Міністерство освіти та науки України

Запорізька державна інженерна академія

Факультет ФБВР Кафедра ВП та ВВ

Курсовий проект

З дисципліни: Водопостачання промислових підприємств

Тема: Пом’якшення води методом іонного обміну

Виконав(ла):

«Зданий на перевірку»: ___________ ________________________ __________

«Допущений до захисту»: __________ ________________________ __________

______________ _______________________ ____________

Прийняв: голова комісії _______ _________________ _____________________

член комісії _______ _________________ ______________________

член комісії _______ _________________ ______________________

Запоріжжя

2014

ВСТУП

Забезпечення водою промислових підприємств являється однією з найважливіших завдань. В більшості випадків вода використовується у технологічних процесах виробництва. Вимоги до якості та кількості води, що подається, визначається характером технологічного процесу. Виконання цих вимог системою водопостачання забезпечує нормальну роботу підприємства та належну якість виробляємої продукції. Невиконання поставлених завдань може призвести не тільки до погіршення якості продукції та підняття ціни на виробництво, але й в більшості випадків до псування обладнання та неприпустимим аваріям.

1. ПЕРЕВІРКА АНАЛІЗУ ВИХІДНОЇ ВОДИ

До вихідних даних на проектування можна віднести загальну витрату води, що підлягає зм’якшенню, результати аналізу вихідної води і вимоги споживача до твердості.

Правильність аналізу визначається по сумі катіонів і аніонів вихідної води. Оскільки молекула будь-якої речовини електронейтральна, то ∑А = ∑К:

+ ++=+++ ;

де ,,і т.д. – еквіваленти відповідних іонів;

Підставивши вихідні дані, отримаємо:

+ ++=+++;

5,239+4,029+0,782+0,027 = 3,723+1,936+3,577+0,842;

10,077 = 10,077;

Визначаємо загальну твердість води:

Т = + =+=9,27 мг-екв/л;

Знаходимо карбонатну твердість:

= = =3,723 мг-екв/л;

Визначаємо не карбонатну твердість:

= Т – = 9,27 – 3,723 = 5,547 мг-екв/л;

Мінеральний залишок:

∑А + ∑К = 105+49+18+227,17+93+127+32 = 651,17мг/л;

Аналіз вихідної води виконаний правильно, тому складаємо зведену таблицю (табл. 1).

Таблиця 1. Зведена таблиця аналізу вихідної води

№	Показники по основних елементах	Одиниця	Кількість
1.	Зважені речовини	мг/л	18,0
2.	Сухий залишок	мг/л	716,84
3.	Мінеральний залишок	мг/л	716.0
4.	рН		7,5
5.	Вміст кисню	мг/л	55
6.	Лужність	мг-екв/л	2,5
7.	Твердість загальна	мг-екв/л	9,27
8.	Твердість карбонатнна	мг-екв/л	3.92
Катіони
9.	Кальцій	мг-екв/л	105
10.	Магній	мг-екв/л	49
11.	Натрій	мг-екв/л	18
12.	Залізо	мг-екв/л	0,5
Всього:			10,077
Аніони
13.	Бікарбонати	мг-екв/л	227,17
14.	Сульфати	мг-екв/л	93
15.	Хлориди	мг-екв/л	127
16.	Кремнекислота	мг-екв/л	32
Всього:			10,077

2. РОЗРАХУНОК НАПІРНИХ ФІЛЬТРІВ

На власні потреби установки, що проектується, передбачаємо додаткову витрату води у % від загальної витрати, який треба зм’якшити.

• на механічні фільтри – 8%;

• для першого ступеню фільтрів – 10%;

• для другого ступеню фільтрів – 2 %;

Усього: 20%. Тоді = 1,2*180 = 216 /год.;

Концентрація зважених речовин становить 12 мг/л. В цьому випадку треба передбачити споруди для прояснення води. Приймаємо одношарові вертикальні напірні фільтри з антрацитовим завантаженням з крупністю зерен 0,8…1,8 мм і висотою шару завантаження 1 м.

Загальна проща фільтрування з урахуванням власних потреб:

= = 216/8 = 27 ;

де – швидкість фільтрування при нормальному режимі, м/год.

Вибираємо фільтри діаметром 3 м і площею 7,1 . Тоді число фільтрів буде:

n = 27/7,1= 3,8 ≈ 4;

Витрата води на власні потреби: q = d*r*n/24;

де d – витрата води на одне промивання одного фільтра, ;

d = і*f*t*60/1000 = 12*7,1*15*60/1000 = 76,68 ≈ 77 ;

де і – інтенсивність промивання, л/(с*); і = 12 л/(с*);

f – площа фільтра; f = 7,1 ;

t – тривалість промивання; t = 15 хв.;

r – число промивань кожного фільтра; приймаємо r = 2;

q = 77*2*4/24 = 27,5/год.; 27,5*100/180 = 15,3%;

Як видно з розрахунків, витрата води на власні потреби фільтрів становить 15,3% замість 8%, прийнятих за вихідними даними. Тому при визначенні собівартості води будемо враховувати отримані дані.

