--PAGE_BREAK--Таблица 20.4
Примечания: 1. В скобках даны скорости фильтрования при загрузке мелким катионитом с крупностью зерен 0,3—0,8 мм.
1 Допускается кратковременное увеличение скорости на 10 м/ч по сравнению с указанными при выключении фильтра на регенерацию (максимально допустимая скорость). Скорость фильтрования менее 5 м/ч не допускается из-за возможного резкого снижения обменной емкости катионита.
Вода на взрыхляющую промывку должна подаваться насосами из бака, объем которого выбирается в зависимости от диаметра и числа фильтров, подлежащих одновременной промывке; кроме того, этот объем должен обеспечивать одну дополнительную промывку сверх расчетной. Насос, подающий воду в промывочный бак, должен обеспечивать его наполнение за время, меньшее, чем интервалы между промывками фильтров.
Допускается взрыхляющая промывка из трубопровода осветленной воды, если расход на взрыхление не превышает 50% общего расхода фильтрата. Промывка может осуществляться из бака осветленной воды, емкость которого должна предусматривать расход воды на промывку и дополнительную промывку сверх расчетного их числа. Скорости в трубопроводах, подающих и отводящих промывную воду, принимаются равными 1,5—2 м/с. Должны быть исключены возможность подсоса воздуха промывочным трубопроводом, а также подпор воды в отводящих трубопроводах.
2 Число регенераций каждого натрий — катионитного фильтра первой ступени в сутки принимается от одного до трех.
3 При производительности установки менее 20 м3/ч целесообразно при проектировании рассмотреть вариант промывки и регенерации только в дневную смену.
Объем катионита, м3, в фильтрах первой ступени
(20.19)
где Q— расход умягченной воды, м3/ч; Жи — общая жесткость исходной воды, г-экв/м3; epNa— рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании, г-экв/м3; п— 1 ...3 — число регенераций каждого фильтра в сутки.
Рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании
(20-20)
где αэNа — коэффициент эффективности регенерации (зависит от удельного расхода соли на регенерацию); βNa— коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по катионам Са(П) и Mg(II) вследствие частичного задержания катионов Na+; Еп — полная обменная емкость катионита, определяемая по паспортным данным; qy=4 … 6 — удельный расход воды на отмывку катионита, м3/м3 (табл. 20.4).
Площадь катионитовых фильтров первой ступени
(20.21)
где hK— 2… 3 — высота слоя катионита в фильтре, м.
Скорость фильтрования воды на катионитовых фильтрах первой ступени принимают в зависимости от жесткости исходной воды
Общая жесткость воды, мг-экв/л… до 5 5… 10 10...15
Скорость фильтрования, м/ч 25 15 10
Допускается кратковременное увеличение скорости фильтрования на 10 м/ч по сравнению с указанными выше значениями при выключении фильтров на регенерацию или ремонт.
Количество катионитовых фильтров первой ступени принимают: рабочих — не менее 2, резервных — 1.
Таблица 20.5
Потеря напора (м) в катнонитных фильтрах (включены потери в коммуникациях фильтра, в дренажной системе и катионите)
Примечание. В скобках даны потери иапора для мелкого катионита (зер- на крупностью 0,3—0,8 мм).
Водород-натрий-катионитовое умягчение воды
Обработка воды водород-катионированием (Н-катионированием) основана на фильтровании ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода. Процесс описывается следующими реакциями:
При Н-катионировании воды (табл. 20.6) значительно снижается ее рН из-за кислот, образующихся в фильтрате. Выделяющийся при Н-катионировании оксид углерода (IV) можно удалить дегазацией, и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию сульфатов и хлоридов в исходной воде.
