ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΛΙΠΩΝ & ΕΛΑΙΩΝ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Χηµικών Μηχανικών ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΛΙΠΩΝ & ΕΛΑΙΩΝ ΒΛΥΣΙ ΗΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα 2006

2 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΛΙΠΩΝ & ΕΛΑΙΩΝ 1. Εισαγωγή Τα λύµατα και τα υγρά βιοµηχανικά απόβλητα, κυρίως µάλιστα αυτά που προέρχονται από εγκαταστάσεις διυλιστηρίων, περιέχουν συχνά σηµαντικές ποσότητες ελαίων και λιπών. Η αποµάκρυνση τους από τα υγρά απόβλητα είναι απαραίτητη, έτσι ώστε : να λειτουργεί καλύτερα το σύστηµα υπονόµων, διότι αν µεγάλες ποσότητες ελαίων µπουν στους υπονόµους, τότε : - µπορεί οι κύριοι αγωγοί των υπονόµων να φράξουν, - υπάρχει κίνδυνος φωτιάς και έκρηξης σε ολόκληρο το σύστηµα. να µην υπάρξει πρόβληµα στις µονάδες επεξεργασίας αποβλήτων, όπως : - αποθέσεις στα συστήµατα αιώρησης και στα ηλεκτρόδια, - απαίτηση από τα αντλιοστάσια για συχνότερη συντήρηση και καθαρισµό, - παρεµπόδιση της βιολογική δραστηριότητας στην επεξεργασία αποβλήτων (όταν η συγκέντρωση ελαίου είναι µεγαλύτερη από 50 mg/l), γιατί καθώς το λάδι συσσωρεύεται στην επιφάνεια του νερού δηµιουργεί ένα µαύρο στρώµα το οποίο παρεµποδίζει την µεταφορά οξυγόνου από τον αέρα στους µικροοργανισµούς, που βρίσκονται κάτω από αυτό. να µειωθεί το κόστος της υπόλοιπης επεξεργασίας του αποβλήτου. Τα διάφορα είδη ελαίων που υπάρχουν στα υγρά απόβλητα είναι τα βρώσιµα λάδια και τα πετρελαιοειδή. Η συγκέντρωση ελαίου στα υδατικά απόβλητα αναφέρεται ως λίπη και έλαια (fats and oils). Με τον όρο πετρελαιοειδή εννοούµε µια µεγάλη κατηγορία χηµικών υδρογονανθράκων που περιλαµβάνουν την βενζίνη, την κεροζίνη, το αργό πετρέλαιο, απόσταγµα Νο 6, λάδι µηχανής, διάφορα ορυκτέλαια, γράσα, διαλύτες και υδραυλικά λάδια και άλλα. Η αποτελεσµατικότητα και η ευκολία µε την οποία θα πραγµατοποιηθεί ο ελαιοδιαχωρισµός ενός αποβλήτου που περιέχει λάδι, εξαρτάται από την µορφή µε την οποία το λάδι βρίσκεται στο νερό. Συγκεκριµένα, υπάρχουν τρεις τέτοιες µορφές: 1

3 Ελεύθερο λάδι : Υψώνεται εύκολα στην επιφάνεια και µπορεί να αποµακρυνθεί µε πολλούς τρόπους, ιαλυτοποιηµένο λάδι : Μπορεί να αποµακρυνθεί είτε µε βιολογική επεξεργασία, είτε µε προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα. Γαλακτοµατοποιηµένο λάδι : Όταν το µέγεθος των σταγόνων ελαίου είναι αρκετά µικρό, το σύστηµα ελαίου - νερού παύει να συµπεριφέρεται ως διφασικό µίγµα και αποκτά ιδιότητες κολλοειδούς. Οι κολλοειδείς µονάδες (µεγέθους 0,001-1,0 µm) συχνά σχηµατίζουν οργανωµένες δοµές, τα µικκύλια. Αυτή η µορφή λαδιού είναι δυσκολότερο να αποµακρυνθεί γιατί πρέπει πρώτα να διασπασθεί το γαλάκτωµα. Υπάρχουν διάφορα πρόσθετα που προκαλούν την ανάµιξη λαδιού και νερού, και έτσι το πρόβληµα διαχωρισµού γίνεται µεγαλύτερο (π.χ. τα υγρά απόβλητα των πλυντηρίων). 2. Κατηγορίες ελαιοδιαχωρισµών Τα λίπη και έλαια µπορούν να διαχωριστούν από τα υγρά απόβλητα µε τρεις τρόπους: - µε επίπλευση µε αέρα - µε υπερδιήθηση και - µε βαρύτητα 2.1. ιαχωρισµός µε επίπλευση µε αέρα Ο τρόπος αυτός διαχωρισµού, συνήθως προτιµάται όταν πρόκειται για τον διαχωρισµό γαλακτώµατος. Κατά τις διεργασίες αυτές, τα µικροσκοπικά σταγονίδια λαδιού µετατρέπονται σε µικροσκοπικές φυσαλίδες αέρα - λαδιού, λόγω διάχυσης, του αέρα που είναι διαλυµένος στο απόβλητο, προς το µη πολικό, λυόφοβο εσωτερικό τµήµα των µικκυλίων. Οι φυσαλίδες αέρα - λαδιού που σχηµατίζονται, έχουν µικρότερη πυκνότητα από τα αντίστοιχα σταγονίδια του γαλακτώµατος, οπότε ανεβαίνουν στην επιφάνεια γρηγορότερα από την κύρια µάζα του αποβλήτου. Τα είδη διαχωριστών µε επίπλευση αέρα είναι τα εξής : α) Σύστηµα DAF (Dissolved Air Flotation) 2

