Расчет показателей качества воды и технологических характеристик схемы умягчения воды

Скачать 228.08 Kb. Название Расчет показателей качества воды и технологических характеристик схемы умягчения воды Анкор Moya_voda.docx Дата 19.12.2017 Размер 228.08 Kb. Формат файла Имя файла Moya_voda.docx Тип Курсовая #13192

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина» Кафедра химии и химических технологий в энергетике Курсовая работа на тему: «Расчет показателей качества воды и технологических характеристик схемы умягчения воды» Выполнила: студентка гр. 3-3х Лелетич К. С. Проверил: к.т.н. доц. Ларин А.Б. Иваново 2013 Задание на курсовую работу «Расчет показателей качества воды и технологических характеристик схемы умягчения воды» Исходные данные: Химический состав примесей исходной (природной) воды Производительность ВПУ 150т/ч; Технологическая схема ВПУ; Назначение схемы. Расчетная часть: Расчет ионных равновесий в исходной воде: -пересчет концентраций примесей в мг-экв/л; -расчет ошибки анализа воды; -расчет стабильности воды; -расчет удельной электропроводности воды. Расчет показателей качества по стадиям обработки воды: -показатели качества осветленной воды (коагуляция+известкование; МФ); -показатели качества умягченной воды (после NaR). Сводная таблица показателей качества воды по стадиям обработки. Описание работы и расчет технологических характеристик аппаратов ВПУ: - осветлитель; - механические фильтры; - Na – катионитные фильтры. Таблица состава оборудования ВПУ. 3. Графическая часть: Схема установки и отдельных аппаратов. 4. Используемая литература. Содержание Расчет показателей качества воды для установки: химический состав примесей исходной (природной) воды……………....3 определение стабильности воды…….……………………………………..3 расчет удельной электропроводности воды………………………………..5-6 Осветленная и умягченная вода……………………………………………........6-9 Технологический расчет механических и Na – катионитных фильтров: механические фильтры……………………………………………………….9-11 Na – катионитные фильтры…………………………………………………..11-13 Параметры установок для обработки данной воды…………………………….13 Расчет показателей качества воды для установки 1. Исходная вода Исходная вода - вода из реки Обь, г. Новосибирск, поступающая на химводоочистку расходом 150 т/ч. Примерный химический состав её примесей приведен в табл. 1[1] Таблица1. Химический состав примесей воды р. Обь (г. Новосибирск): Показатель Жесткость, мг-экв/л Концентрация ионов, мг/л ГДП, мг/л Що, мг-экв/л Ок, мгО/л Жо Na++K+ SO42- Cl- Численное значение 1.6 9,5 5,1 11,5 15 2,1 5.8 Проверка анализа исходной воды выполняется по уравнению электронейтральности: (1) 1.6 + 9,5/23=?=2,1 + 5,1/48 + 11,5/35,5 2,013=?=2,51 Δ = ∑Kt+- ∑An- =2.51-2.013=0,497 мг-экв/л. [Na+]=9.5+0.497*23=20.93 Жо + [Na+] = 1.6 + 20.93/23=2.51 Для дальнейших расчетов данные табл. 1 следует переписать с пересчетом концентраций ионов в мг-экв/л и моль/л в форме табл. 2: Таблица 2. Пересчет концентраций ионных примесей воды Концентрации Концентрация ионов, мг-экв/л Ca2+ Mg2+ Na++K+ SO42- Cl- HCO3- а) мг/л; б) мг-экв/л; в) моль/л∙103 32.08 0.8 0,4 19.44 0,8 0,4 9,5 0,41 0,41 5,1 0,11 0,055 11,7 0,33 0,33 128,1 2,1 2,1 Определение стабильности воды Расчет производится сравнением равновесной и фактической концентрации углекислоты в воде. Поскольку значения рН исходной воды не задано, принимаем рН=7. Для определения активностей ионов в воде найдем ионную силу (μ) и коэффициенты активности γI и γII. =0,5(Сi zi2) (2); (3); где, Сi – концентрации ионов, моль/л; z – заряд i-го иона. μ=0,5[ССа2+ ∙ Z2Ca2+ +CMg2+ ∙ Z2Mg2+ +СNa+ ∙ Z2Na+ +CSO42- ∙ Z2SO42- +CCl- ∙ Z2Cl- +CNO3- ∙ Z2NO3- +CHCO3- ∙ Z2 HCO3-]=0,5∙10-3(0,4 ∙22 +0,4 ∙22 +0,41∙12 +0,055 ∙22 +0,33 ∙12 + +2,1 ∙12)=3.075∙10-3 Определение равновесной концентрации угольной кислоты Н2СО3 НСО3– + Н+ НСО3– СО32– + Н+ СО32– + Ca2+ CaСО3 ↓(тв) В этом случае концентрации ионов и молекул определяются совместным решением уравнений (4)÷(6): (4) (5) (6) Равновесная концентрация углекислоты равна: (7) где КI и КII – константы диссоциации углекислоты по I и II ступеням; - произведение растворимости СaCO3; , - концентрации ионов кальция и бикарбонатов, моль/л. Фактическая концентрация углекислоты определяется из уравнения диссоциации по I ступени: Н2СО3 НСО3– + Н+, по закону действующих масс, откуда (8) =5,218·10-5 моль/л < =4,359·10-4 моль/л. То есть исходная вода – агрессивная, осадок СаСО3 не выпадает. Расчет удельной электропроводности исходной воды В данном случае могут быть использованы выражения для расчета средних значений эквивалентных электропроводностей в виде уравнений (9)÷(11): (9) (10) (11) где, М=ΣKt=ΣAn – минерализация воды, мг-экв/л; Кt = 1 + 0,024(t – 18 °С) – температурный коэффициент, электропроводности при температуре раствора t ºС. Тогда, удельная электропроводность воды (χ, мкСм/см) определяется так: (12) где, и - концентрации хлоридов и сульфатов, мг-экв/л. 2. Осветленная и умягченная вода Принципиальная схема предочистки и умягчения воды может быть представлена по рис. 1 Рис. 1. Принципиальная схема осветления и умягчения воды. 1 – подогреватель сырой (исходной) воды; 2 – осветлитель; 3 – бак осветленной воды; 4 – насос подачи осветленной воды на механические фильтры; 5 – механические фильтры; 6 – Na-катионитные фильтры. В подогревателе (1) исходная вода подогревается до температуры 30÷50 ºС для ускорения химических реакций. В осветлителе производится коагуляция коллоидных (органических) примесей и удаление шлама и грубодисперсных (взвешенных) примесей. Обычно, при ЩО>2 мг-экв/л рекомендуется наряду с коагуляцией производить известкование воды в осветлителе с целью снижения щелочности (или всех форм углекислоты) в воде. Обычно при этом уменьшается общая жесткость и кремнесодержание воды. Переливом вода из осветлителя поступает в бак осветленной воды (3), откуда насосом (4) прокачевается через механические (5) и Na-катионитные фильтры (6). При этом из воды удаляется «проскочивший» из осветлителя шлам и удаляются катионы накипеобразователи (Ca2+, Mg2+) в обмен на Na+из катионита. Умягченная вода накапливается в баке и расходуется на технологические нужды, в том числе, на питание установок обратного осмоса с целью обессоливания. Щелочность природной воды по табл. 1 равна 2,7 мг-экв/л, т.е. более 2 мг-экв/л и в этом случае рекомендуется совмещение коагуляции воды с ее известкованием в осветлителе. Принципиальная схема осветлителя для коагуляции с известкованием приведена на рис. 2. Рис. 2. Схема осветлителя типа ВТИ для известкования и коагуляции воды: 1 – подача обрабатываемой воды; 2 – воздухоотделитель; 3 – распределительная система; 4 – опускная труба; 5 – тангенциальный ввод воды; 6 – смеситель; 7 – подача раствора ИМ; 8 – подача раствора коагулянта; 9 – шламоприемные окна; 10 – шламоуплотнитель; 11 – слой контактной среды; 12 – водозаборное устройство; 13 – сборный желоб с отверстиями; 14 – выход осветленной воды; 15 – зона осветления; 16 – зона контактной среды; 17 – периодическая продувка; 18 – непрерывная продувка В качестве коагулянта используется обычно сульфат железа (II), кристало-гидрат которого имеет