Пример построения суточного графика работы фильтров

Общие сведения.

Умягчение воды применяют для снижения ее жесткости. Использование жёсткой воды вызывает отложение осадка (накипи) на стенках котлов и трубопроводов, что приводит к уменьшению их пропускной способности и нарушению теплообмена.

Все паровые котлы с естественной и многократной принудительной циркуляцией паропроизводительностью 0,7 т/ч и более, все паровые прямоточные котлы независимо от паропроизводительности, а также все водогрейные котлы должны быть оборудованы установками для докотловой обработки воды [1]. В зависимости от типа и конструкции котла, а также вида используемого топлива общая жесткость питательной воды должна составлять от 1 до 100 мкг-экв/кг (0,001-0,1 мг-экв/кг).

Под умягчением воды понимают процесс удаления из нее солей жесткости – катионов кальция Са²⁺ и магния Mg²⁺.

Умягчение воды может производиться различными методами: термическим, реагентными, ионообменными, диализа, комбинированными.

Наибольшее распространение в практике водоподготовки котельных установок получил метод натрий-катионитного умягчения воды, который относится к ионообменным методам. Под ионным обменом понимают процесс поглощения ионообменным материалом ионов из воды в обмен на эквивалентное количество ионов, поступающих из ионообменного материала в раствор. Другими словами происходит обмен катионами – катионирование.

Жесткость воды при натрий-катионировании может быть снижена до 0,05 мг-экв/л при одноступенчатой обработке и до 0,01 мг-экв/л при двухступенчатой схеме умягчения воды.

Процесс натрий-катионирования используется для умягчения воды путем замены ионов Са²⁺ и Mg²⁺ на ионы Na⁺ и происходит следующим образом:

где [K] – нерастворимая матрица катионита.

Натрий в воде образует соединения карбоната натрия (NaHCO₃), который впоследствии распадается при высоких температурах (выше 150°С) на гидроксид натрия NaOH и свободную углекислоту СО₂, являющихся коррозийными агентами. Поэтому, в случае подготовки воды для котельных установок, умягчение воды методом ионного обмена обязательно должно сопровождаться ее декарбонизацией.

Одним из важнейших параметров характеризующих кинетику процесса катионирования является скорость ионного обмена, которая зависит от интенсивности диффузии ионов к поверхности раздела катионит-вода.

Если обмен происходит на наружных поверхностях зерен катионита, то такой тип обмена называется экстрамицелярным. В этом случае при больших скоростях обмена присутствует низкая степень использования емкости катионита. Если зерна катионита представляют развитую структуру с размерами капиллярных каналов больше размеров ионов, то обмен происходит как на наружных, так и внутренних поверхностях зерен катионита. Такой тип обмена называется интермицелярным. В этом случае скорость обмена ниже, однако, емкость катионита используется полнее.

Под емкостью катионита понимают количество катионов, которое может обменять катионит в процессе фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в количестве грамм-эквивалентах задержанных катионов на 1 м³ катионита, находящемся в фильтре в рабочем состоянии.

Катиониты до загрузки в фильтр находятся в сухом состоянии. При соприкосновении с водой (в фильтре) катионит набухает, увеличиваясь в размерах. Величина расширения объема катионита при набухании характеризуется коэффициентом набухания

,

где W_в и W_с – объем единицы массы катионита во влажном (набухшем)
и в воздушно-сухом состоянии соответственно, м³.

При расчете емкости катионита используются параметры набухшего катионита.

Различают полную и рабочую обменную емкость катионита.

Полной обменной емкостью называется количество ионов кальция и магния, которое может задержать 1 м³ катионита до того момента, когда жесткость обрабатываемой воды сравниться с жесткостью исходной воды.

Рабочей обменной емкостью – называется количество ионов кальция и магния, которое может задержать 1 м³ катионита до момента, когда жесткость обрабатываемой воды начинает повышаться выше установленного нормативом, или, как говорят, начинается «проскок» ионов в фильтрат.

