Расчет осветлителей для коагуляции и известкования

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

____________________________________________________________________________

 

 

 

 

 

Институт	Энергетический
Специальность	Промышленная теплоэнергетика
Кафедра	ПГС и ПГУ
Курс	IV

 

 

 

 

Расчет комплексной схемы обработки  воды.

 

Отчет по индивидуальной работе №1

 

 

 

 

 

 

       Исполнитель

Студент гр.6А82	_____________________________	Орлова Е.Г.
Руководитель	______________________________	Тайлашева Т.С.

   Доцент

 

 

 

  

 

 

 

 

                                            

 

 

 

 

 

 

 

                                                           ТОМСК -  2012

 

Содержание

 

Исходные данные 3

Расчет  натрий-катионитовых фильтров второй ступени………………………………..6

Расчет  натрий-катионитовых фильтров первой ступени……………………………8

Расчет механических (антрацитных) фильтров……………………………………..10

Расчет  устройства для частичной нейтрализации щелочности серной кислоты…11

Расчет осветлителей для коагуляции и известкования……………………………12

Заключение 14

Список литературы 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

 

1. Требуется рассчитать водоподготовительную установку, предназначенную для подготовки 250 м³/ч добавочной воды для питания паровых котлов высокого давления (100 атм. и выше) со ступенчатым испарением и промывкой пара, и 15 м³/ч подпиточной воды для теплосетей с закрытой системой теплоснабжения
2. В качестве исходной используется вода из поверхностного водоисточника (река)  с показателями, представленными в табл. 1 (вариант  № 7)

 

Табл. 1 –  Показатели качества исходной воды

	мг/л	мг – экв/л
Ок	3,85
Що		3,8
Жк		3,8
Жо		6,2
Ca2+	108,2	5,4
Mg2+	9,7	0,8
Na+	110	4,8
Fe3+	-	-
HCO3-	234,2	3,8
SO42-	107	2,2
Cl-	170	4,8
NO3-	-
NO2-	-
SiO32-	19,1	0,5

 

3. Качество питательной воды для паровых котлов, работающих на твердом топливе при указанном давлении, приведено в табл. 7.
4. Качество подпиточной воды для теплосетей с закрытой системой теплоснабжения должно отвечать требованиям, приведенным в табл. 39.

Требуемое качество воды для паровых  котлов и теплосетей по показателям  общей жесткости может быть обеспечено обработкой воды методом коагуляции, известкования и схемой двухступенчатого натрий-катионирования для котлов и одноступенчатого натрий-катионирования для теплосетей. С целью дополнительного снижения щелочности исходной воды в схеме предусмотрена подача серной кислоты. При средних давлениях растворимость всех примесей в паре незначительна, включая и кремниевую кислоту. Поэтому нормами для этих котлов допускается довольно большое содержание примесей в питательной воде, в том числе и кремнекислых соединений. Несмотря на то, что по ПТЭ разрешается довольно большой размер продувки (3%), в условиях бескоррекционного внутрикотлового водно-химического режима возникает опасность образования кальциевых силикатных накипей. Поэтому в схеме рис. 11 предусматривается удаление из воды кремниевой кислоты путем обработки каустическим магнезитом совместно с коагуляцией и известкованием в одном осветлителе.

Требуемое качество воды после обработки  по указанной схеме будет характеризоваться следующими показателями:

• жесткость - 0,01 мг-экв/л;
• щелочность - 0,5 мг-экв/л;
• кремниевая кислота    - 0,025 мг-экв/л,

 

 

Рис. 11. Схема обработки добавочной воды для питания паровых котлов и  подпиточной воды для закрытой теплосети: 1 - сырая вода; 2 - подача известковаго молока; 3 -подача раствора коагулянта; 4 - подача магнезитового молока; 5 - осветлитель; 6 - промежуточный бак; 7 - механический фильтр; 8 - натрий-катионитовый фильтр первой ступени; 9 - натрий-катионитовый фильтр второй ступени; 10 - подача раствора серной кислоты, 11 - обработанная вода.

Сухой остаток обработанной воды С_ост. с учетом изменения некоторых составляющих во внутрикотловых условиях (гидролиз карбонатов и бикарбонатов натрия с образованием NaOH и превращения кремниевой кислоты в силикат натрия) составляет:

 

 

 

 

где в данной формуле:

Орг. –исходное  содержание в воде органических соединений, мг/л, Орг=3,5·Ок=3,5·3,85=13,48 мг/л;

71.04 - численное  значение мг-экв сульфата натрия;

- исходное  содержание в воде сульфат-ионов,  мг-экв/л;

К – доза коагулянта, мг-экв/л, К=0,5 мг-экв/л при Щ_о ≥ 2, Ок ≤ 5 [1,с.8, табл.1];

К₁ - доза серной кислоты, мг-экв/л, принимаемая равной К₁=0,3 мг-экв/л;

58,45—численное значение мг-экв хлорида натрия;

- исходное  содержание в воде хлорид-ионов,  мг-экв/л; 

40 - численное  значение мг-экв едкого натра  NaOH;

Щост. - щелочность обработанной воды, мг-экв/л, Щост.=0,5 мг-экв/л [1,с.11, табл.3];

61.03 - численное  значение мг-экв силиката натрия,

SiO3 ² - содержание кремниевой кислоты в обработанной воде, мг-экв/л.

Относительная остаточная щелочность Щотн. ост. обработанной воды:

Щ_{отн ост} =40·Щ_ост/С_ост = 40·0,5/547,57= 0.037 или 3,7%.

Согласно правилам Госгортехнадзора Щ_ост. не должна превышать 20%.

Расчет оборудования водоподготовительной установки начинается от конца технологического процесса обработки воды в целях более точного учета расхода обрабатываемой воды на собственные нужды установки и правильного определения нагрузки головного водоподготовительного оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет  натрий-катионитовых фильтров второй ступени

 

Вода, поступающая  на эти фильтры в количестве 250 т/ч, должна иметь жесткость Жо = 0.035 мг-экв/л.

Допустимая скорость фильтрования составляет для Nа-катионитовых фильтров второй ступени (30-60) м/ч.

Исходя из этого, определяется необходимая  суммарная площадь фильтрования:

F= 250/30 – 250/60 = 8,3 – 4,2 м²

На второй ступени катионирования обычно устанавливается не менее двух фильтров, которые выбираются из существующих стандартных фильтров, табл. 22.

В данном случае из существующих стандартных фильтров достаточно установить три фильтра следующих параметров:

• Площадь фильтрования: D=2000 мм.
• Высота слоя катионита: Н_сл=1,5 м.
• Площадь фильтрования: f=3,14 м².

После подбора фильтров расчет начинают с определения скорости фильтрования.

Определим нормальную скорость:

Wн= Q/f·а = 250/ 3,14·3 = 26,54 м/ч.

Максимальная  скорость фильтрования равна:

Wм=Q/f·(а-1)=250/3,14·2 =39,81 м/ч.

Далее расчет производится в следующем  порядке.

1. Определяется количество солей жесткости, удаляемых на фильтрах второй ступени:

А = 24·Жо·Q = 24·0,035·250 =210 г-экв/сут.,

 где Жо - общая жесткость воды, поступающей на натрий-катионитовые фильтры г-экв/м³;

2. Число регенераций каждого фильтра в сутки «n»:

n = А/f·Н_сл·Е_р·а=210/3,14·1,5·250·3 =0,06 регенераций в сутки или 1 раз в течение 17 суток,

где:  Е_р – рабочая обменная способность катионита, в качестве которого выбран сульфоуголь с крупностью зерен (0,5 – 1,1) мм.

Рабочая обменная способность катионита может принята для второй ступени ионирования Е_р=250-300г-экв/м³  или рассчитана по соотношению:

 

где - полная обменная емкость катионита, г-экв/м³ , которая принимается по заводским данным согласно табл.23[1,с.66].

Для выбранного типа катионита  г-экв/м³, табл.23.

По табл.24, удельный расход воды на отмывку катионита  равен q=6 м³/м³.

Удельный  расход поваренной соли NaCl на регенерацию q_с, определяем по табл.25: q_с=300 г/г-экв.

Тогда по табл.26: α=0,9 – коэффициент  эффективности регенерации при  принятом удельном расходе соли.

β – коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по Ca²⁺ и Mg²⁺ за счет частичного задержания катионов Na⁺, принимаемый в соответствии с данными табл.27.

В табл.27 С_Na - концентрация  Na в умягчаемой воде равна: 4,78 мг-экв/л (исходная концентрация).

Тогда отношение С_Na² /Жо = 4,78²/0,035 = 652,8. В этом случае обменная емкость катионита принимается по технологическим данным из табл. 2.12 и составляет Е_р=250 г-экв/м³.

3. Расход 100%-ной поваренной соли на одну регенерацию фильтра определяется уравнением:

Qс = Е_р·f·Н_cл·q_с /1000 = 250·3,14·1,5·300/1000 = 353,3 кг.

4. Суточный расход технической соли на регенерацию фильтров рассчитывается по уравнению:

Qт.с. = (Qс ·n·а·100)/93 = (353,3·0,06·3·100)/93 = 68,4 кг/сут,

 где в этом выражении  «93» - содержание NаСl в технической соли, %.

 5. Расход воды на одну регенерацию натрий-катионитового фильтра слагается из:

а) расхода воды на взрыхляющую промывку фильтра:

Qвзр = i·f ·60·t /1000 = 4·3,14·60·30/1000 = 23 м³, где

где i,t - интенсивность и длительность взрыхляющей промывки соответственно (по табл. 28),

i=4 , t=30.

б) расхода воды на приготовление  регенерационного раствора соли:

Qр.р. = Qс·100/1000·b·ρ = 353,4·100/1000·10·1,071=3,3м³.

где b-концентрация регенерационного раствора для первой ступени ионирования составляет (5-8)%, для второй ступени ионирования - (8-12)%. Принимаем концентрацию регенерационного раствора b = 10%, (по табл. 29).

ρ – плотность 10% - ого регенерационного раствора, т/м³, принимается по табл.30, и составляет ρ=1,071 т/м³ для b=10%.

в) расхода воды на отмывку катионита  от продуктов регенерации:

Qотм = q·f·Н_cл = 6·3,14·1,5 = 29 м³,

где q=6 м³/ м³ – удельный расход на отмывку катионита.

Расход  воды на одну регенерацию составит

Qс.н. = Qвзр + Ор.р + Qoтм = 23+ 3,3 + 29 = 55,3 м³.

6. Среднечасовой расход воды на собственные нужды натрий-катионитовых фильтров второй ступени:

Qс.н. (час) = Qс.н. ·а ·n/ 24 = 55,3·3·0,06 / 24 = 0,41 м³/ч.

 

Расчет  натрий-катионитовых фильтров первой ступени

1. Через эти фильтры будет протекать вода в количестве:

Q_Na1= 250 + 15 + 0,41 = 267 м³/ч.

2. На первичные натрий-катионитовые фильтры вода поступает после известкования с коагуляцией и подкислением для частичной нейтрализации щелочности известкованной воды. Общая жесткость осветленной воды составляет:

Жо = Жн.к. + К + К₁ + Щост = 2,4 + 0,5 + 0,3 + 0,5 = 3,7 мг-экв/л.

где Жн.к.- исходная некарбонатная жесткость обрабатываемой воды;

К и К₁ - дозы коагулянта и серной кислоты соответственно.

3. Скорость фильтрования через основные натрий-катионитовые фильтры допускается в пределах (15-30) м/ч. Следовательно, необходимая площадь фильтрования должна быть равна:

 

Из существующих стандартных фильтров (табл. 2.10) выбираем фильтры с характеристиками:

диаметр –  D= 3000 мм;

площадь фильтрования каждого f = 7,1 м²;

высота слоя сульфоугля Нсл =1,8 м.

Принимаем их к установке в количестве 4 шт. с таким расчетом, чтобы в наихудшем случае один из них был в полезной работе, один - на регенерации и один, не загруженный сульфоуглем, служил для гидроперегрузки угля и замены катионитного фильтра, выключаемого на ремонт или ревизию.

4. Таким образом, количество нормально работающих фильтров равно: а=3;
5. Средняя и максимальная скорость фильтрования составляют:

 

И  только на периоды  регенерации в работе будет оставаться только один фильтр со средней скоростью фильтрования:

 

6. Рабочая обменная емкость катионит КУ-2 определяется выражением:

;

где =4м³/м³  - удельный расход воды на отмывку катионита для первой ступени катионирования (табл.2.12).

По таблице 2.12 также находится  удельный расход соли на регенерацию, который составит =110 мг-экв/дм³. По удельному расходу соли, пользуясь табл.2.13, определяется коэффициент эффективности регенерации   α=0,64. Коэффициент β находится по табл.2.14 и при величине соотношения

С_Na² /Жо = 4,78²/3,7 = 6,18 он составляет β=0,53.

 

7. Число регенераций каждого фильтра в сутки «n» равно:

 

8. Расход 100%-ной поваренной соли на одну регенерацию фильтра:

 

9. Суточный расход технической соли составит:

 

10. Расход воды на взрыхляющую промывку фильтра:

Qвзр = i · f· 60·t /1000 = 4·7,1·60·30 /1000 =51,12м³,

где i,t - интенсивность и время взрыхления соответственно (табл.2.12).

11. Расход воды на приготовление регенерационного раствора:

Qр.р. =(Q_с·100) / (1000·b·ρ) = (794,98·100)/(1000·8·1,056) = 9,41 м³,

где b и ρ - концентрация и плотность регенерационного раствора, b =8%, (табл. 2.12); ρ (при b =8%)=1,056 (приложение 3).

12. Расход воды на отмывку катионита:

Qотм = q· f·Нсл = 6·7,1·1,8 = 76,68 м³.

13. Тогда расход воды на одну регенрацию натрий-катионитового фильтра составит:

q_сн.= Овзр + Qрр + Qотм = 51,12 + 9,41 + 76,68 = 137,21 м³.

14. Среднечасовой расход воды на собственные нужды натрий-катионитовых фильтров равен:

Qс.н. (час)= Qсн. · n · а / 24 = 137,21·2·3/24 = 34,3 м³/ч.

 

Расчет механических (антрацитных) фильтров

1. Полезная среднечасовая нагрузка механических фильтров с учетом расхода осветленной воды на регенерации основных и вторичных натрий-катионитовых фильтров будет равна:

Q_мех = 267+34,3 = 301,3 м³/ч.

2. Скорость фильтрования через механические фильтры, если они стоят после осветлительных, составляет (10-12) м/ч, (табл. 2.22).

3. Необходимая площадь фильтрования должна быть равна:

301,3 / 10  ̶ 301,3/ 12 = (30,13 – 25,12) м².

4. Из имеющихся стандартных фильтров (табл. 2.23) принимаем к установке фильтры со следующими параметрами:

• Диаметр: D=2600 мм.

• Площадь фильтрования: f=5,2 м².

5. Принимаем количество фильтров 7 штук (округленно), из которых 6, загруженные антрацитом, будут находиться в работе, а седьмой будет служить для гидроперегрузки антрацита и подключения в работу, когда один из первых шести фильтров выключится на ремонт или ревизию. а=6.

6. Нормальная скорость фильтрования составит: w_н = 301,3/5,2 ·6 =8,79,66 м/ч,

а в периоды промывки одного из них: w_м = 301,3 /5,2 ·5= 10,811,59 м/ч.

7. Согласно данным табл. 2.22 выбираем интенсивность взрыхляющей промывки фильтров, равную i = 12 л/с-м², продолжительность взрыхляющей промывки фильтров составит t = 20 мин.

При такой длительности каждая промывка фильтра потребует следующего количества осветленной воды:

Q_пром. = i·f·60·t /1000 = 12·5,2·60·20/1000 =74,88 м³.

8. Суточный расход промывочной воды при двух ежесуточных промывках каждого из четырех работающих фильтров равен: 

Q_{пром.(сут)} = Q_пром. ·m·a= 74,88·2·6=898,56 м³.

 

Расчет  устройства для частичной нейтрализации щелочности серной кислоты

Смеситель известкованно-обескремненной воды с  раствором серной кислоты должен быть включен в трубопровод, идущий от механических фильтров к основным натрий-катионитовым фильтрам. Следовательно, нейтрализации будет подвергаться 301,3 м³ осветленной воды.

1. Емкость смесителя достаточна в размере, обеспечивающем пребывание в нем нейтрализуемой воды в течение 0,25 мин, и составляет:

V = Q_мех·τ/60= 301,3·0,25 /60 = 1,26 м³.

2. В работе установки предусматривается дополнительное снижение щелочности осветленной воды на 0,3 мг-экв/л. Значит, суточный расход 100%-ной серной кислоты будет равен:

Q_к = К₁·Q_мех·24 /100 = (0,3·49) ·301,3·24 / 1000= 106,3 кг, где

К₁ - доза кислоты в мг/л, К₁ = 0,3·49=14,7 (49 - эквивалентная масса серной кислоты).

3. Суточный расход технической 75%-ной серной кислоты с удельным весом 1,67 составит:

Q_к(сут) = Q_к·100 / 75 = 106,3·100 / 75 = 141,7 кг или 141,7/1,67 = 84,9 л.

Месячный  расход технической серной кислоты  равен: 141,7 ·30 = 4251 кг или 84,9 ·30= 2547, л.

 

Расчет осветлителей для коагуляции и известкования

1. Осветлители должны иметь среднечасовую нагрузку с учетом промывки механических фильтров, равную

Q= Q_мех + Q_пром.(сут)= 301,3 + 898,56 /24 = 338,74 м³/ч.

Кроме того, в предварительных расчетах производительность установки должна быть увеличена на 10% от общей производительности  с учетом собственных нужд осветлителя. Таким образом, осветлители должны обеспечивать среднечасовую нагрузку, равную:

Q_осв=Q·1,1=338,74·1,1=373 м³/ч.

2. Выбираем ближайший по производительности осветлитель для коагуляции и известкования воды марки ВТИ 400-И со следующими показателями:

Производительность: Q_осв=400 м³/ч;

Общий объем: V=650 м³;

Площадь сечения зоны осветления: f=80 м²;

Диаметр: D=11 м;

Общая высота: Н=11,9 м;

3. Обычно устанавливаются два осветлителя, на половинную нагрузку каждый для обеспечения непрерывной работы установки в моменты остановки одного из осветлителей на продувку. При установленной среднечасовой нагрузке осветлителей, равной 373 м³/ч, время пребывания обрабатываемой воды в осветлителях равно:

t = V· N/Q_осв  = 650·2 / 373 = 3,49 ч;

4. Скорость подъема обрабатываемой воды в выходной зоне осветлителя составит:

W= Q_осв/ f ·N = 373 /80·2=2,33 м/ч;

5. Количество шлама, образующегося при известковании, коагуляции и магнезиальном обескремнивании, приближенно определится по формуле:

Q_шл = В + 50·(Ж_Са + Д_и) + 0.56·а·Д_и + 0.53·К + 0.29 ·Ж _Мg+

+ [(SiO₃)_исх ·Д_MgО / α_Mgo]·100 + 0.75·О_рг=

=100+50·(2,4+4,3)+0,56·50·4,3+0,53·0,5+

+0,29·0+(19,1·15·100)/75+0,75·13,475=949,8 г/м³,

  где В - количество взвешенных веществ в исходной воде, г/м равное 100г/м³;

Ж_Са , Ж_Mg  - кальциевая и магниевая жесткость, соответственно, удаляемые при известковании, мг-экв/л;

Д_и — доза извести, мг-экв/л;

К - доза коагулянта - сернокислого железа, мг-экв/л;

а - количество примесей в дозируемом известковом  молоке; принимается равным (20-50)%;

α_МgO – содержание MgO в техническом продукте;

Д_MgО – доза MgO (мг) на 1 мг исходного содержания SiO₃^2-, обычно принимается 15 г на 1г SiO₃^2-;

О_рг - исходное содержание в обрабатываемой воде органических загрязнений, мг/л.

Чтобы рассчитать количество образующегося  при известковании и коагуляции шлама, требуется установить дозу извести  Д_и.

Дозировка Д_и извести при коагуляции осуществляется в зависимости от состава исходной воды.

Т.к. имеет место условие:

 

то  доза извести принимается равной:

 

Содержание магния после осветлителей такое же, как и в исходной воде, т.е. Мg=0,8мг-экв/л. Общая жесткость воды, поступающей на натрий-катионитовые фильтры первой ступени, составляет Ж_о = 3,8 мг-экв/л. Из них 0,8 мг-экв/л приходится на магниевую жесткость и только 3 мг-экв/л – на кальциевую.значит при известковании удаляется кальций в количестве:

Ж_Са =Са_и.в.- 3= 5,4-3 = 2,4 мг-экв/л,

где Са_и.в. – содержание кальция в исходной воде, мг-экв/л.

Образующиеся осадки выводятся  из осветлителей путем непрерывной продувки их из шламосборников. Величина продувки осветлителя:

Р = [(Q_шл –В_о)/(1000 ·б_ср)] ·100 = [(949,8 – 5)/1000·75]·100 =1,3%,

 где Во - остаточное содержание взвешенных веществ в обработанной воде после осветлителей (остаточное содержание взвеси от 5 до 10 мг/л),

бср - средняя концентрация взвешанных веществ в уплотненном осадке, г/л, принимается в размере (75 - 150) г/л.

Расход  продувочной воды из обоих осветлителей составит:

Q_осв·Р/100= 373·1,3/100 = 4,85м³.

Таким образом, с учетом непрерывной  продувки на осветлители должно подаваться исходной воды в количестве:

Q=Q_осв+P·Q_осв/100=373+(1,3·373)/100=377,85 м³/ч.