Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Курсова робота - Водопідготовка та водний режим теплогенеруючих установок - файл 1.doc


Курсова робота - Водопідготовка та водний режим теплогенеруючих установок
скачать (622 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc622kb.20.11.2011 02:04скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Міністерство освіти та науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра ТТЕС



Курсова робота

з курсу «Водопідготовка та водний режим теплогенеруючих установок»

Розрахунок водопідготовчої установки

Виконав:

ст. гр. ЕН-42
Перевірила:

Лашковська Н. М.


Львів

2010

Мета роботи

Метою роботи є закріплення теоретичних засад деяких методів очистки води від грубо дисперсних та колоїдно-диспперсних доміщок, пом’якшення води шляхом паралельного Н-та Na-катіонування або шляхом осадження накипоутворювачів із застосуванням соди або вапна, методів видалення розчинених у воді газів, зокрема реагентного видалення залишкового кисню.

Крім того студент повинен набути певних практичних навиків водопом’якшувальної установки, а саме: витрати реагентів для видалення завислих домішок за звичайних умов та під час повені, розмірів ємностей для приготування розчинів відповідних реагентів; витрати реагентів для здійснення содовапняного пом’якшення води; розрахунки установки паралельного Н- Na-катіонування; розрахунків витрати технічного сульфіту натрію на видалення залишкового кисню.
^ Контрольні завдання

Виконати розрахунок водо підготовчої установки , що складається з коагуляційної установки , водопом’якшувальної установки , яка за схемою паралельного Н- та Na-катіонування або за схемою содо вапняного пом’якшення. Передбачити також в установці видалення залишкового кисню з води шляхом сульфітування.

Задано:

1.Продуктивність установки – Q=90, м3/год.

2.Твердість сирої води : загальна Н0 =6.4 ; карбонатна – Нк =5.2 і не карбонатна – Ннк =1.2, мг-екв/л.

3.Доза коагулянта AL2(SO)3*18H2O у звичайний час d1 =75 г/м3 , під час повкні – d2 =110 г/м3 .

4.Велечина карбонатної твердості повеневої води Нкn=0,3 мг-екв/л.

5.Магнієва твердість води НMg=0.5 мг-екв/л.

6.Вміст у воді вільної вуглекислоти СО2=0,2 мг-екв/л.

7.Залишковий вміст кисню у живильній воді становить О2 =0.044, мг/л.

8.Ступінь чистоти сульфіту натрію εн=0,45.

9.Ступінь чистоти кальцинованої соди εс=0,98.

10.Ступінь чистоти вапна εв=0,88.

11.Ступінь чистоти коагулянту εк=0,89.

12.Прийнятий надлишок сульфіту натрію в живильній воді К=3 мг/л.

13.Прийнятий надлишок розчину соди при коагуляції під час повені 0,7 мг-екв/л.

14.Прийнятий надлишок вапна для пом’якшення води a1=0.5 мг-екв/л.

15.Прийнятий надлишок соди для пом’якшення води a2=0.8 мг-екв/л.

Розрахувати:

1.Добову витрату розчину коагулянту міцністю 5% для звичайних умов.

2.Ємність бака для приготування розчину коагулянту.

3.Добову потребу розчину кальцинованої сожи міцністю р2=10% для коагуляції під час повені.

4.Ємність бака для приготування розчину кальцинованої соди для коагуляції під час повені.

5.Як зміниться карбонатна і не карбонатна твердості води під час коагуляції?

6.Необхідні кількості технічної соди та технічного вапна для здійснення содовапняного пом’якшення води.

7.Н- та Na-катіонітові фільтри

8.Витрата технічного сульфіту натрію для видалення залишкового кисню.

^ Теоретична основа


Фізико-хімічні основи процесу коагуляції

Для вилучення з води колоїднодисперсних домішок необхідно провести їх укрупнення, яке досягається методом коагулювання. Коагулюванням називається технологічний процес обробки води реагентами (коагулянтами), що призводить до коагуляції її колоїдних домішок.

Коагуляція – фізико-хімічний процес злипання (укрупнення) колоїдних частинок, що дає можливість видалити їх в осад шляхом відстоювання з наступною фільтрацією.

Колоїдні частинки, що містяться у воді, знаходяться у безперервному хаотичному русі. Між ними діють як сили взаємного притягування, так і сили взаємного відштовхування. Сили взаємного притягування мають молекулярну природу. Сили взаємного відштовхування пояснюються тим, що однорідні колоїдні частинки мають електричні заряди одного знаку.

Наявність заряду пояснюється тим, що кожна частинка, маючи значну адсорбційну здатність, сорбує з розчину іони електролітів одного знаку. Внаслідок цього на поверхні частинки утворюється адсорбційний шар. Колоїдна частинка разом з адсорбційним шаром називається гранулою. Оскільки гранула має електричний заряд, довкола неї концентруються іони з зарядами протилежного знаку (протиіони). Протиіони не зв’язані міцно з гранулою, вони зберігають здатність до дифузії в оточуючу рідину, утворюючи так званий дифузійний шар. Гранула разом з дифузійним шаром називається міцелою. Завдяки безперервному рухові частинка втрачає частину протиіонів, внаслідок чого міцела набуває певного заряду, однакового за знаком гранул, але меншим за величиною.

На рис. 1. представлено залежність взаємодії сил взаємного притягування і сил взаємного відштовхування від відстані між колоїдними частинками. Розташуємо дві колоїднодисперсні частинки в точках О і А, на цій відстані зазначені сили дорівнюють нулю. Крива АМ – залежність сил взаємного відштовхування між частинками від відстані між ними, крива АН – залежність сил взаємного притягування від відстані між частинками, а крива АБВГ – результуюча залежність отримана графічним додаванням кривих АМ і АН. З аналізу результуючої кривої видно, що під час зменшення відстані між частинками спочатку діють сили взаємного відштовхування, які зростають і досягають максимального значення в точці Б, після чого зменшуються до нуля в точці В. Потім при подальшому наближенні частинок починають діяти сили взаємного притягування, зростаючи до своєї найбільшої величини в точці Г при відстані між частинками, рівній нулю.

Рис.1. Залежність взаємодії сил взаємного притягування і сил взаємного відштовхування від відстані між колоїдними частинками
^ ОА- початкова відстань між колоїдними частинками;

АМ- крива відштовхування;

АН- крива притягування;

АБВГ- результуюча крива взаємодії колоїдних частин;

БД – „силовий бар’єр”
Для того, щоб відбулася коагуляція, тобто взаємне притягування та злипання рухомих частинок, необхідно подолати максимальну результуючу силу відштовхування – силовий бар’єр. Чим він вищий, тим важче його подолати. Чим менша величина заряду міцели, тим менша сила взаємного відштовхування, тим нижчий силовий бар’єр. Таким чином, коагуляція колоїдних частинок може бути досягнута додаванням у воду відповідного електроліту у певній кількості, що призведе до збільшення концентрації протиіонів у розчині і відповідно до зменшення величини електричного заряду міцели. Для того, щоб дати відповідь, який електроліт та у якій кількості варто додавати до розчину, необхідно розглянути ще одну властивість колоїдних частинок.

Колоїдні частинки сполук алюмінію, заліза, кремнію, гумусові речовини, що містяться у воді, є амфолітами, тобто речовинами, яким властиві амфотерні властивості. Їхні молекули, контактуючи з водою, здатні за певних умов, залежно від рН, дисоціювати у воді як кислоти або як луги. Внаслідок цього частинка набуває певного заряду, величина якого залежить від ступеня дисоціації, а знак заряду – від того, як дисоціює частинка: як кислота чи як луг. Ступінь і характер дисоціації залежить від показника рН середовища. Для кожного амфоліту існує таке значення середовища, за якого його молекула не дисоціює на іони і заряд його частинки дорівнює нулю. Такий стан колоїдної системи називається ізоелектричним, а відповідне йому значення рН середовища – рН ізоелектричної точки колоїдної системи. Якщо рН води більша рН ізоелектричної точки амфоліту, молекули останнього дисоціюють як кислоти і частинки його мають від’ємний заряд. Якщо рН води менша за рН ізоелеткричної точки амфоліту, його молекули дисоціюють як луг і частинки набувають позитивного заряду. Чим більша різниця між рН середовища і рН ізоелектричної точки амфоліту, тим більша величина заряду його частинок, тим стійкіша колоїдна система.

Так, наприклад, ізоелектрична точка для глини досягається за рН = 5, гумусових речовин – за рН = 4. Поверхневі води звичайно мають рН в межах 6...8. Тобто ці речовини, знаходячись у такій воді, дисоціюватимуть як кислоти: на їх поверхні розташовуються аніони, а в дифузійному шарі концентруються катіони.

Зменшуючи рН води шляхом її підкислювання, ми цим збільшуємо концентрацію водневих іонів (протиіонів), що призводить до зменшення силового бар’єру, а навіть і до нейтралізації від’ємного заряду частинок. Внаслідок цього стійкість колоїдної системи зменшується і стає можливим злипанням однорідних частинок, тобто їх коагуляція. Але сили злипання, які діють між завислими частинками з зарядами різних знаків, недостатньо великі і нездатні утворити міцні і крупні агрегати. Крім цього, цим процесом важко керувати внаслідок великої різноманітності колоїдних частинок у воді.

Більш ефективним способом коагуляції домішок є застосування реагентів (коагулянтів). В суміші різноманітних колоїднодисперсних і грубодисперсних речовин достатньо, щоб частинки однієї речовини виявилися нестійкими, щоб уся система почала коагулювати. Такими нестійкими компонентами є гідроксиди алюмінію або заліза, які утворюються гідролізом коагулянтів. Завислі речовини у цьому випадку з’єднуються не безпосередньо, а за допомогою реагенту, що знаходиться в ізоелектричному стані. Здатні до автокоагуляції частинки гідроксиду одночасно сорбуються на поверхні колоїдних домішок, склеюючи їх в досить важкі і крупні агрегати, які осаджуються з прийнятною швидкістю.

Для реалізації технологічного процесу коагулювання як коагулянти використовують сірчанокислий алюміній , сірчанокисле закисне залізо та хлорне залізо .
Внаслідок реакцій гідролізу отримуємо :





Та наступного окислення Fe(ОН)2 киснем, що міститься у воді:


Сірчана та соляна кислоти, що утворюються внаслідок цих реакцій, нейтралізуються частково гідрокарбонатами кальцію або магнію, які містяться у воді, а за їх відсутності або нестачі – додаванням у воду лужних реагентів: вапном Са(ОН)2, содою Na2СО3, їдким натром NaОН, з доведенням рН до оптимального значення, наприклад:



Варто обов’язково мати на увазі, що гідроксиди алюмінію та заліза також є амфолітами. Наприклад, гідроксид алюмінію за рН < 6,5 дисоціює як луг:

Під час цього сама частинка коагулянту набуває позитивного заряду, а від’ємні протиіони ОН- утворюють дифузійний шар.

В лужному середовищі при рН > 7,5 гідроксид алюмінію дисоціює як кислота:

В цьому випадку частинка набуває від’ємного заряду, а позитивні протиіони Н+ утворюють дифузійний шар. Очевидно, що дисоціація частинок коагулянтів є небажаною, оскільки це призводить до виникнення сил відштовхування між ними і врешті-решт – до гальмування самого процесу коагуляції. Таким чином, для того, щоб процес коагуляції йшов швидко і ефективно (висока ступінь освітлення води), необхідно вести його за рН води, близькому до рН ізоелектричної точки коагулянту. Це значення лежить у межах 6,5...7,5.