4 Η επίπλευση µε αέρα επιτυγχάνεται διαλύοντας αέρα σε υψηλή πίεση κατά αντιρροή προς τη δεξαµενή επίπλευσης. Όταν η πίεση ελαττώνεται, καθώς ο αέρας µπαίνει στη δεξαµενή µέσα από µια οπή ελέγχου, ελαττώνεται και η διαλυτότητα του αέρα. Σαν αποτέλεσµα σχηµατίζονται µικροσκοπικές φυσαλίδες αέρα και αέρα - λαδιού. Οι τελευταίες, αφού προσκολληθούν στα σταγονίδια του λαδιού, ανεβαίνουν στην επιφάνεια, λόγω µικρού ειδικού βάρους, και έτσι αποµακρύνεται το λάδι. Μια τυπική διάταξη DAF φαίνεται στο σχήµα 1. β) Σύστηµα ΙAF (Induced Air Flotation) Σχήµα 1 : ιαχωριστήρας DAF Στο σύστηµα αυτό, ο αέρας εισάγεται στο λύµα νερού µέσω ενός διαχυτήρα µικρής οπής. Επειδή η επαφή αέρα και νερού γίνεται σε ατµοσφαιρική πίεση, οι φυσαλίδες αέρα παρασύρονται στο νερό αντί να σχηµατιστούν εκεί. Ο διαχωρισµός µε IAF επιτυγχάνεται µε την χρήση βαθµίδων (συνήθως τέσσερις), για αυξηµένη απόδοση διαχωρισµού, όπως φαίνεται στο σχήµα 2. Το προηγούµενο σύστηµα (DAF) διαφέρει από το IAF στο ότι στο DAF οι φυσαλίδες αέρα είναι µικρότερες από τα σταγονίδια του ελαίου οπότε οι φυσαλίδες «κολλούν» στα σταγονίδια ελαίου ενώ στο IAF οι φυσαλίδες αέρα είναι µεγαλύτερες των σταγονιδίων και τα σταγονίδια ελαίου «κολλούν» στις φυσαλίδες αέρα. Έτσι το σύστηµα DAF επειδή έχει την δυνατότητα να διαχωρίζει µικρότερα σταγονίδια ελαίων είναι πιο αποτελεσµατικό απ ότι το σύστηµα ΙΑF. 3

5 Σχήµα 2 : ιαχωριστήρας IAF 2.2. ιαχωρισµός µε υπερδιήθηση Η υπερδιήθιση είναι ακόµη µια µέθοδος για την επεξεργασία του γαλακτωµατοποιηµένου λαδιού. Στη διεργασία αυτή το απόβλητο µε το λάδι αντλείται µέσω µιας µεµβράνης. Υπό στατική πίεση, το νερό και οι περισσότερες διαλυµένες ουσίες διαχέονται µέσω των πόρων αυτής της µεµβράνης. Τα µεγάλα µόρια, δηλαδή αυτά του λαδιού, κατακρατούνται, ενώ το νερό που περνά µέσα από την µεµβράνη περιέχει µικρή συγκέντρωση λαδιού (< 100 mg/l) ιαχωρισµός µε βαρύτητα Οι διαχωριστές αυτής της µεθόδου, αποτελούν µια µεγάλη και σηµαντική κατηγορία ελαιοδιαχωριστών. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στη σηµαντική διαφορά πυκνότητας µεταξύ νερού και των ελαιωδών ουσιών. Με τη βοήθεια της άνωσης οι σταγόνες λαδιού ανεβαίνουν στην ελεύθερη επιφάνεια της δεξαµενής απ όπου αποµακρύνονται µε κατάλληλες τεχνικές διατάξεις επιφανειακής συλλογής. Υπάρχουν δύο κατηγορίες διαχωριστών βαρύτητας: - ιαχωριστές ΑΡΙS (American Petroleum Institute Separator) και - ιαχωριστές παραλλήλων πλακών ιαχωριστής ΑΡΙS 4

