Специальные методы очистки вод

Московский государственный технический университет

им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал

Кафедра промышленной экологии

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

" Системы водоподготовки и технологии очистки сточных вод"

на тему:

" Специальные методы очистки вод"

Калуга, 2010

Задание на проектирование

Спроектировать ионитовую установку (воды) производительностью 6 тыс. м³/сутки (полное обессоливание) с реагентным хозяйством.

Введение

очистка обессоливание воды

На промышленных предприятиях различного профиля обессоленная вода расходуется на самые различные нужды, но преимущественно ее используют для следующих основных целей:

· Для охлаждения действующих агрегатов, например, конденсаторов паровых турбин тепловых электростанций;

· Для питания котлов разнообразных конструкций;

· Для очистки выпускаемого продукта, например, для очистки текстиля, пищевых продуктов, электронной техники и др.;

· Для некоторых химических производств.

Таким образом, многие отрасли промышленности предъявляют высокие требования к качеству потребляемой воды. Особенно к ее солевому составу и жесткости. Т. е. подаваемую воду необходимо полностью обессоливать перед использованием.

Существует несколько методов обессоливания воды. Но, на данный момент, наиболее широко используемым в является ионный обмен. Существуют и другие методы, которые при малом расходе воды являются более экономически целесообразными, но в условиях промышленных масштабов они неприменимы.

Полному обессоливанию подвергают, в основном, природные воды с небольшим содержанием взвеси. Основными загрязнителями таких вод являются ионы кальция и магния, обуславливающие жесткость воды, нитраты, свободная углекислота, которая является весьма агрессивной, ионы натрия, анионы серной кислоты, хлориды и др. ионы. Концентрации всех этих веществ варьируются в широких пределах, поэтому существуют различные схемы обессоливания с помощью ионитов, и каждый раз они индивидуальны.

Например, при подготовке добавочной воды основных циклов современных тепловых и атомных электростанций весьма широко используется метод обессоливания воды, основанный на последовательном осуществлении процессов Н-катионирования и ОН-анионирования. В процессе Н-катионирования содержащиеся в воде катионы заменяются на ионы Н⁺; в процессе ОН-анионирования содержащиеся в воде анионы заменяются на ионы ОН^-. Взаимодействуя друг с другом, ионы Н⁺ и ОН^- образуют молекулу воды.

Весьма простой по своей сути метод ионитного обессоливания воды реализуется с применением различных технологических решений, направленных на достижение требуемого эффекта очистки воды с минимальными затратами. При существующих ценах на иониты, реагенты и водоподготовительное оборудование метод химического обессоливания воды с использованием зернистых ионообменных материалов экономически целесообразен.

Подготовка обессоленной воды на ТЭС, как правило, совмещается с ее обескремниванием. Необходимость удалять из воды весьма слабую кремнекислоту предопределяет использование сильноосновных анионитов.

В зависимости от требований, предъявляемых к качеству обессоливаемой воды, и состава примесей исходной воды принципиальные технологические схемы обессоливания воды выполняются с разным числом ступеней ионирования. При обессоливании природных вод ионированию подвергается осветленная вода, прошедшая соответствующие стадии предварительной очистки. В состав ионитовых установок включают угольные фильтры, т.к. при обессоливании большое значение имеет предварительное освобождение воды от взвешенных веществ, железа и органических примесей. Окисляемость воды, подвергаемой обессоливанию, должна быть в пределах расхода 1−2 мг/л кислорода. Если эта величина больше, то в начале схемы предусматриваются фильтры с активированным углем.

I. Описание блоксхемы очистки обессоливаемых вод

Забираемая вода из природного источника в объеме 6 тысяч м³ в сутки с помощью насосов подается в резервуар-накопитель. Установка резервуара-накопителя необходима для обеспечения бесперебойной работы сооружений по очистке вод. Исходные характеристики поступающих вод следующие:

После усреднения поток воды направляем на станцию обессоливания. В состав которой входят:

1. Напорные фильтры с загрузкой из активированного угля для снижения цветности, запаха, мутности (т.е. мелкодисперсных взвешенных веществ обуславливающих преждевременное истирание ионитов), содержания железа и окисляемости до 1 мг/л.

2. Три ступени Н-катионитовых и три ступени анионитовых фильтров, которые удаляют из воды все анионы и катионы (эффективность очистки составляет 99,9%).

3. Декарбонизатор для удаления свободной углекислоты, концентрация которой снижается до показателя 3 мг/л.

Эффект очистки обессоливаемых вод определяется по формуле:

где С₁ — начальная концентрация вещества, мг/л;

С₂ — конечная концентрация вещества, мг/л.

Тогда С₂ = С₁*(1-Э/100).

Тогда после станции ионного обмена остаточные концентрации веществ будут равны:

Остаточные концентрации соответствуют требуемым нормам. Таким образом, обессоленную воду направляем в резервуар-накопитель обессоленной воды, откуда она забирается на использование в собственных нуждах очистных сооружений и подается предприятию-потребителю.

2. Описание технологической схемы обессоливания вод

2.1 Резервуары-накопители сточных вод

Резервуары-накопители сточных вод устанавливаются для того, чтобы при сравнительно небольших расходах сточных и относительно постоянных концентрациях накопить эту сточную воду для обеспечения бесперебойной работы последующих очистных сооружений. Вода собирается в емкости, а затем постепенно из них удаляется на дальнейшую очистку. Резервуары-накопители представляют собой прямоугольную в плане емкость, выполненную из железобетона.

2.1.1 Расчет приемных резервуаров-накопителей

Расчет резервуара-накопителя для потока поступающих вод для дальнейшего обессоливания произведем следующим образом.

Т.к. расход составляет 6000 м³/сут, а рассчитывать резервуар-накопитель будем на 24 часа, то его объем составит:

Рассчитываем его на 24 ч, т.к. это упростит расчет дальнейших сооружений, которые затем могут работать не 16 часов, а все 24 часа в сутки.

Резервуар-накопитель для приема обессоленных вод принимаем равным резервуару-накопителю для приема исходной воды.

2.2 Напорный угольный фильтр

Опыт эксплуатации ионитовых установок показал, что аниониты с течением времени сильно снижают свою обменную способность. Наиболее вероятным объяснением этого явления является необратимое поглощение анионитом некоторых видов органических веществ.

Поэтому в схемах установок по ионитововму обессоливанию воды перед Н-катионитовыми фильтрами первой ступени следует устанавливать фильтры, загруженные активированным углем. Марки активированных углей бывают разные: БАУ, АГ-3 АГ-5 и др.

Но, помимо органических веществ, в исходной воде содержатся также взвешенные вещества и железо, что также негативно сказывается на процессе очистки. От этих примесей необходимо избавляться так же при помощи фильтров с активированным углем. Назначение этих фильтров — извлекать органические и взвешенные вещества из обессоливаемой воды. Такие фильтры позволяют снизить окисляемость воды, подвергаемой обессоливанию, до 1−2 мг/л кислорода.

Такие фильтры можно регенерировать периодическим пропариванием или же заменять в них активированный уголь один раз в 4−6 месяцев.

Напорный фильтр представляет собой закрытый стальной резервуар (вертикальный или горизонтальный), рассчитанный на внутреннее давление до 6 атм. В ряде случаев это позволяет подавать профильтрованную воду в разводящую сеть труб с достаточным напором.

Напорные фильтры применяют без гравийных подстилающих слоёв, с трубчатым дренажем. Кроме дренажной системы для отвода фильтрованной воды и распределения воды при промывке устраивается распределительная система, по которой подаётся сжатый воздух. Если конструкция дренажа обеспечивает равномерное распределение сжатого воздуха, отдельную воздушную распределительную систему можно не предусматривать. Дренаж представляет собой коллектор, проходящий по оси поперечного сечения фильтра, с ответвлениями через 250−300 мм.

В напорных фильтрах применяется специальные дренажные системы колпачки, через щели которых проходит вода. Но не пропускаются зерна загрузки. Подача воды на напорный фильтр и отвод промывной воды осуществляется либо через воронку, обращенную широким концом кверху, либо по кольцевой дырчатой трубе.

Поскольку в исходной воде концентрации взвешенных частиц, окисляемость и железо не соответствуют требованиям проведения очистки ионным обменом непосредственно после резервуара-накопителя, то устанавливаем перед ионным обменом угольные вертикальные напорные фильтры с регенерацией пропариванием.

Вертикальный напорный угольный фильтр

Рис. 1. Вертикальный напорный угольный фильтр.

1 — подача воды на очистку; 2 — спуск промывной воды; 3 — выход очищенной воды;

4 — спуск первого фильтрата; 5 — подвод сжатого воздуха; 6 — подвод промывной воды; 7 — лаз круглый; 8 — лаз эллиптический; 9 — верхнее распределительное устройство;

10 — фильтрующий слой; 11 — штуцер для гидравлической выгрузки и загрузки фильтра.

2.2.1 Расчет напорного угольного фильтра

1. Определение площади фильтра.

Площадь напорного фильтра определяют по формуле где Q_сут — производительность фильтра (полезная) в м³/сутки;

Т — продолжительность работы станции в течение суток, принимаем 24 ч.;

— расчетная скорость фильтрования, 11 м/ч;

— число промывок фильтров за сутки, 2;

—интенсивность в л/секм³ (принимаем 8 л/секм³) и продолжительность в ч первоначального взрыхления загрузки, 0, 017 ч;

интенсивность подачи воды в л/секм² (16 л/секм³, т.к. угольная загрузка) и продолжительность в ч водовоздушной промывки, 0,083ч;

интенсивность в л/секм² (8 л/секм³) и продолжительность отмывки в ч, 0,034 ч;

— продолжительность простоя фильтра из-за промывки в ч, 0,33 ч.

При заданной полезной производительности установки с напорными фильтрами Q_сут = 6000 м³/сутки, или 250 м³/ч. Количество напорных фильтров при площади одного фильтра 9,1 м², должно быть: N = F/f = 45.5/9,1 = 5 шт.

Принимаем 5 рабочих фильтров и 1 резервный диаметром 3,4 м каждый (размеры фильтров подбираются по специальным таблицам).

2. Расчет распределительной системы фильтра.

Напорный вертикальный фильтр имеет диаметр D =3,4 м. Интенсивность промывки = 8 л/секм² .

Общий расход воды на промывку на один фильтр q_пр = f =9.1*8 = 72.8 м³/сек.

Диаметр стального коллектора распределительной системы напорного фильтра при скорости входа промывной воды _кол= 1,1 м/сек будет d_кол=250 мм.

С каждой стороны коллектора размещается по 6−7 ответвлений в виде горизонтальных стальных труб наружным диаметром 60 мм, привариваемых к коллектору под прямым углом на взаимных расстояниях. На штуцерах фарфоровые щелевые дренажные колпачки ВТИ-5 (см. рис.4). Необходимая суммарная площадь щелей в дренажных колпачках должна быть 0,8−1% рабочей площади фильтра, т. е.

0,073 м².

Площадь щелей на каждом колпачке ВТИ-5 составляет f_щ=192 мм² = 0,192 м². Общее число колпачков на ответвлениях распределительной системы

378 шт.

Так как фильтр имеет в плане круглое сечение, то ответвления будут разной длины. На наиболее длинных ответвлениях (в центре фильтра) устанавливается по 15 колпачков, а на коротких по 8.

Количество колпачков на 1 м² составляет 42. Количество промывной воды, приходящейся на один колпачок, q_кол = 0.073*378 = 0,002 м³/сек.