Незалежно від коагулянту, який застосовується у процесі, коагуляція не відбувається миттєво, а вимагає для свого завершення певного проміжку часу. Процес укрупнення частинок проходить через дві стадії: спочатку неявна (прихована від нашого ока) стадія, а потім стадія явної коагуляції, яка супроводжується утворенням пластівців і осадженням їх в осад.

Для пришвидшення процесу коагуляції воду підігрівають до 30...40 оС, перемішують, що сприяє більш інтенсивному зіткненню та злипанню частинок. Але надто енергійне перемішування чи надто висока температура води можуть дати зворотній ефект. Та чи інша частинка, набувши надмірної швидкості, може торпедувати вже утворені пластівці і зруйнувати їх.

Процес коагуляції в деяких випадках може бути пришвидшений застосуванням суміші коагулянтів або використанням поліакриламіду. Додавання у воду поліакриламіду навіть у незначних кількостях призведе до значного збільшення розмірів і ваги пластівців, що утворилися після обробки води коагулянтами. Застосування сірчанокислого заліза також збільшує швидкість осадження, зменшує тривалість процесу, тому що густина гідроксиду заліза у 1,5 рази більша за густину гідроксиду алюмінію.

^

Принципова схема коагуляційної установки з освітлювачем


На рис.2 зображено принципову схему коагуляційної установки з освітлювачем. Схема складається з підігрівача сирої води 1, освітлювача 2, баку для приготування розчину коагулянту 3, дозатора розчину коагулянту 4, баку для приготування лужного реагенту 5, дозатора лужного розчину 6, проміжної ємності очищеної води 7, помпи 8, освітлюючого фільтру 9. Сира вода перед тим як потрапити у освітлювач попередньо підігрівається в підігрівачі 1 змішувального або поверхневого типу, для чого передбачена подача теплоносія в теплообмінник. Разом з водою в освітлювач 2 подається розчин коагулянту певної концентрації, а в разі необхідності – і розчину лугу, які дозуються дозаторами 4, 6. В освітлювачі контролюється і підтримується рН середовища на рівні рН – ізоелектричної точки коагулянту, тобто 6,5...7,5. В освітлювачі власне і здійснюється процес утворення пластівців і освітлення води. Варто звернути увагу на те, що у цьому освітлювачі одночасно відбувається видалення і грубодисперсних домішок. Після освітлювання води методом осадження, вода направляється на освітлювальні фільтри 9, де досягається більш глибоке видалення грубодисперсних домішок, пластівців коагулянту і скоагульованих колоїднодисперсних частин.



(рис. 2)
Пом’якшення води методом осадження

Цей метод полягає в обробці сирої води такими реагентами, аніони яких утворюють з катіонами і нерозчинні сполуки: карбонат кальцію , гідроксид магнію , фосфати кальцію та магнію і , що вилучаються з води спочатку в освітлювачах шляхом осадження, а потім в освітлювальних фільтрах.

Якщо КА позначити важкорозчинну сіль, в якій через К позначено катіон, а через А – аніон, то для насиченого розчину цієї солі справедливе рівняння:




де

+] та [А-]

– відповідно концентрації катіонів і аніонів у розчині;




ДР

- добуток розчинності, для даної сполуки і даної температури є величиною сталою і змінюється лише із зміною температури.

У випадку , то розчин не насичений і осад виділятися не буде, за - обов’язкове утворення осаду.

Таким чином, для пом’якшення води методом осадження необхідно штучно збільшити концентрацію іонів цих сполук до значення , що призведе до випадання важкорозчинних солей з розчину в осад. Тобто, щоб зменшити концентрацію іонів та у воді, необхідно збільшити концентрацію тих аніонів, з якими ці катіони утворюють важкорозчинні сполуки. Такими аніонами є: Для цього процесу використовують: гашене вапно соду , їдкий натр , тринатрійфосфат або їх комбінації. Розглянемо деякі методи пом’якшення води методом осадження накипоутворювачів:

^

а) вапнування води


Застосування в якості реагента вапна призводить до видалення з води перш за все вільної вуглекислоти, наявність якої перешкоджає переходу добре розчинних бікарбонатів кальцію і магнію у важко розчинні карбонати:



Окрім цієї реакції вапно осаджує бікарбонати кальцію і магнію:



Не дивлячись на те, що під час вапнування з оброблювальної води видаляються тільки солі карбонатної твердості і зв’язується вільна вуглекислота, цей спосіб обробки води знайшов достатньо широке застосування.

Обробку вапняною водою, зазвичай, здійснюють за температури води в межах 15...40 оС і часто суміщають з коагуляцією. Це пришвидшує перебіг процесу пом’якшення, оскільки під час цього частково видаляються органічні речовини, які ускладнюють кристалізацію вуглекислого кальцію і гідроксиду магнію, і укрупнюються частинки, що виділяються з розчину. В якості реагенту для проведення коагуляції спільно з вапнуванням, зазвичай, застосовують солі заліза.
^

б) содовапняний метод


За цього методу водопом’якшення солі карбонатної твердості і вільна вуглекислота осаджуються вапном (2.18 - 2.20), а солі некарбонатної твердості – содою. Наприклад:








Вуглекислий магній, що утворюється у цьому випадку, осаджується їдким вапном:



Содовапняний метод пом’якшення води придатний для обробки води з будь-яким співвідношенням карбонатної і некарбонатної твердості у загальній твердості.
в) їдконатрієвий метод

Цей метод використовується тоді, коли тимчасова і постійна твердість води приблизно однакові. Тоді осадження солей карбонатної і магнієвої твердості і зв’язування вільної вуглекислоти здійснюється їдким натром, а солей некарбонатної кальцієвої твердості - содою, що утворюється у відповідних реакціях:













г) фосфатний метод

Якість води, пом’якшеної попередніми способами, недостатня для живлення станційних котлів. Тому установки пом’якшення методом осадження доповнюються ступінню фосфатного пом’якшення, під час якого катіони кальцію і магнію залишкової твердості зв’язуються фосфатними аніонами і випадають в осад у вигляді важкорозчинних фосфатів. Цей процес зазвичай здійснюють за температури води понад 100 оС, що суттєво збільшує ефект. Реакції проходять таким чином:









^ Обробка води методом іонного обміну
Фізико-хімічні основи іонного обміну

Вода, що пройшла попередню очистку, практично не містить в собі грубодисперсних і колоїднодисперсних домішок. Але основна частина домішок в іонно-розчинному стані залишається у воді. Для їх вилучення застосовують іонний обмін, а також термічні та мембранні методи.

