Реферат жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы
воды: способы умягчения
и технологические схемы.
Роль воды в
жизни и быту человека, в промышленности
и сельском хозяйстве трудно переоценить.
Об этом достаточно подробно сказано
в статье [1]. Здесь мы остановимся
на понятии «жесткость воды» – оно широко
используется и в быту, и в промышленности.
1.
Источники водоснабжения
Вода
— самый распространенный в
природе жидкий минерал. Благодаря
своей уникальной растворяющей
способности она отражает минеральный
состав места рождения, источника
рождения и путь, который пришлось пройти
до потребителя.
Вода
в открытых морях и океанах,
куда стекаются все ручьи и
реки, из-за необозримых занимаемых
ею площадей, постоянного перемешивания
волнами и течениями в разных
точках Земного шара не сильно
отличается по составу. За счет минеральных
веществ, растворенных во всем ее объеме,
и интенсивного испарения морской воде
присуща высокая жесткость, впрочем, как
и высокое общее солесодержание. Однако
этого нельзя сказать о воде ручьев, рек
и озер. Состав воды в этих водных источниках
чрезвычайно отличается по составу, а
жесткость определяется наличием пород,
содержащих известняк, с которыми воде
пришлось встретиться на своем пути.
Например,
воды Риу-Негру (Черной реки) —
крупнейшего притока Амазонки —
отличаются исключительной мягкостью
и малым содержанием минеральных солей.
Это объясняется тем, что в русле реки
почти полностью отсутствует известняк,
а в воде — растворимые соли. Жесткость
воды Риу-Негру составляет порядка 1-20
dH, что соответствует 0,3-0,7 мг-кэкв/л (см.
табл. 1). Река течет по болотистым лесам,
в нее падают листва и деревья, которые
перегнивают в воде. За счет этого в воде
содержится большое количество гуминовых
кислот и углекислоты, что придает ей высокую
кислотность и темно-бурый цвет, который
и дал реке название Черная. В ней отсутствуют
почти все известные ядовитые вещества
(аммоний, нитриты и нитраты). Кроме того,
малое содержание минеральных солей снижает
электропроводность воды и соответственно
приводит к низкому осмотическому давлению.
А это затрудняет жизнь растениям и водным
организмам.
Можно
привести и другие примеры:
жесткость воды в озере Таньганьика
(Экваториальная Африка) достигает
70-110 мг/л (2,5-3,9 мг-кэкв/л), что свидетельствует
о наличии известняка в залегающих
на близлежащих территориях породах.
Вернемся
в наши широты. Вспомните, какое
обилие минеральных вод рождают
недра России. Состав воды в
минеральных источниках настолько
различается, что каждому из
них присваивают собственное
имя или номер.
Напрашивается
вывод: солесодержание, жесткость
— совершенно естественное свойство
воды или, как в последние
годы модно говорить, натуральное
и экологически чистое состояние.
Вопрос совсем не в жесткости
воды, а в том, для каких целей
она используется. В зависимости от
этого состав воды целесообразно приводить
в соответствие с научно установленными
нормами для соответствующего технологического
процесса или потребителя. Например, завод
по приготовлению питьевой воды в городе
Афины штата Огайо сначала чистит исходную
воду с жесткостью 300 мг/л методом ионного
обмена практически до нуля, а затем смешивает
поток очищенной воды с потоком исходной
так, чтобы получить питьевую воду с жесткостью
140-150 мг/л (в пересчете на кальций 7-7,5 мг-кэкв/л).
Это соответствует принятым в США нормам
по содержанию солей жесткости в питьевой
воде. По российским нормам на питьевую
воду предельно-допустимая концентрация
(ПДК) солей жесткости не должна превышать
7 мг-кэкв/л. Таким образом, по принятой
во всем мире классификации (см. табл. 1)
питьевую воду следует отнести к «жесткой».
Здравый
смысл подсказывает, что в качестве
источника водоснабжения лучше
всего использовать не реку, не
озеро, не колодец, где состав
воды меняется в зависимости
от времени года и непредсказуемого
прорыва загрязнений, а обычную воду из
магистрального водопровода.
Вода
в городской сети, по крайней
мере, должна фильтроваться, очищаться,
приводиться в соответствие санитарным
нормам, ну и конечно находиться
под постоянным контролем специальных
служб городского водоканала.
2.
Жесткость воды
Так исторически
сложилось, что техника не всегда
строго следовала терминологии,
принятой в базовых, фундаментальных
науках — математике, физике и
химии. Инициативные инженеры, прокладывая
новые пути в технике, одновременно сочиняли
термины, образовавшие специфичный язык
отдельных отраслей (по сути жаргон). Со
временем от частого употребления жаргон
переродился в профессиональный язык.
Так было во всем мире. И странный термин
в «прикладной» химии воды — «жесткость»
появился именно таким образом. Жесткость
воды никак не связана ни с ее механическими
свойствами, ни с сопротивлением материалов.
2.1.
Виды жесткости воды
Под жесткостью
воды понимают [2] совокупность свойств
воды, обусловленную наличием в ней катионов
Ca2 и Mg2 . Сумму концентраций этих ионов
называют общей жесткостью.
Любители
разведения рыб вынуждены заливать
в аквариумы воду той жесткости,
которая соответствует естественной
среде обитания их питомцев. Однако
в быту, промышленности, коммунальном
хозяйстве жесткая вода приводит к образованию
отложений на поверхности котлов, бойлеров,
трубопроводов, технологических аппаратов.
В жесткой воде не мылится мыло, что увеличивает
его расход. Таким образом, борьба с жесткостью
— умягчение воды и деминерализация —
имеет целью снижение эксплуатационных
затрат: на чистку от накипи технологического
оборудования, на энергозатраты для производства
пара и горячей воды. Кроме того, жесткость
воды влияет на качество стирки и продолжительность
работы бытовых приборов, в которых используется
вода.
Различают
общую жесткость (ОЖ), карбонатную
(временную) жесткость (КЖ) и некарбонатную
(постоянную) жесткость (ПЖ). Если
понятие общей жесткости характеризует
суммарную концентрацию ионов Ca2 и
Mg2 , КЖ — концентрацию карбонатов и гидрокар-бонатов
(бикарбонатов), то ПЖ — концентрацию ионов
кальция и магния, не эквивалентных карбонатной
жесткости. Таким образом,
ОЖ=КЖ ПЖ.
(1)
Карбонатная
жесткость создается солями угольной
кислоты: карбонатами и гидрокарбонатами.
Временной она называется потому, что
соли угольной кислоты разлагаются с образованием
летучего углекислого газа. Скорость разложения
растет с ростом температуры. Карбонат
кальция разлагается при 825°С, образуя
углекислоту и окись кальция — обожженную
известь. Гидрокарбонат кальция, растворимость
которого довольно высока, при кипячении
водного раствора выделяет углекислый
газ и переходит в карбонат кальция. Кипячение
воды может привести к снижению карбонатной
жесткости, если гидрокарбонат кальция,
выделяя СО2, перейдет в карбонат, а последний
кристаллизуется и выпадет в осадок или
сядет в виде накипи на стенки емкости,
в которой вели кипячение.
Некарбонатная
жесткость определяется наличием
в воде солей кальция, магния и всех остальных
кислот, кроме угольной: сульфатами, хлоридами,
силикатами, нитратами, фосфатами и т.д.
Как следует из определения, постоянная
жесткость кипячением не убирается. Впрочем,
это не совсем точно, т.к. сульфаты и фосфаты
кальция в определенных условиях также
могут кристаллизоваться, образуя отложения
на стенках промышленных аппаратов в виде
ангидрита, гипса, полуводного сульфата
кальция, гидросиликата и гидроаппатита.
Но это проблема большой энергетики и
химической промышленности. При использовании
воды в коммунальном хозяйстве, быту, малой
энергетике из-за относительно высокой
растворимости, например, сульфата кальция
и, как правило, невысокой концентрации
их в исходной воде с такой проблемой приходится
сталкиваться относительно редко. Впрочем,
о сульфате кальция, как о причине отложений
на ионообменной смоле и на внутренней
поверхности установки по умягчению воды,
нам еще придется вспомнить в разделе
5.4.4. «Слабокислый катионит».
2.2.
Способы выражения жесткости
Как следует
из вышеизложенного, классификация
воды по видам жесткости достаточно
условна и носит скорее качественный,
чем количественный характер.
В разных
странах приняты различные способы
выражения концентраций и, как
следствие, различны границы качественной
классификации воды по жесткости.
В странах
СНГ концентрацию солей жесткости
в воде выражают в милли-грамм-кэквивалентах
в литре, мг экв/л. Хотя концентрацию
других солей — в мг/л. В
Германии жесткость воды выражают
в градусах жесткости: dH, реже в dGH. 1
dH = 10 мг/л СаО. В США жесткость воды пересчитывают
в СаСО3 и выражают в «частях на миллион»,
ppm. 1 мг экв/л Са2 = 2,8 dH СаО = = 50 ppm СаСО3.
В табл.
1 мы приводим качественную классификацию
воды по степени жесткости и соответствующие
ей границы концентраций солей жесткости,
принятые в разных странах.
3.
Кратко об ионном
равновесии
В 1887 г.
шведский физикохимик, нобелевский
лауреат Сванте Аррениус ввел
в арсенал науки о растворах
представление об электролитической
диссоциации. Растворенное в воде вещество
в результате взаимодействия с молекулами
воды способно распадаться на ионы — электрически
заряженные частицы. Этот процесс называют
диссоциацией. В результате образуется
раствор электролита. Способность диссоциировать
у разных веществ совершенно разная. Сильные
электролиты диссоциируют полностью,
т.е. их молекулы с высокой скоростью полностью
распадаются на ионы. К таким веществам
относятся соли сильных кислот, например,
серной Н2SO4 и соляной HCl, и сильных оснований,
например, гидроксида натрия NaOH и гидроксида
KOH. Есть вещества, которые очень слабо
диссоциируют, т.е. с низкой скоростью.
Типичными представителями таких веществ
являются соли слабых кислот, например,
угольной H2CO3 и сероводородной H2S, и слабых
оснований, например, гидроксида кальция
Са(ОН)2 и гидроксида магния Mg(ОН)2.
Важным
положением науки о диссоциации
является наличие одновременно
протекающего обратного процесса
— ассоциации ионов в молекулы.
Химическая кинетика установила,
что скорость любого процесса определяется
концентрацией участвующих в нем компонентов.
Чем выше концентрация хотя бы одного
участника процесса, тем выше и скорость
самого процесса.
Из этого
следует, что процесс ассоциации
несколько запаздывает по сравнению
с процессом диссоциации — ведь в растворе
сначала должен появиться «строительный
материал» ассоциации. Когда вещество
(для многокомпонентных растворов — вещества)
растворится полностью и диссоциирует
с присущей ему полнотой, и заработает
процесс ассоциации, то в растворе установится
динамическое равновесие: какое-то число
молекул распадется на ионы, какое-то число
ионов соединится в молекулы. Количественной
характеристикой баланса диссоциация/ассоциация
при установившемся равновесии в растворе
электролита принята константа процесса,
под которой понимают соотношение скоростей
реакций диссоциации и ассоциации. Если
скорость диссоциации низкая, а скорость
ассоциации высокая, константа диссоциации
будет выражаться числом меньше единицы.
3.1.
Диссоциация воды и
рН
Дистиллированная
вода диссоциирует на ионы
по следующей схеме
H2O±2H ОН-.
(2)
Знак
± указывает на то, что как
диссоциация молекул воды на
ионы, так и ассоциация образовавшихся
ионов в молекулу воды протекает
одновременно. Поскольку концентрация
протонов (положительно заряженных ионов)
и гидроксильных ионов (отрицательных
ионов) одинакова, вода в целом электронейтральна.
Скорость ассоциации ионов, образующихся
в правой части уравнения (2), настолько
высока по сравнению со скоростью диссоциации
молекул, что в дистиллированной воде
присутствует всего лишь10-7 = 0,0001 моль/л
ионов водорода (протонов) и ровно столько
же гидроксильных (щелочных) ионов. Вода
с таким содержанием протонов и гидроксильных
ионов имеет нейтральную реакцию. Если
концентрация протонов начинает расти
(Н > 10-7), то вода становится кислой. Если
концентрация протонов падает, но растет
концентрация гидроксильных ионов (ОН-
> 10-7), то вода становится щелочной.
Поскольку
число с большим количеством нулей
или высоким отрицательным значением
показателя степени применять неудобно,
договорились представлять малые концентрации
в логарифмическом виде. В результате
логарифмирования lg(10-7) = -7. Отрицательный
логарифм концентрации водородных ионов
условились обозначать значком рН. Итак,
при рН = 7 вода считается нейтральной.
Если рН < 7 — вода кислая, если рН > 7,
то вода щелочная.
3.2.
Направление химических
реакций
В многокомпонентном
растворе, т.е. сформированном различными
молекулами и ионами, каждый ион «не помнит»,
из какой молекулы он образовался. Поэтому
обоснованно и удобно записывать протекающие
в растворе реакции в ионном виде. Логика
подсказывает, что любой процесс, любая
реакция в растворе будут направлены в
сторону:
? образования
слабодиссоциирующих молекул;
? малорастворимых
веществ;
? газообразных
продуктов реакции.
Совершенно
естественно, что удаление из
ионной системы слабодиссоциирующих
молекул, кристаллизующихся веществ
и газов будет снижать их концентрацию
и тем самым уменьшать скорость «обратной»
реакции. Естественно, что при этом сдвинется
ионное равновесие.
Все эти
представления и положения чрезвычайно
важны для понимания тех процессов,
которые происходят в жесткой
воде, контактирующей с воздухом, для понимания
свойств жесткой воды и тонкостей, связанных
с ее очисткой.
3.3.
Растворимость
Растворимостью
называют способность вещества
образовывать с растворителем
однородные смеси с размером
частиц не крупнее молекулы. Мерой растворимости
считают количество вещества, способное
раствориться в фиксированном количестве
растворителя при определенных условиях
и бесконечно большом времени контакта.
Причиной растворимости считают взаимодействие
молекул растворенного вещества и растворителя,
а также ослабление межмолекулярного
взаимодействия в веществе за счет проникновения
между его молекулами растворителя. Процесс
растворения в целом определяется двумя
характеристиками: скоростью растворения
и растворимостью.
В принципе
абсолютно нерастворимых веществ
не бывает. Но диапазон растворимостей
чрезвычайно широк: от «бесконечно
растворимых» (например, вода/глицерин)
до «нерастворимых», когда речь
идет о 0,012 г в литре воды
при 40°С (например, карбонат кальция).
12 мг в литре — это много или мало? Вполне
достаточно, чтобы образовать накипь на
теплообменной поверхности уже при нагреве
воды до 80°С.
Соли
жесткости относятся как раз
к тем «нерастворимым» или
«малорастворимым» веществам, которые
при нагревании снижают свой уровень
растворимости, выбрасывая «излишек»
сверх растворимости в виде накипи на
тепло-обменную поверхность. Подробнее
о растворимости, процессе ее образования
и пересыщении сказано в статье [3].
Для наглядности
приведем пример. Если ион кальция содержится
в литре очень жесткой воды в количестве
340 мг и если в этом литре воды растворится
углекислый газ, образовав 510 мг карбонат-иона,
то в растворе окажется при 100°С (растворимость
2 мг/л) 340 510 – 2 = = 848 мг «лишнего» карбоната
кальция. Этого вполне достаточно, чтобы
после его кристаллизации из 1 м3 такой
воды на 1 м2 теплообменной поверхности
образовать слой плотной накипи толщиной
0,3 мм. Естественно, что освобождение от
«лишнего» карбоната кальция 100 м3 такой
воды покроет 1 м2 теплообменной поверхности
слоем накипи в 30 мм.
Выпадение
в осадок карбоната кальция
приводит к снижению как общей,
так и карбонатной жесткости.
Ионы
Са2 и Mg2 как правило образуют
малорастворимые соединения —
гидроокиси, соли угольной кислоты, двойные
соли. Например, кальций и магний с жирными
кислотами образуют малорастворимые соли.
Напомню, что мылом называют соли жирных
кислот. Вот почему в жесткой воде мыло
не мылится: ОЖ, реагируя с анионом жирной
кислоты, дает малорастворимую соль, но
тем самым «выводит из обращения» пенообразующий
компонент мыла. Другая специфика малорастворимых
соединений кальция и магния — обратная
растворимость. У большинства соединений
растворимость увеличивается с ростом
температуры. У обсуждаемых соединений
кальция и магния рост температуры приводит
к уменьшению растворимости. Если вы хотите
получить раствор с высоким содержанием
хлорида натрия, следует подогревать воду,
в которой ведется растворение. Для получения
раствора с максимально возможной концентрацией
карбоната кальция жесткую воду следовало
бы охлаждать.
Итак, малая
растворимость солей жесткости,
их способность кристаллизоваться
по мере нагрева воды объясняет,
почему в теплоэнергетике, коммунальном
хозяйстве их объединили в
отдельную группу, и чем вызвано к ним
такое повышенное внимание
На
железнодорожном
транспорте имеются предприятия, для
работы которых требуется вода с малой
жесткостью.