6 Οι διαχωριστές ΑΡΙS έχουν την ικανότητα να αποµακρύνουν µεγάλες ποσότητες µη δεσµευµένου ελαίου αν και διαλυτά έλαια και τα περισσότερα γαλακτώµατα δεν αποµακρύνονται. Θεωρητικά, η λειτουργία τους βασίζεται στο ότι οι σταγόνες λαδιού ανέρχονται γραµµικά µε οριακή ταχύτητα που καθορίζεται από το νόµο του Stokes όταν η ροή είναι στρωτή. Ο διαχωριστής αυτός (Σχήµα 3) αποτελείται από µία ορθογώνια ή κυκλική δεξαµενή, µέσα στην οποία εισέρχεται το απόβλητο και παραµένει εκεί για ένα ορισµένο χρονικό διάστηµα, ώστε να ηρεµήσει. Τα σταγονίδια λαδιού ανέρχονται προς την επιφάνεια, λόγω της άνωσης, όπου και σχηµατίζεται ένα στρώµα λαδιού, το οποίο αποµακρύνεται µε κατάλληλο συλλέκτη, ενώ τα βαριά σωµατίδια κατακάθονται σαν ιλύς, τα οποία επίσης αποµακρύνονται µε κατάλληλη διάταξη. Το υπόλοιπο νερό περνάει µέσω κάποιων φραγµάτων, που υπάρχουν στον διαχωριστή, προς την έξοδο. Τα φράγµατα αυτά υπάρχουν για να εµποδίσουν την διάχυση λαδιού και ιλύος στο απόβλητο κατά την έξοδό του από την µονάδα ελαιοδιαχωρισµού. Σηµαντικές παράµετροι ενός ελαιοδιαχωριστή τύπου ΑΡΙS είναι ο χρόνος παραµονής και βέβαια η επιφάνειά του που σχετίζεται µε την τροφοδοσία. Οι ΑΡΙS διαχωρίζουν σταγονίδια µε διάµετρο µεγαλύτερη από 200 µm περίπου. Σχήµα 3: Ελαιοδιαχωριστής τύπου APIS ιαχωριστές Παραλλήλων Πλακών 5

7 Με τους διαχωριστές αυτούς αντιµετωπίζονται τα µειονεκτήµατα του προηγουµένου (ΑΡΙS), που είναι : - το αρκετά µεγάλο µέγεθος των δεξαµενών που απαιτείται έτσι ώστε να επιτευχθεί ικανοποιητικός διαχωρισµός µεταξύ των φάσεων, που έχει ως συνέπεια οι εγκαταστάσεις να καταλαµβάνουν µεγάλη έκταση και βάρος (µεγάλο κόστος κατασκευής), - οι απώλειες λόγω εξάτµισης και ο κίνδυνος πυρκαγιάς, - η υψηλή κατανάλωση ατµού ώστε να αποφευχθεί η ψύξη των βαρύτερων προϊόντων. Ενώ στον ΑΡΙS τα σταγονίδια ελαίου πρέπει να διανύσουν µεγάλη απόσταση µέχρι να αναδυθούν στην επιφάνεια, ο δρόµος αυτός µειώνεται µε τους διαχωριστές παραλλήλων πλακών, όπου το λάδι συγκεντρώνεται στο κάτω µέρος της επιφάνειας κάθε πλάκας και αναδύεται ευκολότερα προς την πάνω ελεύθερη επιφάνεια της δεξαµενής διαχωρισµού. Τα στερεά σωµατίδια του αποβλήτου, αντίθετα, συγκεντρώνονται στο πάνω µέρος της επιφάνειας κάθε πλάκας και καθιζάνουν στον πυθµένα. Αυτές οι ιδιότητες των διαχωριστών παραλλήλων πλακών τους κάνουν αποδοτικότερους από τους ΑΡΙS, γεγονός που σηµαίνει ότι µπορούν να έχουν µικρότερες διαστάσεις, ενώ ταυτόχρονα θα έχουν την ίδια απόδοση, διαχωρίζοντας σταγονίδια διαµέτρου µεγαλύτερης από 150 µm. Οι παραλλαγές διαχωριστών παραλλήλων πλακών είναι : PPI (Parallel Plates Interseptors) Οι διαχωριστές αυτοί πρωτοχρησιµοποιηθήκαν από την Shell Oil Corp. το 1950 και µέχρι σήµερα έχουν µεγάλη αποδοχή. Αποτελούνται από ένα σετ παραλλήλων επίπεδων πλακών, µε κλίση 45 ο (Σχήµα 4). Στη βιβλιογραφία αναφέρονται και µε τον όρο Tilted Plate Separators. CPI (Corrugated Plates Interceptors) Η διαφορά τους από τον PPI, είναι το ότι αποτελούνται συνήθως από δέσµες πλακών, οι οποίες αντί να είναι επίπεδες, έχουν αυλακώσεις (κυµατοειδές σχήµα) (Σχήµα 5). Καθώς το απόβλητο ρέει ανάµεσα στις πλάκες, οι ελαφρότερες σταγόνες ελαίου επιπλέουν και συγκεντρώνονται στα ανώτερα σηµεία των αυλακώσεων. 6

