur. Les plaques sont généralement fournies avec un dispositif permettant de faire déborder le liquide. Les schémas de trois types de plaques de débordement sont illustrés à la Fig. 1 (a, b, c). Comme la buse des colonnes de distillation sont habituellement utilisés des anneaux dont le diamètre extérieur est égal à leur hauteur. Les plus courantes sont les anneaux de Raschig (Fig. 2, 1) et leurs diverses modifications (Fig. 2, 2-4).

Dans les colonnes à colonnes et à colonnes, l’énergie cinétique de la vapeur est utilisée pour vaincre la résistance hydraulique des dispositifs de contact et pour créer un système de vapeur dispersée dynamique - un liquide avec une grande surface interfaciale. Il existe également des colonnes de distillation alimentées en énergie mécanique, dans lesquelles un système dispersé est créé lorsque le rotor est monté le long de l'axe de la colonne. Les appareils rotatifs ont une chute de pression inférieure en hauteur, ce qui est particulièrement important pour les colonnes à vide.

Selon le mode de réalisation, on distingue une rectification continue et périodique. Dans le premier cas, le mélange séparé est introduit en continu dans la colonne de distillation et deux fractions ou plus, enrichies en certains composants et épuisées en d'autres, sont extraites en continu de la colonne. L'organigramme d'un appareil de redressement continu typique - une colonne complète - est présenté à la Fig. 3, a. La colonne complète se compose de 2 sections - renforcement (1) et exhaustif (2). Le mélange initial (généralement au point d’ébullition) est envoyé dans la colonne, où il est mélangé avec ce que l’on appelle. le liquide extrait s'écoule à travers les dispositifs de contact (plaques ou buses) de la section à contre-courant exhaustive du flux de vapeur ascendant. Arrivé au bas de la colonne, le flux de liquide enrichi en composants hautement volatils s’infiltre dans le cube de la colonne (3). Ici, le liquide est partiellement évaporé par chauffage avec un liquide de refroidissement approprié, et la vapeur entre à nouveau dans la section exhaustive. En sortant de cette section, de la vapeur (dite distante) entre dans la section de renforcement. Après l'avoir passé, la vapeur enrichie en composants volatils pénètre dans le condenseur à reflux (4), où elle est généralement complètement condensée avec un réfrigérant approprié. Le liquide résultant est divisé en 2 flux: distillat et reflux. Le distillat est l’écoulement du produit et le reflux alimente l’irrigation de la section de renforcement, à travers les dispositifs de contact qui s’écoule. Une partie du liquide est prélevée au bas de la colonne sous la forme dite. Résidu de TVA (flux de produits).

Le rapport entre la quantité de reflux et la quantité de distillat est noté R et est appelé le nombre de reflux. Ce nombre est une caractéristique importante de la rectification: plus le R est élevé, plus les coûts opérationnels du processus sont élevés. Les coûts minimalement nécessaires de chaleur et de froid associés à la réalisation d'une tâche de séparation particulière peuvent être déterminés à l'aide du concept de nombre minimal de reflux, calculé en supposant que le nombre de dispositifs de contact, ou la hauteur totale de la buse, tend vers l'infini.

Si le mélange initial doit être divisé de manière continue en un nombre de fractions supérieur à deux, une connexion de colonnes en série ou en série parallèle est utilisée.

Avec la rectification périodique (Fig. 3, b), le mélange liquide initial est chargé simultanément dans le cube de la colonne, dont la capacité correspond à la performance souhaitée. Les vapeurs du cube entrent dans la colonne et montent vers le déphlegmateur, où elles se condensent. Dans la période initiale, tout le condensat est renvoyé à la colonne, qui correspond à la soi-disant. régime d'irrigation complet. Ensuite, le condensat est divisé en reflux et distillat. Au fur et à mesure que le distillat est pris (soit avec un nombre de reflux constant, soit avec son changement), les composants volatils sont d'abord retirés de la colonne, puis les composants volatils, etc. La ou les fractions désirées sont transférées dans la collection appropriée. L'opération se poursuit jusqu'au traitement complet du mélange initialement chargé.