Таблица 20.6
Н-катионирование в различных схемах обработки воды
Из приведенных выше реакций для натрий-катионитового умягчения воды видно, что щелочность воды в процессе ионного обмена не изменяется. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Na-катионитовых фильтров, можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущество Н—Na-катионитового метода умягчения воды. Применяют параллельное, последовательное и смешанное (совместное) Н—Nа-катионирование,
При параллельном Н—Nа-катионировании (рис. 20.15, а) одна часть воды пропускается через Na-катионитовые фильтры, другая — через Н-катионитовые фильтры, а затем оба потока смешивают. Образующиеся щелочные и кислые воды смешивают в такой пропорции, чтобы их остаточная щелочность не превышала 0,4 мг-экв/л. Для получения устойчивого и глубокого умягчения (до 0,01 мг-экв/л) воду после дегазатора пропускают через барьерный натрий-катионитовый фильтр.
Схему параллельного Н—Na-катионирования целесообразно применять в тех случаях, когда суммарная концентрация сульфатов и хлоридов в умягчаемой воде не превышает 4 мг-экв/л и содержание натрия не более 2 мг-экв/л.
При последовательном Н—Nа-катионировании (рис. 20.15,6) часть воды пропускают через Н-катионитовые фильтры, затем смешивают с остальной водой, полученную смесь пропускают через дегазатор для удаления оксида углерода (IV), а затем всю воду подают на натрий-катионитовые фильтры. Количество воды, подаваемое на Н-катионирование, определяют, как и при параллельном Н—Nа-катионировании. Подобная схема позволяет более полно использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на его регенерацию, поскольку отключение Н-катионитовых фильтров в данном случае диктуется не проскоком катионов жесткости порядка 0,5 мг-экв/л, а допускаемым их содержанием — 1,0 мг-экв/л. При повышенных требованиях к умягчению воды схема дополняется барьерными натрий-катионитовыми фильтрами. К недостатку схемы следует отнести большой расход электроэнергии, затрачиваемой на передачу воды через последовательно включенные фильтры. Схему последовательного Н—Nа-катионирования применяют при умягчении воды с повышенными жесткостью и содержанием солей; остаточная щелочность при этом составляет примерно 0,7 мг-экв/л.
Известна схема последовательного Н-Nа-катионирования воды при «голодном» режиме регенерации Н-катионитовых фильтров.
При обычном Н-катионировании регенерация проводится с удельным расходом кислоты, в 2,5—2 раза больше теоретически необходимого, который отвечает процессу эквивалентного обмена катионов между раствором и катионитом. Избыток кислоты, не участвующий в реакциях обмена ионов, сбрасывается из фильтра вместе с продуктами регенерации. При «голодной» регенерации Н-катионитного фильтра удельный расход кислоты равен его теоретическому удельному расходу, т. е. 1 г-экв/г-экв, или в пересчете на граммы для H2S04 — 49 г/г-экв. Все ионы водорода регенерационного раствора при этом полностью задерживаются катионитом, вследствие чего сбрасываемый регенерационный раствор и отмывочные воды не содержат кислоты. В отличие от обычных Н-катионитных фильтров, в которых весь слой катионита при регенерации переводится в Н-форму, при «голодном» режиме регенерируются, т. е. переводятся в Н-форму, только верхние слои, а нижние слои остаются в солевых формах и содержат катионы Ca(II), Mg(II) и Na(I).
Рис. 20.15. Схемы параллельного (а), последовательного (б) и совместного (в) водород-натрий-катионитового умягчения воды.
1,11 ~ подача исходной и отвод умягченной воды; 2 — солерастворитель; 3 — группа натрий-катионитовых фильтров; 4 — бак для взрыхления; 5 — дегазатор; 6 — резервуар умягченной воды; 7 — вентилятор; 8 — группа водород-катионитовых натрий фильтров; 9- бак для хранения раствора кислоты; 10 — насос; 12 — водород— катионитовый фильтр; 13 — буферный натрий-катионитовый фильтр
В верхних слоях катионита, отрегенерированного «голодной» нормой кислоты, при работе фильтра имеют место все реакции ионного обмена, приведенные выше. В нижележащих, неотрегенерированных слоях катионита ионы водорода образовавшихся минеральных кислот обмениваются на ионы Ca(II), Mg(II) и Na(I) по уравнениям
т. е. происходит нейтрализация кислотности воды и при этом восстанавливается ее некарбонатная жесткость, а зона слоя, содержащего ионы Н+, смещается постепенно книзу.
