Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Ивановский Государственный энергетический университет

им. В.И. Ленина”

Кафедра ххтэ

Контрольная работа

“Химические и термические

методы обработки воды”

Вариант 2

Выполнил:

Студент гр. 4-75

Беляев А.Н.

Иваново 2016.

ЧАСТЬ 1.

1. Какое основное оборудование устанавливается на современных тепловых и электрических станциях, работающих на органическом топливе, и их характеристики?

Основными ТЭС на органическом топливе являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конденсационные (КЭС), вырабатывающие только электрическую энергию, и теплофикационные (ТЭЦ), предназначенные для выработки электрической и тепловой энергии.

Основными тепловыми агрегатами паротурбинной ТЭС являются паровой котел и паровая турбина. На КЭС устанавливают преимущественно по одному котлу на турбину. Котел с турбоагрегатом образуют отдельную часть – моноблок электростанции. Для турбин мощностью 150 – 200 мВт требуются котлы производительностью соответственно 500 – 3600 т/ч пара. На современных КЭС и агрегатами единичной мощности 200 мВт и выше применяют промежуточный перегрев пара (он увеличивает КПД турбины).

Конденсатным насосом конденсат перекачивается через подогреватели низкого давления в деаэратор. Из деаэратора вода питательным насосом через подогреватели высокого давления подается в паровой котел.

В число устройств и механизмов, обеспечивающих работу парового котла, входят:

• топливноподготовительные устройства;

• питательные насосы;

• дутьевые вентиляторы;

• дымососы и другое вспомогательное оборудование.

Современная мощная турбинная установка – это сложное техническое сооружение, в котором все рабочие процессы полностью механизированы и автоматизированы; для повышения надежности работы ее оснащают автоматической защитой от аварий.

Пространственный вид (разрез) главного корпуса электростанции и связанных с ним устройств: I — котельное отделение; II — машинное отделение (машинный зал); III — береговая водонасосная установка; 1 — угольный склад; 2 — дробильная установка; 3 — водяной экономайзер; 4 — пароперегреватель; 5 — паровой котёл; 6 — топочная камера; 7 — пылеугольные горелки; 8 — паропровод от котла к турбине; 9 — барабанно-шаровая угольная мельница; 10 — бункер угольной пыли; 11 — бункер сырого угля; 12 — щит управления блоком электростанции; 13 — деаэратор; 14 — паровая турбина; 15 — электрический генератор; 16 — электрический повысительный трансформатор; 17 — паровые конденсаторы; 18 — трубопроводы охлаждающей воды; 19 — конденсатные насосы; 20 — регенеративные подогреватели низкого давления; 21 — питательный насос; 22 — регенеративные подогреватели высокого давления; 23 — дутьевой вентилятор; 24 — золоуловитель; 25 — шлак, зола; ЭЭ — электрическая энергия.

2. Укажите качественное различие между истинно растворенными, коллоидными и грубодисперсными веществами. Какие ионы характеризуют состав природной воды?

По степени дисперсности примеси природных вод могут быть разделены на грубодисперсные, коллоидно-дисперсные и истинно-растворенные.

Грубодисперсные примеси (ГДП) представляют собой агломераты с размером частиц более 10 нм. Они образуют с водой гетерогенную систему.

Сравнительно большая масса отдельных частиц таких примесей позволяет им заметно проявлять себя в поле сил тяжести, т.е. дисперсная система. ГДП в воде обладает малой идиментационной устойчивостью. ГДП распределяются в массе воды механически и практически не способны к диффузии. В зависимости от значения (где и – соответственно плотность частицы и воды) они могут подразделяться на тонущие (), взвешенные () и всплывающие (). Система «ГДП – вода» может образовывать эмульсию, если ГДП – жидкость, или суспензию, если примесь – твердое тело. Следует подчеркнуть, что в нижней границе дисперсного спектра (ближе к 100 нм) ГДП выделяются из воды с большим трудом и могут пребывать в ней значительное время, обусловливая мутность воды. Именно из-за наличия в воде таких примесей пользуются выражением: взвешенные вещества. ГДП обычно состоят из глинистых веществ, песка и органических веществ.