Скорость прохода промывной воды через щели колпачка

_щ= q_кол: f_щ= 1,05 м/сек Режим промывки напорных фильтров следующий: взрыхление загрузки, паровоздушная регенерация и отмывка водой. Отвод промывной воды с напорного фильтра производится при помощи водосборной воронки d = (0,2−0,25)D.

2.3 Сущность и методы обессоливания воды

Под обессоливанием воды принято понимать снижение содержания солей в исходной воде до определенной концентрации. В зависимости от требуемой степени очистки различают полное и частичное обессоливание воды.

Полное (глубокое) обессоливание воды — это устранение из воды всех растворенных в ней солей, обычно до солесодержания в несколько миллиграммов или долей миллиграмма на 1 л в зависимости от требований потребителей.

Полное обессоливание воды может быть достигнуто одним из следующих способов: дистилляцией в испарителях — термический способ; ионным обменом — ионитовый метод. Весьма перспективен метод электродиализа — электрохимический метод — в многокамерных электродиализаторах, заполненными специальными смесями ионитов.

Частичное обессоливание, кроме трех выше перечисленных методов, может быть достигнуто при известковании или баритовом умягчении; при Н-катионировании воды; вымораживанием воды. Последний метод пока не нашел широкого применения.

При выборе способа обессоливания воды следует учитывать: солесодержание исходной воды, заданную производительной обессоливающей установки, стоимость источников тепла, электроэнергии, потребных химических реагентов и материалов.

Остановимся более подробно на методах полного обессоливания воды:

1. Обессоливание воды дистилляцией.

Получение обессоленной воды путем испарения и конденсации пара является самым старым и до сего времени широко распространенным методом обессоливания воды с повышенным прокаленным растворенным остатком. Для обессоливания воды дистилляцией применяют испарители разных типов. Они различаются производительностью, конструкцией и видом потребляемой энергии. Обычно применяют электрические или паровые дистилляторы, что весьма дорого.

Испарители представляют собой котлы низкого давления, где поступающая вода превращается в пар и концентрат со значительным солесодержанием, который непрерывно или периодически сбрасывается. Для получения воды большой степени чистоты необходимо обеспечить медленное кипячение, чтобы тяжелые примеси не уносились паром и не попадали в дистиллят. С целью уменьшения расхода энергии дистилляционные установки выполняются многоступенчатыми. Однако с увеличением числа ступеней испарения увеличивается площадь суммарной поверхности нагрева аппаратов и соответственно возрастают капитальные затраты.

Следует отметить, что для получения обессоленной воды особой степени чистоты испарители, теплообменники, трубопроводы, арматура и установки должны изготовляться из прозрачного кварца или платины. Другие материалы и металлы для них не пригодны.

2. Электрохимический способ.

Сущность электрохимического обессоливания воды заключается в том, что в электрическом поле, создаваемом при пропуске постоянного тока через слой воды, происходит перенос ионов растворенных в воде солей, причем катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду.

Пространство между катодом и анодом поделено на три отсека при помощи катодной и анодной диафрагм. В среднем отсеке находится обессоливаемая вода. Под действием постоянного тока в анодный отдел переходят анионы, а в катодный — катионы.

Для применения данного метода необходимо весьма дорогостоящее оборудование и большие затраты на электроэнергию.

Таким образом в промышленных масштабах оба метода не получили широкого распространения.

3. Обессоливание воды ионным обменом

Более чистую воду по сравнению с получаемой при однократной дистилляции в промышленном масштабе (что весьма важно) дает обработка ее на ионообменных смолах — катионитах и анионитах, предварительно переведенных в Н⁺ и ОН^- — форму.

Остановимся на этом методе, т.к. для решения проблемы полного обессоливания воды, он является наиболее оптимальным и сточки зрения степени очистки, и сточки зрения экономической эффективности.

При этом методе обессоливания происходит удаление из воды катионов и анионов растворенных в ней солей. В зависимости от принятой схемы обессоливающей установки и режиме ее эксплуатации можно достичь практически полного обессоливания воды.

Обессоливание производят с применением ионитов. Иониты представляют собой практически нерастворимые в воде полимерные вещества, имеющие подвижный ион, способный в определенных условиях вступать в реакцию обмена с ионами того же знака, находящимися в растворе. При контакте с водой иониты набухают и увеличиваются в объеме в 1,5−2 раза.

Важной характеристикой для ионитов является их обменная емкость (полная, статическая, динамическая и рабочая). Обменная емкость ионита выражается в единицах массы сорбируемых веществ на единицу массы или объема ионита.

В процессе очистки иониты уплотняются. По мере насыщения ионитов их регенерируют. Перед регенерацией их взрыхляют очищенной водой. После регенерации осуществляют их отмывку водой.

Продуктами регенерации являются элюаты — растворы кислот и щелочей, содержащие извлекаемые из ионитов компоненты. Первые порции элюатов являются наиболее концентрированными по извлекаемым компонентам. Их нейтрализуют или обрабатывают с целью утилизации ценных продуктов. Нейтрализацию осуществляют смешением кислых и щелочных элюатов, а также дополнительным введением кислоты или щелочи.

Свойства катионитов

Обмен катионов на катионите происходит по типовой реакции:

Ме⁺ +Н[К]Ме[К] + Н⁺

где [К] - сложный комплекс катионита; Ме⁺ — катионы солей, подлежащие извлечению из вод.

Катиониты бывают искусственные и природные минеральные и органические. Минеральные катиониты, несмотря на невысокую стоимость, не получили широкого распространения вследствие малой обменной способности и недостаточной стойкости. Чаще используются органические искусственные катиониты. Остановимся на последних.

При фильтровании воды через Н-катионитовый фильтр в воду переходят Н-ионы и анионы превращаются в соответствующие минеральные кислоты. Сухой остаток воды уменьшается.

Катиониты представляют собой синтетические высокомолекулярные соединения. Большое значение имеет селективная способность катионитов.

Катиониты по своим свойствам разделяются на слабои сильнокислотные.

