4. Расчеты изменения химического состава воды в процессе ее обработки

№

п/п

Показатель

Ед. изм.

Формула, расчет

Величина

1

2

3

4

5

Показатели качества исходной воды

1.

Содержание:

ионов кальция

ионов магния

Общая жесткость

г-экв/м³

г-экв/м³

г-экв/м³

2,4

2,75

5,15

2.

Щелочность

некарбонатная

жесткость

г-экв/м³

г-экв/м³

3,15

2,0

3.

Содержание:

сульфатов

хлоридов

содержание

г-экв/м³

г-экв/м³

г-экв/м³

1,9

3,1

3,0

4.

Температура

⁰С

t_{исходная}

t_{подогрева}

5,0

35,0

5.

Общее

солесодержание

г/м³

549

6.

Величина рН

ед. рН

рН

7,4

7.

Содержание СО₂

(значения констант и коэффициентов активности см. прил.1 и 2)

г-моль/м³

, где

0,38

-3,42

8.

Содержание взве-шенных веществ, цветность

г/м³

град

М₀

Ц₀

120

20

1

2

3

4

5

9.

Состав исходной воды

Обработка воды коагулянтом – сульфатом алюминия

1.

Доза коагулянта

г/м³

г-экв/м³

табл.

35

0,614

2.

Состав воды после коагулирования

г-экв/м³

2,4

2,75

3,0

2,536

2,514

3,1

0,994

Умягчение воды известковым методом

1.

Величина рН, при которой производится известковое умягчение

ед. рН

10

2.

Ориентировоч-ная доза извести

г-экв/м³

5,16

3.

Количество взвешенных веществ после проведения реакции умягчения

г/м³

616

1

2

3

4

5

4.

Количество кальция и магния, удаляемых известковым методом

г-экв/м³

, , входящие в карбонатную жесткость

2,4

0,75

5.

Содержание активной СаО

в товарной

извести

%

С

60

6.

Доза коагулянта

г-экв/м³

0,34

7.

Температура воды после подогрева

⁰С

30 – 40

35

8.

Содержание в обработанной воде:

сульфатов,

гидратной щелочности,

магния (если окажется больше чем ,то прини-мают ),

натрия и калия

г-экв/м³

=2·10³·10^А/(ОН^-)²,

2,24

0,233

1,91

-1,28

3,0

9.

Остаточное

содержание кальция в обработанной воде

г-экв/м³

1,274

-0,653

0,492

1,71

10.

Суммарное содержание и в обработанной воде

г-экв/м³

0,611

1

2

3

4

5

11.

Остаточное содержание карбонатных ионов, гидрокарбонат-ных ионов

г-экв/м³

0,386

0,225

12.

Доза извести

г-экв/м³

5,1

13.

Состав воды после известкового умягчения

ΣКt = ΣAn = 6,184

Умягчение воды известково-содовым методом

1.

Величина рН, при которой проводится умягчение

ед. рН

рН = 10,2 ÷ 10,4

10,2

2.

Ориентировоч-ная доза извести

г-экв/м³

7,16

3.

Доза соды

Количество взвешенных веществ после проведения реакции умягчения

Далее см. п. 6-12 (с. 13, 14)

г-экв/м³

г/м³

3,0

811,4

4.

Состав воды после известково-содового умягчения

ΣКt = ΣAn = 6,459

1

2

3

4

5

Обработка воды после коагулирования (реагентного умягчения)

на Na-катионитовых фильтрах

1.

Остаточная жесткость после Na-катионитовых фильтрах

г-экв/м³

0,061

0,010

2.

Коэффициент эффективности регенерации (прил.3)

0,67

0,9

3.

Удельный расход поваренной соли на регенерацию Na-катионитовых фильтров

(прил.3)

г-экв/м³

_NaI

_NaII

120

300

4.

Сумма катионов в воде, поступа-ющей на Nа-катионитовые фильтры

г-экв/м³

8,15

8,15

5.

Состав воды после Nа-катионитовых фильтров

После Na I

После Na II

Обработка воды серной кислотой (подкисление воды)

1.

Доза серной кислоты

г-экв/м³

1,836

2.

Щелочность остаточная

(по заданию)

г-экв/м³

Щ_ост

0,7

1

2

3

4

5

3.

Щелочность после коагулирования (реагентного умягчения)

г-экв/м³

Щ₂

2,536

4.

Состав воды после подкисления

г-экв/м³

0,01

8,14

0,7

4,35

3,1

2,83

ΣКt = ΣAn^- = 8,15

Обработка воды на дегазаторе (декарбонизация воды)

1.

Содержание углекислоты в обрабатываемой воде

г-моль/м³

г/м³

СО_{2 вход}

СО_{2 вход}

2,83

124,52

2.

Содержание уг-лекислоты в об-работанной воде (по заданию)

г-моль/м³

г/м³

СО_{2 вых}

СО_{2 вых}

0,068

3,0

3.

Количество удаляемой углекислоты

г-моль/м³

г/м³

СО_{2 уд}

СО_{2 уд}

2,762

121,52

4.

Состав воды после декарбонизации

ΣКt = ΣAn = 8,15

1

2

3

4

5

Обработка воды после коагулирования при параллельном

Н-Na-катионировании

Параллельное Н-Nа-катионирование применяется с целью корректировки щелочности воды после коагулирования. Коагулированная вода после механических фильтров разделяется на два потока и подается на Н-«голодные» катионитовые фильтры и Nа-катионитовые фильтры. После обработки воды на этих фильтрах оба потока смешиваются и подаются на Nа-катионитовые фильтры II ступени или на дегазатор:

Н-катионитовые фильтры регенерируют уменьшенным расходом кислоты так, чтобы при обработке воды на фильтрах снизить до нуля щелочность и получить не кислый фильтрат (это фильтры с «голодной» регенерацией). Соотношение расходов воды, направляемой на Н-«голодные» фильтры и в обход их определяются по формуле .

В примере . Остаточная щелочность – по заданию.

Состав воды после Н-«голодных» фильтров:

Состав смеси, поступающей на Nа-катионитовые фильтры рассчитывается по формуле

.

Щелочность .

Жесткость .

г-экв/м³ (111,3 г/м³).

Хлориды и сульфаты – без изменения.

Количество кислоты на регенерацию Н-«голодных» фильтров:

1

2

3

4

5

г-экв/сут,

где Q_o – расход воды, м³/сут;

Щ_о – щелочность после коагулирования.

1.

Соотношение расходов, напра-вляемых на Nа-катионитовые и

Н-катионитовые фильтры при параллельной их работе

3,43

2.

Сумма катионов

г-экв/м³

8,15

3.

Остаточная щелочность

г-экв/м³

По заданию

0,7

4.

Остаточная жесткость фильтрата после Н-катионитовых фильтров

г-экв/м³

0,03

5.

Коэффициент эффективности регенерации (прил.4)

α_э

0,68

6.

Содержание Na⁺ после Н-катио-нитовых фильт-ров

г-экв/м³

0,077

Состав воды после Н-катио-нитовых фильт-ров

7.

Остаточная жесткость фильтрата после Na-катионитовых фильтров

г-экв/м³

0,069

8.

Коэффициент эффективности регенерации (прил.3)

α^/_э

0,67

1

2

3

4

5

Состав воды после Na-катио-нитовых фильтров

8,081

9.

Содержание раз-личных компо-нентов в смеси Н-катионированной и Na-катио-нированной вод.

