Каталог :: Экология

Курсовая: Умягчение воды

Петербургский Государственный Университет

Путей и Сообщения.

Кафедра “Водоснабжение и водоотведение”

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ:

“Умягчение воды методом ионного обмена”

Студент: Перельзон И. Б.

Преподователь: Постнова Е. В.

2000

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 Û Ca [Кат.] + 2 NaHCO3 2 H [Кат.] + MgCl2 Þ 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 Þ 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 ³ 0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 ³ 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 3.5 мг-экв/л Жнк = 1.3 < 3,5 мг-экв/л - SO4-2 + Cl- ³ 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.( Щоу ) / ( 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.оNa)/(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.к 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.о* 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*bNaполн. – 0.5*qуд.о 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.
70018003200401.7
70020003200402.1

1000

2000

3600

50

5.3

1500200039508010
20002500487012515
Na-катионитные фильтры.
100020003597505

1500

2000

3924

80

10

20002500487012515
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 < 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.с) / 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 < 500 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 = Ö(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 м23 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

1. Трубопровод подачи

исходной воды на

станцию умягчения.

18.81.04150Чугун

2. Трубопровод подачи и

отвода воды для

взрыхления.

1.91.4450Полиэтилен

3. Трубопровод подачи и

отвода 1% регенерац. р-ра

серной кислоты.

0.341.0725Полиэтилен

4. Трубопровод подачи и

отвода 8% регенера-

ционного р-ра соли.

0.061.1912Полиэтилен

5. Трубопровод подачи 100%

кислоты.

0.0020.476Сталь

6. 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 м/у 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.