Коллоидно-дисперсные примеси также образуют с водой гетерогенную систему. Коллоидные частицы имеют весьма малые размеры (от 1 до 100 нм) и поэтому не меряют способность к диффузии и обладают весьма развитой удельной поверхностью.

Коллоидные примеси в природной воде обладают очень большой идиментационной, а также агрегативной устойчивостью. Коллоидные частицы невидимы даже при самом большом увеличении в биологическом микроскопе. В природных водах в коллоидном состоянии обычно находятся различные формы кремниевой кислоты, соединения алюминия и железа, а также различные органические вещества.

Истинно-растворенные примеси представлены в воде в виде отдельных ионов, молекул или комплексов, состоящих из нескольких молекул. Частицы таких примесей имеют размер менее 1 нм. Т.к. такие примеси не имеют поверхности раздела, то вместе с водой они составляют гомогенную систему.

Ионный состав примесей воды характеризуется присутствием в ней соответствующих катионов и анионов:

Группа	Катионы	Анионы	Концентрация, мг/кг
1			От единиц до десятков тысяч
2			От десятков долей до единиц
3			Меньше десятых долей

3. Приведите классификацию коррозии по формам проявления с указанием видов оборудования, которое она поражает.

Коррозия металлов – процесс самопроизвольного разрушения металлов или сплавов при их физико-химическом взаимодействии с окружающей средой. Первопричиной коррозии металлов является их термодинамическая неустойчивость в различных, в т.ч. водных, средах. В процессе коррозии металлы переходят в оксиды, являющиеся термодинамически более устойчивыми по сравнению с чистыми металлами.

По внешним признакам различают общую и местную коррозию. Общая коррозия носит равномерный характер. Местная коррозия приводит к разрушению металла на отдельных участках. Среди видов местной коррозии различают:

• язвенную (питтинговую) коррозию;

• коррозию пятнами;

• точечную;

• межкристаллитную;

• интеркристаллитную;

• коррозионное растрескивание;

• щелевую коррозию;

• контактную;

• подшламовую и др.

Язвенная коррозия характеризуется повреждениями металла на глубину, соизмеримую с диаметром локального участка. При язвенной коррозии теплоноситель обогащается продуктами коррозии незначительно, но при этом существует значительная опасность разгерметизации оборудования, т.к. язвы могут развиваться до сквозных поражений. Кроме того, язвы могут быть концентраторами напряжений столь существенных, что они превысят предел текучести.

В результате коррозии под напряжением в металле могут появляться трещины. Если трещины пересекают тело зерен в металле, то коррозию называют интеркристаллитной, а если трещины проходят по границе зерен – межкристаллитной.

Подшламовая коррозия интенсифицируется при сохранении и на поверхности металла иона , действующего как переносчик кислорода. Кроме того, при данной коррозии возможно глубокое упаривание воды в толще шлама с концентрированием в нем примесей, интенсифицирующих коррозию. Аналогичное упаривание воды в щелях вызывает щелевую коррозию. Коррозия под напряжением протекает при одновременном воздействии на металл механических напряжений и коррозионной среды.

Химическая коррозия стали под воздействием чисто горячей воды (более 400 – 500 ºС) или пара протекает по следующей суммарной реакции:

Примером химической коррозии является пароводяная коррозия пароперегревателей и парогенераторных труб под слоем отложений. Сюда же относится и язвенная – локальная коррозия под слоем окислов железа, протекающая по реакции:

Электрохимическая коррозия металлов в водной среде наблюдается при наличии деполяризаторов:

• кислорода;

• ионов водорода и др.

Суммарная реакция коррозии железа с кислородной деполяризацией:

При достаточно большой концентрации кислорода и щелочной реакции:

На энергообъектах приходится встречаться и с другими, более редкими видами коррозии:

• нитритная коррозия, поражающая парогенерирующие трубы паровых котлов при наличии в котловой воде иона ;

• аммиачная коррозия, которой подвергаются медные сплавы, преимущественно латунные трубки конденсаторов и подогревателей;

• гальваническая коррозия в местах контакта воды и металлов с различными электрическими потенциалами, например, , омываемых водой с большой концентрацией ионови;

• межкристаллитная коррозия стали – образование трещин между зернами металла, наблюдается в элементах котлов, где имеются высокие механические напряжения, а так же неплотности, в которых могут концентрироваться примеси котловой воды с достижением в сухом остатке едкого пара более 20 % при давлении в котле свыше 1 – 1,3 МПа.

4. Как изменяется растворимость газов в воде с повышением температуры и понижением давления? Как эти факторы использованы в установках для дегазации воды?

Основным способом удаления из воды растворенных газов является термическая деаэрация, проводимая при различных физических условиях: при давлении 0,0075 – 0,05 МПа, т.е. при разрежении, и температуре 40 – 80 ºС; при атмосферном давлении 0,12 МПа и t = 103 – 107 ºC; при повышенном давлении 0,6; 0,7 и 0,8 МПа и t = 158 – 170 ºС.

Удаление ипри термической деаэрации происходит в результате снижения растворимости этих газов до нуля при кипении воды.

Одновременно с удалением и свободнойпри кипении воды происходит частичный распад бикарбонатов и карбонатов натрия с выделением и уносом паром освобождающийся:

Для ускорения извлечения из воды растворенных газов, кроме доведения ее до температуры кипения, необходимо создание большой поверхности раздела вода – газ. При этом сокращается время, необходимое для выделения из воды пузырьков газов и уноса их паром.

При термической деаэрации кислород удаляется из воды быстрее и полнее, чем , которая более растворима в воде и способна образовывать с водой угольную кислоту:

С повышением температуры распад наускоряется.

Аммиак из деаэрированной воды удаляется лишь на 10 – 20 %, т.к. обычно он связан с углекислотой в менее летучие соединения: и.

Для удаления иследует незамедлительно отводить выделявшиеся газы от деаэрированной воды, для чего необходимо быстро удалять пар в количестве 1,5 – 2 кг на 1 т деаэрируемой воды из верхней части колонки деаэратора.

5. При каких условиях образуются кальциевые и магниевые отложения? напишите химические реакции их образования.

Условия образования:

1. термический распад бикарбонатов кальция и магния:

в результате которого бикарбонаты кальция и магния преобразуются в менее растворимые карбонаты кальция и магния;

2. гидролиз карбоната магния, в результате которого последний переводится в еще менее растворимую гидроокись магния:

3. реакции взаимного обмена, в результате которых образуются соли с меньшей растворимостью:

6. Какие соли выносятся в паровой тракт за счет избирательного и капельного уносов? Какой унос преобладает при средних, высоких и сверхвысоких давлениях?

В паровой тракт выносятся: , кремнекислые соединения, а такжеи др.

При средних давлениях преимущественно имеет место капельный унос, а с ростом давления унос становится избирательным. Избирательный унос становится заметным при давлении 7,0 МПа и более. Растворимость веществ в паре увеличивается с ростом давления.

Зависимость коэффициента выноса различных солей от давления пара.

1 – ; 2 –; 3 –; 4 –; 5 –.

7. Дайте характеристику испарителям поверхностного типа.

При работе такого испарителя к нему непрерывно подводятся пар и вода, подлежащая обработке (обессоливанию). Чтобы исключить возможность образования накипи на поверхностях греющих элементов испарителя, поступающая в испаритель вода должна быть умягчена. Обычно в испарителях такого типа пресная вода умягчается одним из следующих методов:

1. 2-х ступенчатое - катионирование с предварительным известкованием и коагуляцией;

2. - катионирование;

3. - катионирование.

Испаритель обогревается отработавшим в турбине паром, проходящим в межтрубном пространстве. Испаряемая предварительно умягченная вода проходит внутри труб.

Схема простейшей испарительной установки.

1 – корпус испарителя; 2 – подвод первичного пара; 3 – греющая секция; 4 – отвод вторичного пара; 5 – конденсатор; 6 – отвод дистиллята; 7 – подвод питательной воды; 8 – продувка; 9 – опорожнение; 10 – отвод конденсата первичного пара.

