Условия применения схем Н—Na-катионирования
231
Схемы H—Naкатиоиирования | Технологический процесс | Условия наиболее эффективного применения схем | ||||||
Жк:Жопри определенном значении Жн* | остаточная щелочность умягченной воды | остаточная жесткость умягченной воды | содержание в исходной воде в мг экв/л | |||||
в мг∙экв/л | SO42– + Cl– | Na+ | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||
Параллельное | Часть воды пропускается через Na-катионитовый фильтр, другая часть — через Н-катионитовый, после чего оба фильтрата (щелочный и кислый) смешиваются и происходит их взаимная нейтрализация. Затем вся вода поступает в дегазатор для удаления свободной углекислоты | ≥0,5 при Жн<3,5 мг∙экв/л | 0,3—0,4 | 0,03 | ≤3—4 | Не более 1—2 | ||
Последовательное | Часть исходной воды проходит через Н-катионитовый фильтр, смешивается с остальной для нейтрализации кислотности фильтрата и пропускается через дегазатор для удаления свободной углекислоты. Затем вся вода пропускается через Na-катионитовый фильтр | ≤0,5 при Жн>3,5 | 0,3—0,7 | Жо снижается на величину, равную Жк. Величина Жк остается неизменной | 3—4 | |||
Совместное | Вся вода пропускается через катионитовый фильтр, отгенерированный так, что верхние слои катионита содержат обменные катионы водорода, а нижние—катионы натрия | >1 при Жо< 6 мг∙экв/л | 1—1,8 | 0,1—0,3 | ≤2—3 | Не более 1 | ||
* Ж к — карбонатная жесткость; Жо — общая жесткость; Жн — некарбонатная жесткость в мг∙экв/л.
|
Таблица 54
Технологические характеристики некоторых катионитов
232
Название катионита | Сырье, применяемое для изготовления | Насыпной вес в т/м3 | Коэффициент набухания | Размер зерен в мм | Полная обменная способность в г∙экв/м3 | Допустимая температура умягчаемой воды t в °С | |
воздушно-сухого | набухшего | ||||||
Сульфоуголь: | Каменный уголь, серная кислота | При слабощелочной воде до 30—40, при нейтральной и слабокислой воде до 60 | |||||
крупный I сорта | 0,65—0,7 | 0,55 | 1,2—1,25 | 0,3—1,5 | 550 | ||
» II » | 0,65—0,7 | 0,55 | 1,2—1,25 | 0,3—1,5 | 500 | ||
мелкий I » | 0,65—0,7 | 0,55 | 1,2—1,25 | 0,3—1,5 | 500 | ||
КУ-1 сильнокислотный | Формальдегид, п-фенолсульфокислота | 0,74 | 0,44 | 1,6 | 0,3—2 | 600—500 | Стоек в кислой среде, нестоек в сильнощелочной среде |
КУ-2-8 сильнокислотный | Стирол, дивенилбензол | 0,71 | 0,5 | 1,42 | 0,3—1,5 | 1500—1700 | Стоек в щелочной и кислой средах до 120—130 |
КБ-4 слабокислотный | Метилакриловая кислота, дивенилбензол | 0,68 | Не менее 0,33 | 2 | 0,3—0,8 | 2500 (при рН=7) | До 200 |
Термический способ умягчения воды целесообразен в тех случаях, когда вода предназначается для питания паровых котлов, испарителей и паропреобразователей. При применении этого способа воду нагревают до 105— 120°С, что позволяет полностью устранить карбонатную жесткость воды.
|
|
Из солей некарбонатной жесткости термическим способом может быть устранен только гипс CaSO4, частично выпадающий в осадок при температуре воды выше 100°С, так как растворимость его при повышении температуры снижается. При нагреве воды до 200°С содержание CaSO4 падает до 45—50 мг/л, а при температуре около 270°С гипс полностью удаляется.
Можно комбинировать термический способ умягчения с реагентным, так как с повышением температуры снижается остаточная жесткость воды, умягченной известково-содовым способом (табл. 55) при нормальном избытке реагентов (0,5 мг∙экв/л извести и 1 — 1,5 мг∙экв/л соды).
Таблица 55
Зависимость остаточной жесткости от температуры воды
Остаточная жесткость после умягчения воды в мг∙экв/л | 1—2 | 0,9—1,4 | 0,5—0,9 | 0,1 |
Температура умягчаемой воды в °С | 2—20 | 20—35 | 35-90 | Более 90 |
§ 42. Расчет установки для реагентного умягчения воды
В состав установки для умягчения воды входят следующие сооружения: 1) устройства для приготовления и дозирования растворов реагентов (извести и соды для устранения жесткости воды, коагулянта FeCl3 или FeSO4 для ускорения осаждения взвеси); 2) смесители; 3) камеры хлопьеобразования; 4) осветлители со взвешенным осадком; 5) фильтры.
|
|
В рассматриваемом примере приводится расчет только тех сооружений, которые специфичны для водоумягчительных установок.
Производительность установки Qcyт=20000 м3/сутки, или Qчac=833 м3/ч.
Общая жесткость исходной воды определяется по содержанию в ней ионов Са2+ и Mg2+ или по содержанию окиси кальция и магния СаО и MgO.
В данном примере в воде содержится 170 мг/л Са2+ и 25 мг/л Mg2+ или 235 мг/л СаО и 40 мг/л MgO.
Тогда общая жесткость воды
233
или
В знаменателях показаны количества веществ в мг/л, соответствующие 1 мг∙экв.
Карбонатная жесткость воды при содержании в ней 450 мг/л НСО3– (анион угольной кислоты) составит
Следовательно, некарбонатная (постоянная) жесткость будет
Жн=Жо-Жк=10,5-7,4=3,1 мг∙экв/л.
Содержание в исходной воде свободной углекислоты СO2 при рН=6,9, щелочности Що=Жк=7,4 мг∙экв/л и температуре воды 10°С составит 105 мг/л. Мутность исходной воды 370 мг/л, ее цветность 55°.
|
|
Требования к воде после умягчения: остаточная общая жесткость Жост=1,5 мг∙экв/л, допустимая мутность 10 мг/л, цветность 20°.
Доза извести (для устранения карбонатной жесткости воды) в пересчете на СаО
(132)
Здесь Дк — доза коагулянта FeCl3 или FeSO4 в пересчете на безводное вещество в мг/л;
е — эквивалентный вес активного вещества коагулянта, равный для FeCl3 54 мг/мг∙экв, для FeSO4 76 мг/мг∙экв, для A12(SO4)3 57 мг/мг∙экв;
0,5 — избыток извести, вводимый для полноты реакции, в мг/л.
Член Дк/е принимается со знаком минус, если коагулянт вводится в воду раньше извести, и со знаком плюс, если коагулянт вводится вместе с известью или после нее. В рассматриваемом призере коагулянт и известь вводятся одновременно. Доза коагулянта определяется по формуле
(133)
где С — количество образующейся при умягчении воды взвеси в пересчете на сухое вещество в мг/л.
B данном случае при мутности исходной воды М=370 мг/л принимаем Дк=35 мг/л (коагулянт FeCl3).
Таким образом, доза извести по формуле (132)
Количество взвеси, образующейся при известково-содовом умягчении воды,
(134)
Тогда для данного примера
где m=70% — содержание СаО в технической извести.
Необходимая доза хлорного железа по формуле (133)
Расчетная доза соды в пересчете на Na2CO3
(135)
Тогда
На очистных станциях большой производительности приготовление известкового молока производят на механизированной установке. При проектировании установок для приготовления известкового молока надо предусматривать: бункер для приема извести, дробилку, известегасильное, устройство, классификатор, баки для известкового молока с устройствами для непрерывного перемешивания и средства для транспортирования сухой извести и известкового молока.
Весовые количества реагентов — извести Gи, соды Gc и хлорного железа Gк, требуемые для умягчения и осветления воды:
(136)
Здесь Kи — содержание СаО в товарной извести II сорта, равное 70%;
Kс — содержание Na2CO3 в товарной соде, равное 95%;
Kк —содержание FeCl3 в товарном коагулянте, равное 98%.
235
Тогда
Смесители следует принять вертикальные (вихревые), расчет которых приведен в § 17. He рекомендуются перегородчатые и дырчатые смесители, так как «скорости в них недостаточны для поддержания во взвешенном состоянии частиц извести, а это вызывает их осаждение перед перегородками.
Расчет осветлителей со взвешенным осадком при реагентном умягчении воды имеет некоторые особенности по сравнению с расчетом осветлителей для коагулированных мутных вод, а .именно: 1) восходящая скорость движения воды в зоне осветления принимается 1 или 0,8 мм/сек при магниевой жесткости соответственно менее или более 25% общей жесткости воды; 2) величина коэффициента снижения скорости восходящего потока воды в зоне отделения осадка вертикального осадкоуплотнителя принимается а=0,85; 3) средняя концентрация взвешенных веществ в осадкоуп–лотнителе принимается 40 000 или 20000 г/м3 при магниевой жесткости соответственно менее 25% или -более 75% общей жесткости воды; 4) продолжительность уплотнения осадка принимается 3—4 или 5—б ч при магниевой жесткости соответственно менее 25% или более 75% общей жесткости воды. При этом для .распределения воды следует применять только опускные трубы при скорости движения в них воды не более 0,7 м/сек; осветлители, имеющие дырчатые .распределительные системы, не рекомендуются из-за зарастания отверстий труб карбонатом кальция.
Пример. Исходя из изложенных выше требований принимаем осветлитель системы ВНИИ ВОДГЕО с поддонным осадкоуплютнителем и распределением воды опускными трубами (см. рис. 30). Такой осветитель, круглый в плане, применяют для производительности порядка 100 м3/ч.
При заданном расходе воды Qсут=20000 м3/сутки или Qчас=833 м3/ч принимаем восемь осветлителей с расходом воды Qосв=104 м3/ч, или qceк—29 л/сек каждый.
Количество образующейся при умягчении взвеси, как было подсчитано выше, составляет С=1588 мг/л.
Количество воды, расходуемой при сбросе осадка, по формуле (47)
Подводящий трубопровод принят с внутренним диаметром d=200 мм (по ГОСТ 10704—63) и наружным диаметром 219 мм,
236
что обеспечивает скорость движения воды υ=0,85 м/сек, как и рекомендуется нормами.
Для освобождения воды от пузырьков воздуха устраивается воздухоотделитель (см. рис. 32). Диаметр воздухоотделителя будет
где υв— скорость нисходящего движения воды в воздухоотделителе, равная 0,03 м/сек.
Принимаем Dв =1200 мм (отрезок стальной трубы высотой 1,55 м).
Объем воздухоотделителя (без учета конической части) Wв=0,785∙1,22∙1,55=11,75 м3.
Фактическая продолжительность пребывания воды в воздухоотделителе t1=Wв:qceк=1,75:0,029≈60 сек (рекомендуется не менее 1 мин).
Опускная труба принята диаметром 250 мм, при расходе воды 29 л/сек скорость ее движения υ=0,55 л/сек.
При диаметре осветлителя Dосв=4,7 м2 площадь, обслуживаемая одной опускной трубой, составляет 17,1 м2, т. е. находится в пределах допустимой — 20 м2.
От вертикальной опускной трубы идут четыре наклонных ответвления, пропускающих расход воды 7,3 л/сек каждая; при диаметре ответвления 125 мм скорость движения воды составляет 0,53 м/сек.
Пользуясь расчетом, изложенным в § 23, и принимая при умягчении K=0,7—0,8, находим диаметр осадкоприемных труб 250 мм; Далее определяем площадь и диаметр осветлителя (4,7 м) и его размеры по высоте.
Для осветлителя рассматриваемого типа высота от обреза наклонной опускной трубы до кромки водосборных желобов Hосв и
высота конусообразной части Hкон будут:
(137)
Тогда для данного примера
Толщину защитного слоя воды над слоем взвешенного осадка принимаем hзащ=1,5 м. Тогда толщина слоя взвешенного осадка выше перехода наклонных стенок в вертикальные будет
Hверт=Hосв—Hкон—hзащ=4,4—2,05—1,5=0,85 м.
237
Так как кромка осадкоотводящих труб должна быть выше указанной плоскости перехода на 1,5—1,75 м, следует увеличить высоту осветлителя на 1,5—0,85=0,65 м. Тогда полная высота осветлителя будет 4,4+0,65—5,05 м.
Высоту слоя взвешенного осадка, которая должна быть равной 2—2,5 м, определяем, считая от верхней кромки осадкоотводящих труб до зоны взвешенного осадка, ограниченной наклонными стенками, в которой скорость восходящего потока воды не превышает υ=2 мм/сек.
Площадь горизонтального сечения этой зоны
(138)
Так как угол конусности равен 60°
(139)
Тогда для данного примера
Расстояние (по высоте) от плоскости перехода вертикальных стенок в наклонные до зоны взвешенного осадка
(140)
Тогда для данного примера
Следовательно, расчетная высота слоя взвешенного осадка будет 1,5+0,9=2,4 м, что отвечает рекомендуемой высоте 2—2,5 м.
Вода, прошедшая обработку (т. е. осветление и умягчение), собирается в верхней части осветлителя периферийными желобами с затопленными отверстиями или с треугольными вырезами.
Площадь отверстий в стенке желоба
где h=0,05 м—разность уровней воды в осветлителе и желобе. Принимаем отверстия диаметром 30 мм с площадью 7,07 см2. Необходимое количество отверстий n=230:7,07≈33. Расстояние между осями отверстий e=(πD):(2n)=(3,14∙4,26):(2∙33)=0,2 м, или 200 мм.
238
Расчет осадкоуплотнителя. Необходимый объем зоны накопления и уплотнения осадка
где Qчас=833 м3/ч — расчетный расход воды;
T=4 ч—время уплотнения осадка (для вод с магниевой жесткостью менее 25% T=3—4 ч);
δср=31000 г/м3 (см. табл. 29);
С'=М+1,6Дк=1588+1,6∙35=1644 г/м3.
Объем конусообразной части осадкоуплотнителя
где R=Dосв:2=4,7:2=2,35 м; r=Dосв:4=1,175 м.
Тогда высота цилиндрической части уплотнителя будет
Объем осветлителя
(141)
Для данного примера
Следовательно, через сбросной дырчатый трубопровод при удалении осадка в течение 20 мин должен пропускаться расход воды, равный 101,87:0,333=306 м3/ч, или 85 л/сек. На каждое полукольцо осадкоотводящей трубы приходится около 43 л/сек. При скорости движения воды 1,25 м/сек диаметр сбросной трубы будет 200 мм.
Средняя скорость движения осадка в отверстиях дырчатой трубы 3,25 м/сек (рекомендуется не менее 3 м/сек); принимаются отверстия dо=40 мм в количестве 21 шт. на взаимном расстоянии 350 мм.
239
§ 43. Расчет установки для реагентного умягчения воды с вихревыми реакторами
Вихревой реактор представляет собой резервуар в виде усеченного конуса с верхней цилиндрической частью (рис. 74). В отличие от вихревой камеры хлопьеобразования он имеет небольшой угол конусности (15—20°) и примерно на половину своей высоты заполнен так называемой контактной массой — мелким кварцевым песком или мраморной крошкой диаметром 0,2—0,3 мм, находящимися во взвешенном состоянии во время работы реактора (в вихревых камерах хлопьеобразования контактной массы нет). Количество контактной массы должно составлять 10 кг на 1 м3объема реактора.
Рис. 74. Вихревой реактор 1 — подача воды; 2 — отвод воды; 3 — штуцера для отбора проб; 4 — загрузка: 5 — выпуск излишка загрузки; 6 — ввод извести; 7 — сброс; 8 — промывная вода от напорной линии |
Необходимая для реагентного умягчения воды известь в виде раствора или известкового молока вводится в нижнюю часть реактора. Зерна контактной массы, служащие центрами кристаллизации карбоната кальция, который получается при умягчении воды, постепенно обволакиваются СаСO3, увеличиваясь в диаметре до 1,5—2 мм. Вследствие этого 2 раза в неделю контактную массу приходится частично заменять, выпуская излишек по трубопроводу, примыкающему к нижней части реактора. Свежая контактная масса вводится при помощи эжектора в плоскости верхнего уровня загрузки. Установка с вихревыми реакторами целесообразна только при мутности исходной воды не выше 8—12 мг/л и содержании магния не более 15 мг/л, так как глинистая взвесь и гидроокись магния не задерживаются вихревым реактором. Реакторы применяют для умягчения подземных или поверхностных вод после их осветления, а поэтому коагулянт не добавляется.
В большинстве случаев, т. е. когда содержание магния в исходной воде не превышает 15 мг/л, в состав установки входят: устройства для подготовки и дозирования реагентов, смесители, вихревые реакторы и фильтры.
Не исключается возможность применения вихревых реакторов и при содержании в исходной воде магния более 15 мг/л, однако в таких условиях схема установки (рис. 75) должна быть дополнена осветлителем, который размещается между вихревым реактором и фильтром и предназначается для выделения из воды гидроокиси магния.
Пример. Заданный расход 20000 м3/сутки, или 833 м3/ч. Исход
240
ная вода содержит 12 мг/л взвешенных веществ и 15 мг/л магния. Величина карбонатной жесткости составляет 85% общей жесткости воды (рекомендуемый минимум при вихревых реакторах).
Принимаем восемь реакторов. Расход умягчаемой воды на один реактор составит Qчас=104 м3/ч, или qceк=0,029 м3/сек.
Площадь верхнего поперечного сечения реактора на уровне водоотводящих устройств должна быть fв = qceк : υв=0,029: : 0,006 ≈ 4,8 м2 (обычно υв=0,004 — 0,006 м/сек), а диаметр верхней части реактора dв=2,45 м.
Рис. 75. Схема умягчения воды с применением вихревых реакторов
1—вихревой реактор; 2 — осветлитель; 3 — фильтр; 4 —шайба-смеситель; 5 — загрузка
Диаметр нижнего сечения реактора принимаем dн=0,6 м. Следовательно, площадь нижней части реактора fн=0,283 м2.
Скорость движения воды в нижней части конуса υн=qсек:fн==0,029:0,283≈0,103 м/сек, т. е. в 8—10 раз меньше требуемой, так как скорость υн обычно принимают равной 0,8—1 м/сек. При столь недостаточной скорости движения воды нужно установить в нижней части реактора коническую вставку.
Угол конусности принимаем 20° (рекомендуется 15—20°), тогда высота усеченного конуса
Объем реактора
Вес контактной массы, необходимой для загрузки одного реактора, Gк=11∙10=110 кг.
Принимаем высоту загрузки реактора контактной массой, равной: h3=0,5 h ≈2,6 м.
Диаметр реактора на высоте 2,6 м от нижнего сечения
(142)
В данном примере d1=(2,6tg10°)2+0,6=1,5 м, а площадь этого сечения f1=1,767 м2.
241
Объем реактора в пределах заполнения его контактной массой
Насыщение водой контактной массы в занимаемом ею объеме реактора составит
(143)
При удельном весе контактной массы (в плотном объеме) g0=1,65.
Потеря напора в реакторе на 1 м высоты контактной массы в среднем составляет 0,35 м. Таким образом, полная потеря напора в загрузке hп.з=0,35h3=0,35∙2,6=0,91 м.
Потеря напора при выходе воды из подающего сопла со скоростью υ=1 м/сек и μ,=0,9
Сумма потерь напора в реакторе ∑h=hп.з±hс=0,91+0,06=0,97 м.
§ 44. Расчет установок для na-катионирования воды
А. Натрий-катионитовый метод умягчения воды по одноступенчатой схеме
Заданная производительность установки Qсут=4450 м3/сутки, или Qчac=185 м3/ч. Содержание взвешенных веществ в умягчаемой воде не более 5—8 мг/л; цветность не выше 30°.
Жесткость исходной воды: общая1 Жо=6 мг∙экв/л, или 6 г∙экв/м3, карбонатная Жк=1,9 мг∙экв/л. Допустимая жесткость умягченной воды должна быть Жу=0,2 мг∙экв/л.
Содержание ионов Na+ в исходной воде составляет 15 мг/л. Принимаем установку с одной ступенью Na-катионитовых фильтров, так как остаточная жесткость фильтрата составляет 0,2 мг∙экв/л, что выше минимально допустимой величины 0,03— 0,05 мг∙экв/л (см. табл. 52).
Расчет одноступенчатой Na-катионитовой установки ведется на полезную производительность, так как для собственных нужд используется осветленная, но неумягченная вода.
1 Одноступенчатая схема Na-катионирования применяется при общей жесткости исходной воды до 15 мг∙экв/л.
242
Число фильтроциклов в сутки
где Т —продолжительность работы катионитовой установки в течение суток в ч;
t — полезная продолжительность одного фильтроцикла в ч (принимается от 10 до 22 ч);
t1 — продолжительность операций, сопровождающих регенерацию катионитового фильтра, в ч (обычно t1=l,5 ч).
Основной характеристикой катионитовых материалов является полная обменная способность Eполн выраженная в г∙экв/м3.
Для сульфоугля при крупности зерен 0,3—0,8 мм Eполн=550 г∙экв/м3.
Рабочая обменная способность Na-катионита
(144)
Где аэ — коэффициент эффективности регенерации, учитывающий неполноту регенерации катионита (табл. 56); при удельном расходе соли на регенерацию Дс=200 г/г∙экв, аэ=0,81;
Таблица 56
Значения коэффициента aэ
Удельный расход соли Дс на регенерацию катионита в г на 1 г∙экв рабочей обменной способности | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 400 |
Коэффициент эффективности регенерации аэ | 0,62 | 0,74 | 0,81 | 0,86 | 0,9 | 0,91 |
βNa — коэффициент, учитывающий снижение обменной способности катионита по Са2+ и Mg2+ вследствие частичного задержания катионов Na+ (табл. 57);
Таблица 57 Значения коэффициента βNa
C2Na/Жо | 0,01 | 0,03 | 0,05 | 0,1 | 0,5 | 1 | 2 | 3 | 5 | 10 |
βNa | 0,93 | 0,9 | 0,88 | 0,83 | 0,7 | 0,65 | 0,6 | 0,57 | 0,54 | 0,5 |
qyд — удельный расход воды на отмывку катионита в м3 на 1 м3 катионита (принимается 4—5 м3); в данном примере qуд=4м3/м3;
Жо — общая жесткость исходной воды в г∙экв/м3.
243
Так как в исходной воде содержится 15 мг/л Na+, то при пересчете на мг∙экв/л величина концентрации Na+ будет
а отношение
Следовательно, βNa=0,86 (по табл. 57).
Таким образом, по формуле (144)
Необходимый объем сульфоугля
(145)
Для данного примера
Высоту катионитовой загрузки принимаем hк=2,5 м.
Допустимая расчетная скорость фильтрования через Na-катионитовый фильтр должна быть в пределах υpacч=10—25 м/ч в зависимости от общей жесткости воды: при Жо<5 мг∙экв/л υрасч=25 м/ч, при Жо<10 мг∙экв/л υрасч=15 м/ч, при Жо<15 мг∙экв/л υрасч=10 м/ч.
Скорость фильтрования определяется по формуле
(146)
(147)
Здесь d80 —80%-ный калибр катионитовой загрузки (обычно d80=0,8—1,2 мм);
Жу= 0,2 мг∙экв/л—допустимая жесткость умягченной воды;
Тм— продолжительность межрегенерационного периода;
tвзр=0,25 ч (15 мин) — продолжительность взрыхления катионита;
tрег=0,42 ч (25 мин) — продолжительность регенерации;
tотм=0,83 ч (50 мин) — продолжительность отмывки.
Следовательно, по формулам (147) и (146):
244
Необходимая суммарная рабочая площадь Na-катионитовых фильтров
(148)
Для данного примера
Принимаем три рабочих фильтра1 диаметром 2,6 м (табл. 58) площадью по 5,31 м2 и один резервный фильтр тех же размеров (рис.76).
Таблица 58
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1118; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!