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 ( 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 + 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 – 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 ( 0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 ( 0.5 + Жнк ( 3.5 мг-экв/л Жнк = 1.3 ( 3.5 мг-экв/л + SO4-2 + Cl- ( 3 … 4 мг-экв/л 1.5 + 0.7 = 2.2 ( 3 мг-экв/л + Na+ + K+ ( 1 …2 мг-экв/л 0.9 ( 2 мг-экв/л + Последовательное H-Na-катионирование применяется при условии: Жк / Жо ( 0.5 5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5 - Жнк ( 3.5 мг-экв/л Жнк = 1.3 ( 3,5 мг-экв/л - SO4-2 + Cl- ( 3 … 4 мг-экв/л 1.5 + 0.7 = 2.2 ( 3 мг-экв/л - 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.= (н* Еполн. – 0.5*qуд.*Ск гр-экв/м3 (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. (н=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.= (Na*(Na*Еполн. – 0.5*qуд.*Жо гр-экв/м3 (12) Где (Na – коэффициент эффективности регенерации Na-катион. фильтров принимается при удельно расходе поваренной соли NaCl 100 гр./гр.-экв. (Na=0.62 (Na- коэфф. Учитывающий снижение обменной емкости, принимается [1,прил.7,п.15,табл.2] из соотношения: СNa / Жо= 0.1 (Na= 0.83 ENaраб.= 0.62*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 = (((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 = (((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