Учебное пособие 2122

УДК 628.1.032(07) ББК 38.761.1я7

Б303

Рецензенты: кафедра органической химии

Воронежского государственного университета; В.И. Акименко, начальник сантехнического отдела ОАО «Воронежпроект»

Бахметьева, Л.К.

Подготовка воды для технического водоснабжения промышлен- Б303 ных предприятий. Ионообменные методы умягчения воды : учеб.-

метод. пособие / Л.К. Бахметьева, А.В. Бахметьев, Д.Е. Белых ; Воронежский ГАСУ. – Воронеж, 2013. – 76 с.

Изложена информация о качестве и современных методах подготовки природных вод для промышленного использования. Приведены основные методы и примеры расчёта установок для умягчения и обессоливания воды.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по специальности «Водоснабжение и водоотведение», для изучения разделов водоснабжения и водоподготовки на промышленных предприятиях. Учебно-методическое пособие будет также полезно для инже- нерно-технических работников, связанных с разработкой или эксплуатацией сооружений очистки природных вод, и студентов специальности «Водоснабжение и водоотведение» направление подготовки 270100 «Строительство».

Ил. 17. Табл. 3. Библиогр.: 16 назв.

УДК 628.1.032(07) ББК 38.761.1я7

Печатается по решению научно-методического совета Воронежского ГАСУ

© Бахметьева Л.К., Бахметьев

ISBN 978-5-89040-453-4 А.В., Белых Д.Е., 2013

© Воронежский ГАСУ, 2013

2

2.Краткие сведения о показателях качества природной воды …………. 6

3.Технологические процессы улучшения качества технической воды .. 9

3.1.Осветление и обесцвечивание воды ……………………………... 9

3.2.Умягчение воды ……………………………………………………. 12

3.3.1.Метод ионного обмена………………………………………... 23

3.3.2.Многоступенчатая установка ………………………………... 25

3.3.3.Фильтры смешанного действия ……………………………... 25

4.1.Пример расчёта установки для умягчения воды ………………. 27

4.1.1.Общие вопросы проектирования установки ………………. 27

4.1.2.Определение производительности установки …………….. 28

4.1.3.Определение доз реагентов

4.1.7.Расчёт натрий – катионитовых фильтров II ступени …….. 32

4.1.8.Определение расхода поваренной соли для регенерации

Na – катионитовых фильтров II ступени ………………….. 35

4.1.9.Определение расходов воды на собственные нужды

Na-катионитовых фильтров II ступени …………………… 36

4.1.10.Расчёт Na – катионитовых фильтров I ступени ………….. 37

4.1.11.Определение расхода поваренной соли для регенерации

4.1.13.Расчёт солевого хозяйства …………………………………. 41

4.1.14.Определение объема бака для взрыхления катионита ….. 43

4.1.15.Определение гидравлических потерь напора в установках …... 43

4.1.16. Подбор насосов ……………………………………………… 44

4.1.17.Расчет дегазаторов …………………………………………... 45

4.1.18.Расчет Н – катионитовых фильтров ……………………….. 46

4.1.19.Определение расхода серной кислоты

для регенерации Н-катионитовых фильтров …………….. 48

4.1.20.Определение расходов воды на собственные нужды Н-катионитовых фильтров ………………………………….. 49

4.1.21.Расчет кислотного хозяйства ………………………………. 50

4.1.22.Определение потерь напора ………………………………... 51

4.1.23.Подбор насосов ………………………………………………. 51

4.1.24.Технологические и балансовые схемы ……………………. 51

4.2.Пример расчета установки для обессоливания воды ………….. 54

4.2.1.Выбор схемы водоподготовки ………………………………. 54

4.2.2.Определение дозы коагулянта

иизменения солевого состава после коагуляции …………. 55

4.2.3.Расчет анионитовых фильтров II ступени …………………. 57

4.2.4. Расчет водород-катионитовых фильтров II ступени ……… 59

4.2.5.Определение расходов реагентов и воды на собственные нужды катионитовых и анионитовых фильтров II ступени.. 61

4.2.6.Расчет анионитовых фильтров I ступени ………………….. 63

4.2.7.Расчет катионитовых фильтров I ступени …………………. 66

4.2.8. Расчет декарбонизатора ……………………………………… 69

4.2.9.Расчет механических напорных фильтров …………………. 70

4.2.10.Расчет оборудования коагуляционного хозяйства ………. 71

Заключение …………………………………………………………………… 74

Библиографический список ………………………………………………… 75

4

ВВЕДЕНИЕ

В учебно-методическом пособии изложена информация о качестве и современных методах подготовки природных вод для промышленного использования. Рассматриваются основные принципы проектирования сооружений для очистки воды, расходуемой на производственные нужды, краткие сведения о показателях качества воды, технологические процессы улучшения качества технической воды и примеры расчёта установок для умягчения и обессоливания воды. Пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по специальности «Водоснабжение и водоотведение», для изучения разделов водоснабжения и водоподготовки на промышленных предприятиях. Учебно-методическое пособие будет также полезно для инженерно-технических работников связанных с разработкой или эксплуатацией сооружений очистки природных вод и студентов специальности «Водоснабжение и водоотведение», направление подготовки 270100 «Строительство».

