Федеральное агентство по образованию

Архангельский государственный технический университет

Расчет схемы умягчения воды с натрий-катионитными фильтрами

Методические указания

к выполнению расчетно-графической работы

Архангельск

2007

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией

факультета промышленной энергетики Архангельского

государственного технического университета

декабря 2007 г.

Составитель:

З.Г. Марьина, доц., канд. техн. наук

Рецензент

А.Э. Пиир, проф., д-р техн. Наук

УДК 621.311.22

Расчет схемы умягчения с натрий-катионитными фильтрами: методические указания к выполнению расчетно-графической работы/ сост. З.Г. Марьина. – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007. – 2 с.

Подготовлены кафедрой промышленной теплоэнергетики АГТУ.

В методических указаниях изложены принципы расчета оборудования водоподготовки, работающего по схеме умягчения, приводятся основные справочные данные, дана технологическая карта режимов работы фильтров,

приведен пример расчета. Рекомендуются к использованию также в дипломном проектировании.

Предназначены для студентов факультета промышленной энергетики специальностей «Энергообеспечение промышленных предприятий» и 140104.65 «Промышленная теплоэнергетика»

Ил. 3. Библиогр. 5 назв.

© Архангельский государственный

технический университет, 2007

© З.Г. Марьина, 2007

Устройство и работа катионитных фильтров.

Катионитные фильтры по способу выполнения технологических операций делятся на: а) параллельноточные, в которых обрабатываемая вода и регенерационный раствор пропускаются через фильтр в одном направлении; б) противоточные, в которых вода и регенерационный раствор пропускаются через фильтр в противоположных направлениях. Кроме того, различают фильтры первой и второй ступеней. Фильтры первой ступени несут наибольшую ионную нагрузку, поэтому имеют бóльшую высоту и более высокий слой катионита (2...2,5 м). Фильтры второй ступени удаляют из воды ионы, оставшиеся после первой ступени, имеют меньшую высоту катионита (1,5 м), работают в области малых ионных нагрузок, поэтому должны глубоко регенерироваться и полностью не истощаются. Фильтры первой и второй ступеней имеют одинаковую конструкцию, а различаются лишь в отдельных деталях.

Внутренняя поверхность корпуса фильтров при работе с агрессивной средой (водород-катионитные и анионитные фильтры) должна иметь противокоррозионное защитное покрытие. Натрий-катионитные фильтры до сих пор не защищались от коррозии, что приводит к обогащению химически обработанной воды оксидами железа и заносу последних в пароводяной тракт паровых котлов.

Ионитный фильтр состоит из цилиндрического корпуса с эллиптическими днищами. К нижнему днищу приваривают лапы для установки фильтра на фундамент. Верхнее и нижнее распределительные устройства являются наиболее ответственными элементами, служащими для равномерного распределения воды и регенерационного раствора по площади фильтрования и их отвода. Равномерное распределение жидкостей обеспечивает наилучший контакт с зернистой загрузкой, способствует ее максимальному использованию и повышает КПД фильтра. Помимо этого распределительные устройства должны предотвращать унос зернистой загрузки в дренаж во время взрыхляющей промывки и попадание катионита в фильтрат в рабочем цикле. На нижнем днище из кислотостойкого бетона располагается щелевое дренажное устройство. Оно выполняется в виде трубчатой системы, состоящей из коллектора с боковыми ответвлениями и заглушенными внешними концами. Трубы из нержавеющей стали имеют по всей длине отверстия, перекрытые сверху общим щелевым желобком. Ширина щелей в желобках составляет 0,4 мм. Трубки на половину своего диаметра залиты бетоном. Могут использоваться и другие типы нижних дренажных устройств, например, со щелевыми или пористыми колпачками. Верхние распределительные устройства находятся в более благоприятных условиях, чем нижние, поскольку их всегда отделяет от зернистой загрузки водяная подушка, создающая горизонтальную компенсацию и обеспечивающая выравнивание потоков воды по площади фильтрования. Кроме того, верхнее дренажное устройство должно свободно пропускать с промывной водой попадающие в фильтр взвешенные вещества, а также мелкие частицы зернистой загрузки, являющиеся продуктами его механического разрушения в процессе эксплуатации. Дренажное устройство типа “воронка” применяется для механических и ионитных фильтров малого диаметра. Тип “звезда” обеспечивает более равномерную раздачу регенерационного раствора. Число лучей "звезды" зависит от диаметра фильтра. Иногда верхнее распределительное устройство имеет конструкцию, аналогичную нижнему: трубную систему с коллектором и перфорированными ответвлениями. Для фильтров 1 ступени, имеющих относительно близкие расходы воды и регенерационных растворов, применяются объединенные верхние распределительные устройства, предназначенные для распределения по площади фильтрования как потоков обрабатываемой и промывной воды, так и раствора реагентов для восстановления ионита. Для фильтров II ступени при скорости фильтрования 40...50 м/ч и выше предпочтительнее двойные верхние распределительные устройства, обеспечивающие раздельный подвод воды и регенерационного раствора с разными скоростями. В последних конструкциях фильтров специальная система подвода и распределения регенерационного раствора располагается непосредственно над поверхностью ионита, т.к. при этом не происходит разбавления раствора, которое бы наблюдалось при прохождении его через водяную подушку, если устройство находилось бы в верхней части фильтра. Подвод обрабатываемой воды в этом случае производится через верхнюю распределительную воронку, как в обычных фильтрах. Система трубопроводов, подключенных к фильтру, обеспечивает проведение всех необходимых технологических операций при его эксплуатации.

Эксплуатация катионного фильтра заключается в периодическом осуществлении четырех операций, составляющих полный рабочий цикл: взрыхление, регенерация, отмывка и умягчение.

Взрыхление катионита перед регенерацией имеет целью устранение уплотнений слежавшейся массы катионита для обеспечения свободного доступа регенерационного раствора к зернам катионита. Взрыхление проводится отмывочной водой, собранной при предыдущей регенерации, которая подается в фильтр снизу. При этом слой расширяется, отмываются мелкие частицы, накопившиеся в слое при недостаточном осветлении умягчаемой воды, и выносятся из фильтра вместе с мелкими фракциями ионита, образующимися вследствие истирания. Интенсивность взрыхляющей промывки зависит от крупности и удельной плотности зерен ионита и составляет для катионитных фильтров 2,5...3 кг/(см²), считая на свободное сечение фильтра.

Регенерацию каждого фильтра проводят соответствующим раствором реагента определенной концентрации. Режим регенерации истощенного катионита считается оптимальным, если при минимальных расходах регенерирующего вещества обеспечивается глубокое умягчение воды при достаточно высокой рабочей емкости катионита. Обычно при регенерации Na-катионитного фильтра через него пропускаются 6...8% раствор поваренной соли со скоростью 4...6 м/ч. Восстановление обменной емкости Н-катионита производится серной кислотой концентрацией 1...1,5% со скоростью не менее 10 м/ч во избежание “загипсовывания” катионита. Удельный расход серной кислоты на регенерацию зависит от суммарного содержания хлоридного и сульфатного ионов в умягчаемой воде и составляет 75...225 г/г-экв для фильтров 1 ступени и 70 г/г-экв для фильтров II ступени. Для экономии реагентов обычно часть регенерационного раствора (последние порции) отводят в бак и используют для последующей регенерации. Растворы реагентов готовят на собственном фильтрате для каждой группы фильтров. Продолжительность подачи раствора составляет 15...30 мин.

После регенерации проводят отмывку катионита от продуктов реакции и остатков регенерационного раствора. Отмывка производится потоком воды сверху вниз, как и при фильтровании, но со скоростью 5...8 м/ч. Для снижения расхода воды на собственные нужды катионитных фильтров, а также для уменьшения расхода соли или кислоты на регенерацию, первые порции отмывочной воды спускаются в дренаж, а основная часть собирается в специальный бак, из которого используется для взрыхления слоя при очередной регенерации или для приготовления регенерационного раствора. Отмывка продолжается до тех пор, пока жесткость фильтрата не снизится до 0,05 мг-экв/кг, а содержание аниона регенерирующего агента (Cl ^–, SO₄^2–) не достигнет величины, превышающей концентрацию этого иона в умягченной воде не более чем на 30...50 мг/кг.

После окончания отмывки фильтр включается в работу (рабочий цикл - умягчение). Для полноты использования рабочей емкости катионита целесообразно поддерживать скорость фильтрования 15...20 м/ч на фильтрах первой ступени и 40...50 м/ч на фильтрах второй ступени. При малых скоростях фильтрования (<5 м/ч) ухудшается гидродинамика работы фильтра (неравномерность фильтрования, “пристенный эффект”, т.е. фильтрование вдоль стенок корпуса фильтра). Верхний предел скорости определяется потерей напора воды в фильтре, а также сокращением продолжительности рабочего цикла. Последний должен быть не менее 8 часов. Катионитные фильтры отключаются на регенерацию, когда в умягченной воде появляется жесткость, превышающая 0,035 мг-экв/кг.

В процессе эксплуатации фильтров необходимо следить за качеством поступающей на них воды. Режим предварительной очистки (коагуляция, известкование, осветление) должен обеспечивать достаточную прозрачность воды, отсутствие в ней “остатков” коагулянта (Al³⁺, Fe³⁺), содержание свободной углекислоты не более 5...6 мг/кг. После известкования поступающая на катионитные фильтры вода должна быть стабильной, т.е. не способной к кристаллизации CаСО₃ на зернах катионита. Температура воды не должна превышать 35...40С во избежание пептизации катионита.

