книги / Оборотное водоснабжение химических предприятий
..pdfдревесины лигнин, оставляя для связывания клеток только цел люлозу. Повышение содержания хлора в охлаждающей воде также вызывает делигнификацию древесины. Процесс делигнификации приводит к разрушению деревянных конструкций гра дирен. При циркуляции в системе оборотного водоснабжения воды с высоким pH (что возможно для предприятий азотной промышленности) целесообразно предусматривать градирни, не имеющие деревянных конструктивных элементов,— градирни, имеющие обшивку и ороситель из стеклопластика, пластмасс, ас бестоцементных листов, а также брызгальные градирни.
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ОХЛАЖ ДАЮ Щ ЕЙ ВОДЫ
Накипеобразование в системах оборотного водоснаб жения можно предотвратить двумя путями. Первый заключает ся в обеспечении условий, при которых карбонатная жесткость упаренной подпитывающей воды оказывается меньше предель ной карбонатной жесткости оборотной воды. В результате в обо ротной системе карбонат кальция не кристаллизуется. Достига ется это выбором соответствующей величины продувки системы, которую рассчитывают по уравнению
_ |
Р\ NB |
(22) |
||
Nnp- |
NB |
|||
|
||||
где р1, р2. Рз — потери воды |
на |
испарение, капельный |
унос и |
|
продувку, проц. от расхода |
циркулирующего в системе |
водо |
снабжения; N,, — карбонатная жесткость подпитывающей воды; N„р — предельно допустимая карбонатная жесткость оборотной воды в системе охлаждения.
Карбонатная жесткость влияет на размер продувки косвенно, уменьшая предельно допустимую карбонатную жесткость воды.
Обычно предельная допустимая карбонатная жесткость систем охлаждения невелика — от 2,15 до 4,30 мг-экв/л; она в большин стве случаев ниже карбонатной жесткости подпитывающей воды. Поэтому успешно предотвращать накипеобразование продувкой можно редко.
Если размеры продувки достаточны для предотвращения раз ложения бикарбоната кальция, то карбонатная жесткость воды должна увеличиваться в системе охлаждения пропорционально степени упаривания, которую определяют по повышению кон центрации в воде солей, обладающих достаточно большой раст воримостью, чтобы в условиях упаривания в теплообменных си стемах они не выпадали в осадок
. |
Pi + Pi + Рз |
[Cl |
]об |
[SO 4 |
]об |
/0 9 4 |
|
Рз -Ь Рз |
[CI |
1доб |
[SO4 |
]доб |
|
где ГС1~]об — концентрация ионов хлора в оборотной воде, мг/л;
[С1“ ]д0в — концентрация |
ионов хлора в подпитывающей воде, |
жг/л; [SC>4~]o6 и [SO4- |
)лоб — концентрация ионов сульфата, |
мг/л, в оборотной и подпитывающей воде.
Практически лучше всего определять величину k по повыше нию концентрации хлоридов.
Указанный способ предотвращения накипеобразования в си стемах циркуляционного водоснабжения используется в таких предупредительных мероприятиях, как продувка циркуляцион ной системы (вывод из системы части упаренной воды), рекар бонизация циркуляционной воды дымовыми газами, обработка циркуляционной воды кислотами. При этом углекислота, выде
ляющаяся при реакции НСОз"+Н+ ^ С 0 2+ Н 20, способствует стабилизации бикарбонатной жесткости, остающейся в воде пос ле подкисления.
Снижение в воде концентрации бикарбонатных ионов обуслов ливает уменьшение потребного количества равновесной углекис лоты.
Второй способ предотвращения инкрустации труб и теплооб менной аппаратуры заключается в снижении карбонатной жест кости подпитывающей воды настолько, чтобы она после упари вания в системе не достигала предельного значения.
Уменьшение карбонатной жесткости достигается обработкой подпитывающей и оборотной воды катионированием или умягче нием воды при помощи реагентов.
Последовательность и выбор метода обработки воды при от сутствии эксплуатационных данных определяют следующим об разом. Определяется величина допустимой щелочности оборот ной воды по химическому составу подпитывающей воды и вод ному режиму системы:
Я/об.доп = ф |
э м г . ж е !л , |
(2 4 ) |
|
С а доб |
|
где ф — коэффициент, определяемый по табл. 12; ССЬдобконцентрация свободной углекислоты в подпитывающей воде, мг/л\ Са2+доб— концентрация кальция в подпитывающей воде, мг/л\ р = р 1+Р2+Ръ — подпитка, воды в систему, проц. от расхо да оборотной воды.
Таблица 12. Значение коэффициентов ф
Температура охлаж |
|
|
Общее солесодержание S05 , м г/л |
|
|||
денной воды на гра |
|
|
|
|
|
|
|
дирне или в брыз- |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1500 |
2000 |
гальном бассейне, |
|||||||
гр а д . С. (to x ) |
|
|
|
|
|
|
|
15 |
8,04 |
8,68 |
9 ,1 8 |
9,56 |
9,94 |
1 0 ,7 |
1 1 , 3 |
20 |
7 ,5 4 |
8 , 1 2 |
8,60 |
8,98 |
9 ,3 2 |
10 ,0 |
10 ,6 |
25 |
7 , 1 2 |
7 ,6 5 |
8,07 |
8,42 |
8 ,76 |
9 ,4 1 |
9,97 |
30 |
6,66 |
7 , 1 8 |
7 ,58 |
7 ,9 2 |
8 ,22 |
8 ,8 3 |
9 ,3 6 |
35 |
6 ,2 1 |
6,69 |
7,08 |
7 ,3 9 |
7 ,6 8 |
8,24 |
8,76 |
40 |
5,8 0 |
6,24 |
6,61 |
6,89 |
7 , 1 6 |
7 ,7 0 |
8 , 1 6 |
45 |
5 ,3 8 |
5 ,7 9 |
6 , 1 3 |
6,39 |
6,64 |
7 . 1 4 |
7 ,5 6 |
50 |
4 ,8 1 |
5 ,4 2 |
5 ,7 2 |
5,9 8 |
6 ,2 2 |
6,67 |
7 ,06 |
Для предотвращения карбонатных отложений в системе долж на поддерживаться расчетная щелочность оборотной воды. Эта величина определяется по формуле:
Щоб.р = Ш доб------- -— . м г . ж е / л . |
(25) |
Р — Pi |
|
При Щ0б.р<Щоб.лоб вода в обработке не нуждается, так как предельно допустимая щелочность обеспечивается продувкой системы и уносом капель из охладителей. При Щ0б.р >Щоб.лоп необходима стабилизационная обработка воды.
При эксплуатации циркуляционных систем водоснабжения предприятий химической промышленности очень важно знать динамику изменения концентрации отдельных ионов в циркуля ционной воде, а также динамику роста общего солесодержания. Повышение концентрации солей может вредно сказаться на экс плуатации теплообменных систем и коммуникаций, вызывая процессы коррозии. Изменение концентрации ионов в циркуля ционной воде зависит от условий эксплуатации системы, т. е. ве личины продувки и метода обработки подпитывающей воды, а также от качества воды в водоеме-охладителе.
Концентрация ионов в циркуляционной воде водоема-охлади теля к концу годового цикла определяется по формуле
2^о + |
+ wcu |
|
|
- , |
г/м3, |
|
|
|
(26) |
||
где А — количество искомых |
|
|
|
|
|
ионов (например, |
хлоридов), вво |
||||
димых в водоем-охладитель |
в течение |
года |
за |
счет обработки |
|
всего циркуляциононго потока или его |
части |
реагентами (хло |
|||
рирование, подкисление, коагулирование и т. д.); |
— объем |
||||
воды в водоеме-охладителе, |
млн. м3; Со — концентрация солей |
или ионов в воде водоема-охладителя в начале годового цикла, г/м3; №ст — годовой объем воды, поступающей в водоем за счет стока, млн. м3; С„ — средняя концентрация солей или ионов, по ступающих в водоем с площади водосбора, г/м3; Ссв — средняя концентрация солей или ионов в условно чистых водах, сбрасы ваемых в водоем-охладитель, г/м3; С„ — концентрация искомого иона через п расчетных циклов, г/м3; Ц7С.В— годовой объем сточ ных вод, поступающих в циркуляционную систему, млн. м3; 1Ре.н — годовой объем воды, теряемой из водоема-охладителя за
счет естественного испарения, млн. ж3; |
— то же, за счет до |
полнительного испарения, млн. м3; |
— годовой объем воды, |
теряемой за счет фильтрационных утечек, млн. м3; W„p — годо вой объем воды, теряемой за счет продувки водоема-охладителя, млн. м3; Н7с.н — годовой объем воды, теряемой на собственные нужды водоочистных установок и выводимой из циркуляционной
системы, млн. ж3; И70С — годовой объем воды, поступающей в во доем-охладитель за счет атмосферных осадков, млн. м3.
Иногда в результате попадания в оборотную систему продук тов выработки химических производств появляется необходи мость в корректировке pH циркуляционной воды. Наиболее про стым средством регулирования pH циркуляционной воды явля ется ее подкисление или подщелачивание. Другим способом яв ляется частичное Н-катионирование или ОН-анионирование с последующим смешением фильтрата с основным количеством циркуляционной воды.
Выбор метода снижения pH циркуляционной воды зависит от допустимого содержания сульфат-ионов в циркулирующей воде. При возможности продувки циркуляционной системы применя ется подкисление воды серной кислотой, при ограничении про
дувки — частичное |
Н-кат,ионирование |
или комбинация его с |
подкислением; при |
полном отсутствии |
продувки — только ча |
стичное Н-катионирование. |
|
Необходимое количество воды, подвергающейся Н-катиониро- ванию для снижения pH, определяется по формуле
44Щ и. 1 0 |
(рК‘ - Р нс) — СО? |
^ |
/9 7ч |
|
а ___ ____________ |
н________________ 2___________ |
|||
С О “ — С 0 5 |
+ 4 4 К |
+ 4 4 ( Щ „ + К ) - 1 0 рК‘_рНс |
’ |
1 1 |
где а — количество Н-катионированной воды в долях от общего расхода циркуляционной воды; Щ„ — щелочность воды в водое ме-охладителе, мг-экв/л; pKi — отрицательный логарифм кон станты первой ступени диссоциации угольной кислоты (табл.).
Значение показателей pKi в зависимости от температуры воды:
Температура |
0 |
|
20 |
25 30 40 |
50 60 |
70 |
80 |
воды, град. С |
10 |
||||||
pKi |
6,58 |
6,48 |
6,39 |
6,37 6,34 6,31 |
6,30 6,29 |
6,30 |
6,31 |
рНс — искомая величина pH общего расхода циркуляционной
воды после смещения с Н-катионированной водой; СО" — кон центрация свободной углекислоты в воде водоема-охладителя, мг/л (при отсутствии этого показателя в анализах его можно по
лучить по номограмме, приведенной на рис. 19). СО* — концен трация свободной углекислоты в Н-катионированной воде, вы делявшейся в результате распада бикарбонатов в процессе Н-ка- тионирования, мг/л,
|
|
СО* = 44Щ„; |
|
||
К — кислотность |
Н-катионированной воды, определяемая кон- |
||||
дентрацией анионов сильных кислот из выражения |
|
||||
|
SO;,2- |
с г |
NQ3- |
(28) |
|
К = |
48,03 |
+ 35746 |
+ 62,01 мг-экв/л, |
||
|
где SO?- , Cl- , NO;T— соответствующие концентрации указан ных анионов. Формула (27) справедлива в широком диапазоне значений pH циркуляционной воды (рН >5,0).
Значение pH воды в водоемах может заметно изменяться в те чение года, повышаясь летом за счет процессов, связанных с «цветением» водоема. При этом увеличивается общая щелоч ность воды и уменьшается концентрация свободной углекислоты в ней.
|
■ 50 |
Рис. |9 Зависимость кон- |
|
|
. до |
центрации углекислоты от |
|
|
|
pH и щелочности воды. |
|
|
■80 |
|
|
|
■90 |
|
|
О-3 |
•100 |
||
Сбоб. СО2 |
, мг/л |
||
Щ, мг-экв/л |
|||
|
|
Величину а рекомендуется подсчитывать для средних значе ний pH и щелочности воды за весенне-летний период (апрель— сентябрь), проверяя условия работы ионообменных фильтров при максимальных значениях pH и щелочности воды в водоемеохладителе.
Расчет Н-катионитовых фильтров сводится к определению не обходимого объема катионита и к выбору количества стандарт ных аппаратов.
В результате извлечения из воды катионов при Н-катиониро- вании наступает разложение анионов бикарбоната с выделением свободной углекислоты и наблюдается постепенное снижение солесодержания в циркуляционной воде. Изменение концентра ции какого-либо иона за заданный промежуток времени опреде ляется по формуле
Ся = ( 1 - а $ - 7Г С 0 + |
1- (1- а6- ^ р.св |
(29) |
где С„ — концентрация искомого |
иона в циркуляционной |
воде |
через п расчетных циклов, г/м3; Со — концентрация этого иона в начальный период, г/м3; Сп — средняя за рассматриваемый пе риод концентрация искомого иона в подпиточной воде, г/м3; а — отношение количества Н-катионированной воды к объему водоема-охладителя:
Р — отношение количества подпиточной воды к объему водоемаохладителя:
(31)
V — отношение количества потерь воды за расчетный период к объему водоема-охладителя:
Wy = w eu+ WlH+ Гф + w ap+ U7CII; (32)
£= — — коэффициент извлечения удаляемого иона на ионито-
С0
вых фильтрах; величина £ зависит от условий эксплуатации Н-катионитовых фильтров и может приниматься в пределах 0,7—0,9.
