Расчет трехступенчатой ионитовой установки

Курсовой проект

Расчет трехступенчатой ионитовой установки

вода минерализация ионит Загрязнение водных источников сточными водами играет существенную роль в обострении экологической обстановки. Потребность в воде неуклонно растет, и переход на эффективные системы очистки и снижение масштабов водопотребления можно достичь путем ее рационального использования.

Наиболее водоемкими отраслями являются электроэнергетика, черная металлургия, химическая промышленность.

Очистка щелочных и кислотных сточных вод, образующихся обычно в химической промышленности, как правило, ограничивается нейтрализацией или взаимонейтрализацией. После, полученные нейтральные сточные воды содержат значительные количества (несколько десятков г/л) солей и перед сбросом в природные водоемы требуют для разбавления до норм ПДК больших количеств чистой воды, что при сложившейся экологической обстановке совершенно недопустимо.

Прогрессивным решением по защите водоемов от загрязнения является внедрение оборотного водоснабжения.

Наиболее эффективным способом борьбы со сточными водами и загрязнением водоемов вредными веществами является создание систем замкнутого водоснабжения. Одной из причин, которое препятствует распространению замкнутого водоснабжения, является повышение минерализации воды в цикле из-за испарения и выделения солей из материалов, соприкасающихся с водой. С повышением минерализации происходит отложение солей на деталях аппаратуры, коррозия и нарушение технологического режима.

Вследствие этого необходимо очищать воду от загрязняющих ее веществ. Очистка воды может быть осуществлена либо удалением из нее солей, либо извлечением из нее молекул воды. Применение первого метода, как правило, не сопровождается фазовым переходом воды в парообразное или твердое состояние; применение второго метода обычно основывается на изменении агрегатного состояния воды.

К методам опреснения воды без изменения ее агрегатного состояния относятся ионообменный метод осаждения растворенных соединений, электродиализ, обратный осмос и др.

К методам опреснения воды с изменением ее агрегатного состояния относятся дистилляция, нагрев воды до сверхкритических параметров, замораживание и др.

Методы извлечения солей теоретически представляются более экономичными, так как количество растворенных в опресняемой воде солей в 30−100 раз меньше количества молекул H₂О.

1. Теоретическая часть

1.1 Основы ионного обмена в колонках

Значительная часть методов, при которых используются иониты в лабораторном и промышленном масштабах, связана с применением адсорбционных башен, колонн или колонок, заполненных зернистым ионообменным материалом. Процесс заключается в следующем (рис. 1). В колонку вводят раствор. По мере прохождения через слой ионита состав раствора вследствие ионного обмена или адсорбции меняется. Процесс в колонке зависит от свойств ионита (состояния насыщения, емкости, размеров зерен, степени поперечной связанности и др.), состава поступающего раствора, размеров колонки и от производственных условий, главным образом скорости протекания раствора и температуры.

Математическая обработка процесса обмена ионов различной подвижности даже на одном зерне ионита приводит к сложным дифференциальным уравнениям, которые до настоящего времени могут быть решены лишь для простых случаев. То же справедливо и для квазистационарных процессов в гомогенных мембранах, поскольку приходится принимать во внимание конвекцию в порах. Для ионного обмена в проточных колонках, в которых, помимо фазы ионита, имеется жидкая фаза (раствор в промежутках между зернами) расчеты еще более сложны. Вопреки некоторым утверждениям, до настоящего времени, нет точных теорий и едва ли они скоро появятся. Тем не менее с помощью упрощающих предположений или эмпирических величин можно рассчитать в грубом приближении оптимальные размеры и производительность колонки, а также наиболее благоприятные условия процесса. При работе в большом масштабе эти расчеты должны учитывать реальные условия процесса. Связанные с этим вопросы относятся к технике производства. Рассмотрим вначале простейший случай: в растворе электролита BY ионы В должны быть полностью заменены ионами А. Для этого наиболее пригоден ионит, насыщенный противоионами А. Если раствор и ионит встряхиванием в сосуде привести в соприкосновение друг с другом до установления равновесия (статический метод), то, после того как закончится обмен, раствор будет еще содержать большее или меньшее количество ионов В, в зависимости от состояния равновесия и количественного соотношения между ионитом и раствором. Чтобы ионы В удалить из раствора до содержания следов, необходимо иметь очень большой избыток ионообменного материала или многократно повторять обмен со свежерегенерированным ионитом. Более благоприятные условия для обмена создаются при применении колонки и пропускании через нее раствора (рис. 2): протекая, раствор будет все время соприкасаться с новыми слоями неиспользованного ионообменного материала. Со временем верхние слои ионита отдадут все ионы, А и потеряют свою силу, они как бы истощатся. Вследствие этого переходная зона будет все дальше и дальше перемещаться вниз по ионообменной колонке. При определенных условиях эта зона вскоре достигнет почти стационарной ширины, мало изменяющейся при дальнейшем прохождении через слой ионита. Из колонки будет вытекать чистый раствор АY до тех пор, пока переходная зона не достигнет нижнего конца колонки. После этого ионы В начнут «проскакивать» и ионит должен быть регенерирован (рис. 3). Если протекание раствора продолжить, то ионы В полностью вытеснят из раствора ионы А. В итоге ионит по всей длине колонки придет в равновесие с раствором ВY и раствор будет проходить через колонну без изменения состава (рис. 4).

Поглощающая способность ионитов до проскока ионов В обозначается как емкость до проскока. Емкость до проскока всегда меньше полной емкости загруженного в колонну ионита, так как в момент проскока в нижних слоях ионита еще имеются ионы А. Величины емкости до проскока и полной емкости могут быть легко вычислены по изменению концентрации вытекающего раствора (рис. 4). Если полная емкость колонки определяется лишь объемной емкостью и количеством загруженного в колонку материала, то емкость до проскока, кроме того, зависит от некоторых особых свойств ионита и ионов, от состояния равновесия и от рабочих условий. В отличие от полной емкости емкость до проскока относится лишь к данному частному случаю обмена и к определенным рабочим условиям.

Важнейшие факторы, характеризующие частный случай обмена в колонке, а вместе с этим емкость до проскока, должны быть определены качественно. Максимально полное использование ионита означает приближение емкости до проскока к полной емкости. Степень использования ионита (отношение емкости до проскока к полной емкости) зависит главным образом от размеров колонки и ширины переходной зоны, иначе говоря, от остроты «фронта» ионов В.

Остроту фронта определяет ряд факторов. Большое влияние оказывает состояние ионообменного равновесия. Обмен в верхних слоях переходной зоны происходит тем полнее (и, следовательно, эта зона тем уже), чем предпочтительнее ионит поглощает ионы В по сравнению с ионами А. В случае ионита, обладающего значительной селективностью по отношению к ионам В, получается острый фронт и высокая степень использования ионита, что, правда, достигается ценою повышения затрат на регенерацию, иногда превосходящих выгоду от селективности.

Если ионит поглощает ионы В в большей мере, чем ионы А, то фронт является «самозаостряющимся», т. е. возникающие «языки» по мере продвижения фронта через ионит сами собой сглаживаются: отстающие ионы, А в каждом слое вытесняются ионами В из стационарного ионита в протекающий раствор, а проникшие вперед ионы В вновь поглощаются, так что те и другие вскоре достигают фронта. Если ионит лучше поглощает ионы А, чем ионы В, то получается совсем иная картина: фронт на своем пути в колонке все больше и больше размывается.

Состояние равновесия само по себе еще не определяет остроты фронта. Каждый элемент объема раствора соприкасается с определенным слоем ионита лишь какое-то ограниченное время. Этого времени в общем недостаточно для установления равновесия в слое. Очевидно, обмен в слое переходной зоны тем полнее и, следовательно, сама зона тем уже, чем ближе к равновесному состоянию находится слой. Это зависит от того, достаточно ли велика скорость обмена по сравнению со скоростью перемещения фронта. В противном случае обмен протекает в неравновесных условиях и степень использования ионита снижается.

Выходная кривая при ионном обмене в колонне (изображено схематически) Все факторы, повышающие скорость обмена или замедляющие перемещения фронта, могут (в известных пределах) способствовать обострению фронта и тем самым — повышению степени использования ионита. Скорость обмена можно увеличить уменьшением величины зерен ионита, а при гелевой кинетике как механизме, определяющем скорость процесса, — также уменьшением степени поперечной связанности («сшивки») ионообменного материала и повышением температуры. Фактически при этом в целом фронт становится более острым. Однако малые размеры зерен ионита приводят к увеличению сопротивления потоку в колонке, а незначительная поперечная связанность — к сильному изменению объема геля при набухании и сжатии, что в свою очередь повышает скорость перемещения фронта.

Скорость перемещения фронта в основном зависит от скорости потока и концентрации исходного раствора. При уменьшении этих обеих величин фронт, как правило, может стать более острым. Но все меры, принимаемые для перемещения фронта, при одинаковом поперечном сечении колонки связаны с большой затратой времени.

Кроме того, при слишком медленном перемещении фронта становятся более заметными «языки»: концентрационные профили в колонке имеют больше времени для размывания вследствие диффузии в направлении оси колонки. Вследствие этой, так называемой продольной диффузии, при нулевой скорости потока постепенно устанавливается равновесие во всей колонке, так что все фронты и полосы сглаживаются. В ионообменных колонках продольная диффузия становится заметной лишь при чрезвычайно низких скоростях потока.

Отступление от локального равновесия вследствие неравномерности ионного обмена и продольная диффузия, естественно, больше при остром фронте, поскольку здесь состав раствора в слое ионита при перемещении фронта очень быстро меняется и в растворе образуются большие концентрационные градиенты.

С другой стороны, «языки» самозаостряющихся фронтов не могут превысить некоторой определенной величины, поскольку им противодействует селективность ионита.

Влияние размеров колонки на степень использования ионита видно из рис. 3 и 4. Если фронт самозаостряющийся (переходная зона достигает стационарной ширины), то удлинение колонки при одинаковом поперечном сечении смещает выходную кривую (рис. 4) вправо, увеличивает тем самым емкость до проскока и полную емкость приблизительно в равной степени и, следовательно, повышает степень использования ионита. Однако удлинение колонки одновременно увеличивает количество ионообменного материала и сопротивление потоку раствора. Если фронт не самозаостряющийся, то переходная зона при перемещении по колонке расширяется и степень использования ионита от удлинения колонки значительно увеличиться не может. С ростом величины отношения длины колонки к поперечному сечению при одинаковом количестве ионита степень его использования должна возрастать, объем переходной зоны будет также меньше вследствие меньшего сечения колонки. Практически здесь существуют пределы, определяемые не только сопротивлением потока, но также склонностью узких колонок к «стеночным» явлениям (периферийный ход) и каналообразованию.

Обобщая, можно отметить следующее: предпочтительное поглощение ионов В по сравнению с ионами А, низкая скорость потока, малые размеры зерен ионита и малое число поперечных связей в нем, низкая концентрация раствора, высокая температура и большая величина отношения длины колонки к ее сечению могут в известной мере повысить степень использования ионита. Однако в каждом отдельном случае следует учитывать и отрицательное влияние, оказываемое приведенными выше факторами.

1.2 Умягчение воды

Одним из наиболее распространенных видов кондиционирования воды является ее умягчение. Содово-известковый метод является первым промышленным способом удаления солей жесткости. Его суть заключена в проведении следующих основных реакций:

Са (НСО_з)₂+Са (ОН)₂>v2СаСОз+2Н₂О;

CaCl₂+Na₂CО₃>vCaCО₃+2NaCl;

MgSО₄+Ca(OH)₂>vCaSО₄+Mg(OH)₂;

CaSО₄+Na₂CО₃>vCaCО₃+Na₂SО₄.

Как следует из реакций, доза соды рассчитывается по количеству кальциевых и магниевых солей сильных кислот, а доза извести-по содержанию в воде гидрокарбонатов и солей магния. Шламы являются отходами процесса умягчения. Они образуются почти в строго стехиометрическом количестве и просто утилизируемые в хозяйстве. Это и является преимуществом содово-известкового метода. Глубокая очистка воды сопутствует умягчению от многих органических и минеральных грубодисперсных примесей и является вторым преимуществом этого метода. Недостатками метода, приведшими к замене его другим, является недостаточно глубокое удаление солей жесткости и громоздкость производства. Как правило их остаточное содержание в умягченной воде не бывает менее 0,5 мг-экв/л. Приблизительно такую же концентрацию имеет гидратная щелочность воды.

После того, как был открыт синтез ионитов с большой обменной емкостью, а также в связи с необходимостью получения относительно небольших количеств умягченной воды, содово-известковый метод был практически заменен ионообменным.

2RNа+Са (НСОз)₂R₂Ca+2NaHCО₃;

2RNa+Mg(HCО₃)₂R₂Mg+2NaHCO₃;

2RNa+CaCl₂R₂Ca+2NaCl;

2RNa+MgSО₄R2Mg+Na₂SО₄.

Регенерация катионита, т. е. его перевод в натриевую форму, производится с помощью пропускания через слой сорбента 6−10%-ного раствора поваренной соли с последующей отмывкой водой:

R₂Ca+2NaCl>2RNa+CaCl₂. [7, c. 23]

Для регенерации расход поваренной соли должен превышать стехиометрический в 3−5 раз.

В свое время на это не обращали внимания из-за удобства метода и его экономических показателей в сравнении с содово-известковым методом, который сильно перекрывал повышенные затраты такого дешевого реагента, как поваренная соль. В настоящее время если сброс в водотоки сточных вод с минерализованностью превышает 1 г/л, то он запрещен. Данный фактор исключает применение ионообменного метода умягчения в его первоначальном варианте. С использованием содово-щелочного метода очистки регенерата ионообменных установок был найден выход из положения. Данный процесс можно описать следующими реакциями:

CaCl₂+Na₂CO₃>vСаСО₃+2NаСl;

MgCl₂+2NaOH>vMg (OH)₂+2NaCl.

Для полного осаждения щелочи требуется небольшой избыток щелочи. После того, как раствор хлористого натрия будет освобожден от выпавшего осадка и фильтрования он может быть снова использован для регенерации. Избыточную щелочность нейтрализуется соляной кислотой. В воде, умягченной с помощью анионитов, сохраняются анионы угольной кислоты. Поэтому она отличается от воды после содово-известкового умягчения. Гидрокарбонат натрия проходя процесс гидролиза в парогенераторах превращается сначала в соду, а затем в щелочь. Поэтому сохранение гидрокарбонатов является недостатком ионообменного метода умягчения воды. Их устраняют путем Н-катионирования, пропуская часть умягченной воды через катионит, который отрегенерирован раствором кислоты. Тем самым происходит реакция:

2RH+CaCl₂>R₂Ca+2HCl.

Заметим, что катионит в Н-форме необходимо пропустить такую часть обрабатываемой воды, чтобы выделившегося количества сильных кислот (H₂SО₄, HC1) было достаточно для разрушения присутствующих в воде гидрокарбонатов по реакции:

NaHCO₃+HCl>NaCl+H₂О+C0₂. [6, c. 121]

Частичное обессоливание воды за счет обмена ионов Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ на ионы водорода является преимуществом совмещения Naи Н-катионирования. От ряда регулируемых факторов, в первую очередь — от глубины регенерации ионита, зависит глубина процесса при ионообменном умягчении. В практике проектирования ионообменных установок для умягчения воды используют некоторые усредненные значения зависимости качества фильтрата от солевого состава умягченной воды и полноты регенерации фильтров.

Полнота регенерации катионита нелинейно зависит от затраты регенерирующего реагента. Обращает на себя внимание следующая закономерность: каждая следующая кратная порция регенерирующего раствора производит такие же действия, как и предыдущая, но относительно оставшейся доли неотрегенерированного ионита.

Перед подачей на электродиализные или обратноосмотические аппараты, которые производят частичную деминерализацию, вода проходит предварительную очистку. Одним из наиболее надежных методов предварительной очистки воды является ее умягчение. Предотвратить опасность выпадения на поверхности мембран осадков карбоната или сульфата кальция, которые снижают селективность мембран и эффективность опреснения воды, может умягчение воды.

