книги / Оборотное водоснабжение химических предприятий
..pdfной воды составляет 10%; в цикле, обслуживающем цеха моче
вины и углеаммонийных солей, |
содержание карбоната кальция |
в отложениях на аппаратах и |
на градирнях достигает 76%. |
В цикле, обслуживающем отделение компрессии аммиака, и в отделении калиевой селитры доля СаС03 составляет 63%; на градирнях и в резервуарах СаСОз обнаруживается лишь в виде мелких кристаллов, в количестве 2—4% общего веса взве шенных веществ. Более полный анализ состава отложений в трубах барометрических конденсаторов и на стенках трубопро водов теплообменной системы в производстве синтеза аммиака приведен в табл. 21.
Таблица 21. Результаты анализа отложений в теплообменной аппаратуре производств синтеза аммиака
|
С одерж ани е |
отложений, |
проц. |
П р об ы |
н а за д в и ж к а х |
в тр у б а х |
бар о |
|
и всасы ваю щ и х |
м етрических |
|
|
тр убоп р ово д ах |
конденсаторов |
|
Потери при прокаливании |
48,48 |
40,80 |
|
В том числе С02 |
41,55 |
|
|
Остаток, не растворенный в соляной |
|
0,37 |
|
кислоте |
1,8 6 |
||
В том числе: |
1,61 |
0,37 |
|
S102- |
|||
R203 |
0,70 |
4,55 |
|
СаО |
53,55 |
49,84 |
|
MgO |
1,35 |
1,83 |
|
NO7 * |
0,57 |
2,50 |
|
NOf-** |
Отсутствуют |
0,71 |
* Соли азотистой кислоты в пересчете на азотистый ангидрид. ** Соли азотной кислоты в пересчете на азотный ангидрид.
При попадании в оборотную воду продуктов основного харак тера (аммиака, карбоната аммония) применение для пополнения, оборотных систем речной неумягченной воды не может быть эф фективным, так как с речной водой в циркулирующую вносятся соли временной жесткости, являющиеся источником инкру стации.
Применение фосфатирования при загрязнении оборотной воды аммиаком и карбонатом аммония также не дает удовлетвори тельных результатов. Это подтверждается данными наблюдений за изменением временной жесткости оборотной воды в произ водстве синтеза аммиака, которая подвергалась стабилизацион ной обработке фосфатированием.
Изменение состава воды в оборотной системе водоснабжения производств синтеза аммиака под влиянием взаимодействия со лей жесткости с аммиаком и карбонатом аммония;
|
Ре чная |
О бор о тная |
|
вода |
вода |
Свободная углекислота, мг/л |
11,2 |
Отсутствует |
Щелочность, мг-экв/л |
3,2 |
3,4 |
Временная жесткость, мг-экв/л |
2,5 |
0,00 |
Жесткость общая, мг-экв/л |
6,3 |
4,5 |
Сухой остаток, мг/л |
792,0 |
740,0 |
Отсутствие временной жесткости в оборотной воде является результатом того, что, несмотря на стабилизационную обработ ку фосфатированием, проникающий в теплообменники аммиак нарушает солевое равновесие. Образующийся карбонат кальция и гидроокись магния отлагаются на стенках теплообменной ап паратуры в коммуникациях. Концентрация солей в оборотной воде при этом уменьшается. Таким образом, единственным до статочно надежным средством предотвращения инкрустации труб теплообменных систем водоснабжения при систематическом попадании в оборотную воду аммиака и карбоната аммония яв ляется устранение временной жесткости из подпитывающей во ды умягчением. Для этого на предприятиях азотной промышлен ности целесообразно использовать вместо извести аммиак или его смесь с углекислым аммонием, являющиеся продуктом соб ственной выработки предприятия и отпускаемые по их фактиче ской себестоимости.
Применение аммиака для умягчения воды не исключает не достатки, присущие реагентному умягчению известью, однако при этом не требуется предусматривать подвоз извести, ее гашение, хранение и вывоз больших количеств твердых отходов гашения. Эффективное использование аммиака для умягчения воды с целью завершения процесса за время пребывания воды в очистных сооружениях возможно только в условиях большого развития поверхности, контактирующей с водой, для ускорения кристаллизации выделяющегося при реакции нейтрализации СаСОз. Это достигается проведением реакции умягчения в ви хревых реакторах с псевдоожиженным слоем мелкого (прибли зительно 0,1—0,2 мм) кварцевого песка, на поверхности которо го и отлагается кристаллизующийся СаСОз.
Вихревой реактор представляет собой емкость в виде усечен ного конуса, имеет небольшой угол конусности (15—20°) и на 1/3— 1/2 высоты заполнен контактной массой — мелким кварце вым песком или мраморной крошкой диаметром 0,2—0,1 мм, на ходящейся во взвешенном состоянии. По мере нарастания на зер нах песка отложений карбоната кальция они увеличиваются в диаметре до 1,5—2 мм и выводятся из нижней части корпуса реактора. В табл. 22 приведены данные, характеризующие рас пределение фракций контактной массы по высоте вихревого ре актора. Выведенный излишек контактной массы удаляется по трубопроводу, примыкающему к нижней части реактора. Све жая контактная масса (песок, мрамор и т. д.) вводится при по мощи эжектора в плоскости верхнего уровня загрузки.
|
|
|
Распределение |
ф ракций |
контактной |
массы, |
проц. |
при |
|
|
|
|
разм ерах зерен, м м |
|
|
||
М е ста |
отбора проб |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
более 0,5 |
более 0,25 |
более |
0,1 |
менее |
0,1 |
По высоте |
реактора |
14,90 |
59,44 |
24,70 |
0,96 |
|||
1/2 |
|
|
— |
44,90 |
53,34 |
1,76 |
||
3/4 |
сечение |
— |
30,50 |
56,50 |
13,00 |
|||
Верхнее |
6,60 |
68,64 |
24,00 |
0,76 |
||||
(переливная воронка) |
||||||||
Выпуск |
осадка |
21,54 |
74,50 |
3,96 |
0 |
|
||
В с е г о |
|
|
1,84 |
45,00 |
42,40 |
10,76 |
Содержание карбоната кальция в отработанных зернах песка,, выведенных у вихревого реактора, в зависимости от сухого веса гранул при их размере, мм:
Менее 0,5 |
89,7—90,2 |
1,0—1,25 |
85,8—91,6 |
0,5—0,7 |
89,6—93,8 |
Более 1,25 |
89,5—92,9 |
0,7—1,0 |
84,6—91,8 |
|
|
Зерна песка, покрытые отложениями СаСОз, могут быть ис пользованы в качестве сырья для получения высококачествен ной извести, для нейтрализации кислых стоков, например кис лых вод, получающихся в процессах регенерации Н-катионито- вых фильтров.
Непосредственная подача воды в вихревые реакторы целесо образна только при мутности исходной воды не выше 100— 200 мг/л; в остальных случаях вода предварительно осветляется. Если содержание магния в исходной воде не превышает 15 мг/л,.
всостав установки входят: устройства для подготовки и дози рования реагентов, смесители, вихревые реакторы и фильтры.
Вкачестве смесителей при умягчении воды аммиаком реко мендуется применять эжектор, дающий наиболее энергичноесмешение. Трубопровод, подающий исходную воду на умягчение, эжектор и запорную арматуру необходимо выполнять из мате риалов, стойких по отношению к соляной или азотной кислоте,, так как при зарастании их карбонатом кальция необходима про мывка кислотой.
Применение вихревых реакторов возможно и при содержании
висходной воде магния свыше 15 мг/л, однако в этих условиях схема установки должна быть дополнена осветлителем или кон тактным фильтром КФ-5, предназначенным для выделения из воды гидроокиси магния.