Обменная емкость катионитов является важнейшей технологической характеристикой. Способность к ионному обмену обусловлена наличием в ионитах функциональных групп, которые у катионитов носят кислотный характер с активными группами SO₃H (сульфогруппа) и COOH (карбоксильная группа). Монофункциональные катионы, содержащие сульфогруппы, являются сильнокислотными, а содержащие карбоксильные группы – слабокилотными. Сильнокислотные катиониты (например, КУ-2-8) осуществляют обмен ионов практически при любых значениях pH среды, так как их функциональные группы диссоциируют при любых значениях pH. Слабокислотные функциональные группы в кислой среде практически остаются в недиссоциированном состоянии, что резко уменьшает способность карбоксильных катионитов типа КБ к ионному обмену в таких условиях, поэтому их рекомендуется применять при обработке растворов с pH > 7. Катионит "сульфоуголь" содержит оба типа функциональных групп, поэтому его относят к среднекислотным катионитам и он также мало изменяет свою обменную способность в широком интервале значений рН 1,5-10.

В табл. 1 приведены характеристики некоторых распространенных катионитов.

Таблица 1

В практике водоподготовки для энергетических целей широкое распространение имеют сильнокислотные и среднекислотные катиониты. Наиболее дешевый – сульфоуголь, который имеет относительно не высокую термостойкость и рекомендуется для умягчения воды с pH ≤ 7,5 и температурой T ≤ 80°С. Также сульфоуголь может использоваться для умягчения технической воды с pH ≥ 8,3 и T ≥ 70°С, однако, в этом случае он пептизируется, окрашивая фильтрат в желтоватый цвет. Катионит КУ-1 является более термостойким, а катионит КУ-2 может применяться при температуре 120-130°С.

При пропуске воды через слой катионита происходит ее умягчение, которое заканчивается на некоторой глубине. Слой, который умягчает воду, называется работающим или зоной умягчения. Через определенное время после начала работы ионообменного фильтра наблюдаются три зоны (рис. 1).

В момент совмещения нижней границы зоны умягчения с нижней границей загрузки катионита начинается «проскок» ионов жесткости с обрабатываемой водой. После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его требуется регенерировать.

Рисунок 1. Распределение зон ионообменного фильтра
при движении воды сверху вниз

Процесс работы натрий-катионитных фильтров включает следующие последовательные операции:

1. Рабочий режим – фильтрование умягчаемой воды через слой катионита до момента достижения предельно-допустимой жесткости в фильтрате.

2. Взрыхление слоя катионита восходящим потоком воды в течение 20-30 минут. Для этого может использоваться неумягченная вода, отработанный регенерирующий раствор или вода после отмывки катионита.

3. Спуск водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора.

4. Регенерация катионита регенерирующим раствором хлорида натрия в течении 15-30 минут.

5. Отмывка катионита умягченной водой в течении 30-60 минут.

В среднем продолжительность регенерации (операции 2-5) составляет 2 часа с учетом времени, необходимого для переключения оборудования между операциями.

Следует отметить, что полностью обменная емкость катионита при регенерации не восстанавливается, и после определенного количества регенераций фильтрующая загрузка должна заменяться.

Схемы установок натрий-катионирования, представленные на рис. 2, могут эффективно использоваться для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ не более 8 мг/л и цветностью до 30°. При использовании воды из поверхностных источников со значительной мутностью и цветностью станция водоподготовки должна включать сооружения для предварительного осветления воды.

Схема одноступенчатого натрий-катионирования воды является наиболее простой (рис. 2-а). Она включает в себя катионитовый фильтр 1 для умягчения воды, солерастворитель 8 для приготовления регенерирующего раствора поваренной соли и бака 4 для сбора воды поле отмывки после отмывки катионита, применяемой при взрыхлении слоя катионита.