1.3 Обессоливание воды в установках с неподвижным слоем ионитов

В обрабатываемой воде присутствуют органические вещества. Они мешают получению чистой обессоленной воды с помощью ионного обмена. Источники их появления: атмосфера, торфяники, почвы, а также распад отмерших организмов и их прижизненные выделения. В торфах и почвах находятся карболовые и аминокислоты, альдегиды, углеводы, сложные эфиры и другие соединения. Понятием «почвенный гумус» можно объединить специфические высокомолекулярные, устойчивые в биохимическом отношении соединения. Они составляют наибольшую часть органических веществ почв и торфов. Присутствующие в воде гуминовые и фульвокислоты больше всего мешают процессам обессоливания воды. Основной задачей предварительной очистки воды является освобождение воды от фульвокислот. С помощью дистилляции, электрохимической или реагентной коагуляции ведут предочистку. Нужно заметить, что данная обработка воды коагулянтами или флокулянтами является недостаточной для получения высокоомной обессоленной воды. В связи с этим важно перед подачей воды на обессоливание ионитами использовать сорбционную доочистку. Пористые аниониты наиболее перспективны для очистки воды от органических веществ. Первичный выбор лучших из них можно произвести в статических условиях при контакте сорбентов с модельными растворами или с данной водой. С целью определения, характера стадии, лимитирующей процесс, коэффициентов диффузии и времени установления равновесия, проводят кинетические исследования после отбора лучших образцов. Обобщение опыта эксплуатации обессоливающих установок позволяет предложить следующие способы предварительной очистки воды в зависимости от ее загрязненности, выраженной через пермантанатную окисляемость.

1.4 Обезжелезивание как этап предварительной очистки воды

В подземных водах, в которых нет кислорода, железо в основном представляет собой раствор гидрокарбоната Fе (НСО₃)₂, который частично гидролизован. Если данное вещество будет поступать на катионит в неокисленном и негидролизованном виде или не будет окисляться в атионовом фильтре, то тогда произошло бы практически полное поглощение железа при его обмене на ионы водорода. Но вместе с реакцией ионного обмена, у которой скорость можно определить с помощью диффузионных процессов, протекают реакции гидролиза солей железа, окисления и перехода в слабодиссоциирующие и практически нерастворимые соединения, способные к образованию коллоидов. Совокупность этих процессов приводит к тому, что, например, вода, содержащая в равновесном состоянии 0,16 мг/л железа в ионной форме, что характеризуется общим содержанием железа на уровне 2 мг/л. Очевидно, что поглощая ионную форму железа, катионит растворит еще часть наименее стойких продуктов гидролиза.

Суммарное уравнение реакции превращения двухвалентного железа в трехвалентное и последующего гидролиза имеет следующий вид:

4Fe²⁺+O₂+ 10Н₂О=4Fе (ОН)₃+8Н⁺.

Образующаяся гидроокись и другие продукты гидролиза без участия в ионном обмене пройдут в Н-катионированную воду. Уравнение подсказывает основные пути обезжелезивания воды: аэрация или иначе ее называют насыщением кислородом и подщелачивание — процесс связывания ионов водорода. Обезжелезивание является важным этапом предварительной очистки воды, так как обеспечивает получение ультрачистой воды для микроэлектронного производства. Далее вода должна быть окончательно очищена и ее можно будет подать уже на отмывку деталей. Для окончательной очистки используют микрофильтр с порами размером 0,22 мкм, который задерживает микробные тела. Микрофильтры имеют особенность забиваться, если обессоленная вода прошла недостаточную очистку и была плохо обезжелезена на предыдущих этапах.

1.5 Обескремнивание воды

В состав природной воды входят соли минеральных кислот. К самым слабым из них относится кремниевая кислота (К_H2SiO3=10^-10). Сорбируют ее только высокоосновные аниониты с активными группами типа четвертичных аммониевых оснований. В процессе обессоливания кремниевую кислоту вытесняют все кислоты, в том числе и угольная.

Выходные кривые по удельному сопротивлению (1), кремниевой кислоте (2) и С1-ионам (3) при обессоливании раствора, содержащего 0,4 мг-экв/л ионов НSiO₃^.

Если в АВ-17−8 кремнекислоты присутствует соляная кислота, то очевиден факт практически полного хроматографического отделения слоя, обогащенного соляной кислотой, от слоя, в котором находятся ионы кремниевой кислоты. Это доказывает целесообразность максимального удаления углекислоты из воды перед ее подачей на ФСД и ограничения общего анионного состава воды, содержащей значительное количество кремнекислоты. Если количество катионита в ФСД составляет ½ или даже 1/3 от объема анионита, то он всегда будет иметь некоторую избыточную емкость. Данную емкость можно не рассчитывать, так как катионит не лимитирует процесс деминерализации на ФСД. Регенерацию катионита в ФСД проводят при расходе кислоты, равном 1,5−2 экв/экв ПОЕ. Избыток кислоты утилизируется для удаления из анионита ФСД сортированной углекислоты. В таких условиях фильтратом является высокоомная вода. Проскакивает кремний в пределах 0,05−0,2 мг/л. Этот факт зависит от срока эксплуатации анионита АВ-17.

Проводя более глубокое обескремнивание воды важно иметь в виду гидролиз анионита, у которого не вся отрегенерированная часть распределена равномерно по всему смешанному слою. Но влияние гидролиза кремниевой формы анионита на качество обессоленной воды определяется экспериментально, так как расчет данного процесса затруднителен.

При получении воды, свободной от углекислоты, необходимая полнота регенерации анионита от гидролизующейся солевой формы резко возрастает с увеличением заданной степени обескремнивания воды. В отличие от углекислой формы необходимая степень регенерации смолы, насыщенной кремнекислотой, не может быть достигнута обработкой анионита кислотой. В этом случае требуется обработка горячим раствором щелочи или другими реагентами, разрушающими полимерные формы кремнекислоты, образующиеся в фазе анионита.

