Технологічна схема процесу підготовки води на Старобешевській теплоелектростанції

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Аналітичний огляд

Промислова водопідготовка являє собою комплекс операцій, що забезпечують очищення води - видалення з неї шкідливих домішок, що знаходяться в молекулярно - розчиненому , колоїдному і зваженому стані . Основні операції водопідготовки: очищення від зважених домішок відстоюванням і фільтруванням, пом'якшення, а в окремих випадках - знесолення , нейтралізація , дегазація і знезараження.

До води, застосовуваної в промисловості можуть пред'являтися різні вимоги. Як наслідок, набір використовуваних технічних засобів і способів водопідготовки різноманітний і залежить від необхідних параметрів підготовлюваної води, наприклад для фармацевтичної або харчової промисловості, пред'являються більш жорсткі вимоги, ніж навіть до питної води ). Величезні кількості води використовує енергетика: мала - опалення , гаряче водопостачання, кондиціонування - і велика - виробництво електричної енергії. вода домішок молекулярний

Відстоювання води проводять в безперервно діючих відстійних бетонованих резервуарах. Для досягнення повного освітлення і знебарвлення воду з відстійників піддають коагуляції. Коагуляція - високоефективний процес поділу гетерогенних систем, зокрема виділення з води колоїдно- дисперсних частинок глини, кварцового піску, карбонатних та інших порід, а також речовин органічного походження, наприклад білків. Суть процесу коагуляції зводиться до введення в оброблювану воду коагулянтів , зазвичай різних електролітів. Іон - коагулянт, що має заряд, протилежний заряду колоїдної частинки, адсорбується на поверхні. При цьому нейтралізується заряд частинки, і стискаються гідратні оболонки навколо колоїдних частинок, які можуть об'єднуватися один з одним і седиментують [1].

Рисунок 1.1 Вертикальний відстійник: 1 - корпус; 2 - центральна труба; 3 - подає труба; 4 - збірний жолоб; 5 - відвідна труба; 6 - гаситель; 7 - труба відводу осаду.

Часто, особливо коли у воді знаходяться не колоїдно- дисперсні речовини, а тонкодисперсні суспензії (тобто більш грубі за розмірами частки), які, як правило, мають дуже слабкий заряд, для водопідготовки використовують процес флокуляції . Речовини, що викликають флокуляцію, називають флокулянтами. Флокулянти являють собою розчинні у воді високомолекулярні з'єднання (карбоксиметилцелюлоза - КМЦ, поліакриламід - ПАА; поліоксиетилен - ПВЕ; крохмаль та ін.) Вони утворюють місткові з'єднання між окремими частинками дисперсної фази, після чого ці важкі агрегати седиментують. Флокуляція відбувається зазвичай дуже швидко, а витрата флокулянтів вельми незначний; це робить рентабельним використання такого процесу, незважаючи на досить високу вартість флокулянтів. Утворений при коагуляції або флокуляції осад видаляється з води відстоюванням або фільтруванням.

Рисунок 1.2 Флотатор "Аерофлот": 1 - камера; 2 - скребок; 3 - шламопремник; 4 - поверхневі скребки

Фільтрування - найбільш універсальний метод розділення неоднорідних систем. У техніці фільтрування найбільше значення має розвинена поверхня фільтруючого матеріалу.

Підвищення техніко-економічного ефекту водопідготовки пов'язано із застосуванням комбінування декількох технологічних процесів, наприклад коагуляції, пом'якшення і освітлювання за допомогою сучасних методів іонного обміну , сорбції , електрокоагуляції [1]

1.1 Водопідготовка на теплоелектростанції

За прийнятими в СРСР, а тепер в країнах СНД нормам , живильна вода котлів високого тиску повинна містити розчинених речовин не більше 10 мкг / дм3. Така норма змушує застосовувати складну, багатостадійну схему водопідготовки і очищення води.

Освітлена вода в процесі водопідготовки проходить, піщані фільтри і далі надходить на цілий ряд іонообмінних фільтрів: катіонітових і аніонітових. Тільки після цього вдається досягти встановленої норми у водопідготовці: загального вмісту домішок не більше 10 мкг/дм3. Чим менше домішок залишиться в попередньо пом'якшеній воді, тим нижче навантаження на іонообмінні фільтри. Тим рідше їх треба виводити на регенерацію, рідше промивати після регенерації, попередньо пом'якшеною водою. Тим менше витрата реагентів і обсяги хлорвмісних стоків.

Складність завдання водопідготовки, розв'язуваної на стадії хімічного або попереднього зм'якшення, полягає в тому, що в обмеженому обсязі одночасно протікає кілька хімічних реакцій і процесів. Природним рішенням завдання підвищення ефективності очищення води від солей жорсткості є розбиття процесу на кілька стадій. Вже при двох стадіях процесу очищення вдається досягти сумарного вмісту іонів кальцію і магнію 0,6 мг-екв/дм3; при 5 стадіях - 0,16 мг-екв/дм3. Природно, що при цьому на багато разів знижується навантаження на етап іонообмінного очищення, скорочується кількість регенерацій іонообмінників, знижуються витрати реагентів, обсяги скидання засолених стоків.

Не можна забувати при вирішенні такого складного завдання і про інтенсивність перемішування води, що очищається і реагентів. Досить згадати, що інтенсивне перемішування розчину при додаванні в нього коагулянтів призводить до розбивання утворюються флокул, роблячи практично марним використання дорогих флокулянтів[2].