Расчетная формула

Для данного примера

Содержание хлоридов

сульфатов натрия

кальция+магния

ионов водорода

ионов гидрокар-боната

двуокиси угле-рода

г-экв/м³

3,1

2,51

6,28

0,06

1,24

1,97

1,59

Состав воды после Н-Na катионирования

ΣКt = ΣAn = 7,58

Так как ионы Н⁺ и НСО₃^- взаимодействуют с образованием СО₂ (Н⁺+НСО₃¯= СО₂+Н₂О), то окончательно состав воды после смешения Н-катионированной и Na-катионированной вод.

1

2

3

4

5

ΣКt = ΣAn = 6,34

Обработка воды, прошедшей реагентное умягчение, при последовательном Н–Na катионировании

Последовательное Н-Nа катионирование воды применяется с целью корректировки рН воды после проведения реагентного умягчения. В воде, прошедшей реагентное умягчение, необходимо нейтрализовать ОН^- и СО₃^2- -ионы перед подачей на Na-катионитовые фильтры. Для этого часть потока воды после механических фильтров направляется на Н-катионитовые фильтры, полученная кислая вода смешивается с остальным потоком воды и направляется на Na-катионитовые фильтры.

1.

Соотношение расходов

2,1

2.

Сумма катионов в известкованной воде

г-экв/м³

5,88

3.

Остаточная жес-ткость фильтрата после Н-катио-нирования

г-экв/м³

0,027

4.

Коэффициент эффективности регенерации (прил.4)

α_э

0,68

5.

Остаточное содержание натрия

г-экв/м³

0,040

1

2

3

4

5

6.

Содержание СО₂ в Н-катиониро-ванной воде

г-экв/м³

0,266

7.

Содержание компонентов в смеси Н-катио-нированной воды и воды, прошедшей известкование

Содержание:

хлоридов

сульфатов

натрия

кальция, магния

ионов водорода

ионов гидроксила

карбонатов

бикарбонатов

углекислоты

г-экв/м³

3,10

2,23

2,78

2,67

0,393

0,130

0,274

0,109

0,020

Состав воды после смешения потоков

после взаимодействия

ΣКt = ΣAn = 5,843

НСО₃^-=0,109+0,011=0,12;

СО₂=0,02+0,1315-0.0055=0,146

1

2

3

4

5

Обессоливание воды

Обработка коагулированной воды на Н-катионитовых

и ОН-анионитовых фильтрах

1.

Остаточная жесткость после Н-ка -тионитовых фильтров I сту-пени

г-экв/м³

0,03

2.

Коэффициент эффективности регенерации для Н-катионитовых фильтров I ступени (прил.4)

α_э

0,68

3.

Удельный расход кислоты для регенерации Н-катионитовых фильтров

I ступени

г/г-экв



50-225

4.

Содержание нат-рия после Н-катионитовых фильтров

I ступени

г-экв/м³

0,077

5.

Состав воды после Н-катио-нитовых фильт-ров I ступени

после взаимодействия

1

2

3

4

5

6.

Состав воды после ОН-анио-нитовых фильт-ров I ступени

после взаимодействия

Остаточные концентрации сульфатов и хлоридов принимаются равными остаточным концентрациям жесткости и натрия после Н-катионитовых фильтров I ступени

0,107

7.

Остаточная жесткость после Н-катионитовых фильтров II ступени

г-экв/м³

5·10^-5

8.

Коэффициент эффективности регенерации для Н-катионитовых фильтров II ступени (прил.4)

α_э

0,78

9.

Удельный расход кислоты для регенерации Н-катионитовых фильтров

II ступени

г/г-экв



80

10.

Содержание натрия после

Н-катионитовых фильтров

II ступени

г-экв/м³

7·10^-5

11.

Состав воды после Н-катионитовых фильтров

II ступени

1

2

3

4

5

12.

Состав воды после ОН^--анио-нитовых фильт-ров II ступени

после взаимодействия

ОН-анионитовые фильтры II ступени загружены сильноосновным анионитом АВ-17, задерживают анионы слабых кислот. Остаточные концентрации сульфатов и хлоридов равны остаточным концентрациям жесткости и натрия

13.