1.6 Выбор рациональной технологической схемы получения особо чистой воды

Существует несколько критериев оптимальности. Проектировщики и действующие предприятия избирают разные критерии. Так, например, первые в качестве критерия выбирают минимальную себестоимость воды или минимальные приведенные затраты. На уже действующих предприятиях, где в ходе освоения новых технологических процессов требуется особо чистая вода, иногда избирают минимизацию габаритов установки и производственной площади под нее. Наибольшую популярность в последнее время приобрел такой критерий, как сокращение сброса агрессивных веществ (реагентов) в водотоки. Очень сложно удовлетворить требованиям всех выбранных критериев одновременно. Учитывая выше сказанное попытаемся выбрать рациональную схему полного обессоливания пресной воды любого исходного качества.

Рассматривая задачи ионообменной и сорбционной технологии целесообразно расширить известную классификацию вод, предложенную Л. А. Кульским. Классифицировать воды можно:

· по содержанию (требующие и не требующие предочистки (коагуляция, сорбция, дистилляция)). К первым можно отнести воды с цветностью более 10° по хлорплатинаткобальтовой шкале. Как правило, это воды с окисляемостью более 2 мг О₂/л.

· по степени минерализованности воды (требующие и не требующие снижения общего соле-содержания до величины, которая позволяет осуществить полное обессоливание с помощью ионитов). Ионнообменный метод используют, как правило, для обессоливания вод с общей минерализованностью, не превышающей 5−10 экв/м³ (250−500 мг/л). Воды с большим содержанием солей целесообразно предварительно частично обессоливать электродиализным или обратноосмотическим безреагентным методом.

Разрабатывая классификацию вод и выбирая соответствующие технологические схемы важно учитывать следующие обстоятельства: от качественного состава катионов почти не зависит обменная емкость ионитов, но имеет существенную зависимость от качественного анионного состава воды; низкоосновные аниониты в основном не вступают в реакцию с анионами слабых кислот, сорбцию последних можно осуществить только с помощью высокоосновных анионитов; анионы сильных кислот легко регенерируются, поэтому экономичнее их сорбировать на низкоосновных анионитах; для создания благоприятных условий сорбции анионов слабых кислот проводят обессоливание смешанным слоем на основе сильнокислотного катионита и высокоооновного анионита, в результате имеем превышающую в смешанном слое на 10−15%, чем в монослое, емкость последнего. Учитывая взаимодействие ионитов с водами различного качества, можно классифицировать дальше следующим образом:

Первый класс., Не обескремненная частично или глубокообессоленная вода. Например, дистиллят или фильтрат, который прошел одноступенчатую ионообменную очистку с хорошо поставленной декарбонизацией.

Второй класс. Дистиллят или конденсат, который используется в контурах водяного охлаждения, а также в меньшей или большей степени насыщен продуктами коррозии.

Третий класс. Воды, которые содержат не только гидро-силикат-ионы, но и гидрокарбонаты.

Четвертый класс. Вода, содержащая анионы сильных кислот и гидросиликат-ионы (например, дилюат электродиализных и фильтрат обратноосмотических устройств).

Пятый класс. Воды, которые наиболее часто встречаюся в природе и содержат анионы как слабых, так и сильных кислот.

Шестой класс. Воды, в которых преобладает содержание гидрокарбонат-ионов (например, выше 5−6 мг-экв/л).

В водах первого-четвертого классов другие ионы могут присутствовать в количествах, не влияющих на выбор схемы обессоливания.

Для вод всех выше названных классов существует методика сравнения технико-экономической эффективности конкурирующих схем. С ее помощью определяются границы солесодержания. На практике при получении высокоомной воды для выбора схем ионообменного обессоливания вод различных классов следует пользоваться табл. 1.

Табл. 1

* С предварительной очисткой.

Условные обозначения: А-анионит; Д-декарбонизатор; К-катиоиит; МС — макропористый сорбент; НИФ — намывной ионитовый фильтр; ПК — прямоточная коагуляция; ФСД — фильтр смешанного действия.

Принцип работы трехступенчатой ионитовой установки

Ионитовая установка состоит из двух групп ионитовых фильтров. Первая группа фильтров работает по циклу Н-катионирования и служит для извлечения из воды катионов, а вторая группа фильтров работает по циклу ОН-анионирования и предназначена для удаления из воды анионов.

На трехступенчатую ионитовую установку подается осветленная вода с содержанием взвешенных веществ 58 мг-экв/л. В зависимости от качества исходной воды и требований, предъявляемых к обессоленной воде, приведенная схема может претерпевать значительные изменения.

Обессоливаемая вода поочередно проходит сначала через катионитовые фильтры (14, 16, 18), затем через анионитовые (15, 17, 19). Каждая ступень обессоливания имеет баки с водой для взрыхления ионита (1,2 и 3 — для катионитовых фильтров первой, второй и третьей ступеней соответственно; 4, 5 и 6 — для анионитовых фильтров первой, второй и третьей ступеней соответственно). После первой ступени обессоливания располагается декарбонизатор (13) для удаления из воды диоксида углерода. Подача воды на вторую и третью ступени обессоливания осуществляется при помощи насоса (25). После того, как вода проходит все три ступени обессоливания, она собирается в резервуаре (20), откуда при помощи насоса (26) подается к потребителю. Содержание взвешенных веществ в воде, которая прошла очистку, снижается до 0,4 мг-экв/л.