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Technologies de traitement des eaux usées à haute salinité

Le choix de la méthode de nettoyage des eaux usées salines (déminéralisation de l'eau)

1. Méthodes de dessalement de l'eau et leur classification.

La réduction de la salinité de l’eau jusqu’aux limites de GOST 2874-82 "Eau de boisson" ou à une concentration proche de la teneur en sel de l’eau distillée est respectivement appelée dessalement et dessalement.

Les méthodes existantes de dessalement et de dessalement de l'eau sont divisées en deux groupes principaux: avec et sans changement de l'état d'agrégation de l'eau. Le premier groupe de méthodes comprend la distillation, le chauffage de l'eau à une température supérieure à la température critique (350 ° C), la congélation, la méthode à l'hydrate de gaz; au second - échange d'ions, électrodialyse, osmose inverse (hyperfiltration), ultrafiltration, extraction, etc.

La distillation, l'échange d'ions, l'électrodialyse et l'osmose inverse sont les plus courants dans la pratique.

2. Dessalement et dessalement de l'eau par distillation.

La méthode de distillation est basée sur la capacité de l'eau à s'évaporer et à se décomposer lorsqu'elle est chauffée à la vapeur fraîche et à la saumure. Le principe de la distillation repose sur le fait que lorsque l'eau de mer est chauffée à une température supérieure au point d'ébullition (à une salinité et une pression données), l'eau commence à bouillir. La vapeur obtenue à une pression inférieure à 50 kgf / cm 2 est pratiquement incapable de dissoudre les sels contenus dans l'eau dessalée. Par conséquent, lorsqu'elle se condense, de l'eau fraîche est obtenue. Pour l'évaporation de 1 kg d'eau, il est nécessaire de la chauffer au point d'ébullition, puis d'ajouter de la chaleur à la phase de transition de l'eau à la vapeur, appelée chaleur latente de vaporisation, égale à une température de 100 ° C à 539,55 kcal / kg. Pour convertir la vapeur résultante en eau, il est nécessaire de retirer de la vapeur la chaleur de la transition de phase (559,55 kcal / kg). Une grande partie de cette chaleur peut être renvoyée à l'unité, c'est-à-dire récupéré. Plus la chaleur de la transition de phase est récupérée, plus l'efficacité thermique de l'usine de dessalement par distillation est élevée.

Le principe de fonctionnement de l'installation de dessalement par distillation en une étape est le suivant: la source d'eau est fournie à l'évaporateur via le radiateur à condensation, où elle est chauffée et évaporée sous l'effet de la chaleur dégagée par la vapeur ou l'eau chaude. La vapeur résultante (secondaire) entre dans le condenseur, où elle est refroidie par la source d’eau et convertie en distillat. La condensation thermique sert à préchauffer l'eau d'appoint de l'évaporateur.

Les plus utilisés sont les évaporateurs à plusieurs étages, qui sont plusieurs unités consécutives à un étage, la vapeur secondaire de l’étape précédente étant utilisée comme vapeur de chauffage pour l’évaporation de l’eau dans l’étape suivante. Avec l'augmentation du nombre d'étages, les usines de dessalement à plusieurs étages deviennent plus économiques. Cependant, avec l'augmentation du nombre d'étapes d'évaporation, la différence de température entre chacune d'elles diminue, la surface de chauffage totale des appareils augmente et les coûts d'investissement de l'usine de dessalement augmentent fortement.

Le principal avantage des usines de dessalement par distillation à plusieurs étages est qu’il est possible d’obtenir une quantité beaucoup plus grande d’eau déminéralisée par unité de vapeur primaire. Ainsi, avec l’évaporation en une étape, on obtient environ 0,9 tonne d’eau dessalée par tonne de vapeur primaire, puis dans les installations de 50 à 60 étapes - 15 à 20 tonnes d’eau dessalée. La consommation d'énergie spécifique dans les unités de distillation est de 3,5 à 4,5 kWh / m 3 de distillat.

Lors du fonctionnement des installations de dessalement par distillation, le calaminage des éléments chauffants des évaporateurs et des condenseurs joue un rôle négatif, réduisant la température de chauffage de l'eau, altérant le transfert de chaleur et le fonctionnement de toutes les unités de l'installation. Pour prévenir la formation de tartre, des agents réactifs (inhibiteurs spéciaux, additifs, pré-acidification, etc.) et des non réactifs (traitement magnétique, traitement par ultrasons, etc.) sont utilisés. La formation de tartre est pratiquement éliminée en créant un vide suffisamment profond dans les évaporateurs, ce qui permet de réduire la température de l'eau évaporée à 50 ° C et moins. Les coûts d'énergie sont d'environ 10 kWh / m 3 d'eau dessalée.

3. Méthode de dessalement par échange d’ions et dessalement de l’eau

La méthode de dessalement et de dessalement par échange d’ions est basée sur la filtration séquentielle de l’eau par H-cation, puis par la NSO.3-, OH ou CO3 Filtre d'échange d'anions 2-. Dans le filtre H-cationite, les cations contenus dans l’eau, principalement Ca (II), Mg (II), Na (I), sont échangés contre des cations hydrogène.

Lors du passage de l'eau après le filtrage du cation H dans des échangeurs OH-anions, les anions des acides formés sont échangés contre des ions OH-:

En fonction de la profondeur requise pour le dessalement de l'eau, des installations à un, deux et trois étages sont conçues, mais dans tous les cas, des échangeurs de cations H fortement acides avec une grande capacité d'échange sont utilisés pour éliminer les ions métalliques de l'eau.

La teneur en sel résiduel avec l'ionisation en une étape peut aller jusqu'à 20 mg / l. Pour obtenir de l'eau contenant jusqu'à 0,5 mg / l de sel, on utilise des installations avec un schéma d'ionisation H et OH en deux étapes.

Le principal inconvénient du dessalage par échange d’ions est le suivant:

  1. consommation importante de réactifs pour la régénération des résines échangeuses d'ions:
    • la régénération des filtres H-cationite est effectuée avec un acide (sulfurique, chlorhydrique) avec un débit de 70-75 g / g-éq. Pour les filtres H-cationite de stade II, la consommation spécifique d’acide sulfurique à 100% est de 100 g pour 1 gekv. cations absorbés. La consommation d'eau pour le lavage de l'échangeur de cations est de 5 à 8 m 3 / m 3 d'échangeur de cations.
    • La régénération des filtres échangeurs d’anions OH-anioniques est réalisée avec une solution d’alcali, la consommation spécifique de NaOH à 100% étant de 120-140 kg / m 3 de résine échangeuse d’anions. La consommation d’eau pour le lavage est jusqu’à 10 m 3 / m 3 d’échangeur d’anions.
    En règle générale, lorsque l'eau douce est dessalée, les filtres du premier étage sont régénérés toutes les 8 à 10 heures, le deuxième étage tous les 8 à 10 jours.
  2. La durée de régénération des filtres étant de 3 à 3,5 heures, il est nécessaire d'installer deux filtres (l'un fonctionne, l'autre en régénération), ce qui augmente les coûts d'investissement.
  3. En raison du grand nombre de réactifs utilisés, leur transport et leur stockage entraînent des coûts importants.
  4. La nécessité d'organiser une économie de réactif pour la réception des acides et des alcalis, leur déballage, la préparation du mortier et des solutions consommables.
  5. Déversement important d'eaux usées salines dans les eaux usées et la pollution de l'environnement.

