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)₂ÛCa [Кат.] + 2 NaHCO₃

2 H [Кат.] + MgCl₂Þ 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 NaClÞ 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.

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 = [HCO₃^-] = 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.

ПараллельноеH-Na-катионирование применяется при условии:

Ж_к / Ж_о ³ 0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 ³ 0.5 +

Ж_нк£ 3.5 мг-экв/л Ж_нк = 1.3 £ 3.5 мг-экв/л +

SO₄^-2 + Cl^-£ 3 … 4 мг-экв/л 1.5 + 0.7 = 2.2 £ 3 мг-экв/л +

Na⁺ + K⁺£ 1 …2 мг-экв/л 0.9 £ 2 мг-экв/л +

Последовательное H-Na-катионирование применяется при условии:

Ж_к / Ж_о £ 0.5 5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5 -

Ж_нк³ 3.5 мг-экв/л Ж_нк = 1.3 < 3,5 мг-экв/л -

SO₄^-2 + Cl^-³ 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 ) м³/час (7)

где q_пол.- полезная производительность Н-Na-катионитных фильтров,

q_пол.= Q_сут. / 24=1100/24=45.8 м³/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 м³/час

Определяется расход воды на Na-катионитные фильтры:

q^Na_пол.= q_пол.- q^H_пол. м³/час (8)

q^Na_пол.= 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 - 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.) м³ (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 Н₂SO₄на регенерацию 100 гр./гр.-экв.

a_н=0.85,

q_уд.- удельный расход воды на отмывку 1 м³ катионита (для сульфо-

угля принимается 4 м³),

q_уд.=4 м³,

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 м³,

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. м³ (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 м³.

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, м² (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, м² (14)

Технические характеристики H-Na-кат. фильтров приведены в таблице:

F_н = W_н/H_к = 3.6/2 = 1.7 м²

Площадь одного Н-катион. фильтра:

f_н = (p*d²)/4 = 0.785 м² ,

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 м²

Площадь одного Na-катион. фильтра:

f_н = (p*d²)/4 = 1.76 м²

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 Ca²⁺ , Mg²⁺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 H₂SO₄.

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 H₂SO₄ поставляется в ж/д цистернах в виде 100%

раствора. Затем H₂SO₄ перекачивается в стационарные цистерны

(цистерны хранилища) с месячным запасом реагента.

Расчет начинают с определения расхода 100% H₂SO₄ 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 H₂SO₄ 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 H₂SO₄ для регенерации

всех рабочих Н-кат. фильтров.

W_Hсут. = (P_{H сут.}*100%)/(85%*r_85%) м³/сут (21)

W_Hсут. = 0.195 м³/сут

Определяется месячный расход H₂SO₄ для регенерации

Н-кат. фильтров.

W_Hмес. = 30* W_Hсут. м³ (22)

W_Hмес. = 6 м³

Промышленностью выпускаются цистерны для хранения кислоты

емкостью 15 м³ в проекте принимается не менее двух цистерн

емкостью 15 м³ (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 м³ (23)

Принимается бак мерник объемом 0.09 м³ , 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

H₂SO₄ перемешивается с водой и поступает в бак

регенерационного раствора.

4.1.3. Определяется объем бака для 1% регенерационного раствора H₂SO₄ на регенерацию одного

Н-кат. фильтра.

W1% = (P_н*n_р*100%)/(1%*r_1%) = 7.3 м³ (24)

Принимается бак 1% регенерационного раствора H₂SO₄ размерами:

B = 2 м

H = 1.5 м 7.5 м³

L = 2.5 м

Для перекачки регенерационного раствора H₂SO₄ принимается

2 насоса серии ”Х” (химически стойкие) напором Н_н = 20 м

и подачей Q_н = 3 м³/ч , (Q_н = 3 м³/ч).

Q_н = V_н*f_н = 4*0.785 = 3 м³/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^Naкг/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 , м² (29)

F_{Nacyх.хран.} = 6 м²

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]:

- полезная емкость (100 кг)

- объем (0.4 м³)

- диаметр (45 мм)

Определяется объем бака для 8% регенерационного раствора NaCl на

одну регенерацию Na-кат.ф.

W_8% = (W_H.C. * 26%) / 8% = 1.3 м³ (30)

Принимается бак 8% регенерац. Раствора NaCl размерами:

L = 1.3

B = 1 1.3 м³

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 м³ /час (32)

Где V_Na – скорость движения р-ра NaCl

черезкатионитную загрузку,

f_Na – S одного кат. ф-ра.

Q_Na = 4*1.76 = 7 м³ /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 м³ (33)

Где W_взр. – интенсивность подачи воды для взрыхления катионита

Где W_взр. = 4 л/с на 1м²

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 м³

L = 7

B = 2 22.4 > 22 м³

H = 1.6

4.3. Устройство для удаления из воды углекислоты.

Для удаления CO₂из Н-Na-кат. Воды предусматривается дегазатор

С насадкой из колец Рашега – кислотоупорных керамических

[1.прил.№7.,п.34]

4.3.1. Определяется содержание CO₂или двуокиси углерода в воде подаваемой на дегазатор.

(CO₂)_св. = (CO₂ )_о + 44*Щ_о , г/м³ (34)

где (CO₂ )_о- содержание CO₂ в исходной воде.

(CO₂ )_о = (CO₂)^**b

(CO₂)^*- содержание углерода в воде в зависимости от pH

рН = 6.8…7.5

(CO₂)^* = 80 г/м³

b = 0.5

(CO₂ )_о = 40 г/м³

(CO₂)_св. = 40+44*5.1 = 264.4 г/м³

По полученному значению содержание CO₂ в воде

Определяется высота слоя насадки h_н , м необходимая для понижения

Содержания CO₂ в катионированной воде [1.прил.№7.,п.34,табл.5]

Для (CO₂ )св. = 264.4 г/м³h_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 м³/г на 1м²

F_g = q_пол. / r , м², (35)

q_пол. – полезная производительность H-Na-кат.ф.

F_g = 45.8/60 = 0.76 м²

Определяется объем слоя насадки:

V_н = F_g * h_н , м³ (36)

V_н = 0.76*5.7 = 4.3 м³

Опред. Диаметр дегазатора:

D = Ö(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 м³ : 55 тыс.

Удельная пов-ть насадки: 204 м²/м³

Вес насадки: 532 кг

Вентилятор дегазатора должен обеспечивать подачу воздуха из расчета

15 м³ воздуха на 1 м³ воды по [1.прил.№7.,п.34], тогда производительность вентилятора определяется:

Q_вент. = q_пол. * 15 , м³/час (38)

Q_вент. = 45.8*15 = 687 м³/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:

- взрыхление кат. ф-ра перед регенерацией (Q1)

- приготовление регенерац. р-ов к-ты и соли (Q2)

- отмывка катионитапослерегенерации (Q3)

На все технологич. проц. Используют исходную неумягченную воду.

Q_тех. = Q1 + Q2 + Q3, м₃/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 м³/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 м³/сут

q_26% = 0

q_8% = (Wнс * 26%) / 8% * 1000 = 1.3 м³/сут

Q2 = 7.3 * 2 * 2 + (0 + 1.3) * 2 * 2 = 34.4 м³/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^рм³/сут (43)

W_отм. – уд. расход отмывочной воды приним. по [1.прил.№7.,п.21]:

W_отм. = 5…6 м³ на 1м³ катионита.

Q3 = 5 * 1.76 * 2 * 2 * 2 * 2 * 2 = 281.6 м³/сут

Q_тех. = Q1+Q2+Q3 = 485 м³/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.