Умягчение воды методом ионного обмена

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)2Ы Ca [Кат.] + 2 NaHCO3

2 H [Кат.] + MgCl2Ю 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-катионированием.

Выбор схемы умягчения воды осуществляется на основании сопоставления данных химического анализа исходной воды.

Параллельное H-Na-катионирование применяется при условии:

Жк / Жо і0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 і 0.5 +

ЖнкЈ 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 Ј0.5 5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5 —

Жнкі 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.оу ) / (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]: