Раздел: Точные наукиУмягчение воды методом ионного обменаВведение . 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 Са 2+ , Мg 2+ . Реакция обмена: 2 Na [Кат.] + Ca (HCO 3 ) 2 Ы Ca [Кат.] + 2 NaHCO 3 2 H [Кат.] + MgCl 2 Ю Mg [Кат.] 2 + 2 HCl К катионитам относятся глауконитовый песок, гумусовые угли, сульфоуголь, искусственные смолы (КУ-1, КУ-2). В процессе фильтрации воды через катиноитную загрузку ее обменная способность уменьшается, поэтому необходимо периодически регенерировать (восстанавливать фильтрирующий материал). Реакции регенерации: Ca [Кат.] 2 + 2 NaCl Ю 2 Na [Кат.] + CaCl 2 Na – катионидные фильтры регенерируются раствором NaCl Mg [Кат.] 2 + H 2 SO 4 = 2 H [Кат.] + MgSO 4 Н – катионидные фильтры регенерируются раствором серной кислоты – Н 2 SO 4 . 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 – СО 2 . 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 - , SO 4 -2 , НСО 3 - : (1). К = [Ca +2 ] + [Mg +2 ] + [Na + ] + [K + ] = 4.0 + 2.4 + 0.9 = 7.3 мг-экв/л (2). А = [HCO 3 - ] + [Cl - ] + [SO 4 -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 . Ж о = [Ca +2 ] + [Mg +2 ] = 4.0 + 2.4 = 6.4 мг-экв/л (3). 1.2. Определяется карбонатная жесткость исходной воды . Ж к = [HCO 3 - ] = 5.1 мг-экв/л (4). 1.3. Определяется щелочность исходной воды . Щ о = Ж к = 5.1 мг-экв/л (5). 1.4. Определяется не карбонатная жесткость . Ж нк = Ж о – Ж к = 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 : Ж к / Ж о і 0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 і 0.5 + Ж нк Ј 3.5 мг-экв/л Ж нк = 1.3 Ј 3.5 мг-экв/л + SO 4 -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: Ж к / Ж о Ј 0.5 5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5 - Ж нк і 3.5 мг-экв/л Ж нк = 1.3 < 3,5 мг-экв/л - SO 4 -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. q H пол. = q пол. ( Щ о -Щ у ) / ( А+Щ о ) м 3 /час (7) где q пол. - полезная производительность Н-Na-катионитных фильтров, q пол. = Q сут. / 24=1100/24=45.8 м 3 /час, Щ о - щелочность исходной воды, Щ о =5.1 гр-экв / м3 , Щ у - щелочность умягченной воды, А- сумма концентраций анионов, А= 7.3 гр-экв / м3 , q H пол. = 45.8*( 5.1-0.35 ) / ( 7.3+5.1 ) = 17.5 м 3 /час Определяется расход воды на Na-катионитные фильтры: q Na пол. = q пол. - q H пол. м 3 /час (8) q Na пол. = 45.8 - 17.5 = 28.3 м 3 /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 - Е полн. = 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]: W H = 24*q H пол. (Ж о +С Na )/(n H p *E H раб. ) м 3 (9) где С Na - концентрация в исходной воде, С Na =0.9 гр-экв / м3 , n H p - число регенераций каждого Н-катионитного фильтра в сутки, принимается по [1,прил.7,п.14]: от 1…2. n H p =2, E H раб. - рабочая обменная емкость Н-катионита, вычисляется по Формуле [1,прил.7,п.27]: E H раб. = a н * Е полн. – 0.5*q уд. *С к гр-экв / м3 (10) Где a н - коэффициент эффективности регенерации Н-катионитных фильтров, принимается по [1,прил.7,п.27,табл.4]: При удельном расходе Н 2 SO 4 на регенерацию 100 гр./гр.-экв. a н =0.85, q уд. - удельный расход воды на отмывку 1 м 3 катионита (для сульфо- угля принимается 4 м 3 ), q уд. =4 м 3 , С к – общее содержание в воде катионидов, С к =7.3 гр-экв / м3 , E H раб. = 0.85*570 – 0.5*4*7.3 = 469.9 гр-экв / м3, W H = 24*17.5(6.4+0.9)/(2*469.9) = 3.6 м 3 , Объем катионита в Na-катионитных фильтрах вычисляется по формуле [1,прил.7,п.26]: W Na = 24*q Na пол. (Ж о* n Na p )*E Na раб. м 3 (11) Где n Na p - число регенераций каждого Na-кат. фильтра в сутки принимается согласно [1,прил.7,п.14] от 1…3. n Na p =2, E Na раб. - рабочая обменная емкость Na-катионит. фильтра вычисляется по [1,прил.7,п.15]: E Na раб. = a Na *b Na *Е полн. – 0.5*q уд. *Ж о гр-экв / м3 (12) Где a Na – коэффициент эффективности регенерации Na-катион. фильтров принимается при удельно расходе поваренной соли NaCl 100 гр. / гр.-экв. a Na =0.62 b Na - коэфф. Учитывающий снижение обменной емкости, принимается [1,прил.7,п.15,табл.2] из соотношения: С Na / Ж о = 0.1 b Na = 0.83 E Na раб. = 0.62*0.83*570 – 0.5*4*6.4 = 293.3-12.8 гр-экв / м3, W Na = 24*28.3(6.4/2)*280.5=7.7 м 3 . 3.4. Определяется площадь H-Na-кат. фильтров. Площадь Н-кат. фильтров опред. по [1,прил.7,п.16]: F н = W н /H к , м 2 (13) где H к - высота слоя катионита в фильтрах, Площадь Na-кат. фильтров определяется по [1,прил.7,п.16]: F Na = W Na /H к , м 2 (14) Технические характеристики H-Na-кат. фильтров приведены в таблице:
F н = W н /H к = 3.6/2 = 1.7 м 2 Площадь одного Н-катион. фильтра: f н = (p * d 2 )/4 = 0.785 м 2 , Количество рабочих Н-катион. фильтров: F н / f н = 1.7/0.785 = 2 шт. Принимается 2 рабочих Н-катионид. фильтра . F Na = W Na /H к = 7.7/2 = 3.85 м 2 Площадь одного Na-катион. фильтра: f н = (p * d 2 )/4 = 1.76 м 2 Количество рабочих Na-катион. фильтров: F Na / 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: V нор. = q H пол. /( f н *n н ) м/ч (15) Где f н - площадь одного Н- кат. фильтра, n н - количество рабочих Н-кат. фильтров. V нор. = 17.5/(0.785*2) = 11 м/ч Для Na-катионит. фильтров: V нор. = q Na пол. /( f Na *n Na ) м/ч (16) V нор. = 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). V H форс. = q H пол. /f H *(n H -1), м/ч (17) V H форс. = 17.5/0.785*(2-1) = 22.3 м/ч V Na форс. = q Na пол. /f Na *(n Na -1), м/ч (18) V Na форс. = 28.3/1.76*(2-1) = 16 м/ч При форсированном режиме допускаетс увеличение скорости фильтрования на 10 м/час по сравнению с вышеуказанной. 4. Расчет вспомогательного оборудования станции умягчения воды. Восстановление обменной способности, т.е. регенерации кат. фильтров осуществляется путем вытеснения из ка- тионита ионов Ca 2+ , Mg 2+ ионнами H + , Na + . Для реализации указанного процесса требуется устройство вспомогательного оборудования. К вспомогательному оборудованию относятся: 1). Кислотное хоз-во. 2). Солевое зоз-во. 3). Насосы и аппараты для подачи воды и регенерирующих растворов на фильтры. 4.1. Серное хоз-во для хранения, приготовления и перекачки раствора H 2 SO 4 . Кислотное хоз-во включает: 1). Цистерны для хранения кислоты. 2). Бак мерник конц. серной кислоты. 3). Бак для регенерационного раствора. 4). Вакуумнасосы. 