Обробка води методом іонного обміну базується на здатності деяких практично нерозчинних у воді речовин, що називається іонообмінними матеріалами або іонітами, змінювати у потрібному напрямку іонний склад води. Для цього ми пропускаємо воду крізь шар іоніту, яка, проходячи між зернами матеріалу, обмінює частину іонів розчинених у ній електролітів на еквівалентну кількість іонів іонітів, внаслідок чого змінюється склад як фільтрованої води, так і самого іоніту.

Якщо внаслідок обробки води методами іонного обміну відбувається обмін катіонами, то такий процес називається катіонуванням, якщо ж під час цього відбувається обмін аніонами, то такий процес називається аніонуванням.

Обробка води методами іонного обміну принципово відрізняється від обробки води методом осадження тим, що домішки, які вилучаються з води, не утворюють осад, така обробка не вимагає безперервного дозування реагентів. У зв’язку з цим експлуатація установок для водопідготовки, які працюють за методами іонного обміну, значно простіша, габарити апаратів менші, а якість обробки краща.

Здатність іонітів до іонного обміну пояснюється особливістю їх структури. На рис. 2 у спрощеному вигляді схематично зображена структура іоніту.

Іоніт складається з твердої основи (матриці), на яку тим чи іншим способом нанесено спеціальні функціональні групи, які, в свою чергу, здатні до електролітичної дисоціації у водному середовищі. З електрохімічної точки зору кожна молекула іонообмінного матеріалу є своєрідним твердим електролітом, який складається з нерозривно зв’язаних з твердим каркасом нерухомих іонів з відповідним зарядом, нейтралізованим протилежним зарядом протиіонів, що мають обмежену рухомість і знаходяться поблизу поверхні молекули. Залежно від характеру активних функціональних груп іоніту його рухомі, здатні до обміну іони можуть мати або позитивний заряд, і тоді такий іоніт називають катіонітом, (рис. 3. а) або від’ємний заряд, і тоді його називають аніонітом (рис. 3. б).


Рис.3. Схема структури молекули іоніту
1 – твердий багатоатомний каркас іоніту; 2 – зв’язані з каркасом нерухомі іони активних груп; 3 – обмежено рухомі іони активних груп, які здатні до обміну

Схематично дисоціацію іонітів у воді можна представити у вигляді






де



- катіоніт, в якому рухомим обмінним катіоном є К+, а нерухомим аніоном є високомолекулярна частина R‾;






- аніоніт, в якому рухомим обміном аніоном є А‾, а нерухомим катіоном є високомолекулярна частина R+;




|

- умовний знак, що вказує на здатність твердого електроліту до дисоціації у воді, залишаючись під час цього у нерозчинному вигляді.


Реакції іонного обміну підпорядковуються таким основним закономірностям:

1) еквівалентність обміну іонів полягає в тому, що зменшення концентрації будь-якого іону в розчині внаслідок перебігу іонообмінного процесу викликає еквівалентне збільшення концентрації іншого іону, що надходить у розчин з іоніту;

2) зворотність процесу обміну іонів є однією з найважливіших закономірностей, яка дозволяє економічно використовувати іонообмінний матеріал у технологічних схемах. При виснаженні іоніту, тобто коли вичерпано усі обмінні іони іоніту, реакцію іонного обміну можна зсунути у зворотній напрямок – напрямок відновлення іоніту. Ця закономірність лежить в основі процесу регенерації іонітів.

3) селективність іонного обміну – здатність іонітів до переважної сорбції одних видів іонів щодо інших. Фізико-хімічний зміст селективності витікає з закону Кулона. Ясно, що із збільшенням заряду (валентності) іонів зростає і сила е карбонатн до іоніту. Селективність іонів за іонного обміну зображується рядами селективності :
для катіонів :



для аніонів :


Виходячи з закону Кулона, селективність іонів зростає зліва направо, тобто кожний наступний іон має перевагу перед попереднім (або попередніми) у процесі іонного обміну. В першу чергу у реакцію іонного обміну вступатимуть ті іони, заряд яких є найбільшим.
^ Фізико-хімічні основи процесу катіонування

Властивості катіонів, що застосовують у техніці, дозволяють використовувати різні обмінні катіони, але у практиці водопідготовки, виходячи з ряду селективності, використовуються лише два катіони: натрій Na+ і водень Н+.

Залежно від того, який катіон у даному катіоніті є обмінним, розрізняють натрій – катіоніт (Na+R‾) і водень – катіоніт (Н – катіоніт, Н+R‾). Відповідно процеси обробки води переліченими катіонітами називаються Na – катіонуванням та Н – катіонуванням.