Знаходимо швидкість фільтрування при нормальному і форсованому режимах:

= ;

= = 10,8 м/год. > 10 м/год.;

= == 16,2 м/год. > 12 м/год.;

Швидкості завищені, тому необхідно збільшити кількість фільтрів до 5:

= = 8,1 м/год.<10 м/год.;

= = 10,8 м/год.< 12 м/год.;

При визначенні собівартості води врахуємо отримані данні. Відповідно до розрахунку необхідно встановити 5 фільтрів діаметром 3 м.

3. РОЗРАХУНОК ВОДЕНЬНАТРІЙКАТІОНОВИХ ФІЛЬТРІВ

Так як необхідно знизити не тільки жорсткість, але й лужність, застосовується воденьнатрійкатіоновий метод пом’якшення. Співвідношення витрати води, яка подається на воденькатіонові та натрій катіонові фільтри (при послідовному воденьнатрійкатіонуванні) визначається за формулою:

= ;

де - корисна витрата води, що подається на воденьнатрійкатіонові фільтри,/год.;

–корисна продуктивність установки, /год.;

= 180/год.;

Визначаємо витрату води на натрій катіонові фільтри:

= = 180/год.;

де – корисна продуктивність натрійкатіонових фільтрів,/год.;

1. Розрахунок воденькатіонових фільтрів

Знаходимо необхідний об’єм катіоні та:

W = ;

де – концентрація у воді катіонів натрію, мг-екв/л;

–число регенерацій фільтрів на добу, приймаємо = 2;

–робоча обмінна ємність катіоніту:

= *– 0,5**;

де – коефіцієнт ефективності регенерації воденькатіоніту; приймаємо= 0,79;

–питома витрата води на відмивку катіоніту після регенерації; приймаємо = 4/;

–сумарний вміст у воді катіонів кальцію, магнію, натрію та калію, мг-екв/л;

= 0,78*600 – 0,5*4*10,05 = 447,9 г-екв/;

W == 48,47;

Приймаємо 4робочих фільтра (1 резервний) типу ФИПа – I – 3,0 – 0,6. Об’єм іоніту 1 фільтра: = 12,6; d = 3000 мм; площа S = 7,1; загальна висота= 4450 мм; висота шару іоніту= 1,8 м.

Фактична швидкість фільтрування:

• при нормальному режимі:

= 180 / (4*7,1) = 6,33 м/год. <15 м/год.;

• при форсованому режимі:

= 180 / (3*7,1) = 8,45 м/год. <25 м/год.;

2. Розрахунок витрати води на власні потреби воденькатіонових фільтрів

Втрата 100% сірчаної кислоти на регенерацію одного фільтра:

= = 7,1*1,8*447,9*90/1000 = 515 кг;

де – питома витрата сірчаної кислоти на регенерацію 1фільтра; приймаємо= 90 г/г-екв;

Знаходимо добову витрату кислоти для регенерації всіх фільтрів:

∑== 515*2*4*100/96 = 4291,66 кг/доб.;

де 96 – вміст кислоти в товарному продукті, %;

Регенерація воденькатіонових фільтрів здійснюється 1,0…1,5% сірчаною кислотою. Витрату води на приготування регенераційного розчину обчислюємо за формулою:

= = 515*100/1000*1,4 = 37;

де – вміст кислоти в регенераційному розчині, %;

Витрата води на розпушення одного фільтра:

= = 4*7,1*60*20/1000 = 34,08;

Витрата води на відмивання катіоніту одного фільтра від продуктів регенерації:

= **= 4*7,1*1,8 = 51,12;

Загальна додаткова витрата води за добу для регенерації воденькатіонових фільтрів:

= (++)**n = (51,12+34,08+37)*2*4 = 977,6/доб.

= 40,73 /год. = 22,63 %;

Для скорочення витрати води можна половину відмив очної води використовувати для розпушення, завантаження і готування регенераційного розчину. Тоді витрату додаткової води можна скоротити:

= (/2++)**n = (51,12/2+34,08+37)*2*4 =

773,12/доб. = 32,21/год. = 17,89 %;

3. Розрахунок натрійкатіонових фільтрів

Так як жорсткість води достатньо висока (Т = 9,27 мг-екв/л), а остаточна жорсткість повинна бути 0,013 мг-екв/л, приймаємо двоступеневу схему натрій катіонування.

1. Розрахунок натрійкатіонових фільтрів першого ступеня

Знаходимо необхідний об’єм катіоніту:

W = ;

де – витрата води на натрій катіонові фільтри першого ступеня (/год.) з урахуванням власної витрати при використанні 50% відмив очної води для першого ступеня фільтрів (15%).

