Поект обладнання для очищення води для теплофонаційної мережі

РЕФЕРАТ 
 

Пояснювальна  записка:  41 ст.;  2 табл.;  5 джерел;  3 рис.;  3 додатки.  

      Об’єктом  дослідження курсового проекту  є технології очищення природних  та стічних  вод.

     Мета  проекту – запроектувати обладнання для очищення води для теплофонаційної  мережі з використанням декарбонізаторів.

     У курсовій роботі розроблено проект очищення води для підживлення тепломережі, для цього розглянуті вихідні  дані, вимоги до хімічного складу води, виконан розрахунок потрібної якості води, обгрунтована технологія очищення води, описане обладнання та його експлуатація, виконан розрахунок об’ємів завантаження іонообмінних смол, виконан розрахунок основних характеристик обладнання, розрахунок стічних вод. 
 

     КАТІОНІТ, ІОНІТ, ФІЛЬТР, ДЕКАРБОНІЗАТОР, ЛУЖНІСТЬ,  ЖОРСТКІСТЬ, СОЛЕВМІСТ, ПРОДУКТИВНІСТЬ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗМІСТ 

Вступ........................................................................................................................6

1 Матеріальний  балан.............................................................................................7

2 Вимоги  до хімічного складу води.......................................................................8

3 Обгрунтування  технології очищення води......................................................15

4 Вибір  типів обладнання для очищення води...................................................18

5 Розрахунок  іонітного фільтру...........................................................................21

5.1 Опис  та експлуатація іонітного фільтра........................................................21

5.2  Розрахунок  об’ємів завантаження іонообмінних смол...............................23

5.3  Розрахунок  основних параметрів фільтру...................................................24

5.4  Розрахунок  дренажної системи фільтра.......................................................25

6 Розрахунок  дегазатора.......................................................................................29

7 Розрахунок  якості стічних вод..........................................................................33

8 Визначення  кількості розбавляючої води  для доведення норм

збросів до величини..............................................................................................35

Висновок.................................................................................................................36

Перелік посилань...................................................................................................37

Додатки...................................................................................................................38 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВСТУП 

      Вода  – одне з найбільших скарбів у  житті людини. Вона широко застосовується в різних галузях життєдіяльності. Організм людини на 70-80% складається  з води, це саме можна сказати  й про тваринний та рослинний світ. Вона в повсякденному житті людини використовується для життя, приготування їжі, задоволення санітарно-гігієнічних потреб. Вона необхідна для забезпечееня перебігу багатьох технологічних процесів, вирощування сільсько-господарської продукції та переробки її на продукти споживання, а також для різних галузей промисловості, де вона використовується як сировина, реагент, теплоносій, промисловий засіб тощо.

      Сьогодні  вода в природі вже невстигає  самоочищуватись. Це призвело до надмірного забруднення  багатьох водойм, річок і озер, воду яких без попереднього очищення використовувати для господарських цілей неможна.

            Все більшого значення набуває  проблема розумного, раціонального  використання прісної води й  особливо очищення використовуємих об’ємівстічних вод, а також одночасна організація замкнених систем зворотного водоспоживання в промисловості, сільському і комунальному господарстві.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 МАТЕРІАЛЬНИЙ  БАЛАНС 

           Відходи, які генеруються промисловими  підприємствами, а також об’єктами комунального господарства перед викидами в поверхневі водоймища, повинні бути знезаражені до норми ГДК.

          Кількість відходів і токсичних речовин у відходах визначається шляхом становлення матеріальних балансів забруднення.

      Якщо  розглянути схему зворотного водопостачання, то в таких системах вода використовується як теплоносій, який відбирає тепло в конденсаторах, теплообмінній апаратурі, викиди тепла виконуються в башнях-градирнях, де за рахунок випаровування води, надлишкове тепло виділяється в атмосферу.

      Якщо  ми розглянемо баланс системи зворотного водопостачання, то знайдемо, що після  декількох циклів проходження води по замкненому контуру та її випаровування, концентрація солей значно підвищується. Тому зворотні цикли водопостачання мають продувку.