1.2 Процеси водопідготовки на теплоелектростанції

Рідина, яка використовується в теплоенергетиці, підлягає обов'язковому очищенню, як перед її застосуванням, так і після нього. Проходження через очисні споруди дозволяє захистити труби та котли від виникнення корозії, утворення накипу, а також знезаразити стоки для подальшого їх повернення в навколишнє середовище. Тільки фахівець зможе визначити етапи і що застосовується для водопідготовки на теплоелектростанціях (ТЕС) після повного хіміко - біологічного аналізу. Це дозволить виявити необхідність використання певних реагентів і скласти оптимальну схему очисної споруди .

На сьогоднішній день мета реконструкції системи хімічного водопідготовки ТЕС полягає в отриманні більш якісної сировини при мінімальній витраті засобів. Вченими пропонуються нові способи фільтрації рідини, застосування безпечних окислювачів і нейтралізаторів. Одним з популярних методів є зворотний осмос, часто використовується в різних сферах виробництва. Стандартна схема, типова інструкція для водопідготовки зворотнього осмосу дозволяє позбутися від розчинених солей, металів і домішок. Принцип її дії полягає в прогоні рідини через мембрани з осередками, розмір яких залежить від типу забруднення. Завдяки своїй високій ефективності дана схема водопідготовки на ТЕС, з успіхом застосовується на багатьох підприємствах. Кінцевим етапом очищення рідини для цих цілей стає проходження її через сучасний стерилізатор паровий, який завдяки високому тиску пари забезпечує повне очищення її від усіляких бактерій [3].

Одним з найсучасніших, ефективних і безпечних методів є водопідготовка озонуванням для отримання демінералізованої води продуктивність 100 дм3/год, що активно використовує високі окисні властивості озону. Він здатний окислити як розчинені солі , так і метали. При цьому запобігається небезпека використання препаратів хлору, озонування води очищеної в системах водопідготовки дозволяє не тільки знешкодити хімікати, а й наситити рідина киснем, що утворюється в результаті реакції окислення. Такий спосіб дає можливість уникнути застосування таких хімікатів, як хлор, гіпохлорит натрію та інших. Він вирішує головну проблему фільтрації Н2О для ТЕС - це її знесолення і знезалізнення. Метод не отримав повсюдного розповсюдження через свою високу енерговитратність. Постійне вироблення обладнанням озону вимагає великої кількості електрики , що для багатьох підприємств надто дорого.

З метою зниження витрат багато підприємств віддають перевагу автоматичному управлінню процесом водопідготовки для ТЕС. Застосування сучасних фільтрів для знесолення або освітлення Н2О забезпечує високі результати, які вбережуть техніку від утворення накипу і корозії. Багато процеси та апарати, розрахунок обладнання і пристроїв водопідготовки на ТЕС здатні не тільки повністю очистити рідину, але і значно скоротити витрати , оскільки навіть тонкий шар накипу на трубах сприяє збільшенню енерговитрат для нагріву їх до потрібної температури. Одним з найважливіших завдань водопідготовки на ТЕС, усунення вапняного нальоту. Для вирішення цієї проблеми використовують прилади для водопідготовки знесолення в паровому котлі за допомогою коагулянтів або флокулянтів. Найбільш поширеним є термічний метод. Суть його полягає у збільшенні температури рідини до такого показника, при якому будуть руйнуватися солі шкідливих речовин. Метод підходить не для всіх випадків , тому що розчиняє лише частина хімікатів. Більш дієвим вважається магнітна водопідготовка , використання ультразвуку для ТЕС , які не тільки руйнують солі кальцію і магнію за допомогою постійного магнітного поля, але й не дають їм осідати на сорбційних елементах. Вони відкладаються у вигляді м'якого шламу в спеціальних резервуарах. Даний метод ефективний не тільки для пом'якшення рідини, але також добре зарекомендував себе в боротьбі з бактеріями та іншими хімічними речовинами [3].

2. Фізико-хімічні основи технологічного процессу

2.1 Обробка води в освітлювачах

Освітлення води засновано на осадженні грубодисперсних частинок під дією сили тяжіння. Для прискорення процесів осадження суспензії застосовують її коагулювання, для чого у воду додають хімічні речовини - коагулянти. В результаті утворюються коллоїдні пластівці, що швидко осідають і захоплюють за собою частинки суспензії. В якості коагулянтів використовують сірчанокислий алюміній Al2(SO4)3 , сірчанокисле Fe2 (SO4)3 і хлорне FeCl3 залізо або залізний купорос FeSO4 * 7H2O . Коагулянт вступає в хімічну реакцію з гідрокарбонатними солями кальцію і магнію що містяться у воді.

Al2( SO4)3 + 3Ca ( HCO3)2 = 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 (2.1)

Al3 (SO4)3 + 3Mg ( HCO3) 2 = 3MgSO4 + 2Al (OH)3 + 6CO2 (2.2)

При коагулюванні за допомогою Al2(SO4)3 відбувається гідроліз закінчується утворенням гідроксиду алюмінію 2Al(OH)3 , який у вигляді пластівців випадає в осад , і вільної вуглекислоти CO2.

Коагулювання зважених речовин відбувається добре в м'яких природних водах. При низькій лужності воду підлужують гашеним вапном

Ca (OH)2 .