8. Дайте характеристику одно- и двухкамерных осветлительных фильтров.

Однокамерный осветлительный фильтр.

На рисунке показана конструкция однопоточного вертикального осветлительного фильтра. Корпус такого фильтра представляет собой стальной цилиндр со штампованными сферическими днищами, рассчитанный на давление 6 тс/см². В верхнюю часть фильтра выведена труба 1 с воронкой 8 для подвода и распределения по площади фильтра фильтруемой воды и труба 9 для отвода воздуха.

В цилиндрической части корпуса имеются люки 10 и 11 для осмотра и ремонта фильтра и для выгрузки фильтрующего материала. Нижнее днище заполнено бетоном 4 для создания горизонтальной плоскости, на которой располагается дренажное устройство 5, предназначенное для равномерного распределения воды по площади фильтра, отвода 2 осветленной воды из-под фильтрующего слоя и предотвращения выноса из фильтра вместе с осветленной водой зерен фильтрующего материала 7. Над дренажным устройством установлено аналогичное распределительное устройство 6 для сжатого воздуха. Через задвижку 3 подается вода для взрыхляющей промывки фильтрующего слоя.

Дренажное устройство является весьма важным элементом осветлительного фильтра. Наиболее широкое распространение получили колпачковые дренажные устройства, в которых на ниппели стальных распределительных труб навинчивают щелевые дренажные колпачки, имеющие различные конструкции.

Двухкамерный осветлительный фильтр.

Двухкамерные фильтры разделены на две камеры плоскими промежуточными днищами, рассчитанными из условия возможного перепада давлений в соседних камерах, равного 1 тс/см². Плоские днища имеют анкерные трубы для обеспечения необходимой жесткости. В этих трубах в верхних зонах камер имеются щели для выравнивания давления в камерах фильтров. На верхнем сферическом днище установлен вантуз для автоматического удаления воздуха из фильтра.

Преимуществом двух- и трехкамерных фильтров по сравнению с однокамерными является то, что они при одном и том же диаметре имеют вдвое и втрое большую производительность, что создает возможность лучшего использования площади пола и кубатуры помещения водоподготовительной установки. Кроме того, благодаря меньшему количеству сферических днищ камерные фильтры получаются легче, чем два – три одиночных фильтра той же суммарной производительности.

9. Опишите факторы, влияющие на процесс известкования воды.

Технологический процесс известкования воды широко применяется на ТЭС для вод со щелочностью, превышающей 1,5 мг-экв/кг. Наряду с благоприятным изменением основных показателей качества обработанной воды, приводящим к экономии кислоты и щелочи при последующем химическом обессоливании известковой воды, следует отметить, что при известковании примеси переходят в сбросные воды в виде твердой фазы, что упрощает их переработку при создании бессточных схем, а содержащиеся в продувочных водах щелочные компоненты – карбонат кальция и гидрооксид магния – могут быть использованы для нейтрализации кислых стоков.

Характеристика и результаты эксплуатационной обработки воды методами осаждения:

Характеристика и результаты процесса	Известкование – коагуляция	Коагуляция в осветлителе
Реагенты		ПАА
Температура, ºС	35 – 40	25 – 30
Состав шлама
Снижение перманганатной окисляемости, %	50 – 60	50 – 75
Остаточная концентрация ГПД, мг-экв/кг	Менее 10	Менее 10
pH	9,5 – 10,0	6,8 – 7,5
Углекислота свободная, мг/л	Удаляется полностью	Возрастает на Дк·44 (Дк – доза коагулянта)
Ион , мг-экв/кг	Титрованием не обнаруживается	Уменьшается на Дк
Ион , мг-экв/кг	0,4 – 0,7	–
Ион , мг-экв/кг	0,05 – 0,3	–
Щелочность общая, мг-экв/кг	0,8 – 1,2	Снижается на Дк
Жесткость некарбонатная, мк-экв/кг	Увеличивается на Дк	Увеличивается на Дк
Жесткость общая, мг-экв/кг		Не изменяется
Кремниевая кислота, мг/л	Снижается на 50 %	Снижается на 20 – 50 %
Сульфаты, мг-экв/кг	Увеличивается на Дк	Увеличивается на Дк

10. Какие процессы лежат в основе умягчения воды методом ионного обмена? Охарактеризуйте сущность - и-катионирования воды.