Залежно від хімічного складу катіоніти поділяються на сильнокислотні і слабокислотні. Перші здатні до обміну катіонами в лужному, нейтральному і кислому середовищах, другі – тільки в лужному середовищі, оскільки в кислому середовищі різко зменшується ступінь дисоціації функціональних груп, а отже зменшується здатність іонів до обміну. Ця характеристика надзвичайно важлива під час вибору схеми іонообмінної установки.
^ А) Na – катіонування

Під час Na – катіонування відбувається такий іонний обмін :





В результаті цих реакцій здійснюється більш-менш повна заміна катіонів Са2+ і Мg2+ у воді катіонами натрію, внаслідок чого залишкова твердість натрій – катіонованої води зменшується до 10 мг-екв/л і нижче, але лужність і аніонний склад не змінюються. Дещо зростає солевміст: як свідчать наведені вище реакції, два катіони Na+ замінено на один катіон Са2+ або Мg2+, тобто 23 вагові частини натрію обмінюються на 20 вагових частин кальцію або 12,16 вагових частин магнію.

У молекулярній формі ці реакції мають наступний вигляд:

а) солі карбонатної твердості





б) солі не карбонатної твердості







Таким чином під час Na – катіонування у воді замість сульфатів і хлоридів кальцію і магнію, які зумовлюють твердість води, утворюються легко розчинні сульфат натрію і хлористий натрій, які не утворюють накипу. Замість бікарбонатів кальцію і магнію у цьому випадку утворюється бікарбонат натрію.

Динаміка процесу пом’якшення води під час Na – катіонування зображена на рис.3.2, а, б, а графік пом’якшення води – (на рис. 3.2.в). Лінія ГД відповідає величині початкової твердості води. Крива АБД показує залежність залишкової твердості пом’якшеної води від її кількості, пропущеної крізь фільтр. Під час фільтрування води через свіжозавантажений катіоніт в шарі іоніту утворюється зона пом’якшення (робоча зона) між лініями аб і аобо (рис.3.2а). По мірі виснаження іоніту верхні шари перестають пом’якшувати воду. Замість них в роботу вступають свіжі шари іоніту, робоча зона поступово опускається нижче, через деякий час після початку роботи фільтру в шарі катіоніту утворюються три зони: виснаженого 1 (обмежена лініями аб і а1б1), робочого 2 (обмежена лініями а1б1 і а2б2) і свіжого 3 (обмежена лініями а2б2 і а3б3) катіоніту (рис. 3.2.б).


Рис. 3.2. Процес та графік пом’якшення води в катіонітовому фільтрі
1- виснажений катіоніт; 2- зона пом’якшення; 3- свіжий катіоніт
На початку роботи фільтра залишкова твердість зм’якшеної води Нзм буде дуже малою і сталою (лінія АБ на рис. 3.2, в) до моменту суміщення нижніх границь пом’якшення а2б2 і шару іоніту а3б3. З моменту суміщення цих площин починається “проскок” катіонів Са2+ і Мg2+ і збільшується залишкова твердість фільтра (крива БД) до початкової твердості води Но в точці Д при повному виснаженні іоніту. Площа АБВГ, еквівалентна кількості катіонів Са2+ і Мg2+, поглинених катіонітом за робочий цикл і рівна (Но – Нзм)·q2 є робоча ємність фільтра. В цьому рівнянні q2 – кількість пом’якшеної води, пропущеної через фільтр за цикл, м3. Оскільки Нзм значно менша за Но, то нею можна знехтувати. Робоча ємність віднесена до об’єму катіоніту, завантаженого у фільтр – робоча обмінна ємність катіоніту:

, г-екв/м3,


де

f

– січення фільтру, м2;




h

– висота завантаження катіоніту, м.


Площа АБДГ еквівалентна повній обмінній ємності катіонітового фільтру. Площа БВД характеризує обмінну ємність зони пом’якшення, що залишилася невикористаною, її називають залишковою. В дійсності, як свідчить досвід експлуатації промислових іонообмінних фільтрів, зона пом’якшення не обмежується горизонтальними лініями, а скривленими поверхнями, при цьому проскок катіонів Са2+ і Мg2+ починається передчасно внаслідок гідравлічного перекосу. На кривій виснаження катіоніту (рис.3.2, в) цьому моменту відповідає точка В результаті цього величина використаної ємності поглинання (площа зменшується з відповідним збільшенням залишкової ємності.

Для відновлення робочої ємності катіоніту необхідно вилучити з нього затримані катіони, замінивши їх на обмінні катіони. Цей процес називається регенерацією. Регенерація Na – катіоніту відбувається 8-10% розчином солі NaCI, внаслідок відносно великої концентрації іонів натрію і відбувається витіснення з іоніту іонів твердості за рівняннями:



Сіль NaCl застосовується для регенерації, в основному, завдяки її найбільшій доступності, крім того, кінцеві продукти СаСl2 і МgСl2 легко видаляються і не створюють небезпеки утворення осаду.

Регенерація катіонітового фільтру може відбуватися за прямотоковою та протитоковою схемами. Прямотокова схема регенерації передбачає подачу регенераційного розчину у тому ж самому напрямку, що і вода, яка йде на пом’якшення, тобто зверху донизу.

За протитокової схеми регенерації іоніту регенераційний розчин подається у зворотньому напрямку – знизу догори. Протитокова регенерація дозволяє значно зменшити витрату реагентів, забезпечити більш повну регенерацію та більш глибоке пом’якшення води під час катіонування.

^

Б) Н – катіонування


Під час Н – катіонуванні відбуваються наступні реакції:








Ті ж реакції в молекулярній формі мають вигляд:
а) солі карбонатної твердості :


б) солі не карбонатної твердості:









У результаті цих реакцій загальна твердість води значно зменшується, а карбонатна твердість повністю видаляється, внаслідок чого має місце зменшення солевмісту та повне усунення лужності води. Оскільки у процесі Н – катіонування усі катіони у воді обмінюються на катіони водню, то присутні у воді сульфати, хлориди, нітрати перетворюються у відповідні кислоти: сірчану, азотну, кремнієву, тощо.

Кислотність води, зм’якшеної Н – катіонітом, в середньому може бути прийнята рівною величині її некарбонатної твердості. Внаслідок того, що катіонована вода стає кислою і непридатною для живлення котлів, процес Н – катіонування завжди поєднують з Na – катіонуванням або аніонуванням, що дає можливість нейтралізувати надлишкову кислотність і знизити лужність оброблювальної води.

За аналогією з Na – катіонуванням регенерацію Н – катіоніта здійснюють тоді, коли запас обмінних катіонів у ньому виснажиться настільки, що не буде забезпечене достатнє зм’якшення води (“проскок” катіонів Са2+ і Мg2+) не карбо видалення всіх катіонів під час знесолення води (“проскок” катіону Na+).

Регенерація виснаженого Н – катіоніту здійснюється 1,0…1,5% розчином сірчаної кислоти. За більшої концентрації з’являється небезпека обростання зерна іоніту відкладеннями сульфату кальцію (загіпсовування) і, як наслідок – втрата катіонітом іонообмінної здатності.







Для забезпечення більш повної регенерації катіоніту застосовують сірчану кислоту у кількості, що перевищує в 1,25…1,5 рази стехіометричну потребу. Регенерацію Н – катіонітового фільтру також доцільно здійснювати у протиковому режимі.

^ Схема паралельного Н – Na – катіонування



Na1 – натрій-катіонітовий фільтр; Н1– водень-катіонітовий фільтр; Дк – декарбонізатор; ПБ – проміжний бак; а – підведення освітленої води; б – вихід фільтрату; п – повітря в декарбонізатор; г – вихід вуглекислого газу; д – проміжна помпа
Паралельне Н – Na – катіонування може застосовуватись за умови співвідношення у освітлювальній воді Нк >0,5 Но і сумарній концентрації аніонів сильних кислот понад 2 мг-екв/л. За цією схемою частина потоку подається на Н – катіонітовий фільтр, а інша – на Na – катіонітовий. Потім кисла Н – катіонована і лужна Na – катіонована вода змішуються, під час цього відбувається часткове руйнування лужності за реакцією з виділенням СО2. Для його видалення вода пропускається крізь декарбонізотор, а потім вода остаточно зм’якшується на Na – катіонітовому фільтрі ІІ ступеня. Необхідну частку води, яку потрібно подати на Н – катіонітовий фільтр можна розрахувати, виходячи з наступних міркувань. Позначимо величину надлишкової лужності суміші Н – Na – катіонованої води через L мг-екв/л, кількість сирої води, яка поступає в Н – катіонітові фільтри в частках від одиниці через Х, а в Na – катіонітові фільтри – відповідно через (1 – Х), а також виходячи з основних особливостей перебігу реакцій у відповідних фільтрах, отримаємо рівність:


^ Видалення газів із води
Вода, що використовується у технологічних процесах на ТЕС містить в собі різні розчинені у ній гази. Наявність цих газів пояснюється як сорбцією їх з оточуючого середовища, перебігом хімічних реакцій у процесі утворення домішок, так і появою їх у процесі очистки, а також внаслідок присмоктів у конденсаторах турбін і помпах.


  1. ^ Термічна деаерація

Це процес вилучення газів з води шляхом нагрівання її до температури кипіння. Апарати, призначені для термічної деаерації, називаються термічними деаераторами. Термічні деаератори класифікуються: за тиском у апараті (вакуумні, атмосферні і підвищеного тиску); за способом контакту (струминні, плівкові, барботажні); за типом насадки. З них вакуумні мають робочий тиск Р < 0,1 Мпа, атмосферні Р = 0,1…0,15 Мпа і підвищеного тиску Р = 0,15…0,6 Мпа.

Принципова схема атмосферного деаератора змішувального типу зображена на рис. 4.1. Він складається з деаераторної колонки 1, бака-акумулятора 2, охолоджувача не карбонатн суміші 10. Деаератор обладнаний пристроєм для контролю рівня води у баку 3, манометром 4. У верхній частині колонки встановлений кільцеподібний розподільчий пристрій 5, під яким розташовані тарілки 6 і 7 з отворами діаметром 5-7 мм. Крізь ці отвори вода стікає тонкими струменями, утворюючи дощову завісу. Гріюча пара поступає в нижню частину колонки через розподілювач 8, звідси піднімається догори назустріч потоку деаерованої води, перетинаючи дощову завісу. У цьому випадку відбувається, з одного боку, підігрів води до температури кипіння і виділення з неї газів, з другого – конденсація пари. не карбонат суміш (випар), яка складається з надлишку не карб пари і газів, що виділяються, відводиться з верхньої частини колонки через вентиль 9 в охолоджувач випару 10, де пара конденсується, а гази 13 видаляються в атмосферу. Конденсат 11 повертають назад у деаераторну колонку або скидають у дренажні баки. Розташований під колонкою бак 2 призначений для збирання дегазованої води. Постійний рівень води у ньому підтримується регулятором 12.



Рис. 4.1. Схема атмосферного деаератора змішуючого типу
1 – деаераторна колонка; 2 – бак-акумулятор; 3 – водовказуюче скло; 4 – манометр; 5 – розпридільчий пристрій; 6 – 7 – тарілки з отворами; 8 – розприділювач; 9 – вентиль; 10 – охолоджувач випару; 11 – конденсат; 12 – регулятор рівня;13 – видалення газів; 14 – випар; 15 – вихід деаерованої води
^ 2) Видалення вільної вуглекислоти

Як відомо, з води можна не тільки десорбувати відразу усі гази, розчинені у ній, але і здійснювати вибіркову десорбцію певного газу. Це досягається згідно закону Генрі зниженням парціального тиску даного газу над водою без зниження загального тиску і без підігріву води, що дозволяє зменшити енергетичні витрати на процес десорбції. На практиці це здійснюється продуванням води сумішшю газів, у складі яких десорбований газ або повністю відсутній, або його концентрація безмежно мала. Видалення з води розчиненої вуглекислоти власне і здійснюється шляхом її аерації, створюючи над її поверхнею максимально низький парціальний тиск вільної СО2. З метою збільшення поверхні розділу фаз і прискорення найповільнішої стадії процесу (десорбція молекул газу у парогазовий простір) воду знову ж таки розпилюють, подрібнюють на окремі краплини, струмини та обдувають їх повітрям. Оскільки концентрація вуглекислоти у повітрі незначна, то під час контактування його з водою відбувається інтенсивна десорбція СО2 з води у атмосферу.