Орієнтовна потреба в коагулянті (Al2( SO4) , Fe2(SO4)3 або FeCl3 ) може бути орієнтовно визначена за наступною таблицею 2.1

Таблиця 2.1 Орієнтовна потреба в коагулянті

Зміст завислих часток, мг/дм3	Доза безводного коагулянту, мг/дм3
<50	20-30
50-100	25-35
100-200	30-45
200-400	40-60
400-600	45-70
600-800	55-80
800-1000	60-90
1000-1400	65-105
1400-1800	75-115
1800-2200	80-125

З підвищенням температури прискорюються хімічні реакції і кристалізація опадів, поліпшується їх осадження. Коливання температури погіршують умови осадження. При коагуляції температура повинна бути не нижче 20 0С, при вапнуванні оптимально 35-40 0С. Коливання температури при осадженні шламу в освітлювачі не повинно перевищувати ± 1 0С.

За наявності у воді магнію вапнування призводить до наступної реакції:

Mg ( HCO3)2 + 2Ca (OH)2 = 2CaCO3v + Mg (OH)2 v + 2H2O (2.3)

Пластівці Mg (OH)2 випадають в осад повільніше , ніж CaCO3.

При освітленні необхідно дотримуватися таких вимог:

- Постійність концентрації (± 5 % від розрахункової) розчинів реагентів;

- Постійність дозування реагентів з відхиленнями від середньої оптимальної не більше ніж на 2-3 %;

- Сталість продуктивності освітлювачів або плавне підвищення її не більше ніж на 5-10% в хвилину щоб уникнути виносу пластівців ;

- Енергійне перемішування води з реагентами при швидкості руху

( входу води ) в зону змішування 0,5-1,5 м/сек;

- Перебування води в зоні змішання 3-10 хв , в зашламленному

( реакційному ) обсязі - 30-60 хв , в зоні освітлення не менше 40-80 хв;

- Вміст сухої речовини в зоні зашламлення 5-10 г/дм3 , а в шламі, що продувається - не менше 30 г/дм3.

Глибина пом'якшення залежить від наявності в обробленій воді загрожених іонів і осаджувальних реагентів. Так при наявності в обробленій воді надлишку карбонату натрію Na2CO3 ( 0,5 ммоль /дм3) і при температурі до 60 0С залишкова жорсткість содовапнованої води дорівнює 0,2-0,3 ммоль /дм3 за рахунок протікання реакції

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3v + Na2SO4 (2.4)

При відсутності надлишку Na2CO3 залишкова жорсткість у 2 рази вище. При зниженні температури залишкова жорсткість підвищується.

Застосування їдкого натру (NaOH ) замість частини вапна й соди рекомендується тільки в кількостях , які заміняють соду і не підвищують залишкову лужність води , якщо це виправдано технічно і економічно (NaOH в 3-4 рази дорожче соди Na2CO3 і в 15 разів - вапна 2Ca (OH )2).

Так , якщо при коагуляції маємо

Al2(SO4)3 + 3Ca( HCO3)2 = 3CaSO4 + 2Al(OH)3v + 6CO2^ (2.5)

а потім CaSO3 + Na2CO3 = CaCO3v + Na2SO4 (2.6)

то при застосуванні NaOH відразу маємо

Ca ( HCO3)2 +2 NaOH > CaCO3v + Na2CO3 + 2H2O (2.7)

Mg ( HCO3) 2 +4 NaOH > Mg (OH) 2 v + 2Na2CO3 + 2H2O (2.8)

Попадання в освітлювач повітря внаслідок поганої роботи воздуховідділювача (швидкість опускання води більше 5 см3/сек) призводить до взмучування і виносу осаду. Іноді можливе виділення в освітлювачі найдрібніших бульбашок повітря і вуглекислоти, якщо вода пересичена ними при даній температурі. Так, при нагріванні вода, насичена повітрям при +10 0С, стає пересиченою їм в 1,5-2 рази при 35-400С. Виділяються дрібні газові бульбашки, які можуть не встигнути відокремитися в воздуховідділювача. Вони розчиняються у воді в нижній частині освітлювача під тиском стовпа рідини і знову виділяються у верхній його частині. Піднімаючись, ці газові бульбашки захоплюють з собою пластівці осаду. Останні дробляться на дросельної решітці і виносяться з освітлювача струмом тепер вже не освітленої води [4].

2.2 Процес фільтрування

Фільтрування - це розподіл неоднорідних систем рідина - тверді частки (суспензії) і газ - тверді частинки в спеціальних апаратах - фільтрах, які містять пористі фільтрувальні перегородки (ФП), які пропускають рідину або газ, але затримують тверду фазу. Рушійна сила процесу - різниця тисків по обидві сторони ФП.

Розрізняють: а) власне поділ суспензій - відділення твердих частинок, які містяться в ній, і відкладення їх на ФП (осад), через яку проходить переважна кількість рідини (фільтрат), б) згущення суспензій - підвищення в них концентрації твердої фази шляхом видалення через ФП деякої частини рідкої фази; в) освітлення рідин (освітлювальне фільтрування) - очищення від невеликої кількості тонких суспензій, які знаходяться у воді. Суспензії можуть фільтруватися "добре", "середньо" і "важко", що визначаеться зазвичай по товщині шару (мм) осаду, що утворюється на ФП за 1 хв: відповідно 1-15, 0,1-3,0 і 0,005-0,2.

Чіткість розділення суспензії визначається якостями фільтрату і осаду. Якість фільтрату оцінюють коефіціентом очищення С1/С2, де С1 і С2 - концентрації твердої фази у вихідній суспензії і фільтраті; коефіцієнт виносу С2/С1; ступенем очищення (С1 - С2) / С1 (відношення кількості затриманої і вихідної твердої фази). Якість осаду оцінюють вмістом у ньому рідкої фази або вмістом розчинених домішок, віднесеним до маси сухого осаду. Інтенсивність поділу суспензії може визначатися обсягом фільтрату V (м3), що пройшов через одиницю площі S (м2) поверхні фільтрування за одиницю часу , або швидкістю фільтрування [5].

Миттєва швидкість фільтрування дорівнює:

v = dV/dфS = dV / dф , (2.9)

Мередня швидкість фільтрування дорівнює:

vф = V/фS = V/ф , (2.10)

де V '= V / S-питомий об'єм фільтрату.

Власне швидкість процесу фільтрування описується рівнянням руху Ейлера, яке для одновимірного ламінарного потоку приймає форму закону Дарсі (2.3):

vcp = ?p/Rоб = ?p/мR , (2.11)

де Ro6, R-гідравл. опору (загальне і віднесене до одиниці в'язкості суспензії опір руху фільтрованої рідини через шар осаду і ФП).

Для подолання гідравлічного опору необхідно створення перепаду тиску (вакууму під ФП або надлишкового тиску над нею). На практиці зустрічаються наступні режими фільтрування: 1) при = const (поділ під вакуумом, під тиском, при подачі суспензії відцентровим насосом, продуктивність якого значно перевищує продуктивність фільтра),2) при v = const (подача суспензії об'ємним насосом) 3) при безперервно змініючими і v (подача відцентровим насосом).

При фільтруванні опір R безперервно зростає. Залежність його від питомого обсягу фільтрату описується так званим узагальненим рівнянням фільтрування:

dR/dV = KRn , (2.12)

де К і n - константи.

Для фіксованих значень n розрізняють 5 видів фільтрування: з утворенням осаду (n = 0), з закупоренням пір утворюваного осаду (0,5), проміжне (1,0), з поступовим закупоренням пір ФП (1,5), з повним закупоренням пір ФП (2,0). Константи рівняння (2.4) і значення початкового опору R0 (при початковій швидкості поділу v0) знаходять по спеціальним графіками залежності швидкості фільтрування від обсягу фільтрату при = const.

Для частого застосовуваного режиму фільтрування при = const і R ~ 0 рівняння (2.4) після перетворень приймає вигляд (2.5):

, (2.13)

Найбільш поширеним в хімічний технології видом поділу суспензій є фільтрування з утворенням осаду, що описується так званим основним рівнянням (2.6):

v = dV/dф = ?p[м (бvд + R0)], (2.14)

або після перетворень:

(V )2 + (2 R0 /бv u)V = A ?p/м бv u , (2.15)

де бv і д - відповідно питомий об'ємний опір осаду (опір одиниці об'єму осаду висотою 1 м, відкладеного на ФП площею 1 м2) і товщина його шару (у м);

Співвідношення обсягів осаду і фільтрату:

u = (дSч )/V = д/V, (2.16)

A = 2 (при =?p const) і А = 1 (при v = const).

Параметр бv - функція пористості , діаметра (d) і питома поверхні (Sч) твердих частинок, їх концентрації (с) в суспензії і ?p :

, (2.17)

де s і s "- константи. Іноді замість бv використовують інший параметр - масовий питомий опір осаду (2.10):

б = бv u/q = д/moc , (2.18)

де q = m / V.

Рівняння (2.15) при R0 = 0 є окремим випадком рівняння (2.13). Останнє у формі V "= . Розрахунки з точністю описують кінетику фільтрування і дозволяють в певних межах екстраполювати експериментальні дані; показник ступеня b від 0,3 до 1,0. За умови, що концентрація твердої фази в суспензії не змінюється (c1 = const), справедливі також модифікації рівняння (2.13) для товщини шару і маси осаду: і т "ос = , де V" 0, і т0ос - питома обсяг фільтрату, товщина шару і питома маса осаду (mос / S), отримані за одиницю часу.

Основними факторами, що впливають як на швидкість фільтрації, так і на її ефективність є : кількість і в'язкість рідини, що очищається; хімічний склад рідини, що очищається: значення рН, іонна сила і вміст механічних домішок; хімічна сумісність середовища, що очищається з конструкційними матеріалами, з яких виготовлений фільтр; робочий тиск і температура середовища, що очищається [5].

2.3 Основи іонного обміну

Іонний обмін -- оборотний процес обміну іонами між двома контактуючими фазами. Зазвичай одна з фаз -- розчин електроліту, друга -- іоніт. Іоногенна група іоніту дисоціює, утворюючи іонну пару, фіксований іон якої ковалентно пов'язаний з каркасом (матрицею) іоніту, а протиіон рухомий і може обмінюватися на іони однойменного заряду із розчину електроліту.

