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 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.

Ж_о = [Ca⁺²] + [Mg⁺²] = 4.0 + 2.4 = 6.4 мг-экв/л (3).

1.2. Определяется карбонатная жесткость исходной воды.

Ж_к = [HCO₃^-] = 5.1 мг-экв/л (4).

1.3. Определяется щелочность исходной воды.

Щ_о = Ж_к = 5.1 мг-экв/л (5).

1.4. Определяется не карбонатная жесткость.

Ж_нк = Ж_о – Ж_к = 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:

Ж_к / Ж_о 0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 0.5 +

Ж_нк 3.5 мг-экв/л Ж_нк = 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:

Ж_к / Ж_о 0.5 5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5 -

Ж_нк 3.5 мг-экв/л Ж_нк = 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:

H (Кат)

Дегазатор

Na (Кат)

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.

q^H_пол.= q_пол.( Щ_о-Щ_у ) / ( А+Щ_о ) м³/час (7)

где q_пол.- полезная производительность Н-Na-катионитных фильтров,

q_пол.= Q_сут. / 24=1100/24=45.8 м³/час,

Щ_о- щелочность исходной воды,

Щ_о=5.1 ^гр-экв/_м3,

Щ_у- щелочность умягченной воды,

А- сумма концентраций анионов,

А= 7.3 ^гр-экв/_м3,

q^H_пол.= 45.8*( 5.1-0.35 ) / ( 7.3+5.1 ) = 17.5 м³/час

Определяется расход воды на Na-катионитные фильтры:

q^Na_пол.= q_пол.- q^H_пол. м³/час (8)

q^Na_пол.= 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 - Е_полн. = 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]:

W^H = 24*q^H_пол.(Ж_о+С_Na)/(n^H_p*E^H_раб.) м³ (9)

где С_Na- концентрация в исходной воде,

С_Na=0.9 ^гр-экв/_м3 ,

n^H_p- число регенераций каждого Н-катионитного фильтра в сутки,

принимается по [1,прил.7,п.14]: от 1…2.

n^H_p=2,

E^H_раб.- рабочая обменная емкость Н-катионита, вычисляется по

Формуле [1,прил.7,п.27]:

E^H_раб.= _н* Е_полн. – 0.5*q_уд.*С_к ^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,

q_уд.- удельный расход воды на отмывку 1 м³ катионита (для сульфо-

угля принимается 4 м³),

q_уд.=4 м³,

С_к – общее содержание в воде катионидов,

С_к =7.3 ^гр-экв/_м3 ,

E^H_раб.= 0.85*570 – 0.5*4*7.3 = 469.9 ^гр-экв/_м3,

W^H = 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]:

W^Na = 24*q^Na_пол.(Ж_о* n^Na_p)*E^Na_раб. м³ (11)

Где n^Na_p- число регенераций каждого Na-кат. фильтра в сутки

принимается согласно [1,прил.7,п.14] от 1…3.

n^Na_p=2,

E^Na_раб.- рабочая обменная емкость Na-катионит. фильтра

вычисляется по [1,прил.7,п.15]:

E^Na_раб.= _Na*_Na*Е_полн. – 0.5*q_уд.*Ж_о ^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:

С_Na / Ж_о= 0.1 _Na= 0.83

E^Na_раб.= 0.62*0.83*570 – 0.5*4*6.4 = 293.3-12.8 ^гр-экв/_м3,

W^Na = 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]:

F_н = W_н/H_к, м² (13)

где H_к- высота слоя катионита в фильтрах,

Площадь Na-кат. фильтров определяется по [1,прил.7,п.16]:

F_Na = W_Na/H_к, 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

F_н = W_н/H_к = 3.6/2 = 1.7 м²

Площадь одного Н-катион. фильтра:

f_н = (d²)/4 = 0.785 м² ,

Количество рабочих Н-катион. фильтров:

F_н/ f_н = 1.7/0.785 = 2 шт.

Принимается 2 рабочих Н-катионид. фильтра.

F_Na = W_Na/H_к = 7.7/2 = 3.85 м²

Площадь одного Na-катион. фильтра:

f_н = (d²)/4 = 1.76 м²

Количество рабочих Na-катион. фильтров:

F_Na/ 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:

V_нор. = q^H_пол./( f_н*n_н) м/ч (15)

Где f_н- площадь одного Н- кат. фильтра,

n_н- количество рабочих Н-кат. фильтров.

V_нор. = 17.5/(0.785*2) = 11 м/ч

Для Na-катионит. фильтров: