Умягчение воды методом ионного обмена

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 HCO32 Ca Кат. 2 NaHCO3 2 H Кат. MgCl2 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 NaCl 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 СО1. Предварительная обработка исходных данных. Проверка данных химического анализа воды производится путем сопоставления суммы катионов

Ca2, Mg2, Na, К с суммой анионов Cl SO4-2, НСО3- 1. К Ca2 Mg2 Na K 4.0 2.4 0.9 7.3 мг-эквл 2. А HCO3- Cl- SO4-2 5.1 0.7 1.5 7.3 мг-эквл Вывод Сумма катионов равна сумме анионов, следовательно, данные химического анализа воды верны. 1. Определяется общая жесткость исходной воды. Жо Ca2 Mg2 4.0 2.4 6.4 мг-эквл 2. Определяется карбонатная жесткость исходной воды.

Жк HCO3- 5.1 мг-эквл 3. Определяется щелочность исходной воды. Що Жк 5.1 мг-эквл 4. Определяется не карбонатная жесткость. Жнк Жо Жк 6.4 5.1 1.3 мг-эквл 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 0,5 5.1 6.4 0.79 0.5 Жнк 3.5 мг-эквл Жнк 1.3 3.5 мг-эквл SO4-2 Cl- 3 4 мг-эквл 1.5 0.7 2.2 3 мг-эквл Na K 1 2 мг-эквл 0.9 2 мг-эквл Последовательное H-Na-катионирование применяется при условии

Жк Жо 0.5 5.1 6.4 0.79 0.5 - Жнк 3.5 мг-эквл Жнк 1.3 3,5 мг-эквл - SO4-2 Cl- 3 4 мг-эквл 1.5 0.7 2.2 3 мг-эквл - 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. 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 АЩо м3час 7 где qпол полезная производительность Н-Na-катионитных фильтров, qпол. Qсут. 2411002445.8 м3час, Що- щелочность исходной воды, Що5.1 гр-эквм3, Щу- щелочность умягченной воды, А- сумма концентраций анионов, А 7.3 гр-эквм3, qHпол.

45.8 5.1-0.35 7.35.1 17.5 м3час Определяется расход воды на Na-катионитные фильтры qNaпол. qпол qHпол. м3час 8 qNaпол. 45.8 - 17.5 28.3 м3час 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 0.250.7 мм. Полная обменная способность - Еполн. 570 эквм3. Определяется объем катионита в Н-Na-катионитных фильтрах. Объем катионита в Н- катионитных фильтрах, вычисляется по 1,прил.7,п.26 WH 24qHпол.ЖоСNanHpEHраб. м3 9 где СNa- концентрация в исходной воде, СNa0.9 гр-эквм3 , nHp- число регенераций каждого Н-катионитного фильтра в сутки, принимается по 1,прил.7,п.14

от 12. nHp2, EHраб рабочая обменная емкость Н-катионита, вычисляется по Формуле 1,прил.7,п.27 EHраб. н Еполн. 0.5qуд.Ск гр-эквм3 10 Где н- 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. н0.85, 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-эквм3 , EHраб. 0.85570 0.547.3 469.9 гр-эквм3, WH 2417.56.40.92469.9 3.6 м3, Объем катионита в Na-катионитных фильтрах вычисляется по формуле 1,прил.7,п.26 WNa 24qNaпол.Жо nNapENaраб. м3 11 Где nNap- число регенераций каждого Na-кат. фильтра в сутки принимается согласно 1,прил.7,п.14 от 13. nNap2,

ENaраб рабочая обменная емкость Na-катионит. фильтра вычисляется по 1,прил.7,п.15 ENaраб. NaNaЕполн. 0.5qуд.Жо гр-эквм3 12 Где Na коэффициент эффективности регенерации Na-катион. фильтров принимается при удельно расходе поваренной соли NaCl 100 гр.гр экв. Na0.62 Na- коэфф. Учитывающий снижение обменной емкости, принимается 1,прил.7,п.15,табл.2 из соотношения СNa Жо 0.1 Na 0.83 ENaраб. 0.620.83570 0.546.4 293.3-12.8 гр-эквм3,

WNa 2428.36.42280.57.7 м3. 3.4. Определяется площадь H-Na-кат. фильтров. Площадь Н-кат. фильтров опред. по 1,прил.7,п.16 Fн WнHк, м2 13 где Hк- высота слоя катионита в фильтрах, Площадь Na-кат. фильтров определяется по 1,прил.7,п.16 FNa WNaHк, м2 14 Технические характеристики H-Na-кат. фильтров приведены в таблице

Диаметр Фильтра, Мм.Высота кати- онита, Нк, м.Основные РазмерыВес, т.Строительная ВысотаДиаметр прово-дящего патрубкаН-катионитные фильтры.70018003200401.770020003200402.1 100020003600505. Na-катионитные фильтры. Fн WнHк 3.62 1.7 м2 Площадь одного Н-катион. фильтра fн d24 0.785 м2 , Количество рабочих Н-катион. фильтров Fн fн 1.70.785 2 шт. Принимается 2 рабочих

Н-катионид. фильтра. FNa WNaHк 7.72 3.85 м2 Площадь одного Na-катион. фильтра fн d24 1.76 м2 Количество рабочих Na-катион. фильтров FNa f Na 3.851.76 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. fнnн мч 15 Где fн- площадь одного Н- кат. фильтра, nн- количество рабочих Н-кат. фильтров. Vнор. 17.50.7852 11 мч Для Na-катионит. фильтров Vнор. qNaпол. fNanNa мч 16 Vнор. 28.31.762 8 мч Скорость фильтрования воды через катионит при нормальном режиме, не должна превышать при общей жесткости воды до 10 гр-эквм3 6.4, скорость не должна превышать 15 мч 15 мч. 3.6. Определяется скорость фильтрования воды через катионит при формированном режиме один

рабочий фильтр отключен на регенерацию. VHфорс. qHпол.fHnH-1, мч 17 VHфорс. 17.50.7852-1 22.3 мч VNaфорс. qNaпол.fNanNa-1, мч 18 VNaфорс. 28.31.762-1 16 мч При форсированном режиме допускаетс увеличение скорости фильтрования на 10 мчас 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 жд 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 fHHkEрабНн1000 , кг 19

PH 73.7 кг Определяется суточный весовой расход H2SO4 для регенерации всех рабочих Н-кат. фильтров. PHсут. PH nнnрн 73.722 294.8 кгсут 20 Определяется суточный весовой расход H2SO4 для регенерации всех рабочих Н-кат. фильтров. WHсут. PH сут.1008585 м3сут 21 WHсут. 0.195 м3сут 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 Pнnр1008585 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 Pнnр10011 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 м3ч , Qн 3 м3ч. Qн Vнfн 40.785 3 м3ч 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 fNaHkENa раб.ас 1000 кг 26 PNa 1.762280.5100 1000 98.7 кг

Определяется суточный весовой расход NaCl для регенерации всех рабочих Na- кат. фильтров РNaсут PNanNanpNa кгсут 27 РNaсут 98.722 394.8 кгсут 500 кгсут При суточном расходе NaCl до 500 кгсут 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 30PNaсут , т 28 PNaмес 30394.8 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 Na25 , 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 VNafNa м3 час 32 Где VNa скорость движения р-ра NaCl через катионитную загрузку, fNa S одного кат. ф-ра. QNa 41.76 7 м3 час 4.2.4. Перед регенерацией H-Na кат. ф-ов необходимо проводить взрыхление загрузки для более эффективной регенерации.

Wб.взр. 2Wвзр.f60tвр. 1000 м3 33 Где Wвзр. интенсивность подачи воды для взрыхления катионита Где Wвзр. 4 лс на 1м2 f 1.76 наибольшая S катион. Ф-ов tвр. продолжит. взрыхления катионита 20-30мин. Wб.взр. 241.766025 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 44Що , гм3 34 где CO2 о- содержание CO2 в исходной воде. CO2 о CO2 CO2 - содержание углерода в воде в зависимости от pH рН 6.87.5 CO2 80 гм3 0.5 CO2 о 40 гм3 CO2 св. 40445.1 264.4 гм3

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 гм3 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 60 м3г на 1м2 Fg qпол м2, 35 qпол. полезная производительность H-Na-кат.ф. Fg 45.860 0.76 м2 Определяется объем слоя насадки Vн Fg hн , м3 36 Vн 0.765.7 4.3 м3 Опред. Диаметр дегазатора

D 4 Fg 0.96 м 37 Характеристика насадки колец Рашига Размеры эл-та насадки 25254 мм Кол-во эл-ов в 1 м3 55 тыс. Удельная пов-ть насадки 204 м2м3 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 , м3час 38 Qвент. 45.815 687 м3час 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 3040 мм вод. Столба. Напор Hвент. Sнас. hн Sпрочие 39 Hвент. 305.7 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, м3сут 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 м3сут 5.2. Определяется расход воды на приготовление регенерационных растворов кислоты и соли. Q2 q1 nн nнр q26 q8nNa nрNa, м3сут 42 q1 7.3 м3сут q26 0 q8 Wнс 26 8 1000 1.3 м3сут Q2 7.3 2 2 0 1.3 2 2 34.4 м3сут 5.3. Определяется расход воды на отмывку катионита после регенерации.

Q3 Wотм. f Hк nн nнр nNa nNaр м3сут 43 Wотм. уд. расход отмывочной воды приним. по 1.прил.7 п.21 Wотм. 56 м3 на 1м3 катионита. Q3 5 1.76 2 2 2 2 2 281.6 м3сут Qтех. Q1Q2Q3 485 м3сут 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 11,5

мсек. Расчет ведется с использованием литеатуры 4 и сводится в таблицу Назначение ТрубопроводовРасход, лсСкорость, мсДиаметр, ммМатериал1. Трубопровод подачи исходной воды на станцию умягчения.18.81.04150Чугун2. Трубопровод подачи и отвода воды для взрыхления.1.91.4450Полиэтилен3. Трубопровод подачи и отвода 1 регенерац. р-ра серной кислоты.0.341.0725Полиэтилен4.

Трубопровод подачи и отвода 8 регенера- ционного р-ра соли.0.061.1912Полиэтилен5. Трубопровод подачи 100 кислоты.0.0020.476Сталь6. Трубопровод отвода умягченной воды.12.71125Чугун 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 му фильтрами не 1 метра для удодного прохода 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.