4.5 Схема н-катионирования с ''голодной'' регенерацией

При обычном Н – катионировании регенерация проводится с удельным расходом кислоты в 2-2,5 раза больше теоретически необходимого, который отвечает процессу эквивалентного обмена катионов между раствором и катионитом. Избыток кислоты, не участвующей в реакциях обмена ионов, сбрасывается из фильтров вместе с продуктами регенерации. При голодной регенерации Н-катионитового фильтра удельный расход кислоты равен его теоретическому расходу (удельному), т. е. 1 гэкв = 1 гэкв. Все ионы водорода регенерационного раствора при этом полностью задерживаются катионитом, вследствие чего сбрасываемый регенерационный раствор и отмывочные воды не содержат кислоты.

В отличие от обычных Н-катионитовых фильтров, в которых весь слой катионита при регенерации переводится в Н-форму при голодном режиме в Н-форму переводятся только верхние слои, а нижние слои катионита остаются в солевых формах и содержат катионы Ca²⁺, Mg²⁺, и Na⁺. В верхних слоях катионита отрегенерированного голодной нормой кислоты при работе фильтра имеют место все реакции ионного обмена приведенные выше для Н – катионирования.

В ниже лежащих неотрегенерированных слоях катионитные ионы водорода образовавшихся минеральных кислот обмениваются на ионы Ca²⁺, Mg²⁺, и Na⁺ по уравнениям:

CaR₂ + 2HCl → 2HR + CaCl₂

NaR + HCl → HR + NaCl

MgR₂ + H₂SO₄ → 2HR + MgSO₄

Происходит нейтрализация кислотности воды и при этом восстанавливается ее некарбонатная жесткость (постоянная жесткость), а зона слоя, содержащего ионы водорода смещается постепенно к низу.

Так как содержащаяся в воде угольная кислота является слабой, в реакциях ионного обмена она может участвовать только после удаления сильных кислот. В самых нижних слоях фильтра этот процесс завершится до полного восстановления карбонатной жесткости не успевает, поэтому фильтрат имеет малую карбонатную жесткость численно равную щелочности и содержит много углекислоты. К моменту окончания рабочего цикла фильтра ионы водорода, введенные в катионит при регенерации, полностью удаляются из катионита в виде H₂CO₃, который находится в равновесии с Д- гидратированной формой СО₂:

H₂CO₃ ↔ H₂O + CO₂

Технология Н – катионирования с «голодной» регенерацией обеспечивает получение фильтрата с минимальной щелочностью (исключение сброса кислых стоков при регенерации и кислого фильтрата в рабочем цикле). Данная технология рекомендована для обработки природных вод определенного состава и при использовании катионита средне или слабокислотного типа при условии правильного осуществления режима регенерации. При непостоянстве качества исходной воды, неточном соблюдении рекомендаций по применению рассматриваемой технологи Н – катионирования во избежание колебаний щелочности и «проскоков» кислого фильтрата после Н-катионитных фильтров с голодной регенерацией в схеме водоподготовительной установки (ВПУ) устанавливаются буферные – нерегенерируемые фильтры с высотой слоя катионита 2 м и скоростью фильтрования до 40 м/ч. К буферным фильтрам не допускается подвод регенерационного раствора кислоты, взрыхляющая промывка осуществляется осветленной водой.

Рисунок 4.5 - Схема противоточного ионитового фильтра типа ФИПр:

1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды; 3 – 5 – подвод промывочной воды соответственно общий, в нижнее распределительное устройство (РУ) и блокирующее РУ; 6 – отвод промывочной воды; 7 – 9 – подводы регенерационного раствора соответственно общий, в нижнее РУ и в блокирующее РУ; 10, 11 – дренажи; 12 – гидрозагрузка; 13 – гидровыгрузка; 14, 15 – подвод воды для взрыхления в среднее и нижнее РУ.

Расход реагента существенно снижается, а качество фильтрата повышается при применении противоточной регенерации ионитного фильтра, схема которого приведена на рис. 4.5.

К онструкция фильтра, изготавливаемого на ТКЗ, предусматривает, кроме верхнего и нижнего распределительных устройств, также среднее и блокирующее РУ, расположенные соответственно на глубине 0,3 м и у входной поверхности слоя ионита. Среднее распределительное устройство предназначено для равномерного сбора отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды, подаваемых через нижнее (80 %) и блокирующее (20 %) РУ. Блокирующее РУ служит для подвода раствора реагента или отмывочной воды, используемых для регенерации и зажатия блокирующего слоя ионита. Взрыхлению подвергается только блокирующий слой ионита, а через 10—20 фильтроциклов взрыхляется весь слой.

Рисунок 4.6 - Схема двухпоточного-противоточного ионитового фильтра типа ФИПр-2П: 1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды или отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 3 – подвод исходной воды или отвод отработанной воды; 4 – подвод регенерационного раствора; 5 – подвод воды для взрыхления; 6 – подвод регенерационного раствора и отмывочной воды; 7 – подвод отмывочной воды; 8 – отвод отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 9 – дренаж; 10 – подвод взрыхляющей воды, дренаж.

Промежуточным вариантом между противоточной и прямоточной регенерациями является двухпоточно-противоточная регенерация, осуществляемая в фильтре, представленном на рис. 4.6. Среднее РУ фильтров, загруженных анионитом или катионитом, заглублено в них на 0,6 и 1,0 м соответственно. Конструкция двухпоточно-противоточного фильтра позволяет использовать его как в режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации, так и в режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации. При любом режиме работы в выходном слое ионита осуществляется принцип противоточного ионирования, при котором обрабатываемая вода перед выходом из фильтра соприкасается с хорошо отрегенерированными слоями ионита, благодаря чему обеспечивается высокое качество фильтрата при сокращенных расходах реагентов на регенерацию ионита. При работе фильтра в режиме двухпоточного фильтрования взрыхлению подвергается весь слой ионита, при однопоточном фильтровании — только верхний слой, а взрыхление всего слоя производится через 10—20 фильтроциклов. При режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации 40 % раствора реагента пропускается через верхний слой ионита, 60 % — через нижний. При режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации весь регенерационный раствор проходит через оба слоя ионита сверху вниз.

4.6 NH₄ – катионирование

При NH₄ – катионировании обрабатываемая вода фильтруется через слой катионита, отрегенерированного солями аммония (NH₄Cl или (NH₄)₂SO₄). Содержащийся в катионите ион аммония обменивается на катионы Са, Mg, и Na, присутствующие в природной воде, при этом протекают реакции:

2NH₄R + Ca(HCO₃)₂ → CaR₂ + 2NH₄HCO₃

2NH₄R + Mg(HCO₃)₂ → MgR₂ + 2NH₄HCO₃ (гидрокарбонат аммония)

2NH₄R + CaCl₂ → CaR₂ + 2NH₄Cl

2NH₄R + MgSO₄ → MgR₂ + (NH₄)₂SO₄

NH₄R + NaCl → NaR + NH₄

Как видно из реакций обмена в фильтрате образуются соли аммония, соответствующие имеющимся в воде анионам. NH₄ – катионированная вода умягчается, а ее щелочность такая же как у исходной воды. При нагревании воды в котле соли аммония разлагаются:

NH₄HCO₃ →(t) NH₃ + H₂O + CO₂

NH₄Cl →(t) NH₃ + HCl

(NH₄)₂SO₄→(t) 2NH₃ + H₂SO₄

Образующийся при разложении аммиак и углекислотная кислота уносятся паром, а в котловой воде остаются соляная и серная кислоты. Во избежание коррозии металла труб под действием кислот применение NH₄ – катионирования в энергетической практике всегда сочетается с Na – катионированием. В процессе Na – катионирования идет превращение гидрокарбоната Na в бикарбонат, который в котле разлагается с образованием соды и едкого натрия:

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O ₊ CO₂

H₂O + Na₂CO₃ →(t) 2NaOH + CO₂

Углекислота уносится паром, а Na₂CO₃ и NaOH нейтрализуют кислотность воды, появляющуюся при термическом разложении солей аммония. Чтобы предотвратить чрезмерное снижение щелочности котловой воды в сочетании NH₄ – катионирования с Na – катионированием осуществляют с расчетом получить в умягченной воде концентрацию ионов HCO₃^- на 0,3 – 0,7 мгэкв/л больше концентрации ионов аммония. Пар котлов питающихся NH₄, Na – катионированной водой всегда содержит большое количество аммиака. Учитывая это обстоятельство NH₄ – катионированной воды не следует применять, когда в тепловой схеме котельной установки имеются аппараты и детали из латуни или медных сплавов или когда пар используется для систем горячего водоснабжения или открытых систем теплоснабжения. На всех предприятиях, где в паре не должен содержаться аммиак от NH₄ – катионирования отказываются.