РЕКАРБОНИЗАЦИЯ И ОБРАБОТКА КИСЛОТОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ в о д ы
Инкрустация теплообменных поверхностей карбона том кальция наступает в результате нарушения углекислотного равновесия С а(Н С03)2^СаС0з+СС>2, возникающего при поте ре части равновесной углекислоты в результате колебания тем пературы и отдувки С 02 из воды в охлаждающем устройстве. Предупреждение нарушения этого равновесия может быть до стигнуто насыщением циркуляционной воды углекислотой (обыч но путем контакта с дымовыми газами или путем введения кис лоты (обычно серной) в воду в количестве, достаточном для по полнения дефицита равновесной углекислоты, за счет реакции
нсог + н+^н2о + со2.
Так как при этом часть бикарбонатной жесткости переходит в постоянную, то и необходимая концентрация равновесной уг лекислоты после кислотной обработки воды оказывается не сколько меньше, чем до подкисления.
Для чистых водных растворов бикарбоната кальция концентра ция равновесной углекислоты при заданной температуре может быть найдена из соотношения
[с ° 2]р= = -— Ь ------ ШСО^_ /С а 2+ [НС03- р [Са2+], |
(33) |
•МЧНсаСО, |
|
где Ki и Кг — константы первой и второй ступени диссоциации кислоты Н2С 03; ПРсасо, — произведение растворимости карбо
ната |
кальция; |
ШСОзfCa2+ — коэффициент |
активности по |
||
НС03 и Са; [HCQTj '-концентрация |
бикарбонатных |
ионов в |
|||
воде, |
г-моль/Л) |
[Са2+] — концентрация |
ионов |
Са2+ |
в воде, |
г-моль!л. |
|
|
|
|
Условия углекислотного равновесия осложняются значитель' ным влиянием на величину равновесной концентрации углекис' лоты гидравлического и теплового режима теплообменников [2, 6, 7] и локальными гидродинамическими и термодинамическими условиями, возникающими у поверхности теплообмена. Опыты, проведенные в области критериев Re=7,85-103, ST = 5,1*10~4
Рис. 20. Зависимость равновесной концен трации углекислоты от величины произве дения квадрата щелочности оборотной воды на концентрацию ионов кальция при темпе ратуре воды после градирни:
/ — 32®С (до градирии 40); 2 — 22°С (до градирни
О |
too |
W O |
300 400 |
|
U lrf |
или |
C o rf |
при температуре воды после теплообменников 30 и 40°С и пере паде температур 8°С, показали, что величина стабилизируемой щелочности оборотной воды, обработанной минеральной кисло той или углекислотой, изменяется при равновесных режимах от 4.5 до 7,5 мг-экв/л. При этом была подтверждена достаточная надежность расчета концентрации углекислоты по формуле (33) в интервале температур, характерных для воды, охлажденной
в градирне. Как видно из соотношения |
[СОг] = |
К[НСО-Г|2х |
||
Х [С а 2+], в координатах [С02]равн— [HCOf ] 2- [Са2+] |
зависи |
|||
мость имеет вид прямой. |
зависимости равно |
|||
На рис. 20 показаны экспериментальные |
||||
весной концентрации |
углекислоты от величины |
произведения |
||
квадрата щелочности |
оборотной воды на концентрацию |
ионов |
кальция в этой воде, которые близко совпадают с теоретической прямой.