4. Dessalement par électrodialyse.

Le dessalement de l'eau par électrodialyse est basé sur le fait que dans un champ électrique, les cations de sels dissous dans l'eau se déplacent vers une cathode immergée dans de l'eau dessalée et des anions vers une anode. Dans ce cas, le courant électrique dans la solution est transféré par des ions qui sont évacués à l'anode et à la cathode.

Si l'espace est divisé par des cloisons perméables aux cations et aux anions en trois parties (cathode, anode et fonctionnement), sous l'action du courant électrique, la plupart des cations dissous dans de l'eau de sels seront transférés à la cathode et des anions à l'espace de l'anode. L'eau dans l'espace de travail d'électrodialyse se dessalera.

Des membranes à échange ionique (actives cationiques et anioniques) sont utilisées comme cloisons et l'efficacité de la machine à électrodialyse dépend des propriétés et de la qualité de celles-ci. Les membranes doivent avoir une conductivité électrique, une sélectivité et une résistance à la diffusion élevées, être suffisamment résistantes et durables dans l'eau et les saumures.

La conception de l'électrodialyse unidirectionnelle à plusieurs chambres comprend un ensemble de chambres alternées séparées par des membranes échangeuses d'ions. L'eau dessalée pénètre dans les chambres paires de l'appareil, la saumure circule dans les chambres impaires. Avec le passage du courant électrique continu, les cations des sels dissous dans les chambres même se déplacent vers les membranes échangeuses de cations, et les anions - de l'anode - passent facilement dans la chambre impaire à travers la membrane échangeuse d'anions. Depuis les chambres impaires, ni les anions ni les cations ne pénètrent dans les chambres voisines, car ils rencontrent un obstacle sur le trajet du mouvement sous forme de membranes anioniques imperméables aux cations et imperméables aux membranes anioniques. Les sels sont transférés des chambres même aux chambres impaires. L'eau dans les chambres même est dessalée, les sels s'accumulent dans les chambres de saumure impaires.

Pour empêcher la formation d'un précipité à la surface de la membrane de sels de calcium insolubles, de sulfate de baryum, de fer, etc., ainsi que de composés organiques qui ne sont pas éliminés au cours du processus d'électrodialyse, une électrodialyse réversible est utilisée, à savoir. effectuer périodiquement une modification de la polarité du courant, ce qui entraîne une modification de la direction du flux et l'élimination des précipitations.

Le rendement en eau purifiée est compris entre 90 et 95% de l’eau entrante avec une circulation contrôlée du flux concentré et d’autres mesures supplémentaires. Le recyclage régulier du flux concentré donne un rendement en eau purifiée de 70 à 85%.

Le procédé ne nécessite pas de réactifs chimiques supplémentaires, il ne crée pas de substances nocives pour l'environnement, mais une condition préalable au fonctionnement fiable de l'installation d'électrodialyse est un prétraitement minutieux de l'eau provenant de matières en suspension et un mélange de substances organiques, de composés de fer et de manganèse.

5. Dessalement par osmose inverse.

Récemment, les méthodes à membrane, en particulier l'osmose inverse, ont été largement utilisées dans la préparation d'eau dessalée. La méthode de l'osmose inverse est l'une des méthodes les plus prometteuses de purification et de dessalement profond de l'eau avec différentes minéralisations. Il est basé sur la séparation des solutions par filtration à travers des membranes semi-perméables, dont les pores traversent les molécules d'eau, mais pas les sels hydratés ni les molécules de composés non dissociés. Si un mur semi-perméable est placé dans le récipient entre de l'eau douce et de l'eau salée, capable de faire passer de l'eau et de retenir les ions hydratés des sels hydrosolubles, on peut observer comment l'eau douce commence à s'écouler dans le compartiment d'eau salée. Le débit d'eau propre est dû à la différence de concentration de liquide des deux côtés du septum. Au bout d'un moment, le niveau d'eau douce deviendra nettement inférieur au niveau de la saumure. La différence de niveau après l'état d'équilibre caractérise la pression osmotique du soluté. Si une pression supérieure à la pression osmotique est créée dans une solution saline, les molécules d’eau douce s’écoulent dans le sens opposé à leur mouvement naturel, c’est-à-dire l'eau de la solution commence à s'écouler à travers le septum dans de l'eau fraîche. Ce processus est connu sous le nom d'osmose inverse. Le dessalement de l'eau saline par la méthode de l'osmose inverse repose précisément sur le processus d'écoulement des molécules d'eau pure à partir de la solution afin de créer une pression supérieure à celle osmotique, allant de la solution à l'eau douce à travers une paroi semi-perméable. La cloison semi-perméable est choisie de manière à ce que les molécules d’eau puissent traverser ses pores, mais non les ions de sels dissous dans de l’eau saline. Étant donné que les ions de sels en une quantité environ 1,5 fois plus que les molécules d'eau, cela est possible (au sens technique) est possible.