Общее солесодержание

г/м³

Р

0,008

Обессоливание воды

Обработка коагулированной воды на Н-катионитовых

и СО₃ – анионитовых фильтрах

1.

Остаточная жесткость после Н-катионитовых фильтров

I ступени

г-экв/м³

0,03

2.

Коэффициент эффективности регенерации для Н-катионитовых фильтров

I ступени (прил.4)

α_э

0,68

3.

Удельный расход кислоты для регенерации

Н-катионитовых фильтров

I ступени

г-экв/м³



50

225

4.

Содержание натрия после

Н-катионитовых фильтров

I ступени

мг-экв/л

0,077

1

2

3

4

5

5.

Состав воды после

Н-катионитовых фильтров

I ступени

после взаимодействия

6.

Состав воды после СО₃-анио-нитовых фильт-ров

после взаимодействия

Остаточные концентрации сульфатов и хлоридов после СО₃-фильтров принимаются равными остаточным концентрациям жесткости и натрия после Н-катионитовых фильтров I ступени

0,107

7.

Общее солесодержание

г/м³

Р

11,16

Расчет сооружений

Трудно назначить расход, поступающий в начало сооружений так, чтобы в конце сооружений точно обеспечивался заданный (полезный) расход, поэтому расчет необходимо вести «с конца» технологической схемы, начиная с последней ступени ионообменных фильтров или дегазатора. Расчет сооружений производится в соответствии СНиП и прил. 3–14, 17. Выбор оборудования производится в соответствии прил. 15, 16, 18–22.

1

2

3

4

5

Расчет ионообменного фильтра

1.

Выбранный тип ионообменного материала и его полная обменная емкость

г-экв/м³

Тип:

Средняя крупность зерен, Е_полн

2.

Рабочая обмен-ная емкость

г-экв/л

3.

Коэффициент эффективности регенерации

α_э =0,85 – для ОН-фильтров

α_э -для Na и Н-фильтров в зависимости от 

4.

Удельный расход реагента на регенерацию

г/г-экв

α

5.

Коэффициент, учитывающий противоионный эффект (только для Na-фильтров (прил.5).

β в зависимости от отношения:

6.

Коэффициент, учитывающий неполноту обме-на ионов в отмы-вочной воде

φ = 0,5 для Nа и Н-фильтров;

φ = 0,8 для ОН-фильтров

7.

Удельный расход отмывочной воды

м³/м³

q_у

8.

Суммарная концентрация задерживаемых ионов в отмывочной воде

г-экв/м³

Σ_Ио

9.

Скорость фильтрования воды в нормальном режиме для Na, Н, ОН-фильтров первой ступени, для ОН-фильтров второй ступени и СО₃-фильтров

К ´= 0,02 – для Na-I

К´ = 0,025 для Н-I

К´ = 0,03 для ОН-I и СО₃

К´ = 0,04 для ОН-II фильтр

1

2

3

4

5

10.

Суммарная кон-центрация задер-живаемых ионов в обрабатывае-мой воде

г-экв/м³

Σ _И

Примечание: эта величина принимается в зависимости от технологии обработки, равной сумме задерживаемых катионов или анионов в воде, которая поступает на данный ионообменный фильтр

11.

Высота загрузки

м

Н

12.

Продолжитель-ность фильтро-цикла (период между регенера-циями)

ч

Т – принимается равной 8, 12 или 24 часа в зависимости от крупности станции; на крупных станциях Т – меньше

13.

Скорость фильтрования воды в нормальном режиме для Н, Nа–фильтров II ступени

м/ч

40

14.

Необходимая площадь фильтров

м²

15.

Количество и тип принятых стандартных рабочих фильтров

шт

тип:

n_р

16.

Количество резервных фильтров

шт

n_рез

17.

Площадь фильт-рования одного стандартного фильтра

м²

f_cт

18.

Общая площадь фильтров

м²

19.