Одноступенчатая схема натрий-катионирования воды позволяет снизить жесткость до 0,05 мг-экв/л. При необходимости более глубокого умягчения применяют двухступенчатую схему натрий-катионирования (рис. 2-б).

Применение двухступенчатой схемы натрий катионирования позволяет снизить жесткость воды до 0,01 мг-экв/л. Кроме того по сравнению с одноступенчатой схемой достигается более полное использование обменной емкости катионита и уменьшается расход поваренной соли на его регенерацию.

При использовании двухступенчатой схемы натрий-катионирования воды на фильтрах первой ступени вода подвергается умягчению до остаточной жесткости 0,1-0,2 мг-экв/л. Это позволяет лучше использовать обменную емкость катионита и увеличить срок полезной работы загрузки фильтров. После фильтров первой ступени вода подается на фильтры второй ступени, где жесткость снижается до 0,01 мг-экв/л. Так как количество солей жесткости, поступающих на фильтры второй ступени незначительно, то они имеют небольшую высоту слоя загрузки (1,5 м), работают с большими скоростями фильтрации (до 40 м/ч) и время рабочего режима составляет 150-200 ч.

В состав основного оборудования станции для натрий-катионирования воды входят следующие сооружения (рис. 2): фильтры первой и второй ступеней; баки с раствором соли для регенерации фильтров первой и второй ступеней, с водой для взрыхления загрузки фильтров, с умягченной воды.

При расчете натрий-катионитных установок определяются следующие параметры: объем катионита и диаметры фильтров первой и второй ступеней; объем воды, необходимый для проведения регенерации фильтров первой и второй ступеней; расход технической поваренной соли для приготовления регенерационного раствора; размеры баков для хранения регенерационных растворов и воды; продолжительность рабочих циклов фильтров первой и второй ступеней.

Расчетная площадь фильтров первой ступени определяется по формуле

, м³

где Н_{к I} – высота слоя катионита в фильтре первой ступени, которая принимается 2 м при общей жесткости исходной воды до 10 г-экв/м³ или 2,5 м при общей жесткости более 10 г-экв/м³; W_{к I} – объем катионита, м³, определяемый по формуле

, м³

где Q_p – расход воды, подлежащей умягчению, м³/ч; Ж_{0 исх} – общая жесткость исходной воды, г-экв/м³; n_рег – число регенераций фильтра в сутки, которая принимается n_рег = 1 при Ж_{0 исх} < 4 г-экв/м³, n_рег = 2 при Ж_{0 исх} = 4…8 г-экв/м³ и n_рег = 3 при Ж_{0 исх} > 8 г-экв/м³; – рабочая обменная емкость катионита, г-экв/м³, определяемая по формуле

где a_Na – коэффициент эффективности регенерации катионита, который учитывает неполноту регенерации и зависит от удельного расхода поваренной соли, принимаемый по таблице 2

Таблица 2

Примечание: а_с = 120…150 г/г-экв для фильтров первой ступени при двухступенчатой схеме натрий-катионирования и а_с = 150…200 г/г-экв при одноступенчатой схеме

b_Na – коэффициент, учитывающий снижение объемной емкости катионита по ионам Са²⁺ и Мg²⁺ вследствие частичного задержания катионов Na⁺, принимаемый по таблице 3

Таблица 3

где С_Na – концентрация натрия в исходной воде, г-экв/м³, равна

С_Na = [Na⁺] /23,

где [Na⁺] – содержание натрия в исходной воде, мг/л;

Е_полн – полная обменная емкость катионита, г-экв/м³, определяемая по заводским паспортным данным (например, табл. 1);

q_уд – удельный расход воды на отмывку катионита, 1м³ воды на 1м³ катионита: для сульфоугля (q_уд ≈ 4…5 м³/м³).

Расчетный диаметр фильтров первой ступени определяется по формуле

.

где n_{раб I} – количество рабочих фильтров на первой ступени, которых должно быть не менее двух.

Ионообменные фильтры могут изготавливаться из стандартных труб больших диаметров, выпускаемых промышленностью. В этом случае ориентируясь на значение расчетного D_{р I}, по справочным данным подбирается ближайшая стандартная труба, внутренний диаметр которой D_в ≥ D_{р I}, после чего уточняется фактическая площадь одного фильтра первой ступени

;

общая площадь рабочих фильтров первой ступени

;

объем катионита в одном фильтре первой ступени

;

и общий объем катионита в фильтрах первой ступени

,

Полученная площадь фильтров первой ступени проверяется на допустимые скорости фильтрования, которые не должны превышать при общей жесткости воды до 5 г-экв/м³ – 25 м/ч; 5-10 г-экв/м³ – 15 м/ч; 10-15 г-экв/м³ – 10 м/ч. Скорость фильтрования определяется по формуле

.

Расчетная площадь фильтров второй ступени определяется по формуле

, м²

где v_{ф II} – скорость фильтрования на второй ступени, которая должна быть не более 40 м/ч (в первом приближении принимается 40 м/ч).

Расчетный диаметр фильтров второй ступени определяется по формуле

.

где n_{раб II} – количество рабочих фильтров на второй ступени (как правило n_{раб II} = 1).

Ориентируясь на значение расчетного D_{р II}, подбирается ближайшая стандартная труба, внутренний диаметр которой D_в ≥ D_{р II}, после чего уточняется фактическая площадь одного фильтра второй ступени

;

общая площадь рабочих фильтров второй ступени

;

объем катионита в одном фильтре первой ступени

,

где H_{к II} – высота слоя катионита фильтров второй ступени, принимаемая 1,5 м;

общий объем катионита в фильтрах первой ступени

,

По полученному значению площади фильтров второй ступени уточняется скорость фильтрования по формуле

,

которая не должна превышать допустимое значение (см. выше).

Кроме рабочих фильтров на первой и второй ступенях предусматривают как минимум по одному дополнительному (резервному) фильтру для обеспечения непрерывной работы станции при обслуживании оборудования. Количество резервных фильтров окончательно определяется на заключительном этапе расчета при разработке графика работы фильтров.

После завершения рабочего цикла ионообменные фильтры подвергаются регенерации. Процесс регенерации включает несколько стадий: 1) взрыхление слоя катионита; 2) спуск водяной подушки; 3) регенерация катионита фильтрованием регенерационного раствора; 4) отмывка катионита.

Требуемый объем воды на взрыхление слоя катионита фильтров первой (W_{взр I}) и второй (W_{взр II}) ступеней определяется по формуле

W_взр = q_взр·S·t_взр,

где q_взр – интенсивность подачи воды для взрыхления катионита, которую следует принимать 4 л/(с·м²) при крупности зерен катионита 0,5…1,1 мм и 5 л/(с·м²) при крупности 0,8…1,2 мм;

S – площадь одного фильтра;

t_взр – продолжительность взрыхления, принимается 20-30 мин.

Регенерацию загрузки натрий-катионитных фильтров осуществляется технической поваренной солью. Расход поваренной соли на одну регенерацию фильтров первой (Р_{с I}) и второй (Р_{с II}) ступеней определяется по формуле

, кг,

где а_с – удельный расход поваренной соли на регенерацию катионита, г на г-экв рабочей обменной емкости (при двухступенчатой схеме натрий-катионирования а_с = 120…150 г/г-экв для фильтров первой ступени и а_с = 300…400 г/г-экв для фильтров второй ступени);

S – площадь одного фильтра, м²;

H_к – высота слоя катионита в фильтре, м;

– рабочая обменная емкость катионита, г-экв/м³ (при расчете фильтров второй ступени рабочая обменная емкость катионита = 250…300 г-экв/м³).