La méthode par osmose inverse présente des avantages significatifs par rapport aux méthodes traditionnelles: les coûts énergétiques du procédé sont relativement faibles, les installations sont simples et compactes, leur travail dépend peu des fluctuations de la qualité de la source d’eau, son fonctionnement ne nécessite pas de personnel hautement qualifié, l’exploitation des installations peut être facilement automatisée. La principale caractéristique de l'osmose inverse est la quasi-absence de consommation de réactifs chimiques pour le traitement de l'eau (acides, bases, etc.), à l'exception de petites dépenses pour l'ajustement du pH, l'inhibition du tartre et le lavage périodique des membranes. Les eaux usées des plantes (concentré) ne contiennent pratiquement que les sels présents dans l'eau de source, tandis que, lorsqu'elles sont ionisées, la quantité totale de sels dans les effluents est au moins deux ou trois fois supérieure à leur teneur en eau purifiée. Il est vrai que le volume des eaux usées, même s'il contient moins de sel, reste à peu près identique à celui utilisé pour le dessalement par échange d'ions.

La méthode de l'osmose inverse est différente en ce que la séparation sur la membrane se produit sans transformation de phase des substances et nécessite une dépense d'énergie uniquement pour pomper la solution le long de la membrane et forcer le solvant (eau) à travers la membrane. Dans ce cas, la membrane semi-perméable ne fonctionne pas comme un filtre sur lequel les substances retardées s'accumulent. Il ne divise que le flux d'origine en deux. Le premier flux - l'eau qui a traversé la membrane (perméat) - contient moins de sel que l'eau d'origine. Le deuxième courant - la source d’eau - lorsqu’il se déplace le long de la membrane devient de plus en plus concentré, entraînant avec lui les sels retenus par la membrane. Le flux quittant l'élément de séparation s'appelle un concentré.

La pression de travail dans l'appareil dépend de la salinité de la source d'eau et de la pression osmotique de la solution. En règle générale, il suffit de 0,7 à 1,2 MPa pour le dessalement de l'eau de mer, et de 5 à 7 MPa pour le dessalement de l'eau de mer.

En fonction de la pression de travail, les membranes et les éléments en rouleau peuvent être soumis à une pression faible, moyenne ou élevée. Actuellement, toute une gamme d'éléments de rouleaux basse, moyenne et haute pression est proposée pour le dessalement d'eaux de composition différente avec une valeur de sélectivité élevée (supérieure à 99%), tant de la production russe que de la production étrangère.

Le développement à l'étranger de membranes d'osmose inverse hautement sélectives et hautement performantes, fonctionnant à des pressions de 0,7 à 1,0 MPa, ainsi que des éléments en rouleau basés sur celles-ci (appelés éléments permettant d'économiser les ressources), permettent de les appliquer efficacement dans le dessalement des eaux faiblement minéralisées. Dans ce cas, la consommation d'énergie est de 0,5 à 1,5 kW / m 3 d'eau purifiée.