Пример. Заданный расход воды 4500 мг/сут, или 190 мг/ч. Ис
ходная вода содержит 15 мг/л взвешенных веществ, и 20 мг/л магния. Величина карбонатной жесткости составляет 90% общей
жесткости воды. Принимаем для аммонийного умягчения воды четыре реактора. Расход умягчаемой воды на один реактор
Q =47,5 м3/ч, или (7=0,013 м3/сек.
Площадь |
верхнего |
поперечного сечения реактора на уровне |
|||
В О Д О О ТВ О Д Я Щ И Х устройств |
fB= Qcex- Рц =0,013:0,006=2,15 |
м2. |
|||
(обычно Ув =0,004—0,006 м/сек), а диаметр |
верхней части |
ре |
|||
актора d„ = |
1,6 м. |
сечения |
конуса принят |
150 мм, или dH= |
|
Диаметр |
нижнего |
= 0,15 м, следовательно, площадь нижней части реактора f„ = =0,017 м2.
Скорость |
движения |
воды |
в |
нижней |
части |
конуса Vu = |
|
= < 7 с е к •/н=0,013 :0,017=0,77 м/сек, |
т. е. в |
пределах требуемой, |
|||||
так как скорость VHобычно принимается равной 0,8— 1,0 м/сек. |
|||||||
Угол конусности принимаем 20° |
(рекомендуется 15—20°), тог- |
||||||
|
|
|
|
|
|
20° |
= 3 ,9 ? ^ 4 м. |
да высота усеченого конуса Л=1/2 (dB— rf„)ctg— |
|||||||
Объем реактора |
W = |
-i- h (/„ + V f » f « |
+ /„ ) — |
||||
|
|
|
и |
|
|
|
|
= |
— -4,0(2,15 + |
1/2,15-0,017 +0,017) = |
3,14 м3. |
||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
Время пребывания воды в реакторе |
|
|
|
||||
|
|
|
3,14 |
= 4 |
мин. |
|
|
|
q -60 |
0,013-60 |
|
||||
|
|
|
|
Вес контактной массы, необходимой для загрузки одного ре актора, G ,= 3, 14-10=31,4 кг. ,
Высоту загрузки реактора контактной массой принимаем рав ной h3= 0,5 =2,0 м.
Диаметр реактора |
на высоте 2,0 м от нижнего сечения |
||
|
dy = |
(h3 tga/2)2-f- d„. |
(60) |
В нашем примере |
dt = |
(2,0-tgl0°)2-f0,15 = |
l,38 м, а площадь |
этого сечения / i = 1,5 м2.
Объем реактора в пределах заполнения его контактной массой
U71==4--4,0(l,5 + 1/ТХодУГ7 + 0,017)^0,9 м3.
о
Насыщение водой контактной массы в занимаемом ею объеме составит
р а = 100— |
— - - 100%. |
( 61) |
|
HYSo-lOOO |
|
При удельном весе контактной массы (в плотном объеме) 1,5— 1,6
= 100---------3L4.----- 100 97,7%
,9-1,5-1000
Потери напора в реакторе на 1 м высоты контактной массы в среднем составляют 0,35 м. Таким образом, полная потеря на пора в загрузке /г„.з = 0 ,3 5 -/t3= 0,35-2,0=0,7 м.
Потери напора при выходе воды из подающего трубопровода со скоростью 0,7 м/сек и р,=0,9;
Vt |
0,7» |
= 0,03 м. |
|
И12g |
|||
о.э’ -г-э.в! |
|
Сумма потерь напора в реакторе 2/i=/i„.3+^c = 0 ,7 0 + 0 ,0 3 = =0,73 м.
Аммиачное умягчение подпитывающей воды приводит к по явлению в оборотной воде солей аммония. Поскольку кристал лизация СаСОз из воды протекает только при величине p H > 9 , то в умягченной воде наряду с сульфатом (или хлоридом) ам мония всегда содержится некоторое количество карбоната ам мония. Ионы аммония выводятся из оборотной воды при ионо обменном частичном обессоливании продувочных сбросов.
