Умягчение воды на промышленных - Edu.dvgups.ru

Российская Федерация
Министерство транспорта
ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный
университет путей сообщения МПС России»
Кафедра «Гидравлика и водоснабжение»
Г. П. Чайковский
УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ НА
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Учебное пособие
Хабаровск
Издательство ДВГУПС
2005
Министерство транспорта российской федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный
университет путей сообщения»
Кафедра «Гидравлика и водоснабжение»
Г.П. Чайковский
УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ
Рекомендовано
редакционно-издательским советом ДВГУПС
в качестве учебного пособия
Хабаровск
Издательство ДВГУПС
2005
УДК 628.164 (075.8)
ББК Н761.104.4я73
Ч 154
Рецензенты:
Кафедра «Гидравлика, водоснабжение и водоотведение»
Хабаровского государственного технического университета
(заведующий кафедрой доктор технических наук,
профессор М.Н. Шевцов)
Главный научный сотрудник Института водных
и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН
доктор геолого-минералогических наук, профессор
К.П. Караванов
Чайковский Г.П.
Ч 154 Умягчение воды на промышленных предприятиях: Учеб. пособие /
Г.П. Чайковский. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. – 127 с.: ил.
Учебное пособие соответствует государственному образовательному
стандарту высшего профессионального образования направления подготовки дипломированных специалистов 270100 «Строительство» специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение» по дисциплине
«Водоснабжение промышленных предприятий».
Пособие отражает современные сведения в области удаления из воды веществ, обуславливающих ее жесткость. Приведены теоретические
сведения о процессах умягчения воды реагентами и с помощью ионного
обмена. Даны примеры расчета и проектирования установок водоподготовки.
Предназначено для студентов всех форм обучения специальности
270112 «Водоснабжение и водоотведение», изучающих дисциплину «Водоснабжение промышленных предприятий» и выполняющих курсовой и
дипломный проекты. Пособие полезно также для слушателей Института
повышения квалификации при изучении соответствующего курса.
УДК 628.164 (075.8)
ББК Н761.104.4я73
 ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет
путей сообщения» (ДВГУПС), 2005
2
ВВЕДЕНИЕ
Химический состав природной воды, перед ее использованием в
промышленности, приходится зачастую корректировать. Развитие промышленности и внедрение новых технологий производства самых различных видов продукции зачастую требуют воду высокого качества.
Распространенным методом коррекции является устранение из воды
солей кальция и магния (умягчение) и удаление бикарбонатов (устранение щелочности или декарбонизация). Технологические решения этих
процессов изучаются в курсе «Водоснабжение промышленных предприятий», читаемого для студентов специальности «Водоснабжение и водоотведение». Раздел, посвященный этим проблемам, в программе курса занимает значительную долю.
Однако в существующей учебной литературе не достаточно сведений, необходимых для самостоятельного изучения этого раздела и для
выполнения курсового и дипломного проекта.
В настоящем пособие приведены достаточно полные теоретические
сведения о технологии процессов умягчения и декарбонизации воды.
Даны характеристики оборудования, выпускаемого в настоящее время,
промышленностью России и которое рекомендуется к применению в
курсовом и дипломном проектировании.
Изучение программного материала по данному курсу предполагает
знание студентом основ таких дисциплин, как гидравлика, химия воды,
водоснабжение (раздел «Очистка природных вод»).
При выполнении проектов для более глубокого изучения раздела,
рекомендуется знакомство с нормативной, учебной и технической литературой приведенной в библиографическом списке.
Для оценки усвоения курса в конце каждой главы даны вопросы для
самопроверки.
1. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И НЕОБХОДИМОСТЬ ЕЕ СНИЖЕНИЯ НА
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Жесткость Ж воды обуславливается наличием в ней катионов кальция Ca2+ и магния Mg2+. Численно общая жесткость определяется суммарным содержанием этих катионов выраженного в ммоль/дм3 (в теплоэнергетике чаще в ммоль/кг):
Ca 2 + Mg 2 +
+
,
Жо =
20 ,04 12 ,16
(1)
3
где Ca2+ и Mg2+ - массы соответствующих веществ, растворенных в единице объема, мг/дм3; 20,04 и 12,16 - молярные массы эквивалента ионов
кальция и магния соответственно, мг/ммоль.
Числовое значение определяемой в системе СИ молярной концентрации вещества в растворе, ммоль/дм3, равно числовому значению,
применяемому до сих пор в технической и нормативной литературе,
определению жесткости в мг-экв/дм3. Поэтому в пособии используются обе размерности, в зависимости от их применения в действующей нормативной литературе. В разных источниках используются также две равнозначных размерности одной и той же концентрации мг/дм3 или г/м3.
Главными причинами поступления кальция в воды являются процессы химического выветривания и растворения минералов, прежде всего
известняков, доломитов, гипса, кальцийсодержащих силикатов и других
осадочных и метаморфических пород. Растворение идет по реакции
CaCO3 + CO2 + H2O D Са(HCO3)2 DCa2+ + 2HCO3-
(2)
Растворению способствуют микробиологические процессы разложения органических веществ, сопровождающиеся понижением рН.
Большие количества кальция выносятся со сточными водами силикатной, металлургической, стекольной, химической промышленности и
со стоками сельскохозяйственных угодий, особенно при использовании
кальцийсодержащих минеральных удобрений.
Ионная форма (Ca2+) характерна только для маломинерализованных
природных вод. Известны довольно устойчивые комплексные соединения кальция с органическими веществами, содержащимися в воде. В некоторых маломинерализованных окрашенных водах до 90-100% ионов
кальция могут быть связаны гумусовыми кислотами.
В поверхностные воды магний поступает в основном за счет процессов химического выветривания и растворения доломитов, мергелей и
других минералов. Значительные количества магния могут поступать в
водные объекты со сточными водами металлургических, силикатных,
текстильных и других предприятий.
К основным катионам, определяющим свойства природной воды, относятся также катионы натрия и калия. Они не придают воде жесткости.
На свойства жесткости воды существенно влияет содержание в ней
анионов. К основным анионам природного состава воды относятся гидрокарбонаты HCO3- и анионы сильных кислот - хлориды Cl-, сульфаты
SO42-.
Жесткость подразделяется на карбонатную, обусловленную концентрацией гидрокарбонатов (и карбонатов при рН ≥ 8,3) кальция и магния,
4
и некарбонатную – обусловленную соединениями кальция и магния с
анионами сильных кислот.
По отношению между общей жесткостью воды и концентрацией в ней
ионов HCO3- природные воды можно разбить на две группы, показанные
на гипотетических диаграммах приведенных на рис. 1.1. На них на двух
параллельных шкалах в масштабе откладываются концентрации катионов и анионов, выраженные в г-экв/м3. На диаграммах слева направо
отложены катионы в порядке возрастания основных свойств, а анионы –
в порядке возрастания кислотных свойств.
Рис. 1.1. Диаграммы составов природных вод: 1 – первая группа; 2 –
вторая группа (щелочные воды)
На диаграмме 1 можно различить виды жесткости воды: кальциевую
ЖCa и магниевую ЖMg; карбонатную Жк и некарбонатную Жнк.
В водах первой группы общая жесткость больше концентрации ионов
гидрокарбонатов: Ж о ≥ C
−.
HCO3
Здесь существует зависимость
Жо = Жк + Жнк = ЖCa + ЖMg
(3)
В водах второй группы, которые называются щелочными, в них присутствует только карбонатная жесткость, поскольку Ж о < C
− . Здесь
HCO3
Жо = Жк; Жнк = 0.
Известно, что вода электронейтральна, поэтому для природных вод,
в которых концентрации других примесей ничтожны, должно соблюдается соотношение
ΣК=ΣА
(4)
где ΣК, ΣА – суммы катионов и анионов в воде в массах эквивалентов
вещества, моль/м3 или г-экв/м3.
5
Соотношение (4) служит для проверки правильности анализа воды.
Поскольку при кипячении воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты, выпадающие в осадок (см. формулы 6), карбонатную жесткость называют временной или устранимой. Остающаяся после кипячения жесткость называется постоянной.
В процессе устранения жесткости воды на промышленных предприятиях зачастую нормируется и концентрация ее щелочности.
Под щелочностью природных или очищенных вод понимают способность некоторых их компонентов связывать эквивалентное количество
сильных кислот. Щелочность обусловлена наличием в воде анионов
слабых кислот (карбонатов, гидрокарбонатов, силикатов, боратов, сульфитов, гидросульфитов, сульфидов, гидросульфидов, анионов гуминовых кислот, фосфатов). Их сумма называется общей щелочностью Що.
Для большинства природных вод общая щелочность воды обычно
определяется только анионами угольной кислоты (карбонатная щелочность), pH этих вод не превышает 8,3. Щелочность в этих случаях определяется только гидрокарбонатами кальция и магния, то есть Що = Жк.
Анионы угольной кислоты, гидролизуясь, образуют гидроксид-ионы:
CO32- + H2O D HCO3- + OH-;
HCO3- + H2O D H2CO3 + OH-.
(5-а)
(5-б)
Сведения о составе воды необходимы для правильного выборы технологии ее обработки, для определения доз реагентов добавляемых в
воду при ее очистке.
Большинство поверхностных вод в России, в том числе и на Дальнем
Востоке, относятся ко второй группе. Для них действительны соотношения: Ж0 = Жк и Що = Жк.
В табл. 1.1 приведено качество воды в некоторых источниках водоснабжения.
Анализ данных табл. 1.1 показывает, что жесткость воды во всех
описанных источниках ниже нормируемой для питьевых вод, равной 7,0
ммоль/дм3. По степени жесткости питьевую воду делят на очень мягкую
(0–1,5 ммоль/дм3), мягкую (1,5–3 ммоль/дм3), средней жесткости (3–6
ммоль/дм3), жесткую (6–9 ммоль/дм3) и очень жесткую (более 9
ммоль/дм3). Наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жесткостью
1,6–3,0 ммоль/дм3, а, согласно СанПиН 2.1.4.1116–02, физиологически
полноценная вода должна содержать солей жесткости на уровне 1,5–7
ммоль/дм3. Однако при жесткости воды выше 4,5 ммоль/дм3 происходит
интенсивное накопление осадка в системе водоснабжения и в санитарно-технических устройствах, нарушается работа бытовых приборов.
Большая часть вод Дальнего Востока относятся к очень мягким, однако для очень многих производственных процессов требуется вода со
6
значительно с меньшими концентрациями кальция и магния, чем в природных источниках.
Процесс устранения жесткости воды называется умягчением. Необходимость умягчения воды чаще всего возникает в теплоэнергетике и
вызывается опасностью отложений на поверхностях теплообменников,
парогенераторов, водонагревателей и другого оборудования в котором
движется нагреваемая вода. Эти отложения называются накипью.
Таблица 1.1
Качество воды в источниках водоснабжения
Показатели качества воды
Источник
Мутность, мг/дм3
Цветность, град
Солесодержание,
г/ дм3
Ca2+ , мг/дм3
Mg2+, мг/дм3
Na+, мг/дм3
K+ , мг/дм3
HCO3- , мг/дм3
SO42-, мг/дм3
Cl-,
мг/дм3
NO3 , мг/дм3
HSiO3- , мг/дм3
Fe общ , мг/дм3
Мn общ , мг/дм3
рН
Свободная
двуокись
углерода
СО2, мг/дм3
1
45
50
92
9,5
4,8
7,0
3,0
52
12,3
3,9
1,2
12
1,2
0,09
6,9
6
Содержание в источниках водоснабжения
Поверхностные воды
Подземные
воды
2
3
4
5
6
7
8
6,8
2,5
28
9,8
41,6 0
0
60
20
31
25
0
0
84
52
135
60
345 110
442
8,6
2,7
7,5
4,0
46
8,6
5,7
0,22
4,1
0,45
6,6
10,9
1,1
31
5,2
3,3
0,21
5,4
0,08
0
6,9
12
5
11,0
4,0
70
22
6,5
1,2
0,43
6,9
10
1,5
36
8
3,5
0,1
0,1
0
6,6
60
9,7
19,1
3,8
158
57,4
35
9
-
7,5
15
156
0,6
16,4
0,82
5,8
71,4
29,6
26,5
11,0
293
99,5
27
16
1
-
Примечание. Номера источников водоснабжения в таблице: Поверхностные воды: 1 - р. Амур у г. Хабаровска; 2 - р. Амур у г. Николаевска; 3 - р. Бира у г. Биробиджана ; 4 - р. Раздольная у г. Уссурийска; 5 - водохранилище на р. Петровка у г.
Большой Камень; 6 - р. Волга у г. Волгограда. Подземные воды: 7 - Тунгусское месторождение у п. Приамурского ЕАО; 8 - Московское месторождение в Московской
области.
В первую очередь при нагреве воды распадаются бикарбонаты кальция и магния с образованием менее растворимых карбонатов кальция и
магния. Карбонат магния подвергается гидролизу с образованием еще
менее растворимой гидроокиси магния:
Ca( HCO3 )2 → CaCO3 + CO2 + H 2O
7
Mg( HCO3 )2 → MgCO3 + CO2 + H 2O
MgCO3 + 2 H 2O → Mg( OH )2 + H 2CO3
(6)
При более высокой температуре и большой степени упаривания воды
образуется сульфатная, силикатная и другие виды накипи, для избежания этих процессов производится обессоливание воды.
В данном пособии рассматриваются только способы избежания накипи путем умягчения воды. Из уравнений (6) видна целесообразность
одновременного снижения щелочности воды, так как при снижении щелочности устраняется и карбонатная жесткость, являющаяся причиной
отложений при относительно низких температурах в теплообменниках.
Снижение щелочности необходимо также в питательной воде парогенераторов, так как при распаде бикарбонатов выделяется двуокись углерода, что обуславливает повышение кислотности воды и резкое возрастание ее коррозийной активности. Одновременно в котле усиливается
пенообразование, ухудшающее процессы теплообмена. Кроме того, с
паром захватываются частицы жидкости с растворенными солями, которые, попадая в пароперегреватель, образуют на его внутренней поверхности отложения. Двуокись углерода удаляют непрерывной продувкой
парогенераторов, снижение щелочности позволяет уменьшить размер
продувки и, тем самым, потери воды и тепла.
В табл. 1.2 приведены нормы жесткости воды, используемой для некоторых промышленных целей.
Таблица 1.2
Нормы предельной жесткости в воде
Цель водопотребления
Предельная кон- Примечания
центрация жесткости, г-экв/м3
Питание паровых котлов с 0,02
Для всех топдавлением до 2,4 МПа
лив, кроме нефтяных
Вода систем теплоснабжения 0,375
Норма для карпри температуре сетевой воды
бонатной жестко0
до 200 С
сти
То же с давлением более 2,4
до 4 МПа
Заполнение
охлаждающей
системы тепловоза
Приготовление
электролита
аккумуляторов
8
0,003-0,005
0,2
0,1
3
1 м на секцию
тепловоза
Охлаждение оборудования
Приготовление
чной продукции
Вода питьевая
ликеро-водо-
2-7
Продолжение таблицы 1.2
При температурах до 400 С
1,0
По СанПиН
2.1.4.1074-01
7,0
Жесткость воды также ограничивается на предприятиях производства пластмасс, синтетических волокон. Она затрудняет отмывку деталей
и стирку белья. Наиболее строго контролируется содержание жесткости
в питательной воде теплоэнергетических установок.
Пример 1. Анализ состава воды
Для воды р. Амура у г. Хабаровска, качество которой приведено в
табл. 1.1, проверить правильность анализов воды, определить солесодержание, щелочность, жесткость общую, карбонатную и некарбонатную.
Находим сумму основных катионов:
Ca 2 + Mg 2 + Na + K +
9 ,5
4 ,8
7
3
ΣK =
+
+
+
=
+
+
+
= 1,25
20 ,04 12 ,16
23 39 ,1 20 ,04 12 ,16 23 39 ,01
г-экв/м3.
Сумма основных анионов:
HCO3− SO42 − Cl −
52
12 ,3 3 ,9
ΣА =
+
+
=
+
+
= 1,22 г-экв/м3.
61,02
48
35 ,5 61,02 48 35 ,5
В знаменателях вышеприведенных формул даны массы эквивалентов соответствующих ионов. Проверка равенства (4) дает погрешность
2,45%, что вполне допустимо.
Общее солесодержание воды Р, г/м3, равно сумме массовых концентраций анионов и катионов
[
][
][ ] [ ][
][
][ ]
Р = Ca 2+ + Mg 2+ + Na + + K + + HCO3− ) + SO42− + Cl − =
= 9,5 + 4,8 + 7 + 3 + 52 + 12,3 + 3,9 = 92,5 г/м3.
Общее солесодержание воды Р в эквивалентных массах, г-экв/м3,
равно,
9
Р = ∑ К + ∑ А = 1,25 + 1,22 = 2,47 г-экв/м3.
Щелочность определяется:
[HCO ] =
Щ=
−
3
61,02
52
= 0 ,85 г-экв/м3.
61,02
Из формулы (1) определяется общая жесткость
Жо =
9 ,5
4 ,8
+
= 0,87 г-экв/м3.
20 ,04 12 ,16
Ж о ≥ C HCO − , следовательно Ж к = Щ = 0,85 г-экв/м3;
3
Ж нк = Ж о − Ж к = 0,87 – 0,85 = 0,02 г-экв/м3.
Анализ показывает, что практически вся жесткость в воде Амура является карбонатной.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие вещества растворенные в воде придают воде жесткость?
2. Какие формы жесткости Вы знаете?
3. Почему карбонатная жесткость называется временной?
4. Как проверить правильность анализа состава воды?
5. С какой целью устраняют жесткость воды?
2. РЕАГЕНТНЫЕ МЕТОДЫ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
Реагентные методы устранения жесткости воды основаны на переводе растворимых соединений кальция и магния в трудно растворимые
CaCO3 , Mg (OH ) 2 , Ca3 ( PO4 ) 2 , Mg 3 ( PO4 ) 2 .
С этой целью используются такие реагенты, как известь Ca( OH )2 ,
сода Na2CO3 , едкий натр NaOH , тринатрийфосфат Na3 PO4 .
Образующиеся в процессе химических реакций взвешенные частицы
удаляются из воды осаждением и фильтрованием. Реагентные методы
не позволяют получить глубоко умягченную воду. Поэтому на промышленных предприятиях с повышенными требованиями к качеству воды
обычно применяют сложные схемы, в которых на первом этапе обработки воды производят осаждение и фильтрование (предочистка), а оконча10
тельное умягчение осуществляют методом ионного объема (химводоочистка).
Для повышения эффекта умягчения воду обычно подогревают до
температуры 30–40 0С.
2.1. Устранение карбонатной жесткости воды известкованием
(декарбонизация)
При известковании воды протекают следующие процессы. Прежде
всего, связывается свободная двуокись углерода с образованием трудно растворимого углекислого кальция:
CO2 + Ca( OH )2 → CaCO3 + H 2O .
(2.1)
При дальнейшем дозировании извести происходит переход бикарбонатов в карбонаты, с устранением карбонатной щелочи:
OH − + HCO3− D CO3− + H 2O .
(2.2)
Карбонаты образуют с находящимися в воде ионами кальция выпадающий в осадок карбонат кальция:
CO32 − + Ca 2 + → CaCO3
(2.3)
Ионы магния, взаимодействуя с гидроксильными ионами, образуют
осадок в виде трудно растворимого гидрата окиси магния:
Mg 2 + + 2OH − → Mg( OH )2 .
(2.4)
После устранения карбонатной жесткости дальнейший ввод извести
приводит к реакциям удаления магниевой некарбонатной жесткости:
MgSO4 + Ca( OH )2 → Mg( OH )2 + CaSO4 ;
MgCl2 + Ca( OH )2 → Mg( OH )2 + CaCl2 .
(2.5)
Удаление магниевой некарбонатной жесткости известкованием производить нецелесообразно, так как, хотя магний и осаждается в виде
Mg( OH )2 , при этом образуется эквивалентное количество кальциевой
жесткости ( CaSO4 ,CaCl2 и др.).
Благоприятной для применения известкования является исходная
вода с щелочностью более 2 г-экв/м3. Зачастую для поверхностных вод
11
применяется известкование с коагуляцией. В процессе известкования с
коагуляцией происходит умягчение и осветление воды, снижение концентрации цветности, железа и кремния.
Известкование непригодно для обработки вод, обладающих высокой
избыточной щелочностью, то есть при Щ 0 ≥ Ж0 и разности
( Щ 0 − Ж 0 ) равной концентрации бикарбонатов натрия и калия. При
известковании таких вод бикарбонат натрия переходит в соду или едкий
натр и, следовательно, избыточная щелочность не снижается.
При декарбонизации остаточная карбонатная жесткость умягченной
воды может быть получена равной 0,4–0,8 г-экв/м3 [1], а общая остаточная жесткость, г-экв/м3, в этом случае будет равной
Ж о .ост. = Ж нк + ( 0 ,4 − 0 ,8 ) .
(2.6)
Щелочность воды в этом процессе может быть снижена до 0,8–1,2 гэкв/м3.
2.2. Известково-содовое умягчение воды
При обработке вод с большой некарбонатной жесткостью в отдельных случаях целесообразно применять реагентную обработку не только
для снижения щелочности, но и для более глубокого умягчения воды,
чем при известковании. Это достигается дополнительным вводом соды
кальцинированной Na2CO3 .
При этом, после протекания реакций (2.1 – 2.5), кальций переводится
в осадок содой:
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2 SO4 ;
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + NaCl .
(2.6)
При температуре обрабатываемой воды около 40 0С остаточная жесткость при известково-содовом умягчении составляет около 2 г-экв/м3,
щелочность до 0,8–1,2 г-экв/м3.
2.3. Расчетные дозы реагентов
Дозы извести Д и , мг/дм3, для декарбонизации воды, в расчете на
СаО, определяют по формулам [1]:
- при соотношении между концентрацией в воде кальция и карбонатной жесткостью Ca
12
2+
20 ,04 > Ж к :
Д и = 28 [( CO2 ) / 22 + Ж к + Д к / ек + 0 ,3 ] ;
- при соотношении Ca
2+
(2.7)
20 ,04 < Ж к :
Д и = 28[( CO2 ) / 22 + 2 Ж к − ( Ca 2 + ) 20 ,04 + Д к / ек + 0 ,5 ] , (2.8)
2+
где CO2 и Ca
- соответственно концентрации в воде свободной двуокиси углерода и кальция, мг/дм3; Д к - доза коагулянта (в расчете на
безводный продукт), мг/дм3); ек - молярные массы эквивалента активного вещества коагулянта, мг/ммоль (для FeCl3 - 54, для FeSO4 - 76); 0,3
и 0,5 – избытки доз в реакциях, мг/дм3 .
Дозы, мг/дм3, извести Д и и соды, Д с , в расчете на Na2CO3 , при известково-содовом умягчении воды определяются по следующим формулам:
Д и = 28[( CO2 ) / 22 + Ж к + ( Mg 2 + ) / 12 + Д к / ек + 0 ,5 ] ,
Д с = 53 ( Ж нк + Д к / ек + 1) ,
(2.9)
(2.10)
2+
где Mg
- содержание в воде магния, мг/дм3; Ж нк - некарбонатная жесткость воды, мг-экв/дм3.
Для осаждения взвеси дозы коагулянта в расчете на безводные продукты FeCl3 и FeSO4 принимают равными 25-35 мг/дм3 и уточняют в
процессе эксплуатации водоумягчительной установки.
Для повышения эффективности осаждения взвеси при коагулировании рекомендуется применение флокулянтов.
Концентрацию осадка С, мг/дм3, образующегося при реагентном
умягчении воды находят по формулам:
- при дозе извести, определенной по формуле (2.7)
HCO3−
CO2
С = Сисх + 50
+ 100
+ а Ди ;
22
61
(2.11)
- при дозе извести, определенной по формуле (2.8)
13
HCO3−
HCO3− Ca 2 +
CO2
С = Сисх + 50
+ 100
+ 29(
−
) + а Д и , (2.12)
22
61
61
20
где Сисх – мутность исходной воды; а - коэффициент, учитывающий долю
примесей в извести.
а=
100 − И
,
100
где И – содержание СаО в техническом продукте, %.
Пример 2. Выбор метода реагентного умягчения воды и определение доз реагентов.
Исходные данные: исходная вода имеет состав, приведенный в примере 1. Определить дозы реагентов и остаточную жесткость при реагентном умягчении.
Вода имеет следующие показатели качества: мутность Сисх - 45
мг/дм3; цветность- 50 градусов; НСО3-=52 мг/дм3; Щ к =0,85 мг-экв/дм3;
Ж о = 0,87 мг-экв/дм3; Ж нк = 0,02 ммоль/дм3, содержание ионов кальция
Са2+ - 9,5 мг/дм3; концентрация свободной двуокиси углерода СО2 - 6
мг/дм3. Известь поставляется на предприятие с долей нерастворимых
примесей a = 0,1.
В данном примере Ж к = Щ к = 0,85 ммоль/дм3. Поскольку вода имеет практически только карбонатную жесткость, выбирается известковое
умягчение воды. При подогреве воды до температуры 40 0С возможно
снижение карбонатной жесткости до величины 0,4 мг-экв/дм3 (приложение 7 [1]). Остаточная общая жесткость в этом случае, будет больше остаточной карбонатной на величину некарбонатной, то есть, равна 0,42
мг-экв/дм3.
Ca 2 +
9 ,5
= 0,47 мг-экв/дм3, то есть кальциевая жесткость
=
20 ,04 20 ,04
меньше Ж к и для определения дозы извести следует применить фор-
мулу (2.8).
Для осаждения взвеси в качестве коагулянта принят железный купорос FeSO4 с дозой 25 мг/дм3.
Доза извести по формуле (2.8) равна
Д и = 28[( CO2 ) / 22 + 2 Ж к − ( Ca 2 + ) 20 ,04 + Д к / ек + 0 ,5 ] =
14
=28 · (6/22 + 2 · 0,85 – 9,5/20,04 + 25/76 +0,5) = 0,273+ 1,7 – 0,474 +
0,33 + 0,5 = 2,3 мг/дм3.
Концентрация осадка С, мг/дм3, образующегося при реагентном
умягчении находится по формуле (2.12)
HCO3−
HCO3− Ca 2 +
CO2
С = Сисх + 50
+ 100
+ 29(
−
) + а Ди =
22
61
61
20
= 45 + 50 . (6/22) + 100 . (52/61) + 29 . (52/61 – 9,5/20) + 0,1. 2,3 =191,6
мг/дм3.
2.4. Технологические схемы и аппараты установок реагентного
умягчения воды
Химические реакции описанные в разделах 2.1 и 2.2 и отделение от
воды образующегося осадка производятся на двух ступенях сооружений.
В качестве первой ступени наибольшее распространение получили осветлители со взвешенным осадком, где производится обработка воды
химическими реагентами и грубое ее осветление. На второй ступени устанавливаются осветлительные напорные фильтры (рис. 2.1). При необходимости получения воды с более малой жесткостью, после сооружений реагентного умягчения производится ее фильтрование через катионитные фильтры.
На установку умягчения, схема которой приведена на рис. 2.1 поступает вода предварительно подогретая до температуры 40 0С. Схема
умягчения воды известкованием с коагуляцией отличается от схемы
очистки хозяйственно-питьевых вод коагуляцией, несмотря на то, что в
обеих схемах применяются осветлители и фильтры. Из-за чувствительности осветлителей к колебаниям расхода воды в схемах умягчения
предусматривается включение промежуточных баков.
2.4.1. Осветлители со взвешенным осадком
Наибольшее применение в схемах умягчения воды реагентными методами нашли осветлители конструкции Е.Ф. Кургаева (ЦНИИ МПС) и
В.М. Квятковского (ВТИ), обеспечивающие удаление взвешенных частиц
до концентрации не более 10 мг/дм3. Установки также оборудуются системами автоматизации для поддержания постоянной температуры обрабатываемой воды. Заметные колебания температуры воды приводят к
возникновению конвективных токов в осветлителе и ухудшению качества очистки воды.
15
Рис. 2.1. Принципиальная технологическая схема реагентного умягчения воды: 1 насос; 2 – подогреватель исходной воды; 3 – осветлитель; 4 – промежуточный
бак; 5 – напорный осветлительный фильтр; 6 – отвод осветленной воды; 7 – раствор коагулянта; 8 – известковое молоко; 9 – раствор флокулянта
На рис. 2.2 приведена схема сечения осветлителя ВТИ, на рис. 2.3
его схема в плане.
Осветлитель выполняется из металла и состоит из ряда камер по которым вода последовательно проходит в процессе своей обработки. В
начале исходная вода поступает в воздухоотделитель 4, где освобождается от пузырьков воздуха, мешающих осаждению взвеси. Далее по опускному трубопроводу 7 она попадает в нижнюю коническую часть (смеситель). Патрубок ввода воды в смеситель располагается тангенциально, в результате чего создается вращательной движение воды. В начало, по ходу движения воды, подаются известковое молоко 13 и раствор
коагулянта 12, в верхнюю часть смесителя – раствор флокулянта 11.
Площадь смесителя по высоте увеличивается. Переменная скорость и
вращательное движения воды способствуют интенсивному перемешиванию ее с реагентами и полному протеканию химических реакций. Высокая скорость движения воды в нижней части конуса смесителя препятствует осаждению и накапливанию осадка.
Далее поток воды проходит через перфорированные вертикальные и
горизонтальные перегородки 9, предназначенные для стабилизации направления движения.
16
Рис . 2.2. Схема осветлителя со взвешенным осадком ВТИ: 1 – отвод осветленной воды; 2 – отвод воды из шламоуплотнителя; 3 – желоба сбора очищенной
воды; 4 – воздухоотделитель; 5 – распределительная система в воздухоотделителе; 6 – осадкоотводящие трубы; 7 – отвод воды из воздухоотделителя в
осветлитель; 8 – зона взвешенного осадка; 9 – вертикальные перегородки; 10 исходная вода; 11, 12, 13 – подача флокулянта, коагулянта и извести соответственно; 14 – сброс осадка; 15 – продувка осветлителя; 16 – отвод осадка; 17 –
ввод воды в осветлитель
17
Рис. 2.3. Схема осветлителя со взвешенным осадком ВТИ в плане: левая
часть на уровне водосборных желобов; правая – на уровне осадкоприемных отверстий; подрисуночные надписи см. на рис. 2.2
При выходе из перегородок, сечение осветлителя уменьшается, скорость воды падает и образуется слой взвешенного осадка. При этом,
каждая частица взвеси хаотически перемещается, весь же слой в целом
находится в фиксированном взвешенном состоянии.
При нулевой скорости вся взвесь осаждается на дно аппарата, при
возрастании скорости до критической происходит расплывание взвешенного слоя и вынос частиц потоком воды.
Поток обрабатываемой воды движется снизу – вверх через слой
взвешенного осадка 8. Контакт воды и реагентов с частицами твердой
фазы способствует полноте и скорости химических реакций (контактная
коагуляция).
18
Мелкодисперсные частицы взвеси, образующиеся в результате химических реакций и коагуляции, прилипают к ранее образовавшимся
частицам находящимся в слое. Интенсивность очистки воды зависит,
главным образом от высоты и концентрации слоя осадка.
Работы профессора Е.Ф. Кургаева и других исследователей показывают, что концентрация взвеси в слое взвешенного в осветлителе осадка обратно пропорциональна скорости восходящего потока воды.
С=
K ,
Va
где С – средняя концентрация взвешенных веществ в слое осадка, г/м3;
К – коэффициент расширяемости взвеси, зависящий от размера хлопьев
и их удельной массы; V – скорость восходящего потока воды, м/ч; а - показатель степени. Очевидно, что чем больше концентрация хлопьев в
слое взвешенного осадка, тем более вероятен захват ими микрохлопьев
из поступающей в осветлитель воды, тем большей будет задерживающая способность взвешенного слоя, но тем меньше будет производительность осветлителя.
В процессе эксплуатации технологи поддерживают установленные
опытами оптимальные значения этих параметров. Поток обрабатываемой воды несет новые массы взвеси, поэтому имеется необходимость
постоянного удаления ее избытка из слоя осадка.
Удаление избытка взвеси производится через осадкоотводящие трубы 6 с осадкоприемными отверстиями отводящими осадок в шламоуплотнитель, расположенным в центре осветлителя, под воздухоотделителем. Здесь происходит накопление и уплотнение осадка. Уплотненный
осадок с небольшим количеством воды сбрасывается по трубопроводу
16 на сооружения обработки осадка или на полигон отходов.
Из слоя взвешенного осадка поток воды движется вверх через зону
осветления. Поскольку часть жидкости отводится в шламоуплотнитель,
скорость воды в зоне осветления падает. Это способствует осаждению
взвеси в осветлителе. В верхней части зоны осветления располагаются
водосборные желоба 3 с круглыми затопленными отверстиями. Из желобов осветленная воды поступает в сборный карман и отводится по
трубопроводу 1 в сборный бак.
С помощью кольцевого дырчатого трубопровода и трубопровода 2
отводится в сборный карман осветленная вода из шламоуплотнителя.
Отбор этой воды регулируется задвижкой, величиной отбора регулируется работа осветлителя.
В инженерной практике России применяется несколько типов осветлителей. Описанный тип осветлителя обеспечивает высокую степень
воздухоотделения, эффективное смешение обрабатываемой воды с
19
реагентами, хорошую равномерность распределения потока воды по сечению сооружения.
В нормах [1] даются сведения для определения основных размеров
осветлителей.
Площадь зоны осветления определяют по формуле
Fз .о . =
K р .в .q
Vосв
,
(2.13)
где K р .в . - коэффициент распределения воды между зоной осветления и
шламоуплотнителем, для осветлителей типа ВТИ равный 0,7 – 0,8; q –
расчетный расход воды поступающей на осветлители, м3/ч; Vосв - скорость восходящего потока в зоне осветления, для осветлителей с известкованием и коагуляцией равная 4,2 – 4,5 м/ч (см таблицу 2.1).
Площадь, в плане, зоны сбора воды в шламоуплотнителе равна
Fз .ш . =
( 1 − K р .в . )q
Vосв .
,
(2.14)
Площадь воздухоотделителя определяется по формуле
Fв .о . =
q
,
Vв .о .
(2.15)
где Vв.о – скорость движения нисходящего потока воды, принимаемая не
более 18 м/ч.
Поскольку в описываемой конструкции шламоуплотнители находятся
под воздухоотделителями, суммарная площадь осветлителей принимается большей из определений в выражениях 2.16 , 2.17.
Fосв = Fз .о . + Fз .ш . ,
Fосв = Fз .о . + Fв .о . ,
(2.16)
(2.17)
Диаметр одного осветлителя принимают обычно в пределах от 4 до
12 м, соответственно площадь от 12 до 115 м2, производительность осветлителей в этих случаях будет равна соответственно от 60 до 1000
м3/ч. При числе осветлителей менее 6 следует предусматривать один
резервный.
Число рабочих осветлителей принимают равным
20
N=
Fосв
,
f
(2.18)
где f – площадь одного осветлителя.
Высота осветлителей ВТИ складывается из следующих составляющих. Высота слоя взвешенного осадка равна 2,5 – 4,0 м, высота зоны
осветления – 2 – 2,5 м, высота воздухоотделителя 2,7 – 3,0 м. Угол конусности нижней части осветлителя обычно равен 60 – 700. Общая высота осветлителя определяется геометрическим построением.
Число осадкоотводящих труб принимают равным от 4 до 8. Расчетную скорость движения жидкости в осадкоотводящих трубах принимают
в пределах 40 – 60 мм/с (144 – 216 м/ч).
Сбор осветленной воды производится кольцевым лотком, при диаметре осветлителя до 6,0 м дополнительно предусматривают 4 радиальных лотка, при диаметре до 10,0 м – 8 радиальных лотков.
В таблице 2.1 приведены основные характеристики части типовых
осветлителей ВТИ.
Таблица 2.1
Основные характеристики типовых осветлителей ВТИ
Показатели
Обозначение,
размерность
Производительность
q, м3/ч
Объем общий
W, м3
Объем смесителя
Wсм, м3
Объем воздухоотделителя
Wв.о., м3
Площадь сечения осветлителя Fосв, м2
Площадь сечения воздухоот- Fв.о, м2
делителя
Площадь сечения зоны освет- Fз.о. , м2
ления
Высота зоны взвешенного hвзв.ос , м
осадка (до осадкоприемных
окон)
Высота зоны осветления (до hз.о. ,м
кромки желоба)
Скорость воды в воздухоотде- Vв.о. , м/ч
лителе
Скорость в зоне взвешенного Vвзв.ос. , м/ч
осадка
Скорость в зоне осветления
Vз.о., м/ч
Осветлители ВТИ
63
76
100
133
8,5
13
24
4,9
11,4
160
236
31,3
2,8
2,9
3,5
1,9
1,9
1,95
21
5,65
5,4
5,21
4,3
21
Концентрация взвешенных веществ в воде после осветлителей
обычно не превышает 10 мг/дм3. Последующее более полное осветление воды производится в фильтрах.
Пример 3. Расчет осветлителя со взвешенным осадком
Исходные данные: исходная вода имеет состав, приведенный в примере 1. Дозы реагентов и остаточная жесткость при реагентном умягчении определены в примере 2. Полная производительность осветлителей
– 100 м3/ч
Площадь зоны осветления осветлителей определена по формуле
2.13
Fз .о . =
K р .в .q
Vосв
=
0 ,7 ⋅ 100
= 15,6 м2
4 ,5
Площадь зоны сбора воды в шламоуплотнителе определена по
формуле 2.14
Fз .ш . =
( 1 − K р .в . )q
Vосв .
=
( 1 − 0 ,7 ) ⋅ 100
= 6, 7м2.
4 ,5
Площадь воздухоотделителя определена по формуле (2.15)
Fв .о . =
q
100
=
= 5,6 м2.
Vв .о . 18
Поскольку площадь воздухоотделителя получена меньшей площади
сбора воды в шламоуплотнителе, принимаем
Fв .о . = Fз .ш . = 6,7 м2.
Суммарная площадь осветлителей равна
Fосв = Fз .о . + Fв .о . ,= 15,6 + 6,7 = 22,3 м2.
Принимаем к установке 2 рабочих осветлителя общей площадью каждого f = 22,3/2 = 11,2 м2, площадью воздухоотделителя 3,4 м2. Дополнительно устанавливается резервный осветлитель, общее число их на
станции будет равно трем. Расход воды одного осветлителя равен половине общего расхода обрабатываемой воды, то есть qосв = 50 м3/ч.
Общий диаметр каждого осветлителя равен
22
D=
4f
4 ⋅ 11,2
=
= 3,8
π
3 ,14
м.
Площадь
части одного
равна
f в .о . =
м2.
центральной
осветлителя
Fв .о . 6 ,7
=
= 3 ,35
N
2
При этой площади диаметр d его центральной части
(воздухоотделителя)
равен
2,0 м.
Размеры осветлителей по
высоте приняты по рекомендациям, изложенным в начале раздела. Высота слоя
взвешенного осадка принята
равной 2,5 м, высота зоны Рис. 2.4. Расчетные размеры осветлителя ВТИ
осветления – 2 м, высота (к примеру 3): 1 – зона стабилизации потока; 2
воздухоотделителя 2,7 м, – зона взвешенного осадка; 3 – зона осветлеугол конусности нижней части ния; 4 – воздухоотделитель; 5 - шламоуплотосветлителя равным 600. нитель
Общая высота осветлителя определяется геометрическим построением
и равна 5400 мм. Остальные размеры конструктивны. Габаритные размеры осветлителя по данным расчета приведены на рис. 2.4.
Для отвода осадка принимается 4 осадкоотводящих трубы. Суммарная площадь сечения труб определяется
Fтруб =
( 1 − K р .в . )q
Vтруб .
=
( 1 − 0 ,7 ) ⋅ 100
= 0,167 м2,
180
площадь одной трубы в этом случае равна: fтруб = 0,167/ 4 = 0,04175 м2.
Этой площади соответствует диаметр трубы равный 250 мм.
При площади осадкоуплотнителя равной 3,35 м2 и высоте – 2,0 м, его
объем Wо.у. составляет 7 м3.
Количество уплотненного осадка Wос накапливаемого в одном осветлителе за один час равно
23
Wос =
qосв С
,
δ
(2.19)
где qосв = 50 м3/ч, определено выше; С - концентрация взвешенных веществ в воде очищаемой в осветлителе, определена в примере 2 и равна 191,6 мг/дм3; δ - средняя концентрация твердой фазы в уплотненном
осадке, равная 40000 г/м3.
В результате определения Wос = 0,24 м3/ч. Фактическое время уплотнения осадка составляет
tо . у . =
Wо . у .
Wос
=
7
= 29 ч.
0 ,24
Расчетное время уплотнения осадка обеспечено [1, п. 6.65]. Осадок направляется на сооружения для его обезвоживания. Полезная производительность одного осветлителя уменьшается на расход осадка и составляет qосв.пол. = qосв - Wос = 50 – 0,24 = 49,76 м3/ч, а всей станции 49,76
х 2, то есть 99,5 м3/ч.
2.4.2. Осветлительные фильтры
После осветлителей со взвешенным осадком вода содержит примеси
в виде примесей различной степени дисперсности – от невидимых глазом частиц до мелких хлопьев – остатков процесса коагуляции и известкования. Для окончательного осветления воды служат зернистые
фильтры, которые в промышленном водоснабжении наиболее часто называются осветлительными, поскольку в них происходит окончательное
удаление взвешенных веществ. Во многих литературных источниках эти
фильтры называют механическими.
В промышленном водоснабжении, особенно при умягчении воды,
расходы обрабатываемой воды относительно невелики. Поэтому здесь
преимущественно применяются осветлительные фильтры, изготавливаемые из металла, полной заводской готовности в напорном исполнении.
Осветлительные фильтры, применяемые для очистки воды, классифицируются:
- по расположению корпуса: вертикальные и горизонтальные;
- по числу камер фильтрования: одно-, двух- и трехкамерные;
- по количеству слоев фильтрующего материала: одно- и двухслойные.
На рис. 2.4 показаны схемы некоторых из осветлительных фильтров.
24
Рис. 2.4. Принципиальные схемы осветлительных (механических) фильтров: 1 безнапорный открытый; 2 - напорный вертикальный однокамерный однослой-
ный; 3 – двухпоточный; 4 – двухслойный; 5 – двухкамерный; 6 – горизонтальный однопоточный
Фильтры серийно выпускаются заводами и оборудуются верхними и
нижними распределительными системами (дренажами), системами воздушного взрыхления загрузки, системами гидроперегрузки фильтрующего материала, запорно-регулирующей арматурой. Все это позволяет
обеспечить быстрый монтаж оборудования, надежную работу и высокий
уровень эксплуатации фильтров.
Вертикальные фильтры позволяют обеспечить большую высоту
фильтрующего материала, горизонтальные требуют здания меньшей
высоты, двухслойные и двухпоточные фильтры предназначены для увеличения эффекта очистки воды, двухкамерные фильтры располагаются
на меньшей производственной площади, нежели однокамерные. Открытые фильтры применяют в схемах с самотечным движением воды по сооружениям, поэтому сооружения располагают с различными отметками
зеркала воды. В напорные фильтры вода подается насосами, поэтому
их можно располагать на произвольной отметке.
25
На рис. 2.5 приведена принципиальная схема напорного вертикального однокамерного однослойного осветлительного фильтра, а на рис.
2.6 общий вид фильтров, установленных на станции водоподготовки.
Такого рода фильтры имеют преимущественное применение в промышленном водоснабжении.
Рис. 2.5. Схема обвязки однокамерного осветлительного
фильтра: а) вид сбоку; б) план; 1 – подвод обрабатываемой
воды; 2 – выход очищенной воды; 3 – подвод промывной
воды; 4 – сброс промывной воды; 5 – опорожнение фильтра;
6 - подвод воздуха на взрыхление; 7 – воздушник; 8, 9 –
трубки отбора проб воды и давления до и после фильтра;
10 – сточный лоток; 11 - люки
26
Рис. 2.5. Фильтры осветлительные установки водоподготовки
В таблице 2.2 приведены характеристики некоторых наиболее распространенных фильтров.
Таблица 2.2
Характеристики осветлительных фильтров
ДиаПло- Высота Слой
метр D, щадь
H, мм
заТип оборудоШифр
м
фильтгрузвания
роваки, м
2
ния, м
Фильтры вер- ФОВ 1,0-0,6-1
1,0
0,8
2675
1,0
тикальные,
ФОВ 1,4-0,6-2
1,5
1,78
2435
1,0
однокамерО-2
2,0
3,14
3620
1,0
ные
О-2,6
2,6
5,3
4000
1,0
О-3
3,0
7,1
4370
1,0
О-3,4
3,4
9,1
4530
1,0
Нагрузочная
масса,
т
0,7
1,0
15
28
37
50
27
Фильтры го- ОГ-5,5
ризонтальные, однока- ОГ-10
мерные
Фильтр вер- О-3-3,4
тикальный,
трехкамерный
Продолжение таблицы 2.2
L=5,5 м 1,0
63
3,0
15
3,0
30
L=10 м
1,0
118
3,4
27,3
6925
0,9х3
102
Осветлительные фильтры в установках умягчения загружаются зернистыми материалами, аналогичными применяемым в фильтрах подготовки воды для питьевого водоснабжения: антрацит, гранодиорит, песок
кварцевый, магнетит, мрамор и т.п.
Фильтрующий материал из антрацитов производится ПКФ «Синтез»
(Ростовская область) и имеет фирменное название «PUROLATстандарт”. Достоинством антрацита является его низкая абразивность,
что позволяет применять его в фильтрах без поддерживающих слоев и
без опасности повреждения дренажа. Кроме того, антрацит практически
не обогащает воду кремнием, поэтому преимущественно применяется в
фильтрах водоподготовительных установок в теплоэнергетике, где на
заключительных этапах очистки из воды удаляется кремний.
В Дальневосточном федеральном округе в фильтрах преимущественное применение имеет дробленный гранодиорит, выпускаемый ЗАО
«ВОДЭКО» (г. Хабаровск). Гранодиорит имеет развитую поверхность и
высокую сорбционную емкость, что позволяет обеспечить высокий эффект очистки воды в напорных фильтрах при ограниченной высоте загрузки. При применении гранодиорита и других загрузок из горных пород, поверх дренажа укладывают поддерживающий слой из антрацита,
гранодиорита или щебня диаметром зерен 2 – 5 мм и высотой 200 – 300
мм.
Наиболее употребительный размер зерен загрузки в фильтрах составляет 0,8 – 2,0 мм с коэффициентом неоднородности
d 80
= 1,8 ÷ 2,0,
d10
где d80, d10 – размер ячейки сита, через которое проходит 80 и 10% зерен
по весу.
Конструктивно осветлительный фильтр представляет собой цилиндрический сосуд, работающий под давлением 0.6 МПа.
Важнейшими элементами конструкции осветлительного фильтра являются дренажно-распределительные устройства, состоящее из трубча28
той системы и предназначенные для равномерной подачи и сбора воды
и сжатого воздуха по всей площади фильтра.
Варианты расположения системы труб в дренаже показаны на рис.
2.6.
Рис. 2.6. Трубчатая система дренажно-распределительного
устройства напорного фильтра: А, Б – варианты расположения
труб в дренаже; 1 – отвод очищенной и подвод промывной воды; 2 – коллекторы; 3 – распределительные трубы
Конструкции дренажей разнообразны. Для равномерного распределения воды в распределительных трубах выполняются отверстия, щели
с размером одной щели около 0,4 ± 0,1 мм. Наиболее эффективный
дренаж - с применением специальных фильтрующих элементов (щелевых колпачков). Фильтрующие элементы в этих дренажах навинчиваются на патрубки приваренные к распределительным трубам. Расположение элементов и схемы их показаны на рис. 2.7-2.8.
Рис. 2.7. Установка фильтрующих элементов на ответвлении дренажа
В колпачках типа ФЭЛ фильтроблок располагается в верхней части,
29
поэтому при взрыхлении фильтра поток воды с песком не повреждает
соседние колпачки.
В таблице 2.3 приведены основные параметры фильтрующих элементов – щелевых колпачков.
Таблица 2.3
Щелевые колпачки для дренажей фильтров водоочистки
Живое
Потери
Обозначение
Ширина
Диаметр, Высота,
щели, мм сечение, давления,
мм
мм
2
мм
МПа
ФЭЛ-0,2-3-1-Н 0,2±0,05
780
0,019
68
32
ФЭЛ-0,2-7,5-1- 0,2±0,05
1800
0,009
100
40
Н
ФЭЛ-0,4-4-1-Н 0,4±0,05
1100
0,15
68
32
2700
0,006
100
40
ФЭЛ-0,4-11-10,4±0,05
Н
Условное обозначение колпачков включает: название (ФЭЛ – фильтрующий элемент); ширину щели; производительность, м3/ч, при скорости
воды в щелях 0,9 м/с; тип исполнения; материал (Н – нержавеющая
сталь).
3)
4)
2)
Рис. 2.8. Фильтрующие элементы (колпачки) дренажей фильтров: 1 – титановый сетчатый типа ФЭЛ; 2 – бронзовый; 3 – пластмассовый типа ВТИ; 4 - пластмассовый повышенной прочности
Нижнее дренажно-распределительные устройство испытывает большие нагрузки, создаваемые потоком воды и слоем фильтрующей загрузки. Поэтому это дренажное устройство расположено на слое кислотостойкого бетона, заливаемом на нижнее днище фильтра.
30
Верхняя распределительная система обычно состоит из системы
труб с равномерно распределенными по их длине отверстиями диаметром 10 – 15 мм.
В фильтре, как правило, имеется два люка служащих для наблюдения за состоянием фильтрующего материала, для его загрузки и выгрузки, для монтажа и ремонта внутренних устройств.
Для отбора проб исходной воды и фильтрата на анализ предусмотрены пробоотборные линии с кранами, на которых одновременно располагаются манометры для контроля перепада давления в фильтре. Для
отвода воздуха из фильтра к верхней его точке присоединен трубопровод воздушник. Пробоотборники при эксплуатации фильтра постоянно
открыты. Сброс воды из пробоотборников и воздушника производится в
сосуд прикрепленный к стенке фильтра и оттуда в техническую канализацию.
Фильтр оборудован трубопроводами для подвода и отвода обрабатываемой воды, подачи и отвода промывной воды, опорожнения и подачи сжатого воздуха
В процессе фильтрования фильтрующая загрузка загрязняется, как
следствие этого, возрастает гидравлическое сопротивление фильтра и
снижается скорость фильтрования. Перепад давления в чистом фильтре
составляет около 0,01 МПа, при достижении перепада величины 0,1 –
0,12 МПа фильтр отключается на промывку. Продолжительность работы
фильтра между промывками зависит от загрязненности поступающей на
него вода, при хорошей работе осветлителя она составляет 18 – 24 часа.
Промывка производится потоком воды и воздуха снизу – вверх. Интенсивность подачи воды и воздуха зависит от рода фильтрующего материала и принимается в соответствии с указаниями норм [1].
Необходимая площадь фильтрования F для осветления расхода воды Q, м3/ч, определяется по формуле
F=
24Q
,
V ( 24 − nt )
(2.20)
где V – скорость фильтрования рекомендуемая в пределах 5 – 10 м/ч; n
– количество промывок фильтра в течение суток (не более трех); t –
время простоя фильтра при промывке, обычно 0,5 ч.
Межпромывочный период работы фильтра равен
h Гр 10 3
To =
,
VCo
(2.21)
31
где h – высота слоя фильтрующего материала; Co – концентрация взвешенных веществ в фильтруемой воде, мг/дм3; Гр – грязеемкость фильтрующего материала, кг/м3.
Количество промывок фильтра, 1/сут, равно
n=
24
To + t
(2.22)
Количество устанавливаемых фильтров m равно
m=
F
+r,
f
(2.23)
где f – площадь одного фильтра по паспорту завода-изготовителя, м2; r –
число резервных фильтров, устанавливаемых для замены выводимых в
ремонт. Обычно устанавливается один резервный фильтр.
Количество воды q, м3, идущей на одну промывку одного фильтра,
находится по формуле
q=
f iτ пр 60
1000
,
(2.24)
где i – интенсивность промывки, л/(с. м2); τпр– время промывки, мин. Оба
параметра зависят от рода фильтрующего материала.
Пример 4. Подбор фильтров.
Исходные данные: Фильтры установлены после осветлителей, разработанных в примере 3. Расход воды Q, подаваемой от осветлителей,
составляет 99,5 м3/ч. Концентрация взвешенных веществ в ней Со составляет 10 мг/дм3. Выбраны к применению однокамерные осветлительные фильтры с антрацитовой загрузкой высотой фильтрующего
слоя h равной 1,0 м и диаметром зерен антрацита 0,8 – 2,0 мм. Справочная грязеемкость Гр таких фильтров составляет 2 кг/м3, интенсивность промывки I =12 л/с.м2; время промывки τпр = 15 мин.
Принимаем расчетную скорость фильтрования V= 7 м/ч. Из формулы
(2.21) определяем межпромывочный период работы фильтра
0 ,9 ⋅ 2 ⋅ 10 3
To =
= 25 ч.
7 ⋅ 10
32
По формуле (2.22) количество промывок одного фильтра
n=
24
= 0,94. Принимаем n = 1 раз/сут.
25 + 0 ,5
Из формулы (2.20) требуемая суммарная площадь фильтров равна
F=
24 ⋅ 99 ,5
= 14,5 м2.
7( 24 − 1⋅ 0 ,5 )
К установке принимаем фильтры марки О-3 диаметром 3,0 м, площадью каждого f равной 7,1 м2, высотой корпуса 4370 м (см. табл. 2.2). Общее число устанавливаемых фильтров: три рабочих (N = 3) и один резервный. Суммарная площадь рабочих фильтров: Fраб = 7,1 . 3 = 21,3 м2.
Действительная скорость фильтрования
V раб =
Q
99 ,5
=
= 4,7 м/ч.
Fраб 21,3
При промывке одного фильтра два остальных будут работать с форсированном режиме со скоростью
Vфорс =
V раб N
N −1
=
4 ,7 ⋅ 3
= 7,0 м/ч.
3 −1
Найденная скорость не превышает пределов рекомендуемой. Фактическая производительность одного фильтра составляет 33,2 м3/ч. В дренаже требуется установить 10 щелевых колпачков ФЭЛ-0,4-4-1-Н (должно быть четное число для обеспечения симметрии их расположения).
Щели шириной 0,4 мм надежно удерживают от проваливания в дренаж
зерен антрацита с минимальным диаметром зерен 0,8 мм.
Количество воды идущей на одну промывку одного фильтра определено по формуле 2.24
q=
7 ,7 ⋅ 12 ⋅ 15 ⋅ 60
= 83,2 м3.
1000
Расход воды на собственные нужды (на промывку всех) фильтров
равен
33
Qпр = q n N = 83,2 . 1 . 3 = 249,6 м3/сут или 10,4 м3/ч.
Полезная производительность фильтров равна
Qпол = Q − Qпр = 99,5 – 10,4 = 89,1 м3/ч.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Назовите соединения в которые переводятся соли жесткости при
реагентном умягчении воды.
2. Какие технологические процессы проводят для удаления взвеси
при реагентном умягчении воды?
3. Напишите химические реакции при известковании воды, содержащей бикарбонаты.
4. Для устранения какого вида жесткости применяют кальцинированную соду?
5. Кратко опишите принцип работы осветлителя ВТИ.
6. Какие конструкции фильтров применяются для осветления воды
при ее умягчении?
7. Назовите основные элементы вертикального напорного фильтра.
8. Основные фильтрующие материалы фильтров.
3. УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ КАТИОНИТАМИ
3.1. Химические основы процесса
Для получения воды с жесткостью ниже 0,2 г-экв/м3 (моль/м3) применяют аппараты для ионного обмена. Обработка воды методом ионного
обмена основана на пропуске исходной воды или частично обработанной воды через фильтрующий слой ионообменного материала, практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами. Материалы, обладающие свойствами обменивать катионы, называются катионитами, а материалы, обладающие свойствами обменивать анионы, - анионитами.
Поскольку жесткость воды определяют катионы кальция и магния,
для умягчения используют катиониты.
Условно химическую формулу катионита можно представить в виде
KtR. Символом Kt – обозначены обменные катионы ионообменного материала, символом R – его нерастворимая матрица.
В различных процессах катионирования воды в качестве обменного
катиона используются Na+, Н+, NH4+, формы катионита соответственно
34
имеют названия: натрий-катионит, водород-катионит, аммоний катионит.
Химические формулы этих форм соответственно обозначают как NaR,
HR, NH4R. Наиболее распространены первые две формы катионита.
При пропуске обрабатываемой воды, содержащей катионы Са2+ и
Mg2+, через катионит протекают реакции обмена ионов Са2+ и Mg2+ на
ионы Na+ или Н+, содержащиеся в катионите; этот процесс называется
катионированием.
Катионирование можно иллюстрировать следующими химическими
реакциями умягчения воды.
При применении водород-катионирования (Н-катионирования):
2 HR + Ca( HCO3 )2 D CaR2 + 2CO2 + 2 H 2 O ;
2 HR + Mg( HCO3 )2 D MgR2 + 2CO2 + 2 H 2 O ;
2 HR + MgCl2 D MgR2 + 2 HСl ;
2 HR + CaSO4 D CaR2 + 2 H 2 SO4 ;
HR + NaCl D NaR + HСl .
(3.1)
(3.2)
(3.3)
(3.4)
(3.5)
В результате этих реакций катионы Са2+ , Mg2+ и Na+ поглощаются
катионитом, а взамен в очищаемую воду поступает водород Н+. В результате вода обогащается кислотами – угольной, соляной и серной. В
результате повышается кислотность воды и рН снижается до 3 – 4. В кислой среде угольная кислота распадается на воду и двуокись углерода
СО2, в дальнейшем удаляемую из воды на специальных дегазаторах.
Удаление угольной кислоты способствует снижению щелочности воды
НСО3-.
При применении натрий-катионирования (Na – катионирования), протекают следующие обменные реакции:
2 NaR + Ca( HCO3 )2 D CaR2 + 2NaHCO3 ;
2 NaR + Mg( HCO3 )2 D MgR2 + 2NaHCO3 ;
2 NaR + MgCl2 D MgR2 + 2 NaCl ;
2 NaR + CaSO4 D CaR2 + Na 2 SO4 ;
(3.6)
(3.7)
(3.8)
(3.9)
Общая щелочность в процессе Na – катионирования не изменяется,
происходит удаление только катионов жесткости Са2+, Mg2+ и обогащение воды ионами Na+.
В ряде случаев Na-катионирование комбинируют с другими методами обработки, что снижает щелочность Nа-катионированной воды до
35
нужной величины. С этой целью применяется параллельное, последовательное Н-Nа-катионирование или совместное Н-Nа-катионирование,
предварительное известкование обрабатываемой воды с последующим
Nа-катионированием, Nа-катионирование с последующим подкислением
и другие методы. Эти методы обработки воды рассматриваются ниже.
Процессы катионирования всегда осуществляются в динамических
условиях, то есть в процессе фильтрования воды, содержащей растворенные соли, через зернистый слой катионита. По мере фильтрования
все большая часть обменных ионов в катионите замещаются ионами
солей, поглощенных из воды, в результате обменная способность катионита снижается, происходит так называемое его истощение.
Возможность регенерации катионита, то есть перевода его в исходную ионную форму, обуславливается обратимостью реакций ионного
обмена. В рабочем процессе катионирования реакции 3.1 – 3.9 протекают слева направо, процесс регенерации отвечает протеканию этих же
реакций в обратном направлении.
Для получения катионита в активной форме необходимо организовать контакт истощенного катионита с растворами соответствующих веществ.
При этом, при применении для регенерации растворов содержащих
в высокой концентрации ионы натрия получим натриевую форму катионита, при применении растворов кислот – водородную форму.
Реакции регенерации в молекулярной форме могут быть записаны
так:
CaR2 + 2 NaCl D 2 NaR + CaCl 2
MgR2 + 2 NaCl D 2 NaR + MgCl2
CaR2 + 2 H 2 SO4 D 2 HR + CaSO4
MgR2 + 2 H 2 SO4 D 2 HR + MgSO4
(3.10)
(3.11)
(3.12)
(3.13)
Уравнения 3.10 – 3.11 описывают регенерацию Na-катионитного
фильтра, уравнения 3.12 - 3.13 - Н-катионитного.
Энергия вхождения различных катионов в катионит по величине их
динамической активности для одинаковых условий фильтрования воды
характеризуется следующим рядом: Na+ < NH4+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+ <
Fe3+. Чем больше валентность катиона, тем больше его энергия вхождения в катионит. Для катионов одинаковой валентности энергия вхождения в катионит зависит от их гидратации. Ионы, находящиеся в конце
приведенного выше ряда, вытесняют из катионита ионы стоящие впере36
ди их. Поэтому ионы кальция вытесняет из катионита ионы натрия, а ионы железа вытесняют все ионы приведенного выше ряда.
Скорость обмена катионов зависит от их диффузии к поверхности
раздела катионит – вода и определяется структурой катионита. При
компактной структуре катионита обмен происходит быстро и в основном
на наружных поверхностях. Но, при этом, не полностью используется
сорбционная емкость катионита. При пористой структуре катионита, когда размеры капиллярных каналов больше диаметра гидратированных
ионов, обмен происходит на внутренних поверхностях. Скорость обмена
в этом случае меньше, но обменная емкость катионита больше. Скорости реакций обмена ионов в катионитах и достижения полного равновесия весьма велики. По данным профессора В.А. Клячко в течение одной
минуты 90 – 98 % ионов Mg2+ и Ca2+ обмениваются на ионы водорода, а
равновесие в ионообменных реакциях достигается за 5 – 6 мин. Поэтому
скорости фильтрования в катионитных фильтрах значительно выше, чем
в осветлительных, и достигают 50 – 60 м/ч.
При повышении температуры воды интенсивность реакций обмена
возрастает, поэтому зачастую на катионитные фильтры подают подогретую воду. Но температура ее, как правило, не должна превышает
400 С для сохранности ионообменного материала.
Вода, поступающая на катионит, должна быть максимально очищена
от взвешенных и и коллоидных частиц. Должно быть так же исключено
загрязнение катионита маслами, масла и коллоидные частицы обволакивают гранулу катионита, что приводит к повышенному перепаду давления.
3.2. Основные характеристики катионитов
Катиониты - продукт химической промышленности. Но есть и некоторые природные материалы обладающие ионообменными свойствами.
Наиболее известными из них являются минералы цеолиты: клиноптилолит, шабазит; глауконит, алюмосиликаты натрия и другие. Вследствие
низких ионообменных показателей и малого срока службы природные
материалы применяются редко, чаще всего в сочетании с другими материалами в бытовых фильтрах очистки питьевой воды, а также фильтрах
в которых материал используется без регенерации и после использования выбрасывается. Катионообменными свойствами обладают также естественные органические вещества: гумусовые и бурые угли, торф.
Катиониты, выпускаемые промышленностью, классифицируются на
минеральные и органические.
Из минеральных наибольшее применение имеет сульфоуголь, получаемый путем обработки серной кислотой каменного коксующегося угля.
В технологии катионирования воды широко применяют органические ма37
териалы – ионообменные смолы, которые представляют собой специально синтезированные высокомолекулярные полимерные нерастворимые в воде соединения. Ионообменные смолы подразделяют на гетеропористые, макропористые и изопористые. Гетеропористые смолы
на дивинилбензоловой основе характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор. Макропористые имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера.
Изопористые имеют однородную структуру и полностью состоят из
смолы, поэтому их обменная способность выше, чем у предыдущих
смол. Катиониты – ионообменные смолы - нерастворимы в воде, растворах минеральных кислот, щелочей и в органических растворителях.
По своей химической природе все катиониты являются кислотами. В
своей структуре катиониты содержат функциональные химически активные группы, водород которых способен замещаться катионами содержащимися в воде.
В различных катионитах используют различные функциональные
активные группы: карбоксильную COOH, сульфогруппы SO3H и SO3Na,
фенольные гидроксилы ОН и другие.
В зависимости от состава функционально активных групп типы подразделяют катиониты на сильно -, средне - и слабокислотные.
Сильнокислотные катиониты – катиониты, содержащие сильнодиссоциирующие кислотные группы (сульфокислотные SO3H, фосфорнокислотные и др.) и способные к обмену катионов ионогенных групп на другие катионы в щелочной, кислой и нейтральных средах. В связи с широким рабочим диапазоном рН среда эти катиониты названы универсальными. Сильнокислотные катиониты мало изменяют обменную емкость с
понижением значения рН, их обменная емкость достаточно высока при
рН≥1,5. К сильнокислотных катионитов относятся катиониты КУ-1, КУ-2,
КУ-2-8 и другие.
Катиониты, содержащие только карбоксильную группу COOH, относятся к слабокислотным. В водородной форме они работают в щелочных средах. Это объясняется тем, что карбоксильные группы способны к
диссоциации при значения рН>7. Слабокислотные катиониты поэтому
практически способны к обмену катионов только при рН>7. Использование слабокислотного катионита для вод, у которых Ж > Щ, позволяет
умягчать воду лишь частично, так как при высоких значениях рН удаляется только карбонатная жесткость. Для более глубокого умягчения на
второй ступени обработки можно использовать традиционное умягчение
на сильнокислотном катионите. Достоинством такого рода катионитов
является их высокая обменная емкость, к ним относятся отечественные
катиониты КБ-1,КБ-4, зарубежные IRC-50, Вофатит С и другие.
Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью, выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в
38
течение фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в граммэквивалентах катионов задержанных 1 м3 катионита, находящегося в
набухшем (рабочем) состоянии, то есть в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтрате. Различают полную и рабочую обменную
емкость катионита. Полной обменной емкостью называют то количество
катионов, которое может задержать 1 м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда концентрация удаляемых катионов в фильтрате сравнивается с их концентрацией в исходной воде.
Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов, которое задерживает 1 м3 катионита до момента «проскока» в
фильтрат удаляемых из воды катионов концентрацией в воде выше
нормируемой.
Правильнее обменную емкость измерять в системе единиц СИ в
моль/м3, но заводы изготовители и действующие нормативные документы обычно указывают обменную емкость в устаревшей системе единиц
в г-экв/м3. Как уже говорилось выше, численное значение концентрации
в моль/м3 равно численному значению в г-экв/м3.
Полная обменная емкость является основной (паспортной), характеристикой катионита. Величина рабочей обменной емкости зависит от условий работы катионита в фильтре.
Важной характеристикой катионита является его осмотическая стабильность, показывающая процент восстановления обменной емкости
при регенерациях истощенного ионита. Осмотическая стабильность в
большой мере определяет срок службы катионита.
Качество катионита характеризуется и термической стойкостью, позволяющей фильтровать воду при высоких температурах, что важно при
подготовке воды в теплоэнергетике. Лучшие марки катионитов допускают ионный обмен при максимальной рабочей температуре до 1200 С.
Размер зерен катионитов составляет у разных марок от 0,4 до 1,6 мм.
Мелкозернистый катионит, обладая более развитой поверхностью,
имеет несколько большую обменную емкость, чем крупнозернистый.
Однако с уменьшением зерен катионита гидравлическое сопротивление
и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Оптимальные размеры зерен катионита, исходя из этих соображений, принимают в пределах 0,3 - 1,5 мм. Рекомендуется применять катиониты с коэффициентом неоднородности Кн равным не более 2.
По форме катиониты представляют сферические зерна от желтого до
коричневого цвета (КУ-2-8) или зерна неправильной формы черного
цвета (сульфоуголь, КУ-1).
В воде катиониты набухают, но не растворяются. Увеличение объема
катионита при замачивании характеризуется коэффициентом набухания,
который достигает величины 1,33. Набухание катионита учитывают при
загрузке сухого катионита в фильтры.