5). Эжектор. На станцию H 2 SO 4 поставляется в ж/д цистернах в виде 100% раствора. Затем H 2 SO 4 перекачивается в стационарные цистерны (цистерны хранилища) с месячным запасом реагента. Расчет начинают с определения расхода 100% H 2 SO 4 на одну Регенерацию Н-кат. фильтра по [1,прил.7,п.31]: P H = (f H *H k *E раб Н *a н )/1000 , кг (19) P H = 73.7 кг Определяется суточный весовой расход H 2 SO 4 для регенерации всех рабочих Н-кат. фильтров. P Hсут. = P H *n н *n р н = 73.7*2*2 = 294.8 кг/сут (20) Определяется суточный весовой расход H 2 SO 4 для регенерации всех рабочих Н-кат. фильтров. W Hсут. = (P H сут. *100%)/(85%*r 85% ) м 3 /сут (21) W Hсут. = 0.195 м 3 /сут Определяется месячный расход H 2 SO 4 для регенерации Н-кат. фильтров. W Hмес. = 30* W Hсут. м 3 (22) W Hмес. = 6 м 3 Промышленностью выпускаются цистерны для хранения кислоты емкостью 15 м 3 в проекте принимается не менее двух цистерн емкостью 15 м 3 (вторая цистерна на случай аварии). 4.1.2. Определяется объем бакомерника из условия регенерации одного фильтра при количестве рабочих Н-кат. фильтров до 4 , [1.прил.7,п.32]: W 85% = (P н *n р *100%)/(85%*r 85% ) = 0.05 м 3 (23) Принимается бак мерник объемом 0.09 м 3 , наружный диаметр 450 мм, строит. высота 45 мм, вес 98 кг. Подача серной к-ты из цистерн хранилищ в баке мернике происходит за счет вакуума создаваемого насосом, затем с помощью эжектора H 2 SO 4 перемешивается с водой и поступает в бак регенерационного раствора. 4.1.3. Определяется объем бака для 1% регенерационного раствора H 2 SO 4 на регенерацию одного Н-кат. фильтра. W1% = (P н *n р *100%)/(1%*r 1% ) = 7.3 м 3 (24) Принимается бак 1% регенерационного раствора H 2 SO 4 размерами: B = 2 м H = 1.5 м 7.5 м 3 L = 2.5 м Для перекачки регенерационного раствора H 2 SO 4 принимается 2 насоса серии ”Х” (химически стойкие) напором Н н = 20 м и подачей Q н = 3 м 3 /ч , (Q н = 3 м 3 /ч). Q н = V н *f н = 4*0.785 = 3 м 3 /ч (25) К установке принимается 1 рабочий и один резервный насос. 4.2. Устройства для хранения, приготовления и перекачки раствора поваренной соли NaCl. Для регенерации Na-кат. фильтров устраивается солевое хозяйство. Регенерация Na-кат. фильтров производится 8% раствором NaCl. 4.2.1. Определяется расход поваренной соли NaCl на 1 регенерацииNa-кат. фильтра [1,прил.7,п21]: P Na = (f Na *H k *E Na раб. *а с ) / 1000 кг (26) P Na = (1.76*2*280.5*100) / 1000 = 98.7 кг Определяется суточный весовой расход NaCl для регенерации всех рабочих Na- кат. фильтров: Р Naсут = P Na *n Na *n p Na кг/сут (27) Р Naсут = 98.7*2*2 = 394.8 кг/сут < 500 кг/сут При суточном расходе NaCl до 500 кг/сут устраивают сухое хранение соли на складе с последующим приготовлением 8% регенерационного раствора. Принимается Сухое хранение. Определяется месячный весовой расход поваренной соли для регенерации Na-кат.ф-ов. P Naмес = 30*P Naсут , т (28) P Naмес = 30*394.8 = 12 т 4.2.2. Определяется площадь склада для сухого месячного хранения соли из условия, что высота NaCl не должна превышать 2.5 метра. F Nacyх.хран. = P Naмес / r Na *25 , м 2 (29) F Nacyх.хран. = 6 м 2 Принимается склад сухого хранения размерами: H = 2.5 B = 2 6 м L = 3 Определяется объем напорного солерастворителя из расчета расхода соли на 1 регенерацию фильтра. Принимается напорный солерастворитель со след. техническими характеристиками по [6]:
Определяется объем бака для 8% регенерационного раствора NaCl на одну регенерацию Na-кат.ф. W 8% = (W H.C. * 26%) / 8% = 1.3 м 3 (30) Принимается бак 8% регенерац. Раствора NaCl размерами: L = 1.3 B = 1 1.3 м 3 H = 1 4.2.3. Для перекачки раствора NaCl устанавливаются 2 насоса: - один рабочий, - один резервный. Характеристики насоса: Напор: H Na = 20 м Подача: Q Na = V Na *f Na м 3 /час (32) Где V Na – скорость движения р-ра NaCl через катионитную загрузку, f Na – S одного кат. ф-ра. Q Na = 4*1.76 = 7 м 3 /час 4.2.4. Перед регенерацией H-Na – кат. ф-ов необходимо проводить взрыхление загрузки для более эффективной регенерации. W б.взр. = (2*W взр. *f*60*t вр. ) / 1000 м 3 (33) Где W взр. – интенсивность подачи воды для взрыхления катионита Где W взр. = 4 л/с на 1м 2 f = 1.76 (наибольшая S катион. Ф-ов) t вр. – продолжит. взрыхления катионита (20-30мин.) W б.взр. = (2*4*1.76*60*25) / 1000 = 21.2 м 3 L = 7 B = 2 22.4 > 22 м 3 H = 1.6 4.3. Устройство для удаления из воды углекислоты. Для удаления CO 2 из Н-Na-кат. Воды предусматривается дегазатор С насадкой из колец Рашега – кислотоупорных керамических [1.прил.№7.,п.34] 4.3.1. Определяется содержание CO 2 или двуокиси углерода в воде подаваемой на дегазатор. (CO 2 ) св. = (CO 2 ) о + 44*Щ о , г/м 3 (34) где (CO 2 ) о - содержание CO 2 в исходной воде. (CO 2 ) о = (CO 2 ) * *b (CO 2 ) * - содержание углерода в воде в зависимости от pH рН = 6.8…7.5 (CO 2 ) * = 80 г/м 3 b = 0.5 (CO 2 ) о = 40 г/м 3 (CO 2 ) св. = 40+44*5.1 = 264.4 г/м 3 По полученному значению содержание CO 2 в воде Определяется высота слоя насадки h н , м необходимая для понижения Содержания CO 2 в катионированной воде [1.прил.№7.,п.34,табл.5] Для (CO 2 )св. = 264.4 г/м 3 h н =5.7 Пленочный дегазатор представляет собой колонну загруженную насадкой из керамических кислотоупорных колец Рашига, по которым вода стекает тонкой пленкой, на встречу потоку воды поток воздуха нагнетаемой вентилятором. 4.3.2. Определяется S поперечного сечения дегазатора. из условия плотности орошения согласно [1.прил.№7.,п.34,табл.5]. Плотность орошения при керамической насадке r = 60 м 3 /г на 1м 2 F g = q пол. / r , м 2 , (35) q пол. – полезная производительность H-Na-кат.ф. F g = 45.8/60 = 0.76 м 2 Определяется объем слоя насадки: V н = F g * h н , м 3 (36) V н = 0.76*5.7 = 4.3 м 3 Опред. Диаметр дегазатора: D = Ц (4* F g )/p = 0.96 м (37) Характеристика насадки колец Рашига: Размеры эл-та насадки: 25*25*4 мм Кол-во эл-ов в 1 м 3 : 55 тыс. Удельная пов-ть насадки: 204 м 2 /м 3 Вес насадки: 532 кг Вентилятор дегазатора должен обеспечивать подачу воздуха из расчета 15 м 3 воздуха на 1 м 3 воды по [1.прил.№7.,п.34], тогда производительность вентилятора определяется: Q вент. = q пол. * 15 , м 3 /час (38) Q вент. = 45.8*15 = 687 м 3 /час Напор вентилятора определяется с учетом сопротивления в керамической насадке: S н = 30 мм водяного столба на 1 м. Прочие сопротивления принимаются по [1.прил.№7.,п.34] S пр = 30…40 мм вод. Столба. Напор: H вент. = S нас . * h н + S прочие (39) H вент. = 30*5.7 + 35 = 206 мм 5.0. Определение расходов воды. Определение расходов воды слагается из потребления воды на следующие процессы:
На все технологич. проц. Используют исходную неумягченную воду. Q тех. = Q1 + Q2 + Q3, м 3 /сут (40) 5.1. Определяется расход воды на взрыхление катионита ф. перед регенерацией. Q1 = (W взр. * f * n н * n р н * n Na *n p Na * t взр. * 60) /1000 (41) Q1 = (4 * 1.76 * 2 * 2 * 2 * 2 * 25 * 60) / 1000 = 169 м 3 /сут 5.2. Определяется расход воды на приготовление регенерационных растворов кислоты и соли. Q2 = q 1% * n н * n н р + (q 26% + q 8% )*n Na * n р Na , м3/сут (42) q 1% = 7.3 м 3 /сут q 26% = 0 q 8% = (Wнс * 26%) / 8% * 1000 = 1.3 м 3 /сут Q2 = 7.3 * 2 * 2 + (0 + 1.3) * 2 * 2 = 34.4 м 3 /сут 5.3. Определяется расход воды на отмывку катионита после регенерации. Q3 = W отм. * f * Hк * n н * n н р * n Na * n Na р м 3 /сут (43) W отм. – уд. расход отмывочной воды приним. по [1.прил.№7.,п.21]: W отм. = 5…6 м 3 на 1м 3 катионита. Q3 = 5 * 1.76 * 2 * 2 * 2 * 2 * 2 = 281.6 м 3 /сут Q тех. = Q1+Q2+Q3 = 485 м 3 /сут 6. Расчет диаметров трубопроводов станции умягчения воды. Определения диаметров трубопроводов дла транспортировки воды, растворов кислоты и соли рекомендуется производить из величин соответствующих расходов и скорости движения жидкости, принимается в пределах 1…1,5 м/сек. Расчет ведется с использованием литеатуры [4] и сводится в таблицу:
Для перекачки р-ов кислот и щелочей применяются трубы из нержавеющей стали или полиэтилена . Для перекачки концентрированных растворов кислот и щелочей (более 80%) используются трубы из углеродистой стали или пластмассовые. Для перекачки воды используются трубы чугунные, асбесто-цеме- нтные и железобетонные. 7. Компоновка основных и вспомогательных помещений станции умягчения воды. К основному помещению станции относится главный зал размещения H-Na-кат. ф. Зал имеет высоту на 2-2.5 м выше полной высоты фильтров. В плане фильтры распологаются в 2 ряда. Расстояние м/у фильтрами не < 1 метра для удодного прохода и обслуживания оборудования. К вспомогательным помещениям относятся: Помещения для складирования и приготовления регенерац. р-ов кислоты и соли. Помещения как правило одноэтажные с заглубленными участками для размещения емкостей и насосного оборудования. Основным компоновочным требованием явл. одинаковая отметка пола платформы для выгрузки соли и отметки верха баков. Помещение кислотного хоз-ва должно быть изолировано от солевого и иметь не менее 2-х выходов. Цистерны для хранения к-ты рекомендунтся распологать в отапливаемом помещении во избежание ее замерзания. Помещения лабораторий, мастерских, административного и рабочего персонала. Помещения поектируются в соответствии с требованиями жилой застройки. Дегазатор следует размещать в непосредственной близости от H-Na-кат.ф. в главном зале. Основные и вспомогательные помещения станции рекомендуется блокировать, что сокращает протяженность трубопроводов и повышает удобство в эксплуатации. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||