Известно, что
жесткость воды обусловлена наличием
в ней солей кальция и магния.
Использование жесткой воды приводит
к образованию накипи на внутренней поверхности
котлов и теплообменных аппаратов, что
снижает эффективность их работы.
В настоящее
время один из наиболее распространенных
способов умягчения воды является метод
ионного обмена. Снижение жесткости
воды ионным обменом основано на способности
определенных или некоторых искусственных
материалов (катионитов) которые имеют
в своем составе обменные ионы Na , Н . Способные
обмениваться на ионы Са2 , Мg2 . Реакция
обмена:
2 Na [Кат.] Ca (HCO3)2
Ы Ca [Кат.] 2 NaHCO3
2 H [Кат.] MgCl2 Ю
Mg [Кат.]2 2 HCl
К катионитам относятся
глауконитовый песок, гумусовые
угли, сульфоуголь, искусственные смолы
(КУ-1, КУ-2).
В процессе фильтрации
воды через катиноитную загрузку
ее обменная способность уменьшается,
поэтому необходимо периодически регенерировать
(восстанавливать фильтрирующий материал).
Реакции регенерации:
Ca [Кат.]2 2 NaCl Ю
2 Na [Кат.] CaCl2
Na – катионидные
фильтры регенерируются раствором
NaCl
Mg [Кат.]2 H2SO4 = 2 H
[Кат.] MgSO4
Н – катионидные
фильтры регенерируются раствором
серной кислоты – Н2SO4.
Для реализации
представленных химических процессов
устраивают специальное сооружение
– станцию умягчения воды.
Целью курсового
проекта является расчет основного
технологического оборудования – Н-Na-
катионитных фильтров и вспомогательного
оборудования – кислотное хозяйство, солевое,
дегазатор для удаления газов – СО2.
1. Предварительная
обработка исходных данных.
Проверка данных
химического анализа воды производится
путем сопоставления суммы катионов: Ca 2,
Mg 2, Na , К с суммой анионов: Cl-, SO4-2, НСО3-:
(1). К = [Ca 2] [Mg 2]
[Na ] [K ] = 4.0 2.4 0.9 = 7.3 мг-экв/л
(2). А = [HCO3-] [Cl-]
[SO4-2] = 5.1 0.7 1.5 = 7.3 мг-экв/л
Вывод: Сумма катионов
равна сумме анионов, следовательно, данные
химического анализа воды верны.
1.1. Определяется
общая жесткость исходной воды.
Жо = [Ca 2] [Mg 2] = 4.0
2.4 = 6.4 мг-экв/л (3).
1.2. Определяется
карбонатная жесткость исходной
воды.
Жк = [HCO3-] = 5.1 мг-экв/л
(4).
1.3. Определяется
щелочность исходной воды.
Що = Жк = 5.1 мг-экв/л
(5).
1.4. Определяется
не карбонатная жесткость.
Жнк = Жо – Жк
= 6.4 – 5.1 = 1.3 мг-экв/л (6).
2. Выбор и
обоснование принципиальной схемы
умягчения воды.
Умягчение воды
методом ионного обмена может
осуществлять: параллельным катионированием,
последовательным катионированием, совместным
H-Na-катионирование .
Выбор схемы
умягчения воды осуществляется на основании
сопоставления данных химического
анализа исходной воды.
Параллельное H-Na-катионирование
применяется при условии:
Жк / Жо і 0,5 5.1 / 6.4
= 0.79 і 0.5
Жнк Ј 3.5 мг-экв/л
Жнк = 1.3 Ј 3.5 мг-экв/л
SO4-2 Cl- Ј 3 …
4 мг-экв/л 1.5 0.7 = 2.2 Ј 3 мг-экв/л
Na K Ј 1 …2
мг-экв/л 0.9 Ј 2 мг-экв/л
Последовательное
H-Na-катионирование применяется при
условии:
Жк / Жо Ј 0.5 5.1 / 6.4
= 0.79 > 0.5 –
Жнк і 3.5 мг-экв/л
Жнк = 1.3 < 3,5 мг-экв/л ->
SO4-2 Cl- і 3 …
4 мг-экв/л 1.5 0.7 = 2.2 < 3 мг-экв/л ->
Na K не лимитируются
–
На основании
полученных результатов принимается
параллельная схема H-Na-катионирования.
Техническая схема
параллельного H-Na-катионирования:
3. Расчет основного
технологического оборудования
станции умягчения воды
К основному
технологическому оборудованию станции
умягчения
Воды Н-Na-катионитные
фильтры.
Расчет ведется
на основании нормативной литературы.
3.1. Определяется
соотношение расходов воды подаваемой
на Н-Na-катионитные фильтры.
При параллельной
схеме Н-Na-катионирования расчет ведется
согласно [1,прил.7,п.25]:
Определяется
расход воды подаваемой на Н-катионитные
фильтры.
qHпол.= qпол.( Що-Щу
) / ( А Що ) м3/час (7)
где qпол.- полезная
производительность Н-Na-катионитных
фильтров,
qпол.= Qсут. / 24=1100/24=45.8
м3/час,
Що- щелочность
исходной воды,
Що=5.1 гр-экв/м3,
Щу- щелочность
умягченной воды,
А- сумма концентраций
анионов,
А= 7.3 гр-экв/м3,
qHпол.= 45.8*( 5.1-0.35
) / ( 7.3 5.1 ) = 17.5 м3/час
Определяется
расход воды на Na-катионитные фильтры:
qNaпол.= qпол.- qHпол.
м3/час (8)
qNaпол.= 45.8 – 17.5 = 28.3
м3/час
3.2. Выбирается
катионит для загрузки фильтров
по [6]:
Принимается сульфауголь
мелкий 1 сорта с техническими характеристиками:
Внешний вид
катионита – черные зерна неправильной
формы.
Диаметр зерен катионита
– 0.25…0.7 мм.
Полная обменная
способность – Еполн. = 570 экв/м3
3.3. Определяется
объем катионита в Н-Na-катионитных
фильтрах.
Объем катионита
в Н- катионитных фильтрах, вычисляется
по [1,прил.7,п.26]:
WH = 24*qHпол.(Жо СNa)/(n p*EHраб.)
м3 (9)
где СNa- концентрация
в исходной воде,
СNa=0.9 гр-экв/м3 ,
nHp- число регенераций
каждого Н-катионитного фильтра
в сутки,
принимается по
[1,прил.7,п.14]: от 1…2.
nHp=2,
EHраб.- рабочая
обменная емкость Н-катионита,
вычисляется по
Формуле [1,прил.7,п.27]:
EHраб.= a н* Еполн.
– 0.5*qуд.*Ск гр-экв/м3 (10)
Где a н- коэффициент
эффективности регенерации Н-катионитных
фильтров, принимается
по [1,прил.7,п.27,табл. ]:
При удельном расходе
Н2SO4 на регенерацию 100 гр./гр.-экв.
a н=0.85,
qуд.- удельный
расход воды на отмывку 1 м3
катионита (для сульфо-
угля принимается
4 м3),
qуд.=4 м3,
Ск – общее
содержание в воде катионидов,
Ск =7.3 гр-экв/м3 ,
EHраб.= 0.85*570 –
0.5*4*7.3 = 469.9 гр-экв/м3,
WH = 24*17.5(6.4 0.9)/(2* 69.9)
= 3.6 м3,
Объем катионита
в Na-катионитных фильтрах вычисляется
по
формуле [1,прил.7,п.26]:
WNa = 24*qNaпол.(Жо* nNap)*ENaраб.
м3 (11)
Где nNap- число
регенераций каждого Na-кат. фильтра
в сутки
принимается согласно
[1,прил.7,п.14] от 1…3.
nNap=2,
ENaраб.- рабочая
обменная емкость Na-катионит. фильтра
вычисляется по
[1,прил.7,п.15]:
ENaраб.= a Na*b Na*Еполн.
– 0.5*qуд.*Жо гр-экв/м3 (12)
Где a Na – коэффициент
эффективности регенерации Na-катион.
фильтров принимается
при удельно расходе поваренной соли
NaCl 100 гр./гр.-экв.
a Na=0.62
b Na- коэфф. Учитывающий
снижение обменной емкости,
принимается [1,прил.7,п.15,табл. ]
из соотношения:
СNa / Жо= 0.1 b Na= 0.83
ENaраб.= 0.62*0.83*570 –
0.5*4*6.4 = 293.3-12.8 гр-экв/м3,
WNa = 24*28.3(6.4/2)*280.5 7.7
м3.
3.4. Определяется
площадь H-Na-кат. фильтров.