Суть іонного обміну заснована на здатності іонообмінних матеріалів або іонітів поглинати з розчину електроліту позитивно і негативно заряджені іони в обмін на еквівалентну кількість однойменно заряджених іонів іоніту[6]:

R-H+K-Cl-R-K+HCl, (2.19)

R-OH+K-Cl-R-Cl+KOH. (2.20)

Іоніти у звичайному розумінні - це тверді, зернисті, порошкоподібні, формовані або волокнисті, механічно міцні, хімічно стійкі, нерозчинні речовини, що містять у своєму складі функціональні (іоногенні) групи, здатні до іонізації і обміну іонами з електролітами. При іонізації функціональних груп утворюються два різновиди іонів:

а) фіксовані іони, закріплені на каркасі (матриці) іоніту і не здатні покинути фазу іоніту і перейти в зовнішній розчин;

б) противоіони (обмінні іони) іоніту, еквівалентно рівні фіксованим іонам, - але протилежні їм за знаком, здатні перейти в зовнішній розчин в обмін на строго еквівалентна кількість інших іонів того ж знака, що надходять в іонит із зовнішнього розчину (обмінних іонів розчину). Іоніт можна умовно поділити на три складові частини: матриця, фіксовані іони і протівоіони. Відомі понад тисячу видів іонітів, що розрізняються характером цих складових. Єдиної класифікації, яка охоплювала б вію сукупність ознак відомих іонітів, немає, що пояснюється складністю складу і надзвичайним різноманіттям властивостей іонітів, які до того ж сильно залежать від умов зовнішнього середовища (розчину).

За природою матриці іоніти підрозділяються на неорганічні (мінеральні) і органічні, природні та штучні (синтетичні).

До неорганічних природних іонітів відносяться природні цеоліти, глинисті мінерали (алюмосилікати), в тому числі бентонітові глини (бейделліт, монтморилоніт), глауконіт, вермикуліт, польові шпати, фельдшпатоіди, слюди, оксиди, фосфати і силікати металів та інші матеріали.

В залежності від природи противоіонів розрізняють численні іонні форми іонітів. Наприклад, катіоніти можуть знаходитися у водневій (Н-форма), сольовий (натрієва, кальцієва і т. д.) і змішаній формах, аніоніти - в гідроксідних (ОН-форма), сольовий (хлоридна, сульфатна та ін) і змішаній формах. Для поліамфолітів розрізняються воднево-гідроксидну, воднево-сольову, гідроксидну-сольову і сольову форми.

Сольова форма іоніту (за винятком тих випадків, коли іонит утворює комплекс з противоіонів) може розглядатися як сильноконцентрований розчин солі, що відрізняється від звичайних низькомолекулярних розчинних солей лише відсутністю вільної дифузії в розчинник іонів, що утворюються в результаті розчинення, так як вони знаходяться у фазі іоніту під впливом сильного електростатичного притягання між противоіонами і фіксованими іонами (утворення іонних пар), зберігаючи при цьому дуже високу рухливість в межах електростатичного поля [7].

Кінетика іонообмінного процесу очищення води, як і будь-якого іншого гетерогенного хімічного процесу, що здійснюється на межі поділу фаз, включає такі основні стадії:

а) надходження іонів з водного розчину до зовнішньої поверхні зерен йоніту (зовнішня дифузія іонів забрудника);

б) перенесення іонів усередині зерна до іоногенних функціональних груп (внутрішня дифузія);

в) хімічна реакція іонного обміну;

г) перенесення протиіонів функціональних груп, що витискуються, до поверхні зерен іоніту (внутрішня дифузія протиіонів);

д) перенесення протиіонів від поверхні іоніту в об'єм розчину (зовнішня дифузія протиіонів). Швидкість усього цього процесу визначає найповільніша стадія.

Кінетика хімічної реакції (стадія 3) описується рівнянням:

(2.21)

або в інтегрованому вигляді

(2.22)

де Сх і -- відповідно концентрація сорбованого іона в момент т та після встановлення рівноваги;

-- ступінь обміну;

К -- коефіцієнт масоперенесення, який визначають графічно як тангенс кута нахилу початкової лінійної ділянки кривих:

(2.23)

Хімічна реакція іонного обміну відбувається швидко, тому загальна якість процесу лімітується зовнішньою або внутрішньою дифузією, процес лімітується зовнішньою дифузією, тоді

(2.24)

де - кінетичний коефіцієнт (константа швидкості).

Визначивши графічно (з кінетичних кривих) або з рівняння дифузії величину в, можна визначити коефіцієнт дифузії через плівку:

(2.25)

де r0 - радіус зерна іоніту;

Kр - коефіцієнт розподілу сорбірбуємості іона;

д - товщина плівки, що покриває зерно іоніти. Товщина плівки рідини залежить від режиму течії розчину і змінюється в межах від 10 до 100 мкм, іноді (при турбулентному потоці) досягає 1 мкм. Для звичайних іонітів має порядок 10-5 см2/с. Знаючи величину Dп, можна визначити час полуобміну для зовнішньої дифузії [7]:

(2.26)

Виходячи зі значень ф1/2, вибирають тип іоніту та визначають оптимальний розмір зерен, тривалість контактування розчину з іонітом, швидкість пропускання розчину і продуктивність іонообмінного апарата.

Якщо лімітуючою стадією є зовнішня дифузія, то іонообмінний процес можна інтенсифікувати підвищенням швидкості протікання очищуваної води, застосуванням дрібніших зерен іоніту та підвищенням температури розчину.

Приблизний розрахунок кінетики іонообмінного процесу на кулеподібному зерні в разі лімітування внутрішньої дифузії за умови сталості концентрації іонів у розчині проводять за формулою:

, (2.27)

де, -- кінетичний коефіцієнт;

Dг -- коефіцієнт гелевої (внутрішньої) дифузії.

Отже, величина F залежить лише від безрозмірного параметра Bф і характеризує швидкість процесу.