8 Την ίδια αρχή λειτουργίας µε τους διαχωριστές παραλλήλων πλακών, έχουν και οι συσκευές Lamella (Σχήµα 6), των οποίων όµως ο κύριος σκοπός είναι η αποµάκρυνση στερεών σωµατιδίων από υδατικά απόβλητα. Τα στερεά σωµατίδια συσσωµατώνονται στο πάνω µέρος των πλακών, από όπου και καθιζάνουν. Σχήµα 4: ιαχωριστής ΡΡΙ Σχήµα 5: ιαχωριστήρας CPI Σχήµα 6: Lamella διαχωρισµού αµύλου από τα υγρά απόβλητα βιοµηχανίας επεξεργασίας πατάτας Στους διαχωριστές παραλλήλων πλακών, η ροή του αποβλήτου διαµέσου των πλακών µπορεί να είναι τριών τύπων : 7

9 α) Εγκάρσια ροή (cross flow) Όπως φαίνεται στο σχήµα 7, οι πλάκες είναι κεκλιµένες κάθετα στη διεύθυνση της ροής, δηλαδή η απόσταση που διανύει το απόβλητο µέσα στις πλάκες είναι ίση µε το πλάτος τους. Σχήµα 7 : Εγκάρσια ροή β) Οµορροή (co-current flow) Κατά τον τρόπο αυτό, οι πλάκες είναι κεκλιµένες στη διεύθυνση της ροής, όπως φαίνεται στο σχήµα 8α. Η ροή του αποβλήτου γίνεται κατά την φορά αποµάκρυνσης της διεσπαρµένης φάσης. γ) Αντιρροή (counter-current flow) Η διάταξη των πλακών είναι ίδια όπως στην οµορροή, µε τη διαφορά ότι η ροή του αποβλήτου γίνεται κατά φορά αντίθετη από τη φορά αποµάκρυνσης της διεσπαρµένης φάσης (Σχήµα 8β). 8

10 Σχήµα 8α : Οµορροή Σχήµα 8β : Αντιρροή 3. Σχεδιασµός ελαιοδιαχωριστών α αναπτυχθεί η µεθοδολογία σχεδιασµού µονάδων Θελαιοδιαχωρισµού µε βαρύτητα Επεξήγηση συµβολισµών ΛΑΤΙΝΙΚΑ ΓΡΑΜΜΑΤΑ A = κάθετη επιφάνεια που συναντά η (εγκάρσια) ροή m 2 C o = συγκέντρωση ελαίου στο απόβλητο στη είσοδο % v/v C e = συγκέντρωση ελαίου στο απόβλητο στη έξοδο % v/v D co = cut-off οριακή διάµετρος σταγονιδίου ελαίου µm d = απόσταση µεταξύ των παραλλήλων πλακών m L = µήκος πλακών m g = επιτάχυνση βαρύτητας = 9.81 m/s 2 H = Βάθος δεξαµενής m m = αριθµός πλακών - Q = παροχή αποβλήτου m 3 /s R D = σχετική πυκνότητα ελαίου = ρ p / ρ c Re = αριθµός Reynolds σταγονιδίων - t r = χρόνος παραµονής s V o = οριζόντια ταχύτητα υγρού m/h u s = οριακή ταχύτητα ανόδου σωµατιδίων λαδιού m/s u o = επιφανειακή φόρτιση m 3 /m 2 hr W = πλάτος πλακών m 9