химическую формулу FeSO4·7H2O. Известь вводится в виде известкового молока – суспензии Ca(OH)2 в воде. В ряде случаев используется насыщенный раствор Ca(OH)2, чтобы избежать процесса растворения твердого Ca(OH)2 и ускорить химические реакции. Показатели качества осветленной воды при разных схемах осветления воды могут быть определены по табл. 3. Таблица 3. Показатели качества осветленной воды после разных схем предочистки Показатель -М- -К-М- -К-И-М- -К-И-С-М- Остаток коагулянта, мг/л – <0,2 <0,1 <0,1 Снижение окисляемости, % 0 50–75 40–50 40-50 Снижение содержания кремниевой кислоты, % 0 10–20 30–40 30–40 Свободная углекислота, мг/л +Dк 0 0 Щелочность общая, мг-экв/л: гидратная карбонатная бикарбонатная 0 0 –Dк 0 0 –Dк 0,7–1,3 0,1–0,2 0,6–1,2 0 1–1,5 0,1–0,2 0,8–1,4 0 Жесткость общая, мг-экв/л, в т.ч. Жнк ЖMg +Dк (1–0,8) 1–1,5 0 (0–0,2) Сульфаты, мг-экв/л + Dк + Dк + Dк Взвешенные в-ва, мг/л 2 2 2 2 Прозрачность "шрифт", см 40 40 40 40 рН рНисх рНисх– (0,1–0,5) 9,5–10,5 9,5–10,5 Солесодержание, мг/л Sисх Sисх +ЭкDк Sисх–ЭкDк–50Що–3,5Ок Примечание. исх – соответствует концентрации такого показателя в исходной воде; ос - соответствующий концентрации такого показателя в осветленной воде; Эк – эквивалент коагулянта; Дк – доза коагулянта, мг-экв/л; Ок – окисляемость исходной воды, г3/л Показатели качества осветленной воды при дозе коагулянта 0,5 мг-экв/л: - окисляемость – Окосв=0,5 ∙ 2,8=1,4 мгО/л; - щелочность: общая (ЩОосв)=1,1 мг-экв/л; гидратная (ЩГосв)=0,2 мг-экв/л; карбонатная (ЩКосв)=0,9 мг-экв/л; - жесткость общая ЖОосв=ЩОосв+ЖНКисх+ДК=1,1+0,2+0,5=1,8 мг-экв/л; - сульфаты [SO42-]осв=[SO42-]исх + ДК=0,11+0,5=0,61 мг-экв/л; - взвешенные вещества – 10 мг/л; - рН - 10 ед.рН; - натрий - 0,4 мг-экв/л; - хлориды - 0,33 мг-экв/л. Проверка ионного состава примесей по уравнению электронейтральности дает ошибку: Расчетная (требуемая) величина дозы извести вводимая в обрабатываемую воду (Дитр, мг-экв/л) определяется уравнением (13): (13) при выражении всех концентраций в мг-экв/л. При этом избыток извести (Ии) можно принять равным гидратной щелочности осветленной воды (Щг); величину =0,8∙. Количество образующегося в осветлителе осадка Си, мг/л, равно: , (14) где СаО – содержание окиси кальция в технической извести в % от общей массы; М – содержание механических примесей, мг/л; к – содержание коагулянта (FeSO4) в техническом продукте, в % от общей массы; [Са2+]исх, [Са2+]осв – концентрация катионов кальция в исходной и в осветленной воде, мг/л; мг-экв/л; – фактическая доза коагулянта, мг-экв/л: (15) Основной характеристикой химического состава шлама, показывающей отношение Mg(OH)2/СаСО3, является м. Оптимальные значения м составляют от 0,050,1 до 0,20,25. Расчетом параметр м определяется , (16) где ; где а – масса Са(ОН)2 в известковом молоке, мг/л; с – количество СаСО3 в известковом молоке, мг/л; можно принять с/а=0,05. 3. Технологический расчет механических и Na-катионитных фильтров. 1) Механические фильтры. Пропуск осветленной воды через механический фильтр снижает концентрацию взвешенных веществ (шлама) до 1 мг/л и предупреждает случайные забросы шлама из осветлителя. Принципиальная схема однокамерного однопоточного механического фильтра показана на рис. 3. Рис. 3. Принципиальная схема однопоточного механического фильтра: I – фильтрующий материал (дробленый антрацит); II – распределительное устройство; III, IV – люки для осмотра и проведения ремонта фильтра; 1 – подача обрабатываемой воды; 2 – выход осветленной воды; 3 – промывочная вода; 4 – выход промывочной воды; 5 – сброс воды в дренаж; 6 – подача сжатого воздуха Фильтроцикл работы механического фильтра предусматривает рабочий период – фильтрацию воды сверху – вниз через зернистую загрузку (обычно – дробленный антрацит) и взрыхляющую промывку снизу – вверх водой и воздухом с удалением накопившейся грязи. Технологические показатели работы механического фильтра приведены в табл. 4. Таблица 4. Технологические показатели механических фильтров Показатели Обозначение Величины Скорость фильтрования, м/ч W 56 Интенсивность взрыхления, л/м2·с i 1013 Время взрыхления, мин. τвзр. 57 Удельная грязеёмкость, кг/м3 Г 2,03,0 Высота загрузки фильтрующего материала, м h 0,91,0 Технологический расчет механических фильтров состоит в определении времени работы одного фильтра между взрыхляющими промывками, необходимом количестве МФ для обработки всего потока воды, необходимом объеме фильтрующего материала, скорости фильтрования воды и необходимом расходе воды на взрыхляющую промывку. При этом ряд параметров процесса принимается на основании опыта эксплуатации, отраженного в руководящих технических материалах. Такими нормативными параметрами являются: - допустимая высота загрузки, h – не более 1м; - допустимая скорость фильтрования, Wфдоп – менее 10 м/ч; - минимальное количество МФ, n – 3 шт; - диаметр фильтра – из стандартного ряда, d – 2,0м; 2,6; 3,0м; 3,4м; Для расчета технологических характеристик используются следующие базовые уравнения: - уравнение материального баланса: (17) - уравнение фильтрации: , м/ч (18) - уравнение расхода взрыхляющей воды: , м3/ч (19) где, Vзагр – объем загрузки фильтрующего материала в одном фильтре: Г – удельная грязеемкость загрузки, кг/м3 (по табл. 7.); Q – расход обрабатываемой воды на все фильтры, м3/ч; n – количество установленных фильтров с учетом одного резервного, шт; Т – время работы фильтра между промывками, ч; Cвзв.в. – концентрация взвешенных веществ, удаляемых из воды, мг/л; Wф – фактическая скорость фильтрования воды, м/ч; d – диаметр установленных механических фильтров, м; i – интенсивность взрыхления, л/(м2с). Перед расчетом необходимо выбрать количество и диаметр устанавливаемых фильтров. Для этого используется уравнение фильтрации (18) в предположении, что n≥3; Wф ≤ Wфдоп; d – из стандартного ряда, желательно большего диаметра. > Wфдоп=10 м/ч Увеличивая число фильтров, получим фактическую скорость фильтрования: Такую скорость фильтрования можно принять в качестве проектной, имея ввиду, что один из установленных фильтров находится в резерве, а один фильтр выведен из работы на взрыхляющую промывку. Такая скорость обеспечивает требуемую глубину удаления взвешенных веществ. Технологические характеристики: - грязеемкость одного фильтра (Г)=3 кг/м3; - высота загрузки (hзагр)=1,0м; - объем загрузки (Vзагр)= hзагр∙πd2/4=1,0∙3,14 ∙32 /4=7,069 м3; - время работы фильтра, ч, определяется из уравнения материального баланса(17): Из уравнения (19) расход взрыхляющей воды: Дальнейшая обработка осветленной воды производится на Na – катионитных фильтрах. Na-катионитные фильтры. После Na-катионитных фильтров уменьшается общая жесткость воды до величины остаточной жесткости – ЖoNa=0,1 мг-экв/л. При этом в воду поступает эквивалентное удаленному количество мг-экв Na+ согласно уравнению химической реакции ионного обмена: 2NaR+Ca2+ CaR2+2Na+ Концентрации других ионных примесей остаются неизменными. Если требуется более глубокое удаление из воды катионов кальция и магния, то применяют 2-ю ступень умягчения воды на Na-катионитных фильтрах, что позволяет снизить общую жесткость воды до 0,01 мг-экв/л. Принципиальная