Введение.
На железнодорожном транспорте имеются предприятия, для работы которых требуется вода с малой жесткостью.
Известно, что жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Использование жесткой воды приводит к образованию накипи на внутренней поверхности котлов и теплообменных аппаратов, что снижает эффективность их работы.
В настоящее время один из наиболее распространенных способов умягчения воды является метод ионного обмена. Снижение жесткости воды ионным обменом основано на способности определенных или некоторых искусственных материалов (катионитов) которые имеют в своем составе обменные ионы Na+, Н+. Способные обмениваться на ионы Са2+, Мg2+. Реакция обмена: 2 Na [Кат. ] + Ca (HCO3)2 Ы Ca [Кат. ] + 2 NaHCO3 2 H [Кат. ] + MgCl2 Ю Mg [Кат. ]2 + 2 HCl
К катионитам относятся глауконитовый песок, гумусовые угли, сульфоуголь, искусственные смолы (КУ-1, КУ-2).
В процессе фильтрации воды через катиноитную загрузку ее обменная способность уменьшается, поэтому необходимо периодически регенерировать (восстанавливать фильтрирующий материал). Реакции регенерации: Ca [Кат. ]2 + 2 NaCl Ю 2 Na [Кат. ] + CaCl2 Na – катионидные фильтры регенерируются раствором NaCl Mg [Кат. ]2 + H2SO4 = 2 H [Кат. ] + MgSO4
Н – катионидные фильтры регенерируются раствором серной кислоты – Н2SO4. Для реализации представленных химических процессов устраивают специальное сооружение– станцию умягчения воды.
Целью курсового проекта является расчет основного технологического оборудования–Н-Na- катионитных фильтров и вспомогательного оборудования - кислотное хозяйство, солевое, дегазатор для удаления газов– СО2. 1. Предварительная обработка исходных данных.
Проверка данных химического анализа воды производится путем сопоставления суммы катионов: Ca+2, Mg+2, Na+, К+ с суммой анионов: Cl-, SO4-2, НСО3-: (1). К = [Ca+2] + [Mg+2] + [Na+] + [K+] = 4. 0 + 2. 4 + 0. 9 = 7. 3 мг-экв/л
(2). А = [HCO3-] + [Cl-] + [SO4-2] = 5. 1 + 0. 7 + 1. 5 = 7. 3 мг-экв/л
Вывод: Сумма катионов равна сумме анионов, следовательно, данные химического анализа воды верны. 1. 1. Определяется общая жесткость исходной воды.
Жо = [Ca+2] + [Mg+2] = 4. 0 + 2. 4 = 6. 4 мг-экв/л (3). 1. 2. Определяется карбонатная жесткость исходной воды.
Жк = [HCO3-] = 5. 1 мг-экв/л (4). 1. 3. Определяется щелочность исходной воды.
Що = Жк = 5. 1 мг-экв/л (5). 1. 4. Определяется не карбонатная жесткость.
Жнк = Жо – Жк = 6. 4 – 5. 1 = 1. 3 мг-экв/л (6). 2. Выбор и обоснование принципиальной схемы умягчения воды.
Умягчение воды методом ионного обмена может осуществлять: параллельным катионированием, последовательным катионированием, совместным H-Na-катионированием. Выбор схемы умягчения воды осуществляется на основании сопоставления данных химического анализа исходной воды. Параллельное H-Na-катионирование применяется при условии:
Жк / Жо і 0, 5 5. 1 / 6. 4 = 0. 79 і 0. 5 + Жнк Ј 3. 5 мг-экв/л Жнк = 1. 3 Ј 3. 5 мг-экв/л +
SO4-2 + Cl- Ј 3 … 4 мг-экв/л 1. 5 + 0. 7 = 2. 2 Ј 3 мг-экв/л + Na+ + K+ Ј 1 …2 мг-экв/л 0. 9 Ј 2 мг-экв/л +
Последовательное H-Na-катионирование применяется при условии: Жк / Жо Ј0. 5 5. 1 / 6. 4 = 0. 79 > 0. 5 Жнк і 3. 5 мг-экв/л Жнк = 1. 3
SO4-2 + Cl- і 3 … 4 мг-экв/л 1. 5 + 0. 7 = 2. 2 Na+ + K+ не лимитируются
На основании полученных результатов принимается параллельная схема H-Na-катионирования. Техническая схема параллельного H-Na-катионирования:
3. Расчет основного технологического оборудования станции умягчения воды
К основному технологическому оборудованию станции умягчения Воды Н-Na-катионитные фильтры. Расчет ведется на основании нормативной литературы.