Сильнокислотные катионы позволяют проводить процесс в любых средах, а слабокислотные — в щелочных и нейтральных. Поэтому выбираем для загрузки катионитовых фильтров всех трех ступеней очистки выбираем сильнокислотный катионит КУ-2.

Регенерация катионита — обратное замещение его сорбированных ионов ионами водорода — достигается промывкой обработанного катионита серной кислотой:

2 Ме[К] + Н₂SO₄2 Н[К] + Ме₂SO_4.

Свойства анионитов

Аниониты представляют собой искусственные смолы, получаемые поликонденсацией или полимеризацией некоторых органических соединений.

Обмен анионов на анионите осуществляется по типовой реакции:

2 [А]Он + Н₂SОO₄[А] ₂SO₄ + 2Н₂О.

По своим свойствам они делятся на слабоосновные и сильноосновные аниониты.

Слабоосновные аниониты могут поглощать только ионы сильных кислот. Их применяют для того, чтобы разгрузить сильноосновные анионитовые фильтры.

Сильноосновные аниониты отличаются от слабоосновных тем, что кроме ионов сильных кислот, они могут поглощать также и ионы слабых кислот, например угольной, заменяя их на ионы ОН^-.

Поэтому, исходя из начальных данных, устанавливаем в ионитовой установке фильтры как с сильноосновными, так и со слабоосновными анионитами.

2.3.1 Аппараты для ионирования

Ионообменные фильтры водоподготовительных установок по своему конструктивному оформлению весьма близки к механическим напорным фильтрам. При классификации фильтров используют различные признаки. По способу создания напора воды, который необходим для преодоления гидравлических сопротивлений, возникающих в процессе фильтрования, все ионитовые фильтры являются напорными, т. е. они работают под давлением, создаваемым насосами.

По характеру ионообменного материала, образующего фильтрующий слой, ионитные фильтры подразделяются на катионитовые, анионитовые и фильтры смешенного действия. В последних рабочий слой представлен смесью катионита и анионита. Но фильтры смешенного действия очень сложны в эксплуатации (регенерация, тщательное взрыхление, небольшой расход).

Таким образом, выбираем обычные анионитовые и катионитовые напорные фильтры.

В зависимости от крупности частиц фильтрующей среды и способа создания фильтрующего слоя различают фильтры насыпного и намывного типов. Создание фильтрующего слоя в фильтрах насыпного типа достигается заполнением корпуса аппарата ионообменным материалом с относительно большим разером частиц (0,3 — 1,5 мм). В фильтрах намывного типа фильтрующие слои создают намывом порошкообразных ионитов (размер частиц 50 — 70 мкм) на фильтрующие элементы, расположенные внутри корпуса аппарата. В настоящее время первое место по широте применения принадлежит фильтрам насыпного типа.

По способу выполнении технологических операций регенерации ионитовые фильтры насыпного типа принято подразделять на параллельно-точные, противоточные, ступенчато-противоточные и фильтры с выносной регенерацией. Способ выносной регенерации базируется на применении специальной аппаратуры для регенерации; фильтрующий слой из ионитного фильтра при этом удаляется. Остальные способы регенерации предусматривают выполнение регенерации слоя отработанного ионита в корпусе ионитового фильтра. В параллельно-точных фильтрах предусмотрен пропуск воды и регенерационного раствора через слой ионита в одном и том же направлении. В противоточных фильтрах вода и регенерационный раствор пропускаются через слой ионита в противоположенных направлениях. В ступенчато-противоточных фильтрах, содержащих два слоя загрузки, вида и регенерационный раствор пропускаются через слои загрузки в обратной последовательности. Насыпные фильтры с одинаковым по характеру ионообменным материалом подразделяют также по их технологическому назначению на фильтры 1-й, 2-й или 3-й ступени. Как правило, эти фильтры различаются сортами используемых ионитов, высотой фильтрующего слоя и скоростью фильтрования. По расположению в пространстве продольной оси аппарата фильтры подразделяют на вертикальные и горизонтальные.

Таким образом, устанавливаем на все ступени очистки напорные насыпные вертикальные параллельно-точные фильтры.

2.3.2 Схемы установок полного обессоливания методом ионного обмена

Процессы ионообменной очистки вод, включающие чередующиеся стадии сорбции и регенерации ионитов, осуществляются в аппаратах периодического или непрерывного действия. Ионообменную очистку проводят последовательным фильтрование через катиониты и аниониты. В зависимости от требуемой степени очистки устанавливают одно-, двухил трехступенчатую схему очистки.

При одноступенчатой схеме обессоливания устанавливают Н-катионитовые фильтры и анионитовые, что позволяет снизить общее содержание растворенных солей до 2 — 10 мг/л, однако анион кремниевой кислоты практически остается неустраненным. В промежутке между фильтрами или в конце установки устанавливается декарбонизатор, удаляющий из воды свободную углекислоту. При одноступенчатой схеме вода пропускается через Н-катионитовый фильтр, загруженный сильнокислотным катионитом, сорбирующим катионы Ca²⁺, Мg²⁺, Na⁺ и замещающим их ионами водорода. Солесодержание воды снижается на величину, эквивалентную щелочности исходной воды, которая соответствует содержанию в ней бикарбонатных ионов. Затем вода проходит через фильтр с загрузкой из слабоосновного анионита, в котором сульфатные и хлоридные ионы обмениваются на ионы ОН^- анионита. Данная схема не удовлетворяет требованиям нашего проекта.

При обессоливании воды в две ступени общее содержание растворенных солей в воде может быть снижено до 1 — 3 мг/л, содержание кремниевой кислоты — до 0,15 мг/л. В этом случае происходит чередование групп катионитовых фильтров и анионитовых. Воду пропускают сначала через Н-катионитовые фильтры I ступени с загрузкой сильнокислотным катионитом, задерживающим катионы кальция и магния, а затем через анионитовые фильтры I ступени с загрузкой слабоосновного анионитом, задерживающим ионы сильных кислот (сульфаты, хлориды, нитраты). Далее вода проходит через Н-катионитовые фильтры II ступени, задерживающие катионы натрия, и, наконец, через анионитовые фильтры II ступени с загрузкой из сильноосновного анионита. Здесь извлекаются анионы кремниевой кислоты и остатки свободной углекислоты, не устраненные в декарбонизаторе, который размещен после Н-катионитовых фильтров второй ступени.