11 ΕΛΛΗΝΙΚΑ ΓΡΑΜΜΑΤΑ η = απόδοση της διεργασίας διαχωρισµού % θ = γωνία µεταξύ των πλακών µοίρες µ = Ιξώδες δυναµικό kg/m s ν = ιξώδες κινηµατικό m 2 /s ρ p = πυκνότητα λαδιού kg/m 3 ρ c = πυκνότητα νερού kg/m Σχεδιασµός APIS Ο σχεδιασµός των APIS βασίζεται στον υπολογισµό της οριακής ταχύτητας ανόδου των σταγονιδίων του λαδιού σύµφωνα µε τη παρακάτω σχέση που καθορίζεται από τον νόµο του Stokes (Re<0.5): 2 g DCO us = ( R D -1) [1] 18 ν όπου: ν = ( Τ T 2 ) 10-5, m 2 /s Οι δεξαµενές APIS είναι δεξαµενές οριζόντιας ροής και ορθογωνικής διατοµής. Ένα σταγονίδιο λαδιού, σε µία δεξαµενή οριζόντιας ροής, κινείται µε τη συνισταµένη δύο ταχυτήτων: την ταχύτητα ροής του υγρού (V ο ) και την οριακή ταχύτητα ανόδου του σταγονιδίου (u s ). Αν Q= η παροχή του αποβλήτου και οι διαστάσεις της δεξαµενής είναι: W = πλάτος, Η = µήκος και L = πλάτος τότε η ταχύτητα ροής V του εισερχοµένου αποβλήτου δίδεται από τη σχέση: V o Q = [2] H W ενώ για να προλάβει να ανέβει µία σταγόνα που έχει οριακή ταχύτητα u s πρέπει να ισχύει η σχέση: V u L u V H Q H = Q Q = = o o S = uo [3] S H L L W H L W A όπου: Α = η επιφάνεια της δεξαµενής, m 2. Με βάση τη σχέση [3] υπολογίζονται τα σταγονίδια λαδιού που θα συγκρατηθούν για δεδοµένη επιφάνεια Α της δεξαµενής αποµάκρυνσης ελαίων. Ο λόγος Q/A που έχει διαστάσεις ταχύτητας και εκφράζει την µεγαλύτερη οριακή ταχύτητα (δηλαδή τη µικρότερη διάµετρο, D co ) των σωµατιδίων που µπορούν να συγκρατηθούν στην δεδοµένη δεξαµενή, ονοµάζεται ρυθµός υπερχείλισης ή επιφανειακή φόρτιση. Οι δεξαµενές αυτές σχεδιάζονται µε βάσει τις παρακάτω προδιαγραφές: 10

12 - 3 t r 5 min mm D co u s 3.6 m/h - 15 V o 55 m/h H / W W 6 m - 1 H 2.5 m - 0,83 ρ p 0.9 gr/cm 3 για πετρελαιοειδή - 0,85 ρ p 0.95 gr/cm 3 για βρώσιµα λάδια 3.3. Σχεδιασµός διαχωριστών παραλλήλων πλακών Η λειτουργία ενός διαχωριστή παραλλήλων πλακών διέπεται από τις παρακάτω σχέσεις: t r = ( ρ c ρ ρ 18 µ d ) g cosθ D 2 co [4] 2 Q ρc + Re W µ m = Re W µ [5] t r Q L = (m 1) d W [6] u o = Q m L W cosθ [7] Στις τέσσερις παραπάνω εξισώσεις, περιέχονται συνολικά 13 µεταβλητές, από τις οποίες οι ρ c, ρ ρ και µ είναι γνωστές, καθώς αποτελούν ιδιότητες του επεξεργαζοµένου αποβλήτου και εξαρτώνται από τη θερµοκρασία. Από τις υπόλοιπες 10 µεταβλητές, ως προδιαγραφές σχεδιασµού δίνονται η παροχή του αποβλήτου Q, η επιθυµητή διάµετρος διαχωρισµού D co και ο αριθµός Reynolds Re που δίνεται τέτοιος ώστε η ροή στο εσωτερικό των πλακών να είναι στρωτή. Από τις υπόλοιπες επτά µεταβλητές οι πέντε (W, d, θ, m, L) αποτελούν κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της διάταξης ενώ οι δύο (t r, u o ) είναι χαρακτηριστικά µεγέθη της διεργασίας. Επειδή οι εξισώσεις του µοντέλου είναι τέσσερις απαιτούνται τρεις µεταβλητές σχεδιασµού να ορισθούν. Ως µεταβλητές σχεδιασµού είναι λογικό να επιλεγούν κάποιες από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Από τους συνδυασµούς των πέντε µεταβλητών ανά τρεις 11