6. Le choix de la méthode de dessalement.

Le choix de la méthode de dessalement est déterminé par la qualité de l'original et les exigences en matière de qualité de l'eau traitée, de performances de l'installation, ainsi que de considérations techniques et économiques. L’évaluation des indicateurs économiques se heurte à certaines difficultés, car ils dépendent de nombreux facteurs de nature naturelle, technique et économique. Cependant, il existe des directives générales pour l'utilisation de l'une ou l'autre méthode de dessalement.

Le diagramme ci-dessous montre les limites recommandées pour l’utilisation de différentes méthodes de dessalement en fonction de la salinité de la source d’eau et de la productivité journalière de l’usine de dessalement (tenez une fois de plus compte de la nature recommandée de ce graphique).

Basé sur les données du graphique suivant:

  1. Le coût du dessalement de l'eau par échange d'ions augmente fortement avec l'augmentation de la teneur en sel de l'eau; dans le même temps, le dessalement de l’eau diminue en profondeur. Par conséquent, le dessalement par échange d'ions (échange d'ions mixtes, régénération normale ou continue) est préférable pour les besoins journaliers élevés en eau avec un faible degré de salinité inférieure (jusqu'à 100 mg / l).
  2. Compte tenu des nouveaux développements dans le domaine de l'osmose inverse, à savoir la mise au point de membranes basse pression, hautes performances et hautement sélectives (économies d'énergie), le domaine d'utilisation de la technologie des membranes (osmose inverse) s'est considérablement étendu. Dans une large gamme de teneur en sel (0,15 à 50 g / l), les installations à membrane de dessalement sont comparables aux électrodialyseurs par les indicateurs économiques et se comparent favorablement à l'échange d'ions.
  3. Le dessalement de saumures très concentrées est économiquement avantageux à réaliser par distillation.

Eaux usées de distillation thermique (distillation)

La distillation est le processus de séparation des mélanges liquides, basé sur la différence de composition du liquide et de la vapeur. La séparation est plus facile, plus la composition de la solution liquide et de la vapeur est importante.

Pour séparer les mélanges utilisés distillation fractionnée. La méthode de distillation fractionnée consiste à effectuer une série d'étapes successives:

1) chauffer le mélange liquide initial à ébullition pour produire de la vapeur d'une certaine composition;

2) condensation de la vapeur résultante;

3) évaporation du condensat pour produire de la vapeur d'une nouvelle composition enrichie en composant volatil.

Selon la loi de Raul, la pression partielle de la vapeur du solvant (eau) px au-dessus de la solution avec un soluté volatil (impureté) est proportionnelle à la fraction molaire de solvant xx en solution:

où r °< - pression de vapeur du solvant pur à une température donnée.

Si les deux composants de la solution sont volatils, la loi de Raul est remplie pour chacun des composants:

où p2 - pression de vapeur partielle du soluté; x2 - fraction molaire de soluté.

La pression de vapeur totale sur la solution P selon la loi de Dalton est égale à la somme des pressions partielles px et p2:

Il ressort des expressions (8.8) et (8.9) qu’à température constante, les pressions partielles des composants en phase vapeur et la pression totale de ces derniers dépendent linéairement de la concentration molaire du composant à bas point d’ébullition dans la phase liquide d’équilibre. Cette dépendance est présentée à la Fig. 8.8, où les lignes droites inclinées OA et CB illustrent les modèles de changement de pun et ps, et la droite AB est la régularité de la variation de la pression de vapeur totale au-dessus du mélange liquide bouillant à t = const.

Fig. 8.8. Graphique de la loi de Raul pour un mélange de deux liquides volatils

Dans les solutions idéales, la loi de Raoult est satisfaite pour les deux composants de toute la gamme de composition.

Courbe ADB sur la fig. La figure 8.8 décrit la dépendance hyperbolique de la concentration d’un composant à bas point d’ébullition dans la phase vapeur y de la pression totale P, ce qui signifie que la vapeur est toujours plus riche que le composant à bas point d’ébullition (plus volatil) que la phase liquide à l’équilibre (y x).

En pratique, la séparation des mélanges est réalisée par distillation fractionnée continue, appelée rectification. La rectification est utilisée pour purifier les eaux usées de substances organiques volatiles, en particulier de phénols.

Le procédé de rectification consiste essentiellement à séparer un mélange de liquides ayant différents points d'ébullition d'un ou plusieurs liquides à l'état pur. Ceci est réalisé par des transferts répétés de chaleur et de masse entre les phases liquide et vapeur; En conséquence, une partie du composant volatil (impureté) est transférée de la phase liquide à la phase vapeur et une partie du composant moins volatil (eau) de la phase vapeur à la phase liquide.

Les installations de distillation sont à action périodique et continue. Les installations de traitement par lots sont utilisées pour séparer une petite quantité d'eaux usées. Le processus de rectification continue s’effectue dans l’installation illustrée à la fig. 8.9.

Fig. 8.9. Schéma de l'unité de distillation continue

L'installation comprend une colonne de distillation 2, un condenseur à reflux 3, un réfrigérateur 4, un préchauffeur d'eau usée brute 7, des collecteurs de distillat (impuretés organiques) 5 et un résidu de distillation (eau purifiée) 6. Le condenseur à reflux, le réfrigérateur et le préchauffeur sont des échangeurs de chaleur classiques.

Lors du calcul des colonnes de rectification, les flux de matière et le coût de la chaleur sont déterminés selon les équations du bilan matière et thermique; Selon les équations cinétiques, les dimensions principales de la colonne (diamètre, hauteur), les dimensions des éléments de la structure interne (plaques, capuchons, buses, etc.) sont calculées.

Le schéma des flux de matière dans la colonne de rectification est illustré à la Fig. 8.10.

Fig. 8.10. Le schéma des flux de matières dans la colonne de rectification:

1 - colonne de distillation; 2 - cube de distillation; 3 - déflegmateur

Dans la colonne, la vapeur G monte de bas en haut et de haut en bas, le liquide s'écoule sous forme de mélange initial F (eaux usées) dans la partie centrale et la partie supérieure de l'appareil sous la forme de mucosités F (matières organiques enrichies). Les produits finaux sont la vapeur condensée P d’une impureté organique volatile à faible point d’ébullition (NC) provenant de la partie supérieure de la colonne et le composant à haut point d’ébullition W (VK) - eau purifiée s’écoulant de la partie inférieure de la colonne.

Le bilan matière de la colonne de distillation pour les flux:

Puisque G = P + F,

où F est le débit du mélange initial (eaux usées), en kmol (kg); P - consommation de distillat (impuretés extraites), kmol (kg); W est la consommation de résidus de TVA (eau purifiée), en kmol (kg). Bilan matière pour les impuretés à bas point d'ébullition (NC):

Ici xF, xp= xf et xw - le contenu du polluant dans les eaux usées d'origine, dans le distillat (reflux) et dans l'eau purifiée, mol. part (masse. part).

Le nombre de vapeurs qui montent dans la colonne

Ici, R = F / P est le nombre de reflux, qui est le rapport entre la quantité de reflux et la quantité de distillat.

Le bilan thermique de la colonne (Fig. 8.11) comprend:

- l'arrivée de chaleur du liquide de refroidissement dans la chaudière QKm, avec les eaux usées d'origine Qf, avec du flegme?f;

- consommation de chaleur avec de la vapeur dans un condenseur à reflux QG, avec de l'eau purifiée Qw et pertes pour l'environnement Qn.

Fig. 8.11. Pour compiler le bilan thermique de la colonne de distillation:

1 - colonne de distillation; 2 - chaudière; 3 - déflegmateur

Donc, l'équation du bilan thermique

En résolvant l'équation du bilan thermique (8.10), trouvez le coût de la chaleur, J / s (W), dans la chaudière