3. 1. Определяется соотношение расходов воды подаваемой на Н-Na-катионитные фильтры.
При параллельной схеме Н-Na-катионирования расчет ведется согласно [1, прил. 7, п. 25]:
Определяется расход воды подаваемой на Н-катионитные фильтры. qHпол. = qпол. ( Що-Щу ) / ( А+Що ) м3/час (7)
где qпол. - полезная производительность Н-Na-катионитных фильтров, qпол. = Qсут. / 24=1100/24=45. 8 м3/час, Що- щелочность исходной воды, Що=5. 1 гр-экв/м3, Щу- щелочность умягченной воды, А- сумма концентраций анионов, А= 7. 3 гр-экв/м3,
qHпол. = 45. 8*( 5. 1-0. 35 ) / ( 7. 3+5. 1 ) = 17. 5 м3/час Определяется расход воды на Na-катионитные фильтры: qNaпол. = qпол. - qHпол. м3/час (8) qNaпол. = 45. 8 - 17. 5 = 28. 3 м3/час 3. 2. Выбирается катионит для загрузки фильтров по [6]:
Принимается сульфауголь мелкий 1 сорта с техническими характеристиками: Внешний вид катионита – черные зерна неправильной формы. Диаметр зерен катионита – 0. 25…0. 7 мм. Полная обменная способность - Еполн. = 570 экв/м3
3. 3. Определяется объем катионита в Н-Na-катионитных фильтрах. Объем катионита в Н- катионитных фильтрах, вычисляется по [1, прил. 7, п. 26]: WH = 24*qHпол. (Жо+СNa)/(nHp*EHраб. ) м3 (9) где СNa- концентрация в исходной воде, СNa=0. 9 гр-экв/м3 ,
nHp- число регенераций каждого Н-катионитного фильтра в сутки, принимается по [1, прил. 7, п. 14]: от 1…2. nHp=2,
EHраб. - рабочая обменная емкость Н-катионита, вычисляется по Формуле [1, прил. 7, п. 27]: EHраб. = aн* Еполн. – 0. 5*qуд. *Ск гр-экв/м3 (10)
Где aн- коэффициент эффективности регенерации Н-катионитных фильтров, принимается по [1, прил. 7, п. 27, табл. 4]:
При удельном расходе Н2SO4 на регенерацию 100 гр. /гр. -экв. aн=0. 85,
qуд. - удельный расход воды на отмывку 1 м3 катионита (для сульфо угля принимается 4 м3), qуд. =4 м3, Ск – общее содержание в воде катионидов, Ск =7. 3 гр-экв/м3 , EHраб. = 0. 85*570 – 0. 5*4*7. 3 = 469. 9 гр-экв/м3, WH = 24*17. 5(6. 4+0. 9)/(2*469. 9) = 3. 6 м3, Объем катионита в Na-катионитных фильтрах вычисляется по формуле [1, прил. 7, п. 26]: WNa = 24*qNaпол. (Жо* nNap)*ENaраб. м3 (11) Где nNap- число регенераций каждого Na-кат. фильтра в сутки принимается согласно [1, прил. 7, п. 14] от 1…3. nNap=2, ENaраб. - рабочая обменная емкость Na-катионит. фильтра вычисляется по [1, прил. 7, п. 15]: ENaраб. = aNa*bNa*Еполн. – 0. 5*qуд. *Жо гр-экв/м3 (12) Где aNa – коэффициент эффективности регенерации Na-катион. фильтров принимается при удельно расходе поваренной соли NaCl 100 гр. /гр. -экв. aNa=0. 62 bNa- коэфф. Учитывающий снижение обменной емкости, принимается [1, прил. 7, п. 15, табл. 2] из соотношения: СNa / Жо= 0. 1 bNa= 0. 83
ENaраб. = 0. 62*0. 83*570 – 0. 5*4*6. 4 = 293. 3-12. 8 гр-экв/м3, WNa = 24*28. 3(6. 4/2)*280. 5=7. 7 м3. 3. 4. Определяется площадь H-Na-кат. фильтров. Площадь Н-кат. фильтров опред. по [1, прил. 7, п. 16]: Fн = Wн/Hк, м2 (13) где Hк- высота слоя катионита в фильтрах,
Площадь Na-кат. фильтров определяется по [1, прил. 7, п. 16]: FNa = WNa/Hк, м2 (14)
Технические характеристики H-Na-кат. фильтров приведены в таблице: Диаметр Фильтра, Мм. Высота кати онита, Нк, м. Основные Размеры Вес, т. Строительная Высота Диаметр прово-дящего патрубка Н-катионитные фильтры. 700 1800 3200 40 1. 7 700 2000 3200 40 2. 1 1000 2000 3600 50 5. 3 1500 2000 3950 80 10 2000 2500 4870 125 15 Na-катионитные фильтры. 1000 2000 3597 50 5 1500 2000 3924 80 10 2000 2500 4870 125 15 Fн = Wн/Hк = 3. 6/2 = 1. 7 м2 Площадь одного Н-катион. фильтра: fн = (p*d2)/4 = 0. 785 м2 , Количество рабочих Н-катион. фильтров: Fн/ fн = 1. 7/0. 785 = 2 шт. Принимается 2 рабочих Н-катионид. фильтра. FNa = WNa/Hк = 7. 7/2 = 3. 85 м2 Площадь одного Na-катион. фильтра: fн = (p*d2)/4 = 1. 76 м2 Количество рабочих Na-катион. фильтров: FNa/ f Na= 3. 85/1. 76 = 2 шт. Принимается 2 рабочих Na-катионид. фильтра. 3. 5. Определяется скорость фильтрования воды через катионитные фильтры при нормальном режиме работы (работают все рабочие фильтры). Для Н-катионит. фильтров: Vнор. = qHпол. /( fн*nн) м/ч (15) Где fн- площадь одного Н- кат. фильтра, nн- количество рабочих Н-кат. фильтров. Vнор. = 17. 5/(0. 785*2) = 11 м/ч Для Na-катионит. фильтров: Vнор. = qNaпол. /( fNa*nNa) м/ч (16) Vнор. = 28. 3/(1. 76*2) = 8 м/ч
Скорость фильтрования воды через катионит при нормальном режиме, не должна превышать при общей жесткости воды до 10 гр-экв/м3 (6. 4), скорость не должна превышать 15 м/ч
3. 6. Определяется скорость фильтрования воды через катионит при формированном режиме (один рабочий фильтр отключен на регенерацию). VHфорс. = qHпол. /fH*(nH-1), м/ч (17) VHфорс. = 17. 5/0. 785*(2-1) = 22. 3 м/ч VNaфорс. = qNaпол. /fNa*(nNa-1), м/ч (18) VNaфорс. = 28. 3/1. 76*(2-1) = 16 м/ч
При форсированном режиме допускаетс увеличение скорости фильтрования на 10 м/час по сравнению с вышеуказанной.
4. Расчет вспомогательного оборудования станции умягчения воды. Восстановление обменной способности, т. е. регенерации кат. фильтров осуществляется путем вытеснения из ка тионита ионов Ca2+ , Mg2+ ионнами H+ , Na+ . Для реализации указанного процесса требуется устройство вспомогательного оборудования. К вспомогательному оборудованию относятся: 1). Кислотное хоз-во. 2). Солевое зоз-во.
3). Насосы и аппараты для подачи воды и регенерирующих растворов на фильтры.
4. 1. Серное хоз-во для хранения, приготовления и перекачки раствора H2SO4. Кислотное хоз-во включает: 1). Цистерны для хранения кислоты. 2). Бак мерник конц. серной кислоты. 3). Бак для регенерационного раствора. 4). Вакуумнасосы. 5). Эжектор. На станцию H2SO4 поставляется в ж/д цистернах в виде 100%
раствора. Затем H2SO4 перекачивается в стационарные цистерны (цистерны хранилища) с месячным запасом реагента. Расчет начинают с определения расхода 100% H2SO4 на одну Регенерацию Н-кат. фильтра по [1, прил. 7, п. 31]: PH = (fH*Hk*EрабН*aн)/1000 , кг (19) PH = 73. 7 кг
Определяется суточный весовой расход H2SO4 для регенерации всех рабочих Н-кат. фильтров. PHсут. = PH *nн*nрн = 73. 7*2*2 = 294. 8 кг/сут (20)
Определяется суточный весовой расход H2SO4 для регенерации всех рабочих Н-кат. фильтров. WHсут. = (PH сут. *100%)/(85%*r85%) м3/сут (21) WHсут. = 0. 195 м3/сут Определяется месячный расход H2SO4 для регенерации Н-кат. фильтров. WHмес. = 30* WHсут. м3 (22) WHмес. = 6 м3 Промышленностью выпускаются цистерны для хранения кислоты емкостью 15 м3 в проекте принимается не менее двух цистерн емкостью 15 м3 (вторая цистерна на случай аварии).
4. 1. 2. Определяется объем бакомерника из условия регенерации одного фильтра при количестве рабочих Н-кат. фильтров до 4 , [1. прил. 7, п. 32]: W85% = (Pн*nр*100%)/(85%*r85%) = 0. 05 м3 (23) Принимается бак мерник объемом 0. 09 м3 , наружный диаметр 450 мм, строит. высота 45 мм, вес 98 кг.
Подача серной к-ты из цистерн хранилищ в баке мернике происходит за счет вакуума создаваемого насосом, затем с помощью эжектора H2SO4 перемешивается с водой и поступает в бак регенерационного раствора.
4. 1. 3. Определяется объем бака для 1% регенерационного раствора H2SO4 на регенерацию одного Н-кат. фильтра. W1% = (Pн*nр*100%)/(1%*r1%) = 7. 3 м3 (24)
Принимается бак 1% регенерационного раствора H2SO4 размерами: B = 2 м H = 1. 5 м 7. 5 м3 L = 2. 5 м Для перекачки регенерационного раствора H2SO4 принимается 2 насоса серии ”Х” (химически стойкие) напором Нн = 20 м и подачей Qн = 3 м3/ч , (Qн = 3 м3/ч). Qн = Vн*fн = 4*0. 785 = 3 м3/ч (25) К установке принимается 1 рабочий и один резервный насос. 4. 2. Устройства для хранения, приготовления и перекачки раствора поваренной соли NaCl.
Для регенерации Na-кат. фильтров устраивается солевое хозяйство. Регенерация Na-кат. фильтров производится 8% раствором NaCl. 4. 2. 1. Определяется расход поваренной соли NaCl на 1 регенерацииNa-кат. фильтра [1, прил. 7, п21]: PNa = (fNa*Hk*ENa раб. *ас) / 1000 кг (26) PNa = (1. 76*2*280. 5*100) / 1000 = 98. 7 кг Определяется суточный весовой расход NaCl для регенерации всех рабочих Na- кат. фильтров: РNaсут = PNa*nNa*npNa кг/сут (27) РNaсут = 98. 7*2*2 = 394. 8 кг/сут При суточном расходе NaCl до 500 кг/сут устраивают сухое хранение соли на складе с последующим приготовлением 8% регенерационного раствора. Принимается Сухое хранение.
Определяется месячный весовой расход поваренной соли для регенерации Na-кат. ф-ов. PNaмес = 30*PNaсут , т (28) PNaмес = 30*394. 8 = 12 т 4. 2. 2. Определяется площадь склада для сухого месячного хранения соли из условия, что высота NaCl не должна превышать 2. 5 метра. FNacyх. хран. = PNaмес / rNa*25 , м2 (29) FNacyх. хран. = 6 м2 Принимается склад сухого хранения размерами: H = 2. 5 B = 2 6 м L = 3
Определяется объем напорного солерастворителя из расчета расхода соли на 1 регенерацию фильтра. Принимается напорный солерастворитель со след. техническими характеристиками по [6]: полезная емкость (100 кг) объем (0. 4 м3) диаметр (45 мм)
Определяется объем бака для 8% регенерационного раствора NaCl на одну регенерацию Na-кат. ф. W8% = (WH. C. * 26%) / 8% = 1. 3 м3 (30) Принимается бак 8% регенерац. Раствора NaCl размерами: L = 1. 3 B = 1 1. 3 м3 H = 1 4. 2. 3. Для перекачки раствора NaCl устанавливаются 2 насоса: - один рабочий, - один резервный. Характеристики насоса: Напор: HNa = 20 м Подача: QNa = VNa*fNa м3 /час (32) Где VNa – скорость движения р-ра NaCl через катионитную загрузку, fNa – S одного кат. ф-ра. QNa = 4*1. 76 = 7 м3 /час
4. 2. 4. Перед регенерацией H-Na –кат. ф-ов необходимо проводить взрыхление загрузки для более эффективной регенерации. Wб. взр. = (2*Wвзр. *f*60*tвр. ) / 1000 м3 (33)
Где Wвзр. – интенсивность подачи воды для взрыхления катионита Где Wвзр. = 4 л/с на 1м2 f = 1. 76 (наибольшая S катион. Ф-ов) tвр. – продолжит. взрыхления катионита (20-30мин. ) Wб. взр. = (2*4*1. 76*60*25) / 1000 = 21. 2 м3 L = 7 B = 2 22. 4 > 22 м3 H = 1. 6 4. 3. Устройство для удаления из воды углекислоты.
Для удаления CO2 из Н-Na-кат. Воды предусматривается дегазатор С насадкой из колец Рашега – кислотоупорных керамических [1. прил. №7. ,п. 34]
4. 3. 1. Определяется содержание CO2 или двуокиси углерода в воде подаваемой на дегазатор. (CO2 )св. = (CO2 )о + 44*Що , г/м3 (34) где (CO2 )о- содержание CO2 в исходной воде. (CO2 )о = (CO2 )**b (CO2 )*- содержание углерода в воде в зависимости от pH рН = 6. 8…7. 5 (CO2 )* = 80 г/м3 b = 0. 5 (CO2 )о = 40 г/м3 (CO2 )св. = 40+44*5. 1 = 264. 4 г/м3 По полученному значению содержание CO2 в воде
Определяется высота слоя насадки hн , м необходимая для понижения Содержания CO2 в катионированной воде [1. прил. №7. ,п. 34, табл. 5] Для (CO2 )св. = 264. 4 г/м3 hн =5. 7 Пленочный дегазатор представляет собой колонну загруженную насадкой из керамических кислотоупорных колец Рашига, по которым вода стекает тонкой пленкой, на встречу потоку воды поток воздуха нагнетаемой вентилятором. 4. 3. 2. Определяется S поперечного сечения дегазатора. из условия плотности орошения согласно [1. прил. №7. ,п. 34, табл. 5].
Плотность орошения при керамической насадке r = 60 м3/г на 1м2 Fg = qпол. / r , м2, (35) qпол. – полезная производительность H-Na-кат. ф. Fg = 45. 8/60 = 0. 76 м2 Определяется объем слоя насадки: Vн = Fg * hн , м3 (36) Vн = 0. 76*5. 7 = 4. 3 м3 Опред. Диаметр дегазатора: D = Ц(4* Fg )/p = 0. 96 м (37) Характеристика насадки колец Рашига: Размеры эл-та насадки: 25*25*4 мм Кол-во эл-ов в 1 м3 : 55 тыс. Удельная пов-ть насадки: 204 м2/м3 Вес насадки: 532 кг
Вентилятор дегазатора должен обеспечивать подачу воздуха из расчета 15 м3 воздуха на 1 м3 воды по [1. прил. №7. ,п. 34], тогда производительность вентилятора определяется: Qвент. = qпол. * 15 , м3/час (38) Qвент. = 45. 8*15 = 687 м3/час Напор вентилятора определяется с учетом сопротивления в керамической насадке: Sн = 30 мм водяного столба на 1 м. Прочие сопротивления принимаются по [1. прил. №7. ,п. 34] Sпр = 30…40 мм вод. Столба. Напор: Hвент. = Sнас. * hн + Sпрочие (39) Hвент. = 30*5. 7 + 35 = 206 мм 5. 0. Определение расходов воды. Определение расходов воды слагается из потребления воды на следующие процессы: взрыхление кат. ф-ра перед регенерацией (Q1) приготовление регенерац. р-ов к-ты и соли (Q2) отмывка катионита после регенерации (Q3)
На все технологич. проц. Используют исходную неумягченную воду. Qтех. = Q1 + Q2 + Q3, м3/сут (40) 5. 1. Определяется расход воды на взрыхление катионита ф. перед регенерацией.
Q1 = (Wвзр. * f * nн * nрн * nNa *npNa * tвзр. * 60) /1000 (41)
Q1 = (4 * 1. 76 * 2 * 2 * 2 * 2 * 25 * 60) / 1000 = 169 м3/сут 5. 2. Определяется расход воды на приготовление регенерационных растворов кислоты и соли. Q2 = q1% * nн * nнр + (q26% + q8%)*nNa * nрNa, м3/сут (42) q1% = 7. 3 м3/сут q26% = 0 q8% = (Wнс * 26%) / 8% * 1000 = 1. 3 м3/сут Q2 = 7. 3 * 2 * 2 + (0 + 1. 3) * 2 * 2 = 34. 4 м3/сут
5. 3. Определяется расход воды на отмывку катионита после регенерации. Q3 = Wотм. * f * Hк * nн * nнр * nNa * nNaр м3/сут (43)
Wотм. – уд. расход отмывочной воды приним. по [1. прил. №7. ,п. 21]: Wотм. = 5…6 м3 на 1м3 катионита. Q3 = 5 * 1. 76 * 2 * 2 * 2 * 2 * 2 = 281. 6 м3/сут Qтех. = Q1+Q2+Q3 = 485 м3/сут 6. Расчет диаметров трубопроводов станции умягчения воды.
Определения диаметров трубопроводов дла транспортировки воды, растворов кислоты и соли рекомендуется производить из величин соответствующих расходов и скорости движения жидкости, принимается в пределах 1…1, 5 м/сек. Расчет ведется с использованием литеатуры [4] и сводится в таблицу: Назначение Трубопроводов Расход, л/с Скорость, м/с Диаметр, мм Материал Трубопровод подачи исходной воды на станцию умягчения. 18. 8 1. 04 150 Чугун 2. Трубопровод подачи и отвода воды для взрыхления. 1. 9 1. 44 50 Полиэтилен 3. Трубопровод подачи и отвода 1% регенерац. р-ра серной кислоты. 0. 34 1. 07 25 Полиэтилен 4. Трубопровод подачи и отвода 8% регенера ционного р-ра соли. 0. 06 1. 19 12 Полиэтилен 5. Трубопровод подачи 100% кислоты. 0. 002 0. 47 6 Сталь 6. Трубопровод отвода умягченной воды. 12. 7 1 125 Чугун
Для перекачки р-ов кислот и щелочей применяются трубы из нержавеющей стали или полиэтилена . Для перекачки концентрированных растворов кислот и щелочей
(более 80%) используются трубы из углеродистой стали или пластмассовые. Для перекачки воды используются трубы чугунные, асбесто-цеме нтные и железобетонные.
7. Компоновка основных и вспомогательных помещений станции умягчения воды. К основному помещению станции относится главный зал размещения H-Na-кат. ф. Зал имеет высоту на 2-2. 5 м выше полной высоты фильтров. В плане фильтры распологаются в 2 ряда. Расстояние м/у фильтрами не и обслуживания оборудования. К вспомогательным помещениям относятся: Помещения для складирования и приготовления регенерац. р-ов кислоты и соли. Помещения как правило одноэтажные с заглубленными участками для размещения емкостей и насосного оборудования. Основным компоновочным требованием явл. одинаковая отметка пола платформы для выгрузки соли и отметки верха баков. Помещение кислотного хоз-ва должно быть изолировано от солевого и иметь не менее 2-х выходов. Цистерны для хранения к-ты рекомендунтся распологать в отапливаемом помещении во избежание ее замерзания. Помещения лабораторий, мастерских, административного и рабочего персонала. Помещения поектируются в соответствии с требованиями жилой застройки. Дегазатор следует размещать в непосредственной близости от H-Na-кат. ф. в главном зале. Основные и вспомогательные помещения станции рекомендуется блокировать, что сокращает протяженность трубопроводов и повышает удобство в эксплуатации.