13 κάποιοι αποκλείονται λόγω της µορφής των εξισώσεων του µοντέλου. Τελικά, προκύπτουν τέσσερα σενάρια, τα οποία παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα : Πίνακας 1: Πιθανά σενάρια σχεδιασµού µιας µονάδας παραλλήλων πλακών ΣΕΝΑΡΙΟ 1 ΣΕΝΑΡΙΟ 2 ΣΕΝΑΡΙΟ 3 ΣΕΝΑΡΙΟ 4 Μεταβλητές σχεδιασµού Μεταβλητές επίλυσης Μεταβλητές σχεδιασµού Μεταβλητές επίλυσης Μεταβλητές σχεδιασµού Μεταβλητές επίλυσης Μεταβλητές σχεδιασµού Μεταβλητές επίλυσης W t r m t r m t r W t r θ m θ W L W L m d L d L d θ d θ u o u o u o u o Η πορεία σχεδιασµού για τα τέσσερα διαφορετικά σενάρια, φαίνεται στα λογικά διαγράµµατα που ακολουθούν. Σχήµα 9: Λογικό διάγραµµα επίλυσης του 1 ου σεναρίου σχεδιασµού 12

14 Σχήµα 10: Λογικό διάγραµµα επίλυσης του 2 ου σεναρίου σχεδιασµού Σχήµα 11: Λογικό διάγραµµα επίλυσης του 3 ου σεναρίου σχεδιασµού 13

15 Σχήµα 12: Λογικό διάγραµµα επίλυσης του 4 ου σεναρίου σχεδιασµού Παρατηρήσεις Το µοντέλο αυτό εφαρµόζεται τόσο σε συστήµατα οµορροής (cocurrent flow) όσο και σε συστήµατα αντιρροής (counter-current flow). Ελεύθερες µεταβλητές του µοντέλου αποτελούν όλες οι κατασκευαστικές παράµετροι, δηλαδή, το µήκος και το πλάτος των πλακών, ο αριθµός τους, η µεταξύ τους απόσταση και η κλίση τους. Έτσι παρέχονται όλες οι απαραίτητες πληροφορίες για την υλοποίηση της διάταξης. Εισάγεται η παράµετρος της επιφανειακής φόρτισης (overflow rate) που εκφράζει το λόγο της παροχής του υγρού αποβλήτου προς το άθροισµα των προβολών στο οριζόντιο επίπεδο των επιφανειών των πλακών. Το άθροισµα αυτό αποτελεί την ενεργή επιφάνεια διαχωρισµού, αφού οι σταγόνες ελαίου αναδύονται κατακόρυφα σύµφωνα µε το νόµο του Stokes. Το µοντέλο αυτό προϋποθέτει στρωτή ροή ανάµεσα στις πλάκες και για το λόγο αυτό ο αριθµός Reynolds πρέπει να βρίσκεται µεταξύ των τιµών Από την ανάλυση ευαισθησίας προκύπτει ότι η πιο ευαίσθητη παράµετρος, από την οποία επηρεάζεται η απόδοση της διάταξης, είναι το µήκος των πλακών L. Για το λόγο αυτό, κατά την κατασκευή 14

16 µιας τέτοιας διάταξης, η τιµή του υπολογισµένου µήκους πρέπει να εφαρµόζεται µε ακρίβεια. Η βασική παράµετρος των δύο µοντέλων είναι η D co, σύµφωνα µε την οποία ο σχεδιασµός των διαχωριστών παραλλήλων πλακών αντιστοιχεί στο σχεδιασµό ενός «κόσκινου», το οποίο διαχωρίζει όλα τα σταγονίδια ελαίου διαµέτρου µεγαλύτερης της D co. Βέβαια, η τιµή που τελικά θα επιλεγεί, βάσει της οποίας θα προκύψουν τα αποτελέσµατα του σχεδιασµού της εγκατάστασης διαχωρισµού, αποτελεί πολύ δύσκολη απόφαση. Αυτό συµβαίνει γιατί κάθε είδος αποβλήτου πρέπει να αντιµετωπιστεί ως ειδική περίπτωση, δεδοµένου του διαφορετικού µεγέθους που µπορεί να έχουν τα σταγονίδια ελαίου τα οποία περιέχει. Συγκεκριµένα : αν η επιλεχθείσα τιµή της D co είναι πολύ µικρότερη από τη διάµετρο που έχει το µεγαλύτερο ποσοστό των σταγονιδίων, τότε η εγκατάσταση που θα προκύψει από τα µοντέλα θα είναι αυξηµένου κόστους, αφού θα είναι σχεδιασµένη για δυσµενέστερη περίπτωση από αυτή για την οποία προορίζεται. αν, αντίθετα, η επιλεχθείσα τιµή της D co είναι µεγαλύτερη από τη διάµετρο των πιο µεγάλων σταγονιδίων ελαίου, τότε η εγκατάσταση που θα προκύψει από τα µοντέλα δε θα διαχωρίζει καθόλου τις σταγόνες ελαίου και το απόβλητο θα βγαίνει αυτούσιο στην έξοδο. Εποµένως, προκειµένου να επιτευχθεί ο επιθυµητός διαχωρισµός πρέπει η D co να επιλεγεί κατάλληλα ώστε, αφενός να έχει τιµή αρκετά µικρότερη από τη µέση διάµετρο των σταγονιδίων και αφετέρου να µην ξεφεύγει από το κάτω όριο των διαµέτρων τους. Για τη σωστή επιλογή της παραµέτρου D co είναι απαραίτητη η γνώση της κατανοµής των διαµέτρων των σταγονιδίων ελαίου στο απόβλητο. ηλαδή, αν για ένα απόβλητο µε γνωστή συνάρτηση κατανοµής, η επιθυµητή απόδοση είναι π.χ. 90%, τότε η διάµετρος D co που αντιστοιχεί στη συγκεκριµένη απόδοση, υπολογίζεται µε την παρακάτω µεθοδολογία : Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 13, το εµβαδόν κάτω από την καµπύλη εκφράζει το σύνολο των σταγόνων ελαίου που περιέχονται στο απόβλητο. Αν ο σχεδιασµός µιας εγκατάστασης διαχωρισµού παραλλήλων πλακών έχει βασιστεί σε µια διάµετρο D co, τότε το εµβαδόν κάτω από την καµπύλη κατανοµής και δεξιά από τη διάµετρο αυτή, αντιστοιχεί στα 15

17 σωµατίδια που τελικά διαχωρίζονται. Η απόδοση του συστήµατος εκφράζεται από το λόγο του παραπάνω εµβαδού προς το συνολικό εµβαδόν κάτω από την καµπύλη, οπότε για απόδοση 90 % πρέπει να επιλεγεί µια D co τέτοια ώστε ο λόγος των εµβαδών να είναι 0,9. Έτσι, η σωστή επιλογής της τιµής της D co προϋποθέτει την γνώση της κατανοµής του βάρους των σταγονιδίων ελαίου συναρτήσει της διαµέτρου των. Στο σχήµα 13 παρουσιάζεται µία τυπική κατανοµή διασποράς σταγονιδίων ελαίου σε απόβλητα ενώ στο σχήµα 14 παρουσιάζεται η αθροιστική ποσοστιαία αναλογία του σχήµατος 13 που αντιστοιχεί στην ποσοστιαία περιεκτικότητα του αποβλήτου σε λάδι για D D co 0,5 0,4 Ποσοστό σταγονιδίων 0,3 0,2 0, D (διάµετρος) [µm] Σχήµα 13: Συνάρτηση κατανοµής διαµέτρων σταγονιδίων ελαίου στο απόβλητο 16

18 100 % σταγονιδίων µε διάµετρο µικρότερη από D D (διάµετρος) [µm] Σχήµα 14 : Σχέση διαµέτρου D co - απόδοσης διεργασίας (η) 4. Παραδείγµατα εφαρµογής Παράδειγµα 1 ον Ελέγξτε αν ικανοποιούνται όλοι οι όροι σχεδιασµού µιας δεξαµενής διαχωρισµού ελαίων µε διαστάσεις: πλάτος 3,048 m, βάθος 1,2192m και µήκος ίσο µε 15,24 m µε µέγιστη τροφοδοσία αποβλήτου 2385 m 3 /ηµέρα. Επίσης έχουµε ειδικό βάρος λαδιού 0,92, θερµοκρασία 60 F και µέγεθος σταγονιδίων 0,015 cm. Λύση: 1) Από το νόµο του Stokes υπολογίζουµε την οριακή ταχύτητα των σταγονιδίων. 2 g (0,92 1) (0,015) us = (R D 1) Dco us = = 0,0868cm/sec 18 v (18) (1,13 0,01) u o = Q A 3 m sec m = 0,0868 cm/sec 864 = 75 2 cm day m day 2) Επιφανειακή φόρτιση λειτουργίας: 3 2,385m /day 3 2 = 61m /m day (3,048 m) (15,24 m) 17