39
Катиониты являются пожаро- и взрывобезопасными продуктами, не
оказывают токсического воздействия на организм. Упаковывают катиониты массой по 20 – 25 кг в льно-джуто-кенафные мешки или в мешки из
специальной ткани с вкладышами из полиэтиленовой пленки. При крупных поставках упаковка катионитов производится в мягкие специализированные контейнеры типа МКР.
Катиониты хранят в упакованном виде в чистых и сухих складских
помещениях при температуре воздуха не ниже плюс 2 оС, на расстоянии
не менее 1 м от отопительных приборов, в местах не подвергающихся
попаданию прямых солнечных лучей. Замороженные катиониты перед
применением выдерживают в помещении при 10-20 оС в таре изготовителя в течение 2 - 4 суток.
Ниже в табл. 3.1 приведены технические характеристики наиболее
часто используемых марок катионитов.
Кроме приведенных в таблице отечественные и зарубежные производители выпускают множество марок катионитов, обладающих самыми
разнообразными свойствами. Например, в России выпускается катионит
КУ-23С — макропористый катионит бактерицидного действия (статическая обменная емкость 1,25 г÷экв/дм3, насыпная масса 830–930 г/дм3).
Выпускаются также катиониты с селективными свойствами для извлечения из сточных вод ценных компонентов.
Катиониты сульфоуголь, КУ-1 и КУ-2 применяются при водород- и
натрий-катионировании, так как имеют в своем составе не только карбоксильную, но и сульфогруппу.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие формы катионита применяются для умягчения воды? В чем
их разница?
2. Напишите химические реакции натрий- и водород-катионирования.
3. Какой вид катионирования возможно использовать для снижения
щелочности воды?
4. Назовите основные виды катионитов.
5. Назовите основные показатели качества катионитов.
40
Таблица 3.1
Технические характеристики катионитов
Марки катионитов
Показатели
Размер зерен, мм
Полная статическая обменная емкость Еполн, г-экв/м3
Рабочий диапазон
рН
Насыпная масса
товарного ионита,
кг/м3
Характер функциональных групп
Коэффициент набухания
Цена, руб/т (2004 г)
41
КУ- 1
КУ-2-8
(1 сорт)
Purolite
NRW-100
0,3-1,5
0,4-2,0
0,315 1,25 (0,4 –
1,25)
0,3-1,2
600
1350
1900
Сульфоуголь
1-14
Amberlite
Вофатит
С
КБ-4
0,4-1,25
0,3-1,5
0,315-1,6
1800
2000
1800
3500
1-14
0-14
0-14
780-790
390
550
600
SO3H,
COOH
COOH
650
320
750-800
SO3H,
COOH
SO3H,
COOH
SO3H,
COOH
1,25
1,4
1,33
23000
33000
IR 120 Na
1,33
Н,
СООН
4. НАТРИЙ-КАТИОНИРОВАНИЕ ВОДЫ
4.1. Основы процесса натрий-катионирования
Натрий-катионитное умягчение является одним из основных методов
подготовки питательной воды теплоэнергетических установок. Во избежание отложений на зернах катионита натрий-катионитный метод следует применять для умягчения подземных вод и вод поверхностных источников с мутностью не более 5 – 8 мг/дм3 и цветностью не более 300.
Содержание железа в воде должно быть не более 0,3 мг/ дм3. То есть
вода перед катионитными фильтрами должна пройти предочистку.
Умягчение воды натрий-катионированием производится путем ее
фильтрования через катионит в специальных фильтрах. В фильтрах
протекают реакции ионного обмена с поглощением ионов кальция и
магния, приведенные в формулах (3.6 – 3.9). Для диффузии солей жесткости к поверхности зерен катионита, для протекания реакции ионного
обмена и для диффузии продуктов обмена в поток обрабатываемой воды требуется определенное время контакта солей и катионита. Поскольку вода в фильтре движется, то для обеспечения этого времени должна
быть определенная толщина слоя катионита.
Толщина слоя катионита, при прохождении через которую жесткость
воды снижается от исходной до требуемой, называется высотой защитного слоя катионита. При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катионита истощаются и теряют обменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита и зона защитного слоя постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны:
первая - свежего, вторая - работающего и третья - истощенного катионита. Этот процесс отражен на рис. 3.1. Здесь иллюстрирован фильтроцикл натрий-катионитного фильтра при движении воды сверху – вниз.
Заметно снижение зоны защитного действия в сторону дренажа фильтра. При достижении ее нижней границы дренажа фильтра начинается
проскок Са+2 и Мg+2 в фильтрованную воду. При достижении третьей зоны дна фильтра весь катионит будет истощенным и процесс умягчения
воды прекращается.
Очевидно, что чем больше высота защитного слоя и общая высота
катионита в фильтре, тем дольше будет межрегенерационный период
работы фильтра.
Из рис 4.1В видно, что в защитном слое катионит используется не
полностью, поэтому эксплуатация фильтров с большой высотой защитного слоя не экономична.
Высота защитного слоя катионита Н защ зависит от диаметра зерен
катионита, скорости фильтрования и жесткости исходной воды.
42
Рис. 4.1. Изменения состояния натрий-катионитного фильтра по времени: А) – в начале фильтроцикла; Б) – в промежуточный момент фильтроцикла; В) – при поскоке жесткости в фильтрат; 1, 2, 3 – зоны свежего, работающего и истощенного катионита;4 – изменение жесткости воды по
ходу фильтрования через катионит; С0 и Сф – жесткости исходной и
фильтрованной воды; Нзащ – высота защитного слоя катионитного
фильтра
Определение Н защ возможно по формуле В.А. Клячко:
Н защ = 0 ,04 Vd 2 ln Ж 0 ,
(4.1)
где V – скорость фильтрования, м/ч; d – диаметр зерен катионита, мм;
Ж0 – жесткость исходной воды, г-экв/м3.
Например, при V=20 м/ч; d=1,0 мм; Ж0= 5 г-экв/м3 получим
Нзащ= 1,3 м. Очевидно, что высота катионита в фильтре должна быть
больше Нзащ, в противном случае во избежание проскока жесткости необходимо уменьшать скорость фильтрования или применять более измельченный катионит.
Для фильтров заводского изготовления, высота катионита в которых
ограничена техническими условиями и не превышает для фильтров
первой ступени 2,5 м, второй ступени - 1,5 м, скорости фильтрования рекомендуется нормами [1] в зависимости от жесткости воды в пределах
от 10 до 40 м/ч.
Работа катионитного фильтра характеризуется выходной кривой,
приведенной на рис. 4.2.
Линия ГД соответствует величине жесткости исходной воды Ж0. Кривая АБД показывает изменение жесткости фильтрованной воды Жф по
мере увеличения пропуска объема умягчаемой воды. При пропуске объема воды q2 (точка Б) жесткость фильтрата начинает повышаться и при
достижении точки Д достигает значения жесткости исходной воды. То
43
есть к этому моменту времени происходит полное истощение катионита.
Очевидно, что при достижении точки Б фильтр должен быть выключен
на регенерацию.
Рис. 4.2. График умягчения воды в катионитном фильтре
Площадь АБВГ, эквивалентная количеству катионов Са+2 и Мg+2, поглощенных катионитом за рабочий цикл, позволяет определить рабочую
емкость фильтра Араб, то есть всего объема катионита, загруженного в
фильтр :
А раб = ( Ж 0 − Ж ф ) q 2 .
(4.2)
Так как Жф гораздо меньше, чем Ж0, то ею можно пренебречь. Тогда
А раб = Ж 0 q2 . Если эту величину разделить на объем загруженного в
фильтр катионита в набухшем состоянии, равный W = f h , то получим
формулу для определения фактической рабочей обменной емкости катионита ЕрабNa:
Na
Е раб
=
Ж 0 q2
.
fh
(4.3)
Здесь f – площадь фильтра, м2; h – высота загрузки катионита, м.
Площадь АБДГ эквивалентна полной обменной емкости катионитного фильтра. Площадь БВД характеризует обменную емкость зоны защитного слоя, оставшуюся неиспользованной, ее называют остаточной. В реальных фильтрах вследствие неоднородности загрузки катионита реальный пропуск воды через фильтр равен q1 и несколько меньше
q2.
44
Продолжительность работы натрий-катионитного фильтра зависит от
жесткости воды, скорости фильтрования и объема катионита в фильтре
и его рабочей обменной емкости. При определенных этих данных, количество воды q2 , которое можно умягчить в фильтре за один фильтроцикл, определяется из формулы (4.3).
4.2. Схемы натрий-катионирования
Принципиальные схемы натрий-катионирования приведены на рис.
4.3.
Наиболее применяемой является параллельно-точное катионирование. Эта схема проста в эксплуатации и надежна. Одна ступень катионирования позволяет получить воду с остаточной жесткостью до 0,1 гэкв/м3.
Фильтры ионитные параллельно-точные с одной ступенью Naкатионирования используются на водоподготовительных установках
промышленных и отопительных котельных для обработки воды с относительно малой карбонатной жесткостью. Образование бикарбоната натрия в этом случае не требует чрезмерного увеличения продувки котлов.
При необходимости более глубокого умягчения воды применяют
двухступенчатые схемы, позволяющие снизить общую жесткость воды
до 0,01 г-экв/м3.
Противоточные схемы катионирования применяют для умягчения воды повышенной минерализации при обосновании [1]. Эти схемы конструктивно сложнее, но их использование позволяют снизить расход соли
на регенерацию.
4.3. Глубина умягчения воды
Глубина умягчения воды определяется жесткостью фильтрата, которая может быть определена по формуле профессора В.А. Клячко [2]:
Ж фNa = ϕ Na
1− α э
α 2э
P2 ,
(4.4)
где ϕ Na - константа обмена равная 0,00125 при обмене ионов Ca2+ и
Mg2+ на Na+; α Na - коэффициент эффективности регенерации определяемый по табл. 4.1; Р – общее солесодержание умягчаемой воды в гэкв/м3.
Поскольку α э зависит от расхода соли на регенерацию, то определена зависимость жесткости фильтрата от ее расхода приведенная на
рис. 4.4.
45
Рис. 4.3. Схемы натрий-катионирования воды: А) – одноступенчатая на
параллельно-точном фильтре; Б) - двухступенчатая на параллельноточных фильтрах; В) – противоточное одноступенчатое катионирование; Г)
– ступенчато-противоточное катионирование; 1 – исходная вода; 2 - умягченная вода; Р – движение регенерационного раствора
График обычно используется для выбора расхода соли по требуемой
жесткости умягчаемой воды.
Например, при содержании катионов в исходной воде 5 г-экв/м3 и
требуемой жесткости умягченной воды равной 0,25 г-экв/м3, расход соли
на регенерацию фильтра должен около составлять 150 г/г-экв задержанной жесткости. Для ионов Са2+ 1 г-экв равен 20 г. То есть, для задержания 20 г кальция необходимо истратить 150 г поваренной соли.
Очевидно, что процессы ионирования воды требуют очень больших расходов реагентов и имеют низкий коэффициент полезного действия. Широкое применение их объясняется возможностью глубокой очистки воды
при относительно несложной технологии.
На натрий-катионитных фильтрах первой ступени возможно достижение остаточной жесткости до величины 0,1 г-экв/м3, после второй ступени возможно снижение жесткости до 0,01 г-экв/м3.
Нормы [1] рекомендуют принимать удельные расходы соли на регенерацию фильтров первой ступени при одноступенчатой работе равные
150 – 200 г/г-экв, при двухступенчатой - 120 – 150 г/г-экв. Фильтры второй ступени должны обеспечить более низкую жесткость фильтрата, поэтому, как видно из графика на рис. 4.4, удельный расход соли должен
быть большим. По нормам удельный расход соли для регенерации
46
фильтров второй ступени должен составлять 300 – 400 г на 1 г-экв задержанной жесткости.
Рис. 4.4. Зависимость остаточной жесткости воды от расхода соли на регенерацию после одноступенчатого натрий-катионирования
4.4. Регенерация натрий-катионитных фильтров
При начале проскока солей жесткости в фильтрованную воду фильтр
выключают на регенерацию. Целью регенерации катионитного фильтра
является восстановление его обменной способности вытеснением поглощенных катионитом при умягчении воды ионов кальция и магния ионами солей в регенерационном растворе. При натрий-катионировании –
это ионы натрия в растворе хлорида натрия NaCl, более известного под
названием «соль поваренная».
При регенерации протекают химические реакции ионного обмена
(3.10 – 3.11). Полностью восстановить обменную емкость катионита невозможно. Полнота регенерации оценивается коэффициентом эффективности регенерации α Na , равным отношению обменной способности
47
катионита после регенерации (рабочей обменной способности) Е раб , к
его полной обменной способности Е полн :
α Na =
Е раб
Е полн
.
(4.5)
Полному восстановлению обменной способности катионита при регенерации соответствует α Na равный единице. В реальном процессе
приблизить его к единице возможно увеличением концентрации и расхода регенерационного раствора, продолжительности контакта раствора
с катионитом, повышением температуры до 35 – 40 0С. Раствор соли
желательно готовить на умягченной воде, применение раствора с высокой жесткостью не позволяет получить высокого эффекта регенерации.
В табл. 4.1 приведена зависимость коэффициента эффективности регенерации от расхода соли для натрий катионитных фильтров [1].
Таблица 4.1
Коэффициент эффективности регенерации Na-катионитных фильтров
Удельный расход поваренной
150
200
250
300
соли NaCl на регенерацию 100
катионита, г на г-экв рабочей
обменной емкости
0,62
0,74
0,81
0,86
0,9
α Na
Увеличение концентрации жесткости в регенерационном растворе
приводит к увеличению расхода хлорида натрия. Обычная концентрация
хлорида натрия в регенерационном растворе составляет 5 – 8 %. С целью экономии хлорида натрия и сохранения высокой эффективности регенерацию иногда проводят в два этапа. В этом случае на первом этапе
через фильтр пропускают 1,5 – 2 % раствор соли, на втором этапе 8 –
12 % -ный раствор. Для проведения такой регенерации готовят исходный раствор NaCl и на первом этапе регенерации подают разбавленный
в 4 – 5 раз раствор, а на последнем - исходный раствор. Пребывание регенерационного раствора должно быть обычно не менее 30 мин. Для
этого скорость фильтрования раствора через катионит следует принимать не более 3 – 4 м/ч.
При наличии на станции умягчения воды резервных фильтров, для
экономии расхода соли можно проводить регенерацию с выдерживани-
48
ем катионита в растворе длительное время. Выдерживание следует
проводить после сброса первых порций отработанного раствора.
Выбор расхода соли на регенерацию производят по графику на рис.
4.4 в зависимости от требуемой остаточной жесткости фильтрата.
Высокий эффект умягчения воды получают при применении противоточной регенерации (рис. 4.3Б и В). При работе фильтра с противоточной регенерацией, умягчаемая вода, как обычно, фильтруется сверху
вниз, регенерационный же раствор подают снизу вверх. В этом случае
полнее используется регенерирующее вещество и достигается глубокая
регенерация нижних слоев катионита, через которые вода проходит в
последнюю очередь. Эти нижние слои и определяют глубину умягчения
воды. Применение противоточной регенерации иногда позволяет проводить глубокое умягчение воды в одной фильтра, вместо двух. Недостатком такой регенерации является опасность взвешивания катионита и
выноса его из фильтра через верхнюю распределительную систему. Для
избежания этого применяют специальные натрий-катионитные противоточные фильтры марки ФИПр, предназначенные для глубокого умягчения исходной воды без применения фильтров второй ступени.
Работа катионитных фильтров циклична, в них происходит чередование рабочих режимов и регенерации. Сама регенерация протекает в три
этапа: взрыхление загрузки, пропуск регенерационного раствора, отмывка катионита. Схематично все эти режимы отображены на рис. 4.3. В
фильтре, приведенном на рис. 4.6, движение умягчаемой воды и регенерационного раствора происходит в одном направлении – сверху вниз,
поэтому такие типы фильтра называются параллельно-точными.
Взрыхление предназначено для устранения уплотнения катионита,
препятствующего свободному доступу регенерационного раствора к его
зернам.
Интенсивность ω подачи воды для взрыхления катионита принимается равной 4 л/с.м2 при крупности катионита 0,5 – 1,1 мм и 5 л/с.м2 при
крупности 0,8 – 1,2 мм. Продолжительность взрыхления должна быть не
менее 20 – 30 мин.
Отмывка катионита после регенерации от остатков хлорида натрия
производится, как правило, исходной водой до тех пор, пока содержание
хлоридов в фильтрате не станет примерно равным содержанию их в отмывочной воде. Отмывку катионита в фильтрах второй ступени надлежит предусматривать фильтратом первой ступени. Удельный расход отмывочной воды q уд принимают равным 5 – 6 м3 на 1 м3 катионита. Для
снижения расхода воды на собственные нужды установки умягчения воды отмывочную воду собирают и используют для взрыхления (см. рис.
4.7).
49
Рис. 4.5. Режимы работы катионитного фильтра: А) – рабочий режим; Б) – взрыхление; В) – пропуск регенерационного раствора; Г) – отмывка; 1 – исходная вода;
2 – умягченная вода; 3 – сброс в канализацию; 4 – раствор хлорида натрия; 5 –
отработанный регенерационный раствор; 6 – отвод отмывочной воды; 7 – вода
на взрыхление
4.5. Оборудование для натрий-катионитных установок
Фильтры – основной узел установок умягчения воды. Катионитные
фильтры выполняются напорными. Корпус его изготавливается сварным
из листовой стали, с эллиптическими штампованными верхним и нижним днищами.
Фильтр катионитный представляет собой вертикальный однокамерный цилиндрический аппарат, состоящий из корпуса, нижнего и верхнего
распределительных устройств, трубопроводов, запорной арматуры,
пробоотборников и фильтрующей загрузки. Фронтом наружных трубопроводов, запорно-регулирующей арматурой, контрольно-измерительными приборами фильтры комплектуются на заводах.
Нижнее распределительное устройство (дренаж) фильтра представляет собой трубчатую систему с дренажными колпачками из сополимера
стирола или нержавеющей стали. Штуцера на отводах направлены к
днищу и за счет разной длины “копируют” форму днища.
50
Верхнее распределительное устройство, выполненное в виде перфорированного стакана, предназначено для подвода исходной воды, регенерационного раствора и отвода взрыхляющей воды.
В корпусе фильтра имеются люки для загрузки и выгрузки ионообменного материала, для осмотра и ремонта дренажа.
В России в основном применяются фильтры производства Таганрогского и Бийского котельных заводов (в настоящее время производственное объединение Бийскэнергомаш), Саратовского завода энергетического машиностроения и многих других фирм, в том числе зарубежных.
Конструкции всех фильтров аналогичны и отличаются в основном материалами деталей.
В табл. 4.2 даны основные характеристики фильтров Саратовского
завода энергетического машиностроения ОАО "САРЭНЕРГОМАШ".
В маркировке фильтров, приведенных в таблице, приняты следующие обозначения: ФИП – фильтры ионитные параллельно-точные;
ФИПр - фильтры ионитные противоточные; аI – фильтры первой ступени; аII – второй ступени. Сочетание символов 1,0-0,6-Na-1 обозначает
соответственно диаметр фильтра, м; рабочее давление воды, МПа;
предназначение для Na – катионирования; исполнение 1.
ФИПаI - фильтры натрий-катионитные первой ступени предназначены для умягчения исходной воды. ФИПаII - фильтры натрийкатионитные второй ступени предназначены для улавливания проскоков
жесткости в схемах глубокого умягчения. ФИПр - фильтры натрийкатионитные противоточные предназначены для глубокого умягчения
исходной воды без применения фильтров второй ступени.
Чертеж натрий-катионитного фильтра приведен на рис. 4.6. Фильтры
всех типов аналогичны, отличаются высотой корпуса и высотой слоя загрузки, а так же конструкцией дренажа. Фильтры второй ступени рассчитаны на большую скорость фильтрования и, следовательно, на большую
производительность. Диаметры присоединительные фильтров приведены в табл. 4.3.
51
Таблица 4.2
Фильтры натрий-катионитные
ФИПаI ФИПаI ФИПаIIФИПаIIНаименование параметра
0,7
1,0
1,0- 0,61,4- 0,6-0,6- Na-2 -0,6- Na-2
Na
Na
3
Производительность, м /ч
12
24
40
92
Давление воды рабочее, МПа
0,6
0,6
0,6
0,6
о
Температура, С, не более
40
40
40
40
3
Вместимость, м
1,1
2,5
1,75
3,4
Фильтрующая загрузка (катионит или
сульфоуголь)
- высота, м
2
2
1,5
1,5
3
- объем, м
0,77
1,57
1,2
2,3
- масса загрузки (катионит КУ-2-8), кг
575
1400
850
1630
- масса загрузки (сульфоуголь СК-1),
515
1050
810
1550
кг
Диаметр фильтра, мм
720
1020
1020
1424
Высота, мм
3445
3610
3100
3120
Масса аппарата без загрузки, кг
570
910
950
1562
52
ФИПр0,70,6- Na
12
0,6
40
1,1
ФИПр1,00,6- Na
24
0,6
40
2,2
2,1
0,81
700
2,1
1,65
1400
680
1330
720
3500
786
1020
3900
1350
А)
Б)
Рис.
4.6.
Натрий-катионитный
параллельно-точный
фильтр: А) вид сбоку; Б – план; 1 – подача воды на
фильтр; 2 – подача соли на регенерацию; 3 – сброс
взрыхляющей воды; 4 – отвод умягченной воды в бак или
на следующую ступень фильтра; 5, 6 – пробоотборники
исходной и умягченной воды; 7 – сборник сбросов от пробоотборников; 8, 9 – люки; 10 – подача воды на взрыхление; 11 – сброс отработанного регенерирующего раствора,
отмывочной воды и первого фильтрата
53
Как уже было сказано в разделе 4.2 регенерация натрий-катионитных
фильтров производится раствором поваренной соли. Для хранения и
приготовления раствора применяются различные технологии.
Таблица 4.3
Присоединительные трубопроводы натрий-катионитных фильтров
Присоединительный размер Dу, мм, фильтра
Обозначение на Назначение трубопрорис. 4.3
вода или штуцера
ФИПаI-1,0- ФИПаI-1,40,6-Na-1
0,6-Na-2
Подвод исходной и от1
50
80
мывочной воды
Подвод регенерацион2
50
50
ного раствора
Отвод взрыхляющей
3
50
80
воды
Отвод обработанной
50
80
4
воды
Подвод взрыхляющей
50
80
10
воды
Отвод регенерационного раствора, отмывоч50
80
11
ной воды и первого
фильтрата
Гидровыгрузка фильт80
80
рующего материала
Гидрозагрузка фильт80
80
рующего материала
Как уже было сказано в разделе 4.2 регенерация натрий-катионитных
фильтров производится раствором поваренной соли. Для хранения и
приготовления раствора применяются различные технологии.
Сухое хранение соли применяется при небольших производительностях установок умягчения воды. Схема установки умягчения, воды при
применении сухого хранения соли приведена на рис. 4.7.
Соль здесь хранится на складе в транспортной таре, обычно в мешках. Растворение соли производится в специальном фильтре – солерастворителе. Емкость солерастворителя через верхний люк загружается
солью. В солерастворитель под давлением подается вода, которая при
движении через него насыщается солью. Раствор соли из солерастворителя подается в бак-мерник, в котором концентрация соли усредняется.
54
Рис. 4.7. Установка с двухступенчатым натрий-катионированием и сухим хранением соли на регенерацию: 1, 2 - фильтры первой и второй ступени; 3 - бак умягченной воды; 4 - насос подачи очищенной воды потребителю; 5 – бак сбора отмывочной воды и хранения воды на взрыхление; 6 - насос для взрыхления
фильтров; 7 - склад хранения соли; 8 – грузоподъемное устройство для транспорта соли; 9 - солерастворитель; 10 - бак-мерник раствора соли; трубопроводы: В водопровода; В1 -умягченной воды; В2 - отмывки фильтра второй ступени; В3 взрыхляющей воды; В4- сбора отмывочной воды; С - раствора соли; К - сточных
вод
При необходимости, раствор соли в баке-мернике разбавляется водой до концентрации требуемой для регенерации катионитных фильт55
ров. Из бака-мерника расчетный объем раствора соли подается на регенерацию фильтров.
Солерастворитель служит для приготовления и очистки от механических примесей регенерационного раствора технической соли. Он
представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, установленный на 3 опоры. Схема аппарата приведена на рис. 4.8. Для очистки
соли в нижней части солерастворитель загружается фильтрующим материалом с поддерживающими слоями. В качестве фильтрующего материала используется антрацит или кварцевый песок с диаметром зерен d=0,5 –
1 мм. Ниже укладываются два поддерживающих слоя из тех же материалов
диаметром зерен 1 – 5 и 5 - 10 мм.
При загрязнении фильтра, производительность солерастворителя падает и
его выключают для взрыхления, которое
производится потоком воды снизу
вверх.
Солерастворитель
комплектуется
трубопроводами, арматурой и контрольно-измерительными приборами.
Промышленность выпускает множество типов солерастворителей, харакРис. 4.8. Схема солераствотеристики части их приведены в табл.
рителя: 1 – соль поваренная;
4.4.
2 – фильтрующая загрузка;
Мокрое хранение соли применяется
3,4 – поддерживающие слои;
обычно для крупных водоподготови5 – подача воды на растворетельных установок. Принципиальная
ние соли; 6 – отвод раствора
соли; 7 – подача воды на
схема установки с применением этой
взрыхление; 8 – сброс взрыхтехнологии солевого хозяйства привеляющей воды; 9 – отвод воды
дена на рис. 4.9. Соль здесь хранится и
при опорожнении солерастворастворяется в специальных баках. Для
рителя; 10 – люк для загрузки
ускорения ее растворения в нижнюю
соли
часть бака через дырчатые трубопроводы подается пар, воздух, или вода. В бак-мерник от фильтрасолерастворителя подается раствор соли 15 - 20 % концентрации, в баке он разбавляется до 5 - 8% концентрации при регенерации
фильтров первой ступени или 8 - 12 % концентрации для фильтров
второй ступени. В солерастворителе соль очищается от примесей, а оставшиеся крупинки соли растворяются. В остальном, описанная технология аналогична приведенной на рис. 4.7.
Таблица 4.4
56
Солерастворители Саратовского завода энергетического машиностроения (http://sarzem.narod.ru/water_preparation.htm)
Наименование параметра
Давление воды рабочее, МПа
Температура, оС
Вместимость, м3
Фильтрующая загрузка:
- Высота слоя антрацита d=5-10, мм
- Высота слоя антрацита d=1-5, мм
- Высота слоя антрацита d =0,5-1, мм
Масса одной загрузки поваренной соли или
хлористого калия, кг
Диаметр фильтра, мм
Высота, мм
Масса аппарата без загрузки, кг
C-0,1250,4
0,6
до 40
0,125
C-0,50,7
0,6
до 40
0,5
C-1,01,0
0,6
до 40
1
200
100
200
12,5
60
110
426
1230
151
720
1816
238
1020
1800
440
Схема солевого хозяйства с мокрым хранением менее трудоемка, но
требует дополнительных насосов, баков и капитальных затрат.
Баки-мерники являются обычно нестандартным оборудованием, выполняются из металла и эксплуатируются с коррозийно-защитным покрытием. Баки-мерники оборудуются трубопроводами для перелива и
опорожнения, водомерным стеклом для контроля уровня рассола. Для
разбавления рассола подводится трубопровод сырой или частично
умягченной воды.
Для перекачки рассола используются химически стойкие центробежные консольные насосы.
Блочные водоподготовительные установки (ВПУ) выпускаются
промышленностью для удовлетворения предприятий в небольших расходах умягченной воды.
Водоподготовительные установки разработаны для объектов, где в
качестве исходной воды используется вода из хозяйственно-питьевого
водопровода или природная сырая вода. В последнем случае в комплекте имеется осветлительный фильтр. Установки выпускаются заводами в полном комплекте.
Все оборудование установки находится на одной раме, поэтому монтаж ВПУ предельно упрощен и заключается в установке ее на фундаменте и подключении к коммуникациям. Однако, такие установки имеют
обычно более низкие экономические показатели по сравнению с традиционными.
57
Рис. 4.9. Схема установки умягчения воды с двухступенчатым натрийкатионированием и мокрым хранением соли: 1, 2 - фильтры первой и второй ступени; 3 - бак умягченной воды; 4 - насос подачи очищенной воды потребителю;
6 - насос для взрыхления фильтров; 7 - бак хранения и растворения соли; 8 - насос перекачки раствора соли; 9 - солерастворитель; 10 - бак-мерник раствора соли; трубопроводы: 11 - подача пара или воздуха для перемешивания раствора
соли; В – исходной воды; В1 - умягченной воды; В2 - отмывки фильтра второй
ступени;
В3 - взрыхляющей воды; В4 - сбора отмывочной воды; С - раствора
Ниже дается описание ВПУ производственного объединения Бийскэнергомаш (kotel@kotel.ru).
Водоподготовительная установка состоит из противоточного ионитного фильтра, бака приготовления раствора соли, агрегата электронасосного, смонтированных на раме и соединенных трубопроводами с ар58
матурой. Фотография установки ВПУ-1 приведена на рис. 4.10, гидравлическая схема на рис. 4.11.
Внутри фильтра установлены верхнее, среднее, нижнее распределительные устройства (РУ), а также блокирующее устройство, расположенное между средним и верхним РУ и обеспечивающее зажатие слоя
ионита при его регенерации.
Технологический процесс подготовки
воды включает в себя выполнение следующих операций: умягчение воды, взрыхление катионита, пропуск раствора соли,
отмывку катионита от продуктов регенерации. Подача воды при выполнении всех
операций производится одним постоянно
работающим насосом. В качестве ионообменного материала для загрузки фильтра
используется катионит КУ-2-8.
При умягчении исходная вода насосом подается в ионитный противоточный
фильтр и, пройдя его сверху вниз, поступает в бак питательной воды, находящийся
у потребителя. Жесткость умягченной воды не должна превышать 0,015 г-экв/м3 во
время всего фильтроцикла. Прозрачность
умягченной воды должна быть не более 40
см по шрифту. После увеличения жесткости более 0,015 г-экв/м3 установка переводится в режим регенерации.
Рис. 4.10. Общий вид блочВзрыхления всего слоя катионита проной
водоподготовительной
изводится подачей воды в нижнее РУ,
установки
сброс отработанной воды осуществляется из верхней части фильтра в
канализацию.
Регенерация ионита осуществляется 5-8 %-ным раствором поваренной соли. Для приготовления этого раствора исходная вода подается в
эжектор, куда одновременно поступает 20-25%-ный раствор соли из бака ее приготовления. В эжекторе концентрация соли подаваемой водой
разбавляется до необходимой. Регенерация катионита производится
двумя потоками. Основная часть регенерационного раствора (76%) подается в нижнее РУ фильтра и проходит вспомогательный и основной
слои катионита снизу вверх. Остальной поток (24%) подается в верхнее
РУ и проходит сверху вниз блокирующий слой. Отвод отработанного
раствора осуществляется через среднее РУ в канализацию.
Отмывка ионита производится исходной водой, которая подается
также двумя потоками. Основной поток (76%) поступает через нижнее
59
РУ и проходит через вспомогательный слой ионита, где исходная вода
умягчается. Таким образом, отмывка основного слоя производится умягченной водой. Меньшая часть потока подается через верхнее РУ. Сброс
отмывочной воды производится через среднее РУ в канализацию. После
отмывки, окончание которой определяется по жесткости промывочной
воды, установка переводится в режим умягчения исходной воды
Противоточное движение потоков умягчаемой воды и регенерирующего
раствора обеспечивает высокий эффект удаления из воды катионов жесткости в одной ступени фильтра.
Рис. 4.11. Гидравлическая схема блочной водоподготовительной установки: 1-фильтр катионитный противоточный; 2-отсек мокрого хранения и растворения
соли; 3 – отсек раствора соли; 4 – емкость приема
стоков; 5 – подача исходной воды; 8 –выход умягченной воды; 7 – эжектор
Бак приготовления раствора соли представляет собой цилиндрическую емкость диаметром с плоскими днищами. В верхнем днище расположен люк с крышкой для загрузки соли. Бак разделен внутренней перегородкой на два отсека: больший (76%) — емкость для мокрого хранения
соли и меньший (24%) — для сбора отфильтрованного раствора. В отсек
хранения соли подается исходная вода. Для очистки раствора соли от
механических примесей в нижнюю часть емкости для хранения соли загружается дробленный антрацит крупностью 0,8-1,5 мм. Высота загрузки
— 500 мм. Переток раствора соли из одной секции в другую осуществляется по трубопроводу, соединяющего дренаж емкости хранения соли
с емкостью раствора соли.
Промышленность России и зарубежных стран выпускает большой
ассортимент водоподготовительных установок, характеристики некоторых из них приведены в табл. 4.5-4.6.
Таблица 4.5
60
Характеристики блочных водоподготовительных установок
ПО Бийскэнергомаш
Наименование
Техническая характеристика
Габариты,
Производительность, Рабочее Температура Длина Высота
м3/ч
давление, среды, °С не
МПа
более
ВПУ-3,0
3,0
0,6
40
1950
3300
ВПУ-6,0
6,0
0,6
40
2455
2460
В табл. 4.6. даны параметры блочных водоподготовительных установок Саратовского завода энергетического машиностроения. Во всех установках этой фирмы обеспечивается глубокое умягчение исходной воды. Установки БВПУМФ-1,0; БВПУ-5; БВПУ-10 имеют возможность дополнительного осветления воды, в состав их включены осветлительные
фильтры. При общей жесткости исходной воды до 5 г-экв/м3, жесткость
обработанной воды во всех установках гарантируется не выше 0,02 гэкв/м3.
При проектировании установка умягчения воды типа ВПУ выбирается
по производительности и требуемой степени очистки воды. Водоподготовительные установки заводского изготовления размещаются обычно в
зданиях промышленных цехов.
4.6. Расчет и подбор оборудования натрий-катионитных установок
Расчет фильтров заключается в определении их площади, числа и
марок, определении объема катионита, параметров фильтрования и регенерации катионита. Основы расчета приведены в нормах и специальной литературе [1, 2, 3, 5]. В расчетах следует учесть, что одноступенчатое катионирование позволяет снизить жесткость воды до 0,05 – 0,1 гэкв/м3, двухступенчатое - до 0,01 г-экв/м3.