Выбираем трехступенчатую схему. Т.к.при необходимости удаления из воды не только ионов кальция и магния, а также железа, натрия сульфатов, хлоридов и др. Необходимо предусматривать трехступенчатую схему очистки. Это позволяет снизить солесодержание до 0,05 0,1 мг/л, кремниевой кислоты до 0,02 — 0,05 мг/л. Это удовлетворяет более высоким требованиям к качеству воды, например при подготовке питательной воды для котлов высокого и сверхвысокого давлений. При этом все три ступени Н-катионитовых фильтров загружаем силькислотным катионитомКУ-2, анионитовые фильтры первой двух ступени загружаем слабоосновным анионитом АН-2Ф, а анионитовые фильтры второй и третьей ступени — сльноосновным анионитом АВ-17.

После Н-катионитовых фильтров II ступени устанавливается декарбонизатор.

Принимаем для обессоливания данной нам воды трехступенчатую схему очистки.

2.3.3 Расчет трехступенчатой ионитовой установки

Данные анализа исходной воды:

Общая минерализация воды составляет:

М = ?К + ?А = 111,6 + 234= 345,6 мг/л

I. Расчет катионитовых фильтров

Н-катионитовые фильтры всех трех ступеней загружаем сильнокислотным катионитом КУ-2.

Объем катионита в фильтрах I-ой ступени:

где — коэффициент для учета расхода воды на собственные нужды установки; можно принимать = 1,1 — 1,35 (большие значения принимают при повышенном солесодержании и глубоком обессоливании воды). Принимаем =1,1;

— полезный расход обессоленной воды в м³/сут, =6000 м³/сут;

?К — сумма катионитов в исходной воде в мг-экв/л, ?К = 5,905 мг-экв/л;

n — число фильтроциклов в сутки, принимаем n = 2;

— рабочая обменная способность катионита,

где — коэффициент эффективности регенерации (по таблице), =0,91;

— коэффициент для учета снижения обменной способности Н-катионита по катиону натрия по сравнению с обменной способностью по катионам жесткости, =0,85;

— полная обменная емкость катионита, равная для КУ-2 1500−1700 мг-экв/м³ при =0,8 — 0,9, =1500 мг-экв/л;

q — удельный расход осветленной воды на отмывку 1 м³ Н-катионита, q = 5 м³/ м³.

Тогда мг-экв/л;

А объем катионита в фильтрах I ступени оставит:

м³.

При высоте загрузки h = 2,5 м суммарная площадь катионитовых фильтров будет м².

По таблице принимаем 3 рабочих фильтра и один резервный D = 2 м и общей площадью м² > 6,8 м².

Скорость фильтрования воды при нормальном режиме м/ч.

Для катионитовых фильтров II ступени:

где — содержание натрия в воде, поступающей на Н-катионитовые фильтры II ступени, вследствие проскока натрия в фильтрат I ступени.

Величина принимается (с запасом) равной концентрации Na в исходной воде, т. е. = 0,52 мг-экв/л.

При удельном расходе, равном 100 мг/мг-экв, величина = 0,85. Удельный расход осветленной воды на отмывку q = 8 — 10 м³/ м³ катионита, тогда

мг-экв/л.

Полезная продолжительность фильтроцикла обычно = 22,5 ч. Так как на Н-катионитовые фильтры II ступени поступают лишь катионы натрия, рекомендуется увеличить до 100 ч. Однако в данном случае количество натрия незначительно, поэтому принимаем = 33 ч. Продолжительность отмывки по сравнению с обычной = 1,5 ч увеличиваем до = 3 ч. Тогда число фильтроциклов за сутки n = 24/(33+3) = 0,67.

Объем катионитовой загрузки составит:

м³.

При высоте загрузки h = 1,5 м площадь фильтров II ступени будет составлять

м².

Принимаем 2 рабочих фильтра и один резервный D = 2 м. Тогда общая площадь Н-катионитовых фильтров II ступени составит м².

Скорость фильтрования на фильтрах II ступени при нормальном режиме составит м/ч.

Н-катионитовые фильтры III ступени принимаем без расчета равнозначными фильтрам II ступени.

Скорость фильтрования воды через Н-катионитовые фильтры I ступени должна быть не более 25 м/ч, а при форсированном режиме (при отключении одного из фильтров на регенерацию) не более 40 м/ч. Для фильтров II и III ступеней скорость фильтрования при нормальном режиме можно повышать до 40 — 60 м/ч.

II. Расчет анионитовых фильтров

Для фильтров I ступени расчетная обменная способность слабоосновного анионита АН-2Ф во влажном состоянии составляет мг-экв/л.

Расчетная скорость фильтрования анионитовых фильтров I ступени определяем по формуле:

где — высота загрузки анионитовых фильтров I ступени, равная 2,5 м;

А — содержание анионов сильных кислот в исходной воде, равное для данного примера: мг-экв/л;

Т — продолжительность работы каждого фильтра между регенерациями в ч, равная:

где n — число регенераций за сутки, принимаемое равным 2−3;

— продолжительность взрыхления анионита, равная 0,25 ч;

— продолжительность пропуска через анионит регенерационного раствора щелочи, равная 1,5 ч;

— продолжительность отмывки анионита после регенерации, равная 3 ч.

Тогда

ч;

м/ч.

Площадь анионитовых фильтров I ступени:

м².

Принимаем 3 рабочих и один резервный фильтр D = 2,6 м. Тогда общая площадь фильтровании будет составлять м² > 15,3 м².

Для анионитовых фильтров II ступени расчетная величина обменной способности

.

Определим рабочую кремнеемкость анионита, задаваясь средней концентрацией в обессоленной воде 0,1 мг/л за межрегенерационный период. По таблице находим, что эта концентрация соблюдается, если фильтр отключать на регенерацию по достижении в фильтрате концентрации 0,4 мг/л .

Так как в исходной воде концентрация составляет 24 мг/л, то при концентрации 0,4 мг/л в фильтрате рабочая кремнеемкость сильноосновного анионита АВ-17 составляет 420 мг-экв/л.

Тогда расчетная кремнеемкость по формуле составит:

мг-экв/л.

Тогда необходимый объем анионита АВ-17:

м³.

При высоте загрузки 1,5 м площадь фильтров будет м². Принимаем 3 рабочих и один резервный фильтр D = 2 м. Тогда при работе обоих фильтров скорость фильтрования составит:

м/ч < 30 м/ч,

а при выключении одного фильтра на регенерацию

м/ч.

Анионитовые фильтры III ступени подбирают по скорости фильтрования до 30 м/ч и высоте загрузки 1,5 м. Поэтому в данном случае эти фильтры приняты таких же размеров, как и для II ступени.

III. Определение расхода воды (частично обессоленной) на собственные нужды установки

1. Расход воды для приготовления регенерирующих растворов:

где — сумма катионитов в фильтрате анионитовых фильтров I ступени в мг-экв/л, принимаемая ориентировочно равной 0,3 мг-экв/л;

— сумма анионов сильных кислот, в нашем случае = 0,42 + 4,06 = 4,48 мг-экв/л;

— удельный расход 100%-ной кислоты в мг/мг-экв;

— удельный расход целочи в мг/мг-экв;

и — концентрация регенерирующих растворов в %.

Если принять = 120 мг/ мг-экв для 100%-ной, = 60 мг/мг-экв для едкого натра, = 1,5% и = 4%, то по формуле

м³/сутки.

2. Расход воды на взрыхление ионита в фильтрах II и III ступеней (перед их регенерацией):

г

де — продолжительность взрыхления, принимается равной 15−20 мин;

и — число регенераций каждого из катионитовых фильтров I, II и III ступеней в сутки; принимаются =1−2, =0,25 и = 0,05;

и — число регенераций каждого из анионитовых фильтров I, II и III ступеней в сутки; принимаются =1−2; =1−2 и = 0,05;

и — площади Н-катионитовых фильтров I, II и III ступеней в м²;

и — площади анионитовых фильтров I, II и III ступеней в м²;

— количество фильтров соответствующих групп;

— интенсивность взрыхления ионитов соответствующих фильтров в л/сек*м².

Значения и равны нулю, так как для взрыхления ионитов в фильтрах I ступени повторно используются отмывочные воды.

Тогда = 0,06*15(2*0,25*3,14*5 + 3*1*3,14*5 + 2*0,05*3,14*5 + 3*0,05*3,14*5) = 53 м³/сутки.

3. Расход воды для отмывки ионитов (при условии отмывки фильтров I ступени повторно используемыми водами после отмывки фильтров II ступени):

где — объемы катионита в рабочем состоянии в м³;

— объемы анионита в рабочем состоянии в м³;

— удельные расходы отмывочной воды в м³/м³.

Тогда при = 8 — 10 м³/м³, = 10 — 20 м³/м³, = 7 — 10 м³/м³, = 10 — 12 м³/м³.

= 0,25(2*3,14*1,5*10) + 1(3*3,14*1,5*8) + 0,05(2*3,14*1,5*15) + 0,05(3*3,14*1,5*10) = 23,55 + 113,04 + 7,065 + 7,065 = 150,72 м³/сутки.

Из этого количества воды фильтрат анионитовых фильтров II и III ступеней составляет 113,04 + 7, 065 = 120,105 м³/сутки.

Суммарный расход частично обессоленной воды на собственные нужды установки:

= 55 + 53 + 150,72 = 259 м³/сутки, или (259*100)/6000 = 4,3% полезного расхода, следовательно, коэффициенты расхода на собственные нужды установки, принятые в расчете минимально возможными, были намечены правильно.

2.3.4 Регенерационное хозяйство

В зависимости от требований, предъявляемых к обессоленной воде, заготовка регенерирующих растворов может производиться на исходной, осветленной, либо на обессоленной воде. Аналогично в зависимости от требований к обессоленной воде, отмывка ионитов от продуктов регенерации и взрыхление загрузки может производиться исходной осветленной водой, Н-катионированной водой или обессоленной водой.

Поскольку требования к очищаемой нами воде предъявляются довольно жесткие, т. е. необходимо получение полностью обессоленной воды для последующего питания котлов высокого давления, то при приготовлении регенерационных растворов, подачи промывочных и взрыхляющих вод будем использовать обессоленную воду.

Учтем, что резервуары для промывочных и взрыхляющих вод организуем совместно, т. е. устанавливаем один резервуар и делим его на две части.

Для регенерации катионитов и анионитов обессоливающих установок на станциях очистки предусматривается организация регенерационных хозяйств, которые в себя включают: цистерны для хранения концентрированных растворов, растворные баки, мерники, вакуум-насосы, расходомеры и др.

Выбираем для регенерации Н-катионитовых фильтров серную кислоту. А для регенерации анионитовых фильтров первой и второй ступеней предусмотрим подачу раствора едкого натра (поскольку необходимо удаление кремниевой кислоты). Регенерацию анионитовых фильтров третьей ступени проводим аммиачным раствором.

