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.(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)/(nHp*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.*Скгр-экв/м3 (10)
Где aн— коэффициент эффективности регенерации Н-катионитных
фильтров, принимается по [1,прил.7,п.27,табл.4]:
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*469.9) = 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. a Na=0.62
bNa— коэфф. Учитывающий снижение обменной емкости,
принимается [1,прил.7,п.15,табл.2] 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,
кат. фильтров осуществляется путем вытеснения из ка-
тионита ионов Ca2+, Mg2+ ионнами H+, Na+ .
Для реализации указанного процесса требуется устройство