Ионирование на анионите АВ-17
Техническая диагностика водоподготовительных установок
Н.Г. Протасов, инженер, г. Горловка, Украина
(Публикуется в сокращении. С полным текстом материала «Методические указания по технической диагностике работы ионитных фильтров» можно ознакомиться на сайте http :// algoritmist . ru )
Общие положения
Техническая диагностика - это установление и изучение признаков, характеризующих наличие дефектов в работе и/или состоянии эксплуатируемого оборудования и материалов для предсказания возможных отклонений в режимах работы, а также разработка методов и средств обнаружения и локализации дефектов. Техническая диагностика осуществляется в основном внешними средствами - без вскрытия фильтров. Ее осуществление является одним из важных условий по обеспечению и поддержанию надежности объектов.
В диагностике, как правило, приходится иметь дело с большим количеством многообразных факторов. Среди этого многообразия можно выделить две группы факторов - факторы-причины и факторы, являющиеся следствием причин. Задача диагностики - отталкиваясь от обнаруженных неблагоприятных следствий, найти факторы-причины, обусловившие неудовлетворительный результат.
За исключением отдельных специально оговоренных моментов, материал излагается применительно к наиболее распространенной в Украине и во многих странах СНГ технологии обессоливания воды: осветленная вода поступает на спаренный катионитовый фильтр, загруженный катионитом КУ-2, регенерируемым по схеме ступенчатого противотока, затем следуют анионитовый фильтр, загруженный анионитом АН-31, декарбонизатор, катионитовый фильтр второй ступени обессоливания, загруженный КУ-2, и анионитовый фильтр второй ступени, загруженный анионитом АВ-17. Фильтрация воды и регенерация истощенных фильтров осуществляются по схеме сверху-вниз. Все фильтры, кроме первого из перечисленных, однокорпусные. Схема обессоливания может быть выполнена в виде «гребенки» или «цепочек».
|
|
|
Характерные особенности водоприготовления на установках полного обессоливания воды. Ионирование на катионите КУ-2
При регенерации фильтра кислотой происходит вытеснение в регенерирующий раствор катионов жесткости (кальция и магния) и натрия. Наиболее просто описывается процесс регенерации натриевой формы катионита соляной или
азотной кислотой. Идеальная выходная кривая регенерации для концентрации кислоты Ch на выходе из регенерируемого фильтра описывается уравнением:
Ch=(K- √ (K/G))/(K-1), (1)
где G - расход кислоты на регенерацию истощенного фильтра, К - коэффициент обмена между катионами натрия и водорода. Для концентрации катионов натрия концентрация кислоты Cn на выходе описывается уравнением:
|
|
|
Cn=(√ (K/G)-1)/(K-1) (2)
Все переменные даны в относительных единицах (г-экв/г-экв): Ch и Cn в долях от концентрации кислоты, поступающей на регенерируемый фильтр, G в долях от максимальной (предельно возможной) обменной емкости фильтра.
Эти уравнения описывают так называемые «выходные кривые» как регенерации, так и истощения фильтров, что позволяет с их помощью диагностировать работу фильтров. Анализ вышеприведенных уравнений показывает, что появление кислоты в регенерационном растворе происходит при G=1/K, а при G=K происходит выравнивание концентраций кислоты на входе и выходе из фильтра. Коэффициент К для идеально протекающего процесса равен 1,8. Если по каким-то причинам значение коэффициента увеличивается, то происходят преждевременное появление кислоты на выходе из фильтра и соответственное уменьшение степени регенерации истощенного катионита кислотой, что, в конечном счете, приводит к увеличению удельных расходов кислоты.
Для катионита КУ-2, эксплуатируемого в схемах ОУ более характерно не фактическое, а кажущееся увеличение коэффициента К. Это происходит из-за неравномерности скоростей движения и разного времени прохождения отдельных порций регенерирующего раствора по сечению фильтра. Причинами такой неравномерности являются перекосы в гидравлическом сопротивлении подстилки и дренажных устройств. Подобный эффект могут производить также и перекосы в высоте загрузки ионита, вызванные локальными воздействиями на поверхность загрузки потоков в водяной подушке, возникающими вследствие поломок верхних дренажных устройств. Иногда в процессе регенерации старого материала происходит его слипание с образованием щелей между ионитом и корпусом фильтра, в результате чего часть регенерирующего раствора не проходит через весь загруженный ионит.
|
|
|
Полностью устранить причины неравномерного прохождения регенерирующего раствора через фильтр практически не удается, поэтому реальным регенерационным кривым соответствует значение коэффициента К не менее, чем 2,0 для соляной кислоты. Для серной кислоты значение коэффициента К в процессе регенерации не остается постоянным и в среднем оно бывает не менее 3,3 для реальных кривых.
Указанные неравномерности в движении регенерирующего раствора через фильтр уменьшают наклон выходной кривой, но обычно не нарушают ее нормальный S-образный геометрический вид. Подобные дефекты говорят о неоднородности состояния регенерируемого материала.
|
|
|
Эти неоднородности могут быть исходными по отношению к текущей регенерации (неустраненные при взрыхляющей отмывке комки) и возникающими в процессе регенерации. Последние появляются в результате частичного загипсовывания ионита в фильтре при регенерации его серной кислотой. Оно сопровождается повышением перепада давлений на регенерируемом фильтре. Повышение перепада бывает настолько большим, что приходится прекращать регенерацию и взрыхлять фильтр.
Для КУ-2 подобное загипсовывание не является опасным, если оно сразу устранено взрыхлением ионита. Неустраненная загипсованность материала проявляется в увеличении длительности послерегенерационных отмывок и сокращении фильтроцикла. Кроме ионита могут также загипсовываться подстилочный материал и отдельные элементы нижних дренажных устройств. Случаи загипсовывания наблюдались при замедлении или приостановке регенерации и при высокой концентрации регенерирующего раствора кислоты.
Процессы загипсовывания характерны для так называемой ступенчатой регенерации. Эффективность и безопасность последней могут быть повышены промежуточными отмывками фильтра перед очередной ступенью повышения концентрации регенерирующего раствора серной кислоты.
Нарушения S-образности выходных кривых, вызванные вышеуказанными причинами, носят, в основном, случайный и разнообразный характер. Если же характер нарушений воспроизводится в каждой очередной регенерации, что случается относительно редко, то это говорит о постоянных и значительных дефектах в состоянии нижних дренажных устройств.
При включении фильтра в работу после его регенерации продолжается вытеснение катионов натрия и жесткости из нижних слоев катионита порциями кислого фильтрата, поступающего из более верхних слоев. Поэтому процесс восстановления емкости для нижних слоев продолжается и после регенерации фильтра, а проскок натрия после фильтра постоянно уменьшается в течение фильтроцикла до тех пор, пока большая часть обменной емкости фильтра не будет истощена.
Относительный проскок натрия, средний за фильтроцикл, для основного фильтра первой ступени катионирования определяется теми же факторами, что и относительная концентрация натрия в регенерационном растворе после фильтра. Поэтому проскок натрия и его концентрация в регенерационном растворе в конце регенерации функционально связаны между собой.
Снижение проскока катионов натрия в фильтрате основного фильтра повышает эффективность работы анионитной части ВПУ, но требует повышения расходов кислоты. Проскок жесткости в этом фильтрате обычно меньше проскока натрия на порядок и, как правило, не лимитирует водоприготовительный процесс. Подобные соображения можно отнести также к катионитовому фильтру второй ступени с той разницей, что повышение удельного расхода кислоты на этом фильтре мало сказывается на повышении общих расходов кислоты на водоприготовительный процесс.
В практике водоприготовления бывают случаи повышенного содержания солей жесткости в обессоленной воде. Обычно это происходит в результате вымывания солей жесткости из нового подстилочного материала катионитовых и анионитовых фильтров второй ступени обессоливания. При этом от одного фильтроцикла к другому происходит постепенное снижение жесткости фильтратов этих фильтров. Повышение жесткости фильтратов может также быть следствием чрезмерной загрязненности солями жесткости как реагентов, так и разбавляющей воды, используемых при регенерации указанных (катионитовых и анионитовых) фильтров.
Помимо солей натрия и жесткости, на катионитовый фильтр первой ступени обессоливания поступают соединения железа и органики, а также не задержанные механическими фильтрами выносимые из осветлителя частицы шлама, ила, глин. Соединения органики и железа накапливаются в зернах катионита частично ионообменным и частично механическим путем. Это накопление происходит в течение многих фильтро- циклов, постепенно блокируя все большую часть ионообменных групп. Кроме того, происходит сужение и даже блокирование в ионите его микропор. В результате этого медленного процесса, который связывают с понятием старения материала, уменьшается та часть полной обменной емкости, которая участвует в ионообменных процессах катионов натрия, жесткости и водорода. Одновременно замедляется и сам ионообменный процесс из-за ухудшения условий проникновения жидкой фазы в ионит.
Частицы шлама и прочих примесей накапливаются в фильтре вне зерен ионита, увеличивая в процессе фильтроцикла гидравлический перепад - разность давлений на входе и выходе фильтра. В результате воздействия перепада, происходит уплотнение материала и осевших на нем примесей. Это уплотнение интенсифицируется в моменты резкого увеличения нагрузки фильтров (возникает кратковременный ударный перепад, прессующий материал), что нередко случается многократно в течение одного фильтроцикла из-за небрежности эксплуатирующего персонала. Описанные особенности наиболее характерны для предвключенного катионитового фильтра, но они могут иметь существенное значение и для основного фильтра. В меньшей мере они касаются фильтров второй ступени катионирования, однако полностью и для этих фильтров не исключены.
При последующем за окончанием фильтроцикла взрыхлении фильтра происходит отмывка материала от накопившейся грязи и разрушение образовавшихся в нем комков. Основная часть комков образуется в начале процесса взрыхления, другая сохраняется от предшествующих текущему взрыхлению операций. При большом количестве накопившихся примесей процесс взрыхляющей отмывки может существенно затянуться, а при его прекращении остаются неразуплотненные комки слипшихся зерен ионита и осевших на них частиц.
Вид выходных кривых истощения фильтра, начиная с момента увеличения в его фильтрате содержания улавливаемого катиона, имеет те же характерные особенности, что и выходные кривые при регенерации фильтра. Во многом сохраняются и характерные причины, изменяющие вид этих кривых. Нарастание проскока натрия или жесткости до предельного его значения теоретически может завершиться в течение нескольких минут. В лабораторных условиях может быть достигнут подобный результат. Но для промышленных условий нормальным и реально достижимым интервалом от начала увеличения проскока до его предельного значения можно считать временной интервал, не превышающий 20% от общей продолжительности фильтроцикла. Чем больше этот интервал, тем раньше начинает возрастать проскок и тем раньше отключается на регенерацию работающий фильтр.
Ионирование на сульфоугле
Этот материал продолжает использоваться в фильтрах первой ступени катионирования в предвключенном фильтре. В отличие от КУ-2, этот катионит хорошо регенерируется раствором кислоты, загрязненным солями, вытесненными из основного фильтра. Однако это преимущество перед КУ-2 обесценивается тем фактом, что кривая истощения сульфоугля имеет очень пологий вид. Вследствие этого, загруженный сульфоуглем фильтр работает с большим проскоком катионов, что увеличивает солевую нагрузку в фильтроцикле на основной фильтр. В результате первым истощается основной фильтр, а обменная емкость сульфоугля используется лишь частично.
Основная причина использования сульфоугля в схемах полного обессоливания воды его кажущаяся дешевизна. Однако частые замены сульфоугля из-за его механической непрочности приводят к тому, что в итоге он обходится дороже, чем КУ-2.
Ионирование на анионите АВ-17
В условиях эксплуатации схем полного химического обессоливания воды истощение анионита АВ-17 происходит в основном анионами соляной кислоты (хлор ионом), а также, в меньшей мере, анионами угольной и кремниевой кислот. Ионообменные процессы при регенерации хлор-формы ионита щелочью описываются такими же уравнениями, как и при регенерации натриевой формы катионита КУ-2 соляной кислотой. Однако коэффициент обмена хлор иона на гидроксильный ион, равный примерно 25, на порядок больше, чем коэффициент обмена ионов натрия для катионита КУ-2. По этой причине удельные расходы для данного анионита очень высоки и его регенерация без совместной регенерации с фильтром, загруженным анионитом АН-31, нецелесообразна.
Общая рабочая обменная емкость нового анионита АВ-17, при использовании его в схемах полного обессоливания воды, почти не зависит от соотношения поглощенных анионов соляной, угольной и кремниевой кислот. Это происходит потому, что проскок кремниевой кислоты, по которому ограничиваются фильтроциклы анионитовых фильтров второй ступени обессоливания, возрастает почти одновременно с общим (суммарным по всем поглощаемым анионам) истощением АВ-17.
По мере старения анионита в связи с накоплением в его зернах органики и железа (механизмы этого процесса подобны описанным для катионита КУ-2) уменьшаются полная обменная емкость и скорость ионообменных процессов. Уменьшение скорости ионообменных процессов мало сказывается на характере поглощения и удаления анионов соляной кислоты, т.к. эти процессы остаются близкими к равновесным. Но зато существенно неравновесными становятся процессы вытеснения из регенерируемого анионита анионов кремниевой кислоты. Последнее обстоятельство проявляется не только в уменьшении рабочей обменной емкости, но и в возрастании ее зависимости от температуры регенерирующего раствора, повышение которой ускоряет обменный процесс.
Изменение температуры в поступающей на фильтр обессоливаемой воде также приводит к изменению скорости вытеснения из анионита (из его нижних слоев) анионов кремниевой кислоты, поэтому уменьшение температуры обессоливаемой воды может приводить к уменьшению в фильтроцикле проскока кремниевой кислоты. Однако наиболее существенным фактором, влияющим на этот проскок, является содержание натрия в поступающей на загруженный анионитом АВ-17 фильтр воде. Так, в сохранившихся на некоторых ТЭС схемах одноступенчатого обессоливания воды проскок натрия в обессоливаемой воде выше на порядок и, соответственно, содержание кремния в обессоленной воде здесь тоже на порядок выше, чем в обессоленной воде после второй ступени.
Это происходит вследствие того, что в присутствии катионов натрия в верхних неистощенных слоях анионита образуются щелочные компоненты, способствующие вытеснению поглощенных анионов, в том числе и анионов кремниевой кислоты, из наименее отрегенерированных нижних слоев. Здесь, как и для катионита КУ-2, имеется связь между удельными расходами и относительными концентрациями ионов как в фильтроцикле, так и в конце регенерации фильтра. Эти связи более сложны и менее изучены, чем для катионита КУ-2.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 64; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!