      При випаровуванні води її частина, яка  підживлює зворотну систему, надходить  до атмосфери, зважаючи на низький коефіцієнт розподілення солей між паром  та водою, в пар надходить практично  тільки чиста вода, тому баланс системи зворотного водопостачання визначається рівнянням:

Q · C₀ = P · C_к ,

                                                        ,                                        (1.1)

де К  – кратність випаровування води в оборотній системі, яка дорівнює відношенню концентрації солей в оборотній системі і підживлюваній воді або кількості підживлюваної води (Q) і продувки (Р). 
 
 
 

2 ВИМОГИ  ДО ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ВОДИ 

     Вимоги  до хімічного складу технічної води визначаються умовами її використання в конкретних технологічних процесах. Найбільший об’єм води витрачається в теплообмінній апаратурі на відведення зайвої теплоти. Тільки на компенсацію втрат води в оборотних системах водопостачання окремі підприємства витрачають десятки і навіть сотні тисяч кубічних метрів води за добу.

     В умовах роботи оборотних систем багаторазове підігрівання води до 40-49 і охолодження її в градирнях чи бризкальних басейнах призводить до втрат оксиду карбону (IV) та відкладення на поверхнях теплообмінників і труб карбонату кальцію за наступною реакцією:

     За  сталої високої твердості оборотної  води, зумовленої вмістом сульфату кальцію, випаровування води в циклі  може призвести до перебільшення  добутку розчинності карбонату кальцію (розчинність останнього із зростанням температури зменшується) та утворення міцних карбонатних відкладів, видалення яких з труб теплообмінників надзвичайно ускладнене.

     Швидкість відкладення карбонату кальцію  та інших солей не повинна перевищувати 0,25 г/м² год. Така вода вважається термостабільною (товщина відкладів, що утворюються за годину – 0,08 мм). Швидкість біологічних обростань, що допускаються в теплообмінних апаратах та охолодниках, в оборотній воді повинна становити не більше 0,04 г/м² год (шар 0,05 мм за місяць) за сухою масою. Вода не повинна спричиняти корозію металу, більшу ніж 0,09 г/м² год (шар до 0,1 мм за рік).

     У підживлюваній та оборотній воді обмежується також вміст завислих речовин. Грубозернисті неорганічні  завислі речовини (пісок) осідають у пазухах холодильників, засмічують труби конденсаторів, відкладаються на окремих ділянках трубопроводів, а малі часточки завислих речовин (мули, глинисті часточки), які самостійно не осідають у теплообмінній апаратурі, потрапляють до складу відкладів карбонату і сульфату кальцію, що утворюється і збільшує їх міцність.

     Вміст розчинених солей (лужних металів, магнію) в оборотній воді зростає пропорційно  коефіцієнту її випаровування. При  цьому зростає і корозійна  активність води. Корозія матеріалів теплообмінних систем у м’якій воді, яка містить розчинний кисень, істотньо вища, ніж у твердій воді такої самої мінералізації, що пов’язано з меншою ємністтю м’яких вод. За відсутності інгібіторів граничний вміст солей в оборотній воді не повинен перевищувати 2 кг/м³, хоча в окремих випадках мінералізація оборотної води досягає 3 кг/м³.

     Нарешті, для запобігання інтенсивному біологічному обростанню споруд і теплообмінних  апаратів оборотних систем водопостачання в оборотній, а отже, і в підживлюваній воді треба обмежити вміст органічних речовин і сполук біогенних елементів (нітрогену, фосфору), які є живильним середовищем для мікроорганізмів, що вносяться в систему із свіжою водою.

     Вимоги  до якості води в охолоджених системах оборотного водопостачання наведені в таблиці 2.1. порівнюючи дані таблиці 2.1, можна побачити, що, незважаючи на значні розходження оцінок граничних меж загальної твердості, солевмісту, концентрації завислих речовин, ці вимоги мають багато спільного в рекомендуванні таких найважливіших показників, як карбонатна твердість, значення рН, вміст біогенних елементів і значення ХСК, які визначають термостабільність та інтенсивність водообрастання в оборотній системі.

     Наведені  дані дають змогу визначити вимоги до води, яку використовують для компенсації втрат в оборотних системах теплообмінного водопостачання (стабілізаційне скидання зворотної води, яка має назву “продування”, краплинне винесення води з повітрям в градирнях, випаровування, втрати під час фільтрування завислих речовин із різноманітних виробничих причин).

Таблиця 2.1 – Вимоги до якості води в охолодних  системах оборотного                водопостачання

      Необхідну кількість води для підживлення  обчислюють з матеріального балансу  оборотної системи: 

де  – кількість води, що виноситься у вигляді крапель з повітрям на градирнях;

– кількість оборотної води, яку скидують для “продування”;

 – кількість води, що втрачається  з осадом під час фільтрування;

 – кількість виробничих  витрат води;

 – кількість води, що випаровується  на градирнях; 

 – кількість води, яку використовують  для підживлення з метою компенсації всіх витрат оборотної води в системі.

     Граничний вміст солей чи окремих іонів  інших речовин у підживлюваній  воді визначається умовою збереження сталого складу оборотної води, яка  циркулює в системі:

де C_підж, С_об – відповідно концентрація речовини, яка концентрується у воді для підживлення в оборотній воді.

     Середні втрати води, зумовлені випаровуванням, становлять бдизько 2,5%, краплинним внесенням  на градирнях 0,3 - 0,5% величина “продування” коливається від 6 до 10% і в середньому може бути прийнята 8%. Сума всіх інших втрат приймається такою, що дорівнює приблизно 1% об’єму оборотної води. На підставі співвідношень, наведених вище, можна сформулювати вимоги до якості підживлювальної води оборотних систем. Такі вимоги для підприємств хімічної промисловості наведені в таблиці 2.2. Звичайно, якщо для підживлення оборотних систем використовують замість свіжої очищені стічні води, вимоги до цієї води повинні повністтю відповідати показникам, наведеним у таблиці 2.2.

     Переведення оборотних систем водопостачання на режим, який не потребує стабілізаційного скидання оборотної води для “продування”, дає змогу зменшити об’єм води для підживлення систем не менш ніж у 3 рази і відповідно зменшити об’єм капітальних, а також експлуатаційних затрат на водопідготовку.

     Однак у безтічних “замкнених” оборотних системах водопостачання до води для підживлення, як видно з таблиці 2.2, висуваються жорсткі вимоги.

     Таблиця 2.2 – Вимоги до якості води для підживлення теплообмінних апаратів оборотного водопостачання.

     Визначаємо  потрібну якість води, яку необхідно  очистити. За завданням Ж = 5 мгекв/л; Щ = 4 мгекв/л. Потрібні характеристики визначаємо за нерівністю:

     де  Ж – жорсткість вихідної води,  мгекв/л;

Щ –  лужність вихідної води, мгекв/л;

І_к – карбонатний індекс, мгекв/л.

      Значення  карбонатного індекса залежить від  температури. При температурі  карбонатний індекс дорівнює 1,5 мгекв/л.

      Так як , то нерівність матиме наступний вигляд:

     підставляємо  числові значення:

     Перетворюємо  цю нерівність у квадратне рівняння:

     Знаходимо 2 кореня рівняння:

     Проаналізувавши та порівнявши ці два корені бачимо, що другий, тобто  мгекв/л є дійсним. Отже, приймаємо  мгекв/л.

     Характеристики  очищеної води розраховуються за формулами:

     Тоді, мгекв/л; мгекв/л.

     Враховуючи  те, що солевміст дорівнює 500 мг/кг, що менше показника 1000 мг/кг, то його розраховувати  не треба, томущо вимоги до нашої води такі самі, як і для вод, що призначені для споживання. Всі ці води постачаються з міського водопроводу, перед передачею в який вона вже пройшла початкове очищення. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 ОБГРУНТУВАННЯ  ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИСТКИ ВОДИ. 

      Для очищення води, яка використовується для підживлення міських мереж  будемо використовувати карбоксильні катіоніти.

      Іонітні та іонообмінні методи очищення води з’явилися в 30х роках 20 століття.

      Катіоніт  – це іонообмінна смола, яка має  можливість обмінювати катіони, які знаходяться у розчині, на катіоніти, які знаходяться у дифузному прошарку катіоні та (катіоніти в іонообмінному середовищі).

      Іонообмінні смоли використовуються в технології водопідготування в основному для пом’якшення води, тобто для заміни катіонів Са²⁺ , Мg²⁺ , які знаходяться в вихідній воді на іони Na.

      Катіони жорсткості вихідної води вилучаються, щоб вилучити накипоутворення в  мережі водопостачання, на поверхнях  котлів, а також щоб виключити  різні захворювання по відкладанню солей. В процесі вилучення цих катіонів відбувається також вилучення Р_в, стронцію, Сd, які викликають підвищення кров’яного тиску та порушення різних елементів гомеостазу (тонус організму).

      При використанні катіонітів застосовують різні схеми очищення води. В залежності від того, яким катіонітом буде заряджений інообмінник, відрізняють:

1. водень- катіонування RH;

2. калій- катіонування  RK;

3. натрій- катіонування RNa;

4. кальцій- катіонування RCa.

      В даному випадку для очищення води будемо використовувати водень-катіонування на карбоксильному катіоніті:

      Ca(HCO₃)₂ +2RH = CaR₂ + H₂CO₃ 

H₂CO₃ = Н₂О + СО₂

      В оборотних циклах використання води, застосовують її корекційну обробку, з  метою зменшення накипоутворюючих компонентів кальцію та лужності.

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃+ H₂O + CO₂  

Карбоксильні  катіоніти:

2 RCOOH + Ca = (RCOO)₂Ca + H⁺

                  RCOOH + Ca(HCO₃)₂ = (RCOO)₂Ca + H₂CO₃

      Карбоксильні  мають таку можливість, що у розчинах нейтральних солей, вони неспроможні  до іонного обміну. У той же час при постачанні на них лужних компонентів солей, вони обмінюють катіони пропорційно замість аніонів лугу у вихідній воді. Таким чином , якщо на катіонообмінний фільтр з карбоксильним фільтром постачається вода, NaOH,  Ca(OH)₂ , то в разі проходження (фільтрації) такої води через катіонообмінну смолу, ми отримуємо чисту воду.

      Тобто цей клас карбоксильних катіонів найбільш необхідний для обробки  підживлюваної води оборотних циклів, для підживлення тепломереж, а  також для колекційного складу стоків. Перевагою цього типу катіонообмінних смол є те, що вони здатні на обробку води при підвищених температурах вихідної води (до 160 ⁰С).

      При використанні карбоксильних катіонітів в практиці в якості регенеранту більшою частиною використовують розчини H₂SO₄ (1,5 – 3%).

RCa + H₂SO₄ = 2 RH + 2H₂O + CaSO₄

                                                         CaSO₄ · 2H₂O

      Кристалізується у розчині у вигляді гіпсу.

      Використання  карбоксильних катіонітів у технології водопідготування дозволяє значно розширити діапазон застосування іонітних схем знесолення води,  реалізувати ряд схем очищення води, які значно економічні, ніж при застосуванні тільки багатофункціональних сильно кислотних катіонітів.

      В схемах знесолення води карбоксильні катіоніти використовуються в якості загруження водень-катіонітних фільтрів.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4 ВИБІР  ТИПІВ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ  ВОДИ 

     Для очищення стічних вод у наш  час відомо багато методів, кількість  яких з розвитком техніки безперервно  збільшується. Той чи інший метод слід вибирати на основі якісної технічної характеристики стічних вод, попередніх рішень з органами Держнагляду на стадії прийняття рішення про спорудження очисних споруд або про реконструкцію підприємств. Крім того, необхідно оцінювати різні методи на основі порівняння техніко-економічних показників.

     Для очищення стічних вод для підживлення тепломережі застосовується водень-катіонування на карбоксильному катіоніті. При цьому використовуємо водень-катіонитні фільтри, які дозволюять значно зменшити жорсткість та лужність вихідної води.

     При роботі водень-катіонитних фільтрів необхідно:

• визначити сумарну концентрацію та , а також в мгекв/л у воді;
• підготувати нейтралізатор та каналізаційну мережу до прийому кислих промислових вод;
• відрегенерувати катіоніт Н₂SO₄ при вартості кислоти 20 кг 100%  Н₂SO₄ на 1 м² завантаженого катіоніту. Концентровану кислоту треба подавати безперервно, одночасно з подачею води, або у вигляді приготованого 1 – 1,5 % розчину. При використанні концентрованої кислоти до фільтру спочатку подають воду з лінійною швидкісттю 9 – 10 м/год, а потім кислоту, збільшуючи її кількість до концентрації 1 – 1,5 % на вході до фільтру за електричним вказівником концентрації.
• по закінченні вводу необхідної кількості кислоти продовжують подачу води, необхідної для відмивання катіоніту до зниження жорсткості відмивочної води до 0,2 – 0,3 мгекв/л та кислотності до 3,5+ , де – вміст їх у вихідній воді в мгекв/л.

     Якщо  фільтр після регенерації повинен  бути виведений у резерв, то відмивання переривають при жорсткості води 0,4 – 0,5мгекв/л та закінчують перед  включенням фільтра до робити.

     Після перших 5 – 7 фільтроциклів, протягом яких забезпечується нормальне обслуговування та експлуатація фільтрів, необхідно:

1. встановити залежність кінцевої жорсткості катіонованої води  (середньої за фільтроцикл) та гідравлічного опору фільтра від його гідравлічного навантаження;
2. встановити оптимальні витрати кислоти на регенерацію катіоніта.

       Після іонообмінної смоли, регенерованої  кальціонованою сіллю отримуємо  розчини Н₂СО₃, які відносно легко можуть бути вилучені із води шляхом їх декарбонізації.

       Для декарбонізації води використовують апарати, які називають декарбонізаторами. Вони завантажуються кільцями Рашига. Це маслоз’ємна насадка, яка дозволяє підвищити контакт двох фаз.

       Для віддувки Н₂СО₃ через прошарок води, яка просувається зверху-вниз, пропускають повітря з витратами 15 – 40 м³/м³ води.

       Висота  насадки залежить від конструкції, вихідної концентрації Н₂СО₃  від температури води та від поверхні насадки.

       Чим менший діаметр насадки, тим більша її поверхня, тим менший об’єм цієї насадки можна завантажити. Так як у промислових декарбонізаторах використовується проміжна насадка , її поверхня дорівнює 200 м³/м³ завантаження.

       Цей тип апаратів використовується для  вилучення Н₂СО₃ також після фільтрування води через карбоксильні катіоніти, тому що при цьому відбувається руйнування карбонатної жорсткості з видаленням Н₂СО₃.

       Ось чому при очищенні води для підживлення  тепломережі будемо використовувати  декарбонізатори.

       Заходи, необхідні для оптимальної роботи декарбонізаторів:

1. Для досягнення найбільш повного вилучення Н₂СО₃ із частково знесоленої води витрати повітря повинні бути не меншими, ніж      40 м³ на 1 м³ води.
2. При температурі вихідної води 20 – 25 ⁰С та витратах повітря 40 м³/м³ , залишковий вміст вугільної кислоти в декарбонізованій воді приймається не більше,  ніж 3 мг/л.
3. З метою запобігання декарбонізатора від корозії, його внутрішня поверхня повинна мати протикорозійний захист (покраска перхлорвініловим лаком, обладнання пластиком або захисними засобами).
4. Насоси, які подають декарбонізовану воду, повині встановлюватися кислотостійкими.