В СНиП Н-Г 3—70 «Водоснабжение. Нормы проектирова ния», указывается, что метод рекарбонизации оборотной воды дымовыми газами или углекислотой может применяться для ог раниченного диапазона значений щелочности и коэффициентов упаривания, так как при высоких значениях этих параметров значительно возрастают эксплуатационные затраты на раство рение углекислоты в воде. Практически метод рекарбонизации применяется при щелочности добавочной воды до 3,0—
3.5 мг-экв/п. и коэффициентах упаривания, |
не превышающих 1,5. |
|
Содержание углекислоты в оборотной |
воде, поступающей в |
|
теплообменные аппараты, может быть выражено уравнением |
||
(С02)о6= - ^ - = ^ (С 0 2)охл + |
[(С02)доб + (С 02)л], (34) |
где (С 02)охл — содержание С 02 в воде, прошедшей |
градирню, |
|||
мг/л\ (СО2)д0б — содержание С 02 |
в добавочной |
воде, |
мг/л\ |
|
(СО2)п — количество С 0 2, образующегося в результате раство |
||||
рения углекислоты в воде, мг)л\ р — добавка, проц. от расхода |
||||
оборотной воды. |
|
|
|
|
Из содержания С 0 2 в оборотной воде |
|
|
||
(СО2)0б = |
(СО,)0ХЛ+ ^ |
(С02)до6 + (С 02)рек |
(35) |
и общего количества бикарбонатов, вводимых в систему с до бавкой
щ 06= -^ -(Щ )д о б , |
(Зб> |
р — Pi |
|
может быть найдена доза углекислоты, вводимой при рекарбо низации на 1 л оборотной воды
|
|
щ* |
/ р |
V1 100— р |
|
р |
|
|
, с о л “ |
= |
" i f |
\ 7 = 7 J --------i S T |
(С 0 А " - |
Т 5Г (С 0’ > '* <37> |
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N = |
т |
|
|
(38)' |
|
|
|
|
((Са)0б11/2 ' |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
Значения коэффициента ср приведены в табл. 13. |
|
|||||||
Таблица |
13. Значения <р в зависимости от общего солесодержания воды |
|||||||
|
|
|
|
О бщ ее солесодерж ание воды, м г/л |
|
|||
Тем пература |
|
|
|
|
|
|
||
охлаж денной |
во |
200 |
400 |
|
600 |
800 |
1000 |
|
ды , гр а д . С |
|
|
||||||
15 |
|
|
8 ,2 3 |
9,02 |
|
9,67 |
10 ,3 7 |
10 ,9 7 |
20 |
|
|
7 ,7 1 |
8,45 |
|
9,06 |
9 ,7 |
10 ,2 8 |
25 |
|
|
7 ,2 6 |
7,9 5 |
|
8 ,5 3 |
9 , 1 3 |
9,66 |
30 |
|
|
6 ,8 1 |
7 ,46 |
|
7,98 |
8,56 |
9,07 |
35 |
|
|
6 ,3 6 |
9,97 |
|
7 ,4 7 |
7,98 |
8,48 |
40 |
|
|
5 ,9 2 |
6 ,5 |
|
6,97 |
7,4 7 |
7 ,9 1 |
Рекарбонизация циркуляционной воды дымовыми газами мо жет осуществляться в установках с вентилятором, с эжектором и со скруббером (рис. 21).
По схеме, приведенной на рис. 28, часть дымовых газов венти лятором нагнетается в массу циркуляционной воды в месте от бора ее насосами охлажденной воды. В схеме, показанной на рис. 29, вместо вентилятора установлен эжектор, отсасывающий часть дымовых газов из газохода; вода к эжектору подается специальными насосами. В схеме рекарбонизации со скруббе ром (рис. 30) часть циркуляционной воды подается насосом в верхнюю часть скруббера. Вода проходит скруббер сверху вниз,
а дымовые газы — снизу вверх. Ток газов через скруббер осу ществляется с помощью дымососа. Во всех схемах дымовые га зы предварительно проходят очистку от золы.
Потребная доза равновесной углекислоты и расход дымовых газов для рекарбонизации охлажденной оборотной воды опре
деляется по формулам: |
|
(С 02)равн = 8,9 (Щ0)0'35, |
(39) |
V,.r = [0,022а * + 5,1 (СОа)р.вя] п р , *»/«, |
(40) |
где Що — общая щелочность оборотной воды, мг-экв/л; b — об щее количество взвешенных веществ в осветленной воде, мг/л; а — содержание растворимых в соляной кислоте веществ во взве си, задержанной из оборотной воды на мембранном фильтре, проц.; п — содержание С 02 в дымовых газах, проц., по объему; Р — степень использования углекислоты дымовых газов при ре карбонизации воды, проц.; Qo6 — расход обрабатываемой дымо выми газами оборотной воды, M Z/ H .
Рис. 21. Схемы установки для рекарбонизации охлаждающей воды с приме нением:
а — вентилятора: |
б — эжектора; |
в — скруббера; 1— градирня; 2 — бассейн; |
3 — циркуляг |
ционный насос; |
4 — потребитель |
воды; 5 — дымосос; 6 — золоотделитель; 7 |
— вентилятор; |
в — насос для подачи воды к эжектору (б) и в скруббер (в). |
|
При стабилизации углекислотного равновесия методом под кисления воды количество СОг, образующейся при подкислении, определяется из соотношения
(С 0 2)„ = 44 ( щ доб - Р -=^ Щ06 |
(41) |
Содержание кальция в оборотной воде составит
(Са)о6 = — — , (Ca)J06 |
(42) |
Р “ Pi