Площадь Н-кат. фильтров
опред. по [1,прил.7,п.16]:
Fн = Wн/Hк, м2
(13)
где Hк- высота слоя
катионита в фильтрах,
Площадь Na-кат. фильтров
определяется по [1,прил.7,п.16]:
FNa = WNa/Hк, м2 (14)
Технические характеристики
H-Na-кат. фильтров приведены в таблице:
Диаметр
Фильтра,
Мм.
Высота кати-
онита,
Нк, м.
Основные Размеры
Вес,
т.
Строительная
Высота
Диаметр прово-дящего
патрубка
Н-катионитные
фильтры.
700
1800
3200
40
1.7
700
2000
3200
40
2.1
1000
2000
3600
50
5.3
1500
2000
3950
80
10
2000
2500
4870
125
15
Na-катионитные
фильтры.
1000
2000
3597
50
5
1500
2000
3924
80
10
2000
2500
4870
125
15
Fн = Wн/Hк = 3.6/2
= 1.7 м2
Площадь одного
Н-катион. фильтра:
fн = (p * d2)/4 = 0.785
м2 ,
Количество рабочих
Н-катион. фильтров:
Fн/ fн = 1.7/0.785 =
2 шт.
Принимается 2 рабочих
Н-катионид. фильтра.
FNa = WNa/Hк = 7.7/2
= 3.85 м2
Площадь одного
Na-катион. фильтра:
fн = (p * d2)/4 = 1.76
м2
Количество рабочих
Na-катион. фильтров:
FNa/ f Na= 3.85/1.76 = 2 шт.
Принимается 2 рабочих
Na-катионид. фильтра.
3.5. Определяется
скорость фильтрования воды через
катионитные фильтры
при нормальном режиме
работы (работают
все рабочие фильтры).
Для Н-катионит.
фильтров:
Vнор. = qHпол./( fн*nн)
м/ч (15)
Где fн- площадь
одного Н- кат. фильтра,
nн- количество
рабочих Н-кат. фильтров.
Vнор. = 17.5/(0.785*2) =
11 м/ч
Для Na-катионит.
фильтров:
Vнор. = qNaпол./( fNa*nNa)
м/ч (16)
Vнор. = 28.3/(1.76*2) =
8 м/ч
Скорость фильтрования
воды через катионит при нормальном
режиме,
не должна превышать
при общей жесткости воды до 10
гр-экв/м3 (6.4),
скорость не
должна превышать 15 м/ч < 15 м/ч.
3.6. Определяется
скорость фильтрования воды через
катионит при формированном режиме
(один рабочий
фильтр отключен на
регенерацию).
VHфорс.= qHпол./fH*(nH-1),
м/ч (17)
VHфорс.= 17.5/0.785*(2-1)
= 22.3 м/ч
VNaфорс.= qNaпол./fNa*(nNa-1),
м/ч (18)
VNaфорс.= 28.3/1.76*(2-1)
= 16 м/ч
При форсированном
режиме допускаетс увеличение скорости
фильтрования на 10 м/час по сравнению
с вышеуказанной.
4. Расчет вспомогательного
оборудования станции умягчения
воды.
Восстановление
обменной способности, т.е. регенерации
кат. фильтров осуществляется
путем вытеснения из ка-
тионита ионов Ca2
, Mg2 ионнами H , Na .
Для реализации
указанного процесса требуется устройство
вспомогательного
оборудования.
К вспомогательному
оборудованию относятся:
1). Кислотное
хоз-во.
2). Солевое зоз-во.
3). Насосы и
аппараты для подачи воды и
регенерирующих растворов
на фильтры.
4.1. Серное хоз-во
для хранения, приготовления и
перекачки раствора H2SO4.
Кислотное хоз-во
включает:
1). Цистерны для
хранения кислоты.
2). Бак мерник
конц. серной кислоты.
3). Бак для
регенерационного раствора.
4). Вакуумнасосы.
5). Эжектор.
На станцию H2SO4
поставляется в ж/д цистернах
в виде 100%
раствора. Затем
H2SO4 перекачивается в стационарные цистерны
(цистерны хранилища)
с месячным запасом реагента.
Расчет начинают
с определения расхода 100% H2SO4 на одну
Регенерацию Н-кат.
фильтра по [1,прил.7,п.31]:
PH = (fH*Hk*EрабН*a н)/1000
, кг (19)
PH = 73.7 кг
Определяется
суточный весовой расход H2SO4 для
регенерации
всех рабочих
Н-кат. фильтров.
PHсут. = PH *nн*nрн =
73.7*2*2 = 294.8 кг/сут (20)
Определяется
суточный весовой расход H2SO4 для
регенерации
всех рабочих
Н-кат. фильтров.
WHсут. = (PH сут.*100%)/(85%*r
85%) м3/сут (21)
WHсут. = 0.195 м3/сут
Определяется
месячный расход H2SO4 для регенерации
Н-кат. фильтров.
WHмес. = 30* WHсут.
м3 (22)
WHмес. = 6 м3
Промышленностью
выпускаются цистерны для хранения
кислоты
емкостью 15 м3 в
проекте принимается не менее двух цистерн
емкостью 15 м3 (вторая
цистерна на случай аварии).
4.1.2. Определяется
объем бакомерника из условия
регенерации одного фильтра при
количестве рабочих
Н-кат. фильтров
до 4 , [1.прил.7,п.32]:
W85% = (Pн*nр*100%)/(85%*r
85%) = 0.05 м3 (23)
Принимается бак
мерник объемом 0.09 м3 , наружный диаметр
450 мм, строит. высота
45 мм, вес 98 кг.
Подача серной
к-ты из цистерн хранилищ в баке мернике
происходит
за счет вакуума
создаваемого насосом, затем с помощью
эжектора
H2SO4 перемешивается
с водой и поступает в бак
регенерационного
раствора.
4.1.3. Определяется
объем бака для 1% регенерационного
раствора H2SO4 на регенерацию одного
Н-кат. фильтра.
W1% = (Pн*nр*100%)/(1%*r
1%) = 7.3 м3 (24)
Принимается бак
1% регенерационного раствора H2SO4 размерами:
B = 2 м
H = 1.5 м 7.5 м3
L = 2.5 м
Для перекачки
регенерационного раствора H2SO4 принимается
2 насоса серии
”Х” (химически стойкие) напором
Нн = 20 м
и подачей Qн = 3 м3/ч
, (Qн = 3 м3/ч).
Qн = Vн*fн = 4*0.785
= 3 м3/ч (25)
К установке
принимается 1 рабочий и один резервный
насос.
4.2. Устройства
для хранения, приготовления и
перекачки
раствора поваренной
соли NaCl.
Для регенерации
Na-кат. фильтров устраивается солевое
хозяйство.
Регенерация Na-кат.
фильтров производится 8% раствором NaCl.
4.2.1. Определяется
расход поваренной соли NaCl на 1
регенерацииNa-кат.
фильтра [1,прил.7,п21]:
PNa = (fNa*Hk*ENa раб.*ас)
/ 1000 кг (26)
PNa = (1.76*2*280.5*100) /
1000 = 98.7 кг
Определяется
суточный весовой расход NaCl для регенерации
всех рабочих
Na- кат. фильтров:
РNaсут = PNa*nNa*npNa кг/сут
(27)
РNaсут = 98.7*2*2 = 394.8
кг/сут < 500 кг/сут
При суточном расходе
NaCl до 500 кг/сут устраивают сухое
хранение соли на
складе с последующим приготовлением
8% регенерационного
раствора.
Принимается Сухое
хранение.
Определяется
месячный весовой расход поваренной
соли для регенерации Na-кат.ф-ов.
PNaмес = 30*PNaсут
, т (28)
PNaмес = 30*394.8 =
12 т
4.2.2. Определяется
площадь склада для сухого
месячного
хранения соли
из условия, что высота NaCl не должна
превышать 2.5 метра.
FNacyх.хран. = PNaмес
/ r Na*25 , м2 (29)
FNacyх.хран. = 6 м2
Принимается склад
сухого хранения размерами:
H = 2.5
B = 2 6 м
L = 3
Определяется
объем напорного солерастворителя
из расчета расхода соли на 1 регенерацию
фильтра.
Принимается напорный
солерастворитель со след.
техническими
характеристиками по [6]:
полезная емкость
(100 кг)
объем (0.4 м3)
диаметр (45 мм)
Определяется
объем бака для 8% регенерационного
раствора NaCl на
одну регенерацию
Na-кат.ф.
W8% = (WH.C. * 26%) / 8% =
1.3 м3 (30)
Принимается бак
8% регенерац. Раствора NaCl размерами:
L = 1.3
B = 1 1.3 м3
H = 1
4.2.3. Для перекачки
раствора NaCl устанавливаются
2 насоса:
– один рабочий,
– один резервный.
Характеристики
насоса:
Напор: HNa = 20 м
Подача: QNa = VNa*fNa
м3 /час (32)
Где VNa – скорость
движения р-ра NaCl
через катионитную
загрузку,
fNa – S одного
кат. ф-ра.
QNa = 4*1.76 = 7 м3 /час
4.2.4. Перед регенерацией
H-Na – кат. ф-ов необходимо проводить
взрыхление загрузки для более
эффективной регенерации.
Wб.взр. = (2*Wвзр.*f*60*tвр.)
/ 1000 м3 (33)
Где Wвзр. – интенсивность
подачи воды для взрыхления катионита
Где Wвзр. = 4 л/с
на 1м2
f = 1.76 (наибольшая
S катион. Ф-ов)
tвр. – продолжит.
взрыхления катионита
(20-30мин.)
Wб.взр. = (2*4*1.76*60*25)
/ 1000 = 21.2 м3
L = 7
B = 2 22.4 > 22 м3
H = 1.6
4.3. Устройство
для удаления из воды углекислоты.
Для удаления CO2
из Н-Na-кат. Воды предусматривается
дегазатор
С насадкой из колец
Рашега – кислотоупорных керамических
[1.прил.№7.,п.34]
4.3.1. Определяется
содержание CO2 или двуокиси углерода в
воде подаваемой на дегазатор.
(CO2 )св. = (CO2 )о
44*Що , г/м3 (34)
где (CO2 )о- содержание
CO2 в исходной воде.
(CO2 )о = (CO2 )**b
(CO2 )*- содержание
углерода в воде в зависимости
от pH
рН = 6.8…7.5
(CO2 )* = 80 г/м3
b = 0.5
(CO2 )о = 40 г/м3
(CO2 )св. = 40 44*5.1 = 264.4
г/м3
По полученному
значению содержание CO2 в воде
Определяется
высота слоя насадки hн , м необходимая
для понижения
Содержания CO2 в
катионированной воде [1.прил.№7.,п.34,таб .5]
Для (CO2 )св. = 264.4
г/м3 hн =5.7
Пленочный дегазатор
представляет собой колонну загруженную
насадкой из
керамических кислотоупорных колец
Рашига,
по которым
вода стекает тонкой пленкой, на встречу
потоку
воды поток
воздуха нагнетаемой вентилятором.
4.3.2. Определяется
S поперечного сечения дегазатора.
из условия
плотности орошения согласно
[1.прил.№7.,п.34,таб .5].
Плотность орошения
при керамической насадке r = 60 м3/г
на 1м2
Fg = qпол. / r , м2, (35)
qпол. – полезная
производительность H-Na-кат.ф.
Fg = 45.8/60 = 0.76 м2
Определяется
объем слоя насадки:
Vн = Fg * hн ,
м3 (36)
Vн = 0.76*5.7 = 4.3 м3
Опред. Диаметр
дегазатора:
D = Ц (4* Fg )/p = 0.96
м (37)
Характеристика
насадки колец Рашига:
Размеры эл-та насадки:
25*25*4 мм
Кол-во эл-ов в 1
м3 : 55 тыс.
Удельная пов-ть
насадки: 204 м2/м3
Вес насадки: 532
кг
Вентилятор дегазатора
должен обеспечивать подачу воздуха
из расчета
15 м3 воздуха
на 1 м3 воды по [1.прил.№7.,п.34], тогда
производительность вентилятора определяется:
Qвент. = qпол. * 15
, м3/час (38)
Qвент. = 45.8*15 = 687
м3/час
Напор вентилятора
определяется с учетом сопротивления
в
керамической
насадке:
Sн = 30 мм водяного
столба на 1 м.
Прочие сопротивления
принимаются по [1.прил.№7.,п.34]
Sпр = 30…40 мм вод.
Столба.
Напор: Hвент. = Sнас.
* hн Sпрочие (39)
Hвент. = 30*5.7 35 =
206 мм
5.0. Определение
расходов воды.
Определение расходов
воды слагается из потребления воды на
следующие процессы:
взрыхление кат.
ф-ра перед регенерацией (Q1)
приготовление
регенерац. р-ов к-ты и соли (Q2)
отмывка катионита
после регенерации (Q3)
На все технологич.
проц. Используют исходную неумягченную
воду.
Qтех. = Q1 Q2 Q3, м3/сут
(40)
5.1. Определяется
расход воды на взрыхление
катионита ф.
перед регенерацией.
Q1 = (Wвзр. * f * nн
* nрн * nNa *npNa * tвзр. * 60) /1000 (41)
Q1 = (4 * 1.76 * 2 * 2 * 2
* 2 * 25 * 60) / 1000 = 169 м3/сут
5.2. Определяется
расход воды на приготовление
регенерационных
растворов кислоты и соли.
Q2 = q1% * nн * nнр
(q26% q8%)*nNa * nрNa, м3/сут (42)
q1% = 7.3 м3/сут
q26% = 0
q8% = (Wнс * 26%) / 8% *
1000 = 1.3 м3/сут
Q2 = 7.3 * 2 * 2 (0 1.3)
* 2 * 2 = 34.4 м3/сут
5.3. Определяется
расход воды на отмывку катионита
после регенерации.
Q3 = Wотм. * f * Hк
* nн * nнр * nNa * nNaр м3/сут (43)
Wотм. – уд.
расход отмывочной воды приним.
по [1.прил.№7.,п.21]:
Wотм. = 5…6 м3 на 1м3
катионита.
Q3 = 5 * 1.76 * 2 * 2 * 2 *
2 * 2 = 281.6 м3/сут
Qтех. = Q1 Q2 Q3 = 485 м3/сут
6. Расчет диаметров
трубопроводов
станции умягчения
воды.
Определения диаметров
трубопроводов дла транспортировки
воды,
растворов кислоты
и соли рекомендуется производить
из величин
соответствующих
расходов и скорости движения жидкости,
принимается в
пределах 1…1,5 м/сек.
Расчет ведется
с использованием литеатуры [4] и
сводится
в таблицу:
Назначение
Трубопроводов
Расход,
л/с
Скорость,
м/с
Диаметр,
мм
Материал
Трубопровод подачи
исходной воды
на
станцию умягчения.
18.8
1.04
150
Чугун
2. Трубопровод
подачи и
отвода воды
для
взрыхления.
1.9
1.44
50
Полиэтилен
3. Трубопровод
подачи и
отвода 1% регенерац.
р-ра
серной кислоты.
0.34
1.07
25
Полиэтилен
4. Трубопровод
подачи и
отвода 8% регенера-
ционного р-ра
соли.
0.06
1.19
12
Полиэтилен
5. Трубопровод
подачи 100%
кислоты.
0.002
0.47
6
Сталь
6. Трубопровод
отвода
умягченной воды.
12.7
1
125
Чугун
Для перекачки
р-ов кислот и щелочей применяются
трубы из нержавеющей стали или
полиэтилена .
Для перекачки
концентрированных растворов кислот
и щелочей
(более 80%) используются
трубы из углеродистой стали
или пластмассовые.
Для перекачки
воды используются трубы чугунные,
асбесто-цеме-
нтные и железобетонные.
7. Компоновка
основных и вспомогательных помещений
станции умягчения воды.
К основному
помещению станции относится
главный зал
размещения H-Na-кат.
ф.
Зал имеет высоту
на 2-2.5 м выше полной высоты фильтров.
В плане фильтры
распологаются в 2 ряда.
Расстояние м/у
фильтрами не < 1 метра для удодного
прохода
и обслуживания
оборудования.
К вспомогательным
помещениям относятся:
Помещения для
складирования и приготовления регенерац.
р-ов кислоты
и соли.
Помещения как
правило одноэтажные с заглубленными
участками для
размещения емкостей и насосного
оборудования.
Основным компоновочным
требованием явл. одинаковая
отметка пола платформы
для выгрузки соли и отметки
верха баков. Помещение
кислотного хоз-ва должно быть
изолировано от
солевого и иметь не менее 2-х выходов.
Цистерны для
хранения к-ты рекомендунтся распологать
в отапливаемом
помещении во избежание ее замерзания.
Помещения лабораторий,
мастерских, административного
и рабочего персонала.
Помещения поектируются
в соответствии с требованиями
жилой застройки.
Дегазатор следует
размещать в непосредственной близости
от H-Na-кат.ф. в
главном зале.
Основные и
вспомогательные помещения станции
рекомендуется
блокировать, что
сокращает протяженность трубопроводов
и
повышает удобство
в эксплуатации.
Литература
1. В.А.
Присяжнюк «С.О.К.», 2004, №4, стр. 14-29.
2. Химический
энциклопедический словарь. М., «Советская
Энциклопедия», 1983.
3. В.А.
Присяжнюк «С.О.К.», 2003, №10, стр. 26-30.Литература
Введение.
На железнодорожном
транспорте имеются предприятия, для
работы которых
требуется вода
с малой жесткостью.
Известно, что
жесткость воды обусловлена наличием
в ней солей кальция и
магния. Использование
жесткой воды приводит к образованию
накипи на
внутренней поверхности
котлов и теплообменных аппаратов,
что снижает
эффективность
их работы.
В настоящее
время один из наиболее распространенных
способов умягчения воды
является метод
ионного обмена. Снижение жесткости
воды ионным обменом основано
на способности
определенных или некоторых искусственных
материалов (катионитов)
которые имеют
в своем составе обменные ионы
Na , Н .
Способные обмениваться
на ионы Са2 , Мg2 . Реакция
обмена:
2 Na [Кат.] Ca (HCO3)2
U Ca [Кат.] 2 NaHCO3
2 H [Кат.] MgCl2 ? Mg [Кат.]2 2 HCl
К катионитам относятся
глауконитовый песок, гумусовые
угли, сульфоуголь,
искусственные
смолы (КУ-1, КУ-2).
В процессе фильтрации
воды через катиноитную загрузку ее обменная
способность
уменьшается, поэтому
необходимо периодически регенерировать
(восстанавливать
фильтрирующий
материал). Реакции регенерации:
Ca [Кат.]2 2 NaCl ? 2 Na [Кат.] CaCl2
Na – катионидные
фильтры регенерируются раствором NaCl
Mg [Кат.]2 H2SO4 = 2 H
[Кат.] MgSO4
Н – катионидные
фильтры регенерируются раствором
серной кислоты – Н2SO4.
Для реализации
представленных химических процессов
устраивают специальное
сооружение –
станцию умягчения воды.
Целью курсового
проекта является расчет основного
технологического оборудования
– Н-Na- катионитных
фильтров и вспомогательного оборудования
– кислотное
хозяйство, солевое,
дегазатор для удаления газов
– СО2.
1. Предварительная
обработка исходных данных.
Проверка данных
химического анализа воды производится
путем сопоставления суммы
катионов: Ca 2, Mg 2,
Na , К с
суммой анионов:
Cl-, SO4-2, НСО3
-:
(1). К = [Ca 2] [Mg 2]
[Na ] [K ] = 4.0 2.4 0.9 = 7.3 мг-экв/л
(2). А = [HCO3-] [Cl-]
[SO4-2] = 5.1 0.7 1.5 = 7.3 мг-экв/л
Вывод:
Сумма катионов равна сумме
анионов, следовательно, данные
химического анализа
воды верны.
1.1. Определяется
общая жесткость исходной воды.
Жо = [Ca 2] [Mg 2] = 4.0
2.4 = 6.4 мг-экв/л
(3).
1.2. Определяется
карбонатная жесткость исходной
воды.
Жк = [HCO3-] = 5.1
мг-экв/л
(4).
1.3. Определяется
щелочность исходной воды.
Що = Жк = 5.1 мг-экв/л
(5).
1.4. Определяется
не карбонатная жесткость.
Жнк = Жо – Жк
= 6.4 – 5.1 = 1.3 мг-экв/л
(6).
2. Выбор и
обоснование принципиальной схемы
умягчения воды.
Умягчение воды
методом ионного обмена может осуществлять:
параллельным
катионированием,
последовательным катионированием,
совместным H-Na-катионированием
Выбор схемы
умягчения воды осуществляется на основании
сопоставления данных
химического анализа
исходной воды.
Параллельное H-Na-катионирование
применяется при условии:
Жк / Жо ? 0,5
5.1 / 6.4 = 0.79 ? 0.5
Жнк ? 3.5 мг-экв/л
Жнк
= 1.3 ? 3.5 мг-экв/л
SO4-2 Cl- ? 3 . 4 мг-экв/л
1.5 0.7 = 2.2 ? 3 мг-экв/л
Na K ? 1 .2 мг-экв/л
0.9
? 2 мг-экв/л
Последовательное
H-Na-катионирование применяется при
условии:
Жк / Жо ? 0.5
5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5
–
Жнк ? 3.5 мг-экв/л
Жнк
= 1.3 < 3,5 мг-экв/л
–
SO4-2 Cl- ? 3 . 4 мг-экв/л
1.5 0.7 = 2.2 < 3 мг-экв/л
–
Na K не лимитируются
–
На основании
полученных результатов принимается
параллельная
схема H-Na-катионирования.
Техническая
схема параллельного H-Na-катионирования:
3. Расчет основного
технологического оборудования
станции умягчения
воды
К основному
технологическому оборудованию станции
умягчения
Воды Н-Na-катионитные
фильтры.
Расчет ведется
на основании нормативной литературы.
3.1.
Определяется соотношение расходов
воды подаваемой на Н-Na
-катионитные фильтры.
При параллельной
схеме Н-Na-катионирования расчет ведется
согласно
[1,прил.7,п.25]:
Определяется расход
воды подаваемой на Н-катионитные фильтры.
qHпол.= qпол.( Що-Щу
) / ( А Що ) м3/час
(7)
где qпол.- полезная
производительность Н-Na-катионитных
фильтров,
qпол.=
Qсут. / 24=1100/24=45.8 м3/час,
Що- щелочность
исходной воды,
Що=5.1 гр-экв/м3,
Щу- щелочность
умягченной воды,
А- сумма концентраций
анионов,
А= 7.3 гр-экв/м3,
qHпол.=
45.8*( 5.1-0.35 ) / ( 7.3 5.1 ) = 17.5 м3/час
Определяется расход воды на Na-катионитные
фильтры:
qNaпол.= qпол.- qHпол.
м3/час
(8)
qNaпол.= 45.8 – 17.5 = 28.3 м3/час
3.2. Выбирается катионит для загрузки
фильтров по [6]:
Принимается сульфауголь
мелкий 1 сорта с техническими характеристиками:
Внешний вид
катионита – черные зерна неправильной
формы.
Диаметр зерен
катионита – 0.25.0.7 мм.
Полная обменная
способность – Еполн. = 570 экв/м3
3.3.
Определяется объем катионита
в Н-Na-катионитных фильтрах.
Объем катионита
в Н- катионитных фильтрах, вычисляется
по [1,прил.7,п.26]:
WH = 24*qHпол.(Жо СNa)/(n p*EHраб.)
м3
(9)
где СNa- концентрация
в исходной воде,
СNa=0.9 гр-экв/м3
,
nHp- число регенераций
каждого Н-катионитного фильтра
в сутки,
принимается по
[1,прил.7,п.14]: от 1.2.
nHp=2,
EHраб.- рабочая обменная
емкость Н-катионита, вычисляется по
Формуле [1,прил.7,п.27]:
EHраб.= aн* Еполн.
– 0.5*qуд.*Ск гр-экв/м3
(10)
Где aн- коэффициент
эффективности регенерации Н-катионитных
фильтров, принимается
по [1,прил.7,п.27,табл. ]:
При удельном расходе
Н2SO4 на регенерацию 100 гр./гр.-экв.
aн=0.85,
qуд.- удельный
расход воды на отмывку 1 м3
катионита (для сульфо-
угля принимается
4 м3),
qуд.=4 м3,
Ск – общее
содержание в воде катионидов,
Ск =7.3 гр-экв/м3
,
EHраб.= 0.85*570 –
0.5*4*7.3 = 469.9 гр-экв/м3,
WH = 24*17.5(6.4 0.9)/(2* 69.9) = 3.6 м3,
Объем катионита в Na-катионитных
фильтрах вычисляется по
формуле [1,прил.7,п.26]:
WNa = 24*qNaпол.(Жо* nNap)*ENaраб.
м3
(11)
Где nNap- число
регенераций каждого Na-кат. фильтра
в сутки
принимается согласно
[1,прил.7,п.14] от 1.3.
nNap=2,
ENaраб.- рабочая
обменная емкость Na-катионит. фильтра
вычисляется по
[1,прил.7,п.15]:
ENaраб.= aNa*bNa*Еполн.
– 0.5*qуд.*Жо гр-экв/м3
(12)
Где aNa – коэффициент эффективности
регенерации Na-катион.
фильтров принимается при удельно
расходе поваренной соли
NaCl 100 гр./гр.-экв. aNa=0.62
bNa- коэфф. Учитывающий
снижение обменной емкости,
принимается [1,прил.7,п.15,табл. ]
из соотношения:
СNa / Жо= 0.1
bNa= 0.83
ENaраб.= 0.62*0.83*570 –
0.5*4*6.4 = 293.3-12.8 гр-экв/м3,
WNa = 24*28.3(6.4/2)*280.5 7.7 м3.
3.4. Определяется площадь H-Na-кат.
фильтров.
Площадь Н-кат. фильтров
опред. по [1,прил.7,п.16]:
Fн = Wн/Hк,
м2
(13)
где Hк- высота слоя
катионита в фильтрах,
Площадь Na-кат. фильтров
определяется по [1,прил.7,п.16]:
FNa = WNa/Hк,
м2
(14)
Технические характеристики
H-Na-кат. фильтров приведены в таблице:
Диаметр
Фильтра,
Мм.
Высота кати-
онита,
Нк, м. Основные Размеры
Вес,
т.
Строительная
Высота Диаметр
прово-дящего патрубка
Н-катионитные
фильтры.
700 1800 3200 40 1.7
700 2000 3200 40 2.1
1000
2000
3600
50
5.3
1500 2000 3950 80 10
2000 2500 4870 125 15
Na-катионитные
фильтры.
1000 2000 3597 50 5
1500
2000
3924
80
10
2000 2500 4870 125 15
Fн
= Wн/Hк = 3.6/2 = 1.7 м2
Площадь одного Н-катион. фильтра:
fн = (p*d2)/4 = 0.785 м2 ,
Количество рабочих Н-катион. фильтров:
Fн/ fн = 1.7/0.785 = 2 шт.
Принимается 2 рабочих Н-катионид.
фильтра.
FNa = WNa/Hк
= 7.7/2 = 3.85 м2
Площадь одного Na-катион. фильтра:
fн = (p*d2)/4 = 1.76 м2
Количество рабочих Na-катион. фильтров:
FNa/ f Na= 3.85/1.76 = 2 шт.
Принимается 2 рабочих Na-катионид.
фильтра.
3.5.
Определяется скорость фильтрования
воды через
катионитные
фильтры при нормальном режиме
работы
(работают все рабочие фильтры).
Для Н-катионит.
фильтров:
Vнор. = qHпол./( fн*nн)
м/ч
(15)
Где fн- площадь одного Н-
кат. фильтра,
nн- количество рабочих Н-кат.
фильтров.
Vнор. = 17.5/(0.785*2) = 11 м/ч
Для Na-катионит.
фильтров:
Vнор. = qNaпол./( fNa*nNa)
м/ч
(16)
Vнор. = 28.3/(1.76*2) = 8 м/ч
Скорость фильтрования
воды через катионит при нормальном
режиме,
не должна превышать
при общей жесткости воды до 10
гр-экв/м3 (6.4),
скорость не должна превышать
15 м/ч < 15 м/ч.
3.6.
Определяется скорость фильтрования
воды через катионит при
формированном
режиме
(один
рабочий фильтр отключен на
регенерацию).
VHфорс.= qHпол./fH*(nH-1),
м/ч
(17)
VHфорс.= 17.5/0.785*(2-1) = 22.3 м/ч
VNaфорс.= qNaпол./fNa*(nNa-1),
м/ч
(18)
VNaфорс.= 28.3/1.76*(2-1) = 16 м/ч
При форсированном
режиме допускаетс увеличение скорости
фильтрования на 10
м/час по сравнению
с вышеуказанной.
4.
Расчет вспомогательного оборудования
станции умягчения воды.
Восстановление
обменной способности, т.е. регенерации
кат. фильтров осуществляется
путем вытеснения из ка-
тионита ионов Ca2
, Mg2 ионнами H , Na .
Для реализации
указанного процесса требуется устройство
вспомогательного
оборудования.
К вспомогательному оборудованию
относятся:
1). Кислотное
хоз-во.
2). Солевое зоз-во.
3). Насосы и
аппараты для подачи воды и
регенерирующих растворов
на фильтры.
4.1.
Серное хоз-во для хранения, приготовления
и перекачки раствора H2SO4.
Кислотное хоз-во
включает:
1). Цистерны для
хранения кислоты.
2). Бак мерник
конц. серной кислоты.
3). Бак для
регенерационного раствора.
4). Вакуумнасосы.
5). Эжектор.
На станцию H2SO4
поставляется в ж/д цистернах
в виде 100%
раствора. Затем
H2SO4 перекачивается в стационарные
цистерны
(цистерны хранилища)
с месячным запасом реагента.
Расчет начинают
с определения расхода 100% H2SO4
на одну
Регенерацию Н-кат.
фильтра по [1,прил.7,п.31]:
PH = (fH*Hk*EрабН*aн)/1000
, кг
(19)
PH = 73.7 кг
Определяется
суточный весовой расход H2SO4 для
регенерации
всех рабочих
Н-кат. фильтров.
PHсут. = PH *nн*nрн =
73.7*2*2 = 294.8 кг/сут
(20)
Определяется
суточный весовой расход H2SO4 для
регенерации
всех рабочих
Н-кат. фильтров.
WHсут. = (PH сут.*100%)/(85%*r85%)
м3/сут
(21)
WHсут. = 0.195 м3/сут
Определяется
месячный расход H2SO4 для регенерации
Н-кат. фильтров.
WHмес. = 30* WHсут.
м3
(22)
WHмес. = 6 м3
Промышленностью
выпускаются цистерны для хранения
кислоты
емкостью 15 м3 в
проекте принимается не менее
двух цистерн
емкостью 15 м3 (вторая
цистерна на случай аварии).
4.1.2.
Определяется объем бакомерника
из условия регенерации одного
фильтра
при количестве
рабочих
Н-кат.
фильтров до 4 , [1.прил.7,п.32]:
W85% = (Pн*nр*100%)/(85%*r85 )
= 0.05 м3
(23)
Принимается бак
мерник объемом 0.09 м3 , наружный диаметр
450 мм, строит. высота
45 мм, вес 98 кг.
Подача серной
к-ты из цистерн хранилищ в баке мернике
происходит
за счет вакуума
создаваемого насосом, затем с помощью
эжектора
H2SO4 перемешивается
с водой и поступает в бак
регенерационного
раствора.
4.1.3.
Определяется объем бака для
1% регенерационного
раствора
H2SO4 на регенерацию
одного
Н-кат.
фильтра.
W1% = (Pн*nр*100%)/(1%*r1%)
= 7.3 м3
(24)
Принимается бак
1% регенерационного раствора H2SO4 размерами:
B = 2 м
H = 1.5 м
7.5 м3
L = 2.5 м
Для перекачки
регенерационного раствора H2SO4 принимается
2 насоса серии
”Х” (химически стойкие) напором
Нн = 20 м
и подачей Qн = 3 м3/ч
, (Qн = 3 м3/ч).
Qн = Vн*fн = 4*0.785
= 3 м3/ч
(25)
К установке
принимается 1 рабочий и один резервный
насос.
4.2.
Устройства для хранения, приготовления
и перекачки
раствора
поваренной соли NaCl.
Для регенерации
Na-кат. фильтров устраивается солевое
хозяйство.
Регенерация Na-кат.
фильтров производится 8% раствором NaCl.
4.2.1.
Определяется расход поваренной
соли NaCl на 1
регенерацииNa-кат.
фильтра [1,прил.7,п21]:
PNa = (fNa*Hk*ENa раб.*ас)
/ 1000 кг
(26)
PNa = (1.76*2*280.5*100) /
1000 = 98.7 кг
Определяется
суточный весовой расход NaCl для регенерации
всех рабочих
Na- кат. фильтров:
РNaсут = PNa*nNa*npNa
кг/сут
(27)
РNaсут = 98.7*2*2 = 394.8
кг/сут < 500 кг/сут
При суточном расходе
NaCl до 500 кг/сут устраивают сухое
хранение соли
на складе с последующим приготовлением
8% регенерационного
раствора.
Принимается Сухое
хранение.
Определяется
месячный весовой расход поваренной
соли для регенерации Na-
кат.ф-ов.
PNaмес = 30*PNaсут
, т
(28)
PNaмес = 30*394.8 =
12 т
4.2.2.
Определяется площадь склада
для сухого месячного
хранения
соли из условия, что высота
NaCl не должна
превышать
2.5 метра.
FNacyх.хран. = PNaмес
/ rNa*25 , м2
(29)
FNacyх.хран. = 6
м2
Принимается склад
сухого хранения размерами:
H = 2.5
B = 2
6 м
L = 3
Определяется
объем напорного солерастворителя
из расчета расхода соли на 1
регенерацию фильтра.
Принимается напорный
солерастворитель со след.
техническими
характеристиками по [6]:
–
полезная емкость (100 кг)
–
объем (0.4 м3)
–
диаметр (45 мм)
Определяется
объем бака для 8% регенерационного
раствора NaCl на
одну регенерацию
Na-кат.ф.
W8% = (WH.C. * 26%) / 8% =
1.3 м3
(30)
Принимается бак
8% регенерац. Раствора NaCl размерами:
L = 1.3
B = 1
1.3 м3
H = 1
4.2.3.
Для перекачки раствора NaCl устанавливаются
2
насоса:
– один рабочий,
– один резервный.
Характеристики
насоса:
Напор:
HNa = 20 м
Подача:
QNa = VNa*fNa м3 /час
(32)
Где VNa – скорость
движения р-ра NaCl
через катионитную
загрузку,
fNa – S одного
кат. ф-ра.
QNa = 4*1.76 = 7
м3 /час
4.2.4.
Перед регенерацией H-Na – кат. ф-ов необходимо
проводить
взрыхление загрузки
для более эффективной регенерации.
Wб.взр. = (2*Wвзр.*f*60*tвр.)
/ 1000 м3
(33)
Где Wвзр. – интенсивность
подачи воды для взрыхления катионита
Где
Wвзр. = 4 л/с на 1м2
f = 1.76 (наибольшая
S катион. Ф-ов)
tвр. – продолжит. взрыхления катионита
(20-30мин.)
Wб.взр. = (2*4*1.76*60*25)
/ 1000 = 21.2 м3
L = 7
B = 2
22.4 > 22 м3
H = 1.6
4.3.
Устройство для удаления из
воды углекислоты.
Для удаления CO2
из Н-Na-кат. Воды предусматривается
дегазатор
С насадкой из колец
Рашега – кислотоупорных керамических
[1.прил.№7.,п.34]
4.3.1.
Определяется содержание CO2 или двуокиси
углерода в
воде подаваемой
на дегазатор.
(CO2 )св. = (CO2 )о 44*Що
, г/м3
(34)
где (CO2 )о- содержание
CO2 в исходной воде.
(CO2 )о = (CO2 )**b
(CO2 )*- содержание
углерода в воде в зависимости
от pH
рН = 6.8.7.5
(CO2 )* = 80 г/м3
b = 0.5
(CO2 )о = 40 г/м3
(CO2 )св. = 40 44*5.1 = 264.4
г/м3
По полученному
значению содержание CO2 в воде
Определяется
высота слоя насадки hн , м необходимая
для понижения
Содержания CO2
в катионированной воде [1.прил.№7.,п.34,таб .5]
Для (CO2 )св. = 264.4
г/м3
hн =5.7
Пленочный дегазатор
представляет собой колонну загруженную
насадкой из
керамических кислотоупорных колец
Рашига,
по которым
вода стекает тонкой пленкой, на
встречу потоку
воды поток
воздуха нагнетаемой вентилятором.
4.3.2.
Определяется S поперечного сечения дегазатора.
из
условия плотности орошения согласно
[1.прил.№7.,п.34,табл 5].
Плотность орошения
при керамической насадке r = 60 м3/г
на 1м2
Fg = qпол. / r
, м2,
(35)
qпол. – полезная
производительность H-Na-кат.ф.
Fg = 45.8/60 = 0.76 м2
Определяется
объем слоя насадки:
Vн = Fg * hн ,
м3
(36)
Vн = 0.76*5.7 = 4.3 м3
Опред. Диаметр
дегазатора:
D = O(4* Fg )/p = 0.96
м
(37)
Характеристика
насадки колец Рашига:
Размеры эл-та насадки:
25*25*4 мм
Кол-во эл-ов в 1
м3 : 55 тыс.
Удельная пов-ть
насадки: 204 м2/м3
Вес насадки:
532 кг
Вентилятор дегазатора
должен обеспечивать подачу воздуха
из расчета
15 м3 воздуха
на 1 м3 воды по [1.прил.№7.,п.34], тогда
производительность
вентилятора определяется:
Qвент. = qпол. * 15
, м3/час
(38)
Qвент. = 45.8*15 = 687
м3/час
Напор вентилятора
определяется с учетом сопротивления
в
керамической
насадке:
Sн = 30 мм водяного
столба на 1 м.
Прочие сопротивления
принимаются по [1.прил.№7.,п.34]
Sпр = 30.40 мм
вод. Столба.
Напор:
Hвент. = Sнас. * hн Sпрочие
(39)
Hвент. = 30*5.7 35 =
206 мм
5.0.
Определение расходов воды.
Определение расходов
воды слагается из потребления воды
на
следующие процессы:
–
взрыхление кат. ф-ра перед
регенерацией (Q1)
–
приготовление регенерац. р-ов
к-ты и соли (Q2)
–
отмывка катионита после регенерации
(Q3)
На все технологич.
проц. Используют исходную неумягченную
воду.
Qтех. = Q1 Q2 Q3,
м3/сут
(40)
5.1.
Определяется расход воды на
взрыхление катионита ф.
перед
регенерацией.
Q1 = (Wвзр. * f * nн
* nрн * nNa *npNa * tвзр. * 60) /1000
(41)
Q1 = (4 * 1.76 * 2 * 2 * 2
* 2 * 25 * 60) / 1000 = 169 м3/сут
5.2.
Определяется расход воды на
приготовление
регенерационных
растворов кислоты и соли.
Q2 = q1% * nн * nнр
(q26% q8%)*nNa * nрNa, м3/сут
(42)
q1% = 7.3 м3/сут
q26% = 0
q8% = (Wнс * 26%) / 8% *
1000 = 1.3 м3/сут
Q2 = 7.3 * 2 * 2 (0 1.3)
* 2 * 2 = 34.4 м3/сут
5.3.
Определяется расход воды на
отмывку катионита после
регенерации.
Q3 = Wотм. * f * Hк
* nн * nнр * nNa * nNaр м3/сут (43)
Wотм. – уд.
расход отмывочной воды приним.
по [1.прил.№7.,п.21]:
Wотм. = 5.6 м3
на 1м3 катионита.
Q3 = 5 * 1.76 * 2 * 2 * 2 *
2 * 2 = 281.6 м3/сут
Qтех. = Q1 Q2 Q3 = 485
м3/сут
6.
Расчет диаметров трубопроводов
станции
умягчения воды.
Определения диаметров
трубопроводов дла транспортировки
воды,
растворов кислоты
и соли рекомендуется производить
из величин
соответствующих
расходов и скорости движения жидкости,
принимается в
пределах 1.1,5 м/сек.
Расчет ведется
с использованием литеатуры [4] и сводится
в таблицу:
Назначение
Трубопроводов
Расход,
л/с
Скорость,
м/с
Диаметр,
мм Материал
1. Трубопровод
подачи
исходной воды
на
станцию умягчения. 18.8 1.04 150 Чугун
2. Трубопровод
подачи и
отвода воды
для
взрыхления. 1.9 1.44 50 Полиэтилен
3. Трубопровод
подачи и
отвода 1% регенерац.
р-ра
серной кислоты. 0.34 1.07 25 Полиэтилен
4. Трубопровод
подачи и
отвода 8% регенера-
ционного р-ра
соли. 0.06 1.19 12 Полиэтилен
5. Трубопровод
подачи 100%
кислоты. 0.002 0.47 6 Сталь
6. Трубопровод
отвода
умягченной воды. 12.7 1 125 Чугун
Для перекачки
р-ов кислот и щелочей применяются
трубы из нержавеющей стали
или полиэтилена
.
Для перекачки
концентрированных растворов кислот
и щелочей
(более 80%) используются
трубы из углеродистой стали или пластмассовые.
Для перекачки
воды используются трубы чугунные,
асбесто-цеме-
нтные и железобетонные.
7.
Компоновка основных и вспомогательных
помещений станции умягчения
воды.
К основному
помещению станции относится главный
зал
размещения H-Na-кат.
ф.
Зал имеет высоту
на 2-2.5 м выше полной высоты фильтров.
В плане фильтры
распологаются в 2 ряда.
Расстояние м/у
фильтрами не < 1 метра для удодного
прохода
и обслуживания
оборудования.
К вспомогательным
помещениям относятся:
Помещения для
складирования и приготовления
регенерац.
р-ов кислоты
и соли.
Помещения как
правило одноэтажные с заглубленными
участками для
размещения емкостей и насосного
оборудования.
Основным компоновочным
требованием явл. одинаковая
отметка пола платформы
для выгрузки соли и отметки
верха баков. Помещение
кислотного хоз-ва должно быть
изолировано от
солевого и иметь не менее 2-х выходов.
Цистерны для
хранения к-ты рекомендунтся распологать
в отапливаемом
помещении во избежание ее замерзания.
Помещения лабораторий,
мастерских, административного
и рабочего персонала.
Помещения поектируются
в соответствии с требованиями
жилой застройки.
Дегазатор следует
размещать в непосредственной близости
от H-Na-кат.ф. в
главном зале.
Основные и
вспомогательные помещения станции рекомендуется
блокировать, что
сокращает протяженность трубопроводов
иповышает удобство в эксплуатации.
и т.д……………..