61
Таблица 4.6
Характеристики блочных водоподготовительных установок Саратовского завода энергетического
машиностроения
Установки
Наименование параметра
БВПУ-0,4
БВПУ-1 БВПУМФ-1
БВПУ-5
БВПУ-10
Комплект оборудования
Давление воды рабочее, МПа
Na-катионитный фильтр,
Осветлительсолерастворительный
бак, ный фильтр, Naтрубопроводы, эжектор, ар- катионитный
матура, КИП
фильтр, солерастворительный бак,
трубопроводы,
эжектор, арматура,
КИП, насос
0,4
0,4
Температура, оС
0,4
Осветлительный фильтр,
два Na-катионитных фильтра, работающие последовательно или параллельно, баки-мерники хранения соли,
теплообменник
подогрева
воды, трубопроводы, арматура, КИП, два насоса
0,6
0,6
до 40
Производительность, м3/ч
0,4
1
0,4
5
10
Масса катионита КУ-2-8, кг
115
170
170
580
1400
17,8
25
25
53
128
Длина, мм
1120
1120
2210
2750
3050
Ширина, мм
670
670
850
1300
2300
Высота, мм
1960
2500
2530
3740
3950
320
390
780
2465
3905
Масса одной загрузки поваренной соли, кг
Масса аппарата без загрузки,
кг
62
Фильтры первой ступени.
Wк =
24 Q Ж о .исх
Na
n p E раб
(4.6)
где Q - расход умягчаемой воды, м3/ч; Ж о .исх - общая жесткость исходNa
ной воды, г-экв/м3; E раб - рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании, г-экв/м3; n p - число регенераций каждого фильтра
в сутки.
Число регенераций n p принимается в пределах от одного до трех, в
зависимости от жесткости подаваемой на фильтр воды. При меньшем
числе регенераций потребуется больший объем катионита и большее
число фильтров, в противном случае усложняется эксплуатация установки.
Рабочая обменная емкость катионита определяется по формуле
Na
E раб
= α Na β Na E полн − 0 ,5 q уд Ж о .исх ,
(4.7)
где α Na - коэффициент эффективности регенерации принимаемый по
табл. 4.1 в зависимости от удельного расхода соли ас. При одноступенной схеме умягчения удельный расход соли ас, г/г-экв, принимается в
зависимости от требуемой жесткости фильтрата из графика на рис. 4.4,
в двухступенчатой - 120 – 150 г/г-экв; β Na - коэффициент, учитывающий
снижение обменной емкости катионита вследствие частичного задержания катионов Na+, принимаемый по табл. 4.7; Eполн - полная обменная
емкость катионита, определяемая по данным заводов изготовителей,
для некоторых марок катионитов она приведена в табл. 3.1; q уд - удельный расход воды на отмывку катионита, м3 на 1 м3 катионита, приведен
в разделе 4.4; 0,5 – коэффициент, учитывающий неполноту умягчения
отмывочной воды.
Таблица 4.7
Коэффициент β Na , учитывающий снижение обменной емкости катионита [1]
0,01
0,05
0,1
0,5
1,0
5,0
10,0
CNa/Жо.исх
0,93
0,88
0,83
0,70
0,65
0,54
0,50
β Na
Примечание: в таблице CNa – концентрация натрия в исходной воде, гэкв/м3 (CNa = Na+/23).
63
Площадь катионитных фильтров первой ступени Fк, м2, определяется
по формуле
Fк =
Wк
,
Hк
(4.8)
где Нк – высота слоя катионита, м, для фильтров заводского изготовления приведена в табл. 4.2. Далее выбираются типы фильтров и определяются их параметры. Естественно, паспортная высота слоя катионита в
принятых фильтрах должна быть не менее принятой в формуле (4.8).
Число рабочих фильтров N, обеспечивающее эту площадь равно
N раб =
Fк
,
f
(4.9)
где f – площадь фильтрования одного фильтра, м2. Должны быть дополнительные предусмотрены резервные фильтры. Число рабочих фильтров по нормам проектирования [1] должно быть не менее двух, резервных – один.
Определяется фактическая скорость фильтрования воды Vфакт , м/ч,
в принятых фильтрах
Vфакт =
Q
N раб f
(4.10)
Фактическая скорость фильтрования должна быть не более рекомендуемой нормами при общей жесткости воды:
до 5 г-экв/м3 – 25 м/ч;
5 - 10 г-экв/м3 – 15 м/ч;
10 - 15 г-экв/м3 – 10 м/ч.
При кратковременном выключении одного из фильтров на регенерацию допускается увеличение скорости фильтрования на 10 м/ч на остальных.
При превышении рекомендуемых скоростей, должна быть принята
большая площадь фильтрования (применение фильтров с большей
площадью или их число).
Фильтры второй ступени рассчитываются аналогично фильтрам
первой ступени.
При этом принимаются следующие параметры катионирования на
второй ступени: исходная жесткость равна жесткости фильтрата первой
ступени, принимаемой равной 0,1 г-экв/м3; рабочая обменная емкость
Na
катионита E раб .2 – 250-300 г-экв/м3; высота слоя катионита Н2 -1,5 м;
64
скорость фильтрования V2 – не более 40 м/ч; удельный расход соли ас =
300 – 400 г/г-экв; концентрация раствора соли – 8 – 12 %.
Площадь фильтрования катионитных фильтров второй ступени Fк2,
2
м , определяется по рекомендуемой скорости фильтрования V2, м/ч
Fк 2 =
Q
V2
(4.11)
После выбора типа фильтров и их числа N находится фактическая
площадь фильтрования Fфакт , м2
2
Fфакт = N f
2
(4.12)
Продолжительность фильтроцикла этих фильтров, ч,
T2 =
Fфакт2 Н 2 Е раб .2
Q Ж о .2
(4.13)
Число регенераций n p для одного фильтра в сутки
n p2 =
24
T2
(4.14)
Масса поваренной соли Рс, кг, на одну регенерацию одного натрийкатионитного фильтра определяется по формуле
Na
Рс = f H к Е раб
ac / 1000 .
(4.15)
Исходные данные для расчета по формуле (4.15) определены в формулах (4.18 – 4.9, 4.13).
Объем раствора соли Wc, определенной выше массы, определяется
по формуле 4.17, в которой G = Pc; с – концентрация раствора, принимаемая для фильтров первой ступени равной 5-8 %, для второй – 8-12
%; ρ - удельная масса раствора, определяемая по табл. 4.8. Объем баков-мерников равен 2 Wc.
Расход раствора соли qс , м3/ч, по которому определяется диаметр
трубопровода, равен
65
qс =Vc f ,
(4.16)
где Vc – скорость фильтрования регенерационного раствора через катионит, принимаемая 3 – 4 м/ч.
Диаметр солерастворителя определяется по расходу раствора соли
qс и рекомендуемой скорости фильтрования до 10 м/ч.
Таблица 4.8
Плотность раствора хлорида натрия при температуре 200 С
Концентрация,
Удельная масса Концентрация,
Удельная масса
3
%
раствора, г/дм3
раствора ρ, г/дм %
5
1,034
11
1,078
6
1,041
12
1,086
7
1,049
15
1,109
8
1,056
18
1,132
9
1,063
20
1,128
10
1,071
25
1,189
Суточный расход технической соли, необходимый для работы установки умягчения воды, Gсут, кг/сут, равен
Gcут = Pc n p N
(4.17)
В зависимости от условий поставок на складе должен хранится 15 –
30-суточный запас соли, а в местностях с северным завозом на весь период между навигациями.
Объем баков для мокрого хранения W м .хр , м3, соли принимается
равным
W м .хр =
100 G
,
ρс
(4.18)
где G – масса соли хранимая в баке, т; ρ - удельная масса раствора,
принимаемая по табл. 4.8; с – концентрация раствора, %. Расчет по
формуле 4.18 показывает, что для хранения 1 т соли при концентрации
раствора 25 % требуется бак объемом 3,3 м3. В практике объем бака
принимается от 2,5 до 5 м3 на 1 т соли.
Фильтры регенерируются поочередно. Расход воды на взрыхление
одного фильтра qвзр, л/с, равен
qвзр = ω f ,
66
(4.19)
где ω - интенсивность подачи воды для взрыхления катионита, зависит
от крупности зерен катионита, л/с⋅м2 (см. раздел 4.4 или [1, прил. 7]); f –
площадь фильтра, м2.
Этот расход воды должен быть подан насосом из бака хранения
взрыхляющей воды. Объем воды Wвзр , м3, на одно взрыхление равен
Wвзр = 60 qвзр t взр / 1000 ,
(4.20)
где t взр - продолжительность взрыхления, принимаемая равной 20 – 30
мин. Объем бака должен быть достаточным для двух взрыхлений.
Объем воды требующийся для отмывки Wотм , м3, одного фильтра
равен
Wотм = qотм H к f ,
(4.21)
где qотм - удельный расход воды на отмывку, равный 5 – 6 м3 на 1 м3
катионита.
Суммарный расход воды на одну регенерацию, м3,
Wводы рег = Wвзр + Wc + Wотм
(4.22)
Потери напора в катионитной установке умягчения воды определяются как сумма потерь напора в коммуникациях и в фильтрах. В фильтрах первой ступени они равны 4 – 7 м, второй – 13 – 15 м.
Пример 4. Расчет установки двухступенчатого натрийкатионирования.
Исходные данные: Вода р. Амур прошедшая предварительную очистку от взвешенных веществ и цветности имеет следующий химический
состав (см. пример 1): солесодержание - 72 г/дм3; концентрация катионов - 1,25 г-экв/м3; общая жесткость Жо.исх – 0,87 г-экв/м3; концентрация
натрия CNa - 7 г/м3 или 0,3 г-экв/дм3. Умягченная вода предназначается
для питания паровых котлов с давлением до 2,4 МПа. Жесткость питательной воды должна быть не выше 0,02 г-экв/м3. Расчетный расход питательной воды Q – 25 м3/ч.
В разделе 4.6 даны сведения, что одноступенчатое катионирование
позволяет снизить жесткость воды только до 0,05 – 0,1 г-экв/м3. Поэтому
принято двухступенчатое катионирование в напорных фильтрах. Принципиальная схема установки приведена на рис. 4.9. Принята технология
67
с мокрым хранением соли, как менее трудоемкая. В разделе 4.5 дано
описание работы этой установки.
Фильтры первой ступени.
В качестве катионита применен сульфоуголь с размером зерен 0,3-1,5
мм. Полная обменная емкость катионита Еполн равна 600 г-экв/м3.
Удельный расход соли ас, г/г-экв, принят в соответствие с рекомендациями норм равным 150 г/г-экв. Коэффициент эффективности регенерации определен по табл. 4.1, α Na =0,74. Коэффициент β Na определен
по таблице 4.3 по соотношению CNa/Жо.исх = 0,3/0,87 = 0,35 и равен 0,75.
Удельный расход отмывочной воды q уд принят равным 5 м3 на 1 м3
катионита. Рабочая обменная катионита определена по формуле (4.7)
Na
E раб
= α Na β Na E полн − 0 ,5 q уд Ж о .исх =0,74 ⋅ 0,75 ⋅ 600 – 0,5 ⋅ 5 ⋅ 0,87
= 330 г-экв/м3.
Поскольку исходная вода имеет малую жесткость, принимается число регенераций каждого фильтра в сутки n p = 1. Объем катионита в
фильтрах первой ступени определяется по формуле (4.6)
Wк =
24 Q Ж о .исх
Na
n p E раб
= 24 ⋅ 25 ⋅ 0,87/ (1⋅ 330) = 1,58 м3.
По данным табл. 4.2 выбираем фильтры производственного объединения Бийскэнергомаш марки ФИПаI -0,7-0,6- Na-2. Фильтр этой марки
имеет диаметр корпуса 720 мм, высоту загрузки катионита Нк = 2,0 м,
высоту корпуса 3445 мм. Масса аппарата без загрузки 570 кг. Площадь
фильтрования этого фильтра f равна 0,41 м2.
Суммарная площадь катионитных фильтров первой ступени определяется по формуле (4.8)
Fк =
Wк
= 1,58/2,0 = 0,74 м2.
Hк
По формуле (4.9) определено число рабочих фильтров
N раб .1 =
68
Fк
= 0,74/0,41 = 1,8.
f
Предварительно принимается два рабочих фильтра. Фактическая
скорость фильтрования воды в нормальном режиме для двух фильтров
будет составлять по формуле (4.10)
Vфакт =
Q
N раб .1 f
= 25/(2 ⋅ 0,41) = 30,5 м/ч. Эта скорость превышает
предельно рекомендуемую, равную 25 м/ч, поэтому число рабочих
фильтров увеличивается до трех.
В форсированном режиме, когда один фильтр будет выключен на регенерацию, допускается скорость на 10 м/ч выше рекомендуемой для
нормального режима, то есть 35 м/ч. В данном случае, при двух работающих фильтрах, скорость в них не превышает указанного предела.
К установке принимаются 3 рабочих и один дополнительный резервный фильтр, то есть всего четыре натрий-катионитных фильтров первой
ступени. Конструкция катионитного фильтра приведена на рис. 4.6.
Фильтры второй ступени.
В качестве катионита применен тот же материал, что и для фильтров
первой ступени – сульфоуголь. Вода, подаваемая на фильтры, имеет
жесткость фильтрата первой ступени, то есть Ж о .2 = 0,1 г-экв/м3; рабоNa
чая обменная емкость сульфоугля в фильтрах второй ступени E раб .2
принимается равной 250 г-экв/м3. Удельный расход соли на регенерацию – 400 г на 1 г-экв задержанной жесткости.
Площадь фильтрования катионитных фильтров второй ступени определяется по формуле (4.11) и рекомендуемой скорости фильтрования
V2= 40 м/ч.
Fк 2 =
Q
V2
= 25/40 = 0,62 м2.
К применению приняты фильтры ФИПаII-1,0-0,6-Na с высотой загрузки катионита 1,5 м. Диаметр фильтра - 1020 мм, площадь фильтрования
– 0,82 м2.
Высота корпуса - 3100 мм, масса аппарата без загрузки - 950 кг.
К установке принято два рабочих и один резервный фильтр второй
ступени, фактическая площадь фильтрования рабочих фильтров будет
составлять
Fфакт = N раб .2 f = 2 . 0,82 = 1,64 м2.
2
Фактическая скорость фильтрования равна Vфакт = 25/1,64 = 15,2 м/ч,
то есть находится на допустимом уровне. В форсированном режиме при
69
одном выключенном на регенерацию фильтре скорость фильтрования
составит 30,4 м/ч, что меньше предельной, равной 40 м/ч.
Продолжительность фильтроцикла этих фильтров определена по
формуле (4.13)
T2 =
Fфакт2 Н 2 Е раб .2
Q Ж о .2
= 1,64 . 1,5 . 250/(25 . 0,1) = 246 ч.
Число регенераций фильтров второй ступени n p 2 =
24
= 24/248 =
T2
0,1, то есть проводится одна регенерация в течение 10 суток.
Солевое хозяйство:
Масса поваренной соли на одну регенерацию натрий-катионитного
фильтра первой ступени определяется по формуле (4.15)
Na
Рс1 = f H к Е раб
ac / 1000 = 0,41 . 2,0 . 330 . 150/1000 = 40,6 кг.
Аналогично для фильтров второй ступени Рс 2 = 0,82 . 1,5 . 250 .
400/1000 = 123 кг.
Суточный расход технической соли, необходимый для регенерации
фильтров умягчения воды обеих ступеней равен:
Gcут = Pc1 n p1 N1 + Pc 2 n p 2 N 2 = 40,5 . 1 . 3 +123 . 0,1. 2 = 146,1 кг/сут.
Принято 15-суточное хранение соли в баках мокрого хранения. Масса
соли для хранения составит G хран = 146,1 . 15 = 2192 кг или 2,2 т.
Объем баков для хранения 25 % раствора соли определен из расчета
5 м3 на 1 т соли
W м .хр = 5 G хран = 5 , 2,2 = 11 м3. К установке принимаются 2 бака с
унифицированными размерами в плане 1,5 х 1,5 и высотой 2,4 м. Емкость каждого бака будет равна 5,4 м3. Баки выполняются из железобетона с защитой поверхности от коррозии. Схема расположения баков
приведена на рис. 4.12. Высотное расположение баков приведено на
рис. 4.13, положение баков в общей схеме установки умягчения воды на рис. 4.9.
Суточный объем 25 % -ного раствора для регенерации всех фильтров равен:
70
W раств =
100 Gсут
1000 ρ с
,
(4.23)
здесь Gсут = 146,1 кг/сут; с = 25 %; ρ = 1,19 (см. примечания к формуле
4.18). В итоге W раств = 0,5 м3/сут.
Концентрированный раствор соли из баков перекачивается через
солерастворитель в бак мерник. Принимается к применению меньший,
из приведенных в табл. 4.4, солерастворитель Саратовского завода
энергетического машиностроения C-0,125-0,4. Диаметр солерастворителя - 426 мм, площадь фильтрования – 0,14 м2. При скорости фильтрования через него раствора соли равной 3 м/ч, его производительность составляет 3 , 0,14, то есть, равна 0,42 м3/ч. Следовательно, производительность принятого солерастворителя вполне достаточна для пропуска
расчетного объема соли.
К установке принимаются два солерастворителя – один рабочий и
один резервный.
Для перекачки раствора соли приняты насосы центробежные химические консольные Х2/30 производительность 2 м3/ч и напором 30 м
(самые малые в ряду насосов этого типа). Масса насоса – 126 кг, мощность электродвигателя насоса составляет 3 кВт. Габариты насоса вместе с электродвигателем в плане равны 930 х 450 мм. Устанавливается
два насоса: рабочий и резервный.
Из солерастворителя раствор подается в баки-мерники для приготовления регенерационных растворов для регенерации фильтров первой и второй ступени. В соответствие с указанием норм [Прил. 7, 1] концентрация соли для фильтров первой ступени принимается равной 5 %,
для фильтров второй ступени -10 %.
1
Объем раствора для одной регенерации одного фильтра W раств ,
3
м , определяется по формуле:
W 1 раств =
100 рс
,
1000 ρ с
(4.24)
где рс – масса соли на одну регенерацию, кг.
Из предыдущих определений для натрий-катионитного фильтра пер1
вой ступени: рс = 40,6 кг; с = 5 %; ρ = 1,034. По расчету W раств = 0,8 м3.
Для натрий-катионитного фильтра второй ступени: рс = 123 кг; с = 10 %;
2
ρ = 1,071; W раств = 1,48 м3.
71
Рис. 4.12. Баки мокрого хранения соли (положение в плане): 1 – баки; 2 - трубопроводы отбора
концентрированного раствора соли; 3 – солевые
насосы; 4- подача раствора соли на фильтры солерастворители; 5 – вода от водопровода для
заполнения баков; 6 – подача воздуха на взрыхление соли
Рис. 4.13. Отделение хранения соли в разрезе: подрисуночные надписи см. на рис. 4.12
В баках-мерниках хранится объем раствора на две регенерации.
Принимаются для обеих ступеней баки-мерники одинакового объема,
что обеспечивает их взаимозаменяемость. Объем одного бака равен:
72
W мерн = 2 . 1,48 ≈ 3,0 м3. Диаметр каждого бака в плане 1,3 м, высота
- 2,5 м. Принимается 3 бака: один для первой ступени фильтров, второй
– для второй ступени, третий – резервный для обеих ступеней.
Баки-мерники оборудуются сигнализатором уровня раствора, переливным трубопроводом и трубопроводом опорожнения. Баки выполняются из металла с защитным покрытием от коррозии.
Расход раствора соли qс , м3/ч, по трубопроводу от бака-мерника к
фильтрам определяется по формуле 4.16, по принятой скорости фильтрования регенерационного раствора Vc через катионит равной 3 м/ч:
для фильтров первой ступени -
q1с = Vc f1 = 3 . 0,41 = 1,25 м3/ч или 0,35 л/с;
Аналогично для фильтров второй ступени -
q 2 с = 3 . 0,82 = 2,46 м3/ч. или 0,68 л/с.
Баки-мерники располагаются на высоте, позволяющей самотечное
движение раствора соли в катионитные фильтры.
Расход воды на взрыхление фильтров qвзр, л/с, определяется по
формуле 4.19, в которой ω - интенсивность подачи воды для взрыхления катионита принята равной 4 л/с.м2, площади фильтрования f
фильтра первой ступени определена выше и равна 0,41 м2, второй ступени – 0,82 м2.
В результате для первой ступени фильтров:
q1взр = ω f = 4 . 0,41 = 1,64 л/с,
соответственно для второй ступени фильтров: q взр = ω f = 4 . 0,82 =
3,28 л/с.
Объем воды Wвзр , м3, на одно взрыхление одного фильтра опреде2
ляется по формуле 4.20, в которой продолжительность взрыхления t взр
принята равной 20 мин. В результате определения для фильтров первой
ступени
W 1взр = 60 qвзр t взр / 1000 = 60 . 1,64 . 20/1000 = 1,97 м3,
2
аналогично для фильтров второй ступени W взр = 60 . 3,28 . 20/1000=
= 3,94 м3.
Воду для взрыхления предусмотрено подавать от специальных баков, в каждом из которых предусматривается хранить объем воды, необходимый для двух взрыхлений. Принимается для взрыхления обоих
типов фильтров два бака одинакового объема (большего по расчету)
Wбака взр = 2 , 3,94 ≈ 8,0 м3.
73
Чтобы обеспечить взрыхление любого фильтра от любого бака предусмотрены переключения между баками. Баки предусматривается выполнить из металла с антикоррозийным покрытием. Диаметр каждого
бака 2,0 м, высота – 2,5 м.
В баках хранения взрыхляющей воды собирается также вода от отмывки фильтров соответствующих ступеней. Предусматривается подвод
к бакам исходной воды для их пополнения при необходимости.
Из баков вода на взрыхление фильтров подается насосами. Напоры
насосов составляют ориентировочно 15 – 20 м. Производительность на1
соса для взрыхления первой ступени фильтров: q взр = 1,64 л/с или 6
м3/ч. К установке принимаются два насоса (один рабочий, один резервный) типа К8/18 фактической производительностью 8 м3/ч и напором 19
м. Масса насосного агрегата – 63 кг, размеры в плане 795 х 286 мм.
Мощность электродвигателя – 1,5 кВт.
2
Аналогично для второй ступени фильтров: q взр = 3,28 л/с или 9,8
м3/ч. К установке также принимаются два насоса (один рабочий, один
резервный) типа К50-32-125 производительностью 12,5 м3/ч и напором
20 м. Масса насосного агрегата – 90 кг, размеры в плане 795 х 286 мм.
Мощность электродвигателя – 2,2 кВт.
Объем воды для отмывки Wотм , м3, одного фильтра определяется
по формуле (4.21), в которой удельный расход воды на отмывку qотм
принят равным 5 м3 на 1 м3 катионита. Для фильтра первой ступени:
площадь фильтрования f = 0,41 м2; высота слоя катионита Нк = 2,0 м. Из
формулы (4.21):
W 1отм = qотм H к f = 5 . 2,0 . 0,41 = 4,1 м3.
Соответственно для фильтра второй ступени: f = 0,82 м2; высота
2
слоя катионита Нк = 1,5 м. W отм = 6,15 м3.
Отмывку фильтров первой ступени предусмотрено производить исходной водой, второй ступени – фильтратом первой ступени. Вода на
отмывку подается по трубопроводам подачи воды на фильтр в рабочем
режиме.
Расходы воды на собственные нужды установки для одной регенерацию одного фильтра по данным расчетов сведены в табл. 4.9.
Первая половина объема отмывочной воды, наиболее загрязненная
солями жесткости, сбрасывается в канализацию, вторая половина используется для взрыхления фильтров. В техническую канализацию
сбрасываются также воды от взрыхления, содержащие взвешенные частицы, и отработанные регенерационные растворы соли.
74
Таблица 4.9.
Расходы воды для одной регенерацию одного фильтра
Расход воды на одну регенерацию, м3
На приготовНа
На отСумление регенера- взрыхлемывку
марный
Фильтр
ционного
рас- ние Wвзр
расход
Wотм
твора
соли
W раств
Первой ступени
Второй ступени
0,8
1,48
1,97
3,94
4,1
6,15
6,9
11,6
С учетом этого потери воды на одну регенерацию фильтра первой
ступени равны
W 1с .н . = 0,8 + 1,97 + 0,5 . 4,1 = 4,82 м3;
2
для фильтра второй ступени W с .н . = 1,48 + 3,94 + 0,5 . 6,15 = 8,5 м3.
Суточный расход воды на собственные нужды установки составляет:
Qc .н . = W 1c .н . n p1 N1 + W 2 c .н . n p 2 N 2 = 4,82. 1 . 3 + 8,5. 0,1. 2 = 16,2
м3/сут.
В процентах от производительности установки Q это составляет
Wс .н . = 100 Qc .н . / (24 Q ) = 100 . 16,2/ (24 . 25) = 2,7 %.
С учетом расходов воды на собственные нужды следует уточнить
полезную производительность установки.
Потери напора hl , м, в трубопроводах определяются по зависимости
hl = i L ,
(4.25)
где L – длина трубопровода, м. Потери напора в фильтрах принимаются
равными не более 10,0 м.
Диаметры трубопроводов установки определяются по рекомендуемым скоростям движения жидкости, равными от 1,0 до 2,0 м/с. Их определение сведено в таблицу 4.10.
75
Таблица 4.10
Диаметры трубопроводов установки натрий-катионитного умягчения
воды
Расход жидкости Диаметр, Скорость, Гидравлимм
м/с
ческий укОбосно- ЗначеНазначение
вание
ние, л/с
лон i
Подача исходной воды на усQ =25
6,94
80
0,98
0,0265
тановку и отвод
м3/ч
фильтрованной
Подача исходной воды на
Q
2,31
50
0,72
0,0249
фильтр первой
3
,
6
N
1
ступени и отвод
фильтрованной
То же второй
Q
3,47
50
1,1
0,053
ступени
3 ,6 N 2
Подача воды на
взрыхление
фильтра первой
ступени
То же второй
ступени
Подача раствора
соли
на
фильтр первой
ступени
То же второй
ступени
q1взр
1,64
40
1,3
0,12
q 2 взр
3,28
50
1,54
0,13
q1с
0,35
25
0,65
0,067
q 2с
0,68
25
1,27
0,2
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие зоны наблюдаются в слое загрузки натрий-катионитного
фильтра, что такое высота защитного слоя катионита?
2. Какие схемы натрий-катионирования?
3. От чего зависит глубина умягчения воды при катионировании?
4. Каким показателем характеризуется полнота регенерации натрийкатионитного фильтра?
5. Какие операции проводятся при регенерации катионитного фильтра?
6. Дайте схему натрий-катионитного фильтра.
7. Какие технологии применяют при хранении и приготовлении соли?
Их достоинства и недостатки.
76
5. БЕССТОЧНОЕ НАТРИЙ-КАТИОНИРОВАНИЕ ВОДЫ
При высокой жесткости исходной воды катионирование требует
больших расходов воды на собственные нужды, достигающие 30 % от
полезного расхода. Сточные воды после натрий-катионирования содержат соли и взвешенные вещества, сбрасывать такие стоки в городскую
канализацию или непосредственно в водоемы запрещено. Обезвреживание стоков химической очистки воды требует больших затрат.
Эта проблема частично решается при применении схем умягчения
воды с отсутствием сбросов [6]. В этих схемах отработанная вода и отработанные регенерационные растворы подаются в голову сооружений
и повторно используются. В качестве отходов процесса удаляется только осадок, который может быть обезвожен традиционными методами.
Один из возможных вариантов бессточной схемы умягчения воды приведен на рис. 5.1.
Бессточная система умягчения воды включает в себя собственно
оборудование для осуществления катионирования: фильтры, солевое
хозяйство, баки и дополнительное оборудование, вызванное необходимостью обработки исходной воды, содержащей взвесь, и стоков. По этой
схеме обрабатываемая вода перед сооружениями смешивается с возвращаемыми стоками от катионитных фильтров и проходит последовательно осветлители со взвешенным осадком и механические (осветлительные) фильтры, после чего подается на традиционный комплекс катионирования. Со стоками возвращаются в воду взвешенные вещества
и соли жесткости: MgСl2, MgSO4, Mg(НСО3)2, CaSO4, CaСl2 , Ca(НСО3)2 и
другие. В осветлителе смесь возвращаемых стоков с исходной водой
умягчается известково-содовым способом, для чего в воду вводятся известь Са(ОН)2 и сода Na2СО3. В итоге процесс умягчения воды протекает в двух ступенях водоочистного комплекса. На первой ступени осуществляется очистка воды от взвешенных веществ и неполное умягчение, на второй - глубокое удаление солей жесткости.
В бессточной схеме умягчения воды с утилизацией отработанных регенерационных растворов непосредственно в процессе обработки воды
соотношение концентраций ионов Na+ и Ca2++Mg2+ перед катионитными
фильтрами увеличивается, что приводит к снижению обменной емкости
катионита и должно учитываться в расчете.
Процесс обработки воды в осветлителе характеризуется реакциями
устранения карбонатной и некарбонатной жесткости описанными в разделе 2.2.
В результате химических реакций образуется большое количество
взвеси, для осаждения которой в воду вводится коагулянт и, как правило, флокулянт.
77
Рис. 5.1. Бессточная система умягчения воды: 1 - осветлитель; 2 - бак осветленной воды; 3 - насос; 4 - бак умягченной воды; 5 - бак-усреднитель; 6 - бак воды для взрыхления фильтров; 7 - бак хранения соли; 8 - солевой насос; 9
- солерастворитель; 10 - бак-мерник; М - осветлительный фильтр; Na1, Na2 - катионитные фильтры первой и второй
ступени; В - исходная вода; В1 - умягченная вода; В2 - вода для повторного использования; В3 - вода на взрыхление; В4 - вода после отмывки фильтров; Р - отработанный раствор реагентов; ОС - осадок; СД, С, К, И - растворы
соответственно соды, соли, коагулянта и извести
78
Суммарный расход воды, поступающий на осветлитель Q расч ,
м3/сут, определяется из следующей зависимости:
Q расч = Q + Qс .н .
(5.1)
где Q - полезный расход воды установки умягчения, м3/сут; Qс .н . - расход воды на собственные нужды всех фильтров станции, м3/сут, определение этого расхода приведено в примере 4.
Общая жесткость воды, поступающей на осветлитель Ж о . расч , гэкв/м3, определяется с учетом дополнительной жесткости от возвращаемых стоков по формуле:
Ж о . расч = Ж о .исх + Ж о .осв ,
(5.2)
где Ж о .исх - общая жесткость воды, подаваемой на установку; Ж о .осв общая жесткость воды после умягчения в осветлителе.
После осветлителя возможное снижение общей жесткости воды
Ж о .осв до 0,5 - 0,6 г-экв/м3 [6]. По расчетной жесткости и стехиометрическим расчетам определяются дозы извести и соды. Основы этих расчетов приведены в разделе 2.
Количество взвешенных веществ, мг/дм3, образующихся в процессе
реагентного умягчения воды в осветлителе со взвешенном слое может
быть определено по формуле (2.12):
Расчеты
сооружений
реагентного
умягчения
и
натрийкатионирования производится обычным способом и изложены ранее в
разделах 2.4 и 4.6.
Фильтры катионитные рассчитываются с учетом поступающей от осветлителей со взвешенным осадком жесткости воды Ж о .осв равной 0,5 0,6 г-экв/м3.
6. ВОДОРОД-КАТИОНИРОВАНИЕ
6.1. Основы процесса водород-катионирования
Водород-катионирование (Н-катионирование) применяется на промышленных предприятиях чаще всего при ионитовом обессоливании
воды для полного удаления катионов из воды (остается только Н+) с последующим удалением анионов на анионитных фильтрах.
79
Кроме того, водород-катионитные фильтры (Н-фильтры) применяются в схемах умягчения воды в комбинациях с натрий-катионитными, что
позволяет повысить эффективность умягчения и получить воду с заданной щелочностью.
Требования к воде подаваемой на водород-катионитные фильтры те
же, что и подаваемой на натрий-катионитные – вода должна быть предварительно очищена от взвешенных веществ и цветности.
Процессы, протекающие при фильтрования воды через водородкатионитные и натрий-катионитные фильтры аналогичны. Для характеристики водород-катионирования используются те же показатели и термины. Химические реакции при водород-катионировании приведены в
формулах (3.1 – 3.5). Как уже было сказано выше, главными особенностями водород-катионирования являются поступление в фильтрат кислот и снижение щелочности воды.
При водород-катионировании глубокое удаление катионов возможно
только при применении сильнокислотных катионитов типа КУ-2-8 и других, В этом процессе при удалении катионов солей сильных кислот, таких как CaSO4 ,CaCl 2 , MgSO4 , MgCl 2 , образуются сильные кислоты
HCl, H2SO4, поэтому рН воды сильно снижается и достигает значения
равного 2 – 3. При таких значениях слабокислотные катиониты типа КБ1, КБ-4 не работают. Их применение возможно только для удаления катионов солей слабой угольной кислоты Mg( HCO3 )2 , Ca( HCO3 )2 и
т.п. с образованием слабой кислоты H 2 CO3 . Это объясняется тем, что
слабокислотные катиониты способны к ионному обмену только при значениях рН>7, то есть в щелочной среде.
Катиониты проявляют селективность по отношению к различным катионам,
которая
характеризуются
сорбционным
рядом
Ca 2 + > Mg 2 + > Na + . Хуже сорбируемые ионы натрия вытесняются из
катионита лучше сорбируемыми ионами кальция и магния.
Поэтому, также как и в натрий-катионитных, так и в водородкатионитных фильтрах в катионитной загрузке образуются различные по
своему составу слои. При движении умягчаемой воды сверху вниз в
толще водород-катионита можно выделить следующие пять слоев:
1). Верхний слой - катионит в котором равновесно насыщен кальцием
и магнием, катионит в этом слое полностью истощен и не участвует в
ионном обмене.
