ОБРАБОТКА ВОДЫ МЕТОДАМИ ИОННОГО ОБМЕНА. Na-катионирование.

 

Обработка воды методами ионного обмена основана на пропуске исходной или частично обработанной воды через фильтрующий слой ионообменного материала, практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами. Материалы, обладающие свойством обменивать катионы, называются катионитами, а материалы, обладающие свойством обменивать анионы – анионитами. На водоподготовительных установках энергетических объектов применяются катиониты: сульфоуголь (наиболее дешевый), катионит КУ-2 (термостойкий), реже – катионит КУ-1. Чтобы получить нужную ионную форму ионита, проводят регенерацию.

Выбор и расчёт системы подготовки воды

Катиониты при регенерации их растворами NаCl, Н₂SО₄, NH₄Cl образуют соответственно натриевую, водородную или аммонийную формы, которые условно можно обозначить: NаR, HR, NH₄R. При пропуске обрабатываемой воды, содержащей катионы Са²⁺, Мg²⁺ через отрегенерированный катионит, протекают реакции обмена ионов Са²⁺, Мg²⁺ на ионы Nа⁺, H⁺, NH₄⁺, содержащихся в катионите; этот процесс называется катионированием.

Nа-катионирование основано на пропуске воды через Nа-форму катионита, для чего предварительно катионит регенерируется поваренной солью (NaCl). При Nа-катионировонии воды протекают следующие реакции:

2NаR+Са(НСО₃)₂ÛСаR₂+2NаНСО₃

2NаR+Мg(НСО₃)₂ÛMgR₂+2NаНСО₃

2NаR+CаCl₂ÛСаR₂+2NaCl

2NаR+CаSO₄ÛСаR₂+2Na₂SO₄

2NаR+MgCl₂ÛMgR₂+2NaCl

2NаR+MgSO₄ÛMgR₂+2Na₂SO₄

где NаR, СаR₂, MgR₂ – солевые формы катионита.

Как видно из приведенных реакций. Из обрабатываемой воды удаляются катионы Са²⁺ и Mg²⁺, а в обрабатываемую воду поступают ионы Nа⁺, анионный состав воды при этом не меняется.

Одноступенчатым Nа-катионированием можно получить воду с остаточной жесткостью до 0,1 мг-экв/л, однако для получения боее глубокоумягченной воды (с остаточной жесткостью 0,01-0,02 мг-экв/л) требуется существенно увеличить удельный расход соли на регенерацию фильтра, причем необходим тщательный контроль за «проскоком» жесткости. В схеме двухступенчатого Nа-катионирования все эти недостатки устраняются и надежно обеспечивается остаточная жесткость фильтра менее 0,01 мг-экв/л.

Число ступеней катионирования определяется требованиями к обработанной воде. Так, для паровых экранированных котлов, где требуется глубокое умягчение воды, целесообразно применение схемы двухступенчатого Nа-катионирования. Для горячего водоснабжения, если требуется частичное умягчение воды, достаточно одной ступени катионирования.

 

 

ВЫБОР И РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ВОДОПОДГОТОВКИ.

Студент при выборе схемы водоподготовки исходит из качества исходной воды реки или водохранилища, расположенных в районе расположения котельной ([1], приложение 8, с.201-205), и рекомендаций ([1], параграф 1.14, с. 59-60; пар.1.13, с. 57, схема 4). При этом доля возврата конденсата определяется по формуле:

 =

= (15,5+2,4+(32/100)*7,7+0,5*1,4)/25 = 0,96

	Выбор и расчёт системы подготовки воды

где  - процент возврата технологического конденсата.

Определяются три показателя водно-химического режима:

1. Продувка котла.

2. Допустимое содержание углекислоты в паре.

3. Нормируемая относительная щелочность котловой воды (предусмотреть при необходимости нитратирование обрабатываемой воды ([1], пар.1.16.3, с. 67)).

Расчеты делаются с целью определить, можно ли применить самую экологически чистую водоподготовку – Na-катионирование.

Продувка котла

Величина продувки для теплогенераторов с давлением £1,4 МПа не должна быть более 10%:

 =

= [228*(1-0,96)+5*0,96]/[2500-228*(1-0,96)+5*0,96] = 0,05

где , мг/л, - солесодержание химически обработанной воды; принимается равным , мг/л, - сухому остатку исходной воды,

  - общая доля возврата конденсата,

  5 мг/л – солесодержание котловой воды; принимается равным 2000-3000мг/л.

Если при расчете оказывается, что величина продувки менее 2%, то для дальнейших расчетов принимают р=5%.

Нормируемая относительная щелочность котловой воды (предусмотреть при необходимости нитратирование обрабатываемой воды ([1], пар. 1.16.3, с.67)

По правилам Госгортехнадзора при наличии клепаных соединений относительная щелочность не должна превосходить 20%, при наличии вальцовых соединений – 50%, а при сварных соединениях не нормируется.

При Na-катионировании относительная щелочность котловой воды равна относительной щелочности питательной воды и определяется по формуле:

= 40*0,212*100/13,92 = 50%

где 40 – эквивалент NaOH,

, мг-экв/л, - общая щелочность питательной воды:

=4,1*(1-0,96)+0,05*0,96=0,212

, мг-экв/л, - общая щелочность химически очищенной воды (при Na-катионировании равна щелочности исходной воды),

=0,05 мг-экв/л, - общая щелочность конденсата,

Выбор и расчёт системы подготовки воды

, мг/л, - сухой остаток питательной воды:

= 228*(1-0,96)+5*0,96 = 13,92

Допустимое содержание углекислоты в паре

Содержание углекислоты в паре допускается при центральном потреблении пара до 100 мг/л а при разветвленной сети потребителей пара – не выше 20 мг/кг. При использовании деаэраторов с барботажом концентрацию углекислоты в паре определяют по формуле:

= 22*212*(1-0,96)*(0,4+0,7) = 0,205 мг/кг,

где 22 – эквивалент углекислоты,

- доля разложения Na₂CO₃ в котле (зависит от давления); при давлении 1,4 МПа доля есть 0,7.

Для котлов с преобладанием отопительной нагрузки, т.е. большой долей возвращаемого конденсата, наиболее часто подходит схема обработки воды по методу натрий-катионирования ([1], пар.1.5.1, с.22-26). Если вычисляемые выше показатели удовлетворяют требованиям, то Na-катионирование следует принять в качестве рабочего процесса химической обработки воды. Для паровых котлов требуется глубокое умягчение воды до остаточной жесткости 0,01-0,03 мг-экв/л, что достигается при двухступенчатом натрий-катионировании.

Производительность водоподготовки, м³(т)/час:

= (10+(5/100)*10)*(1-0,96)*1,1*4 = 1,848 т/ч

где , т/час - паропроизодительность котла;

 - количество котлов в котельной;

, % - продувка котла;

, доли - общая доля возвращаемого конденсата.

Скорость фильтрации в зависимости от жесткости

Скорость фильтрования рекомендуется для 1 ступени:

При жесткости воды                      Скорость фильтрования W, м/час

        5 мг-экв/л                                          25

        5-10 мг-экв/л                                     15

        10-15 мг-экв/л                                   10

 

Для 2 ступени - не более W=40 м/час.

Рабочее количество фильтров в 1 и 2 ступенях установки

В установке принимаются в первой ступени 2 рабочих и 1 резервный фильтр, во второй ступени – 1 рабочий и 1 резервный.

Площадь сечения, диаметр и тип фильтра

Расчет площади сечения одного фильтра производят для 1 и 2 ступеней по формуле:

	Выбор и расчёт системы подготовки воды

= 1,848/(25*2) = 0,036 м²

= 1,848/(40*1) = 0,046м²

где а – число рабочих фильтров для каждой ступени.

Условный диаметр фильтра

= (4*0,036/3,14)  = 0,214 м

= (4*0,046/3,14) = 0,24 м

По расчетному диаметру Д_У с учетом производительности фильтра выбирают по расчетному каталогу ([2], с.3560, табл.12.14) подходящий фильтр:

 

, мм	700	1000	1500
, м2	0,39	0,76	1,72

 

Проверяют скорость фильтрации, которая должна быть не менее рекомендованной

= 1,848/(0,39*2) = 2,3 м/час

= 1,848/(0,39*1) = 4,7 м/час

Удобно для обеих ступеней фильтрования использовать фильтры одной конструкции.

Удаляемое количество солей жесткости в сутки

1 ступень

= 24*4,29*1,848 = 190 г-экв/сутки,

где Ж_О, г-экв/м³ (мг-экв/л), - жесткость исходной воды

2 ступень

для второй ступени жескость поступающей воды принять 0,1 мг-экв/л

= 24*0,1*1,848 = 4,4 г-экв/сутки.

Рабочая обменная емкость катионита