Катионитные фильтры не реже 1 раза в год подвергаются ревизии для проверки состояния слоя катионита, осмотра и ремонта распределительных и дренажных устройств, арматуры и контрольно-измерительных приборов.

Na-катионирование применяют для вод, прошедших предварительную обработку (коагуляцию – осветление или коагуляцию – известкование – осветление). Для небольших котельных в качестве исходной воды часто используют воду городского водопровода.

Умягчение воды путем натрий – катионирования можно осуществлять либо по одноступенчатой схеме, либо по двухступенчатой. Схема одноступенчатого катионирования имеет следующие недостатки:

получение фильтрата с жесткостью до 0,1 мг-экв/кг возможно при умягчении исходной воды с жесткостью не более 7 мг-экв/кг;

практически невозможно получение умягченной воды с остаточной жесткостью не более 0,02 мг-экв/кг;

относительно высокий расход соли на регенерацию фильтров;

неполное использование емкости поглощения катионита;

необходимость тщательного контроля «проскока» солей жесткости.

При двухступенчатом катионировании перечисленные недостатки устраняются. Число ступеней определяется требованиями к качеству умягчаемой воды. Например, для паровых котлов с давлением 1,4 МПа требуется глубокое умягчение по двухступенчатой схеме, а для тепловых сетей, когда требуется снижение только карбонатной жесткости до 0,7 мг-экв/кг, достаточно одноступенчатой схемы.

Исходными данными для расчета Na-катионитных фильтров являются производительность установки с учетом расхода воды на собственные нужды, общая жесткость обрабатываемой воды и остаточная жесткость фильтрата. Основные технологические данные для расчета Na-катионитных фильтров приведены в табл. П1.

Размеры и количество фильтров выбираются после определения общей площади фильтрования по табл. 1 так, чтобы число регенераций каждого фильтра было не более трёх, то есть продолжительность фильтроцикла должна быть более 8 часов. Высота слоя катионита должна выбираться не только по технологической карте, но и с учетом табл. 1. Количество регенераций зависит от скорости фильтрования, объема катионита в фильтре, рабочей обменной ёмкости катионита и жесткости воды, подаваемой в фильтр.

Таблица 1. Основные размеры катионитных фильтров

Диаметр фильтра, м	0,7	1,0	1,5	2,0	2,6	3,0	3,4
Площадь фильтрования, м^2	0,38	0,79	1,78	3,14	5,30	7,10	9,10
Высота слоя в I – ступени, м	2	2	2	2,5	2,5	2,5	2,5
Высота слоя во II – ступени, м	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5

Рабочая обменная емкость фильтров I – ступени, загруженных сульфоуглем, рассчитывается по формуле:

Е_р = α_Naβ_NaЕ_пол – 0,5 q_удЖ_о, (1)

где α_Na – коэффициент эффективности регенерации Na – катионита;

β_Na – коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по Са²⁺ и Mg²⁺ вследствие влияния ионов Na⁺, содержащихся в исходной воде;

Е_пол – полная обменная ёмкость катионита; принимается по заводским данным; для сульфоугля с крупностью зерен 0,5 – 1,1 мм можно принимать 500 г-экв/м³;

0,5 – доля умягчения отмывочной воды;

q_уд – удельный расход воды на отмывку катионита, м³/м³;

Ж_о – общая жесткость воды, поступающей на Na – катионитный фильтр, мг-экв/кг.

Коэффициент эффективности регенерации Na – катионита α_Na принимается в зависимости от удельного расхода соли q_с на регенерацию по табл. 2.

Таблица 2. Коэффициент эффективности регенерации катионита

qс, г/г-экв	100	110	120	130	140	150	160	170	180	190
αNa	0,62	0,64	0,67	0,69	0,72	0,74	0,75	0,77	0,78	0,80
qс, г/г-экв	200	210	220	230	240	250	260	270	280	300
αNa	0,81	0,82	0,83	0,84	0,85	0,87	0,87	0,88	0,88	0,9

Коэффициент снижения обменной ёмкости катионита принимается в зависимости от отношения по табл.3.

Таблица 3. Коэффициент снижения обменной ёмкости катионита

	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
βNa	0,92	0,91	0,89	0,88	0,87	0,85	0,83	0,8	0,77	0,73	0,7	0,69
	0,8	0,9	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
βNa	0,67	0,66	0,65	0,62	0,6	0,57	0,54	0,53	0,52	0,52	0,51	0,5