Обработка воды методом ионного обмена основана на пропуске исходной или частично обработанной воды через фильтрующий слой ионообменного материала, практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами. Чтобы получить нужную ионную форму ионита, проводят регенерацию.

Катиониты при регенерации их растворами образуют соответственно натриевую, водородную или аммонийную формы, которые условно можно обозначить следующим образом:.

При пропуске обрабатываемой воды, содержащей катионы и, через отрегенерированный катионит протекают реакции обмена ионовина ионыили, содержащиеся в катионите, этот процесс называется катионированием.

Аниониты, отрегенерированные щелочью, образуют гидроксильную форму, условно обозначенную . Если через отрегенерированный анионит пропускать раствор кислоты, например, произойдет реакция обмена анионов (анионирование) и осуществится взаимная нейтрализация ионов(кислоты) и ионов, вытесненных анионами из анионита. По своей химической природе все катиониты являются кислотами, все аниониты – основаниями.

-катионирование. Этот метод обработки воды основан на пропуске обрабатываемой воды через -форму катионита, для чего предварительно катионит регенерируется поваренной солью (). При-катионировании воды протекают следующие реакции:

где - солевые формы катионита. Как видно из приведенных реакций, из обрабатываемой воды удаляются катионыи, а в обрабатываемую воду поступают ионы, анионный состав воды при этом не меняется.

-катионирование. Метод основан на пропуске обрабатываемой воды через катионит, отрегенерированный кислотой. В процессе фильтрования катионы, содержащиеся в обрабатываемой воде, обмениваются на ионы водорода, содержащиеся в катионите, при этом протекают следующие реакции:

Также протекает процесс вытеснения из катионита ранее поглощенных ионов ионамии, вследствие чего катионит по ионамистощается быстрее, чем по ионамии, которые являясь двухвалентными, сорбируются катионитом лучше. Из-за неодинаковой сорбируемости ионов различной природы их «проскок» в фильтрат происходит неодновременно.

11. Какими показателями характеризуются физико-химические свойства анионитных материалов?

Аниониты содержат следующие химически активные функциональные группы: первичные (), вторичные (), третичные () аминогруппы и четвертичные аммониевые группы (). Введение перечисленных активных групп в синтетические смолы сообщает последним характер оснований. Первичные, вторичные и третичные аминогруппы обладают слабоосновными свойствами, а четвертичные аммониевые группы – сильноосновными свойствами. В зависимости от химического состава аниониты делятся на:

1. слабоосновные, содержащие вторичные и третичные аминогруппы;

2. сильноосновные, содержащие четвертичные аммониевые группы.

Первые способны к обмену анионов только в кислой среде, вторые – в кислой, нейтральной и щелочной средах.

При погружении анионита в воду происходит диссоциация его с образованием вокруг нерастворимого в воде ядра ионной атмосферы, состоящей из подвижных анионов и, способных обмениваться на другие анионы.

Основным качественным показателем анионитов является рабочая обменная емкость. Обменная емкость анионита тем больше, чем ниже величина pH, т.е. чем выше кислотность фильтруемой воды.

Показатели качества анионитов:

Наименование марки анионита	Страна изготовитель	Функциональная группа	Диаметр зерна, мм	Насыпная плотность, т/м3			Коэффициент набухания		Обменная емкость, г-экв/м3				Допустимая температура, ºС
				сухого	влажного	по			по	по
АН – 2Ф	СССР		0,3 – 1,50	0,60	0,35	1,72		450		675	–	40
АН – 18	СССР		0,3 – 1,60	0,68	0,49	1,39		880		1045	–	40
Амберлайт IR – 4B	США	–	0,3 – 0,85	0,57	0,40	1,42		1140		1780	–	40
Вофатит М	ГДР	–	0,3 – 2,00	0,66	0,46	1,43		340		480	–	–
ЭДЭ – 10П	СССР		0,4 – 1,60	0,60	0,45	1,71		800		1200	30	40
АВ – 17	СССР		0,2 – 0,85	0,74	0,39	1,90		–		–	420	60
Амберлайт IRA – 400	США		0,3 – 0,85	0,71	0,45	1,58		800		–	400	50
Амберлайт IRA – 410	США		0,3 – 0,85	0,75	0,46	1,63		1050		–	300	50

12. Опишите рациональные очистки воды, предназначенные для питания испарителей.

