книги / Оборотное водоснабжение химических предприятий
..pdfчестве жидких азотных удобрений либо для получения сухих (гранулированных) удобрений.
Концентрация растворов кислот и аммиака при регенерации Ионообменных смол должна быть максимально допустимой и ве личина ее определяется устойчивостью смол к этим реагентам.
Ионообменные смолы разрушаются в растворах кислот ще лочей и солей преимущественно в результате гидролиза и про текания окислительно-восстановительных процессов. Гидролизирующая способность растворов щелочей и кислот убывает в Ряду
NaOH » NH4OH > NaaC 0 3 > HNOa » H2S04.
Поэтому аммиак может применяться для регенерации аниони тов в более высокой концентрации, чем едкий натр.
Катионит КУ-2 в Н+-форме постепенно полностью растворяет ся «на холоду» только в 15 N HNO3; частичное разрушение его Наступает при значительно меньших концентрациях кислотьь
Регенерация сульфокатионита КУ-2, насыщенного ионами ам миака и слабоосновного АН-2Ф (АН-2ФН), после насыщения
анионами NOs была исследована в связи с разработкой метода очистки конденсата водяного пара на заводах азотной промыш
ленности. Для регенерации |
катионита |
использовали растворы |
HN03 с концентрацией до |
40%, для |
регенерации анионита — |
растворы аммиака с концентрацией до 15%. При 40-процентной концентрации HN03 разрушения катионита КУ-2 не наблюда лось, но несколько усилился механический износ зерен смолы, что вызвало постепенное возрастание гидравлического сопротив ления ионообменной загрузки фильтра. Поэтому концентрацию H N 03 в регенерационном растворе рекомендуется ограничивать в пределах 25— 30 %.
Катионит КУ-2 устойчив к воздействию растворов азотной кислоты даже при нагревании до 130°, если он не подвергается в этих условиях многократному высушиванию и набуханию. Мо дификации сульфокислотного катионита КУ-2-8с, КУ-22 и КУ-2П в этих условиях несколько менее устойчивы (потери в весе до стигают 4%).
Сопоставление физической стойкости гранул сульфокатиони-
тов, характеризующейся |
относительным содержанием целых |
|
гранул после |
нескольких |
циклов последовательного набухания |
в растворах |
20-процентной азотной кислоты и 20-процентного |
едкого натра, показало, что наиболее устойчивы в таких жест ких условиях гранулы смолы КУ-2П (выдерживают до 500 цик лов), тогда как катионит КУ-2 разрушается уже после 10—25 циклов попеременного набухания в кислоте и щелоче.
Катионит, насыщенный преимущественно ионами аммония, может быть отрегенерирован раствором серной кислоты с полу чением в качестве конечного продукта растворов сульфата ам мония. Данные, приведенные в табл. 49, показывают, что при
Таблица 49. Влияние количества серной кислоты на степень регенерации катио нита КУ-2
Количество, м г - э к в |
Степень извлечения |
Степень использова |
Остаток NH J |
|
хислоты |
на м г - э к в |
|||
NH^" |
в смоле |
NH4" проц. |
ния кислоты, проц. |
м г - э к в |
0 ,1 1 8 |
1 0 ,4 0 |
88,1 |
3 ,7 8 |
|
0 ,1 9 2 |
1 2 ,3 |
6 3 ,5 |
3 ,7 0 |
|
0 ,2 4 2 |
1 9 ,2 |
8 0 ,4 |
3 ,4 1 |
|
0 ,3 5 4 |
2 4 ,4 |
6 9 ,0 |
3 ,2 0 |
|
0 ,4 8 0 |
2 8 ,3 |
6 0 ,0 |
3 ,0 3 |
|
0 ,5 9 6 |
3 1 ,0 |
5 4 ,0 |
2,88 |
|
1 ,1 8 0 |
4 7 ,4 |
4 0 ,6 |
2 ,2 3 |
|
1 ,7 3 0 |
6 1 ,1 |
3 4 ,8 |
1 ,6 4 |
|
2 ,5 6 0 |
6 4 ,2 |
2 7 ,0 |
1 ,5 0 |
|
2 ,9 0 0 |
68,2 |
2 3 ,5 |
1 ,3 4 |
|
расходе серной кислоты 2,9 г-же на 1 г-же ионов NH^ степень |
||||
регенерации не превышает 68%. При этом лишь |
около 23,5% |
кислоты используется для ионного обмена. Повышение концен трации кислоты замедляет регенерацию и уменьшает ее глу бину.
Обследование работы промышленных ионообменных устано вок, на которых извлекаются ионы аммония из конденсата соко вого пара, на Днепродзержинском химическом комбинате и Чирчикском ордена Ленина электрохимическом комбинате по казало, что катионит, регенерируемый 12— 19-процентной азот ной кислотой, устойчиво работает в течение длительного време ни [9]. На Днепродзержинском комбинате регенерацию катионитовых фильтров проводят в две ступени с целью повышения коэффициента использования азотной кислоты. На первой сту пени используют до 70% всего необходимого количества кисло ты. Остаточное содержание ионов аммония в конденсате после катионирования колебалось в пределах 0,5—0,8 мг/л.
На Чирчикском комбинате содержание нитрата аммония в от работанных регенерационных растворах превышает 22— 24 г/л; содержание свободной кислоты в 2— 4 раза выше действительно необходимого. Данные эксплуатации производственных устано вок подтверждают возможность применения для регенерации смолы КУ-2 значительно более концентрированных растворов азотной кислоты, чем обычно применяемые на установках ионо обменного обессоливания воды.
Опыты по ионообменной деминерализации продувочных вод в условиях аммиачного умягчения подпитывающей воды на Чер касском химкомбинате показали, что для регенерации анионита АН-2Ф расход 10-процентного раствора аммиака составлял око ло 3 л/л набухшей смолы при степени регенерации анионита 100%. Анионит в этих условиях оказался вполне устойчивым. Анионит АН-2Ф устойчив и в 15-процентном растворе аммиака.
При последовательном пропускании всего необходимого объе ма регенерационного раствора отдельными порциями макси мально используются реагенты в первых порциях, здесь прак тически не остается свободной кислоты (или аммиака при реге нерации анионита). Последние порции растворов могут исполь зоваться повторно в качестве первых в последующей операции
Рис. 70. Схема регенерации ионитовых фильтратов в четыре сту пени:
/ — Н-катионитовые |
фильтры; 2 — ОН-анионитовые |
фильтры; 3 — емкость |
|||
для приготовления раствора азотной кислоты; |
4 — приемники |
отработан |
|||
ного раствора азотной |
кислоты; 5 — приемники |
отработанных |
растворов |
||
гидроокиси аммония; |
6 — смеситель-нейтрализатор; |
7 — гранулятор удоб |
|||
рений; 8 — емкость |
для |
приготовления 10-процентного раствора |
гидроокиси |
||
аммония. |
|
|
|
|
|
регенерации ионообменных фильтров. Наибольшая экономия реагентов и сокращение объема отработанных растворов дости гается при последовательном пропускании растворов через ионо обменный фильтр четырьмя равными порциями, принимаемыми в отдельные сборники.
Удельный расход каждой фракции раствора 25-процентной азотной кислоты принимается 0,3 м3/м набухшей смолы КУ-2„ раствора 10-процентного аммиака — 0,1 м3/м3 набухшей смолы АН-22 (или АН-2Ф, АН-2ФН). Технологическая схема такой ре генерации представлена на рис. 70.
Растворы азотной кислоты приготовляются в емкости путем разбавления водой концентрированной HN03, поступающей со склада кислоты. Отработанный раствор поступает последова тельно в приемники 4— 7, 4—2, 4—3 и 4—4\ из приемника 4— 7 отработанный раствор, практически не содержащий свободной кислоты, переводится в смеситель-нейтрализатор 6. В последую щей операции регенерации через катионитовый фильтр пропу скают раствор из приемника 4—2 и принимают в аппарат 4— 7,
затем раствор из приемника 4—3, который принимают в аппарат 4— 2, далее — раствор из аппарата 4—4, который принимают в аппарат 4—3 и, наконец, свежий 25-процентный раствор H N O 3 из аппарата 3, который принимают в аппарат 4—4. Эта последо вательность операций сохраняется в дальнейшем в каждой ре генерации.
ОН-анионитовые фильтры 2 регенерируют 10-процентным раствором аммиака, который приготовляют из жидкого аммиа ка или 25-процентной аммиачной воды, поступающей из емкости в аппарат <9, куда дозируется разбавляющая вода. Регенерацию анионита также осуществляют последовательно четырьмя пор циями раствора, которые принимают в сборники 5— 1, 5—2, 5—3, 5— 4. Наиболее концентрированный отработанный раствор из аппарата 5—1 передают в смеситель-нейтрализатор 6, где до водят смесь отработанных растворов до pH 7, добавляя при не обходимости 25-процентную H N O 3 из аппарата 3, либо 10-про центный NH3 из аппарата 8. Раствор из аппарата 6 собирается в аккумулирующей емкости, откуда непрерывно круглосуточно подается в гранулятор удобрений 7. Гранулированные удобре ния при необходимости гидрофобируют, направляют в упаковоч ное отделение и далее на склад готовой продукции.
КОМПЛЕКСНЫЕ СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ БЕСПРОДУВОЧНЫХ СИСТЕМ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
СТАБИЛИЗАЦИЯ М ИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
ВБЕСПРОДУВОЧНЫ Х СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖ ЕНИ Я
Стабилизация оборотной воды, достигаемая в обычных оборотных системах водоснабжения продувкой, в замкнутых беспродувочных системах производится путем выведения части оборотной воды для корректировки ее минерального состава и последующего возвращения в цикл раздельно или совместно со свежей подпитывающей водой. Необходимая степень обессоли вания этой части воды зависит от коэффициента упаривания оборотной воды в системе и относительного количества воды, выводимого из системы для обработки взамен продувки.
Это количество, называемое стабилизационным расходом во ды в замкнутых системах оборотного водоснабжения, вычисля ется с учетом того, что объем подпитывающей свежей воды в замкнутых системах водоснабжения должен компенсировать только потери от уноса воды при разбрызгивании и испарении в охладительных устройствах, а также потери, обусловленные затратами воды на собственные нужды (т. е. на эксплуатацию сооружений для корректирования солевого состава и осветления стабилизационного расхода оборотной воды).
При стабильности оборотной воды (отсутствии инкрустации поверхностей отложениями CaC0 3, M g(O H ) 2 либо изменений состава воды за счет продуктов коррозии труб и теплообменной аппаратуры) сохраняется равенство коэффициентов упаривания, определяемых по постепенному повышению в оборотной воде
концентраций различных ионов — хлоридов, |
сульфатов и т. д. |
|||
[Cl-Joe |
[SOj-Joe |
CQ6 |
Сд -f- А С |
|
|
|
|
Сд |
Сд |
|
|
Р\ + Рг 4- Рч |
(159) |
|
|
|
Рч + Рч |
||
где ри р2, рз — потери воды |
|
|||
от испарения, уноса капель ветром |
||||
и стабилизационный расход; |
С0б |
— заданное по условиям обес |
печения коррозионной стойкости материалов солесодержание в.
оборотной |
воде, мг/л; Сд — солесодержание в подпитывающей |
||
воде, мг/л\ ДС = Соб— Сд — увеличение солесодержания |
в обо |
||
ротной воде вследствие упаривания; |
[Cl~], [SO4- ] — концентра |
||
ции ионов хлора и сульфата в воде. |
по рекомендации |
СНиП |
|
Величина |
pi = KAt принимается |
||
П-Г 3— 70 |
(К — коэффициент, учитывающий долю теплоотда |
чи испарением в общей |
теплоотдаче, At — перепад температур |
|
при охлаждении воды). |
|
оборотном водоснабже |
Подпитывающая вода при замкнутом |
||
нии представляет собой |
смесь свежей |
(обычно осветленной и |
умягченной) воды и стабилизационного расхода. Ионный состав
ее определяется составом и объемным соотношением |
обоих |
компонентов смеси: |
|
сд= Сум (Pi -I- Р2) CH/?i |
(160) |
Р\ + Р2 + РЗ |
|
где С„ — ионный состав воды стабилизационного расхода (пос ле ионообменного корректирования минерального состава и ос ветления) ; СуМ — то же, для умягченной свежей подпитывающей воды.
Для предварительных расчетов величина р3 принимается рав ной 0,2— 0,5% и затем уточняется по формуле
Р3 = |
СдК-А t ~ |
Ь С р 2 |
(161) |
АС |
|
||
|
|
|
Если оборотная вода стабильна и не загрязняется солями, по падающими из технологических растворов через различные не плотности в теплообменной аппаратуре, то общее солесодержание в ней находят, учитывая коэффициент упаривания по фор муле
С06- К УСД. |
(162) |
Критерием удовлетворительного качества оборотной воды яв ляется соответствие общего солесодержания и содержания от дельных ионов предельно допустимым концентрациям. Превыше
ние этих концентраций приводит к интенсивной |
коррозии ли |
бо к инкрустации теплообменных поверхностей |
трубопроводов |
и арматуры. Предельно допустимая концентрация СаС03 опре деляется его растворимостью при температуре оборотной воды.
Содержание ионов Са2+, компенсированных ионами НСОГ , а также содержание ионов НСОэ" не нормируется. Предельно допустимые концентрации этих ионов в оборотной воде зависят от теплового режима системы и применяемых материалов и оп ределяются в каждом конкретном случае по предварительным коррозионным испытаниям в растворах, моделирующих оборот ную воду, либо на основании эксплуатационных данных анало гичных действующих промышленных систем оборотного водо снабжения.
СТАБИЛИЗАЦИЯ СВЕЖ ЕН ПОДПИТЫ ВАЮ Щ ЕЙ ВОДЫ В ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖ ЕНИЯ
Свежая подпитывающая вода является источником накопления в оборотной воде ионов кальция и бикарбоната, т. е. источником, обусловливающим возможность нарушения ста-
бильности оборотной воды при высоких коэффициентах упари вания. Поэтому для подпитки замкнутых (беспродувочных) си стем водоснабжения необходимо умягчение подпитывающей во ды и устранение временной жесткости.
Поскольку скорость и глубина умягчения воды существенно зависят от температуры, целесообразно применять подогрев воды в холодное время года (до 20—25°С). Применение филь трования воды после реагентного умягчения увеличивает капи таловложения на водоподготовку, но позволяет снизить остаточ ную временную жесткость воды до 0,7—0,9 мг-экв/л. Снижение энергозатрат на подогрев умягченной воды достигается использо ванием сбросного тепла технологических цехов предприятия. Подогрев умягчаемой воды можно осуществлять также за счет тепла части оборотной воды, выводимой на охлаждение, кото рая, минуя градирни, подается в смеситель станции осветленияумягчения.
ОСВЕТЛЕНИЕ ПОДПИТЫ ВАЮ Щ ЕЙ ВОДЫ И СТАБИЛИЗАЦИОННОГО РАСХОДА ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
Оборотная вода интенсивно аккумулирует пылевидные частицы из воздуха в охладительных устройствах, особенно при использовании градирен с принудительной подачей воздуха. Содержание ныли в воздухе над производственными террито риями обычно колеблется в пределах 1—3 г/м3. В результате после каждого цикла содержание взвешенных веществ в обо ротной воде повышается на 5—6 г/м3.
Другим источником накопления взвешенных веществ в оборот ной воде может быть взвесь в природных водах, используемых для подпитки систем водоснабжения. Взвеси накапливаются и вследствие биологических обрастаний теплообменных и особен но охлаждающих поверхностей, контактирующих с оборотной водой.