Так как содержащаяся в воде угольная кислота является слабой, в реакциях ионного обмена она может участвовать лишь после удаления сильных кислот. В самых нижних слоях фильтра этот процесс завершиться до полного восстановления карбонатной жесткости не успевает. Поэтому фильтрат имеет малую карбонатную жесткость (численно она равна щелочности) и содержит много углекислоты. К моменту окончания рабочего цикла фильтра ионы водорода, введенные в катионит при регенерации, полностью удаляются из катионита в виде Н2С03, которая находится в равновесии с дегидратированной формой СО2.
Технология Н-катионирования с «голодной» регенерацией обеспечивает получение фильтрата с минимальной щелочностью (исключение сброса кислых стоков при регенерации и кислого фильтрата в рабочем цикле). Она рекомендуется для обработки природных вод определенного состава и при использовании катионита средне- или слабокислотного типа при условиии правильного осуществления режима регенерации.
При непостоянстве качества исходной воды, неточном соблюдении рекомендаций по применению рассматриваемой технологии Н-катионирования во избежание колебаний щелочности и проскоков кислого фильтрата после Н-катионитных фильтров с «голодной» регенерацией в схеме ВПУ устанавливаются буферные нерегенерирующиеся фильтры с высотой слоя катионита 2 м и скоростью фильтрования до 40 м/ч. К буферным фильтрам не допускается подвод регенерационного раствора кислоты; взрыхляющая промывка осуществляется осветленной исходной водой.
Разработанная Н. П. Субботиной технология Н-катионирования с «голодной» регенерацией предназначена для обработки природных вод гидрокарбонатного класса. В гидрохимии к водам этого класса принято относить воды, в которых из числа главных анионов (SO42-, С1~, НСО3-) наибольшую концентрацию, выраженную в мг-экв/л, имеет ион НСО3-. Воды около 80% рек России принадлежат к гидрокарбонатному классу.
В процессе Н-катионирования с «голодной» регенерацией происходит частичное умягчение воды и существенное снижение ее щелочности; в результате удаления карбонатной жесткости достигается уменьшение общего солесодержания воды; концентрация углекислоты увеличивается на величину снижения щелочности. На эффект очистки воды влияет присутствие в исходной воде ионов натрия. Когда концентрация натрия невелика, общая жесткость фильтрата по величине близка к некарбонатной жесткости исходной воды и незначительно изменяется на протяжении рабочего цикла фильтра, так же как и общая щелочность фильтрата, которая составляет 0,3—0,5 мг- экв/л. Когда в исходной воде много натрия, щелочность фильтрата от начала рабочего цикла снижается, затем возрастает и в среднем за цикл составляет 0,7—0,8 мг-экв/л; в начале и конце рабочего цикла получается глубокоумягченный фильтрат, появление некарбонатной жесткости наблюдается в средней части фильтроцикла.
Если для ионного состава исходной воды ввести обозначения для соотношения концентраций катионов (К) и анионов (А) в виде выражений
где [Na+], [Са2+], [Mg2+] — концентрации в воде соответственно ионов натрия, кальция и магния, мг-экв/л; [НС03~], [С1~], [S042-] — концентрации в воде соответственно бикарбонатов, хлоридов и сульфатов, мг-экв/л; Жо — общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; то условия применения Н-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров определяются данными, приведенными в табл. 20.7, а их расчет согласно данных табл. 20.8.
