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=Жок=10,5-7,4=3,1 мг∙экв/л.

Содержание в исходной воде свободной углекислоты СO2 при рН=6,9, щелочности Щок=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 Дкпринимается 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 м3принимаем 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 =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=HосвHконhзащ=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

C2Naо 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!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!