Объем воды, для приготовления регенерационного раствора для фильтров первой (W_{рег I}) и второй (W_{рег II}) ступеней определяется по формуле

, м³,

где А – процентная концентрация NaCl в регенерационном растворе (для фильтров первой ступени принимается 5…8%, а для фильтров второй ступени – 8…12%);

Р_с – расход поваренной соли на одну регенерацию, кг.

Объемы баков для регенерационного раствора для фильтров первой (W_{б рег I}) и второй (W_{б рег II}) ступеней определяется по формуле

, м³,

где К_з – коэффициент запаса (принимается К_з = 1,5).

Объем бака для взрыхления катионита принимается исходя из большего из двух значений W_{взр I} или W_{взр II} и определяется по формуле

, м³

где К_з – коэффициент запаса (принимается К_з = 1,15)

Объемы воды, требуемые для отмывки фильтров после регенерации для первой (W_{отм I}) и второй (W_{отм I}) ступеней определяется по формуле

, м³

где q_отм – удельный расход воды на отмывку 1 м³ катионита, принимается q_отм=4…5 м³/м³;

W_к – объем катионита в фильтре, м³.

Вода после отмывки фильтра используется для приготовления регенерационного раствора, таким образом, общие объемы воды на одну регенерацию для первой (W_{общ I}) и второй (W_{отм II}) ступеней определяется по формуле

, м³.

Среднесуточные расходы воды, требующийся на регенерацию фильтров первой (Q_{рег I}) и второй (Q_{рег II}) ступеней, определяется по формуле

, м³/сут

где Q_р – расход воды, подлежащей умягчению, м³/ч;

С_вх и С_вых – концентрации солей жесткости перед и после умягчения воды на соответствующей ступени, мг-экв/л;

– рабочая обменная емкость катионита, г-экв/м³;

W_{к общ} – общий объем катионита в рабочих фильтрах, м³;

n_раб – количество рабочих фильтров на соответствующей ступени.

Для фильтров первой ступени С_{вх I} = Ж_{о исх}, С_{вых I} = 0,1 мг-экв/л. Для фильтров второй ступени С_{вх II} = 0,1 мг-экв/л, С_{вых II} = Ж_{о ост}.

Общий среднесуточный расход воды (м³/сут), требуемый для работы котельной с учетом регенерации определяется по формуле

.

Продолжительность рабочего цикла фильтров первой (t_{раб I}) и второй (t_{раб II}) ступеней определяется по формуле

.

На основании полученных временных значений строится суточный график работы фильтров первой и второй ступеней. При построении графика руководствуются следующими принципами:

1. В любой момент времени на первой и второй ступени должно работать число фильтров n = n_раб.

2. Сразу после окончания рабочего цикла производится регенерации фильтра. Продолжительность регенерации 2 часа.

3. Распределение регенераций должно быть относительно равномерным по часам суток. Не допускается регенерация двух фильтров одновременно.

Пример построения суточного графика работы фильтров

Первая ступень имеет 2 рабочих и 1 резервный фильтр. Вторая ступень – 1 рабочий и 1 резервный фильтр.

Продолжительность рабочего цикла фильтра первой ступени t_{раб I} = 8 ч, второй ступени t_{раб II} = 137 ч. Время регенерации 2 ч.

Рисунок 3. Суточный график работы натрий-катионитных фильтров

Условные обозначения:

Дано (вариант ___ ):

· температура умягчаемой воды t = ____°С;

· показатель pH < 7;

· общая жесткость исходной воды Ж_{о исх} = _____ мг-экв/дм³;

· требуемая остаточная жесткость умягченной воды Ж_{о ост} = 0,01 мг-экв/дм³;

· карбонатная жесткость питательной воды Ж_к = ______ мг-экв/дм³;

· содержание натрия в исходной воде [Na⁺] = ______ мг/л.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. Постановление Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь от 27 декабря 2005 г. № 57

[2] Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов. Кульский Л.А. и др. Киев, 1972. 424 с. (есть более поздние издания данной книги)