9. Розрахунок іонообмінної установки.

До складу установок іонообмінного очищення входять зосереднювач стічних вод, відстійник, механічні фільтри, сорбційні фільтри, кат іонітові та аніонітові фільтри, вузол приготування регенераційних розчинів, ємності для збору знесоленої води, елюатів від регенерації іонітів та промивних вод, вузол знешкодження елюатів.

Склад системи іонообмінного очищення й знесолення стічних вод

залежить від призначення установки, складу й витрат стічних вод, вимог до якості очищеної води тощо.

Очищення й часткове знесолення слабкокислих або нейтральних стічних вод від іонів двох- і трьохвалентних металів за відсутності або малому вмісту або допустимій присутності в очищеній воді катіонів лужних металів, а також амонію, аніонів слабких кислот (карбонатів, силікатів, боратів) проводиться за одноступінчастою схемою шляхом послідовного фільтрування через катіоніт у водневій формі й слабкоосновний аніоніт у гідроксильній формі. (рис. 9.1, а)

Більш глибоке очищення стічних вод від аніонів слабких кислот (боратів, силікатів) дозволяє досягнути установка з одноступінчастим Н-катіонуванням і 2-ступінчастим аніонуванням (рис. 9.1, б). На першому ступені аніонування виконується з використанням слабкоосновних аніонітів, на другому ступені використовуються сильноосновні аніоніти.

За великого вмісту катіонів лужних металів і амонію, а також наявності іонів двох- і трьохвалентних металів доцільно застосовувати двохступінчасте Н-катіонування. (рис. 9.1, в)

Рис. 9.1. Схеми іонообмінних установок.

К_I, К_II − катіонітові фільтри I та II ступенів; А_I, А_II − аніонітові фільтри I та II ступенів; Д − декарбонізатор; ПБ − проміжний бак; М − механічний фільтр; С − сорбційний фільтр.

Якщо стічні води містять велику кількість солей вугільної кислоти, для запобігання швидкого виснаження ємності сильноосновних аніонітів другого ступеню аніонування з води, перед аніонітовими фільтрами встановлюють спеціальні дегазатори (декарбонізатори) з насадкою з кілець Рашига, дерев'яною хордовою насадкою або масообмінні апарати інших типів, в яких відбувається вилучення вуглекислоти (рис. 9.1, г−е).

У деяких випадках для стабілізації показника рН очищеної води або глибокого знесолення її й видалення аніонів слабких кислот замість аніонитових фільтрів другого ступеню або після них використовують фільтри мішаної дії (ФМД), що завантажуються сильнокислотними катіонитами й сильно основними аніонітами. (рис. 9.1, д−е).

Механічні фільтри включаються до складу іонообмінних установок у тому випадку, якщо вміст завислих речовин у вихідній воді перевищує 8 мг/л, а сорбційні фільтри – якщо величина ХСК перевищує 8 мг О/л. Їх встановлюють перед катіонітовими фільтрами першого ступеню. (рис. 9.1е).

Залежно від конкретних умов, можливі й інші компонування іонообмінних установок із включенням різної кількості ступенів катіонування й аніонування та можливим їх чергуванням.

У випадку присутності у воді декількох катіонів і аніонів системи розраховуються як однокомпонентні за іонами, які є лімітуючими або найгірше сорбуються. При цьому у розрахункові формули окремо підставляються концентрації суми катіонів і суми аніонів, а ємність іонітів приймається рівною ємності іонітів при сорбції лімітуючих іонів або іонів, які найгірше сорбуються, з індивідуальних розчинів.

У ряді випадків іонообмінні установки застосовуються спеціально з метою вилучення специфічних, окремих компонентів зі стічних вод.

З апаратів іонообмінного очищення найчастіше застосовується іонообмінні фільтри із щільним шаром іоніту, а також апарати з псевдозрідженим шаром, пульсаційні колони та намивні фільтри.

Розрахунки іонообмінних установок проводяться у наступній послідовності.

Спочатку визначають об’єм іоніту, м³:

(9.1),

де Е_роб − робоча обмінна ємність іоніту, г-екв/м³:

(9.2)

− добова продуктивність установки, м³/доб; − коефіцієнт витрат води на власні потреби установки; можна приймати =1,1÷1,35; та − відповідно концентрація суміші катіонів (аніонів) у оброблюваній та іонованій воді; n – кількість фільтроциклів на добу; та − відповідно робоча та повна обмінна ємність іоніту, г-екв/м³; − коефіцієнт ефективності регенерації; q – питома витрата проясненої води на регенерацію іоніту( для катіонітів = 4÷6 м³/м³, для аніонітів =3÷4 м³/м³) ; − заданий ступінь вичерпання ємності іоніту (для катіонітів можна приймати 0,5; для аніонітів – 0,8).

Значення коефіцієнту при регенерації Н- катіонітових фільтрів розчином сірчаної кислоти наведено у таблиці 9.1

Таблиця 9.1

Питома витрата у г/г-екв іонів, що поглинаються	40	50	60	70	80	90	100	125	150	175	200	250
Коефіцієнт ефективності регенерації	0,62	0,68	0,74	0,78	0,81	0,83	0,85	0,89	0,91	0,92	0,93	0,95

Далі, задаючись висотою шару іоніту Н^К ( 1,5÷2,5 м), знаходять сумарну площу катіонообмінних фільтрів, м²:

(9.3)

І приймають необхідну кількість робочих та резервних фільтрів за табл.3 Додатку (кількість катіонітових фільтрів треба приймати: робочих – не менш двох, резервний − один).

Потім визначають швидкість фільтрування, м/год:

− через катіонітовий фільтр:

(9.4)

− годинна продуктивність установки, м³/год.

− через аніонітовий фільтр:

(9.5)

Н^А − висота завантаження аніонітових фільтрів, м; [А] – вміст аніонів сильних кислот у вихідній воді, г-екв/м³; Т − тривалість роботи кожного фільтру між регенераціями, год.

Розрахункова площа аніонообмінних фільтрів, м² :

(9.6)

Тривалість роботи аніонітових фільтрів між регенераціями, год визначається за формулою:

(9.7),

де − тривалість розпушування аніоніту, год;− тривалість регенерації, год; − тривалість відмивання аніоніта після регенерації, год.

Для визначення тривалості роботи катіонітового фільтру може бути використана формула:

(9.8)

На другому етапі визначають витрати води на власні потреби установки:

− витрати води для приготування регенераційних розчинів, м³:

(9.9)

− сума катіонів у фільтраті аніонітових фільтрів, г-екв/м³; − питома витрата 100-ої кислоти, г/г-екв; − питома витрата лугу, %;

• на розпушення іонітового завантаження, м³:

(9.10)

− інтенсивність розпушування катіоніта (аніоніта) у л/(с·м²); − тривалість розпушування, зазвичай приймають 15-20хв;

• на відмивання іонітового завантаження від продуктів регенерації, м³:

(9.11)

− інтенсивність відмивання, яка дорівнює 3−5 м³ на 1м³ катіонітового (аніонітового) завантаження.

Сумарна витрата води на одну регенерацію, м³:

(9.12)

Витрати реагенту на регенерацію одного фільтра у одному циклі визначаються за формулою:

(9.13),

де q_r – питомі витрати кислоти або лугу, г-екв/г-екв сорбованих іонів; W – об’єм катіоніту (аніоніту), м³.

Приклад 9.Розрахувати установку для глибокого іонообмінного знесолення води, що складається з катіонообмінних та аніонообмінних фільтрів.