Одним из основных мероприятий, обеспечивающих стабиль ность содержания взвешенных веществ в оборотной воде, явля ется фильтрование части оборотной воды в каждом цикле. Наи более целесообразно этот процесс в замкнутых системах обо ротного водоснабжения совместить с корректировкой минераль ного состава стабилизационного расхода воды. Наряду с этим в замкнутых системах, работающих, как правило, с высоким коэф фициентом упаривания, необходимо осуществлять тщательное осветление свежей подпитывающей воды. Осветление подпиты вающей воды производится на совмещенных станциях осветле ния-умягчения. Необходимая степень осветления подпитывающей воды оценивается величиной подпитки и балансом взвешенных веществ:
QiB06 |
S |
(163) |
В , = |
|
Р\ + Р2 + Р‘6
где Bi — количество взвеси, удаляемое при осветлении подпи тывающей воды, мг/мг\ Q i— производительность системы обо ротного водоснабжения, м?/ч\ 2Q UeMT — производительность вен тиляторов градирен (по воздуху), мъ/ч; Воб — допустимая кон центрация взвешенных веществ в системе оборотного водоснаб
жения (обычно принимается 40— 50 |
г/л*3, иногда |
12— 15 г/л*3); |
||
В2 — концентрация пыли и |
песка |
в воздухе |
(обычно |
1— |
3,5 ,мг/м*)\ р\, р2 — потери |
воды из |
системы оборотного |
водо |
|
снабжения, л*3/ч; рз — стабилизационный расход, |
л*3/ч, опреде |
ленный по условиям сохранения допустимой концентрации взве шенных веществ.
В тех случаях, когда величина /?з> определенная на основе тре бовании к постоянству солевого состава оборотной воды, меньше
величины рз , вычисленной для условий соблюдения допустимой концентраций взвешенных веществ, в замкнутой оборотной си
стеме предусматривается фильтрование всего объема воды рз с направлением лишь части этой воды, равной р3, на ионообмен ное корректирование солевого состава.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖ ЕНИ Я ПРЕДПРИЯТИЙ АЗОТНОЙ ПРОМ Ы Ш ЛЕННОСТИ
Проектирование замкнутых систем оборотного водо снабжения предприятий азотной промышленности ведется на основе использования комплексных схем обработки подпитывающей и корректировки качества оборотной воды с использовани ем отработанных регенерационных растворов ионообменных установок в производстве минеральных удобрений. Экономиче ская целесообразность технологической схемы оборотного во доснабжения азотных предприятий определяется тем, что реаген ты, применяемые в процессах подготовки воды и корректировки ее качества (аммиак, карбонат аммония, азотная кислота), яв ляются продуктами производства этих предприятий и исполь зуются по цеховой себестоимости.
Выбор технологической схемы обработки воды в значительной степени определяется ионным составом воды, используемой для подпитки оборотных систем.
Схема обработки воды с преобладающей временной жестко стью и малым содержанием хлоридов и сульфатов, не требую щая применения ОН-анионирования для стабилизации состава оборотной воды (рис. 71).
Примерный ионный состав таких вод приведен в табл. 50. Умягчение воды без предварительного коагулирования взвеси производится в конусных реакторах, заполненных кварцевым песком. Оптимальный гранулометрический состав фракций песка
Рис. 71. Технологическая схема беспродувочной системы оборотного водо снабжения завода азотных удобрении:
I — вихревой |
реактор; |
II — м еханические |
фильтры; |
III — водород -катноннтовы с |
|||||
ф ильтры ; |
IV — |
бак-м ерник крепкой кислоты; |
V — резервуар воды после взры хления и |
||||||
отм ы вки; |
VI — |
резервуар |
отр аботанного |
регенерационного |
раствора; VII — резервуар |
||||
ум ягченной и |
осветленной |
воды; VIII, |
XIII, |
XV, XVI — центробеж ны е |
насосы; |
IX — |
|||
насос-дозатор |
НД 400/16; |
X — эж ектор |
для |
подачи |
оаствора кислоты; |
XI - - эж ектор |
|||
для подачи гидроокиси ам м ония в реактор; |
XII — |
баки |
раствора гидроокиси |
ам м о |
|||||
ния; XIV — апп ар а т для гидравлической |
вы грузки ф ильтрую щ его м атериала. |
|
Трубопроводы:
/ — исходной воды; 2 — раствора |
аммиачной воды; 3 — умягченной неосветленной |
во |
ды; 4 — умягченной осветленной |
воды; 5 — Н-катионированной воды; 6 — подачи |
про |
мывной воды; 7 — подачи воды на взрыхление |
п отмывку Н-катионнтовых фильтров; |
||||||||
8 — отвода воды |
после отмывки |
и взрыхления |
Н-катионитовых фильтров; |
9 — кисло |
|||||
ты; 10 — рабочего |
раствора |
кислоты; // — отработанного |
регенерационного |
раствора; |
|||||
12 — воды на приготовление регенерационного раствора; |
/J — отвода |
промывной воды |
|||||||
от кварцевых фильтров; 14 — сбросной |
отмывочных вод; |
15 — оборотной воды на ме |
|||||||
ханические и Н-катионитовые |
фильтры; 16 — возврата |
кислоты |
после |
промывки |
|||||
эжекторов; /7 — кислоты на |
промывку |
эжекторов; |
18 — опорожнение вихревых реак |
||||||
торов; 19 — сброс |
излишка |
контактной |
массы |
из |
вихревых реакторов; 20 — перелив |
ной трубопровод из баков кислоты; 21 — аммиачная вода.