Высота загрузки

м

Н

20.

Действительная скорость фильтрования в нормальном режиме

м/ч

21.

Скорость фильтрования при отключении одного из фильтров на регенерацию

м/ч

1

2

3

4

5

22.

Объем загрузки фильтров

м³

23.

Число регенера-ций в сутки

раз/сут.

24.

Интенсивность взрыхления

л/с·м²

25.

Расход воды на взрыхление

л/с

26.

Продолжитель-ность взрыхле-ния

мин

t_в

27.

Объем воды на одно взрыхление

м³

28.

Крепость реге-нерационного раствора и его объемный вес

%,

кг/м³

С,

γ_р

29.

Количество 100%-ного регенерационного раствора

кг

30.

Объем регене-рационного раствора на одну регенерацию

м³

31.

Скорость про-пускания регене-рационного раствора

м/ч

V_p.p/

32.

Продолжитель-ность пропуска-ния регенераци-онного раствора

мин

33.

Объем воды на одну отмывку одного фильтра

м³

34.

Скорость про-пускания отмы-вочной воды

м/ч

V_от

35.

Продолжитель-ность отмывки

мин

1

2

3

4

5

36.

Общая продол-жительность регенерации одного фильтра

мин

37.

Емкость бака для хранения взрыхляющей воды

м³

W_бака = 2W

38.

Потери напора (сопротивление) при фильтрации воды

м

h

39.

Расход воды, который должен поступать на данные фильтры с предыдущей ступени обработки

м³/ч

В соответствии с балансовой схемой! Если на фильтрах теряется только расход на отмывку, то расход воды, поступающий на данные фильтры составит:

Расчет дегазатора для удаления СО₂

1.

Концентрация СО₂ на входе и на выходе дегазатора

г/м³

С_вх – (в соответствии с диаграммой)

С_вых – по заданию)

50

5

2.

Расчетный расход

м³/с

0,1

3.

Принятая плот-ность орошения

м³/ч·м²

П = 50 ÷ 60

60

4.

Парциальное давление СО₂ в атмосферном воздухе

Па

Р₀ = 100

100

5.

Коэффициенты абсорбции и десорбции (для дегазатора с керамическими кольцами)



k

1,32

0,51

6.

Движущая сила десорбции

17

1

2

3

4

5

7.

Равновесная концентрация СО₂ на выходе воды из дегазатора

г/м³

1,3

8.

Равновесная концентрация на входе в противо-точный дегазатор

Па

г/м³

Р_ат=101,325 П_а

3,0

9.

Парциальное давление выделившейся СО₂

Па

129

10.

Расход воздуха

м³/с

Q_в = (15 ÷ 20)q

2,0

11.

Площадь повер-хности насадки (керамических колец)

м²

1870

12.

Площадь попе-речного сечения дегазатора

м²

6

13.

Объем насадки колец 25х25х3

м³

9,16

14.

Диаметр дегазатора

м

2,78

15.

Высота насадки

м

1,53

16.

Потери напора воздуха

Па

H=250+300 H

708

Расчет механических фильтров

1.

Выбранный тип загрузки

мм

d

2.

Принятая

скорость фильтрования при нормальном режиме

м/ч

V_н

3.

Необходимая площадь фильтрования

м²

1

2

3

4

5

4.

Количество и тип принятых стандартных рабочих фильтров

шт

Тип

n_р

5.

Количество резервных фильтров

шт

n_рез

6.

Площадь

фильтрования одного стандартного фильтра

м²

f_cт

7.

Общая площадь фильтра

м²

8.

Действительная скорость

фильтрования в нормальном режиме

м/ч

9.

Скорость фильт-рования при отк-лючении одного из фильтров на взрыхляющую промывку

м/ч

10.

Интенсивность промывки

л/с·м²

Ω

11.

Продолжитель-ность промывки

мин

t_п

12.

Расход на промывку

л/с

13.

Объем воды на одну промывку

м³

14.

Объем бака для хранения промывной воды

м³

1

2

3

4

5

15.

Концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей на механические фильтры

мг/л

После осветлителей С_ос =10;

После вихревого реактора

16.

Грязеемкость загрузки фильтра

кг/м²

Г

17.

Количество про-мывок каждого фильтра в сутки

раз/сут

18.

Расход воды, который должен поступать на механические фильтры

м³/час

где Q_пр – прочие расходы фильтрованной воды, м³/сут.

Расчет вихревого реактора

Заключается в подборе геометрических размеров вихревого реактора так, чтобы скорость восходящего потока в верхней части реактора составляла величину в пределах 4–6 мм/сек, угол φ между противоположными образующими конуса – в пределах 15–20⁰; время пребывания воды в вихревом реакторе Т – 10–20 минут, высота реактора Н – не более 10 м.

Ц елесообразно просчитать одновременно четыре варианта и выбрать из них подходящий:

Площадь, диаметр, высота, объем и время пребывания могут быть вычислены по следующим формулам: ;

Н

1

2

3

4

5

1.

Скорость входа воды в реактор

м/с

Vвх = 0,8 – 1,0

2.

Диаметр входной трубы

мм

3.

Расход добавля-емой контактной массы

кг/сут.

4.

Потери напора в вихревом реакторе

м

h = 0,3 H

Расчет осветлителя

Для известкования воды следует применять осветлители типа ВТИ (рис. 1), для коагуляции воды осветлители типа ЦНИИ (рис. 2).

Расчет площадей и сечений производится в соответствии со скоростями, указанными на рисунках.

1.

Количество воды, теряемой при сбросе осадков из осветлителей

%

2.

Коэффициент разбавления осадка

К_р = 1,2 – 1,5

3.

Содержание взвешенных

веществ в осветлителе

мг/л

С_взв

4.

Остаточное со-держание взве-шенных веществ в осветлителе

мг/л

С_ос = (8 ÷ 12)

5.

Средняя концен-трация взвешен-ных веществ в осадкоуплотни-теле в зависимо-сти от М и Т

мг/л

δ_ср

6.

Время

уплотнения Т

ч

Т

7.

Расчетный рас-ход воды на осветлители

м³/ч

8.

Коэффициент распределения

К = 0,8

1

2

3

4

5

9.

Площадь зоны осветления

м²

10.

Диаметр зоны осветления

м

11.

Диаметр шламо-уплотнителя

м

12.

Диаметр подво-дящей трубы

м

13.

Диаметр воз-духоотделителя

м

14.

Площадь коль-цевой рабочей зоны

м²

15.

Диаметр нижней цилиндрической части осветлителя

м

16.

Общая площадь шламоприемных окон

м²

17.

Число и размеры шламоприемных окон

шт.

мм

n = 16 – 20

;

h = 0,1 – 0,15

18.

Диаметр шламо-отводящей трубы с окнами

м

19.

Диаметр шламо-отводящей трубы без окон

м

20.

Диаметр кольце-вой водосборной трубы в шламо-уплотнителе

м

21.

Общая площадь отверстий в трубе

м²

1

2

3

4

5

22.

Диаметр и

количество отверстий

мм

шт.

d₁₀ = 25  40

23.

Диаметр трубы, отводящей воду из шламоуплот-нителя

м

24.

Суммарная пло-щадь отверстий в верхнем дырчатом днище

м²

25.

Диаметр отверстия

мм

26.

Число отверстий

шт.

27.

Шаг отверстий

м

28.

Сечение сборного желоба

м²

29.

Полезная высота желоба (от дна желоба до центра отверстий)

м

30.

Ширина желоба

м

В_ж = 1,6 · h_п.ж

31.

Число отверстий в стенках жело-ба, принятых d₁₄=d₁₃

шт.

35.

Диаметр отверстий сопел

м