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ, РАСХОДУЕМОЙ НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ НУЖДЫ

Задачи расчёта и проектирования комплекса водоочистных сооружений промышленных предприятий включают:

а) выбор методов и технологической схемы очистки воды, определение состава сооружений, обеспечивающих необходимый эффект улучшения качества воды при минимальной величине приведенных затрат на строительство и эксплуатацию;

б) технологические и гидравлические расчёты элементов и узлов водоочистных сооружений;

в) проектирование комплекса водоочистных сооружений и конструирование их отдельных элементов;

г) определение основных экономических показателей сооружений.

Выбор технологической схемы и состава сооружений для осветления и кондиционирования воды должен производиться на основе анализа исходных данных, в которые входят показатели качества исходной воды, требования по допустимому содержанию примесей в обрабатываемой воде, полезная производительность сооружений по обработке воды.

Требования к воде, используемой на промышленных предприятиях с различными технологическими процессами, могут существенно отличаться друг от друга.

Втаких случаях исходная вода подвергается различным способам очистки

икондиционирования.

5

Иногда решение этой задачи достигается объединением нескольких потоков, наиболее близких друг к другу по качеству воды.

При отсутствии достаточных данных в задании на проектирование следует обратиться к специальной технической литературе, в которой описаны основные производственные процессы, указаны цели водопотребления, удельные расходы и требования к качеству используемой воды [9].

Выбор окончательной схемы водоподготовки должен обосновываться тех- нико-экономическим сравнением различных вариантов технического решения.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОКАЗАТЕЛЯХ КАЧЕСТВА ПРИРОДНОЙ ВОДЫ

Технология очистки воды в значительной степени определяется физикохимическими и биологическими показателями ее качества и требуемой степенью его улучшения.

Качественная и количественная характеристики содержащихся в воде примесей определяют возможность ее использования для хозяйственно-питьевых и производственных нужд, а также оптимальные методы ее кондиционирования.

Основными физическими показателями качества воды являются: температура, мутность (содержание взвешенных веществ), цветность, сухой и прокаленный остаток.

Температура воды t для производственных нужд определяется заданием на проектирование и зависит от характера технологического процесса.

Мутность М, определяемая сравнением мутности исследуемой воды с мутностью стандартных суспензий, характеризует содержание высокодисперсных взвешенных и коллоидных примесей. Содержание взвешенных веществ (ВВ) характеризует количество примесей минерального и органического происхождения, имеющих размер более 100 мкм. Допустимые величины мутности и содержание ВВ зависят от требований, предъявляемых к технической воде. Например, вода, используемая для охлаждения агрегатов или охлаждения продукции через стенку теплообменного аппарата, не должна содержать более 20—50 мг/л ВВ.

Цветность воды Ц обусловливается в основном наличием в ней коллоидально растворенных органических соединений, в частности гумусовых веществ, придающих воде желтый и бурый оттенки. Для большинства производственных процессов цветность воды не нормируется.

В некоторых случаях содержание органических примесей, обусловливающих цветность, ограничивается. В частности, при промывке пряжи должна использоваться вода с цветностью, не превышающей 20 град. Цветность воды, подвергающейся умягчению и обессоливанию на ионитовых фильтрах, не должна превышать 30 град. Еще более жесткие требования по этому показателю предъявляются к воде, расходуемой для подпитки паровых котлов высокого давления.

6

Сухой остаток (СО), получающийся при просушивании остатка пробы профильтрованной воды при 105° С, и прокаленный сухой остаток (ПСО), получающийся при прокаливании сухого остатка, ориентировочно характеризуют содержание растворенных минеральных веществ.

СО ориентировочно можно определить по формуле

где [Mem+] − концентрация каждого катиона (за исключением Fe), мг/л; [Арс ] − концентрация каждого из анионов (за исключением О и О ), мг/л; [ О ] концентрация бикарбонат-ионов, мг/л; [ О ] − концентрация кремнекислоты в

форме О , мг/л; [Fe] − суммарная концентрация ионов железа, мг/л; Соргпр — содержание органических примесей, мг/л.

ПСО определяется из выражения

Величины СО и ПСО, характеризующие общее солесодержание Р, нормируются для воды оборотных систем водоснабжения (не более 2000 мг/л), питательной и котловой воды парогенераторов, воды, используемой для изготовления

дорода H S, угольной кислоты Н2СО3, кремниевой кислоты Н2SiO3, окисляемость, щелочность, жесткость, активная реакция рН.

Повышенное содержание катионов щелочных металлов характерно для солоноватых и соленых вод. Удаление Na+ и K+ из природных вод применяется при получении воды, расходуемой на питание прямоточных парогенераторов докритического и закритического давления, промывку некоторых деталей радиотехнических и электронных приборов и в других технологических процессах.

Наличие в воде катионов Mg2+ и Са2+ придает ей жесткость и создает условия для отложения их солей на внутренней поверхности трубопроводов и аппаратов. Для очень многих производственных процессов содержание солей жесткости в используемой воде нормируется. Мягкая вода используется при получении искусственных волокон, кинопленки, синтетического каучука, пластмасс и др. Особенно строго регламентируется содержание солей жесткости в питательной воде парогенераторов. Так, для парогенераторов с давлением от 2,4 до 4,0 МПа жест-

7

кость питательной воды не должна превышать 0,003—0,005 мг-экв/л, для прямоточных парогенераторов − соответственно не более 0,0005 мг-экв/л.

Наличие в воде соединений железа и марганца даже в небольших количествах (>0,3 мг/л) придает воде неприятный вкус, цвет и может оказаться причиной обрастания аппаратуры и трубопроводов колониями железистых и марганцевых бактерий. Поэтому воды с повышенным содержанием Fe и Мn подвергаются обезжелезиванию и деманганации. В частности, вода, используемая при крашении тканей, не должна содержать железо в количестве, превышающем 0,1 мг/л, и марганца более 0,05 мг/л.

Для многих производственных процессов содержание в воде анионов С1- и SО обычно не регламентируется.

Практически полное удаление анионов из воды необходимо при использовании ее в качестве питательной для барабанных и прямоточных котлов с докритическим и закритическим давлением.

В воде, используемой для охлаждения оборудования и продукции в теплообменных аппаратах, содержание хлоридов в зависимости от температуры стенок аппаратов и оборудования не должно превышать 350 – 150 мг/л, содержание сульфатов – не более 500 – 250 мг/л.

Содержание соединений кремниевой кислоты Н2SiO3 регламентируется для питательной воды, парогенераторов давлением > 4 МПа и при промывке некоторых деталей радиоэлектронного производства.

Окисляемость воды обусловливается присутствием в ней органических веществ и некоторых легкоокисляющихся неорганических примесей (сульфитов, сероводорода, двухвалентного железа и др.).

Примеси органического происхождения могут явиться причиной интенсивного биологического обрастания охладительных градирен систем оборотного водоснабжения.

По рекомендациям водохозяйственных органов СЭВ [9] в этом случае перманганатная окисляемость не должна превышать 20 мг/л.

Показатель концентрации водородных ионов рН обусловливает интенсивность протекания физико-химических реакций при обработке воды и позволяет судить о характере ее воздействия на стенки трубопроводов и аппаратуры.

Упомянутыми ранее нормами СЭВ [9] для большинства производственных процессов рекомендуется рН технической воды поддерживать в пределах от 7,2 до

8,5.

Щелочность воды, обусловливаемая содержанием анионов слабых кислот (бикарбонатов О , карбонатов О , фосфатов, гуматов) и гидратов ОН−, является важным нормируемым для ряда технологических процессов показателем. Величина щелочности влияет также на процессы улучшения качества воды при коагулировании, известковании и др.

8

К биологическим загрязнениям, влияющим на качество воды, используемой для технического водоснабжения, относятся микроорганизмы, водоросли, водные растения и животные. Некоторые из них являются причиной обрастания внутренних поверхностей трубопроводов и аппаратов, другие своим присутствием в воде увеличивают общее содержание механических примесей. Поэтому иногда нормируются скорость развития биологических обрастаний, содержание биогенных элементов (Р и N), биохимическая потребность в кислороде и т. п.

Технологические показатели качества воды позволяют оценить эффективность использования основных методов улучшения ее качества. К ним, согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 для воды хозяйственно-питьевого назначения, относятся показатели осаждаемости взвеси, коагулируемости, обесцвечиваемости, относительной фильтруемости, хлорируемости и стабильности воды. Эти показатели и методика их определения распространяются и на воду, используемую для технических нужд предприятий.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДЫ

3.1. Осветление и обесцвечивание воды

Для глубокого осветления и обесцвечивания технической воды состав основных технологических сооружений рекомендуется принимать в соответствии с

[8, табл. 15].

В дополнение к данным таблицы следует отметить, что для производственных нужд целесообразно в ряде случаев расширить область применения напорных фильтров, позволяющих исключить строительство и эксплуатацию резервуаров фильтрованной воды и насосной станции II подъема, не ограничивая их использование максимальной суточной производительностью станции в 3000 м3. Они могут быть также использованы без применения коагулянта для частичного осветления природной воды, содержащей до 100 мг/л ВВ.

Расчёт скорых напорных фильтров производится так же, как и расчёт скорых открытых фильтров [8].

Наряду со скорыми напорными фильтрами для частичного осветления природной воды, содержащей до 50 мг/л ВВ, целесообразно применять высокопроизводительные фильтровальные станции со сверхскоростными фильтрами, позволяющими получить фильтрованную воду с содержанием ВВ в пределах 3 – 5 мг/л. Эти станции представляют собой батарею из 6−10 (оптимальное количество−8) напорных фильтров (рис. 1), работающих в режиме сверхскоростного фильтрования. Сущность режима состоит в пропуске воды с высокими, понижающимися в

.

9

10