В целях предотвращения отложения накипи на поверхности нагрева и снижения производительности испарителей последние необходимо питать водой с жесткостью, не превышающей 30 мкг-экв/кг, а при солесодержании исходных вод свыше 200 мг/кг – с жесткостью, не превышающей 75 мкг-экв/кг. Чтобы питательная вода отвечала указанным нормам, необходимо исходную воду подвергать осветлению, умягчению и термической деаэрации. Как показывают эксплуатационные данные, при питании испарителей водой, умягченной методами осаждения, продолжительность рабочей кампании их составляет 200 – 2500 ч, а при питании катионированной водой – 10 тыс. часов и больше.

Чтобы снизить расход тепла и уменьшить производительность водоподготовительной установки, для питания испарителей используется низкокачественный производственный конденсат, а также продувочная вода парогенераторов. При этом вода, попадая в пространство с более низким давлением, частично испаряется без затраты на это тепла греющего пара.

В испарителях, питаемых -катионированной водой, происходит термический распад бикарбоната натрия с образованием корозионноагрессивной углекислоты. В целях предотвращения углекислотной коррозии тракта питательной воды и снижения содержания окисловв дистилляте испарителей необходимо осуществлять непрерывный отвод неконденсирующихся газов из пароохладительной продувки дистиллята – паром. Это дает возможность получить дистиллят с остаточным содержанием углекислоты 1 – 2 мг/кг независимо от первоначального количества ее во вторичном паре испарителя. Предотвращение углекислотной коррозии можно также достигнуть применением обработки питательной воды испарителей по схеме-катионирования с декарбонизацией.

Для обеспечения надлежащей чистоты вторичного пара и, соответственно, высокого качества приготовляемого дистиллята необходимо поддерживать с помощью регуляторов питания требуемую высоту парового пространства, а также с помощью непрерывной продувки обеспечивать эксплуатационные нормы солесодержания и щелочности конденсата. При давлении вторичного пара выше 7 кгс/см² и солесодержании концентрата свыше 50 г/кг при любом давлении вторичного пара следует применять фосфатирование концентрата с поддержанием избытка фосфата в пределах 5 – 7 мг/кг.

Эксплуатационные нормы качества концентрата испарителей и паропреобразователей должны быть установлены на основе индивидуальных теплохимических испытаний с учетом требований, предъявляемых к качеству дистиллята испарителей и вторичного пара паропреобразователей.

13. В чем сущность рекарбонизации охлаждающей воды?

Одна из основных задач при эксплуатации систем охлаждения воды состоит в предотвращении образования отложений накипи в теплообменных аппаратах. Образование накипи в этих системах обусловлено распадом бикарбоната кальция, т.е. карбонатной жесткости охлаждающей воды. Карбонат кальция – малорастворимое соединение, образующее на поверхности нагрева или охлаждения теплосилового оборудования накипь. Основная причина, вызывающая распад бикарбоната кальция – недостаток растворенной в воде углекислоты.

Чтобы предотвратить распад бикарбоната кальция необходимо поддерживать в воде минимальную концентрацию растворенной углекислоты, т.е. равновесную концентрацию.

На ТЭС недостаток диоксида углерода в охлаждающей воде может быть восполнен обработкой воды дымовыми газами, содержащими .

При использовании для рекарбонизации дымовых газов, содержащих , необходимо уменьшить расчетную карбонатную жесткость, т.к. 31 гснижает карбонатную жесткость 1 т воды на 1 мг-экв.

Для рекарбонизации охлаждающей воды используют схему, включающую скуббер – аппарат, в котором вода насыщается углекислотой.