Якщо лімітуючою стадією є гелева (внутрішня) дифузія, то залежність Bф = f(ф) зображується прямою лінією з тангенсом кута нахилу В. За формулою знаходимо значення Dг. Якщо початкові ділянки лінії викривлені, то процес накладається, зовнішня дифузія і рівняння застосовувати не можна. Тривалість обміну для кінетики внутрішньодифузійного процесу визначають за формулою:

(2.28)

У цьому разі швидкість обміну не залежить від концентрації йонів які видаляють, і відповідно від швидкості фільтрування або переміщування води. Визначальними є стеричні фактори у зерні іоніту. Гелева дифузія зазвичай спостерігається під час регенерації іонітів та очищення стічних вод, у яких концентрація сорбованих іонів понад 0,1 моль/дмЗ .

Якщо лімітуючою стадією іонного обміну є внутрішня дифузія, то процес можна інтенсифікувати підвищенням швидкості пропускання очищуваної води і збільшенням концентрації сорбованих іонів. Для цього застосовують іоніти з великою пористістю і набряканням та меншим розміром зерен.

Обробляючи іоніт потоком води (динамічні умови), можна звести вміст інших іонів у іоніті практично до нуля. Динамічні умови можна здійснити фільтруванням очищуваної води крізь стаціонарний шар зернистого іоніту в напрямі знизу вгору і навпаки, крізь гідродинамічно затиснутий шар іоніту, крізь завислий шар іоніту або крізь шар іоніту, що переміщується протитечією.

Гідродинамічні характеристики іоніту залежать від його щільності та гідравлічного опору. Останній залежить від розміру і форми зерен іоніту, його іонної форми, щільності набряклих зерен тощо. Властивості потоку очищуваної води крізь шар іоніту визначаються його в'язкістю, густиною і швидкістю [7].

3. Опис технологічної схеми

Вихідна ставкова вода з водосховища через обертові сітки для очищення від водоростей надходить у відсіки на береговій насосній. Звідси пропелерними насосами подається до циркводоводів №1, №2. З циркводоводів вода насосами сирої води подається в трубчасті підігрівачі сирої води ПСВ- 1, ПСВ -2. Сира вода підігрівається в підігрівачі сирої води до температури 40 ± 1 єС і по двох трубопроводах надходить на хімводоочистку.

Перша стадія хімводоочищення - це надходження води на освітлювачі. У зимовий час допускається робота освітлювачів з температурою води 45 ± 1 єС. Температура сирої води повинна бути стабільною - коливання її приводять до виникнення температурних струмів в освітлювачах і погіршення результатів освітлення води.

На хімводоочищення сира вода двома тангенціальними потоками подається в нижню частину освітлювача, попередньо звільнившись від повітря і розчинених газів у виносному воздуховідділювачі.

Рисунок 3.1 - Воздуховідділювач

У освітлювачах типу ЦНДІ продуктивністю 250 м3/ч кожен, відбувається попереднє очищення води реагентами - розчином кальцинованої соди, вапняного молока, флокулянтом. Мета обробки - часткове зм'якшення води (повне звільнення від солей тимчасової жорсткості і часткове від солей постійної жорсткості), зниження її лужності (деамінування хлорним вапном).

У осінньо - зимовий період при експлуатації обладнання попереднього очищення виникає ряд проблем. Освітлювачі постійної працюють з високими навантаженнями, періодично виникають коливання температури сирої води, що призводить до порушення режиму роботи освітлювачів і погіршення якості освітленої води. Це призводить до підвищеного виносу шламу на механічні фильтр і натрій - катіонітові фільтри, до замету шламом фільтруючих матеріалів, значних втрат води під час продування і промивання освітлювачів і фільтрів.

Застосування ефективних флокулянтів виключає цю проблему і дозволяє експлуатувати обладнання попереднього очищення на високих навантаження з коливаннями температур, з пониженою температурою, з отриманням освітленої води більш високої якості за всіма технологічними показниками .

З освітлювача освітлена вода самопливом надходить в проміжний бак, призначений для збору частково обробленої води та подачі її на подальші стадії обробки. З проміжного бака освітлена вода перекачувальними насосами подається на механічні фільтри, де звільняється від грубо - і дрібнодисперсних домішок. Механічний фільтри в схемі хімводоочищення працюють паралельно. З механічних фільтрів вода надходить на натрій - катіонітові фільтри I ступеня. Натрій - катіонітові фільтри I ступеня служать для заміни основної кількості катіонів кальцію і магнію, що містяться у воді, еквівалентним кількістю катіонів натрію.

Після цих фільтрів вода надходить на натрій-катіонітові фільтри II ступеня, де відбувається глибока заміна катіонів кальцію на іони натрію. Жорсткість води після II щаблі натрій-катіонірованія, тобто хімочищенням води, становить до 30 мкмоль-екв/кг, лужність гідратна не менше 0,1 ммоль-екв/кг, лужність загальна - 0,8 -1,2 ммоль-екв / кг.

Потім хімочищеної вода збирається в баки хімочищенням води № 1, № 2, № 3, № 4.

Далі вода насосами подається в хімдеаератор для звільнення від розчинених газів повітря. А з нього надходить на живлення випарників і в тепломережу.

4. Розрахунок основного апарату

Розрахунок швидкого фільтру

Вихідні дані: розрахунковий витрата води станції очистки Q = 6000 м3/добу ;

Тст - тривалість роботи станції протягом доби , 24 ч. Вода на фільтр надходить від освітлювача зі зваженим осадом. Основні рішення прийняті відповідно до норм[8] . Вибрано одношаровий швидкий безнапірний фільтр. Як завантаження прийнятий антрацит, з діаметром зерен від 0,7 до 1,6 мм і висотою шару H = 1,5 м. Розрахункова швидкість фільтрування при нормальному режимі прийнята по [9] vH = 8 м/год; швидкість фільтрування при форсованому режимі vф = 9,5 м/год; W - інтенсивність промивки прийнята по [9] і дорівнює 15 (дм3/с·м2) , тривалість промивки t = 6 хв або 0,1 год; число промивок кожного фільтра протягом доби nпр = 2 ; час простою фільтра у зв'язку з водяною промивкою tпр приймається рівним 0,33 ч.

Загальна площа фільтрів , м2 , визначається за формулою

(4.1)

Після підстановки значень отримано УF = 34,1 м2.

Число фільтрів орієнтовно приймається за формулою

( 4.2)

У результаті розрахунку N = 3 шт.

При добовій витраті води, що очищається більше 2000 м3/добу кількість робочих фільтрів повинно бути не менше чотирьох [9] . Тому приймається 4 робочих фільтра , в цьому випадку швидкість фільтрування в нормальному режимі становитиме

vH = (4.3)

vH = = 6 м/год ;

Перевіряється швидкість фільтрування при форсованому режимі vф м/год, (коли один фільтр вимкнений на ремонт )

vф = (4.4)

де N1 - кількість фільтрів , що вимикаються на ремонт.

При кількості фільтрів до 20 приймається N 1 = 1 .

vф = = 8 м/год;

Швидкість у форсованому режимі не вище допустимої - 9,5 м /год.

Визначається площа одного фільтра F1 , м2 , і його розміри , м ,

F1 = (4.5)

F1 = = 8,53 м2 ;

Для фільтра , квадратного в плані , А = В =

A = B = = 2,92 м ;

Висота фільтра складається з висот:

Нф = Н1 + Н2 + Н3 + Н4 (4.6)

де , Н1 - висота фільтруючого шару. Приймається за [ 8 ] H = 1,5 м;

Н2 - висота підтримує шару . Приймається за [ 8 ] Нп.с = 0,5 м;

Н3 - висота шару води над поверхнею завантаження , приймається 2 м;

Н4 - будівельна висота (відстань від максимального рівня води до верху стінки фільтра) 0,3 м.

Загальна висота фільтра знаходиться :

Н = 1,5 +0,5 +2,0 +0,3 = 4,3 м.

Визначається витрата води , дм3 / с , для промивки фільтра за формулою

qпр = F1· W, (4.7)

qпр= 8,53 · 15 = 127, 95 дм3/с.

Діаметр колектора приймається за рекомендованою швидкості руху води 0,8-1,2 м/с , відгалужень - по швидкості v , рівною в межах 1,6-2,0 м/с.

Прийнято : d колектора = 300 мм; v колектора = 1,20 м/с; гідравлічний опір i = 0,007 . Виходячи з рекомендованого нормами відстані між осями відгалужень , рівного 250-300 мм , і приєднання відгалужень до двох сторін колектора, число відгалужень дорівнює

nотв = (4.8)

де Вф - ширина фільтру , ВФ = 2,92 м;

nотв = = 24 шт.

Витрата промивної води по одному відгалужування qотв , дм3 /с , визначається як

qотв = qпр / nотв (4.9 )

qотв = 127,95 / 20 = 4,6 дм3/с.

Приймається для труб відгалужень : d = 75 мм; v = 0,85 м / с; i = 0,024 .

У відгалуженнях влаштовуються отвори d0 діаметром 12 мм , що розташовуються в два ряди в шаховому порядку під кутом 45 0 донизу

від вертикалі. Загальна площа отворів рекомендується в межах 0,25-0,5 % від площі фільтра , їх число в фільтрі no визначається як

n0 = (4.10)

n0 = = 189 шт.

У кожному відгалуженні приймається 7 отворів , в крайніх дренажних трубах - 6. Отвори розміщуються в два ряди через 250 мм. Визначаються розміри жолобів для збору і відводу промивної води . Кількість жолобів приймається рівним 2 (виходячи з умови , що відстань між їх осями не повинно бути більше 2,2 м).

Ширина жолобів , м , визначається за формулою

Вж = (4.11)

де qж - витрата води по одному жолобу , рівний 127,95 / 2 = 63,98 дм3/с =

0,0639 м3/с;

К = 2 - для жолоба з круглим лотком ;

a - відношення висоти прямокутної частини жолоба до половині його ширини , приймається рівним 1,0 ;

Вж = 2 ;

Висота жолоба визначена на Рисунку 5.1

Кромки жолобів над фільтруючої завантаженням повинні знаходитися на відстані , м ,

hж = (4.12)

де Н - висота фільтруючого завантаження , рівна 1,5 м з попередніх визначень ;

е - відносне розширення фільтруючого завантаження при промиванні приймається за таблицею [9] і дорівнює 30 % :

hж = = 0,75 ;

Дно збірного кишені повинно бути нижче дна жолоба на величину , м ,

Hкан = (4.13)

де qкан - витрата води по каналу, рівний в прикладі 0,0918 м3/с; А - ширина каналу , приймається 0,7 м по [9] ;

Нкан = + 0,2 = 0,4 м.

Втрати напору в фільтрі при промиванні

Втрати напору , м , в дренажній системі великого опору

h? = (4.14)

де vk - фактична швидкість на початку розподільного колектора , рівна 1,20 м / с; vБ.О. - фактична швидкість у відгалуженнях дренажу , приймається 0,85 м/с; ?- коефіцієнт опору, який визначається за формулою

(4.15)

де ? - відношення суми площ отворів у відгалуженнях до площі поперечного перерізу колектора , рівне 0,11 ,

= 19

В результаті

h? = = 3,79 м.

Втрати напору в підтримуючих шарах гравію знаходяться за формулою

hж = (4.16)

hж = 0,022 · 0,5 · 15 = 0,165м.

Втрати напору в фільтруючому шарі визначаються як

hф = ( а + bW) · Hф (4.17)

де a і b - параметри , рівні відповідно 0,76 і 0,017 ;

hф = (0,76 + 0,017 · 15) = 1,5 м.

Тоді загальні втрати напору в фільтрі при промиванні складуть

Уh = 3,79 + 0,165 + 1,5 = 5,46 м.

Устаткування для промивання фільтрів приймається залежно від обраної системи промивки фільтра [9].

5. Аналітичний контроль по стадіях технологічного процесу

Аналітичний контроль якості води здійснюється за такими показниками: жорсткість, лужність, прозорість, винос катіоніту, рН, завислі речовини, залізо.

В таблиці 5.1 наведено аналітичний контроль технологічного процесу.

Таблиця 5.1 - Характеристика аналітичного контролю

Об'єкт контролю	Що визнача-ють	Норми	Місце та засіб відбору проб*	Періодичність контролю	Хто виконує аналіз	Стисла методика аналізу
Очищена вода	Твердість	мкмоль-єкв/кг	1-а точка освітлювача	1 раз в годину	Апаратник	трилонометричний метод визначення жорсткості заснований на зміну в еквівалентній точці кольору розчину, що містить іони Ca+2 і Мg+2 у присутності індикатора, при додавання до проби розчину трилону Б
	Лужність	0,8-1,2 ммоль-єкв/кг	Механічний фільтр	3 рази на зміну	Апаратник	Суть методу полягає у титруванні проби стандартним розчином кислоти в присутності індикаторів фенолфталеїну або метилового оранжевого
	Прозорість	2 ммоль/кг	5-а точка освітлювача	1 раз в годину	Апаратник	визначається візуально або за допомогою приладу Мутноміри - заснований на вимірюванні фотоелементом сили світла, що розсіюється частками суспензії
	Винос катіоніту		Натрій-катіонітові фільтри	При розпушуванні	Апаратник	візуально
	рН		Проміжний бак	Кожні 4 години	Апаратник	використання приладу рН-метра
	Завислі речовини	2 мг/кг	Проміжний бак	1 раз на місяць	Апаратник	ваговий метод
	Залізо	0,3 мг/кг	Проміжний бак	1 раз на тиждень	Апаратник	сульфосаліциловий метод

6. Норми технологічного режиму

Операція	Час, хвилин	Температура, єС	Тиск, кгс/см2	Кількість компонентів (т/рік, т, т/зміну)	Інші показники
1	2	3	4	5	6
Прояснення води в освітлювачі		41
Фільтрування через механічний фільтр		40	3,5-6	10 тонн вугілля
Відмивання механічного фільтру	20-30	40	4,5
Пом'якшення води на Na-катіонитовому фільтрі I ступеня	50-60	40	3,5
Розпушування фільтруючого шару Na-катіонитового фільтру I ступеня	20-30	40	3,5	100 тонн води
Регенерація Na-катіонитового фільтру I ступеня	50-60	40	3,5	2,5 тонн солі
1	2	3	4	5	6
Відмивання Na-катіонитового фільтру I ступеня	40-50	40	3,5	100 тонн води
Пом'якшення води на Na-катіонитовом фільтрі II ступеня	50-60	40	3,5
Розпушування фільтруючого шару Na-катіонитового фільтру II ступеня	30-40	40	2,5	100 тонн води
Регенерація Na-катіонитового фільтру II ступеня	50-60	40	2,5	2,5 тонн солі
Відмивання Na-катіонитового фільтру II ступеня	30-40	40	2,5	100 тонн води

Перелік посилань

1. Стерман Л.С., Физические и химические методы обработки воды на ТЭС / Л.С. Стерман, В.Н. Покровский / Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 328 с.

2. Водоподготовительные установки и водно-химический режим ТЭС. Условия создания. Нормы и требования. Стандарт НП «ИНВЭЛ» СТО 70238424.27.100.013-2009.

3. Шарапов В.И., Защита от коррозии питательной воды ТЭЦ. / В.И. Шарапов, Е.В Макарова / Ульяновск: УлГТУ. 2004. - 208 с.

4. Запольский, А.К. Водопостачання, водовідведення та якість води/ А.К. Запольський - К.: Вища шк., 2005.- 671 с.

5.Физико-химические основы технологии осветления и обеззараживания шахтных вод: Монография / [Гребенкин С.С., Костенко В.К., Матлак Е.С. и др.]; под общ. ред. Костенко В.К. - Донецк: ВИК, 2009. - 438 с.

6. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов / А. Аширов -- Л.: Химия, 1983. --295 с.

7. Гельферих Ф. Иониты. Основы ионного обмена./ Ф. Гельферих -- М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1962. --492 с.

8. Долина Л.Ф. Проектирование и расчет сооружений и установок для физико-химической очистки производственных сточных вод. Учебное пос. / Л.Ф. Долина - Днепропетровск: Континент,- 2004. --127 с.

9. Когановский А.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / А.М. Когановский, Н.А. Клименко, Т.М. Левченко, Р.М. Марутовский, И.Г. Рода - М.: Химия, 1983 г.-- 288 с.

Размещено на Allbest.ru