Физические и химические методы обработки воды

  Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Омский  государственный университет путей  сообщения (ОмГУПС) 
 
 

Кафедра «Теплоэнергетика» 
 
 
 
 
 

                         ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ

                                МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ  ВОДЫ 
 
 

Контрольная работа

по дисциплине «Физические и химические методы обработки воды» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Омск 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Таблица 1 -  Номера контрольных вопросов

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 

       6. Опишите процесс известкования воды и укажите результаты, достигаемые при этом.

      Известкование воды – это процесс обработки  воды (дозирование в воду гашеной извести Сa(OH)₂), применяемый для снижения щелочности (декарбонизации) исходной воды, при этом одновременно уменьшаются жесткость и сухой остаток, удаляются грубодисперсные примеси, соединения железа и кремнекислоты.

     При известковании воды протекают следующие  процессы:

Прежде  всего из воды удаляется свободная  углекислота CO₂ и образуется труднорастворимое, выпадающее в осадок соединение - углекислый кальций CaCO₃:  

CO₂+Ca(OH)₂-->CaCO₃+H₂O 

     При введении извести в большем количестве, чем это необходимо для связывания свободной угольной кислоты, в воде повышается содержание гидроксильных  ионов OH^-, что приводит к переходу бикарбонатов HCO₃^- в карбонаты CO₃^2-:  

OH^-+HCO₃^--->CO₃^2-+H₂O 

     Карбонаты образуют с находящимися в воде ионами кальция Ca²⁺ выпадающий в осадок карбонат кальция CaCO₃.

Ионы  магния Mg²⁺, взаимодействуя с гидроксильными ионами, выделяются в осадок в виде труднорастворимого гидрата окиси магния Mg(OH)₂:  

Mg²⁺+2OH^--->Mg(OH)₂ 
 

     8. Как определяется доза каустического магнезита, необходимого для магнезиального обескремнивания воды?

     Эффективность удаления кремнекислоты в основном связана с содержанием в воде ионов магния. Поэтому в воду специально дозируют соединения магния – каустический магнезит (70-80% MgO). Необходимая доза магнезита (суспензия в воде) зависит от кремнесодержания воды и составляет 10-20 мг/кг воды.

     Для снижения расхода магнезиональных  реагентов (в 3-4 раза) применяют высокий  подогрев и рециркуляцию шлама из отстойников в камеру реакции. Так, при нагревании воды до температуры 35-45 ⁰С остаточное содержание кремневой кислоты при обработке оксидом магния не превышает 2 мг/л,  при повышении температуры воды до 86-105 ⁰С эта величина достигает 0,5 мг/л. Расход MgO при этом составляет 5-7 мг на 1 мг SiО₂. 

      12. Как осуществляется регенерация Na – катионитных фильтров?

     Наиболее  широкое распространение получили установки умягчения воды с ионообменной гранулированной загрузкой. Такая  загрузка (как правило, ионообменные смолы) способна при контакте с водой  поглощать ионы кальция и магния, отдавая взамен ионы натрия называется Na-катионитовой. Na-катионитовые загрузки регенерируются раствором поваренной соли (NaCl) или сернокислого натрия (Na2SO₄).

     При регенерации происходит обратный ионный обмен – ионы кальция и магния удаляются из катионита, который  вновь насыщается ионами натрия. Регенерация  устройств, загруженных ионообменными  средами, как правило, происходит в  автоматическом режиме по команде электронного блока, управляющего электромагнитными  клапанами. Частота регенерации  рассчитывается исходя из жесткости  исходной воды, водопотребления и  емкости катионита по отношению  к солям жесткости.

     Умягчение воды натрий-катионированием применяют  для умягчения воды: с содержанием  взвеси не более 8 мг/л и цветностью не более 30 град. Жесткость воды снижается  при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом  — до 0,01 мг-экв/л. После истощения  рабочей обменной емкости катионита  он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Регенерация Na-катионита достигается  фильтрованием через него со скоростью 3-4 куб.м/ч хлористого натрия концентрацией 5-8%. При жесткости умягченной воды до 0,2 мг-экв/л принимают концентрацию соли 5%, при жесткости менее 0,05 мг-экв/л  предусматривают ступенчатую регенерацию: сначала 5%-ным раствором NaCl в количестве 1,2 куб.м раствора на 1 куб.м катионита, затем остальным количеством  соли в виде 3%-ного раствора.

     Поваренную  соль применяют для регенерации  из-за ее доступности, дешевизны, а также  вследствие того, что получают при  этом хорошо растворимые соли CaCl₂ и MgCl₂ легко удаляемые с регенерационным раствором и отмывочной водой. Метод умягчения, при котором подача фильтруемой воды и регенерирующего раствора осуществляется в противоположных направлениях называется противоточным катионированием. При таком способе фильтруемая вода соприкасается с наиболее полно отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. При этом значительно снижается расход реагентов на регенерацию катионита без уменьшения глубины умягчения. 

          17. Приведите схему предочистки поверхностной воды с высоким содержанием взвешенных веществ (более 100 мг/кг) и повышенной окисляемостью (более 15 мг/кг ).

     Для поверхностных вод (реки, озера, пруды и т.п.) требуется удаление взвешенных и органических веществ. Для поверхностных вод с содержанием взвешенных веществ более 100 мг/кг и окисляемостью более15 мг/кг метод обработки будет заключаться в коагуляции с последующим осветлением или фильтрованием.    

Рисунок 1.1. Схема предочистки

     1 – исходная вода; 2 – теплообменный  подогреватель; 3 – осветлитель;      4 – бак осветленной воды; 5 –  механический фильтр; 6 – насос; 7 – ввод коагулянта; 8 – сброс  осадка с продувочной водой; 9 – на ионитные фильтры; 10 –  греющий пар; 11 – конденсат греющего  пара. 
 
 
 
 

      19. Объясните процесс термической деаэрации питательной воды.

      Деаэрация является завершающим этапом обработки  питательной воды для паровых  котлов. Суть процесса состоит в  удалении из состава промышленной воды растворенных в ней газов. Это  необходимо для защиты энергетического  оборудования и трубопроводов от коррозии. Наиболее эффективным и  универсальным методом удаления из воды всех растворенных газов, нашедшим широкое распространение в энергетике, является термическая деаэрация. Процесс термической деаэрации сочетает процессы подогрева воды до температуры насыщения и удаление кислорода и диоксида углерода из воды в паровую среду. Дегазация происходит за счет образования и удаления пузырьков газа и его диффузию через поверхность контакта фаз.

       Сущность термической деаэрации заключается в установлении равновесия между жидкой и паровой фазами в соответствии с законом Генри, согласно которому концентрация газа, растворенного в воде пропорциональна парциональному давлению этого газа над поверхностью воды. Для полного удаления газа из воды необходимо, чтобы парциональное давление газа над водой равнялось нулю. Это состояние может быть достигнуто при кипении воды, т.е. когда парциональное давление паров воды повысится до давления, поддерживаемого в деаэраторе, а температура воды станет равна температуре насыщения. Процесс деаэрации затормозится, если переходящие в пар газы не будут вместе с паром постоянно отводится из зоны, где происходит их десорбция из воды.

      ЗАДАНИЕ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ  НА РАСЧЕТ ВОДОПОД-ГОТОВИТЕЛЬНОЙ  УСТАНОВКИ (ВПУ)

       Рассчитать ВПУ для приготовления питательной воды, идущей на питание пяти паровых котлов типа ДКВР-20-13, если потери пара в котельной составляют 2% от паропроизводительности котлов; потери на производстве – 45% от паропроизводительности; потери в деаэраторе подпиточной воды – 7,0%; потери с выпаром в деаэраторе – 0,8 т/ч.

       Топливо котлов – газ. Деаэрация питательной воды  осуществляется в термических деаэраторах барботажного типа. 
 

1. ВЫБОР СХЕМЫ ВПУ 

1. Данные  анализа исходной воды (из табл.2) в  соответствии с предпоследней  цифрой шифра: 2

    Таблица 2 - Данные по химическому составу  источника водоснабжения

         Содержание в исходной воде взвешенных веществ и ее окисляемость  -  по табл.1 в соответствии с последней цифрой шифра 4:

              Взвешенные вещества  – 550  мг/кг

              Окисляемость - 17 мг/кг   

    1.2. Требования, предъявляемые  к качеству питательной  воды для паровых  котлов данного  типа.

    Содержание  взвешенных веществ, мг/кг                                       5

    Общая жесткость, мкг-экв/кг                                                          15

    Содержание  соединений железа, мкг/кг                            не нормируется

    Содержание  соединений меди, мкг/кг                               не нормируется                     

    Содержание  растворенного кислорода, мкг/кг                              30

    Значение  Рн при t-25⁰С                                                                8,5 – 10,5

    Содержание  свободной углекислоты, мкг/кг                     не допускается

    Содержание  масел, мкг/кг                                                                3

    Содержание  NO₂, мкг/кг                                                      не нормируется 

    1.3. Результаты предварительного  выбора принципиальной схемы ВПУ и его обоснование

         Выбор схемы ВПУ зависит от состава исходной воды и требований к качеству обработанной воды.

          При работе установки на поверхностных (неосветленных) водах необходима их обязательная предочистка для удаления коллоидных и взвешенных веществ. При окисляемости более 15 мг/кг и содержании взвешенных веществ более 100 мг/кг требуется коагуляция с последующим фильтрованием.

         Применяемая аппаратура: коагуляционная установка (осветлитель со взвешенным шламовым фильтром); последующее фильтрование через механические фильтры. Содержание взвешенных веществ после механических фильтров должно отсутствовать.

        Обессоливание воды производится в ионитных фильтрах, куда поступает вода, прошедшая предочистку. Схему обессоливания выбирают в зависимости от качества исходной воды и типа парогенератора.

               Принимаем схему предочистки: коагуляция в осветлителе (коагулянт – FeSO₄), совмещенная с известкованием и осветление на механических фильтрах. Ионнообменная часть: 2 –ступенчатое Na – катионирование.

         Принципиальная схема ВПУ приведена  на рис. 1.1 и рис. 1.2.   
 

Рисунок 1.1. Схема предочистки

     1 – исходная вода; 2 – теплообменный  подогреватель; 3 – осветлитель;      4 – ввод извести; 5 – ввод коагулянта ; 6 – бак осветленной воды; 7 –  насос; 

8 – механический  фильтр; 9 – на ионитные фильтры; 10 – сброс осадка с продувочной  водой; 11 – греющий пар; 12 – конденсат  греющего пара. 
 
 

Рисунок 1.2. Схема ионообменной части ВПУ                                                     

1 – подвод осветленной воды; 2 – Na I– натрий-катионитный фильтр №1;

3 –Na II – натрий-катионитный фильтр №2; 4 – промежуточный насос;  5 – промежуточный бак; 6 – выход обработанной воды. 

1.4. Данные об изменениях  в составе воды, происшедших при  обработке ее по  принятой схеме  ВПУ

Изменение показателей качества воды по ступеням ВПУ

Таблица 1.1.

     Дозу коагулянта  FeSO₄ · 7H₂O  примем равной  0,7 мг-экв/кг.

     Жесткость после коагуляции воды:

     Карбонатная:          = 1,25  мг-экв/кг.                                                                                     

     Некарбонатная:     =    ,  мг-экв/кг.   

     Общая:                    =    =  2,47 мг-экв/кг.

     Остаточная  концентрация   , мг/кг, равна: 

         Щелочность:             Щ_о = 1,25 мг-экв/кг 

1.5. Расчет принятой  схемы ВПУ и  обоснование ее  соответствия требованиям  по величине продувки  котлов, относительной  щелочности котловой  воды и концентрации  углекислоты в  паре

     Принятая схема ВПУ должна соответствовать требуемым критериям качества питательной воды для барабанных котлов по трем параметрам:

1. допустимой величине продувки котлов;
2. относительной щелочности котловой воды;
3. концентрации углекислоты в паре.

     Для котлов ДКВР-20-13 с механической внутрибарабанной сепарацией пара продувка не должна превышать  10%  паропроизводительности.

     Относительная щелочность котловой воды для котлов, имеющих заклепочные соединения и работающих на давлении до 8 ати, не должна превышать 20%. Аналогично требование по щелочности для сварных котлов на давление более 10 ати. Концентрация углекислоты в паре допускается не более 20 мг/кг. Термическая барботажная деаэрация позволяет удалять кислород до 0,03 мг/кг.

     Величина продувки котлов определяется по формуле

Р =    ,  где

         S_о.в– сухой остаток обработанной воды, мг/кг;

_п.к- суммарные потери пара и конденсата в долях от паропроизводительности котельной;

S_к.в – сухой остаток котловой воды, мг/кг: для котла ДКВР-20-13 механической внутрибарабанной сепарацией пара  S_к.в=3000мг/кг.

          Сухой остаток обработанной в  результате предочистки и катионирования  воды с учетом происходящего  в парогенераторах превращения  кремневой кислоты в  Na₂SiO₃  и щелочных соединений в  NaOH  определяется по формуле:

S_о.в= 0,25С_орг + 71,04+ 58,45 + 85 + 61 + 40 Щ_о.в,

где  С_орг – концентрация взвешенных веществ в исходной воде, мг/кг;

 ,  ,  ,   - остаточные концентрации соответствующих     анионов после предочистки воды, мг/кг;

         Щ_о.в– остаточная нелетучая натровая щелочность обработанной воды,             мг-экв/кг. 
 
 

       Относительная щелочность обработанной  воды определяется по формуле: 
 

      Концентрация углекислоты в паре при деаэрации химически обработанной воды в термически барботажном деаэраторе

СО₂ = 22 ∙ Щ_о.в∙_п.к (0,4 + 0,7) 20 мг/кг,

где  22 – эквивалент СО₂, мг;

       0,4 – доля разложения NaHCO₃ в котле (0,6 разложилось в барботажном деаэраторе)

      0,7 – доля разложения Na₂CO₃ в котле, работающем на давлении 13 ати.

СО₂ = 22 ∙ 1,25 ∙ 0,548 ∙ (0,4 + 0,7) = 19,5  20 мг/кг 

1.6. Результаты выбора  окончательной схемы ВПУ и уточненный состав воды на различных этапах ее обработки.

          По результату расчета предварительно  выбранной принципиальной схеме  ВПУ делаем вывод: принятая  схема  ВПУ соответствует требованиям  по величине  продувки котлов, относительной щелочности котловой  воды и концентрации углекислоты  в паре. Изменения в составе  воды, происшедшие при ее обработке  соответствуют требованиям, предъявляемым  к качеству питательной воды  для паровых котлов данного  типа. 
 

1.7. Расчет производительности нетто

       Производительность ВПУ нетто  Q_н  м³/ч, для промышленных котельных, ТЭЦ, ГРЭС, где внутристанционные и внешние потери пара и конденсата, а также потери с продувочной водой восполняются химически умягченной или обессоленной водой, рассчитывается по формуле:

Q_н = k_зп.к.D_пn ,

где    k_з – коэффициент запаса, k_з = 1,1 1,2;

          D_п – паропроизводительность котла, т/ч;

          n – количество установленных котлов.

Q_н = 1,1 ·0,548 · 20 · 5 = 60,28 т/ч

    Производительность брутто ВПУ определяется по формуле:

Q_бр =   Q_н + q_сн,

где   q_сн – расход воды на собственные нужды ВПУ, м³/ч.

    Поэтому  технологический расчет ВПУ следует  начинать с конца, принимая  для каждой последующей ступени  расход воды в предыдущей. Последней  при этом рассчитывается осветлительная установка. 
 

2. РАСЧЕТ КАТИОНИТНОГО  ФИЛЬТРА

2.1. Расчет Na – катионитного фильтра (при двухступенчатой схеме Na-катионирования рассчитать фильтр 1 ступени)

     Важным элементом схемы ВПУ является катионитный фильтр. Необходимая площадь фильтрования  F_ф, м²  Na – катионитных и Н – катионитных фильтров определяется по формуле: 

где    - производительность ВПУ нетто, м³/ч;

          w = 30 м/ч - скорость фильтрования, (табл. 12, Приложения). 

   Число фильтров должно быть минимальным, но не менее трех (два рабочих). 

где    f = 1,77 м² - площадь фильтрования серийного фильтра 

     Принимаем n = 3 фильтра, из которых 2 – рабочих, 1 - резервный

     Длительность фильтроцикла, Т + t , ч 

где     n_ф – число фильтров;

           Т -  время полезной работы  одного фильтра, ч (Рекомендуется  принимать Т = 22,5 ч при ручном  управлении задвижками и 10,5 при  автоматизированном управлении  фильтрами);

         t – продолжительность регенерации, ч (рекомендуемое значение                                                                      t = 1,5 2,0 ч;

          h = 2,0 м – высота слоя ионита в фильтре;

          - рабочая емкость поглощения катионита, (по табл.11 Приложения);