19 Εποµένως ο συντελεστής ασφαλείας είναι 75/61=1,23 ή 23%. 3) Η ταχύτητα του αποβλήτου µέσα στο διαχωριστήρα είναι: 3 2,385 m /day 3 2 Vo = = 763,7m /m day = 0,8839cm/sec (3,048m) (1,21912m) kai 15 V 0 = (15) (0,0868) = 1,3cm/sec > 0,08836cm/sec. Εποµένως είναι ικανοποιητική η ταχύτητα του αποβλήτου. 4) Βάθος / Πλάτος = 1,2192/3,048 = 0,4 ικανοποιητικό. Παράδειγµα 2 ον Ένα απόβλητο παροχής Q = 0.03 m 3 /s και θερµοκρασίας Τ = 25 o C περιέχει 250 mg/l έλαια των οποίων η πυκνότητα είναι ρ p = 900 kg/m 3 ενώ η κατανοµή σε σχέση µε τη διάµετρό τους δίδεται στο παρακάτω πίνακα: ιάµετρος, µm συγκέντρωση, mg/l 0 0,31 0,62 1,36 2,72 8,4 16,8 22, ,02 ιάµετρος, µm συγκέντρωση, mg/l 22 18,1 13,4 11,1 8,67 6,2 4,95 3,72 2,2 1,24 0 Εφαρµόζεται η µέθοδος των παραλλήλων πλακών για την αποµάκρυνση του 68,7 % των ελαίων. ιατίθενται πλάκες µε πλάτος W = 1m. Αν επιθυµούµε ο αριθµός Reynolds να είναι Re=1500, η κλίση των πλακών να είναι θ = 45 ο και η απόσταση µεταξύ τους d = 5 cm τότε να υπολογιστεί ο απαραίτητος αριθµός πλακών καθώς και το µήκος της κάθε πλάκας L. Λύση 1. Υπολογίζεται η πυκνότητα ρ c και το ιξώδες µ του αποβλήτου: ρ c = exp[ (1.8 T +32)] = kg/m3 µ=0.001 exp( /(t ) (T ) (T ) 2 ) = kg/m s 2. Υπολογίζεται η οριακή διάµετρος D co διαχωρισµού των σταγονιδίων ώστε να επιτευχθεί η αποµάκρυνση του 68.7% των ελαίων κατασκευάζοντας τον παρακάτω πίνακα 18

20 ιάµετρος σταγονιδίων,d Κατανοµή σταγονιδίων Αθροιστική κατανοµή Επί τοις % αποµάκρυνσ η µm mg/l Σ(Β) 1-Σ(Β) % Α Β Γ 0 0,0 0,0 100,0 25 0,3 0,3 99,9 50 0,6 0,9 99,6 75 1,4 2,3 99, ,7 5,0 98, ,4 13,4 94, ,8 30,3 87, ,5 52,8 78, ,5 78,3 68, ,0 106,3 57, ,0 133,3 46, ,0 158,3 36, ,0 180,4 27, ,1 198,5 20, ,4 211,9 15, ,1 223,0 10, ,7 231,7 7, ,2 237,9 4, ,0 242,8 2, ,7 246,5 1, ,2 248,8 0, ,2 250,0 0, ,0 250,0 0,0 Εποµένως D co = 200 µm 3. Υπολογίζεται ο απαραίτητος αριθµός m των πλακών 2 Q ρ c + Re W µ m = = Re W µ 4. Υπολογίζεται ο χρόνος παραµονής t r του αποβλήτου στις παράλληλες πλάκες 18 µ d g cosθ D t r = 2 ( ρ c - ρ p ) CO = 43.8 sec 5. Υπολογίζεται το µήκος εκάστης πλάκας L: t r Q L = (m -1) d W = 0.63 m ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 19

21 Alkhatib, A. E. and Thiem, T. L., Wastewater oil removal evaluated, Hydrocarbon Processing, August 1991, pp Capps, W. R., Matelli, N. G., and Bradford, L. M., Reduce oil and grease content in wastewater, Hydrocarbon Processing, June 1993, pp Ford, L. D. and Elton, L. R., Removal of oil and grease from industrial wastewaters, Chemical Engineering Deskbook Issue, October 17, 1977, pp Forsell, B. and Hendstrom, B. Lamella sedimentation : A compact separation technique, Journal WPCF, Vol. 47, No 4, April 1975, pp Humenick, J. M. Water and Wastewater Treatment: Calculations for Chemical and Physical Processes., Marcel Dekker, Inc, New York Loftus, D., Peters, C., Black, E. R. and Johnson, L. R., Partnership programs can solve environmental waste problems, Hydrocarbon Processing, July 1993, pp Miranda, G. J., Designing parallel-plates separators, Chem Eng, 1977, No3, January 31, Vol. 84. Rowley, E. M., and Davies A. G. The design of plate separators for the separation of oil-water dispersions, Chem Eng Res Des, Vol. 66, July 1988, pp Sprow, B. F., Distribution of drop sizes produced in turbulent liquid-liquid dispersion, Chem Eng Sci, 1967, Vol. 22, pp Wang, L. Y., and Longwell, A. P., Laminar flow in the inlet section of parallel plates, A.I.Ch.E. Journal, Vol. 10, No 3, May 1964, pp Zeevalkink, A. J., and Brunsmann, J. J., Oil removal from water in parallel plate gravity-typeseparators, Water Res., Vol. 17, No 4, 1983, pp