= 180*1,16 = 208,8 /год.;

–загальна жорсткість вихідної води, г-екв/;

–робоча ємність катіоніту, г-екв/;

= **– 0,5**;

де – коефіцієнт ефективності регенерації в залежності від питомої витрати солі;= 0,74;

–коефіцієнт, який враховує зниження обмінної ємності катіоніту по таза рахунок вмісту;= 0,855;

–повна обмінна ємність катіоніту, г-екв/;

–питома витрата води на відмивку катіоніту; = 6/;

а – число регенерацій катіоніту на добу; а = 2;

= 0,74*0,855*600 – 0,5*6*9,27 = 351,81 г-екв/;

W = = 66,02;

Приймаємо 5 робочих фільтрів (1 резервний) типу ФИПа – I – 3,0 – 0,6. Об’єм іоніту 1 фільтра: = 12,6; d = 3000 мм; площа S = 7,1; загальна висота= 4450 мм; висота шару іоніту= 1,8 м.

Визначаємо швидкості фільтрування води:

• при нормальному режимі:

= /f*n = 208,8/7,1*5 = 5,88 м/год.;

• при форсованому режимі:

= /f*(n–1) = 208,8/7,1*(5-1) = 7,32 м/год.;

Необхідна кількість регенерацій:

а = = = 2,07 ~ 3;

2. Розрахунок витрати води на власні потреби натрійкатіонових фільтрів першого ступеня

Визначаємо витрату солі на одну регенерацію:

= = 351,81*7,1*1,8*150/1000 = 674,42 кг;

де – питома витрата солі на регенерацію, = 150 г/г-екв;

Знаходимо добову витрату технічної солі (93%) для регенерації всіх фільтрів:

∑= = 67,42*3*5*100/93 = 10877,74 кг/доб.;

де 93 – вміст NaClу технічній солі, %;

а – прийняте число регенерацій на добу, а = 2;

Процес регенерації складається з 3 операцій: розпушування, власне регенерація і відмивка. Загальна тривалість процесу регенерації (якщо катіонітом є сульфовугілля) складає 2 години.

Витрата води на розпушування 1 фільтру першого ступеня:

= і*f*60*/1000 = 4*7,1*60*20/1000 = 34,08;

де і – інтенсивність промивки катіоніту;

Об’єм води для приготування розчину солі, необхідного на одну регенерацію одного фільтру:

= *100/1000*ρ*b = 674,42*100/1000*1,042*6 = 10,79 ;

де ρ – щільність розчину;

b – концентрація розчину, %;

Визначаємо витрату води на відмивку катіоніту від продуктів регенерації:

= *f*= 6*7,1*1,8 = 576,68;

де – питома витрата на відмивку катіоніту,/;

Загальна витрата води на одну регенерацію:

• без використання відмив очної води:

∑= ++= 34,08 + 10,79 + 76,68 = 121,55;

• з використанням 50% відмив очної води на розпушення:

∑= 83,21 ;

Середня годинна витрата на власні потреби натрійкатіонових фільтрів першого ступеню без врахування відмивної води:

= ∑*а*n/24 = 121,55*3*5/24 = 75,97 = 42,21%;

З урахуванням відмив очної води:

= 83,21*3*5/24 = 52,01= 28,89%;

Таким чином, при визначенні собівартості очистки води необхідно прийняти витрату води на власні потреби натрійкатіонових фільтрів першого ступеню за розрахунком, який отримали.

Межрегенераційний період роботи фільтру потрібно встановлювати таким чином, щоб виключити співпадання промивок:

Т = 24/а – ∑= 24/3 – 2,27 = 5,73 год.;

∑= ++= 20+23+93 = 136 хв. = 2,27 год.;

де – час на розпушення,= 20 хв.;

–час пропускання розчину солі:

= *60/*f = 10,79*60/4*7,1 = 23хв.;

де – швидкість води при регенерації,= 4 м/год.;

–час на відмивку:

= *60/*f = 76,68*60/7*7,1 = 93 хв.;

де – швидкість води при відмивці;= 8 м/год.;

Кількість одночасних регенерацій по фільтрам першого ступеню:

П = n*а*∑/24 = 5*3*2,27/24 = 2,27;

П>1, отже, співпадання регенерацій немає.

3. Розрахунок натрійкатіонових фільтрів другого ступеня

При розрахунку слід виходити з того, що жорсткість води, яка надходить на фільтри другого ступеню, не повинна перевищувати 0,1 мг-екв/л.

Оскільки жорсткість вихідної води для фільтрів другого ступеню невелика (≥0,1 мг-екв/л), тривалість фільтроциклу приймається 120 ч.

Кількість регенерацій на добу:

= 24/120 = 0,2;

Фільтри другого ступеню розраховуються за об’ємом завантаження катіоніту:

= = 24*180*0,1/0,2*459 = 4,71;

Робочу ємність сульфовугілля приймаємо 250 г-екв/, витрата солі = 300 г/г-екв, = 0,9.

= **= 0,9*0,85*600 = 459 г-екв/;

Загальна площа фільтрування :

F = /= 4,71/1,5 = 3,14;

де – висота завантаження фільтрів другого ступеню;= 1,5 м.

Приймаємо 4 робочих фільтра (1 резервний) типу ФИПа – II – 1,0 – 0,6 – Na. Об’єм іоніту 1 фільтра: = 1,2; d = 1000 мм; площа S = 0,78; загальна висота= 2724 мм; висота шару іоніту= 1,5 м.