Вихідні дані:Продуктивність установки = 100 м³/год; сума катіонів у вихідній воді =8,5 г-екв/м³; сума аніонів у вихідній воді =7,5 г-екв/м³; повна обмінна ємність катіоніту =1000 г-екв/м³; повна обмінна ємність аніоніту = 1200 г-екв/м³; коефіцієнт ефективності регенерації : катіоніту − 0,85, аніоніту − 0,90; кількість фільтроциклів за добу n=0,5; тривалість розпушування аніоніту =0,25 год; тривалість регенерації =1,5 год; тривалість відмивання аніоніту, =3 год.

Розв'язок:

Згідно з наведеними вище рекомендаціями приймаємо питомі витрати проясненої води на регенерацію іонітів:.

− катіоніту 5 м³/м³,

− аніоніту 4 м³/м³.

Робоча обмінна ємність катіоніту , згідно з формулою(9.2):

Аналогічно робоча обмінна ємність аніоніту:

Приймаємо коефіцієнт витрат води на власні потреби установки =1,2.

За формулою (9.1) визначаємо:

− об’єм катіоніту:

− об’єм аніоніту :

Приймаємо висота шару іоніту 2,5 м.

Розрахункова площа катіонообмінних фільтрів за формулою (9.3):

За таблицею 3 Додатку приймаємо 3 робочі та 1резервний фільтри діаметром 3,4 м.

Сумарна площа працюючих фільтрів: 27,3м² .

Швидкість фільтрування через катіонітовий фільтр знаходимо за формулою (9.4):

Тривалість роботи кожного фільтру між регенераціями визначаємо за формулою (9.7) :

Швидкість фільтрування через аніонітовий фільтр, згідно з формулою(9.5):

Розрахункова площа аніонообмінних фільтрів, згідно з формулою (9.6):

За таблицею 3 Додатку приймаємо 2 робочі та 1резервний фільтри : діаметром 3,4 м.

Сумарна площа працюючих фільтрів: 18,2м².

Література.

1. Рыжков С.С., Литвак С.М., Ильин С.Ф. Проектирование сооружений очистки сточных вод. ч.1 и 2. - Николаев, УГМТУ, 1995г.

2. Рижков С.С., Харитонов Ю.М., Благодатний В.В. Апарати для очищення повітря від забруднень. – Миколаїв: УДМТУ, 2002 – 36с.

3. Благодатний В.В., Магась Н.І. Методичні вказівки до виконання практичних робіт з дисципліни «Методи та засоби очищення повітря та води від забруднень» .− Миколаїв: НУК,2011− 56с.

4. Родионов А.И., Кузнецов Ю.П., Соловьёв Г.С. Защита биосферы от промышленных выбросов. – М., Химия, КолосС, 2007 – 392с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. – М: Химия, 1991 – 496с.

6. Тимонин А.С. Инженерно – экологический справочник. Т 1,2 – Калуга: Издательство Н.Бочкарёвой, 2003.

7. Машины и аппараты химических производств. – Л., Машиностроение, 1982 – 384с.

8. Швыдкий В.С., Ладыгичев М.Г.Очистка газов – М.: Теплоэнергетик, 2002 – 640с.

9. Проектирование сооружений для очистки сточных вод. – М., Стройиздат, 1990 – 192с.

10. Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии - М: ООО ИД «Альянс», 2007- 576с.

11. Шалугін В.С., Шмандій В.М. Процеси і апарати промислових технологій. – К: Центр учбової літератури, 2008 – 392с.

12. Апостолюк С. О. та ін. Практикум з промислової екології. – К : Основа,2005 – 222 с.

13. Запольський А.К. Водопостачання, водовідведення та якість води. – К.: Вища шк.., 2005. – 671 с.

14. КожиновВ.Ф. Очистка питьевой и технической воды Примеры и расчеты - М, Стройиздат, 1971-304с.

15. Кузнецов И.Е. и др., Оборудование для санитарной очистки газов. - К., Техніка, 1989, 304с.

ДОДАТОК

Таблиця 1