Регенерация катионитов и анионитов подробно описана в п. 3.7.

Для отечественных трехступенчатых ионитовых установок применяют фильтры, серийно выпускаемые промышленностью. При этом все фильтры должны обладать надежной кислотостойкой изоляцией их внутренних поверхностей. Должен иметь кислотостойкую изоляцию и весь тракт обессоливаемой воды, так как обессоливаемая вода может взаимодействовать с компонентами стали (особенно в присутствии кислорода), вызывая коррозию оборудования и загрязнение обессоленной воды железом и другими ионами. Для этой цели могут применяться либо трубопроводы и арматура из нержавеющих сталей, либо из неметаллических материалов (винилпласта, полипропилена и др.).

2. Расчетная часть

2.1 Общая минерализация воды

Трехступенчатая схема установки, которая представлена в приложении 1, позволяет осуществлять обессоливание воды и понижать содержание кремниевой кислоты до 0.05 мг/л. Количество воды после очистки определяется по данным анализа; при этом проба должна отражать действительный средний состав воды.

Исходная вода, прежде чем поступает на ионитовые фильтры, подается на установку предварительного осветления. В ряде случаев с целью снижения нагрузки на Н-катионитовые фильтры может оказаться целесообразным обрабатывать осветленные воды с ее известкованием.

Общая минерализация воды:

=УK+УA;

2.2 Расчет Н-катионитовых фильтров I ступени

Н-катионитовые фильтры всех трех ступеней загружаем катионитом КУ-2. Необходимый объем катионита во влажном состоянии для загрузки первой ступени определяется по формуле:

(*), где

₁=1.11.35 — коэффициент учета воды на собственные нужды установки;

Q_СУТ-полезный расход обессоленной воды (м³/сут);

УK-сумма катионитов в обессоливаемой воде (г*экв/м³);

n-число фильтроциклов в сутки;

Е_раб — рабочая обменная емкость катионита (г*экв/м²);

Для КУ-2 рабочая обменная емкость равна 15 001 700 при =0.80.9, гдекоэффициент, учитывающий снижение обменной способности.

м³

При высоте загрузки 2,5 м суммарная площадь катионитовых фильтров:

м²

Выбираем 2 рабочих фильтра площадью по 2.9 м² и один резервный тех же размеров.

Тогда общая площадь:

м²

Считаем, что колпачковый дренаж в фильтрах должен быть заменен щелевыми отверстиями. При наружном диаметре труб отверстий равном 50 мм, общее число щелей найдем по формуле:

где:

F-площадь фильтра (м²);

b-ширина щели (0,5 мм);

d-диаметр отверстий (мм).

шт.

Полученное число щелей должно быть равномерно распределено по длине всех труб ответвлений.

2.3 Расчет Н-катионитовых фильтров II ступени

где С_Na-содержание Na в воде, поступающей на Н-катионитоваый фильтр второй ступени, вследствии проскока Na в фильтрат первой ступени. [7, c. 24] Величина С_Na принимается равной концентрации Na в исходной воде.

Е_раб= г экв/м²

Полезная продолжительность фильтроцикла t₁=22,5 часа, так как на Н-катионитовые фильтры второй ступени поступают лишь катионы Na, рекомендуется увеличить t₁ до 100 часов. Однако в данном случае количество Na значительно и составляет более 30% общего содержания катионов в исходной воде, поэтому принимаем t₁=33 часа. Продолжительность отмывки по сравнению с обычным (t₂=1,5 часа) увеличиваем до t₂=3 часа.

Тогда число фильтроциклов за сутки:

n=24/(33+3)=0.67

Обьем катионитовой загрузки получаем:

м³

Ca2+: м³ (33.33%)

Mg2+: м³ (28,49%)

Na2+: м³ (31,98%)

K2+: м³ (0,78%)

При высоте загрузки h=2 м, площадь фильтров второй ступени будет:

м²

Принимаем 2 рабочих фильтра площадью по 9.65 м².

м²

Н-катионитовые фильтры третей ступени принимаем без расчета, равнозначными фильтрам второй ступени.

Скорость фильтрования воды через Н-катионитовые фильтры II и III ступени должна быть не более 40−50 м/час.

2.4 Расчет анионитовых фильтров I ступени

Необходимая для фильтров первой ступени расчетная обменная способность слабоосновного анионита АН-2Ф во влажном состоянии составляет: 450 550 г.-экв/м³.

Расчетная скорость фильтрации анионитовых фильтров первой ступени определяется по формуле:

где

h_A-высота загрузки анионитовых фильтров первой ступени, равная 2,5 метра;

А-содержание анионов сильных кислот в исходной воде равное:

г-экв/м³.

Т-продолжительность работы каждого фильтра между регенерациями.

м/ч Площадь анионовых фильтров:

.

м²

Принимаем 5 рабочих фильтров площадью по 7.5 м² каждый и один резервный тех же размеров.

2.5 Расчет анионитовых фильтров II ступени

Для анионитовых фильтров второй ступени расчетная величина обменной способности:

.

Наибольшее применение из сильноосновных анионов нашел АВ-17. Анионит АВ-17 используется в широком диапазоне рН, механически прочен, химически устойчив к действию кислот и щелочей.

Для анионита АВ-17 рабочая кремнеемкость составляет 420 г. экв/м³.

Е_рас= г экв/м³

м³

м²

Принимаем один рабочий фильтр площадью 2.5 м² и один резервный тех же размеров.

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

Кроме фильтров можно считать основным оборудованием ионитовых обессоливающих установок следующее:

— Кислотное хозяйство для обеспечения регенерации Н-катионитовых фильтров.