Таблица 50. Ионный состав воды (концентрация ионовумг-экв/л) р. Днепр (А) и р. Горынь (Б)
|
|
A |
|
|
|
Б |
|
|
|
До умягчения |
После умягчения |
До умягчения |
После умягчения |
||||
Ионы |
|
|
аммиаком |
|
|
аммиаком |
||
2 |
|
2 |
, |
2 |
, |
2 |
|
|
|
|
2 |
||||||
|
О |
с |
С |
с |
с |
о |
о |
о |
|
н |
н |
X |
н |
||||
|
< |
|
н |
X |
X |
|||
|
й |
£ |
< |
й |
** |
й |
< |
|
Са2+ |
3 ,0 0 |
_. |
0,90 |
_ |
4 ,80 |
_ |
0 ,3 0 |
|
M g2+ |
1 ,0 0 |
— |
0 ,5 0 |
— |
0 ,8 1 |
— |
0 ,8 1 |
— |
Na++K+ |
0 ,5 3 |
— |
0 ,5 3 |
— |
1,16 |
— |
1,16 |
— |
NH+ |
0,04 |
— |
7 ,4 0 |
— |
— |
— 8 ,3 0 |
— |
|
Fe2+ |
— |
— |
— |
— |
0,004 |
— |
0,0 0 36 — |
|
c r |
— 0 ,3 8 |
— |
0 ,3 8 |
— 0 ,3 4 0 |
— |
0 ,3 4 0 |
||
s o 2- |
— |
0 ,5 0 |
— |
0 ,5 0 |
— 0,940 |
— 0,840 |
||
н с о г |
— |
3 , 7 0 |
— |
— |
— 5 ,4 0 0 |
— |
— |
|
c o 2- |
— |
— |
— |
3 , 7 0 |
— |
— |
— 5,4 0 0 |
|
O H “ |
— |
— |
— |
4,80 |
— |
— |
— 3,9 0 0 |
|
N0^ |
— |
0,02 |
— |
0,02 |
— |
0,064 |
— |
0,064 |
N O f |
— |
— |
— |
— |
— |
0,00004 |
|
0 ,0 0 0 0 4 |
F- |
— |
— — |
— — 0 ,0 2 9 |
— 0 ,0 2 9 |
||||
И того |
4 ,5 7 |
4 ,5 0 |
9 ,3 3 |
9,4 0 |
6 ,7 7 |
7 ,7 7 0 |
10 ,5 7 |
10 ,5 7 0 |
0,2—0,5 мм — 45%; 0,1— 0,2 мм— 55%. Объемный вес загрузки— 1,5 т/м3. Степень заполнения аппарата обеспечивает переход песка во взвешенное состояние в потоке воды при отно
сительном расширении слоя — =1,5. Время контакта воды с Уо
песком в начале работы аппарата 10 мин, а после начала кри сталлизации на песке карбоната кальция скорость воды может быть повышена и время контакта воды с песком может быть сокращено до 4 мин.
Аммиак для умягчения воды применяется в виде водного рас твора (аммиачной воды). Для смешения раствора аммиака с умягчаемой водой раствор подводится к каждому реактору че рез эжекторы, установленные на подводящих трубах. Повыше ние напора воды перед подачей на вихревые реакторы до 3,0— 3,5 атм производится насосами.
Умягченная вода из реакторов отводится самотеком в резер вуар охлажденной воды при насосной станции оборотного цик ла. Часть умягченной воды, предназначенная для Н+-катиони-