Процес видалення вуглекислоти з води називається декарбонізацією, а апарати, призначені для реалізації цього процесу – декарбонізаторами.


^ Рис. 4.2. Принципова схема конструкції плівкового декарбонізатора
1 – корпус декарбонізатора; 2 – насадка; 3 – відведення газової суміші; 4 – підведення води; 5 – розприділюючі сопла; 6 – щит; 7 – підведення повітря; 8 – відведення декарбонізованої води

До недоліків декарбонізаторів з дерев’яним насадком можна віднести:
1) порівняно мала питома поверхня насадку, що вимагає збільшення висоти апарата;

2) недовговічність дерева, яке гниє і руйнується під дією води і СО2.
Цих недоліків позбавлені керамічні насадки Рашига, які і застосовується в наш час у промисловості. Для захисту декарбонізатора від корозії і запобігання забруднення води продуктами корозії металу внутрішня поверхня апарата вкривається різними антикорозійними покриттями.

У барботажному декарбонізаторі повітря підводиться через розподільчий пристрій в нижній частині колонки і барботує крізь шар води. Ці декарбонізатори застосовуються рідко оскільки вони вимагають більш високого тиску повітря.
^ 3) Хімічні методи видалення газів.

Як свідчить практика, застосування фізичних методів дає можливість видалити гази лише до певної межі. Тому у багатьох випадках додатково використовуються хімічні методи обробки води живлення, які поділяються на дві групи: методи зв’язування газів шляхом пропускання води через матеріали, що реагують з газами, і методи зв’язування газів хімічними реагентами.

Зв’язування газів здійснюється у процесі фільтрування води. Так, пропускаючи воду крізь шар металевої стружки, кисень зв’язується з металом за рівнянням:
.
Для повного знекиснювання води за температури 60…70оС достатньо 5…6 хвилин її контактування з металом.

Якщо використати як фільтруючий матеріал мармурову крихту СаСО3, то, пропускаючи через неї воду, можна зв’язати вільну вуглекислоту:
.
Хімічні реагенти застосовуються лише для зв’язування залишків кисню після термічних деаераторів, тобто для дознекиснювання. Одним з таких методів є сульфітування води, під час якого відбувається окислення сульфіту натрію розчиненим у воді киснем за реакцією:

в наслідок якої утворюється добре розчинний у воді і практично не шкідливий сірчанокислий натрій.

Сульфіт натрію потрібно вводити безперервно в магістраль живлення пропорційно витраті води і концентрації кисню у ній. З метою запобігання окислення сульфіту натрію киснем повітря його необхідно зберігати у сухому вигляді та у герметичній тарі.

Недоліком сульфітування є збільшення солевмісту води живлення. В результаті сульфітування води за температури 80…100 оС з надлишком реагенту у розмірі 2 % досягається глибоке дознекиснювання.

Сульфіт натрію розкладається у котлі за тиску 0,6 Мпа з утворенням оксиду сірки, що підвищує корозійні властивості конденсату. Тому для знекиснювання води живлення для котлів високого та надкритичного тисків застосовують гідразин-гідрат або гідразин-сульфат .

Гідразин-гідрат – високотоксична рідина без кольору, спричиняє опіки на шкірі людини. Пари її шкідливо впливають на слизову оболонку. Гідразин-сульфат – тверда речовина, вона менш отруйна, ніж гідразин-гідрат.

Реакція між гідразин-гідратом і киснем відбувається за рівнянням:


Реакція практично не відбувається у кислому середовищі та низькій температурі. Наявність міді різко збільшує швидкість процесу. В умовах парових котлів, тобто за температури 200…300оС, рН = 9…10, у присутності каталізаторів, у тому числі і міді, процес взаємодії відбувається миттєво.

Гідразин-сульфат реагує з киснем за реакцією:

Після дозування гідразин-сульфату, солевміст води живлення підвищується не більш як на 0,1 мг/л, що прийнятно для електростанцій з барабанними котлами. Дозуються гідразини з надлишком до стехіометричної кількості оскільки його частина витрачається на відновлення оксидів металів (заліза та міді).

^ Розрахунок коагуляційної установки
● Добова витрата хімічно чистого коагулянту для звичайних умов визначається за формулою:

, кг/добу, (1)

де Q – продуктивність установки м3/год;

d1 – доза коагулянту для звичайних умов, г/м3.

● Необхідна кількість розчину коагулянту міцністю р1=5% становить:

, м3/добу. (2)

● Необхідна ємність бака для приготування розчину коагулянту:

, м3. (3)

● Добова потреба технічного коагулянту:

, кг/добу, (4)

де - ступінь чистоти коагулянту.

● Дозування лужного розчину (в разі необхідності) під час повені визначається:

, мг-екв/л, (5)

де - доза коагулянту під час повені, мг-екв/л;

- еквівалентна маса коагулянту;

- карбонатна твердість повеневої води, мг-екв/л.

● Добова витрата хімічно чистої кальцинованої соди:

, кг/добу, (6)

де - еквівалентна маса соди.

● Добова потреба технічної соди для коагуляції:

, кг/добу, (7)

де - ступінь чистоти соди.

● Необхідна добова кількість розчину соди при р2=10% становить:

, м3. (8)

● Ємність бака для приготування розчину кальцинованої соди:

, м3. (9)

● Визначаємо твердість води після обробки її коагулянтами. Загальна твердість Н0 залишається без зміни. Карбонатна твердість розраховується:

- для звичайних умов

, мг-екв/л; (10)

- під час повені і .