Таблица 20.7
Область применения Н-катиоиироваиия с «голодной» регенерацией
В случае Н-катионирования с «голодной» регенерацией весь поток умягчаемой воды последовательно проходит через Н-катинитовые фильтры, регенерируемые стехиометрическим количеством кислоты, затем через дегазатор для удаления оксида углерода (1У) и далее через одну или две ступени натрий-катинитовых фильтров. Стехиометрический расчет режима регенерации Н-катионита позволяет устранить из воды лишь карбонатную жесткость, некарбонатная жесткость удаляется при Nа-катионировании. По этой схеме отсутствуют кислые стоки и можно получить глубоко умягченную воду с остаточной щелочностью Що
Таблица 20.8
Технологические данные для расчета Н-катиоиитиых фильтров
Совместное Н—Nа-катионирование (рис. 20.15, е) осуществляют в одном фильтре, верхним слоем загрузки которого является Н-катионит, а нижним — натрий-катионит. Катионит регенерируют следующим образом. После взрыхления слоя его обрабатывают сначала раствором кислоты, затем раствором поваренной соли с последующей отмывкой. При совместном Н— Na-катионировании остаточная щелочность воды составляет 1,5… 2,0 мг-экв/л, а жесткость 0,1… 0,3 мг-экв/л. Жесткость исходной воды должна составлять не более 6 мг-экв/л, содержание натрия до 1… 1,5 мг-экв/л, отношение карбонатной жесткости к некарбонатной должно быть больше единицы. Достоинством данной схемы является отсутствие кислых стоков, недостатком — сложность регенерации.
Расход воды qnNа подаваемой на натрий-катионитовые фильтры, и qnп, подаваемый на Н-катионитовые, определяют по формулам
(20.22)
(20.23)
;
где qn— полезная производительность Н—Nа-катионитовой ус- становки, м3/ч; и q*— полезная производительность NaН-катионитовых фильтров, м3/ч; Щу — требуемая щелочность умягченной воды, мг-экв/л; Щ — щелочность исходной воды мг-экв/л; Л, — суммарное содержание в умягченной воде анионов сильных кислот, мг-экв/л.
Объем катионита VH, м3, в Н-катионитовых и VNa, м3, Na-катионитовых фильтрах определяют по формулам
где Жо — общая жесткость умягчаемой воды, г-экв/м3; CNa— концентрация в воде натрия, г-экв/м3; п=1...3 — число регенераций каждого фильтра в сутки; и е— рабочая обменная емкость Naи Н-катионита, г-экв/м3.
Рабочая обменная емкость, г-экв/м3, Н-катионита
(20.26)
где аэн — коэффициент эффективности, регенерации Н-катионита, зависящий от удельного расхода кислоты; Еа — полная обменная емкость катионита (паспортная) в нейтральной среде; qУ — удельный расход воды на отмывку катионита после регенерации, принимаемый 4… 5 м3/м3 объема катионита в фильтре; Ск — общее содержание в воде катионов кальция, магния, натрия и калия, г-экв/м3.
Суммарная площадь, м2, Н и Nа-катионитовых фильтров
где Ак=2… 2,5 — высота слоя катионита в фильтре, м.
Количество Naи Н-катионитовых фильтров в установке должно быть не менее двух. При количестве фильтров на установке менее шести принимают один резервный фильтр, при большем их количестве — два.
Для удаления оксида углерода(1У) из воды после Н-катионирования, а также из смешанной воды после Н—Nа-катионирования применяют вакуумно-эжекционные аппараты или дегазаторы с кольцами Рашига 25*25*3 мм. Высоту сдоя насадки подбирают в зависимости от концентрации, мг/л, оксида углерода (IV) в воде, подаваемой в дегазатор:
где [С02]и — концентрация свободного оксида углерода(IV) в исходной воде, мг/л; Щ — щелочность умягчаемой воды, мг-экв/л.
Вентилятор к дегазатору подбирают, исходя из условия подачи 20 м3 воздуха на 1 м3 обрабатываемой воды. Развиваемый им напор определяют на основании учета сопротивления насадки, для колец Рашига — 294,3 Па на 1 м высоты слоя, все другие сопротивления принимают равными 294,3… 392,4 Па.
Н-катионитовые фильтры регенерируют 1… 1,5%-ным раствором серной кислоты. Регенерационный раствор серной кислоты фильтруют через слой катионита со скоростью не менее 10 м/ч с последующей его отмывкой неумягченной водой, пропускаемой через катионит сверху вниз со скоростью 10 м/ч. Расход 100%-ной кислоты, кг, на одну регенерацию Н-катионитового фильтра qк
где а — площадь одного Н-катионитового фильтра, м2; qУД — удельный расход кислоты для регенерации катионита, г/г-экв.
Процесс регенерации Н-катионитовых фильтров описывается следующей реакцией:
продолжение
--PAGE_BREAK--