2). Защитный слой по кальцию и магнию, в котором происходит вытеснение натрия кальцием и магнием.
3). Слой равновесно насыщенный натрием (в сущности, здесь находится натрий-катионит).
80
4). Защитный слой по натрию, в котором ионы натрия вытесняются
ионами водорода.
5). Слой свежего катионита, еще не участвующего в ионном обмене.
Размеры слоев зависят от состава воды. Верхний слой катионита в
процессе фильтрования все время увеличивается, нижняя граница его
смещается вниз и одновременно перемещаются вниз и остальные слои.
Положение слоев в различные моменты времени показано на 6.1.
По мере достижения нижних границ слоев дренажа меняется качество воды выходящей из фильтра.
В начальный момент работы фильтра происходит глубокое удаление всех катионов из воды, из катионита в воду переходит эквивалентное количество катионов водорода. В результате в воде образуются
свободные кислоты HСl , H 2 SO4 и H 2 CO3 (см. формулы 3.1 – 3.5).
Кислотность фильтрата К в итоге близка к сумме концентраций в исходной воде хлоридов и сульфатов, щелочность воды равна нулю. Вся
угольная кислота находится в виде свободной двуокиси углерода CO2 ,
рН воды составляет менее 3,7 – 4,0.
Через некоторое время нижняя граница слоя 4 достигнет дренажа,
начнется проскок ионов натрия в фильтрат. В результате реакции натрия с угольной кислотой будет образовываться бикарбонат натрия
NaHCO3 , кислотность воды снизится на величину, равную концентрации натрия.
Рис. 6.1. Движение фронтов поглощения катионов в водород-катионитном фильтре в разные периоды работы: А) – начальный период; Б) – период начала проскока натрия в фильтрат; В) – период проскока начала проскока солей жесткости; 1 –
верхний слой катионита насыщенный солями жесткости; 2 – защитный слой по
кальцию и магнию; 3 - слой катионита насыщенный ионами натрия; 4 - защитный
слой по натрию; 5 – нижний слой свежего катионита
81
Ко времени, когда нижняя граница слоя 3 достигнет дренажа в
фильтре, все ионы водорода из катионита окажутся вытесненными, кислотность фильтрата станет равной нулю. В воде появится щелочность
Щ, которая постепенно достигнет концентрации ее в исходной воде.
В момент времени ТЖ, когда нижняя граница защитного слоя по ионам кальция и магния 2 достигнет дренажа начнется проскок жесткости в
очищенную воду, при полном истощении катионита жесткость фильтрата достигнет значения равного ее в исходной воде Жо.исх.
Изменение качества фильтрата по времени работы водородкатионитного фильтра показано на рис. 6.2.
В зависимости от назначения Н-катионитного фильтра в схеме умягчения воды определяют продолжительность его работы между регенерациями. При необходимости глубокого умягчения и устранения щелочности воды фильтр выключают на регенерацию в начале снижения кислотности воды, при частичном устранении щелочности возможно выключение фильтра при снижении кислотности до нуля, что соответствует времени Т0, если требуется только снижение жесткости - фильтр регенерируют при проскоке солей жесткости через время ТЖ.
Рис. 6.2. Выходные кривые качества фильтрата водородкатионитного фильтра
6.2. Параметры работы водород-катионитных фильтров
Технологические параметры водород-катионитных фильтров аналогичны параметрам натрий-катионитных фильтров, описанным в разделе
4, но отличаются численно.
Жесткость фильтрата Н-катионитного фильтра определяется по
формуле, аналогичной формуле (4.4):
82
Ж фН = ϕ Н
1− α Н
α 2Н
А2 ,
(6.1)
где ϕ Н - константа обмена равная около 0,0014; α H - коэффициент эффективности регенерации определяемый по табл. 6.1; А – общее солесодержание умягчаемой воды в г-экв/м3.
Таблица 6.1
Эффективность регенерации водород-катионита [1]
Удельный расход серной кисло50
100
150
200
ты на регенерацию aн , г/г-экв, рабочей обменной емкости
Коэффициент эффективности
регенерации
водород-катионита
0,68
0,85
0,91
0,92
αH
Коэффициент эффективности регенерации α H , влияющий на жесткость фильтрата, зависит от расхода кислоты на регенерацию. Зависимость жесткости фильтрата от расхода кислоты приведена на рис. 6.3.
Этот график используется для выбора удельного расхода кислоты aн по
требуемой жесткости умягчаемой воды при большом солесодержании
воды.
Рис. 6.3. Определение жесткости фильтрата при водород-катионировании
83
Рабочая обменная емкость водород-катионита в фильтрах определяется по формуле:
H
E раб
= α H E полн − 0 ,5 q уд C к ,
(6.2)
где Еполн – полная (паспортная) обменная емкость катионита, г-экв/м3; qуд
– удельный расход на отмывку катионита после регенерации, принимаемый равным 4-5 м3 на 1 м3 катионита; Ск – общее содержание в воде
катионов кальция, магния, натрия и калия, г-экв/м3.
Продолжительность работы катионитного фильтра до проскока жесткости в фильтрат может быть определена по формуле [2]:
Е полн Н 0 ,02 Eполн d 2ln Ж
Т=
−
,
VЖ
Ж
(6.3)
где H – общая высота катионита в фильтре, м; V – скорость фильтрования, м/ч; d – диаметр зерен катионита, мм; Ж – разность жесткостей исходной воды Жо и фильтрата Жф, г-экв/м3.
Ж = Жо - Жф
(6.4)
Продолжительность работы водород-катионитного фильтра до момента проскока натрия в фильтрат и снижения кислотности до нуля определяется по формуле [2]:
Т Na
0 ,025 Eполн d 2ln ( Ж + C Na )
Е полн Н
=
−
,
V ( Ж + C Na )
( Ж + C Na )
(6.5)
где C Na - концентрация натрия и калия в умягчаемой воде, г-экв/м3.
6.3. Регенерация водород-катионитных фильтров
Если фильтры предназначены для удаления солей жесткости, их выключают на регенерацию при начале проскока солей жесткости в фильтрованную воду, если для удаления жесткости и снижения щелочности,
то при начале проскока натрия в фильтрат.
Восстановление обменной способности водород-катионитных фильтров производится вытеснением поглощенных катионитом при фильтровании воды катионов кальция, магния, натрия и калия катионами водорода Н+ находящимися в регенерационном растворе.
84
Регенерацию Н-фильтров производят растворами кислот. При этом,
протекают химические реакции ионного обмена, по типу приведенных в
формулах (3.12 – 3.13). Для регенерации, в принципе, пригодны любые
сильные кислоты – серная, соляная или азотная. Чаще всего используют серную кислоту H2SO4. Это объясняется более низкой, по сравнению
с другими кислотами, ценой и отсутствием воздействия на сталь концентрированной серной кислоты.
Основной недостаток применения серной кислоты для регенерации
катионитных фильтров – образование в отработанном регенерационном
растворе труднорастворимого сульфата кальция (гипса СаSO4 . 2Н2О). В
результате, возникает опасность отложения гипса на поверхности зерен
катионита и, вследствие этого, уменьшение его обменной емкости,
ухудшение качества очищенной воды и увеличение гидравлического сопротивления фильтра. Для предотвращения загипсовывания слоя загрузки регенерацию проводят раствором серной кислоты с концентрацией не более 1 – 1,5 %. При такой регенерации концентрация гипса в растворе не превышает его предела растворимости. Малая концентрация
раствора приводит к увеличению объема отработанного раствора и увеличения расхода воды на собственные нужды.
Оптимальным является использование для регенерации соляной кислоты концентрацией 2–4 %. При регенерации соляной кислотой образуются хорошо растворимые хлориды кальция и магния, вследствие этого отсутствует опасность отложений в слое загрузки, объем отработанного регенерационного раствора уменьшается и не превышает 5–6 % от
часовой производительности установки.
Применение соляной кислоты для регенерации водородкатионитных фильтров в отечественной практике долгое время сдерживалось из-за отсутствия качественного кислотостойкого оборудования и
высокой стоимости этой кислоты. В настоящее время существует широкий спектр кислотостойких композитных и полимерных материалов, которые имеют гигиенические сертификаты и используются для производства водоподготовительного оборудования и трубопроводов.
Удельный расход кислоты на регенерацию определяют в зависимости от требуемой жесткости фильтрата по графику на рис. 6.3. Жесткость фильтрованной воды после одной ступени водород-катионитного
фильтра составляет обычно величину около 0,1 г-экв/м3. Удельный расход кислоты aн для достижения этого качества фильтрата при умягчении воды с солесодержанием до 5 г/л составляет 60-80 г/г-экв.
Регенерация катионита в Н-фильтрах протекает также как в натрийкатионитных фильтрах в три этапа: взрыхление загрузки, пропуск регенерационного раствора, отмывка катионита. Схема процесса приведена
на рис. 4.5.
85
Интенсивность взрыхления водород-катионитных фильтров принимается в соответствие с рекомендациями раздела 4.4. Интенсивность ω
подачи воды для взрыхления катионита принимается равной 4 л/с.м2
при крупности катионита 0,5 – 1,1 мм и 5 л/с.м2 при крупности 0,8 – 1,2
мм. Продолжительность взрыхления должна быть не менее 20 – 30 мин.
Скорость пропуска регенерационного раствора серной кислоты через
слой катионита должна быть не менее 10 м/ч, так как при меньшей скорости возрастает опасность загипсовывания катионита.
Отмывка катионита производится неумягченной водой, пропускаемой через слой катионита сверху вниз со скоростью 10 м/ч. Отмывка катионита заканчивается при снижении кислотности воды после отмывки
фильтра до величины равной сумме концентраций анионов сильных кислот в исходной воде (Cl-, SO42-). Объем воды на отмывку qуд составляет
4-5 м3 на 1 м3 катионита в фильтре. Первую половину объема отмывочной воды сбрасывают в техническую канализацию, вторую половину – в
баки взрыхляющей воды.
В схемах последовательного Н-Na-катионирования для устранения
щелочности иногда применяют Н-катионитные фильтры с голодной регенерацией. Названием «голодная регенерация» подчеркивается основная особенность этой технологии, а именно то обстоятельство, что регенерация отработанного катионита проводится с недостатком кислоты на
переход всего имеющегося в фильтре катионита в Н-форму. При этом,
при работе фильтра с голодной регенерацией поддерживается режим
получения фильтрата с нулевой кислотностью и минимальной щелочностью.
После голодной регенерации Н-фильтра в его загрузке образуется
два слоя: водород-катионита и неотрегенерированного кальций-магнийкатионита. На рис. 6.4 приведены схемы Н-катионитных фильтров при
нормальной и голодной регенерации.
В верхнем водородном слое происходит поглощение всех катионов:
Са 2 + , Mg 2 + , Na + . Взамен их появляются ионы водорода, часть кото−
рых расходуется на нейтрализацию ионов HCO3 по формуле (6.6). В
результате уменьшается щелочность воды. В нижнем слое остальные
ионы водорода обмениваются на ионы солей жесткости и натрия. При
вытеснении из катионита ионов водорода и начале проскока натрия щелочность увеличивается, фильтр выключают на регенерацию (см. рис.
6.4 в). Так как щелочность в этом фильтре удаляется, то устраняется и
карбонатная жесткость. При необходимости некарбонатная жесткость
удаляется в последующем натрий-катионитном фильтре.
Преимущества данного метода заключаются в том, что для его осуществления используется теоретический расход кислоты, а минимальная величина остаточной щелочности воды достигается при отсутствии
86
кислого фильтрата и кислых отработанных регенерационных растворов.
Проведенный анализ различных ионообменных методов водоподготовки
показал, что с точки зрения уменьшения ущерба, наносимого окружающей среде, водород-катионирование с “голодной” регенерацией является наиболее предпочтительным.
Рис. 6.4. Примерная схема расположения катионов в
слое катионита: а) – при нормальной (полной) регенерации; б) – при голодной регенерации; в) - при голодной регенерации в конце фильтроцикла
Технология водород-катионирования с голодной регенерацией предусматривает применение среднекислотных (полифункциональных с
сульфо- и карбоксильными группами сульфоуглей) и синтетических слабокислотных (монофункциональных карбоксильных) катионитов типа КБ4. Наибольшее распространение благодаря низкой стоимости получил
сульфоуголь, однако рабочая обменная емкость его в описываемом режиме обычно не превышает 300 г-экв/м3. Синтетические слабокислотные
катиониты при расходе кислоты на регенерацию близком к стехиометрическому, характеризуются рабочей динамической обменной емкостью по
кальцию и магнию на уровне 1 600–2 600 г-экв/м3, что обеспечивается их
высокой полной обменной емкостью около 3 500 г-экв/м3. При столь высоких значениях рабочей обменной емкости резко снижается количество
регенераций фильтра в сутки, что облегчает эксплуатацию водоподготовительных установок и сокращает объем сточных вод.
Оборудование и технологическая схема водород-катионирования с
голодной регенерацией ничем не отличается от применяемых в схемах
с обычной регенерацией.
6.4. Схемы и оборудование для водород-катионирования
Принципиальные схемы водород катионирования аналогичны схемам натрий-катионирования, приведенных на рис. 4.3.
Также как и при натрий-катионировании, наиболее применяемой является параллельно-точное катионирование. Эта схема проста в экс87
плуатации и надежна. При обосновании допускается применение противоточной регенерации.
Одноступенчатое водород-катионирование позволяет получить
фильтрат с общей жесткостью до 0,1 г-экв/м3. Двухступенчатое водородкатионирование, как правило, применяется только в схемах ионитового
обессоливания воды, При умягчении воды в промышленных предприятиях и котельных для получения воды с более низкой жесткостью (до
0,01 г-экв/м3) водород-катионитные фильтры применяют с последовательным подключением натрий-катионитных (см. раздел 7).
Одной из особенностей водород-катионирования является взаимодействие ионов Н+, содержащихся в фильтрованной и исходной воде с
ионами НСО3-. В результате образуется свободная двуокись углерода:
HCO3− + H + D H 2CO3− D H 2О + CO2 .
(6.6)
Во избежание коррозии на последующем пути умягченной воды двуокись углерода удаляют, для чего в схемах водород-катионирования устанавливают дегазаторы.
Схема одного из вариантов установки водород-катионитного фильтра вместе с вспомогательным оборудованием приведена на рис. 6.5.
Отличие этой схемы от натрий-катионирования – применение кислотостойкого оборудования и использование кислоты для регенерации
фильтра.
На схеме приведен напорный фильтр с параллельным движением
воды и раствора кислоты на регенерацию. Исходная вода подается в
верхнюю часть фильтра и, пройдя через толщу катионита, подается в
дегазатор. Конструкция дегазатора описана ниже в разделе 8.
Кислота хранится в изолированном от других помещений складе. Во
избежание утечек кислоты ее перекачка производится без насосов, с
помощью вакуумирования или вытеснения сжатым воздухом. Из цистерны хранения кислота переливается в бак-мерник кислоты, необходимый
для контроля ее расхода.
Из бака-мерника кислота откачивается с помощью эжектора, в который подается вода под напором 20-30 м. В эжекторе происходит разбавление кислоты до необходимой концентрации, для чего с помощью
расходомера контролируется расход воды подаваемой в эжектор. Раствор кислоты подается в верхнюю часть фильтра, отработанный раствор
сбрасывается в техническую канализацию.
Отмывка фильтра производится по линии подачи исходной воды.
Первая половина отмывочной воды сбрасывается в канализацию, последняя собирается в баке для взрыхления фильтра. Взрыхление
фильтра производится с помощью насоса.
88
Рис. 6.5. Схема установки умягчения воды водород-катионированием: 1 водород-катионитный фильтр; 2 - дегазатор; 3 - вентилятор; 4 - насос перекачки очищенной воды; 5 - бак воды для взрыхления; 6 - насос подачи воды
на взрыхление фильтра; 7 - бак хранения кислоты; 8 - бак-мерник кислоты;
9 - эжектор; 10 - линия откачки воздуха вакуум-насосом; 11 - слив кислоты
от транспортных средств; В - водопровод; В1 - умягченная вода; В2 - химически очищенная вода; В3 - вода на взрыхление фильтра; В4 - сбор отмывочной воды; К - сточные воды
В зависимости от производительности и требуемой площади фильтрования устанавливается необходимое число параллельных Нкатионитных фильтров.
Водород-катионитные фильтры по конструкции аналогичны натрий-катионитным. Но при водород-катионировании, аппараты, трубопроводы и арматура, соприкасающиеся с кислой водой или фильтратом,
защищаются от коррозии или изготавливаются из антикоррозионных материалов. Ряд заводов выпускает фильтры с корпусами из двухслойного
стального листа, сторона которого , обращенная внутрь, сделана из кислотоупорной стали. При использовании для изготовления фильтров из
89
обычной листовой стали внутреннюю поверхность корпуса оклеивают
специальной резиной, полимерными материалами или покрывают специальными лаками и эмалями.
Характеристики части фильтров этого типа, выпускаемых в России,
приведены в таблице 6.2. Схемы водород-катионитного фильтра Бийского котельного завода приведены на рис. 6.6-6.7.
Для хранения крепкой серной кислоты промышленностью выпускается бак БК-15, емкостью 15 м3, для хранения меньших объемов используют вытеснитель кислоты БНВ. Характеристики бака и вытеснителя
приведены в таблице 6.3.
Воздух для вытеснения кислоты подается от компрессора установленного в здании водоподготовки, но чаще от системы воздухоснабжения предприятия.
Эжекторы выполняются из полимерных материалов, обычно из поливинилхлорида, стойкого к действию кислот. На рис. 6.9 приведена конструкция эжектора, применяемого для водоподготовительных установок
производительностью до 200 м3/ч.
Рис. 6.6. Схема работы водородкатионитного фильтра: 1- исходная вода;
2 – фильтрат; 3 – подача раствора кислоты; 4 – вода на взрыхление; 5 – сброс
в канализацию воды от взрыхления; 6 –
сброс отмывочной воды и отработанных
растворов; 7 – гидровыгрузка катионита;
8 - загрузка катионита.
90
Рис. 6.7. Водород-катионитный фильтр ФИП: а) - вид сбоку; б)
– план; остальные обозначения см. на рис. 6. 6.
Таблица 6.2
Фильтры водород-катионитные первой ступени, вертикальные параллельноточные
Габаритные размеры,
Фильтрующая
Завод мм
загрузка
изготовиМасса, кг,
Обозначение
тель
не более
Условный Высота, Объем,
Высота
3
диаметр
мм
м
*
ФИПаI-1,0-0,6-Н 899
3640
1000
2000
1,57
1
*
ФИПаII-1,0-0,6-Н 831
2968
1000
1500
1,17
1
*
ФИПаI-1,4-0,6-Н 1464
3665
1400
2000
3,07
1
ФИПаII-1,4-0,6-Н 1437*
2945
1400
1500
2,3
1
В-2
15000
4870
2000
2500
2
В-2,6
27000
5195
2600
2500
2
В-3
36000
5460
3000
2500
2
В-3,4
47000
5724
3400
2500
2
*
Примечания: фильтры без загрузки; заводы: 1 - Бийский котельный завод
(http://www.mpbikz.ru); 2 – Таганрогский котельный завод.
Таблица 6.3
Баки хранения крепкой серной кислоты
Марка Рабочее
Объем,
Габариты, мм
Масса,
3
давление,
м
кг
Высота Диаметр
МПа
БК-15
0,6
15
5800
2000
3260
(длина)
БНВ-1,6
0,6
1,6
2565
1016
628
Завод изготовитель
Таганрогский
КЗ
Бийский КЗ
91
Рис. 6.8. Баки для концентрированной серной кислоты: а) БНВ;
б) БК; 1 - заполнение кислотой; 2 – сжатый воздух; 3 – выход кислоты; 4 - воздушник
Рис.6.9. Эжектор для перекачки серной кислоты: 1- подача воды; 2 –
подвод концентрированной кислоты; 3 – выход растворы кислоты; 4 –
сопло; 5 - горловина
В эжектор подается умягченная вода с напором не менее 25-30 м.
Диаметр подводящего и выходного патрубков равен 57 мм. В эжекторе
92
вода выходит из сопла диаметром 8 мм, в результате высокой скорости
выхода воды, давление в камере эжектора снижается и происходит подсос серной кислоты. Расход кислоты может регулироваться изменением
подачи воды в эжектор.
6.5. Расчет и подбор оборудования водород-катионитных
установок
6.5.1. Расчет водород-катионитных фильтров с полной регенерацией
Как уже было сказано выше, при полной регенерации фильтры работают до проскока жесткости в фильтрат. Расчет оборудования для водород-катионирования аналогичен расчету натрий-катионитных установок,
изложенному в разделе 4.6. Основы расчета приведены также в нормах
[1].
В первую очередь выбирается катионит для загрузки фильтров, марки некоторых из них приведены в табл. 3.1. Для фильтров с полной регенерацией применяется сильнокислотные катиониты. Для выбранного
катионита определяются его характеристики, в том числе Еполн – полная
обменная емкость катионита, г-экв/м3.
Если потребителю требуется вода с жесткостью не ниже 0,1 г-экв/м3
возможно применение одной ступени водород-катионирования. Для
обеспечения такой жесткости фильтрата удельный расход кислоты
aн на регенерацию должен быть не менее 60 г/г-экв (см. рис. 6.3).
По таблице 6.1 по принятому удельному расходу кислоты aн определяется коэффициент эффективности регенерации водород-катионита
αH .
По формуле (6.2) находится рабочая обменная емкость водородкатионита.
Объем катионита Wн , м3, в фильтрах первой ступени определяется
по формуле
Wн =
н
24 qпол
( Ж о .исх + С Na )
n p E нраб
,
(6.7)
н
где qпол - расход воды, подаваемый на Н-фильтры, м3/ч; Ж о .исх - общая
н
жесткость воды поступаемой на фильтры, г-экв/м3; E раб - рабочая обменная емкость катионита при водород-катионировании, г-экв/м3; n p число регенераций каждого фильтра в сутки, принимаемое в пределах
от одного до трех.
93
Выбирается тип фильтра (табл.6.2) и определяется высота загрузки
H н , м, в нем.
По высоте загрузки находится общая площадь фильтров Fн и их количество
Fн =
Wн
.
Hн
(6.8)
По площади находится число фильтров и выполняется проверка допустимости расчетных скоростей фильтрования.
Массу 100 %-ной кислоты Рн, кг, на одну регенерацию водородкатионитного фильтра определяют по формуле
PH =
f н H н aн
1000
(6.9)
где aн - удельный расход кислоты для регенерации катионита, г/г-экв,
определяемый по рис. 6.3 в зависимости от требуемой жесткости
фильтрата.
Остальные определения аналогичны расчетам, приведенным в разделе 4.6.
Пример 4. Расчет водород-катионитного фильтра с полной регенерацией
Исходные данные: Вода подаваемая на водород-катионитные
фильтры имеет химический состав, приведенный в примере 1: общее
солесодержание Р - 2,47 г-экв/м3; общая жесткость Жо.исх – 0,87 г-экв/м3;
жесткость карбонатная Жк – 0,85 г-экв/м3; щелочность Щ - 0,85 г-экв/м3;
общее содержание в воде катионов Ск – 1,25 г-экв/м3; концентрация натрия (Na+) - 0,3 г-экв/дм3; содержание хлоридов (Cl-) – 0,11 г-экв/дм3; содержание сульфатов (SO42-) – 0,24 г-экв/дм3.
Жесткость воды должна быть не выше 0,1 г-экв/дм3. Полезный расн
ход воды qпол – 25 м3/ч.
Обоснование данных для расчета приведено выше в разделе 6.5.1.
Схема установки водород-катионирования и пояснения к ней приведены
в разделе 6.4.
Расчет:
1. Поскольку при полной регенерации катионита фильтрат имеет
рН<7, выбирается сильнокислотный катионит. По данным табл. 3.1 выбирается один из самых дешевых катионитов - сульфоуголь с размером
зерен 0,3-1,5, мм и полной обменной емкостью Еполн равной 600 г-экв/м3.
94
2. Удельный расход серной кислоты на регенерацию принимается
равным aн = 60 г/г-экв.
3. Коэффициент эффективности регенерации водород-катионита определен по таблице 6.1 равным α H = 0,71.
4. Удельный расход на отмывку катионита после регенерации, принимаемый равным: qуд = 5 м3 на 1 м3 катионита.
По формуле (6.2) находится рабочая обменная емкость водородкатионита.
H
E раб
= α H E полн − 0 ,5 q уд C к = 0,71 . 600 – 0,5 . 5,0 . 1,25 = 423 г-экв/м3
6. Поскольку исходная вода имеет малую жесткость принимается
одна регенерация фильтра в течение суток, n p = 1.
5. Объем катионита Wн , м3, в фильтрах находится по формуле (6.7)
Wн =
н
24 qпол
( Ж о .исх + С Na )
n p E нраб
= 24 . 25. (0,87 + 0,3)/ (1 . 423) = 1,66 м3.
6. К установке принимаются
фильтры водород-катионитные
ФИПаI-1,0-0,6-Н диаметром 1,0 м и высотой загрузки катионита Нн равной 2,0 м. Площадь одного фильтра f равна 0,785 м2, высота корпуса 3640 мм. Конструкция фильтра приведена на рис. 6.6-6.7.
7. Требуемая площадь фильтра из условия размещения расчетного
объема катионита по формуле (6.8) равна
Wн
= 1,66/2,0 = 0,83 м2.
Hн
8. Число рабочих фильтров Nраб = Fн / f = 0,83/0,785 = 1,06. Число раFн =
бочих фильтров должно быть не менее двух. Поэтому принимается
Nраб = 2, с суммарной площадью фильтрования Fн = 2 . 0,785 = 1,57
м2.
9. Скорость фильтрования воды в рабочем режиме составит
Vфакт
н
qпол
=
= 25/(2 . 0,785) = 15,9 м/ч.
N раб f
Скорость фильтрования в форсированном режиме, при выключенном
на регенерацию одном фильтре равна
95
Vфакт
н
qпол
=
= 25/(1 . 0,785) = 31,8 м/ч.
( N раб − 1) f
Скорости находятся в допустимых пределах, указанных в разделе 4.6
и нормах [1].
10. Окончательно в проекте предусмотрено применение двух рабочих и одного резервного фильтров.
11. Масса 100 %-ной серной кислоты на одну регенерацию водородкатионитного фильтра определена по формуле (6.9)
PH =
f н H н Е раб aн
1000
= 0,785 . 2,0 . 423 . 60/1000 = 39,8 кг.
12. Суточный расход кислоты, необходимый для регенерации Нфильтров равен:
Gcут = Pн n p N раб = 39,8. 1 . 2 = 79,6 кг/сут.
Масса кислоты для нормируемого хранения в течение 15 суток
G = 79,6 . 15 = 1194 кг = 1,2 т.
Объем бака требуемый для хранения этой массы
Wк =
100 G
,
ρс
(6.10)
где G – масса кислоты хранимая в баке, т; ρ = 1,83 - удельная масса
технической серной кислоты 95% концентрации, т/м3; с = 95 – концентрация кислоты, %.
В результате определения Wк = 1,05 м3. Для хранения кислоты применен бак БНВ-1,6 (см. табл. 6.3). Объем бака 1,6 м3.
13. При количестве рабочих фильтров менее четырех, объем мерника кислоты определяется из условия регенерации одного фильтра.
Объем мерника определен по формуле (6.10) при G = Pн = 39,8 кг.
В результате Wмерн = 0,023 м3 = 23 л. В проекте должно быть два
мерника.
14. Объем раствора кислоты 1,5 % концентрации для одной регенерации одного фильтра W раств , м3, определяется по формуле:
96
W раств =
100 р Н
= 100 . 39,8/ (1000 . 1,01 . 1,5) = 2,6 м3.
1000 ρ с
В расчете плотность раствора кислоты 1,5 % концентрации по справочным данным принята равной 1,01 т/м3.
Объем воды требующийся на приготовление раствора практически
равен объему раствора, так как плотность его близка к плотности воды.
Регенерационный раствор попускается через фильтр со скоростью
V равной 10 м/ч.
Расход регенерационного раствора равен
q рег = V f = 10 . 0,785 = 7,85 м3/ч = 2,18 л/с.
15. Расход воды на взрыхление фильтров qвзр, л/с, определяется по
формуле (4.19), в которой ω = 4 л/с.м2, площадь фильтрования f
фильтра равна 0,785 м2.
В результате:
qвзр = ω f = 4 . 0,785 = 3,14 л/с.
Объем воды Wвзр , м3, взрыхление фильтра определяется по формуле (4.20), в которой продолжительность взрыхления t взр принята равной
20 мин. В результате определения для фильтров первой ступени
Wвзр = 60 qвзр tвзр / 1000 = 60 . 3,14 . 20/1000 = 3,8 м3.
Вода для взрыхления хранится в баках (один рабочий, один резервный). Объем каждого бака рассчитан на два взрыхления, то есть, равен
7,6 м3. Высота каждого бака принимается равной 2,5 м, диаметр – 2,0 м.
16. Вода на отмывку подается та же и по тому же трубопроводу, что
и на умягчение.
Объем воды для отмывки Wотм , м3, определяется по формуле (4.21):
Wотм = qотм H к f = 5 . 2,0 . 0,785 = 7,85 м3.
17.
Суточный расход воды на собственные нужды водородкатионитной установки равен
Qc .н . = ( W раств + Wвзр + Wотм ) n p N раб =(2,8+3,8+7,85).1.2=28,9 м3/сут.
18. Определение диаметров трубопроводов и потерь напора в них
производится так же как в примере 4 и в данном примере не приведено.
6.5.2. Расчет водород-катионитных фильтров с голодной регенерацией
Этот расчет аналогичен расчету фильтров с полной регенерацией.
Но удельный расход серной кислоты на регенерацию принимается равным aн = 50 г/г-экв удаленной из воды карбонатной жесткости.
97
В расчете используют понятие «условной» рабочей обменной емкости катионита по иону НСО3- (до момента повышения щелочности
H
фильтрата). Величину
«условной» рабочей обменной емкости E раб
принимают для сульфоугля равной 250 – 300 г-экв/м3, для катионита КБ4 500 – 600 г-экв/м3.
н
Жесткость фильтрата Ж ф , г-экв/м3, водород-катионитного фильтра
при «голодной» регенерации равна
Ж фн = ( Cl − ) + ( SO42 − ) + Щ ост − ( Na + ) ,
−
(6.11)
2−
где ( Cl ),( SO4 ) - содержание хлоридов и сульфатов в исходной воде,
+
г-экв/м3; Щ ост и ( Na ) -содержание щелочности и натрия в умягченной
воде, равные соответственно 0,7-1,5 и 2 г-экв/м3.
Все остальные определения и технологическая схема по примеру 5
остаются без изменения.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие сооружения используются для бессточного умягчения воды?
2. Какие требования предъявляются к воде поступающей на водородкатионитные фильтры?
3. Какие типы катиониты применяются для умягчения воды при водород-катионировании? Объяснить.
4. Какие слои можно выделить в толще загрузки
водородкатионитных фильтров? Что происходит с этими слоями по времени работы фильтра?
5. Как изменяется щелочность фильтрата по времени работы водород-катионитных фильтров?
6. Какой фактор при регенерации фильтра влияет на жесткость
фильтрованной воды?
7. Какие операции выполняют при регенерации водород-катионитных
фильтров?
8. Почему регенерацию Н-фильтров серной кислотой следует проводить с малой концентрацией раствора серной кислоты и скоростью пропуска раствора не менее 10 м/ч?
9. Можно ли проводить регенерацию Н-фильтров соляной или другими кислотами?
10. В чем особенность умягчения воды в Н-катионитных фильтров с
голодной регенерацией? С какой целью они применяются?
98
7. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
На практике широкое распространение имеют комбинированные
схемы умягчения воды, позволяющие получить ее с заданным качеством с минимальными затратами.
При обработке мутных и цветных поверхностных или железосодержащих подземных вод умягчение производится обычно с предварительной очисткой, то есть ее перед катионированием известкуют и коагулируют.
В литературе, наряду с графическими схемами обработки воды, используют символьные. Применяют следующие символы для обозначения процессов и аппаратов: И – известкование; К – коагуляция; М –
фильтр осветлительный (механический); Na1, Na2 – натрий-катионитный
фильтр первой и второй ступеней соответственно; Б – бак; Д – дегазатор; H1, H2 – водород-катионитный фильтр первой и второй ступеней соответственно; Hг - водород-катионитный фильтр с «голодной» регенерацией».
Символами можно описать следующие прямоточные схемы, в которых обрабатываемая вода проходит без разрыва потока всю технологическую цепочку аппаратов:
1) Na1; 2) Na1 - Na2; 3) И – К – Б – М - Na1 - Na2; 4) H1 – Д – Б;
5) H1 – H2 - Д – Б; 6) H1 – Д – Б - Na1; 7) Hг – Na1 - Д – Б и др.
Схема 2 в графическом виде приведена на рис. 4.7, расчет установки
по этой схеме выполнен в примере 4. Часть схемы 3 описана в разделе
2.4. Расчет сооружений по схеме 4 приведен в примере 5. Области применения некоторых из этих схем даны в таблице 7.1
Ниже приводятся сведения о некоторых комбинированных схемах Н
– Na-катионирования воды.
7.1. Параллельное водород-натрий-катионитное умягчение воды
Принципиальная схема установки работающей по этому методу обработки воды приведена на рис. 7.1.
Водород-катионитный фильтр включается в эту схему для уменьшения щелочности (декарбонизации) воды. На стадии Н-катионирования
получается кислая мягкая вода, которая далее используется для нейтрализации потока щелочной воды поступаемой от Na-катионитных
фильтров. При смешении названных потоков происходит реакция ионов
Н+, содержащихся в фильтрате Н-катионитных фильтров, с ионами
НСО3-, которые присутствуют в Na-катионированной воде
H + + HCO3− → H 2O + CO2 ↑ .
(7.1)
99
Образующаяся свободная двуокись углерода удаляется в дегазаторе
(декарбонизаторе).
Рис. 7.1. Принципиальные технологические схемы параллельного Н-Naкатионирования: а) – с одной ступенью катионирования; б) – с двумя ступенями
Na-катионирования.