Чтобы на Н-катионитовые фильтры серная кислота подавалась нужной концентрации и в достаточном объеме предусматриваем разработку сернокислого хозяйства на нашей станции обессоливания, которая представлена на рисунке 6. Кислотное хозяйство должно обеспечивать месячный запас реагента. В связи с тем, что железнодорожные, в которых поставляют серную кислоту, имеют грузоподъемность до 50−60 т, объем хранилищ должен обеспечить их полное опорожнение. Концентрированная кислота обычно доставляется на водоподготовительные установки в железнодорожных цистернах, откуда она сливается в цистерны для хранения кислоты. Слив происходит за счет вакуума в этой цистерне, создаваемого вакуум-насосом. Из цистерны-хранилища кислота сливается в мерник, также за счет создания вакуума в мернике. Из мерника она засасывается эжектором и уже в воде однопроцентного раствора подается на регенерируемый фильтр. Соотношение воды и кислоты, подаваемых к эжектору для получения однопроцентного раствора, регулируется по показаниям расходомера на линии воды и по понижению уровня кислоты в водомерном стекле мерника. Растворы серной кислоты концентрацией больше 1−1,5% применять не следует, так как повышается опасность загипсования катионита, вследствие увеличения концентрации превышающей растворимость его в воде.

Для подачи раствора едкого натра для регенерации анионитовых фильтров предусматриваем устройство едконатрового хозяйства, показанного на рисунке 7.

В схеме этого хозяйства предусмотрена возможность использования как жидкого, так и твердого едкого натра, с растворением его в специальном баке. В баке 1 производится растворение твердого едкого натра или в него сливается готовый концентрированный раствор из специальных контейнеров или из цистерны-хранилища 5. В случае необходимости подачи на анионитовый фильтр 2% раствора едкого натра концентрированный раствор последнего из мерника 8 нагнетается в трубопровод 11, идущий к фильтру. Соотношение между количеством воды, подаваемой по трубопроводу11, и раствором концентрированного едкого натра, подаваемого насосом 9, для получения заданной концентрации раствора, может устанавливаться по показаниям расходомера 13 на трубе 11 и по расходу концентрированного раствора из мерника 8 (по водомерному стеклу).

Для подачи 0,2% раствора едкого натра используется насос-дозатор 10, который подает необходимую дозу концентрированной щелочи для получения в трубе 11 раствора едкого натра концентрацией 0,2%.

2.3.5 Расчет регенерационного хозяйства ионитовой установки

Емкость цистерн для хранения запаса концентрированных кислот и едкого натра:

где — коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды установки, в нашем случае =1,1;

— сумма катионитов (или анионитов) в обессоливаемой воде в мг-экв/л.

а — удельный расход реагента 100%-ной концентрации, мг/мг-экв, для серной кислоты составляет 120 мг/мг-экв (по таблице);

m - число суток, на которое рассчитан запас реагента, принимаем 20 суток;

b — концентрация реагента в %, принимаем концентрацию серной кислоты равной 75%;

— удельный вес концентрированного реагента в т/м³, для серной кислоты составляет 1,67 т/м³.

Тогда емкость цистерн для 75%-ной серной кислоты при = 6000 м³/сутки составит:

м³.

Так как серная кислота доставляется железнодорожным транспортом, то полученное значение округляется до величины, которая является кратной емкости железнодорожной цистерны. Это необходимо для полного опорожнения тары. Грузоподъемность железнодорожной цистерны 50 т, что соответствует объему концентрированной серной кислоты = 50:1,67 = 30 м³. Принимаем 5 типовых стационарных бака-цистерн емкостью 15 м³.

Слив и перемещение серной кислоты из железнодорожной цистерны в стационарную происходит под вакуумом, который создает вакуум-насос или эжектор. Кислота поступает в мерник, а затем эжектором подается в Н-катионитовые фильтры. Отношение объема воды, поступающей в эжектор, к объему засасываемой кислоты регулирует расходомер; расход кислоты устанавливают по понижению уровня ее в мернике при помощи водомерного стекла.

Т.к. ионитовая установка имеет анионитовые фильтры с сильноосновным анионитом (для извлечения из воды кремниевой кислоты), то их регенерацию проводим едким натром.

Емкость цистерн для жидкого едкого натра подсчитаем по формуле аналогичной формуле для серной кислоты (все коэффициенты и концентрация едкого натра принимается по таблице):

м³.

Также принимаем 5 типовых стационарных цистерн емкостью 15 м³.

Емкость мерника для серной кислоты и едкого натра вычисляется по формуле:

где t — продолжительность работы катионитового или анионитового фильтра в ч;

р — число регенераций, на которое принимают реагента в мернике, обычно принимается от 1 до 3;

n — число рабочих ионитовых фильтров.

Остальные обозначения аналогичны принятым в формуле для вычисления объема цистерн.

Таким образом, емкость мерника для серной кислоты для регенерации Н-катионитовых фильтров I ступени составит:

м³.

А для II и III ступеней (т.к. число рабочих фильтров отличается):

Емкость мерника для едкого натра составит:

м³,

где 2000 — удельный расход NaOH в мг на 1 мг-экв задержанной из воды кремниевой кислоты. Типовые мерники имеют емкости 150, 250 и 500 л при диаметрах 500, 670 и 810 мм и высотах 1060, 1135 и 1345 мм. Поэтому мерники с полезной емкостью 0,6 и 2 м³ должны быть изготовлены по специальному заказу, что широко практикуется в нашей стране.

Емкость баков с водой для взрыхления ионитов рассчитывается по формуле:

где = 5 л/сек*м² — интенсивность взрыхления;

= 15 мин — продолжительность взрыхления;

F — площадь ионитового фильтра.

Каждый бак для взрыхления катионита для фильтров I, II и III ступеней должен иметь емкость (поскольку площадь фильтрования одинакова, то и объем баков для всех ступеней будет одинаков): м³.

Каждый бак для взрыхления анионита в фильтрах I, II и III ступеней должен иметь емкость: м³, м³.