По стехиометрическому расчету на 1 мг-экв кальция времен ной жесткости расходуется 1 мг-экв NH3, т. е. 17 мг NH3. В дей ствительности расход аммиака значительно больший, так как pH 10 достигается при содержании в воде аммиака в виде NH4OH, но не в виде карбоната аммония. В условиях полупроизводственных испытаний метода умягчения днепровской воды ам миаком на химкомбинате pH 9,7— 10,0 получали при общей дозе аммиака до 115 мг/л. При этом содержание свободного NH3 в воде составляло 60 мг/л.
Опыт показывает, что расчет необходимой дозы аммиака для полного удаления кальциевой временной жесткости воды может быть произведен по формуле
Дин, = Ж вр-17 + 60, мг/л.
Для более глубокого умягчения воды и снятия постоянной жесткости необходимо вводить карбонат аммония, количество которого определяется из соотношения количества аммиака к углекислоте
NH, |
17(Жвр + ЖпМ2+) |
+ |
60, мг/л, |
(62) |
|
|
|||||
СОа |
22ЖП |
||||
|
|
|
|||
где Жвр, Ж п> Жпм^+ |
— соответственно |
временная, |
постоянная |
||
и магниевая жесткость, мг/л. |
|
|
|
Регулирование pH умягченной воды для уменьшения потерь аммиака за счет десорбции на градирнях достигается Н-катио- нированием части осветленной и умягченной подпитывающей или оборотной воды в смеси с умягченной подпитывающей. Как показали испытания, при разбрызгивании воды на градирнях свободный аммиак частично отдувается из воды. При этом pH ее постепенно понижается до 8,1—8,3, после чего потери аммиа ка в воздух практически снижаются до нуля. Для предотвраще ния этих потерь аммиака и для повышения стабильности умяг ченной подпитывающей воды ее pH должен быть доведен до 8,1—8,3.
В подпитывающей умягченной и осветленной воде содержание свободного аммиака составляет
мг-экв/л. (63)
Связывание аммиака в аммонийные соли (хлориды, сульфа ты, нитраты, карбонаты) осуществляется Н-катионированием части воды, при котором освобождается количество серной, со ляной, азотной и угольной кислот, эквивалентное количеству
поглощенных катионитов ионов Са2+, Mg2+ и NH<\
При смешении равных количеств катионированной и некатионированной подпитывающей осветленной и умягченной воды ос вободившиеся в катионированной воде кислоты свяжут аммиак
в — = р 4 подпитывающей воды. Таким образом, доля подпи-
3,5
тывающей воды, отводимой на Н-катионирсвание, составляет
мг/ч.
1 + Ра
Здесь 2А — сумма анионов сильных кислот в воде, направля емой на Н-катионирование, мг-экв/л\ р=р\+Р2+Рз — подпитка оборотной системы, мг/ч\ 3,5 — содержание свободного аммиака в воде, направляемой на Н-катионирование, мг-экв/л. При Н+- катионировании части оборотной воды доля ее составляет
— - ----- , мН, где ку — коэффициент упаривания подпитываю- 1 + kyPt
щей воды в оборотной системе.
Оптимальный вариант катионирования подпитывающей либо оборотной воды определяется технико-экономическими расчета ми. Следует иметь в виду, что при более высоком солесодержании в исходной воде возрастает удельный расход кислот на ре генерацию Н+-катионитовых фильтров.
На предприятиях, имеющих собственную азотную кислоту, и особенно там, где есть производство нитрата аммония, целесо образно регенерацию катионитов производить 20—25-процентны ми растворами азотной кислоты. В этом случае регенерационный
раствор может быть донасыщен аммиаком и направлен на ути лизацию в цех аммиачной селитры (содержание в растворе ам миачной селитры составит после нейтрализации около 30%). Катионирование осуществляется в одну или две ступени. При катионировании в две ступени первая ступень выводится на ре генерацию после проскока ионов кальция или магния. Таким об разом, после второй ступени катионирования можно получить практически чистый раствор (30%) нитрата аммония. Регенера ционные растворы после первой ступени катионирования будут содержать в основном нитрат кальция и магния. Катионирова ние производится на смоле КУ-2 в водородной форме. Емкость катионита по аммиаку — 2,5 кг-экв/т сухой смолы. Остальная емкость смолы используется для поглощения ионов кальция и магния из солей постоянной жесткости.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Качество воды, подаваемой на производственные нуж ды, устанавливается в зависимее™ от требований технологиче ских процессов предприятий с учетом влияния качества воды на выход продукции и ее себестоимость.
Метод обработки воды и рекомендуемый состав сооружений, определяются качеством воды источника водоснабжения, назна чением водопровода, а также технико-экономическими обосно ваниями с учетом технологических изысканий (табл. 23).
Таблица 23. Способы химической обработки воды (СНиП П-Г. 3—70)
Показатели качества воды |
Способ химической |
Рекомендуемые реагенты |
||
обработки |
||||
Мутность |
|
Коагулирование |
Коагулянты (сернокис |
|
|
|
Обработка флокулянтами лый алюминий, хлорное |
||
|
|
|
железо и др.). Флоку- |
|
|
|
|
лянты |
(полиакриламид, |
Цветность, |
повышение |
|
активная кремнекислота) |
|
Предварительное хлори Жидкий хлор. Хлорная |
||||
содержания |
органиче |
рование, коагулирование. |
известь. Коагулянты. Ак |
|
ских веществ и планкто |
Обработка флокулянта |
тивная |
кремнекислота |
|
на |
|
ми |
Известь, сода |
|
Низкая щелочность, за |
Подщелачивание |
|||
трудняющая |
коагулиро |
|
|
|
вание |
|
|
|
|
На предприятиях химической промышленности процесс освет ления воды для прямоточного и оборотного водоснабжения не отличается от осветления для целей хозяйственно-питьевого во доснабжения. Обработка воды коагулянтами применяется для очистки производственной воды от взвешенных веществ, сниже ния цветности, а также для интенсификации процессов кристал лизации карбоната кальция и осаждения гидрата окиси магния при использовании сооружений осветления воды в схехмах реа гентного и реагентно-ионитового умягчения и обессоливания во ды. Наиболее распространена обработка коагулянтами воды открытых источников. При этом вместе с освобождением воды от взвеси из нее удаляются коллоидные вещества, планктонные
организмы, существенно снижается бактериальная загрязнен ность воды [19].
Взвешенные вещества в водах открытых водоемов состоят из песка, глин, ила, Планктонных организмов. Во взвешенном со стоянии'могут также находиться продукты гибели и разрушения растений. Скорость осаждения взвешенных веществ в воде зави сит от размеров частиц, их формы, плотности и степени шерохо ватости. Для частиц взвеси средней дисперсности сопротивление пропорционально скорости осаждения в степени, значение кото рой больше 1 и меныЦе 2 [4]. Наиболее мелкие частицы суспен зий размером от 3 -^ 4 до 0,1 мм и коллоидные частицы размером от 0,1 до 0,001 мм во взвешенном состоянии устойчивы и само произвольно практически не оседают.
Приемлемую скорость осаждения имеют частицы крупностью 30—50 мк, т. е. не мельче илистых частиц. В других случаях без применения коагулянтов выделение из воды взвешенных частиц отстаиванием невозможно.
В условиях движущегося потока воды вертикальная состав ляющая скорости потока замедляет выпадение частиц. Величина вертикальной составляющей скорости потока подчиняется зако ну Гаусса. Следовательно, в любой точке потока могут появить ся скорости, непостоянные по величине и направлению. Этим же изменениям подвергаются и действительные скорости пере мещения частиц в отстойнике. В таких условиях расчетное оп ределение скорости осаждения коагулированной взвеси невоз можно. Поэтому для расчета отстойников скорость осаждения взвеси следует определять на основании экспериментальной кри вой процентного выпадения взвеси. Для построения этой кривой по оси абсцисс откладывают экспериментальные числовые зна чения продолжительности отстаивания в мин, а по оси орди нат — количество выпавшей взвеси в процентном отношении к первоначальному содержанию взвешенных веществ.
Не менее важным параметром при расчете отстойников явля ется вертикальная составляющая скорости потока. Эта величи на линейно зависит от средней скорости потока. Поэтому сред няя скорость движения воды в горизонтальном отстойнике на значается в зависимости от расчетной скорости выпадения взве си U0, которая, в свою очередь, зависит от мутности воды в источнике водоснабжения.
В СНиП приведены некоторые ориентировочные значения скорости выпадения взвеси Uo в мм/сек, задерживаемой отстой ником [3]. При этом коэффициент а, учитывающий взвешиваю
щее влияние вертикальной |
скорости потока, |
определяется по |
формуле |
|
|
а = |
-------% — |
(64) |
где Uо— скорость выпадения взвеси, задерживаемой отстойни ком, мм/сек; Vcp— средняя горизонтальная скорость движения воды в отстойниках, мм/сек (принимается равной Кср =KUo).
1
Величина а зависит от коэффициента К; величину коэффи циентов К и а определяют в зависимости от отношения длины горизонтального отстойника L к его глубине Я.
L |
У. |
а |
|
При — , равном 10 |
7,5 |
1,33 |
|
н |
|
|
1,5 |
То же, |
15 |
10 |
|
» |
20 |
12 |
1,67 |
» |
25 |
13,5 |
1,82 |
Скорость выпадения взвеси |
U0 при наличии данных техноло |
||
гического анализа можно определять по формуле |
|
||
U0 = UM6- i / - ^ - , |
(65) |
||
|
У |
ЛЛаб |
|
где С/лаб — скорость осаждения взвеси в цилиндре в лаборатор |
|||
ных условиях, мм/сек\ Алаб — высота слоя воды в цилиндре, мм; |
|||
h0— глубина осадочной части |
отстойника, мм (уточняется |
по |
|
данным эксплуатации отстойников). |
|
|
Содержание взвеси в отстоенной воде следует принимать не
более 8— 12 мг/л. Если |
отсутствуют* материалы |
лабораторных |
||
исследований, скорость |
выпадения взвеси U0i задерживаемой |
|||
отстойниками, мм/сек можно принимать |
следующей (с учетом |
|||
сезонных показателей качества воды): |
|
|
||
Цветные воды, обработанные коагулянтом при содер |
0,35—0,45- |
|||
жании взвеси до 50 мг/л |
веществ |
|||
Мутные воды |
с содержанием взвешенных |
0,45—0,50 |
||
50—250 мг/л, обрабатываемые коагулянтом |
|
|||
Мутные воды с содержанием взвешенных веществ в |
|
|||
количестве более 250 мг/л, обрабатываемые коагулян |
0,50—0,60 |
|||
том |
. . |
|
||
Мутные воды, |
не обрабатываемые коагулянтом |
0,12—0,15 |
П р и м е ч а н и е . При применении флокулянтов для коагули рования взвеси значение U0 следует увеличивать на 20— 30%.
Удаление из воды коллоидных частиц и высокодисперсных взвесей осуществляется методом коагуляции. Часто в зависимо сти от требований, предъявляемых к качеству воды, ее исходных свойств и дальнейшей схемы обработки, наряду с осветлением производят снижение щелочности воды, т. е. частичное умягче ние ее, для чего применяют предварительную обработку воды известкованием. Процессы магнезиального обескремнивания и обезжелезивания воды также часто сочетают с коагуляцией.
Указанные методы составляют группу методов осаждения, так как вещества, удаляемые из воды, выделяются в виде осадка.