схема Na – катионитного фильтра приведена на рис.4. Рис. 4. Принципиальная схема однопоточного прямоточного катионитного фильтра: 1 – вход обрабатываемой воды; 2 – выход обработанной воды; 3 – подача взрыхляющей воды; 4 – сброс промывочной воды; 5 – подача регенерационного раствора; 6 – сброс регенерационного раствора и отмывочной воды; 7 – нижнее распределительное устройство; 8 – верхнее распределительное устройство; 9 – люк для ревизии и ремонта фильтра; 10 – смотровой люк Рабочий процесс фильтрования воды производиться также, как на механическом фильтре: сверху – вниз. Процесс восстановления рабочей способности катионита – регенерация - складывается из трех стадий: взрыхление, собственно регенерация и отмывка катионита от продуктов регенерации. Также, как и в расчете механических фильтров здесь необходимо опираться на опытные (или нормативные) параметры технологического процесса, основные из которых приведены в табл. 5. Таблица 5. Основные технологические показатели для Na-катионитовых фильтров Показатели Обозначение Величины Na1 Na2 Скорость фильтрования при Ж0 до 5,0 мг-экв/л, м/ч WФ 1015 2530 Интенсивность взрыхления, л/м²·с i 4 4 Линейная скорость взрыхления, м/ч WВЗР 14 14 Продолжительность взрыхления, мин. τВЗР 15 15 Скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч WРР 34 35 Скорость пропуска отмывочной воды, м/ч WОТ 68 68 Удельный расход отмывочной воды, м³/м³ qОТ 4 4 Концентрация регенерационного раствора, % СNaCl 68 812 Удельный расход поваренной соли на регенерацию, г/г-экв dNaCl 170230 350400 В расчете технологических характеристик Na-катионитных фильтров используются следующие базовые уравнения: - уравнение материального баланса ионов: (20) - уравнение фильтрации: ,м/ч (21) - уравнение регенерации (расхода 100% - го реагента NaCl): , кг (22) - уравнение стоков Na-катионитного фильтра: расход соли NaCl в сток: , кг (23) расход солей жесткости (CaCl2 и MgCl2) в сток: , г-экв (24) где, Жо – общая жесткость осветленной воды, поступающей на NaR, мг-экв/л; Eр – рабочая обменная емкость катионита по катионам жесткости, г-экв/м3; qNaCl – удельный расход соли на регенерацию, г/г-экв; 58,5 – эквивалент соли NaCl. Остальные обозначения такие же, как в уравнениях (17)-(19) расчета механических фильтров. Расчет начинается с определения необходимого числа фильтров (n) при заданной максимальной допустимой скорости фильтрования 20 м/ч и диаметре фильтров из стандартного ряда: 2,0 м; 2,6 м; 3,0 м; 3,4 м. Расчет выполняется аналогично тому, как показано для механических фильтров (в случае монтажа в фильтре дренажной системы в форме «ложного дна» с большим количеством фильтровальных элементов – колпачков, предельная допустимая скорость фильтрования воды может быть увеличена до 30 м/ч). Скорость фильтрования из уравнения фильтрации (21): скорость допустима, т.к. она лежит в пределах 10 – 15 м/ч. Из уравнения материального баланса ионов (20) время работы одного фильтра: ; Расход 100% - го реагента NaCl из уравнения регенерации (22): Расход соли NaCl в сток по уравнению (23): Расход солей жесткости (CaCl2 и MgCl2) в сток: Таблица 6. Параметры установок для обработки данной воды Параметры Осветлитель механический фильтр Na-катионитный фильтр Диаметр d; м 7,0 3 3,4 Высота hзагр; м 9,65 1,0 1,2 Скорость W;м/ч ─ 5,89 13,77 Время работы T; ч ─ 118,76 75,53 Количество фильтров n; шт 2 (ВТИ - 160И) 8 4 Используемая литература Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф./Водоподготовка в энергетике., Москва, изд. МЭИ, 2003г., стр.44-46. Лекции по курсу «ХТ ПАР ВПУ».