— Шелочное хозяйство для обеспечения регенерации анионитовых фильтров.

— Декарбонизатор.

— Баки для воды и растворов.

— Трубы.

— Арматура.

— Контрольно-измерительные приборы.

2.6 Определение расхода воды на собственные нужды

Подсчитаем теперь расход воды на собственные нужды обессоливаемой установки, исходя из следующих соображений.

Заготовка регенерирующих растворов производится:

А. Для Н-катионитовых фильтров на исходной воде;

Б. Для анионитовых фильтров второй ступени на частично обессоленной воде после анионитовых фильтров первой ступени;

В. Для фильтров третьей ступени на воде после анионитовых фильтров второй ступени.

Расход воды для приготовления регенеративных растворов:

где УК-сумма катионов в фильтрате анионитовых фильтров первой ступени в г-экв/м³ (0,3 г-экв/м³);

УА-сумма анионов сильных кислот:

УА=2,37+14,63=17 мг*экв/литр а_1, а₂-удельный расход 100% кислоты в г*экв и щелочи соответственно.

b₁, b₂-концентрация регенерирующих растворов (%).

м³/сут.

Расход воды на взрыхление ионита в фильтрах второй и третей ступени (перед их регенерацией):

где:

t_b-продолжительность взрыхления (1520 минут);

n₁, n₃, n₅-число регенераций каждого из катионитовых фильтров первой, второй и третей ступени за сутки (принимается n₁=12, n₃=0,25, n₅=0,05);

n₂, n₄, n₆-тоже для анионитовых фильтров (n₂=12, n₄=12, n₆=0,05);

F_H1, F_H11, F_H111-площади Н-катионитовых фильтров (м²);

м₁…м₆-количество фильтров соответствующих групп;

w₁…w₆-интенсивность взрыхления ионита в фильтрах (л*/сек*м²).

м³

Значения и равны нулю, так как для взрыхления ионитов в фильтратах 1 ступени повторно используются отмывочные воды. [7, c. 56]

Расход воды для отмывки ионитов (при условии отмывки ионитовых фильтров первой ступени повторно используемые водами после отмывки фильтров второй ступени):

где:

P_H11, P_H111-объем катионита в рабочем состоянии (м³);

P_А11, P_А111-объем анионита в рабочем состоянии (м³);

q_H11, q_H11, q_A11, q_A11-удельные расходы отмывочной воды (м³/м³);

м³/сут.

Из этого количества воды фильтрат второй ступени составляет 29.7 м³/сут.

2.7 Расчет регенерационного хозяйства ионитовой установки

1. Необходимую емкость цистерн для хранения запаса концентрированной H₂SO₄ (при условии доставки ее железнодорожными цистернами) найдем по формуле:

м³,

где:

а-расход регенерата;

b-концентрация реагента (6292)%;

m-число дней на которое предусмотрен запас реагента (2040) суток;

г-удельный вес концентрированного реагента (1.551.83) т/м³.

м³

Емкость большегрузной железнодорожной цистерны равна 30 м³. Принимаем 5 цистерн по 30 м³.

Подсчитаем необходимую емкость цистерн для жидкого NaOH:

м³

Принимаем 3 цистерны по 30 м³.

2. Полезная емкость мерника для H₂SO₄ найдем по формуле:

м^3,

где:

t-продолжительность работы фильтра между регенерациями (ч);

P-расчетное число регенераций, на которое принимается запас в мернике (13);

n-число рабочих фильтров.

м³

Полезная емкость мерника для NaOH:

м³

Из мерника H₂SO₄ эжектором подается на регенерируемый Н-катионитовый фильтр второй ступени, далее раствор собирается в промежуточный бак, из которого насосом подается на регенерируемый Н-катионитовый фильтр первой ступени.

Необходимую емкость мерника для NaOH подсчитаем по той же формуле и исходя из удельного расхода NaOH на 1 г-экв задержаной из воды кремниевой кислоты.

3. Полезную емкость баков с водой для взрыхления ионитов в соответствующих фильтрах найдем как:

м³,

где:

щ-интенсивность взрыхления ионита;

F-площадь фильтра;

t_b-продолжительность взрыхления (1520 минут).

Полезную емкость для катионитовых фильтров первой ступени:

м³

Полезную емкость для катионитовых фильтров второй и третьей ступени:

м³

Полезную емкость для анионитовых фильтров первой ступени:

м³

Полезную емкость для анионитовых фильтров второй и третьей ступени:

м³

Необходимую разность отметок дна баков с водой для взрыхления и переливных воронок фильтров найдем по формуле:

м, где:

H₁-разность отметок для бака и уровня перелива воды после взрыхления ионита (м);

?h₁-суммарная потеря напора в трубопроводе на пути от дна бака до фильтра (м);

h₂-потеря напора в дренаже фильтра (м), которую можно определить по формуле:

м³,

где:

щ-интенсивность взрыхления ионита (35 л/с*м²);

м_р-коэффициент расхода, который можно принять (0.65);

б_g-отношение площади всех щелей на дренажных колпачках или распределительных трубах к площади ионитового фильтра (0.25%);

g-ускорение силы тяжести 9.81 м/с²;

h₃-высота слоя ионита (м).

м Н₁=2+0.48+0.25*4+1.5=4.98 м Найдем теперь по формуле емкость бака для сбора регенерирующего раствора NaOH после анионитовых фильтров второй ступени с целью дальнейшего использования этого раствора для регенерации анионитовых фильтров первой ступени. При этом полагаем, что 60% регенерирующего раствора имеют концентрацию 2%, а 40%-0.2%.