Натрий-катионирование не уменьшает щелочность воды. Но, смешивая потоки умягчаемой воды от Na-катионитных и Н-катионитных
фильтров в определенной пропорции, можно получить воду с заданной
щелочностью. Полезный расход воды подаваемой на водородн
катионитные фильтры qпол , м3/ч, в этой схеме определяется по формуле
н
qпол
=
qпол ( Щ о − Щ у )
А + Що
,
(7.2)
где qпол - полный полезный расход воды, подаваемый на установку; Що и
Щу – щелочность исходной воды и требуемая щелочность умягченной
воды соответственно, г-экв/дм3; А – суммарное содержание в исходной
воде анионов сильных кислот (Cl-, SO42-), г-экв/дм3.
Остальной расход воды подается на натрий-катионитные фильтры
Na
qпол
, м3/ч
Na
н
qпол
= qпол − qпол
.
(7.3)
Одна ступень параллельных водород-катионитных
и натрийкатионитных фильтров (рис. 7.1 а) позволяет получить фильтрат общей
жесткостью не ниже 0,1 г-экв/дм3 и щелочностью 0,4 г-экв/дм3.
Для более глубокого умягчения воды, с получением жесткости
фильтрата до 0,01 г-экв/дм3 после декарбонизатора устанавливают вторую ступень натрий-катионитных фильтров (рис. 7.1 б).
100
Вспомогательное оборудование для регенерации Na- и Hкатионитных фильтров на рис. 7.1 не показано, оно такое же, как и в независимых схемах приведенных на рис. 4.7, 6.5.
Расчет фильтров и вспомогательного оборудования водородкатионитных и натрий-катионитных фильтров производится по указаниям и примерам, приведенным в разделах 4.6 и 6.5.
7.2. Последовательное водород-натрий-катионитное умягчение
воды
Схемы установок, в которых используются эта технология обработки
воды, приведена на рис. 7.2.
Рис. 7.2. Принципиальные технологические схемы последовательного Н-Naкатионирования
Технология умягчения воды по схеме 7.2-а аналогична технологии
параллельного Н-Na-катионирования. Главное отличие, в том, что часть
воды проходит через оба типа фильтра, а часть только через Naкатионитный фильтр.
Часть потока воды, подаваемой на водород-катионитные фильтры
н
qпол
, определяется по формуле (7.2). Кислая вода после Н-
катионирования смешивается перед декарбонизатором с потоком исходной воды и используется для нейтрализации ее щелочности. Через
декарбонизатор и Na-катионитный фильтр проходит полный поток воды
qпол подаваемой на установку.
По этой технологии возможно получение очищенной воды с жесткостью 0,01 г-экв/дм3 и щелочностью 0,7 г-экв/дм3.
Н-катионитные фильтры рассчитываются с учетом качества исходной
воды (см. раздел 6.5.1). При расчете Na-катионитных фильтров учитывается, что у части потока воды проходящей через Н-катионитные
101
фильтры жесткость снижается до величины равной 0,1 г-экв/дм3. С учеNa
том этого общая жесткость воды Ж о подаваемой на Na-катионитный
фильтр равна
Ж оNa
=
Н
Н
0 ,1qпол
+ ( qпол − qпол
) Ж о .исх
.
qпол
Щелочность и карбонатная жесткость воды, при применении этой
схемы, снижаются до 0,7 г-экв/дм3. В остальном, расчет ведется по примеру, приведенному в разделе 4.6.
В технологии приведенной на схеме 7.2-б предусматривается применение Н-катионитных фильтров с «голодной» регенерацией. В этой
схеме весь поток воды пропускается через Н-катионитные фильтры. В
фильтрах с «голодной» регенерацией, как уже было сказано в разделе
6.3, удаляется только карбонатная жесткость и щелочность. Расчет этих
фильтров ведется по указаниям приведенным в разделе 6.5.2.
Для предотвращения опасности перекисления воды и повышения
надежности получения химически очищенной воды с постоянной щелочностью в этой схеме предусматривается установка дополнительного Naкатионитного буферного фильтра. В буферный фильтр загружают катионит, находящийся частично в Na-форме, частично в Н-форме, что позволяет в какой-то мере выравнивать колебания щелочности и кислотности воды. Буферные фильтры не регенерируются (вернее они саморегенерируются), их эксплуатация предусматривает только периодическое,
через 1 – 2 месяца, проведение операции взрыхления. Площадь этих
фильтров определяется по рекомендуемой скорости фильтрования,
принимаемой не более 40 м/ч. Высота слоя катионита принимается равной 1,5-2,0 м.
Общая жесткость фильтрованной воды Ж ф , г-экв/дм3, получаемой
на установке этого типа равна
Ж ф = Ж н .к + ( 0 ,7 − 1,5 ) ,
(7.4)
где Ж н .к . - некарбонатная жесткость исходной воды, г-экв/дм3.
Щелочность фильтрата находится здесь в пределах 0,7-1,5 г-экв/дм3.
На производственных установках предусматривают возможность регенерации катионитных буферных фильтров раствором технической поваренной соли. При регенерации буферных фильтров осуществляется переход работы установки на схему аналогичную приведенной на рис. 7.2102
а, менее экономичную, но обеспечивающую более высокое качество воды.
7.3. Технологические показатели и область применения различных схем установок катионитного умягчения воды
Выбор метода катионирования воды определяется требованиями потребителя, предъявляемыми к очищенной воде и составом солей растворенных в исходной воде. Очищенную воду можно получить различными методами. В этом случае выбор технологии очистки воды производится в результате технико-экономических анализов. При изменении
цен на реагенты и оборудование, одни методы могут отодвигаться на
задний план, другие получать преимущественное применение.
В табл. 7.1 приведены показатели качества очищенной воды и рекомендации по применению различных схем катионирования воды. В основу рекомендаций положены указания нормативной литературы [1, 9].
Таблица 7.1
Показатели и область применения различных схем установок катионитного умягчения воды
Качество фильтрата
общая
общая
Рекомендации к
Технологическая схема жестщелочприменению
кость, г- ность, гэкв/дм3
экв/дм3
Одноступенчатое
катионирование Na1
Na-
Двухступенчатое
Naкатионирование Na1 - Na2
Н-катионирование
с
дегазацией и подщелачиванием
Параллельное
Н-Naкатионирование с дегазацией (рис. 7.1-а)
0,05 Без изУмягчение воды без
0,1
менения
снижения ее щелочности
0,01
Без изГлубокое умягчение
менения
воды; умягчение при
жесткости воды выше
6 г-экв/дм3, без снижения ее щелочности
0,05 0,35
Умягчение воды с
0,1
содержанием (Cl- +
SO42- ) до 1 г-экв/дм3
0,1
0,4
В исходной воде (Cl+ SO42-) < 4 г-экв/дм3,
Na+< 2 г-экв/дм3.
103
Продолжение таблицы 7.1
Последовательное НNa-катионирование с дегазацией H1 – Д – Б - Na1
(рис. 7.2-а)
0,01
0,7
Фильтрование через НСм.
0,7
катионитный фильтр с формулу 1,5
«голодной» регенераци- (7.4)
ей с последующим пропуском воды через буферный Na-катионитный
фильтр и дегазацией
(рис. 7.2-б)
В исходной воде:
солесодержание
бо3
лее 700 мг/дм ; жесткость воды выше 6 гэкв/дм3;
жесткость
карбонатная Жк менее
50 % общей жесткости
Жо
–
Получения химически очищенной воды с
щелочностью, жесткостью и рН в строго определенных пределах.
Щелочность исходной
воды более 3 г-экв/дм3
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Опишите символами какую-нибудь схему катионирования воды.
2. Какова роль водород-катионитного фильтра в параллельном Н-Naкатионировании?
3. С какой целью после Н-катионитных фильтров с «голодной» регенерацией устанавливаются Na-катионитные буферные фильтры.
4. Назовите главные факторы, влияющие на выбор схемы катионирования воды.
8. УДАЛЕНИЕ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА ИЗ ВОДЫ
При применении водород-катионитных фильтров щелочность воды
нейтрализуется с образованием свободной двуокиси углерода по реакции (6.6).
Для удаления двуокиси углерода вода подается на дегазатор. Дегазатор, используемый для удаления этого газа, образующегося в результате распада угольной кислоты, в теплоэнергетике именуется обычно
декарбонизатором (от латинского carbo – уголь).
Содержание свободной двуокиси углерода (СО2)вх, г/м3, в воде подаваемой на дегазатор устанавливаемый после Н-катионитных фильтров
определяется по формуле
( CO2 )вх = ( CO2 )о + 44 Щ о ,
104
(8.1)
где ( CO2 )о и Щ о - содержание свободной двуокиси углерода, г/м3, и
щелочности в исходной воде, г-экв/м3.
Содержание свободной двуокиси углерода в исходной воде определяется по данным химического анализа или менее точно по формуле
( CO2 )о = 0 ,268 ( Ж к )3 ,
(8.2)
где Жк - карбонатная жесткость исходной воды, г-экв/м3.
Растворимость в воде двуокиси углерода С, г/м3, как и других, химически не взаимодействующих газов, зависит от температуры воды и его
парциального давления и определяется законом Генри
С = Кр ,
(8.3)
где К – коэффициент абсорбции газа, зависящий от рода газа; р - парциальное давление газа над жидкостью, зависящее от его доли α в воздухе.
Парциальное давление газа в воздухе определяется из следующей
формулы
р = α( ро − рп )
(8.4)
где ро - атмосферное давление; рп - давление паров воды при данной
температуре.
Мольная доля α для CO2 в воздухе составляет 0,03 %. Парциальное
давление двуокиси углерода невелико и не превышает 0,03 кПа при
обычном атмосферном давлении равном 100 кПа и температуре 200 С.
При достаточно длительном контакте воды с воздухом концентрация
двуокиси углерода устанавливается на уровне определяемым уравнением (8.3), эта концентрация называется равновесной. Расчеты показывают, что при температуре 50 С равновесная концентрация двуокиси
углерода равна 2,77 г/м3, при температуре 200 С – 1,69 мг/л.
Эти величины являются пределом, до которого при соответствующей
температуре может быть снижено содержание CO2 в воде при разбрызгивании ее в потоке воздуха, то есть в процессе называемом аэрацией.
На практике эти предельные значения не достигаются, так как степень удаления двуокиси углерода зависит от конструкции аэрационного
аппарата. При катионировании воды для удаления CO2 наиболее часто
используются вентиляторные градирни-дегазаторы (декарбонизаторы).
Принципиальная схема дегазатора приведена на рис. 8.1.
105
Дегазатор представляет собой
стальной цилиндр, внутри которорого располагается насадка. Вода подается на дегазатор сверху
через распределительные сопла.
Снизу в аппарат с помощью
тилятора подается воздух.
Насадка
служит
для
ния поверхности контакта воды и
воздуха, что способствует усилению десорбции газа из воды. Для
организации движения воды по
насадке в виде пленки исются керамические кольца Рашига размером 25х25х4 мм. Кольца
размещают на промежуточное
Рис. 8.1. Дегазатор: 1-корпус; 2 - наднище, выполняемого в виде
садка; 3-подача воды; 5- отвод воды; 4 дырчатого листа или решетки.
распределительные сопла; 6 – вентиляПлощадь поверхности 1 м3 колец
тор; 7-воздухоотводящие патрубки; 8 –
Рашига составляет 204 м2. Кроме
выброс газа
керамических колец Рашига промышленность выпускает кольца и из других материалов и иных форм.
Если в воде содержатся взвеси, то во избежание засорения дегазатора, обычно применяют деревянную хордовую насадку, состоящая из
деревянных брусков размером 5х13 мм, уложенных с прозорами 20 мм в
шахматном порядке. Насадка выполняется в виде щитов, которые укладываются с прокладками между ними из брусков толщиной 50 мм. Площадь поверхности насадки в одного щите при его диаметре 1,0 м составляет 3 м2. При одинаковых объемах поверхность деревянной хордовой насадки значительно меньше, чем у колец Рашига.
Отвод воздуха из дегазатора производится через патрубки оборудованные каплеотделителями. На линии отвода воды из бака аппарата устанавливается гидравлический затвор, для предотвращения потерь подаваемого воздуха.
Градирни-дегазаторы являются одним из наиболее совершенных аппаратов для удаления двуокиси углерода. В практике с этой целью используются и другие устройства.
При небольших расходах воды и наличии центрального воздухоснабжения на предприятиях используются барботажные дегазаторы,
схема этого типа дегазатора дана на рис. 8.2. Барботажные дегазаторы
могут быть одно- и двухсекционными.
106
На рисунке показан двухсекционный дегазатор, вода здесь последовательно проходит
через две секции аппарата, расположенные
одна над другой. Воздух подается параллельными потоками в нижнюю часть каждой секции. Над слоями воды в секциях создается
воздушное пространство высотой около 0,5 м.
Над отверстиями подачи воздуха устанавливается воздухораспределительная перегородка из пористой керамики или другого материала. Площадь барботажного дегазатора определяется по плотности q уд , принимаемой равной до 60 м3/(ч.м2). Удельный расход воздуха –
до 10 м3 на 1 м3 воды.
Для этих аппаратов требуется более высокое давление воздуха, создаваемое компрессором, нежели для декарбонизаторов. Кроме
того, необходимо предусматривать очистку
воздуха от смазочного масла компрессора.
На рис. 8.3 приведена схема установки с Рис. 8.2. Двухсекционный
вакуумно-эжекционными декарбонизаторами барботажный дегазатор:
(ВЭД) конструкции Комарчева. В приведенной 1-подача воды; 2 - подна рисунке установке находится семь ВЭД, вод воздуха; 3-отвод дегазированной воды; 4производительностью каждого 15 м3/ч. Прин- выброс газов
цип работы ВЭД: вода от скважин подается в
сопло в верхней части аппарата и с большой скоростью падает вниз по
колоннам труб. В колоннах образуется пониженное давление, в результате чего через патрубки, установленные на трубах, подсасывается наружный воздух и образуется водо-воздушная эмульсия. В этой эмульсии
происходит интенсивная десорбция углекислоты, дальнейшее отделение ее от воздуха и воды протекает в баке. Для нормальной работы ВЭД
напор воды перед соплами должен быть не менее 25 - 35 м.
Расчет вентиляторной градирни-дегазатора состоит в определении
ее геометрических размеров, необходимой площади насадки и подборе
вентилятора.
Площадь поперечного сечения градирни-дегазатора f , м2, равна
f =
q
,
q уд
(8.5)
где q - расход воды подаваемой на дегазатор, м3/ч; q уд - плотность орошения, м3/(м2.ч).
107
Рис. 8.3. Удаление двуокиси углерода в вакуумно-эжекционных
дегазаторах: а) - схема установки группы ВЭД; б) – схема одного
аппарата ВЭД; 1-подача воды на дегазацию; 2 - вакуумноэжекционные дегазаторы; 3 - распределительный трубопровод; 4
-сопло; 5 - патрубки подсоса воздуха; 6 - колонна труб
Плотность орошения q уд принимается равной 60 м3/ч на 1 м2 площади аппарата в плане при керамической насадке и 40 м3/ч при деревянной хордовой насадке.
По площади f находится диаметр дегазатора D , м,
D=
4f
π
(8.6)
Масса удаляемой двуокиси углерода G, кг/ч, находится из уравнения
( CO2 )вх − ( CO2 )вых 
G = q
 ,
1000

108
(8.7)
где концентрация двуокиси углерода на входе в дегазатор ( CO2 )вх - определяется из формулы (8.1); концентрация на выходе ( CO2 )вых - принимается в пределах от 3 до 10 г/м3.
Необходимую поверхность насадки F, м2, определяют из формулы
F=
G
.
k ж ∆Сср
(8.8)
Коэффициент десорбции kж, м/ч, определяется из графика на рис.
8.5. Средняя движущая сила десорбции ∆Сср, кг/м3, находится из графика на рис. 8.4.
Объем насадки W, м3, обеспечивающей эту поверхность равен
F
,
s
(8.9)
h =W / f
(8.10)
W=
где s – поверхность 1 м3 насадки, м2.
Высота слоя насадки h, м, в дегазаторе равна
Рис. 8.4. Зависимость средней движущей силы десорбции ∆Сср от концентрации СО2 до и после дегазатора:
1 – концентрация СО2 после дегазатора 3 г/м3; 2 – то же 5 г/м3; 3 - 10 г/м3
Рис. 8.5. Зависимость коэффициента десорбции Кж от температуры воды
109
В СНиП [1] для типовых насадок приведена таблица для упрощенного определения высоты насадки, заменяющая расчеты по формулам
(8.7-8.10), она же приведена в таблице 8.1 этого раздела.
Таблица 8.1
Определение высоты типовых насадок
Содержание СО2 в воде,
Высота слоя насадки в дегазаторе h, м
подаваемой на дегазатор, кислотоупорная
деревянная
3
г/м
керамическая
хордовая
50
3
4
100
4
5,2
150
4,7
6
200
5,1
6,5
250
5,5
6,8
300
5,7
7
Производительность вентилятора для подачи воздуха в дегазатор, L,
м /ч, находится из следующего уравнения
3
L = ql ,
(8.11)
где l - удельный расход воздуха, принимаемый равным 15 м на 1 м3 воды.
Вентилятор должен развивать напор Нвент, мм вод. ст. равный
3
H вент = ∆H ⋅ h + ( 30 ÷ 40 ) ,
(8.12)
где ∆Н – сопротивление насадки в мм вод. ст. на 1 м высоты, принимаемое для керамической насадки равное 30 мм вод. ст., для деревянной
хордовой – 10 мм вод. ст.
По производительности и напору подбирается марка вентилятора.
Пример 5. Расчет вентиляторной градирни-дегазатора
Исходные данные: Расход воды q поступающей на дегазатор в установке выполненной по схеме 7.1-а равен 25 м3/ч. щелочность Щ равна
0,85 г-экв/м3; содержание двуокиси углерода в исходной воде ( CO2 )вх
равна 6 мг/л; температура воды 20 0С. Требуемая концентрация двуокиси углерода на выходе ( CO2 )вых равна 5 г/ м3.
К расчету принимается дегазатор с насадкой из керамических колец
Рашига, с удельной поверхностью s равной 204 м2/м3. Плотность орошения принимается равной q уд = 60 м3/(м2.ч).
110
Площадь поперечного сечения дегазатора определена по формуле
(8.5): f =
25
= 0,42 м2.
60
Диаметр дегазатора по формуле (8.6) определен равным
4 ⋅ 0 ,42
= 0,73 мм. Диаметр принимается равным 800 мм. Тогда
3 ,14
фактическая площадь дегазатора в плане будет равной f = 0,5 м2.
D=
Концентрация двуокиси углерода на входе в дегазатор определена
по формуле (8.1)
( CO2 )вх = ( CO2 )о + 44 Щ о = 6 + 44 · 0,85 = 43,4 г/ м3.
Масса удаляемой двуокиси углерода найдена из уравнения (8.7):
 43 ,4 − 5 
G = 25 
= 0,96 кг/ч.

1000


Из графика на рис. 8.4 определено значение средней движущей силы десорбции: ∆Сср = 0,015 кг/м3, из графика на рис. 8.5 коэффициент
десорбции Кж = 0,4 м/ч.
По формуле (8.8) поверхность насадки равна
F=
0 ,96
= 160 м2.
0 ,4 ⋅ 0 ,015
Объем насадки из формулы (8.9) равен W =
160
= 0,78 м3.
204
Высота слоя насадки из формулы (8.10) равна h = 0 ,78 / 0 ,5 = 1,56 м.
Производительность вентилятора по формуле (8.11): L = 25 ⋅ 15 =
375 м3/ч.
Напор вентилятора из формулы (8.12): H вент = 30 ⋅1,56 + 30 = 77 мм
вод. ст. Или в расчете на давление – 770 Па.
Этим параметрам соответствует вентилятор Ц4-70 №2,5 с частотой
вращения рабочего колеса 2800 об/мин, мощностью электродвигателя
0,6 кВт. Размеры в плане вентилятора в комплекте с электродвигателем
равны 450 х 471 мм. Размер выходного патрубка (вход в дегазатор) -178
х 178 мм.
111
Общая высота дегазатора (см. рис. 8.1) складывается из водораспределительной части, равной около 500 – 700 мм; высоты насадки;
воздухораспределительной части, равной около 500 мм; высоты патрубка вентилятора и высоте водосборного резервуары – 500-700 мм.
На установке обычно предусматривается два дегазатора: рабочий и
резервный.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Как определить концентрацию двуокиси углерода в воде после Нкатионирования?
2. От каких факторов зависит растворимость газа в воде?
3. Что такое равновесная концентрация газа в воде?
4. Какой процесс называют аэрацией воды?
5. Принцип удаления двуокиси углероды в градирне-дегазаторе?
6. Принцип работы барботажного дегазатора?
7. Принцип работы вакуумно-эжекционного декарбонизатора?
9. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОМПОНОВКИ ЗДАНИЯ СТАНЦИИ
УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
Оборудование умягчения воды размещается в отдельном здании на
территории промышленного предприятия, зачастую это здание примыкает к котельной или другому цеху предприятия, в котором умягченная
вода используется.
Все помещения можно сгруппировать в блоки, каждый из которых
имеет унифицированные размеры в плане и по высоте. Блоки изолируются от других помещений перегородками. Блокирование производится
по характеру выделяющихся вредностей, по требуемой высоте помещения и, иногда, по другим критериям. Блокировке подлежат, как правило,
сооружения и помещения связанные общим технологическим процессом, например: фильтрование, хранение и приготовление реагентов и
т.п.
На станции умягчения воды можно выделить следующие блоки помещений:
- зал натрий- и водород-катионитных фильтров. Этот блок имеет самую большую высоту по сравнению с другими помещениями, она должна быть на 2-2,5 м выше полной высоты фильтров. Его высота, как правило, составляет 6000 мм до низа выступающей конструкции. Концентрация вредностей в этом зале обычно относительно невелика, потому
зал оборудуется естественной вытяжной вентиляцией. В этом блоке или
вблизи его размещаются дегазаторы. В фильтровальном зале фильтры
располагаются в один или два ряда.
112
- блок помещений хранения и растворения реагентов. Помещение
для хранения и приготовления раствора кислоты в этом блоке должно
быть изолировано и иметь не менее двух выходов наружу, так как серная кислота относится к сильно действующим ядовитым веществам. Высота помещений в этом блоке определяется высотой используемого
оборудования и должна быть не менее 4,20 м. В этом блоке необходима
вытяжная механическая вентиляция.
- блок помещений баков, насосов для взрыхления и перекачки воды.
Высота этого помещения определяется по тому же принципу, что и в
предыдущем блоке. Этот блок изолируется вследствие большого шума.
- блок вспомогательных и бытовых помещений – комната дежурного
персонала, химическая лаборатория, мастерская, душевая и туалеты.
Перечень помещений здесь может быть сведен до минимума, если здание водоочистки примыкает к производственному цеху и имеется возможность использования цеховых помещений. В этом блоке минимальное выделение вредностей, помещения блока характеризуются постоянным пребыванием производственного персонала. Стандартная высота помещений в этом блоке - 3,60 м.
По высоте здание станции водоочистки обычно неоднородно. Торец
его обычно представляет 2-3 этажную башню, в которой располагаются
баки и вспомогательные помещения. Унифицированная высота помещений должна быть кратна 0,6 м.
Геометрические размеры здания должны соответствовать модульной
сетке, принятой в строительстве. Пролет должен быть равен одному из
перечисленных размеров: 6, 9, 12, 18 или 24 м. Шаг колонн (продольный
размер здания) принимается равным 3,0 или 6,0 м.
Вне здания водоподготовки иногда размещаются осветлители, баки
умягченной воды, декарбонизаторы. В этом случае это оборудование
утепляется и в необходимом случае оборудуется системой обогрева.
Осветлители зачастую размещаются в шатрах, позволяющих персоналу
производить работу внутри их. Из шатров осветлителей к основным помещениям станции очистки должен быть выполнен теплый коридор.
На станциях водоочистки предусматривается грузоподъемное оборудование для максимального исключения ручного труда.
Все оборудование, фильтры, насосы, баки резервируется. Число
единиц однородного оборудования должно быть не менее двух. Металлические баки должны быть круглыми в плане и иметь коррозийностойкое покрытия.
Емкости для мокрого хранения соли проектируются из железобетона.
Емкости для кислоты, баки-мерники, баки хранения умягченной воды на
станциях умягчения воды обычно выполняют стальными.
Компоновка оборудования должна учитывать возможность дальнейшего расширения станции.
113
Расположение оборудование должно обеспечить движение воды по
кратчайшим путям с целью сокращения длины трубопроводов и потерь
напора в них.
Открытые емкостные сооружения, если их стены возвышаются над
отметкой пола, площадки или планировки менее чем на 0,75 м, должны
иметь по внешнему периметру защитное ограждение, при этом общая
высота до верха ограждения должна быть не менее 0,75 м. Для стен,
ширина верхней части которых более 300 мм, допускается отсутствие
ограждения при возвышении их над полом, площадкой или планировкой
не менее 0,6 м. Отметка пола или планировки должна быть ниже верха
стен открытых емкостных сооружений не менее чем на 0,15 м.
Проход между фильтрами и стеной должен быть не меньше 500 мм,
а свободный проход между соседними фильтрами – не менее 700 мм.
Ширина коридора, к которому обращен фронт фильтра с задвижками,
должна быть не менее 2 м. Такая ширина коридора необходима для облегчения работы обслуживающего персонала, возможности удобного
монтажа, ревизии и ремонта аппаратуры.
При проектировании расположения оборудования в помещении, следует принимать ширину проходов не менее:
- между насосами или электродвигателями -1,0 м;
-между насосами или электродвигателями в заглубленных помещениях -0,7 м, в прочих – 1,0 м;
- между неподвижными выступающими частями оборудования – 0,7
м;
- между агрегатами и электрораспределительным щитом – 2,0 м.
Трубопроводы располагают таким образом, чтобы обеспечить свободный проход к оборудованию и запорно-регулирующей арматуре.
На станциях умягчения, где преимущественно применяются напорные фильтры, транспортировка воды возможна при расположении трубопроводов на любой отметке. Для свободного прохода эксплуатационного персонала вокруг оборудования трубопроводы общие для всех
фильтров располагают на опорах или кронштейнах на отметках не менее 2,5 м. От этих труб спускаются подводки, на которых, в зоне обслуживания на отметке удобной для персонала, располагаются задвижки
управления фильтрами.
На рис. 9.1 показаны фрагменты плана и разреза установки умягчения воды с расположением трубопроводов у одного из фильтров.
Самотечные трубопроводы отвода сточных вод располагаются в
подпольных каналах, ширина и глубина которых на 400 – 500 мм больше
диаметра трубопровода.
114
Рис. 9.1. Примерная схема обвязки катионитного фильтра трубопроводами: а) –
фрагмент разреза; б) – фрагмент плана; 1- подача исходной воды; 2 – отвод
фильтрата; 3 – подвод регенерирующего раствора; 4 – вода на взрыхление; 5 –
сборный коллектор сточных вод; 6 – сброс сточных вод от фильтра; 7 – отвод отмывочной воды в бак; 8 – подпольный канал
Все трубопроводы на станции умягчения воды окрашиваются разным
цветом, что позволяет быстро определить их назначение. Зачастую разный цвет для трубопроводов используют и в проектной документации.
На рис. 9.2 – 9.5 приведен пример компоновки здания станции натрий-водород-катионитного умягчения воды. Здание состоит из трех
блоков: одноэтажного помещения фильтров высотой 6,0 м; одноэтажного цеха приготовления реагентов с отделениями хранения и растворения соли и отделения кислотного хозяйства; трехэтажного комплекса
бытовых и вспомогательных помещений. В последнем, располагаются
декарбонизаторы и баки-мерники раствора соли. Декарбонизаторы и баки располагаются на отметках позволяющих самотечное движение жидкости.
Размеры помещений на рисунках не указаны, так как они определяются габаритами установленного оборудования. Трубопроводы не приведены, вследствие малого масштаба чертежа.
115
Рис. 9.2. План здания установки натрий-водород-катионитного умягчения воды: 1 – Na-катионитные фильтры; 2- Нкатионитные фильтры; 3, 4 - баки взрыхляющей воды Н- и Na-катионитных фильтров; 5, 6- насосы для взрыхления фильтров; 7-баки мокрого хранения соли; 8 – солерастворители; 9 – насосы перекачки раствора соли; 10-баки хранения серной
кислоты; 11-баки-мерники кислоты; 12- бак очищенной воды; 13- насосы перекачки очищенной воды на потребление; 14 –
помещение для дежурного персонала и щита управления
116
Рис. 9.3. План здания установки натрий-водород-катионитного умягчения воды на отметке 4,4 м (2 этаж): 1 – 14 – см. обозначения на рис. 9.2; 15-декарбонизаторы; 16,17 – помещения лаборатории
117
Рис. 9.4. План здания установки натрий-водород-катионитного умягчения воды (3
этаж): 18 – баки-мерники соли; 19 – вентиляционная камера; 20 - вспомогательное
помещение
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. С какой целью помещения станции водоподготовки группируются в
блоки? По каким признакам производится блокировка?
2. Как определяются размеры технологических помещений?
3. Какие сооружения возможно разместить вне здания водоподготовки?
4. В каких случаях открытые емкости должны иметь защитные ограждения по периметру?
5. Где размещаются трубопроводы станции водоподготовки?
6. Какие требования предъявляются к помещениям приготовления
раствора кислоты?
118
Рис. 9.5. Установка натрий-водород-катионитного умягчения воды в разрезе: обозначения см. на рис. 9.2-9.4
10. СТОЧНЫЕ ВОДЫ УСТАНОВОК УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
При умягчении воды образуется значительный объем сточных вод и
осадка. В составе сточных вод находятся вещества, удаляемые из природных вод, и реагенты, используемые при обработке воды.
Перечень основных загрязняющих веществ, находящихся в сточных
водах, и предельно допустимый концентрации (ПДК) их в водных объектах приведены в таблице 10.1.
Таблица 10.1
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ стоков
установок водоподготовки в водных объектах
Водные объекты рыбоВодные объекты хозяйственно-питьевого и куль- хозяйственного значения
турно-бытового водопольПоказатели
зования
состава вод
ЛПВ
Класс
ПДК
ЛПВ
ПДК
опасности
Мутность,
общ.
+0,25
общ.
+0,25
3
мг/дм
119
Продолжение таблицы 10.1
Сухой
оста- общ.
3
ток, мг/дм
Ca2+, мг/дм3
общ.
2+
3
Mg , мг/дм
общ.
Железо
об3
щее, мг/дм
Алюминий,
мг/дм3
Сульфаты
(анионы), мг/дм3
Хлориды
(анионы), мг/дм3
Полиакриламид, мг/дм3
1000
общ.
1000
с.-т
с.-т
180
40
т
0,1
орг.
3
7,0
ммоль/
дм3
0,3
с.-т
2
0,5
т
0,04
орг.
4
500
с.-т
100
орг.
4
350
с.-т
с.-т
2
2,0
т
0,04
Концентрация загрязняющих веществ в стоках фильтров водоподготовки значительна. Основная часть объема стоков образуется при регенерации фильтров. Максимальное солесодержание воды, сбрасываемой
во время регенерации катионитных фильтров достигает 70000 мг/дм3,
среднее солесодержание в отмывочных водах 30-80 мг/дм3, общая жесткость достигает 100 ммоль/ дм3. В зависимости от технологии очистки
воды рН сточных вод изменяется от 0,5 до 8,0.
Сточные воды водоподготовительных установок (ВПУ) умягчения воды состоят из небольшого количества грубодисперсных примесей и истинных растворов солей, что в значительной мере затрудняет задачу их
очистки. С регенерационными растворами натрий- и водородкатионитных фильтров в сточные воды поступают сульфаты и хлориды
CaSO , MgSO CaCl , MgCl
4
4,
2
2.
кальция и магния
Сточные воды установок водоподготовки представляют опасность
для природных водных объектов. Сброс этих сточных вод в систему городской канализации недопустим, так они содержат только минеральные загрязнения и поэтому не могут быть направлены на сооружения
биологической очистки.
В настоящее время такие сточные воды в зависимости от местных
условий направляются:
- в водные объекты после нейтрализации и очистки стоков до нормативов предельно-допустимых сбросов;
- в систему гидрозолоудаления (при подготовки воды для объектов
теплоэнергетики), с использованием сточных вод для гидротранспорта
золы и шлака;
120
- пруды-испарители при благоприятных климатических условиях;
- на выпарные установки.
При сбросе сточных вод от ВПУ следует учитывать их резкопеременный расход и значительное колебание качества. Поэтому рекомендуется
собирать сточные воды ВПУ в специальные баки-усреднители. Емкость
таких баков выбирается с учетом циклов регенерации фильтров.
Наиболее распространенным способом обработки сточных вод ВПУ
является известкование. При этом из раствора осаждается большая
часть солей жесткости. Дальнейшая очистка стоков производится в отстойниках или осветлителях и, при необходимости, в осветлительных
фильтрах. Очищенные стоки могут быть использованы повторно в ВПУ,
для прочих производственных целей или сброшены в водный объект.
Гидрофильные неорганические осадки образующиеся при очистке
сточных вод ВПУ хорошо поддаются механическому обезвоживанию.
Полученный после обезвоживания осадок может использоваться в качестве сырья в промышленности строительных материалов или в качестве добавки для улучшения плодородия кислых почв.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Умягчение воды является одним из самых распространенным процессом обработки воды в промышленности. Наиболее часто умягченная
воды используется для питания парогенераторов, в теплообменных аппаратах, в пищевой промышленности, в промышленности синтетических
волокон и в других отраслях.
Устранение жесткости позволяет уменьшить отложения на стенках
теплообменных аппаратов, что приводит к повышению эффективности
их работы. Особенно это важно при подготовке воды для котлов, так как
позволяет уменьшить расход топлива, увеличить срок службы парогенераторов между ремонтами и, в конечном счете, повысить экономичность
их работы.
Экономии энергоресурсов в настоящее время уделяется особое
внимание, поэтому использование высококачественной воды для питания парогенераторов в значительно мере способствует решению этой
задачи.