Емкость бака для сбора регенерирующего раствора едкого натра после анионитовых фильтров II ступени для последующей регенерации анионитовых фильтров I ступени:

где n — общее число рабочих анионитовых фильтров I и II ступеней;

р = 2 — расчетное число регенераций;

S = 0,6 — количество раствора NaOH в долях единицы, подаваемого для регенерации анионитового фильтра II с концентрацией (обычно = 1,5 — 4%);

(1-S) = 0,4 — количество раствора NaOH в долях единицы, подаваемого для регенерации анионитового фильтра II ступени с концентрацией (обычно = 0,2 — 0,3%).

Тогда

м³.

Емкость резервуара для сбора регенерирующего раствора от Н-катионитовых фильтров II ступени для использования при регенерации фильтров I ступени составляет:

м³.

Емкость резервуара для сбора отмывочных кислых вод после катионитовых фильтров II ступени м³. Для сбора щелочных вод после анионитовых фильтров II ступени м³.

2.4 Сущность метода дегазации

Газами, удаление которых чаще всего необходимо в процессе водоподготовки, являются; углекислота, кислород и сероводород. Все эти три газа относятся к коррозионно-агрессивным газам, обуславливающим или усиливающим процессы коррозии металлов. Углекислота, кроме того, агрессивна и по отношению к бетону.

Комплекс мероприятий, связанных с удалением из воды растворенных в ней газов, называется дегазацией воды.

Существуют химические и физические методы дегазации воды.

Сущность первых заключается в применении определенных реагентов, которые связывают растворенные в воде газы.

Сущность физических методов удаления из воды растворенных газов заключается в следующем: вода, содержащая удаляемый газ, приводится в соприкосновение с воздухом, если парциальное давление удаляемого газа в воздухе близко к нулю; либо создаются условия, при которых растворимость газов в воде становится близкой к нулю.

При помощи первого приема, т. е. при помощи аэрации из воды обычно удаляется свободная углекислота, поскольку парциальное давление этого газа в атмосферном воздухе близко к нулю.

Классификация дегазаторов

Удаление из воды растворенных газов в процессе водоподготовки осуществляется на дегазаторах различных типов, которые по их конструктивному устройству, характеру движения воды и воздуха и по обстановке, в которой осуществляется процесс дегазации, можно классифицировать следующим образом:

1. Пленочные дегазаторы, представляющие собой колонны, загруженные той или иной насадкой (деревянной, кольцами Рашига и др.), по которой вода стекает тонкой пленкой. Насадка служит для создания развитой поверхности соприкосновения воды и воздуха, нагнетаемого вентилятором навстречу потоку воды.

2. Барботажные дегазаторы, в которых через слой медленно движущейся воды дегазируемой воды продувается сжатый воздух.

3. Вакуумные дегазаторы, в которых при помощи специальных устройств (вакуум-насосов, пароили водоструйных эжекторов) создается такое давление, при котором вода кипит при данной температуре.

2.4.1 Удаление из воды свободной углекислоты

Находящиеся в воде ионы СО₃^2-, НСО₃^- и углекислый газ СО₂ связаны углекислотным равновесием. Часть свободной углекислоты, находящаяся в равновесии с бикарбонатами, называется равновесной и не вступает в химические реакции. Избыточная свободная (или агрессивная) углекислота в отличие от равновесной весьма активна. Наличие ее в воде и вызывает коррозию бетонных сооружений и металлических труб.

Способ удаления свободной углекислоты методом аэрации широко применяют на водоподготовительных установках. Удаление углекислоты производится в аппаратах, называемых декарбонизаторами, а сам процесс носит название декарбонизации. Для этой цели наиболее целесообразно применении пленочных декарбонизаторов, загруженных насадкой и оборудованных вентилятором для принудительной подачи воздуха снизу, т. е. в направлении, встречном по отношению к движущееся сверху вниз воде. Принципиальная схема работы декарбонизатора пленочного типа изображена на рис. 8. Декарбонизатор представляет собой цилиндрический стальной бак 1, внутри которого располагается насадка 2, состоящая из деревянных досок, уложенных плашмя в шахматном порядке с зазором, или из колец Рашига, представляющих собой керамические кольца размером 25×25×3 мм. Вода подается в декарбонизатор сверху через патрубок 4. Со щита 6 она сливается через распределительные сопла 5 на поверхность насадки. Обрабатываемая вода омывает элементы насадки тонким слоем, а навстречу ей движется воздух, подаваемый в декарбонизатор вентилятором через патрубок 7. Удаляемая из воды углекислота переходит в воздух и вместе с ним выводится из декарбонизатора в атмосферу через патрубок 3. Прошедшая очистку вода стекает в поддон декарбонизатора и через гидравлический затвор по патрубку 8 поступает в бак декорбанизированной воды, который располагается под днищем декарбонизатора.

2.4.2 Расчет декарбонизатора пленочного типа с насадкой из колец Рашига

Для удаления из воды свободной углекислоты после катионирования выбираем физический метод удаления растворенного в воде газа — аэрацию. Выбираем декарбонизатор пленочного типа с насадкой из колец Рашига. Данный выбор обусловлен тем, что кольца Рашига по сравнению с насадками других типов обладают рядом преимуществ: большой удельной поверхностью, малым весом единицы объема, значительным свободным объемом. Из-за этого дегазаторы, загруженные кольцами Рашига, занимают меньшие площади и имеют меньшую высоту. Также они обеспечивают более устойчивый эффект дегазации, чем дегататоры с деревянной насадкой хордовой насадкой.

Декарбонизатор пленочного типа позволяет снизить концентрацию растворенной углекислоты в декорбанизированной воде до 3−7 мг/л, что соответствует ПДК.

Концентрация свободной углекислоты в воде, подлежащей дегазации, вычисляем по формуле:

С_ВХ = 44Ж_К + С_НАЧ,

где

Ж_К - карбонатная жесткость исходной воды (т.е. воды поступающей на ионитовую установку) мг-экв/л; Ж_К = 6,0 мг-экв/л;

С_НАЧ — содержание свободной углекислоты в исходной воде, мг/л, С_НАЧ = 90 мг/л,