где:

?А-сумма анионов сильных кислот;

А-удельный расход реагента (6070 г./г*экв);

S-количество раствора NaOH в долях единицы, подаваемого для регенерации анионитового фильтра второй ступени, концентрацией b₂ (1.54%);

(1-S) — то же, подаваемого в виде раствора концентрацией b₃ (0.20.3%);

— удельный вес концентрированного реагента;

n-число рабочих фильтров;

р-расчетное число регенераций (13).

м³

Аналогичным образом найдем полезную емкость промежуточного резервуара для сбора регенерирующего раствора от Н-катионитовых фильтров первой ступени:

м³

Найдем по формуле:

м³;

м³

м³

емкость резервуаров для сбора отмывочных вод после ионитовых фильтров второй ступени для повторного использования их при отмывки ионитовых фильтров первой ступени.

2.8 Расчет декарбонизатора

Задачей декарбонизатора является удаление излишних концентраций газов до равновесного состояния. На стадии умягчения воды с использованием Н-катионирования или подкисления в результате разложения солей жесткости в воду выделяется избыточное количество углекислоты, которое обычно в сотни раз превышает равновесное, т. е. наблюдается сверхравновесное содержание газа.

Декарбонизатор для удаления из обессоливаемой воды свободной углекислоты принимаем с загрузкой из колец Рашига размером 25*25*3.

Количество СО₂, удаленного в декарбонизаторе:

кг/час, где: Ж_к-карбонатная жесткость воды перед Н-катионитовыми фильтрами первой ступени в мг-экв/л;

С_вх, С_вых-концентрация удаляемой углекислоты в воде на входе и на выходе ее из декарбонизатора;

q_час-расход воды, поступающей на декарбонизатор, в м³/ч;

G-количество свободной углекислоты (или любого другого газа), подлежащего удалению, в кг/ч;

кг/ч Необходимая площадь десорбции при t=10?С, с учетом коэффициента десорбции К_ж=0.5 и средней движущей силы десорбции С_СО2ср.=0.015 кг/м³ будет:

м²

м²

Площадь требуемой поверхности 1 м³ насадки из колец Рашига размером 25*25*3 мм. равна F_тр=204 м², необходимый объем насадки для загрузки в декарбонизатор составит:

м³.

Площадь поперечного сечения декарбонизатора:

м².

м²

Расход воздуха, который должен подавать вентилятор, составит:

м³/ч.

м³/ч.

3. Экономический расчет ионитовых установок

Основным критерием для оценки экономичности той или иной схемы водоподготовки, является эксплуатационная стоимость обработанной воды, то есть среднегодовая стоимость обработки 1 м³ воды. Стоимость 1 м³ воды определяется как сумма годовых эксплуатационных расходов по обработке воды, поделенную на годовую производительность установки.

где:

q-стоимость 1 м³ обессоленной воды в рублях;

?B-суммарная стоимость годовых эксплуатационных расходов (руб.);

?Q-годовая полезная производительность установки (м³).

где:

n-число часов работы установки в течении года, которое в технико-экономических расчетах ориентировочно можно принимать равным 7000 часов;

q_час-полезная производительность установки в м³/час.

м³

руб.

Расходы на покрытие стоимости воды, поданной на ионитовую обессоливающую установку:

где:

N-годовая стоимость исходной воды в рублях;

e-стоимость 1 м³ исходной воды в рублях;

q_д-расход воды (м³/час), потребляемой на собственные нужды установки.

руб.

Расходы на электрическую энергию можно подсчитать, исходя из местных расценок. Если на установки в течение всего года применяется подогрев исходной воды, то затраты на подогрев вычисляются:

руб.

Заключение

В данной курсовой работе была изучена и рассчитана трехступенчатая ионитовая установка, которая применяется для получения чистой обессоленной воды. Данная ионитовая установка может применятся на предприятиях разных отраслей потребляющих высокоочищенную деминерализованную воду.

Частично обессоленная вода подвергается декарбонизации для удаления свободной углекислоты. Избыточная свободная (агрессивная) углекислота весьма активна, наличие ее в воде вызывает коррозию бетонных сооружений и металлических труб. Для ее удаления применяют декарбонизатор с насадками из керамических колец Рашига.

Трехступенчатая ионитовая установка по сравнению с электродиализной установкой более эффективна, так как у нее большая производительность и малое потребление электроэнергии.

1. Вергун А. П. «Разделение изотопов и ионов с близкими свойствами хроматографическими методами». Учебное пособие ТПУ. Рег. № 67 от 4.04.2000.

2. Вергун А. П., Пуговкин М. М. Разделение изотопов и тонкая очистка веществ электроионитными и обменными методами: Учебное пособие. — Томск: ТПУ 2002.

3. Власов В. А., Вергун А. П., Разделительные процессы с применением ионообменных материалов: Учебное пособие. — Томск: ТПУ 2002.

4. Водоподготовка. Процессы и аппараты. Под ред. О. И. Мартыновой.: Атомиздат, 2005.

5. Методические указания к курсовому проекту «Водоснабжение промышленных предприятий». — Для студентов специальности 270 112 «Водоснабжение и водоотведение» дневной и заочной форм обучения. Ч3 — Ростов-на-Дону: Рост. гос. Строит. ун-т, 2008.

6. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. — Л. Химия. Ленинград. Отделение. 1982.

7. Чебакова И. Б., Ч. 34. «Очистка сточных вод»: Учебн. пособие. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001.

8. http://www.chemport.ru