Материал, изложенный в пособии, позволяет получить знания по
теории умягчения воды и практические умения по проектированию установок водоподготовки на современном уровне. В пособии даны обширные справочные сведения, позволяющие самостоятельно освоить
этот раздел.
Особое внимание в пособии уделено катионитному методу умягчения воды, наиболее часто применяемому в практике и позволяющего
получить воду высокого качества. Приведены характеристики россий121
ских и зарубежных катионитов, рекомендуемых для использования при
проектировании.
Основные сведения по оборудованию и материалам, приведенные в
пособии, получены от фирм, выпускающих их. Справочные данные и
нормы на которые выполнены ссылки действительны по состоянию на
июнь 2005 г.
ПРИЛОЖЕНИЕ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«СТАНЦИЯ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ ИОННЫМ ОБМЕНОМ»
1. Исходные данные
Вода от источника водоснабжения, предварительно очищенная от
взвешенных частиц и цветности, подается на промышленное предприятие с солевым составом приведенном в таблице 1.
Таблица 1
Качество исходной воды подаваемой на предприятие
Вариант
Показатели
состава во1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
ды
2+
3
Ca , г/м
9,5 8,6 11
12
10
60
78
84
90
110
Mg2+, г/м3
4,8
2,7
1,1
5
1,5
9,7
Na+, г/м3
7
7,5
5
11
10
19,1 23
26,7 80
50
K+ , г/м3
3
4
8
4
7
3,8
4, 6
5,3
20
40
HCO3- , г/м3
52
46
31
70
36
158
189
221
190
200
SO42-,
12,3 8,6
5,2
22
8
57,4 69
80
130
170
3,9
5,7
3,3
6,5
3,5
35
42
49
170
120
Свободная
двуокись уг10
лерода СО2,
г/м3
10
10
15
15
5
5
5
4
4
Cl-,
г/м3
г/м3
11,6 13,6 25
20
В таблице 2 даны требования, которым должна удовлетворять работа станции умягчения воды.
Вариант исходных данных в таблице 1 принимается по первой цифре
шифра студента, в таблице 2 – по последней.
Район проектирования назначается по месту жительства студента.
122
Таблица 2
1000
1400
1200
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
Расчетные параметры работы станции умягчения воды
Вариант
Параметры
станции
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
Производительность,
м3/сут
Менее
Требуемая
Ж н .к + 0,7
0,01
жесткость во0,01
3
ды, г-экв/м
Требуемая
Не нормируетщелочность
0,7
ся
3
воды, г-экв/м
2. Содержание пояснительной записки:
- исходные данные;
- содержание;
- введение, в котором поясняется необходимость проектируемых сооружений, достоинства и недостатки выбранной технологии обработки
воды;
- анализ состава воды по рекомендациям приведенным в главе 1 настоящего пособия;
- выбор и обоснование принципиальной схемы умягчения воды (см.
табл. 7.1);
- расчет и подбор основного технологического оборудования станции
(фильтров, оборудования приготовления и дозирования реагентов, дегазатора, баков);
- определение расхода воды на собственные нужды;
- определение диаметров основных трубопроводов;
- обоснование и описание компоновочного решения здания станции
умягчения воды;
- список использованной литературы.
3. Чертежи проекта
- принципиальная технологическая схема с изображением всего оборудования и основных трубопроводов, без масштаба;
- план здания станции умягчения в масштабе 1:100;
- поперечный разрез здания в месте расположения максимального
числа установленного оборудования в масштабе 1:50.
123
4. Требования к оформлению проекта
Проект выполняется в соответствие со стандартами принятыми в
ДВГУПС.
Пояснительная записка выполняется на стандартных листах формата А4 и должна иметь титульный лист.
Пояснительная записка и чертежи могут быть представлены на проверку в электронном виде и присланы по электронной почте по адресу
кафедры «Гидравлика и водоснабжение» hydravlica@festu.khv.ru. После
поверки проекта преподавателем он может быть выслан по указанному
студентом адресу. Замечания и ошибки должны быть учтены перед распечаткой проекта, исправленный бумажный вариант проекта представляется для регистрации в Институте интегрированных форм обучения
(ИИФО).
При выполнении пояснительной записки в электронном виде, рекомендуется соблюдать следующие требования:
- использовать текстовый редактор – Microsoft Word;
- стиль для текста: шрифт строчный Times New Roman (или Arial Cyr),
14 или 12 пт; отступ – 0,75 – 1,0 см; выравнивание по ширине; межстрочный интервал – полуторный (разрешается одинарный); запрет висячих строк; с включенным переносом слов;
- стиль для заголовков первого уровня: шрифт прописной; без переноса слов; полужирный;
- стиль для заголовков второго уровня: шрифт строчный; без переноса слов; полужирный.
Формулы желательно набирать в редакторе формул, в котором следует определить размеры символов.
Размеры
для ввода формул
• основной – 16 пт;
• крупный индекс – 12 пт;
• мелкий индекс – 10 пт;
• крупный символ – 18 пт;
• мелкий символ – 14 пт
Рисунки должны быть вставлены в текст. Если рисунок по ширине
менее 9 см, он обрамляется текстом, в стороне близкой к переплету.
Возможно печатание пояснительной записки на одной или двух сторонах бумаги. В последнем случае должны использоваться «зеркальные» поля.
Для создания чертежей рекомендуется использование программ
Microsoft Visio (предпочтительно) или AutoCad.
124
Чертежи рекомендуется выполнять в формате А1 или А3. Каждый
лист чертежа должен иметь основную надпись (штамп) установленного в
ДВГУПС образца.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СНиП 2.04.02-84∗. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
Изд. офиц. /Госстрой России. – М.: 1997. – 128 с.
2. Клячко В. А. Очистка природных вод./ В. А. Клячко, И. Э. Апельцин
- М.: Стройиздат, 1971. - 580 с.
3. Иванов В.Г. Водоснабжение промышленных предприятий: Учебное
пособие./ В.Г. Иванов– СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщения,
2003. – 527 с.
4. Белан Ф.И. Водоподготовка: (расчеты, примеры, задачи). / Ф.И.
Белан – М.: Энергия, 1980. – 256 с.
5. Водоподготовка. Процессы и аппараты. / А.А. Громогласов, А.С.
Копылов, Н.П. Субботина и др. – М.: Атомиздат, 1977. – 352 с.
6. Фейзиев Г. К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения
и обессоливания воды. / Г. К.Фейзиев - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192
с.
7. Справочник химика-энергетика. - Т. 1. - Водоподготовка и водный
режим парогенераторов. - М.: Энергия, 1972. - 456 с.
8. Оборудование водопроводно-канализационных сооружений/ А. С.
Москвитин, Б. А. Москвитин, Г. М. Мирончик и др. - М.: Стройиздат, 1979.
- 430 с.
9. СНиП II-35-76. Котельные установки. /Госстрой России. – М.: 1998.
– 68 с.
10. СНиП 2.09.02-85*. Производственные здания. /Госстрой России. М: ГУП ЦПП, 1997 – 16 с.
11. СанПиН 2.1.4.1074-01. Санитарно-эпидемиологические правила
и нормативы. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды
централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
125
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...………...………...………...………...………...………..……
1. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И НЕОБХОДИМОСТЬ ЕЕ СНИЖЕНИЯ НА
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ………...………..……
2. РЕАГЕНТНЫЕ МЕТОДЫ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ ……...…………
2.1. Устранение карбонатной жесткости воды известкованием………...………..………………………………………………
2.2. Известково-содовое умягчение воды..………..……….…
2.3. Расчетные дозы реагентов..………..………………………
2.4. Технологические схемы и аппараты установок реагентного умягчения воды..………..……………………………………
2.4.1. Осветлители со взвешенным осадком……………..
2.4.2. Осветлительные фильтры..………..…………………
3. УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ КАТИОНИТАМИ………...………..………….
3.1. Химические основы процесса………...………..…………..
3.2. Основные характеристики катионитов………...………….
4. НАТРИЙ-КАТИОНИРОВАНИЕ ………………...………..………….
4.1. Основы натрий-катионирования воды………...………….
4.2. Схемы натрий-катионирования ……………...………..….
4.3. Глубина умягчения воды…………...………..……………..
4.4. Регенерация натрий-катионитных фильтров……………
4.5. Оборудование для натрий-катионитных установок…….
4.6. Расчет натрий-катионитных фильтров……………………
5. БЕССТОЧНОЕ КАТИОНИРОВАНИЕ ВОДЫ………………………
6. ВОДОРОД-КАТИОНИРОВАНИЕ……………………………………
6.1. Основы процесса водород-катионирования……………..
6.2. Параметры работы водород-катионитных фильтров…..
6.3. Регенерация водород-катионитных фильтров…………..
6.4. Схемы и оборудование для водород-катионирования…
6.5. Расчет и подбор оборудования водород-катионитных… установок…………………………………………………………….
6.5.1. Расчет водород-катионитных фильтров с полной регенерацией…………………………………………………
6.5.2. Расчет водород-катионитных фильтров с голодной регенерацией……………………………………………..
7. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ………..
7.1. Параллельное водород-натрий-катионитное умягчение воды…………………………………………………………………..
126
3
3
10
11
12
12
15
15
24
34
34
37
42
42
45
45
47
50
61
77
79
79
82
84
87
93
93
97
99
99
7.2. Последовательное водород-натрий-катионитное умягчение воды……………………………………………………..
7.3. Технологические показатели и область применения различных
схем установок катионитного умягчения воды....
8. УДАЛЕНИЕ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА ИЗ ВОДЫ …………………
9. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОМПОНОВКИ ЗДАНИЯ СТАНЦИИ
УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ………………………………………………….
10. СТОЧНЫЕ ВОДЫ УСТАНОВОК УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ …………
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………….
ПРИЛОЖЕНИЕ. Курсовой проект «Станция умягчения воды ионным обменом» ……………………………………………………………..
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………
127
101
103
104
112
119
121
122
125
4. НАТРИЙ-КАТИОНИРОВАНИЕ ВОДЫ
4.1. Основы процесса натрий-катионирования
Натрий-катионитное умягчение является одним из основных методов
подготовки питательной воды теплоэнергетических установок. Во избежание отложений на зернах катионита натрий-катионитный метод следует применять для умягчения подземных вод и вод поверхностных источников с мутностью не более 5–8 мг/дм3 и цветностью не более 300.
Содержание железа в воде должно быть не более 0,3 мг/ дм3. То есть
вода перед катионитными фильтрами должна пройти предочистку.
Умягчение воды натрий-катионированием производится путем ее
фильтрования через катионит в специальных фильтрах. В фильтрах
протекают реакции ионного обмена с поглощением ионов кальция и
магния, приведенные в формулах (3.6–3.9). Для диффузии солей жесткости к поверхности зерен катионита, для протекания реакции ионного
обмена и для диффузии продуктов обмена в поток обрабатываемой воды требуется определенное время контакта солей и катионита. Поскольку вода в фильтре движется, то для обеспечения этого времени должна
быть определенная толщина слоя катионита.
Толщина слоя катионита, при прохождении через которую жесткость
воды снижается от исходной до требуемой, называется высотой защитного слоя катионита. При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катионита истощаются и теряют обменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита и зона защитного слоя постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны:
первая – свежего, вторая – работающего и третья – истощенного катионита. Этот процесс отражен на рис. 3.1. Здесь иллюстрирован фильтроцикл натрий-катионитного фильтра при движении воды сверху – вниз.
Заметно снижение зоны защитного действия в сторону дренажа фильтра. При достижении ее нижней границы дренажа фильтра начинается
проскок Са+2 и Мg+2 в фильтрованную воду. При достижении третьей зоны дна фильтра весь катионит будет истощенным и процесс умягчения
воды прекращается.
Очевидно, что чем больше высота защитного слоя и общая высота
катионита в фильтре, тем дольше будет межрегенерационный период
работы фильтра.
Из рис 4.1 видно, что в защитном слое катионит используется не
полностью, поэтому эксплуатация фильтров с большой высотой защитного слоя не экономична.
Высота защитного слоя катионита Н защ зависит от диаметра зерен
катионита, скорости фильтрования и жесткости исходной воды.
41
а
б
в
Рис. 4.1. Изменения состояния натрий-катионитного фильтра по времени: а – в начале фильтроцикла; б – в промежуточный момент фильтроцикла; в – при поскоке жесткости в фильтрат; 1, 2, 3 – зоны свежего, работающего и истощенного катионита; 4 – изменение жесткости воды по
ходу фильтрования через катионит; С0 и Сф – жесткости исходной и
фильтрованной воды; Нзащ – высота защитного слоя катионитного
фильтра
Определение Н защ возможно по формуле В.А. Клячко:
Н защ = 0 ,04 Vd 2 ln Ж 0 ,
(4.1)
где V – скорость фильтрования, м/ч; d – диаметр зерен катионита, мм;
Ж0 – жесткость исходной воды, г-экв/м3.
Например, при V = 20 м/ч; d = 1,0 мм; Ж0= 5 г-экв/м3 получим
Нзащ= 1,3 м. Очевидно, что высота катионита в фильтре должна быть
больше Нзащ, в противном случае во избежание проскока жесткости необходимо уменьшать скорость фильтрования или применять более измельченный катионит.
Для фильтров заводского изготовления, высота катионита в которых
ограничена техническими условиями и не превышает для фильтров
первой ступени 2,5 м, второй ступени – 1,5 м, скорости фильтрования
рекомендуется нормами [1] в зависимости от жесткости воды в пределах от 10 до 40 м/ч.
Работа катионитного фильтра характеризуется выходной кривой,
приведенной на рис. 4.2.
Линия ГД соответствует величине жесткости исходной воды Ж0. Кривая АБД показывает изменение жесткости фильтрованной воды Жф по
мере увеличения пропуска объема умягчаемой воды. При пропуске объема воды q2 (точка Б) жесткость фильтрата начинает повышаться и при
достижении точки Д достигает значения жесткости исходной воды. То
есть к этому моменту времени происходит полное истощение катионита.
42
Очевидно, что при достижении точки Б фильтр должен быть выключен
на регенерацию.
Рис. 4.2. График умягчения воды в катионитном фильтре
Площадь АБВГ, эквивалентная количеству катионов Са+2 и Мg+2, поглощенных катионитом за рабочий цикл, позволяет определить рабочую
емкость фильтра Араб, т. е. всего объема катионита, загруженного в
фильтр :
А раб = ( Ж 0 − Ж ф ) q 2 .
(4.2)
Так как Жф гораздо меньше, чем Ж0, то ею можно пренебречь. Тогда
А раб = Ж 0 q2 . Если эту величину разделить на объем загруженного в
фильтр катионита в набухшем состоянии, равный W = f h , то получим
формулу для определения фактической рабочей обменной емкости катионита ЕрабNa:
Na
Е раб
=
Ж 0 q2
.
fh
(4.3)
где f – площадь фильтра, м2; h – высота загрузки катионита, м.
Площадь АБДГ эквивалентна полной обменной емкости катионитного
фильтра. Площадь БВД характеризует обменную емкость зоны защитного слоя, оставшуюся неиспользованной, ее называют остаточной. В
реальных фильтрах вследствие неоднородности загрузки катионита реальный пропуск воды через фильтр равен q1 и несколько меньше q2.
Продолжительность работы натрий-катионитного фильтра зависит от
жесткости воды, скорости фильтрования и объема катионита в фильтре
и его рабочей обменной емкости. При определенных этих данных, количество воды q2 , которое можно умягчить в фильтре за один фильтроцикл, определяется из формулы (4.3).
43
4.2. Схемы натрий-катионирования
Принципиальные схемы натрий-катионирования приведены на рис. 4.3.
Наиболее применяемой является параллельно-точное катионирование. Эта схема проста в эксплуатации и надежна. Одна ступень катионирования позволяет получить воду с остаточной жесткостью до 0,1 гэкв/м3.
Фильтры ионитные параллельно-точные с одной ступенью Naкатионирования используются на водоподготовительных установках
промышленных и отопительных котельных для обработки воды с относительно малой карбонатной жесткостью. Образование бикарбоната натрия в этом случае не требует чрезмерного увеличения продувки котлов.
При необходимости более глубокого умягчения воды применяют
двухступенчатые схемы, позволяющие снизить общую жесткость воды
до 0,01 г-экв/м3.
Противоточные схемы катионирования применяют для умягчения воды повышенной минерализации при обосновании [1]. Эти схемы конструктивно сложнее, но их использование позволяют снизить расход соли
на регенерацию.
4.3. Глубина умягчения воды
Глубина умягчения воды определяется жесткостью фильтрата, которая может быть определена по формуле профессора В.А. Клячко [2]:
Ж фNa = ϕ Na
1− α э
α 2э
P2 ,
(4.4)
где ϕ Na – константа обмена равная 0,00125 при обмене ионов Ca2+ и
Mg2+ на Na+; α Na – коэффициент эффективности регенерации определяемый по табл. 4.1; Р – общее солесодержание умягчаемой воды в гэкв/м3.
Поскольку α э зависит от расхода соли на регенерацию, то определена зависимость жесткости фильтрата от ее расхода приведенная на
рис. 4.4.
График обычно используется для выбора расхода соли по требуемой
жесткости умягчаемой воды.
Например, при содержании катионов в исходной воде 5 г-экв/м3 и
требуемой жесткости умягченной воды равной 0,25 г-экв/м3, расход соли
на регенерацию фильтра должен около составлять 150 г/г-экв задержанной жесткости. Для ионов Са2+ 1 г-экв равен 20 г. То есть, для за44
держания 20 г кальция необходимо истратить 150 г поваренной соли.
Очевидно, что процессы ионирования воды требуют очень больших расходов реагентов и имеют низкий коэффициент полезного действия. Широкое применение их объясняется возможностью глубокой очистки воды
при относительно несложной технологии.
а
в
б
г
Рис. 4.3. Схемы натрий-катионирования воды: а – одноступенчатая на
параллельно-точном фильтре; б – двухступенчатая на параллельноточных фильтрах; в – противоточное одноступенчатое катионирование; г – ступенчато-противоточное катионирование; 1 – исходная вода;
2 – умягченная вода; Р – движение регенерационного раствора
На натрий-катионитных фильтрах первой ступени возможно достижение остаточной жесткости до величины 0,1 г-экв/м3, после второй ступени возможно снижение жесткости до 0,01 г-экв/м3.
Нормы [1] рекомендуют принимать удельные расходы соли на регенерацию фильтров первой ступени при одноступенчатой работе равные
150–200 г/г-экв, при двухступенчатой – 120–150 г/г-экв. Фильтры второй
ступени должны обеспечить более низкую жесткость фильтрата, поэтому, как видно из графика на рис. 4.4, удельный расход соли должен быть
большим. По нормам удельный расход соли для регенерации фильтров
второй ступени должен составлять 300–400 г на 1 г-экв задержанной
жесткости.
45
Рис. 4.4. Зависимость остаточной жесткости воды от расхода соли
на регенерацию после одноступенчатого натрий-катионирования
4.4. Регенерация натрий-катионитных фильтров
При начале проскока солей жесткости в фильтрованную воду фильтр
выключают на регенерацию. Целью регенерации катионитного фильтра
является восстановление его обменной способности вытеснением поглощенных катионитом при умягчении воды ионов кальция и магния ионами солей в регенерационном растворе. При натрий-катионировании –
это ионы натрия в растворе хлорида натрия NaCl, более известного под
названием «соль поваренная».
При регенерации протекают химические реакции ионного обмена
(3.10–3.11). Полностью восстановить обменную емкость катионита невозможно. Полнота регенерации оценивается коэффициентом эффективности регенерации α Na , равным отношению обменной способности
катионита после регенерации (рабочей обменной способности) Е раб , к
его полной обменной способности Е полн :
46
α Na =
Е раб
Е полн
.
(4.5)
Полному восстановлению обменной способности катионита при регенерации соответствует α Na равный единице. В реальном процессе
приблизить его к единице возможно увеличением концентрации и расхода регенерационного раствора, продолжительности контакта раствора
с катионитом, повышением температуры до 35–40 0С. Раствор соли желательно готовить на умягченной воде, применение раствора с высокой
жесткостью не позволяет получить высокого эффекта регенерации. В
табл. 4.1 приведена зависимость коэффициента эффективности регенерации от расхода соли для натрий катионитных фильтров [1].
Таблица 4.1
Коэффициент эффективности регенерации
Na-катионитных фильтров
Удельный расход поваренной соли
NaCl на регенерацию катионита, г на
г-экв рабочей обменной емкости
α Na
100
150
200
250
300
0,62
0,74
0,81
0,86
0,9
Увеличение концентрации жесткости в регенерационном растворе
приводит к увеличению расхода хлорида натрия. Обычная концентрация
хлорида натрия в регенерационном растворе составляет 5–8 %. С целью экономии хлорида натрия и сохранения высокой эффективности регенерацию иногда проводят в два этапа. В этом случае на первом этапе
через фильтр пропускают 1,5–2 % раствор соли, на втором этапе
8–12 %-ный раствор. Для проведения такой регенерации готовят исходный раствор NaCl и на первом этапе регенерации подают разбавленный
в 4–5 раз раствор, а на последнем – исходный раствор. Пребывание регенерационного раствора должно быть обычно не менее 30 мин. Для
этого скорость фильтрования раствора через катионит следует принимать не более 3–4 м/ч.
При наличии на станции умягчения воды резервных фильтров, для
экономии расхода соли можно проводить регенерацию с выдерживанием катионита в растворе длительное время. Выдерживание следует
проводить после сброса первых порций отработанного раствора.
Выбор расхода соли на регенерацию производят по графику на рис. 4.4
в зависимости от требуемой остаточной жесткости фильтрата.
Высокий эффект умягчения воды получают при применении противоточной регенерации (рис. 4.3, б и в). При работе фильтра с противоточной регенерацией, умягчаемая вода, как обычно, фильтруется сверху
вниз, регенерационный же раствор подают снизу вверх. В этом случае
47
полнее используется регенерирующее вещество и достигается глубокая
регенерация нижних слоев катионита, через которые вода проходит в
последнюю очередь. Эти нижние слои и определяют глубину умягчения
воды. Применение противоточной регенерации иногда позволяет проводить глубокое умягчение воды в одной фильтра, вместо двух. Недостатком такой регенерации является опасность взвешивания катионита и
выноса его из фильтра через верхнюю распределительную систему. Для
избежания этого применяют специальные натрий-катионитные противоточные фильтры марки ФИПр, предназначенные для глубокого умягчения исходной воды без применения фильтров второй ступени.
Работа катионитных фильтров циклична, в них происходит чередование рабочих режимов и регенерации. Сама регенерация протекает в три
этапа: взрыхление загрузки, пропуск регенерационного раствора, отмывка катионита. Схематично все эти режимы отображены на рис. 4.5. В
фильтре, приведенном на рис. 4.6, движение умягчаемой воды и регенерационного раствора происходит в одном направлении – сверху вниз,
поэтому такие типы фильтра называются параллельно-точными.
а
в
б
г
Рис. 4.5. Режимы работы катионитного фильтра: а – рабочий режим;
б – взрыхление; в – пропуск регенерационного раствора; г – отмывка; 1 – исходная вода; 2 – умягченная вода; 3 – сброс в канализацию; 4 – раствор
хлорида натрия; 5 – отработанный регенерационный раствор; 6 – отвод отмывочной воды; 7 – вода на взрыхление
48
а
б
Рис. 4.6. Натрий-катионитный параллельно-точный фильтр:
а – вид сбоку; б – план; 1 – подача воды на фильтр; 2 – подача
соли на регенерацию; 3 – сброс взрыхляющей воды; 4 – отвод
умягченной воды в бак или на следующую ступень фильтра;
5, 6 – пробоотборники исходной и умягченной воды; 7 – сборник сбросов от пробоотборников; 8, 9 – люки; 10 – подача воды
на взрыхление; 11 – сброс отработанного регенерирующего
раствора, отмывочной воды и первого фильтрата
49
Взрыхление предназначено для устранения уплотнения катионита,
препятствующего свободному доступу регенерационного раствора к его
зернам.
Интенсивность ω подачи воды для взрыхления катионита принимается равной 4 л/с.м2 при крупности катионита 0,5–1,1 мм и 5 л/с.м2 при
крупности 0,8–1,2 мм. Продолжительность взрыхления должна быть не
менее 20–30 мин.
Отмывка катионита после регенерации от остатков хлорида натрия
производится, как правило, исходной водой до тех пор, пока содержание
хлоридов в фильтрате не станет примерно равным содержанию их в отмывочной воде. Отмывку катионита в фильтрах второй ступени надлежит
предусматривать фильтратом первой ступени. Удельный расход отмывочной воды q уд принимают равным 5–6 м3 на 1 м3 катионита. Для снижения
расхода воды на собственные нужды установки умягчения воды отмывочную воду собирают и используют для взрыхления (см. рис. 4.7).
4.5. Оборудование для натрий-катионитных установок
Фильтры – основной узел установок умягчения воды. Катионитные
фильтры выполняются напорными. Корпус его изготавливается сварным
из листовой стали, с эллиптическими штампованными верхним и нижним днищами.
Фильтр катионитный представляет собой вертикальный однокамерный цилиндрический аппарат, состоящий из корпуса, нижнего и верхнего
распределительных устройств, трубопроводов, запорной арматуры,
пробоотборников и фильтрующей загрузки. Фронтом наружных трубопроводов, запорно-регулирующей арматурой, контрольно-измерительными приборами фильтры комплектуются на заводах.
Нижнее распределительное устройство (дренаж) фильтра представляет собой трубчатую систему с дренажными колпачками из сополимера
стирола или нержавеющей стали. Штуцера на отводах направлены к
днищу и за счет разной длины “копируют” форму днища.
Верхнее распределительное устройство, выполненное в виде перфорированного стакана, предназначено для подвода исходной воды, регенерационного раствора и отвода взрыхляющей воды.
В корпусе фильтра имеются люки для загрузки и выгрузки ионообменного материала, для осмотра и ремонта дренажа.
В России в основном применяются фильтры производства Таганрогского и Бийского котельных заводов (в настоящее время производственное объединение Бийскэнергомаш), Саратовского завода энергетического машиностроения и многих других фирм, в том числе зарубежных.
Конструкции всех фильтров аналогичны и отличаются в основном материалами деталей.
50
В табл. 4.2 даны основные характеристики фильтров Саратовского
завода энергетического машиностроения ОАО "САРЭНЕРГОМАШ".
В маркировке фильтров, приведенных в таблице, приняты следующие обозначения: ФИП – фильтры ионитные параллельно-точные;
ФИПр – фильтры ионитные противоточные; аI – фильтры первой ступени; аII – второй ступени. Сочетание символов 1,0-0,6-Na-1 обозначает
соответственно диаметр фильтра, м; рабочее давление воды, МПа;
предназначение для Na – катионирования; исполнение 1.
ФИПаI – фильтры натрий-катионитные первой ступени предназначены для умягчения исходной воды. ФИПаII – фильтры натрийкатионитные второй ступени предназначены для улавливания проскоков
жесткости в схемах глубокого умягчения. ФИПр – фильтры натрийкатионитные противоточные предназначены для глубокого умягчения
исходной воды без применения фильтров второй ступени.
Чертеж натрий-катионитного фильтра приведен на рис. 4.6. Фильтры
всех типов аналогичны, отличаются высотой корпуса и высотой слоя загрузки, а так же конструкцией дренажа. Фильтры второй ступени рассчитаны на большую скорость фильтрования и, следовательно, на большую
производительность. Диаметры присоединительные фильтров приведены в табл. 4.3.
Как уже было сказано в разд. 4.2, регенерация натрий-катионитных
фильтров производится раствором поваренной соли. Для хранения и
приготовления раствора применяются различные технологии.
Как уже было сказано в разд. 4.2, регенерация натрий-катионитных
фильтров производится раствором поваренной соли. Для хранения и
приготовления раствора применяются различные технологии.
Сухое хранение соли применяется при небольших производительностях установок умягчения воды. Схема установки умягчения, воды при
применении сухого хранения соли приведена на рис. 4.7.
Соль здесь хранится на складе в транспортной таре, обычно в мешках. Растворение соли производится в специальном фильтре – солерастворителе. Емкость солерастворителя через верхний люк загружается
солью. В солерастворитель под давлением подается вода, которая при
движении через него насыщается солью. Раствор соли из солерастворителя подается в бак-мерник, в котором концентрация соли усредняется.
При необходимости, раствор соли в баке-мернике разбавляется водой до концентрации требуемой для регенерации катионитных фильтров. Из бака-мерника расчетный объем раствора соли подается на регенерацию фильтров.
51
Таблица 4.2
Фильтры натрий-катионитные
Наименование параметра
ФИПаI-0,7
-0,6-Na-2
ФИПаI-1,0
-0,6-Na-2
ФИПаII-1,0
-0,6-Na
ФИПаII-1,4
-0,6-Na
ФИПр-0,70,6- Na
ФИПр-1,0
-0,6- Na
Производительность, м3/ч
12
24
40
92
12
24
Давление воды рабочее, МПа
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
Температура, оС, не более
40
40
40
40
40
40
Вместимость, м3
1,1
2,5
1,75
3,4
1,1
2,2
Фильтрующая загрузка
Катионит или сульфоуголь
- высота, м
2
2
1,5
1,5
2,1
2,1
- объем, м3
0,77
1,57
1,2
2,3
0,81
1,65
- масса загрузки (катионит КУ-2-8), кг
575
1400
850
1630
700
1400
- масса загрузки (сульфоуголь СК-1), кг
515
1050
810
1550
680
1330
Диаметр фильтра, мм
720
1020
1020
1424
720
1020
Высота, мм
3445
3610
3100
3120
3500
3900
Масса аппарата без загрузки, кг
570
910
950
1562
786
1350
52
Таблица 4.3
Присоединительные трубопроводы натрий-катионитных фильтров
Обозначение
на рис. 4.3
1
2
3
4
10
11
–
–
Назначение трубопровода
или штуцера
Подвод исходной и отмывочной воды
Подвод регенерационного
раствора
Отвод взрыхляющей воды
Отвод обработанной воды
Подвод взрыхляющей воды
Отвод регенерационного
раствора, отмывочной воды и
первого фильтрата
Гидровыгрузка фильтрующего материала
Гидрозагрузка фильтрующего
материала
Присоединительный размер Dу,
мм, фильтра
ФИПаI-1,0
ФИПаI-1,4-0,6
-0,6-Na-1
-Na-2
50
80
50
50
50
50
50
80
80
80
50
80
80
80
80
80
Солерастворитель служит для приготовления и очистки от механических примесей регенерационного раствора технической соли. Он
представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, установленный на 3 опоры. Схема аппарата приведена на рис. 4.8. Для очистки
соли в нижней части солерастворитель загружается фильтрующим материалом с поддерживающими слоями. В качестве фильтрующего материала используется антрацит или кварцевый песок с диаметром зерен
d = 0,5–1 мм. Ниже укладываются два поддерживающих слоя из тех же
материалов диаметром зерен 1–5 и 5–10 мм.
При загрязнении фильтра, производительность солерастворителя
падает и его выключают для взрыхления, которое производится потоком
воды снизу вверх.
Солерастворитель комплектуется трубопроводами, арматурой и контрольно-измерительными приборами.
Промышленность выпускает множество типов солерастворителей,
характеристики части их приведены в табл. 4.4.
53
Рис. 4.7. Установка с двухступенчатым натрий-катионированием и сухим
хранением соли на регенерацию: 1, 2 – фильтры первой и второй ступени;
3 – бак умягченной воды; 4 – насос подачи очищенной воды потребителю; 5 – бак сбора отмывочной воды и хранения воды на взрыхление;
6 – насос для взрыхления фильтров; 7 – склад хранения соли; 8 – грузоподъемное устройство для транспорта соли; 9 – солерастворитель; 10 –
бак-мерник раствора соли; трубопроводы: В – водопровода; В1 – умягченной воды; В2 – отмывки фильтра второй ступени; В3 – взрыхляющей
воды; В4 – сбора отмывочной воды; С – раствора соли; К – сточных вод
Мокрое хранение соли применяется обычно для крупных водоподготовительных установок. Принципиальная схема установки с применением этой технологии солевого хозяйства приведена на рис. 4.9. Соль
здесь хранится и растворяется в специальных баках. Для ускорения ее
растворения в нижнюю часть бака через дырчатые трубопроводы пода54
ется пар, воздух, или вода. В бак-мерник от фильтра-солерастворителя
подается раствор соли 15–20 % концентрации, в баке он разбавляется
до 5–8% концентрации при регенерации фильтров первой ступени или 8–12 % концентрации для фильтров второй ступени. В солерастворителе соль очищается от примесей, а оставшиеся крупинки соли
растворяются. В остальном, описанная технология аналогична приведенной на рис. 4.7.
Рис. 4.8. Схема солерастворителя: 1 – соль
поваренная; 2 – фильтрующая загрузка; 3,4 –
поддерживающие слои; 5 – подача воды на
растворение соли; 6 – отвод раствора соли;
7 – подача воды на взрыхление; 8 – сброс
взрыхляющей воды; 9 – отвод воды при опорожнении солерастворителя; 10 – люк для
загрузки соли
Таблица 4.4
Солерастворители Саратовского завода энергетического
машиностроения (http://sarzem.narod.ru/water preparation.htm)
Наименование
параметра
Давление воды рабочее, МПа
Температура, оС
Вместимость, м3
Фильтрующая загрузка:
– Высота слоя антрацита d=5–10,
мм
– Высота слоя антрацита d=1–5,
мм
– Высота слоя антрацита d =0,5–1,
мм
Масса одной загрузки поваренной
соли или хлористого калия, кг
Диаметр фильтра, мм
C-0,125-0,4
C-0,5-0,7
C-1,0-1,0
0,6
до 40
0,125
0,6
до 40
0,5
0,6
до 40
1
200
100
200
12,5
60
110
426
720
1020
Высота, мм
1230
1816
1800
Масса аппарата без загрузки, кг
151
238
440
55
Рис. 4.9. Схема установки умягчения воды с двухступенчатым натрийкатионированием и мокрым хранением соли: 1, 2 – фильтры первой и
второй ступени; 3 – бак умягченной воды; 4 – насос подачи очищенной
воды потребителю; 6 – насос для взрыхления фильтров; 7 – бак хранения и растворения соли; 8 – насос перекачки раствора соли; 9 – солерастворитель; 10 – бак-мерник раствора соли; трубопроводы: 11 – подача
пара или воздуха для перемешивания раствора соли; В – исходной воды; В1 – умягченной воды; В2 – отмывки фильтра второй ступени;
В3 – взрыхляющей воды; В4 – сбора отмывочной воды; С – раствора
соли; К – сточных вод
Схема солевого хозяйства с мокрым хранением менее трудоемка, но
требует дополнительных насосов, баков и капитальных затрат.
Баки-мерники являются обычно нестандартным оборудованием, выполняются из металла и эксплуатируются с коррозийно-защитным по56
крытием. Баки-мерники оборудуются трубопроводами для перелива и
опорожнения, водомерным стеклом для контроля уровня рассола. Для
разбавления рассола подводится трубопровод сырой или частично
умягченной воды.
Для перекачки рассола используются химически стойкие центробежные консольные насосы.
Блочные водоподготовительные установки (ВПУ) выпускаются
промышленностью для удовлетворения предприятий в небольших расходах умягченной воды.
Водоподготовительные установки разработаны для объектов, где в
качестве исходной воды используется вода из хозяйственно-питьевого
водопровода или природная сырая вода. В последнем случае в комплекте имеется осветлительный фильтр. Установки выпускаются заводами в полном комплекте.
Все оборудование установки находится на одной раме, поэтому монтаж ВПУ предельно упрощен и заключается в установке ее на фундаменте и подключении к коммуникациям. Однако, такие установки имеют
обычно более низкие экономические показатели по сравнению с традиционными.
Ниже дается описание ВПУ производственного объединения Бийскэнергомаш
(kotel@kotel.ru).
Водоподготовительная установка состоит из противоточного ионитного
фильтра, бака приготовления раствора
соли, агрегата электронасосного, смонтированных на раме и соединенных трубопроводами с арматурой. Фотография установки ВПУ-1 приведена на рис. 4.10,
гидравлическая схема на рис. 4.11.
Внутри фильтра установлены верхнее,
среднее, нижнее распределительные устройства (РУ), а также блокирующее устройство, расположенное между средним и
верхним РУ и обеспечивающее зажатие
слоя ионита при его регенерации.
Технологический процесс подготовки
воды включает в себя выполнение следующих операций: умягчение воды,
взрыхление катионита, пропуск раствора Рис. 4.10. Общий вид блочной
соли, отмывку катионита от продуктов ре- водоподготовительной установки
генерации. Подача воды при выполнении
всех операций производится одним постоянно работающим насосом. В
57
качестве ионообменного материала для загрузки фильтра используется
катионит КУ-2-8.
При умягчении исходная вода насосом подается в ионитный противоточный фильтр и, пройдя его сверху вниз, поступает в бак питательной воды, находящийся у потребителя. Жесткость умягченной воды не
должна превышать 0,015 г-экв/м3 во время всего фильтроцикла. Прозрачность умягченной воды должна быть не более 40 см по шрифту. После увеличения жесткости более 0,015 г-экв/м3 установка переводится в
режим регенерации.
Рис. 4.11. Гидравлическая схема блочной водоподготовительной установки: 1 – фильтр катионитный противоточный; 2 – отсек мокрого хранения и растворения соли; 3 – отсек раствора соли; 4 – емкость приема стоков; 5 – подача исходной воды; 8 – выход умягченной воды; 7 – эжектор
Взрыхления всего слоя катионита производится подачей воды в
нижнее РУ, сброс отработанной воды осуществляется из верхней части
фильтра в канализацию.
Регенерация ионита осуществляется 5–8 %-ным раствором поваренной соли. Для приготовления этого раствора исходная вода подается
в эжектор, куда одновременно поступает 20–25 %-ный раствор соли из
бака ее приготовления. В эжекторе концентрация соли подаваемой водой разбавляется до необходимой. Регенерация катионита производится двумя потоками. Основная часть регенерационного раствора (76 %)
подается в нижнее РУ фильтра и проходит вспомогательный и основной
слои катионита снизу вверх. Остальной поток (24 %) подается в верхнее
РУ и проходит сверху вниз блокирующий слой. Отвод отработанного
раствора осуществляется через среднее РУ в канализацию.
Отмывка ионита производится исходной водой, которая подается
также двумя потоками. Основной поток (76 %) поступает через нижнее
РУ и проходит через вспомогательный слой ионита, где исходная вода
58
умягчается. Таким образом, отмывка основного слоя производится умягченной водой. Меньшая часть потока подается через верхнее РУ. Сброс
отмывочной воды производится через среднее РУ в канализацию. После
отмывки, окончание которой определяется по жесткости промывочной
воды, установка переводится в режим умягчения исходной воды
Противоточное движение потоков умягчаемой воды и регенерирующего раствора обеспечивает высокий эффект удаления из воды катионов жесткости в одной ступени фильтра.
Бак приготовления раствора соли представляет собой цилиндрическую емкость диаметром с плоскими днищами. В верхнем днище расположен люк с крышкой для загрузки соли. Бак разделен внутренней перегородкой на два отсека: больший (76 %) – емкость для мокрого хранения
соли и меньший (24 %) – для сбора отфильтрованного раствора. В отсек
хранения соли подается исходная вода. Для очистки раствора соли от
механических примесей в нижнюю часть емкости для хранения соли загружается дробленный антрацит крупностью 0,8–1,5 мм. Высота загрузки
– 500 мм. Переток раствора соли из одной секции в другую осуществляется по трубопроводу, соединяющего дренаж емкости хранения соли с
емкостью раствора соли.
Промышленность России и зарубежных стран выпускает большой
ассортимент водоподготовительных установок, характеристики некоторых из них приведены в табл. 4.5–4.6.
Таблица 4.5
Характеристики блочных водоподготовительных установок
ПО Бийскэнергомаш
Техническая характеристика
Габариты, мм
Мас
Рабочее Температура
Наименование Производительность,
кг
давление,
среды,
°С
не
Длина
Высота
Ширина
м3/ч
МПа
более
ВПУ-3,0
3,0
0,6
40
1950
3300
1000
ВПУ-6,0
6,0
0,6
40
2455
2460
1320
В табл. 4.6. даны параметры блочных водоподготовительных установок
Саратовского завода энергетического машиностроения. Во всех установках этой фирмы обеспечивается глубокое умягчение исходной воды. Установки БВПУМФ-1,0; БВПУ-5; БВПУ-10 имеют возможность дополнительного осветления воды, в состав их включены осветлительные фильтры.
При общей жесткости исходной воды до 5 г-экв/м3, жесткость обработанной воды во всех установках гарантируется не выше 0,02 г-экв/м3.
При проектировании установка умягчения воды типа ВПУ выбирается
по производительности и требуемой степени очистки воды. Водоподго59
0
02
товительные установки заводского изготовления размещаются обычно в
зданиях промышленных цехов.
60
Таблица 4.6
Характеристики блочных водоподготовительных установок Саратовского завода
энергетического машиностроения
Наименование
параметра
Давление воды рабочее, МПа
Температура, оС
Производительность, м3/ч
Масса катионита КУ-2-8, кг
Масса одной загрузки поваренной соли, кг
Длина, мм
Ширина, мм
Высота, мм
Масса аппарата без загрузки, кг
Установки
БВПУ-0,4
БВПУ-1
БВПУМФ-1
Na-катионитный
Осветлительный
фильтр, солераство- фильтр,
Na-катионитрительный бак, трубо- ный фильтр, солераспроводы, эжектор, ар- творительный бак, труматура, КИП
бопроводы,
эжектор,
арматура, КИП, насос
БВПУ-5
БВПУ-10
Осветлительный фильтр,
два Na-катионитных
фильтра,
работающие
последовательно
или параллельно, баки-мерники
хранения соли, теплообменник
подогрева воды, трубопроводы,
арматура, КИП, два насоса
0,6
0,6
0,4
до 40
0,4
115
0,4
0,4
1
170
0,4
170
5
580
10
1400
17,8
25
25
53
128
1120
670
1960
320
1120
670
2500
390
2210
850
2530
780
2750
1300
3740
2465
3050
2300
3950
3905
61
4.6. Расчет и подбор оборудования
натрий-катионитных установок
Расчет фильтров заключается в определении их площади, числа и
марок, определении объема катионита, параметров фильтрования и регенерации катионита. Основы расчета приведены в нормах и специальной
литературе [1, 2, 3, 5]. В расчетах следует учесть, что одноступенчатое катионирование позволяет снизить жесткость воды до 0,05–0,1 г-экв/м3,
двухступенчатое – до 0,01 г-экв/м3.
Фильтры первой ступени.
Wк =
24 Q Ж о .исх
Na
n p E раб
,
(4.6)
где Q – расход умягчаемой воды, м3/ч; Ж о .исх – общая жесткость исходNa
ной воды, г-экв/м3; E раб – рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании, г-экв/м3; n p – число регенераций каждого фильтра
в сутки.
Число регенераций n p принимается в пределах от одного до трех, в зависимости от жесткости подаваемой на фильтр воды. При меньшем числе
регенераций потребуется больший объем катионита и большее число
фильтров, в противном случае усложняется эксплуатация установки.
Рабочая обменная емкость катионита определяется по формуле,
Na
E раб
= α Na β Na E полн − 0 ,5 q уд Ж о .исх ,
(4.7)
где α Na - коэффициент эффективности регенерации принимаемый по
табл. 4.1 в зависимости от удельного расхода соли ас. При одноступенной схеме умягчения удельный расход соли ас, г/г-экв, принимается в
зависимости от требуемой жесткости фильтрата из графика на рис. 4.4,
в двухступенчатой – 120–150 г/г-экв; β Na – коэффициент, учитывающий
снижение обменной емкости катионита вследствие частичного задержания катионов Na+, принимаемый по табл. 4.7; Eполн – полная обменная
емкость катионита, определяемая по данным заводов изготовителей,
для некоторых марок катионитов она приведена в табл. 3.1; q уд –
удельный расход воды на отмывку катионита, м3 на 1 м3 катионита, приведен в разделе 4.4; 0,5 – коэффициент, учитывающий неполноту умягчения отмывочной воды.
62
Коэффициент β Na , учитывающий снижение
обменной емкости катионита [1]
CNa/Жо.исх
β Na
Таблица 4.7
0,01
0,05
0,1
0,5
1,0
5,0
10,0
0,93
0,88
0,83
0,70
0,65
0,54
0,50
Примечание: в таблице CNa – концентрация натрия в исходной воде, г-экв/м3
(CNa = Na+/23).
Площадь катионитных фильтров первой ступени Fк, м2, определяется
по формуле
Fк =
Wк
,
Hк
(4.8)
где Нк – высота слоя катионита, м, для фильтров заводского изготовления приведена в табл. 4.2. Далее выбираются типы фильтров и определяются их параметры. Естественно, паспортная высота слоя катионита в
принятых фильтрах должна быть не менее принятой в формуле (4.8).
Число рабочих фильтров N, обеспечивающее эту площадь равно
N раб =
Fк
,
f
(4.9)
где f – площадь фильтрования одного фильтра, м2. Должны быть дополнительные предусмотрены резервные фильтры. Число рабочих фильтров по нормам проектирования [1] должно быть не менее двух, резервных – один.
Определяется фактическая скорость фильтрования воды Vфакт , м/ч,
в принятых фильтрах
Vфакт =
Q
N раб f
.
(4.10)
Фактическая скорость фильтрования должна быть не более рекомендуемой нормами при общей жесткости воды:
до 5 г-экв/м3 – 25 м/ч;
5 – 10 г-экв/м3 – 15 м/ч;
10 – 15 г-экв/м3 – 10 м/ч.
При кратковременном выключении одного из фильтров на регенерацию допускается увеличение скорости фильтрования на 10 м/ч на остальных.
63
При превышении рекомендуемых скоростей, должна быть принята
большая площадь фильтрования (применение фильтров с большей
площадью или их число).
Фильтры второй ступени рассчитываются аналогично фильтрам
первой ступени.
При этом принимаются следующие параметры катионирования на
второй ступени: исходная жесткость равна жесткости фильтрата первой
ступени, принимаемой равной 0,1 г-экв/м3; рабочая обменная емкость
Na
катионита E раб .2 – 250–300 г-экв/м3; высота слоя катионита Н2 – 1,5 м;
скорость фильтрования V2 – не более 40 м/ч; удельный расход соли
ас = 300 – 400 г/г-экв; концентрация раствора соли – 8–12 %.
Площадь фильтрования катионитных фильтров второй ступени
Fк2, м2, определяется по рекомендуемой скорости фильтрования V2, м/ч
Fк 2 =
Q
.
V2
(4.11)
После выбора типа фильтров и их числа N находится фактическая
площадь фильтрования Fфакт , м2
2
Fфакт 2 = N f ,
(4.12)
Продолжительность фильтроцикла этих фильтров, ч,
T2 =
Fфакт2 Н 2 Е раб .2
Q Ж о .2
,
(4.13)
Число регенераций n p для одного фильтра в сутки
n p2 =
24
,
T2
(4.14)
Масса поваренной соли Рс, кг, на одну регенерацию одного натрийкатионитного фильтра определяется по формуле
Na
Рс = f H к Е раб
ac / 1000 .
64
(4.15)
Исходные данные для расчета по формуле (4.15) определены в
формулах (4.18–4.9, 4.13).
Объем раствора соли Wc, определенной выше массы, определяется
по формуле 4.17, в которой G = Pc; с – концентрация раствора, принимаемая для фильтров первой ступени равной 5–8 %, для второй –
8–12 %; ρ – удельная масса раствора, определяемая по табл. 4.8. Объем баков-мерников равен 2 Wc.
Расход раствора соли qс , м3/ч, по которому определяется диаметр
трубопровода, равен
qс =Vc f ,
(4.16)
где Vc – скорость фильтрования регенерационного раствора через катионит, принимаемая 3–4 м/ч.
Диаметр солерастворителя определяется по расходу раствора соли
qс и рекомендуемой скорости фильтрования до 10 м/ч.
Таблица 4.8
Плотность раствора хлорида натрия при температуре 20 0С
Концентрация,
%
5
6
7
8
9
10
Удельная масса
раствора ρ, г/дм3
1,034
1,041
1,049
1,056
1,063
1,071
Концентрация,
%
11
12
15
18
20
25
Удельная масса
раствора, г/дм3
1,078
1,086
1,109
1,132
1,128
1,189
Суточный расход технической соли, необходимый для работы установки умягчения воды, Gсут, кг/сут, равен
Gcут = Pc n p N .
(4.17)
В зависимости от условий поставок на складе должен хранится
15–30-суточный запас соли, а в местностях с северным завозом на весь
период между навигациями.
Объем баков для мокрого хранения W м .хр , м3, соли принимается
равным
W м .хр =
100 G
,
ρс
(4.18)
65
где G – масса соли хранимая в баке, т; ρ – удельная масса раствора,
принимаемая по табл. 4.8; с – концентрация раствора, %. Расчет по
формуле 4.18 показывает, что для хранения 1 т соли при концентрации
раствора 25 % требуется бак объемом 3,3 м3. В практике объем бака
принимается от 2,5 до 5 м3 на 1 т соли.
Фильтры регенерируются поочередно. Расход воды на взрыхление
одного фильтра qвзр, л/с, равен
qвзр = ω f ,
(4.19)
где ω – интенсивность подачи воды для взрыхления катионита, зависит от крупности зерен катионита, л/с⋅м2 (см. раздел 4.4 или [1, прил. 7]);
f – площадь фильтра, м2.
Этот расход воды должен быть подан насосом из бака хранения
взрыхляющей воды. Объем воды Wвзр , м3, на одно взрыхление равен
Wвзр = 60 qвзр t взр / 1000 ,
(4.20)
где t взр – продолжительность взрыхления, принимаемая равной 20–30 мин.
Объем бака должен быть достаточным для двух взрыхлений.
Объем воды требующийся для отмывки Wотм , м3, одного фильтра
равен
Wотм = qотм H к f ,
(4.21)
где qотм – удельный расход воды на отмывку, равный 5–6 м3 на 1 м3 катионита.
Суммарный расход воды на одну регенерацию, м3,
Wводы рег = Wвзр + Wc + Wотм .
(4.22)
Потери напора в катионитной установке умягчения воды определяются как сумма потерь напора в коммуникациях и в фильтрах. В фильтрах первой ступени они равны 4–7 м, второй – 13–15 м.
Пример 4. Расчет установки двухступенчатого натрийкатионирования.
Исходные данные: Вода р. Амур прошедшая предварительную очистку
от взвешенных веществ и цветности имеет следующий химический состав (см. прим. 1): солесодержание – 72 г/дм3; концентрация катионов –
66
1,25 г-экв/м3; общая жесткость Жо.исх – 0,87 г-экв/м3; концентрация натрия
CNa – 7 г/м3 или 0,3 г-экв/дм3. Умягченная вода предназначается для питания паровых котлов с давлением до 2,4 МПа. Жесткость питательной
воды должна быть не выше 0,02 г-экв/м3. Расчетный расход питательной
воды Q – 25 м3/ч.
В разделе 4.6 даны сведения, что одноступенчатое катионирование
позволяет снизить жесткость воды только до 0,05–0,1 г-экв/м3. Поэтому
принято двухступенчатое катионирование в напорных фильтрах. Принципиальная схема установки приведена на рис. 4.9. Принята технология
с мокрым хранением соли, как менее трудоемкая. В разд. 4.5 дано описание работы этой установки.
Фильтры первой ступени.
В качестве катионита применен сульфоуголь с размером зерен
0,3–1,5 мм. Полная обменная емкость катионита Еполн равна 600 г-экв/м3.
Удельный расход соли ас, г/г-экв, принят в соответствие с рекомендациями норм равным 150 г/г-экв. Коэффициент эффективности регенерации определен по табл. 4.1, α Na = 0,74. Коэффициент β Na определен по табл. 4.3 по соотношению CNa/Жо.исх = 0,3/0,87 = 0,35 и равен
0,75.
Удельный расход отмывочной воды q уд принят равным 5 м3 на 1 м3
катионита. Рабочая обменная катионита определена по формуле (4.7)
Na
E раб
= α Na β Na E полн − 0 ,5 q уд Ж о .исх =0,74 ⋅ 0,75 ⋅ 600 – 0,5 ⋅ 5 ⋅ 0,87=
= 330 г-экв/м3.
Поскольку исходная вода имеет малую жесткость, принимается число регенераций каждого фильтра в сутки n p = 1. Объем катионита в
фильтрах первой ступени определяется по формуле (4.6)
Wк =
24 Q Ж о .исх
Na
n p E раб
= 24 ⋅ 25 ⋅ 0,87/ (1⋅ 330) = 1,58 м3.
По данным табл. 4.2 выбираем фильтры производственного объединения Бийскэнергомаш марки ФИПаI -0,7-0,6- Na-2. Фильтр этой марки
имеет диаметр корпуса 720 мм, высоту загрузки катионита Нк = 2,0 м,
высоту корпуса 3445 мм. Масса аппарата без загрузки 570 кг. Площадь
фильтрования этого фильтра f равна 0,41 м2.
Суммарная площадь катионитных фильтров первой ступени определяется по формуле (4.8)
67
Fк =
Wк
= 1,58/2,0 = 0,74 м2.
Hк
По формуле (4.9) определено число рабочих фильтров
N раб .1 =
Fк
= 0,74/0,41 = 1,8.
f
Предварительно принимается два рабочих фильтра. Фактическая скорость фильтрования воды в нормальном режиме для двух фильтров будет составлять по формуле (4.10)
Vфакт =
Q
N раб .1 f
= 25/(2 ⋅ 0,41) = 30,5 м/ч. Эта скорость превышает
предельно рекомендуемую, равную 25 м/ч, поэтому число рабочих
фильтров увеличивается до трех.
В форсированном режиме, когда один фильтр будет выключен на регенерацию, допускается скорость на 10 м/ч выше рекомендуемой для нормального режима, т. е. 35 м/ч. В данном случае, при двух работающих
фильтрах, скорость в них не превышает указанного предела.
К установке принимаются 3 рабочих и один дополнительный резервный
фильтр, т. е. всего четыре натрий-катионитных фильтров первой ступени. Конструкция катионитного фильтра приведена на рис. 4.6.
Фильтры второй ступени.
В качестве катионита применен тот же материал, что и для фильтров
первой ступени – сульфоуголь. Вода, подаваемая на фильтры, имеет
жесткость фильтрата первой ступени, т. е. Ж о .2 = 0,1 г-экв/м3; рабочая
Na
обменная емкость сульфоугля в фильтрах второй ступени E раб .2 принимается равной 250 г-экв/м3. Удельный расход соли на регенерацию –
400 г на 1 г-экв задержанной жесткости.
Площадь фильтрования катионитных фильтров второй ступени определяется по формуле (4.11) и рекомендуемой скорости фильтрования
V2= 40 м/ч.
Fк 2 =
Q
V2
= 25/40 = 0,62 м2.
К применению приняты фильтры ФИПаII-1,0-0,6-Na с высотой загрузки
катионита 1,5 м. Диаметр фильтра – 1020 мм, площадь фильтрования –
0,82 м2.
68
Высота корпуса – 3100 мм, масса аппарата без загрузки – 950 кг.
К установке принято два рабочих и один резервный фильтр второй ступени, фактическая площадь фильтрования рабочих фильтров будет составлять
Fфакт = N раб .2 f = 2 . 0,82 = 1,64 м2.
2
Фактическая скорость фильтрования равна Vфакт = 25/1,64 = 15,2 м/ч, то
есть находится на допустимом уровне. В форсированном режиме при
одном выключенном на регенерацию фильтре скорость фильтрования
составит 30,4 м/ч, что меньше предельной, равной 40 м/ч.
Продолжительность фильтроцикла этих фильтров определена по
формуле (4.13)
T2 =
Fфакт2 Н 2 Е раб .2
Q Ж о .2
= 1,64 . 1,5 . 250/(25 . 0,1) = 246 ч.
Число регенераций фильтров второй ступени n p 2 =
24
= 24/248 =
T2
0,1, т. е. проводится одна регенерация в течение 10 сут.
Солевое хозяйство:
Масса поваренной соли на одну регенерацию натрий-катионитного
фильтра первой ступени определяется по формуле (4.15)
Na
Рс1 = f H к Е раб
ac / 1000 = 0,41 . 2,0 . 330 . 150/1000 = 40,6 кг.
Аналогично для фильтров второй ступени Рс 2 = 0,82 . 1,5 . 250 . 400/1000 =
= 123 кг.
Суточный расход технической соли, необходимый для регенерации
фильтров умягчения воды обеих ступеней равен:
Gcут = Pc1 n p1 N1 + Pc 2 n p 2 N 2 = 40,5 . 1 . 3 +123 . 0,1. 2 = 146,1 кг/сут.
Принято 15-суточное хранение соли в баках мокрого хранения. Масса
соли для хранения составит G хран = 146,1 . 15 = 2192 кг или 2,2 т.
Объем баков для хранения 25 % раствора соли определен из расчета
5 м3 на 1 т соли
W м .хр = 5 G хран = 5 , 2,2 = 11 м3. К установке принимаются 2 бака с
унифицированными размерами в плане 1,5 х 1,5 и высотой 2,4 м. Ем-
69
кость каждого бака будет равна 5,4 м3. Баки выполняются из железобетона с защитой поверхности от коррозии. Схема расположения баков
приведена на рис. 4.12. Высотное расположение баков приведено на
рис. 4.13, положение баков в общей схеме установки умягчения воды –
на рис. 4.9.
Суточный объем 25 %-ного раствора для регенерации всех фильтров
равен:
W раств =
100 Gсут
1000 ρ с
,
(4.23)
где Gсут = 146,1 кг/сут; с = 25 %; ρ = 1,19 (см. примечания к формуле
4.18). В итоге W раств = 0,5 м3/сут.
Концентрированный раствор соли из баков перекачивается через солерастворитель в бак мерник. Принимается к применению меньший, из
приведенных в табл. 4.4, солерастворитель Саратовского завода энергетического машиностроения C-0,125-0,4. Диаметр солерастворителя –
426 мм, площадь фильтрования – 0,14 м2. При скорости фильтрования
через него раствора соли равной 3 м/ч, его производительность составляет 3 , 0,14, т. е., равна 0,42 м3/ч. Следовательно, производительность
принятого солерастворителя вполне достаточна для пропуска расчетного объема соли.
К установке принимаются два солерастворителя – один рабочий и один
резервный.
Для перекачки раствора соли приняты насосы центробежные химические консольные Х2/30 производительность 2 м3/ч и напором 30 м (самые малые в ряду насосов этого типа). Масса насоса – 126 кг, мощность
электродвигателя насоса составляет 3 кВт. Габариты насоса вместе с
электродвигателем в плане равны 930 х 450 мм. Устанавливается два
насоса: рабочий и резервный.
Из солерастворителя раствор подается в баки-мерники для приготовления регенерационных растворов для регенерации фильтров первой и
второй ступени. В соответствие с указанием норм [прил. 7, 1] концентрация соли для фильтров первой ступени принимается равной 5 %, для
фильтров второй ступени – 10 %.
1
Объем раствора для одной регенерации одного фильтра W раств , м3,
определяется по формуле:
W 1 раств =
100 рс
,
1000 ρ с
где рс – масса соли на одну регенерацию, кг.
70
(4.24)
Из предыдущих определений для натрий-катионитного фильтра первой
1
ступени: рс = 40,6 кг; с = 5 %; ρ = 1,034. По расчету W раств = 0,8 м3. Для
натрий-катионитного фильтра второй ступени: рс = 123 кг; с = 10 %; ρ =
2
1,071; W раств = 1,48 м3.
Рис. 4.12. Баки мокрого хранения соли
(положение в плане): 1 – баки; 2 – трубопроводы отбора
концентрированного
раствора соли; 3 – солевые насосы; 4 –
подача раствора соли на фильтры – солерастворители; 5 – вода от водопровода для заполнения баков; 6 – подача
воздуха на взрыхление соли
В баках-мерниках хранится объем раствора на две регенерации. Принимаются для обеих ступеней баки-мерники одинакового объема, что
обеспечивает их взаимозаменяемость. Объем одного бака равен:
W мерн = 2 . 1,48 ≈ 3,0 м3. Диаметр каждого бака в плане 1,3 м, высота –
2,5 м. Принимается 3 бака: один для первой ступени фильтров, второй –
для второй ступени, третий – резервный для обеих ступеней.
Рис. 4.13. Отделение хранения соли в разрезе: подрисуночные надписи см. на рис. 4.12
71
Баки-мерники оборудуются сигнализатором уровня раствора, переливным трубопроводом и трубопроводом опорожнения. Баки выполняются
из металла с защитным покрытием от коррозии.
Расход раствора соли qс , м3/ч, по трубопроводу от бака-мерника к
фильтрам определяется по формуле (4.16), по принятой скорости фильтрования регенерационного раствора Vc через катионит равной 3 м/ч:
для фильтров первой ступени –
q1с = Vc f1 = 3 . 0,41 = 1,25 м3/ч или 0,35 л/с;
Аналогично для фильтров второй ступени –
q 2 с = 3 . 0,82 = 2,46 м3/ч. или 0,68 л/с.
Баки-мерники располагаются на высоте, позволяющей самотечное
движение раствора соли в катионитные фильтры.
Расход воды на взрыхление фильтров qвзр, л/с, определяется по формуле (4.19), в которой ω – интенсивность подачи воды для взрыхления
катионита принята равной 4 л/с.м2, площади фильтрования f фильтра
первой ступени определена выше и равна 0,41 м2, второй ступени –
0,82 м2.
В результате для первой ступени фильтров:
q1взр = ω f = 4 . 0,41 = 1,64 л/с,
соответственно для второй ступени фильтров: q взр = ω f = 4 . 0,82 = =
3,28 л/с.
Объем воды Wвзр , м3, на одно взрыхление одного фильтра определяет2
ся по формуле (4.20), в которой продолжительность взрыхления t взр
принята равной 20 мин. В результате определения для фильтров первой
ступени
W 1взр = 60 qвзр t взр / 1000 = 60 . 1,64 . 20/1000 = 1,97 м3,
2
аналогично для фильтров второй ступени W взр = 60 . 3,28 . 20/1000=
= 3,94 м3.
Воду для взрыхления предусмотрено подавать от специальных баков, в
каждом из которых предусматривается хранить объем воды, необходимый для двух взрыхлений. Принимается для взрыхления обоих типов
фильтров два бака одинакового объема (большего по расчету)
Wбака взр = 2 , 3,94 ≈ 8,0 м3.
Чтобы обеспечить взрыхление любого фильтра от любого бака предусмотрены переключения между баками. Баки предусматривается выполнить из металла с антикоррозийным покрытием. Диаметр каждого
бака 2,0 м, высота – 2,5 м.
72
В баках хранения взрыхляющей воды собирается также вода от отмывки
фильтров соответствующих ступеней. Предусматривается подвод к бакам исходной воды для их пополнения при необходимости.
Из баков вода на взрыхление фильтров подается насосами. Напоры
насосов составляют ориентировочно 15–20 м. Производительность на1
соса для взрыхления первой ступени фильтров: q взр = 1,64 л/с или
6 м3/ч. К установке принимаются два насоса (один рабочий, один резервный) типа К8/18 фактической производительностью 8 м3/ч и напором
19 м. Масса насосного агрегата – 63 кг, размеры в плане 795 х 286 мм.
Мощность электродвигателя – 1,5 кВт.
2
Аналогично для второй ступени фильтров: q взр = 3,28 л/с или
9,8 м3/ч. К установке также принимаются два насоса (один рабочий, один
резервный) типа К50-32-125 производительностью 12,5 м3/ч и напором
20 м. Масса насосного агрегата – 90 кг, размеры в плане 795 х 286 мм.
Мощность электродвигателя – 2,2 кВт.
Объем воды для отмывки Wотм , м3, одного фильтра определяется
по формуле (4.21), в которой удельный расход воды на отмывку qотм
принят равным 5 м3 на 1 м3 катионита. Для фильтра первой ступени:
площадь фильтрования f = 0,41 м2; высота слоя катионита Нк = 2,0 м. Из
формулы (4.21):
W 1отм = qотм H к f = 5 . 2,0 . 0,41 = 4,1 м3.
Соответственно для фильтра второй ступени: f = 0,82 м2; высота
2
слоя катионита Нк = 1,5 м. W отм = 6,15 м3.
Отмывку фильтров первой ступени предусмотрено производить исходной водой, второй ступени – фильтратом первой ступени. Вода на
отмывку подается по трубопроводам подачи воды на фильтр в рабочем
режиме.
Расходы воды на собственные нужды установки для одной регенерацию одного фильтра по данным расчетов сведены в табл. 4.9.
Таблица 4.9
Расходы воды для одной регенерацию одного фильтра
Фильтр
Первой ступени
Второй ступени
Расход воды на одну регенерацию, м3
На приготовление
На взрыхрегенерационноНа отмывку Суммарный
ление
го раствора соли
Wотм
расход
W
взр
W раств
0,8
1,97
4,1
6,9
1,48
3,94
6,15
11,6
73
Первая половина объема отмывочной воды, наиболее загрязненная
солями жесткости, сбрасывается в канализацию, вторая половина используется для взрыхления фильтров. В техническую канализацию
сбрасываются также воды от взрыхления, содержащие взвешенные частицы, и отработанные регенерационные растворы соли.
С учетом этого потери воды на одну регенерацию фильтра первой
ступени равны
W 1с .н . = 0,8 + 1,97 + 0,5 . 4,1 = 4,82 м3;
2
для фильтра второй ступени W с .н . = 1,48 + 3,94 + 0,5 . 6,15 = 8,5 м3.
Суточный расход воды на собственные нужды установки составляет:
Qc .н . = W 1c .н . n p1 N1 + W 2 c .н . n p 2 N 2 = 4,82 . 1 . 3 + 8,5. 0,1 . 2 =
= 16,2 м3/сут.
В процентах от производительности установки Q это составляет
Wс .н . = 100 Qc .н . / (24 Q ) = 100 . 16,2/ (24 . 25) = 2,7 %.
С учетом расходов воды на собственные нужды следует уточнить полезную производительность установки.
Потери напора hl , м, в трубопроводах определяются по зависимости
hl = i L ,
(4.25)
где L – длина трубопровода, м. Потери напора в фильтрах принимаются
равными не более 10,0 м.
Диаметры трубопроводов установки определяются по рекомендуемым скоростям движения жидкости, равными от 1,0 до 2,0 м/с. Их определение сведено в табл. 4.10.
74
Таблица 4.10
Диаметры трубопроводов установки
натрий-катионитного умягчения воды
Назначение
Подача исходной
воды на установку
и
отвод
фильтрованной
Подача исходной
воды на фильтр
первой ступени и
отвод фильтрованной
То же второй ступени
Подача воды на
взрыхление
фильтра первой
ступени
То же второй ступени
Подача раствора
соли на фильтр
первой ступени
То же второй ступени
Расход жидкости
ОбосноЗначевание
ние, л/с
Диаметр,
мм
Скорость,
м/с
Гидравлический
уклон i
6,94
80
0,98
0,0265
Q
3 ,6 N1
2,31
50
0,72
0,0249
Q
3 ,6 N 2
3,47
50
1,1
0,053
q1взр
1,64
40
1,3
0,12
q 2 взр
3,28
50
1,54
0,13
q1с
0,35
25
0,65
0,067
q 2с
0,68
25
1,27
0,2
Q =25
м3/ч
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие зоны наблюдаются в слое загрузки натрий-катионитного
фильтра, что такое высота защитного слоя катионита?
2. Какие схемы натрий-катионирования?
3. От чего зависит глубина умягчения воды при катионировании?
4. Каким показателем характеризуется полнота регенерации натрийкатионитного фильтра?
5. Какие операции проводятся при регенерации катионитного фильтра?
6. Дайте схему натрий-катионитного фильтра.
7. Какие технологии применяют при хранении и приготовлении соли?
Их достоинства и недостатки.
75