● Відповідно некарбонатна твердість:

- для звичайних умов

, мг-екв/л; (11)

- під час повені .
Розрахунок содовапняного методу пом’якшення води осадженням накипоутворювачів (використовується для зручних умов)
● Доза вапна розраховується за формулою

мг/л (12)

де - карбонатна твердість води після коагуляції, мг-екв/л;

еквівалентна маса вапна (в перерахунку на CaO);

- магнієва твердість води, мг-екв/л.

● Потреба в хімічно чистому вапні

кг/год. (13)

● Витрата технічного вапна:

кг/год (14)

де - ступінь чистоти вапна.

● Дозу кальцинованої соди підрахуємо за формулою

мг/л, (15)

де - некарбонатна твердість води після коагуляції, мг-екв/л.

● Потреба хімічно чистої соди

кг/год (16)

або в перерахунку на технічний продукт

, кг/год, (17)

де - ступінь чистоти соди.

● Сода дозується у вигляді розчину, концентрацією р2=10%. Тоді витрата розчину соди для пом’якшення води

м3/год. (18)
^ Розрахунок установки для пом’якшення води, яка працює за схемою паралельного H-Na-катіонування (виконується для звичайних умов)
● Визначаємо частку води, яка надходить на Н-катіонітовий фільтр:

, (19)

де - карбонатна твердість води після коагуляції, мг-екв/л;

- загальна лужність суміші Н- та Na-катіонованої води, приймаємо =0,7 мг-екв/л;

- загальна твердість води після коагуляції,мг-екв/л.

● Кількість води, яка надходить на Н-катіонітові фільтри:

, м3/год. (20)

● Відповідно на Na-катіонітові фільтри надходить вода:

, м3/год. (21)
^ Розрахунок Н-катіонітових фільтрів
● Приблизна сумарна площа фільтрації:

, м2, (22)

де - тривалість фільтра між черговими регенераціями, приймається в межах від 6 до 16-20 год.;

t – тривалість простоювання на регенерацію, приймається в межах 1,5 – 2 год.;

- обмінна ємність катіоніту, приймається в межах 200 до 360 г-екв/м3;

h – висота катіоніту переважно дорівнює 1,5 м.

Вибираємо три фільтри діаметром D1. Кількість фільтрів та їх площі фільтрації необхідно вибирати так, щоб сумарна площа усіх фільтрів була близькою до значення , розрахованого за формулою (22).
● Тоді дійсний сумарний переріз фільтрів дорівнює

, м2 (23)

де - переріз фільтрації, м2;

- кількість фільтрів.

● Дійсна тривалість між регенераційної роботи фільтрів:

, год. (24)

● Середня швидкість фільтрації води при роботі трьох фільтрів:

, м/с. (25)
● Добова кількість регенерацій одного фільтра:

, разів/добу, (26)

а всіх трьох фільтрів:

, разів/добу. (27)

● Витрати води на одне вспушування:

, м3, (28)

де - переріз фільтрації, м2;

- допустима швидкість вспушування, переважно приймається такою, що дорівнює 10м/год;

- тривалість процесу вспушування, приймається такою, що дорівнює 15хв.

● Необхідна ємність бака для вспушування:

, м3. (29)

● Витрата 100% сірчаної кислоти для однієї регенерації:

,кг, (30)

де - питома витрата 100% сірчаної кислоти на регенерацію в грамах на 1 г-екв солей твердості, приймаємо такою, що дорівнює 56г/г-екв.

● Ємність бака для приготування 1,5% регенераційного розчину:

, м3, (31)

де - міцність регенераційного розчину, %.


Розрахунок Na-катіонітових фільтрів
● Приблизна сумарна площа фільтрації:

, м2, (32)

- обмінна ємність катіоніту, приймаємо в межах 200 до 360 г-екв/м3.

● Обираємо три фільтри діаметром D2 =2 м. дійсний сумарний переріз становить

, м2. (33)

● Дійсна тривалість між регенераційної роботи:

, год. (34)

● Середня швидкість фільтрації при роботі трьох фільтрів:

, м/с. (35)

● Добова кількість регенерацій одного фільтра:

, разів/добу, (36)

І відповідних трьох фільтрів:

, разів/добу. (37)

● Витрати води на одне вспушування фільтра

, м3, (38)

● А необхідна ємність бака для вспушування:

, м3. (39)

● Витрата кухонної солі на одну регенерацію становить

, кг, (40)

де - питома витрата солі в грамах на 1 г-екв солей твердості, приймається в межах від 200 до 225 г/г-екв.

● Добова витрата солі:

, кг/добу. (41)

● За витратою солі на одну регенерацію вибираємо солерозчинник відповідного об’єму. Добова витрата 10% розчину солі становитиме

, кг/добу. (42)

● Потрібна ємність солерозчинника

, м3. (43)
Розрахунок витрати сульфіту натрію
● Витрата сульфіту натрію для видалення залишкового кисню у живильній воді розраховується за формулою

, кг/год, (44)

де - залишковий вміст кисню у воді після термічного деаератора;

К – необхідний надлишок сульфіту натрію, переважно приймається таким, що дорівнює 3 – 4 г на 1 м3 живильної води;

- наявність в технічному сульфіті натрію хімічно чистого сульфіту натрію в частках від одиниці.

Список використаної літератури

1.Тимофєєв І.Л., Лашковська Н.М., Матусевич В.К. методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни “Водопідготовка і водний режим теплогенеруючих установок”.

2. Тимофєєв І.Л. Водопідготовка: Конспект лекцій з курсу “Водопідготовка і водний режим теплогенеруючих установок”.-Львів. Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”


Скачать файл (622 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru