2.2.1 Розрахунок Na-катіонітових фільтрів
Розрахунок зводиться до визначення загальної площі і числа фільтрів, необхідних для пом’якшення заданої кількості води при даній твердості.
Загальну площу робочих Na-катіонітових фільтрів встановлюємо по формулі:
де Qдоб – корисна продуктивність фільтрів, м3/доб;
vрозр – розрахункова швидкість фільтрування, м/год;
Т – число годин роботи на добу;
n – кількість регенерацій на добу;
τрозпуш. – термін розпушування (зазвичай 0,25 год.);
τреген. – термін регенерації, год;
τвідм. – термін відмивки катіоніта, год.
Розрахункову швидкість фільтрування встановлюють по формулі:
де Тмр – термін міжрегенераційного періоду роботи фільтра в год;
Тзаг. - загальна твердість води для пом’якшення, г-екв/м3;
Н - висота шару загрузки катіоніта в фільтрі, м;
Ероб. - робоча обмінна здатність катіоніту, г-екв/м3;
d80 - 80%-ий діаметр зерен катіоніту (звичайно d80=0,8÷1,2 мм).
Докладніше розрахунки катіонітових фільтрів приведені в методичних вказівках для курсового проектування [9].
2.3 Знесолення води
Зниження солевмісту води до придатності споживання для питних цілей називають опрісненням. Знесоленням називають зменшення солевмісту до декількох міліграмів солей на 1 л води. Воно може бути досягнуте дистиляцією в випарниках, іонним обміном і електродіалізом.
Знесолення води іонним обміном здійснюється фільтруванням через Н-катіоніти та аніоніти. Аніоніти, які застосовують при знесоленні води, розділяють на слабоосновні і сильно основні. Одноступенева схема, складається із Н-катіонітового фільтра і слабоосновного аніоніта знижує вміст солей з 100-300 до 2-10 мг/дм3.
Двохступенева Н-катіонітова установка з сильноосновним аніонітовим фільтром знижує солевміст до 1-3 мг/дм3.
Повне знесолення води може бути досягнуте на трьохступеневій іонітній установці (з 100-500 до 0,05-0,1 мг/дм3).
При електродіалізі застосовують селективні іонообмінні мембрани. Якщо по обидва боки мембрани розташувати електроди, на які подається постійний струм, мембрана проводить струм одного знаку. Катіонітова мембрана пропускає позитивно заряджені іони, а аніонітові – негативно. Очищаєму воду розділяють катіонітовими і аніонітовими мембранами (концентруючі і знесолюючі чарунки установки ЭДУ).
Фільтруванням через спеціальні наполовину проникні мембрани досягають опріснення і знесолення за рахунок оборотного осмосу („гіперфільтрація”). При цьому тиск фільтрування мусить бути більшим осмотичного (для води океану з солевмістом 35 г/дм3 осмотичний тиск 24 кгс/дм3). Технологія знесолення детально описана в спеціальній літературі [2, с.399-414; 10].
Тести /модуль 2/
1. Зм’якшення – це видалення з води катіонів:
а) кальцію;
б) магнію;
в) калію;
г) натрію;
д) марганцю.
2. Для зм’якшення застосовують такі способи:
а) безреагентний
б) реагентний
в) термохімічний
г) катіонітовий
д) аніонітовий
3. При реагентному методі катіони кальцію та магнію
а) переходять на кварцовий пісок завдяки адгезійним силам
б) затримуються катіонітом
в) випаровується вода, а катіони залишаються в апараті
г) зв'язуються хімічними речовинами в малорозчинні
д) зв'язуються хімічними речовинами в малорозчинні з попереднім підігрівом води
4. При термохімічному способі катіони кальцію та магнію
а) переходять на кварцовий пісок завдяки адгезійним силам
б) затримуються катіонітом
в) випаровується вода, а катіони залишаються в апараті
г) зв'язуються хімічними речовинами в малорозчинні
д) зв'язуються хімічними речовинами в малорозчинні з попереднім підігрівом води
5. При катіонному способі катіони кальцію та магнію
а) переходять на кварцовий пісок завдяки адгезійним силам
б) затримуються катіонітом
в) випаровується вода, а катіони залишаються в апараті
г) зв'язуються хімічними речовинами в малорозчинні
д) зв'язуються хімічними речовинами в малорозчинні з попереднім підігрівом води
6. Реагентний спосіб зм'якшення поділяється на
а) вапняний
б) содовий
в) їдконатрієвий
г) фосфатний
д) солянокислий
7. Реагентний спосіб зм'якшення використовується
а) для часткового зм'якшення поверхневих вод
б) глибокого зм'якшення невеликої кількості підземної води
в) глибокого зм'якшення великої кількості води для котелень
г) глибокого зм'якшення води для питних цілей
д) часткового зм'якшення води для котелень
8. Термохімічний спосіб зм'якшення використовується
а) для часткового зм’якшення поверхневих вод
б) глибокого зм'якшення невеликої кількості підземної води
в) глибокого зм'якшення великої кількості води для котелень
г) глибокого зм'якшення води для питних цілей
д) часткового зм'якшення води для котелень
9. Катіонітовий спосіб зм'якшення використовується
а) для часткового зм'якшення поверхневих вод
б) глибокого зм'якшення невеликої кількості підземної води
в) глибокого зм'якшення великої кількості води для котелень
г) глибокого зм'якшення води для питних цілей
д) часткового зм'якшення води для котелень
10. При реагентному способі зм'якшення води використовуються такі споруди
а) спірактор
б) прояснювач із шаром завислого осаду
в) прояснювальні фільтри
г) натрій-катіонітові фільтри
д) водень-катіонітові фільтри
11. При катіонітовому способі зм'якшення води використовуються такі споруди
а) спірактор
б) прояснювач із шаром завислого осаду
в) прояснювальні фільтри
г) натрій-катіонітові фільтри
д) водень-катіонітові фільтри
12. Для інтенсифікації процесу зм'якшення при реагентному способі додатково вводять
а) залізний купорос
б) мідний купорос
в) сірчанокислий алюміній
г) гіпохлорит натрію
д) активовану кремнійкислоту
13. В залежності від того, яким катіоном заряджений катіоніт існує
а) натрій катіонування
б) водень катіонування
в) магній катіонування
г) кальцій катіонування
д) залізо катіонування
14. Після водень-катіонітових фільтрів встановлюються
а) дегазатори
б) флотатори
в) біопоглиначі
г) відстійники
д) озонатори
15. При водень-катіонуванні
а) зникає природна лужність
б) з'являється вільна вуглекислота
в) знижується рН
г) збільшується рН
д) збільшується природна лужність
16. В якості катіоніта використовується
а) сульфовугілля
б) активоване вугілля АГ-3
в) катіоніт КУ-2
г) керамзит
д) аглопорит
17. Технологічною характеристикою катіоніта є
а) повна обмінна ємність
б) робоча обмінна ємність
в) повний об'єм
г) робочий об'єм
д) загальна обмінна ємність
18. Робоча обмінна ємність катіоніта в порівнянні з повною
а) більша
б) менша
в) дорівнює
г) еквівалентна
д) аналогічна
19. При відновленні обмінної ємності катіонітових фільтрів виконують такі операції
а) розпушують, регенерують, відмивають
б) розпушують, регенерують
в) регенерують, відмивають
г) розпушують, відмивають
д) тільки регенерують
20. Водень - катіонітові фільтри регенерують
а) сірчаною кислотою
б) щавлевою кислотою
в) кремнієвою кислотою
г) кухонною сіллю
д) бертолетовою сіллю
21. Натрій - катіонітові фільтри регенерують
а) сірчаною кислотою
б) щавлевою кислотою
в) кремнієвою кислотою
г) кухонною сіллю
д) бертолетовою сіллю
22. В катіонітових фільтрах висота шару катіоніту
а) 1-2 м
б) 2-2,5 м
в) 0,5-1 м
г) 3-3,5 м
д) 0,6-0,8 м
23. Питомі витрати солі на регенерацію катіонітових фільтрів залежать
а) від жорсткості вихідної води
б) від потрібної жорсткості фільтру
в) від продуктивності фільтрів
г) від типу катіоніту
д) від типу фільтрів
24. Для отримання води необхідної жорсткості І лужності використовується
а) паралельне водень-натрій катіонування
б) послідовне водень-натрій катіонування
в) двоступеневе натрій-катіонування
г) двоступеневе водень-катіонування
д) водень-катіонування без дегазатора
25. Об'єм катіоніта в катіонітових фільтрах залежить від
а) витрат зм'якшеної води
б) загальної жорсткості вихідної води
в) робочої обмінної ємності катіоні та
г) кількості регенерацій
д) швидкості фільтрування
26. Знесолення – це
а) видалення з води солей
б) видалення катіонів кальцію
в) видалення катіонів калію
г) видалення тільки сульфатаніонів
д) видалення тільки хлораніонів
27. При знесоленні із зміною агрегатного стану використовуються такі способи
а) термічне випаровування
б) вакуумне випаровування
в) іонний обмін
г) електродіаліз
д) гіперфільтрація
28. При знесоленні іонним обміном основними фільтрами є
а) катіонітові
б) аніонітові
в) адгезійні
г) сорбційні
д) прояснювальні
29. В одноступеневій установці іонітового знеслоєння вода проходить фільтри в такій послідовності
а) воденькатіонітовий, аніонітовий, натрійкатіонітовий
б) аніонітовий, воденькатіонітовий
в) натрійкатіонітовий, воденькатіонітовий, аніонітовий
г) прояснювальний, аніонітовий, воденькатіонітовий
д) аніонітовий, променювальний, натрійкатіоиітовий
30. Аніонітами можуть бути
а) сульфовугілля
б) активоване вугілля
в) синтетичний аніоніт АН-1
г) синтетичний аніоніт ЕДЕ-10П
д) керамзит
31. Аніоніти поділяються на
а) слабкоосновні
б) сильносновні
в) слабокислі
г) сильнокислі
д) лужні
32. Слабкоосновні аніоніти обмінюють свої аніони на
а) аніони сильних кислот
б) аніони слабих кислот
в) аніони гідроксидної групи
г) катіони кальцію
д) катіони магнію
33. Сильноосновні аніоніти обмінюють свої аніони на
а) аніони сильних кислот
б) аніони слабих кислот
в) аніони гідроксидної групи
г) катіони кальцію
д) катіони магнію
34. Аніонітові фільтри регенеруються
а) їдким натрієм
б) кальцинованою содою
в) бікарбонатом натрію
г) кухонною сіллю
д) сірчаною кислотою
35. При відновленні обмінної ємності аніонітових фільтрів виконують такі операції
а) розпушують, регенерують, відмивають
б) розпушують, регенерують
в) регенерують, відмивають
г) розпушують, відмивают
д) тільки регенерують
36. Висота шару аніоніту в аніонітових фільтрах приймається
а) 1.5 м
б) 2-2.5 м
в) 0.5-1 м
г) 2.5-3 м
д) 0.6-0.8 м
37. Одноступенева установка іонітового знесолення забезпечує
а) повне знесолення
б) часткове знесолення
в) часткове зм'якшення
г) повне зм'якшення
д) знекремнення
38. Потрібна площа аніонітових фільтрів визначається в залежності від
а) продуктивності фільтрів
б) кількості регенерацій на добу
в) тривалості роботи фільтра між регенераціями
г) швидкості фільтрування
д) товщини шару аніоніту
39. Багатоступенева установка іонітового знесолення забезпечує
а) повне знесолення
б) часткове знесолення
в) часткове зм'якшення
г) повне зм'якшення
д) знекремнення
40. В установку іонітового повного знесолення входять фільтри
а) три ступені водень-катіонітових
б) три ступені натрій-катіонітових
в) аніонітові тільки з слабкоосновним аніонітовим
г) аніонітові тільки з сильноосновним аніонітом
д) аніонітові з сильно- та слабкоосновними аніонітами
41. Дистиляція використовується для
а) повного знесолення
б) зм'якшення води
в) дезодорації води
г) знезалізнення води
д) знефторення води
42. Знесолення дистиляцією проводиться в
а) випаровувачах
б) прояснювальних фільтрах
в) електродіалізаторах
г) реакторах
д) радіаторних градирнях
43. У випаровувачах утворюється
а) пара з низьким вмістом солей
б) конденсат із значним вмістом солей
в) конденсат із незначним вмістом солей
г) пара із великим вмістом солей
д) гаряча вода
44. У випаровувачах підігрів води проходить
а) первинною парою
б) електропідігрівом
в) газом
г) вугіллям
д) вторинною парою від попередньої ступені
45. Одноступеневі установки для дистиляції
а) для малої продуктивності
б) для великої продуктивності
в) зменшують витрати енергії
г) збільшують витрати енергії
д) збільшують сумарну площу нагріву
46. Багатоступеневі установки для дистиляції
а) для малої продуктивності
б) для великої продуктивності
в) зменшують витрати енергії
г) збільшують витрати енергії
д) збільшують сумарну площу нагріву
47. В багатокамерному електродіалізаторі знаходяться
а) катод
б) анод
в) тільки катіонітова діафрагма
г) тільки аніонітова діафрагма
д) аніонітова і катіонітова діафрагми
48. В електродіалізаторі розподіл катіонів та аніонів проходить під дією
а) постійного електричного струму
б) перемінного електричного струму
в) ультрафіолетового опромінення
г) магнітної обробки в електромагнітів
д) магнітної обробки від постійних магнітів
49. Під дією електричного струму в електродіалізаторі
а) катіони проходять через одну діафрагму
б) аніони проходять через іншу діафрагму
в) катіони і аніони осідають на дні
г) катіони послідовно проходять через дві різні діафрагми
д) аніони послідовно проходять через дві різні діафрагми
50. Гіперфільтрація передбачає фільтрування
а) із малими швидкостями через плівку на дні
б) із великими швидкостями через плівку на піску
в) через спеціальні напівпроникні мембрани
г) через катіонітові та аніонітові мембрани
д) через пінополістирол
Модуль 3 Водопостачання металургійних підприємств
Металургійні підприємства мають різну специфіку в залежності від продукції, яку вони випускають: чавун, сталь, феросплави, алюміній, титан і т.п. Найбільш значущою, вагомою продукцією являється продукція чорної металургії.
Процеси одержання чорних металів грунтуються з добутку сировини і палива, виплавки чавуну і сталі, переробки її в прокатні вироби. Вода використовується для охолодження металургійних печей, конденсації пару, в якості поглинаючого і транспортуючого середовища, в процесах збагачення сировини і палива, а також для видалення окалини від прокатних цехів, для очистки та охолодження газів і других цілей.
На рудниках вода витрачається на мокре буріння буровими станками і перфораторами, знепилення забоїв та бункерів, поливку відвалів.
На фабриках збагачення корисних копален виконується дроблення, промивка, збагачення і обезводнення руд. Збагачення проводиться різними методами: гравітацією, сепарацією, флотацією і т.ін.
На агломераційних фабриках, а також на фабриках окусковання руди і виробництва окатишів виконується спікання шихти. Вода при цьому використовується для зволоження шихти та охолодження горнів, підшипників механізмів, а також на очистку газів, знепилення повітря, мийку підлог.
На коксохімічних заводах вода витрачається на мийку вугілля, транспорт шламів, для тушіння розжареного коксу, уловлення хімічних сполук.
Металургійні підприємства чорної металургії складаються з трьох основних цехів: доменного, сталеплавильного і прокатного. Крім цього, їх супроводжують допоміжні великі енергетичні господарства – повітродувки, киснева станція, установка по очистці і використанню доменного газу, велике водне господарство.
В доменному цеху плавиться чавун із шихти, яка складається із агломерата, руди, вапна і коксу, в великих шахтних печах на основі безперервного процесу. Вапно являється флюсом, який сприяє заплавленню пустої породи руди. Для інтенсифікації горіння в доменну піч подається повітря, кисень, природних газ. Чавун і шлак випускаються із доменних печей в ковші, а потім із них чавун розливається в вигляді чушок або переплавляється в сталь. Шлак подається на грануляціонну установку і використовується в будівництві. Крім чавуну і шлаку із доменних печей виходить газ, який використовується як паливо на цьому ж заводі.
Доменна піч представляє собою (рис.3.1) шахту в вигляді стального кожуха з внутрішньою кладкою із вогнетривкої цегли. Шихта, яка загружається зверху поступово опускається по шахті до самої широкої її частини (розпару), де під впливом температури горіння коксу і природного газу починають утворюватись краплі чавуну і шлаку, які збираються в металоприйомнику. Вода використовується для зволоження шихти, охолодження доменної печі, грануляції шлаку, охолодження чавуну на розливочних машинах і в підбункерних приміщеннях.
Рисунок 3.1 – Доменна піч
А – шахта; Б – розпар: В – заплечики; Г – гори;
Д – фурми; Е – металоприйомник.
Значну кількість води використовують для очистки доменного газу. Вона використовується для поглинання механічних домішок газу (колошниковий попіл), як розчинник газів (СО2, SO2, SO3, NO, NH3), охолоджувачем доменного газу, а також середовищем для транспортування поглинених із нього домішок. Звичайно для цього влаштовується локальна оборотна система водопостачання (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 – Локальна оборотна система водопостачання газоочисток
Із газоочисток 1 відпрацьована вода з температурою 45-70°С і вмістом завислих речовин 1500-1800мг/дм3 поступає в радіальні відстійники 2, де кількість завислих речовин знижується до 80-150мг/дм3. З відстійників вода поступає в камеру гарячої води а до насосів 3. Ці насоси подають воду на градирні 4 для її охолодження до температури 28-35°С і по лінії 5 знову подаються на газоочистки 1. А другі шламові насоси 6 по шламопроводу 7 подають шлами на установку обезводнення 8 або по лінії 9 в шламонакопичувачі. Залізовміщуючі шлами з установки 8 направляються на утилізацію на рудний двір аглофабрики, для підшихтовки замість залізної руди. Підпиток води в оборотну систему подається по лінії 11 в камеру охолодження води б.
В сталеплавильних цехах виплавка сталі із чавуну проводиться конверторним, мартеновським або електросталеплавильним способом. Крім чавуну добавляється скрап, металевий лом, марганець, доломіт, ферросплави.
В прокатних цехах стальні зливки прокатують в метал самого різного профілю. Зливки перед прокаткою нагрівають в спеціальних печах або колодязях.
Випарне охолодження металургійних печей все ширше впроваджується в практику виробництва металу.
При випарному охолодженні металургійних печей тепло від нагрітих елементів відводиться водою, нагрітою до утворення пароводяної емульсії. При цьому використовується скрита теплота пароутворення, а саме тепло переводу води в пар (539 ккал/кг). Витрати води при випарному охолодженні дорівнюють:
W = Q / ([539+(t2-t1)c] 103) ,
де 539 – скрита теплота пароутворення, ккал/кг;
t1 - температура води, що поступає на холодильники, приймається приблизно 97°С;
t2 - температура пароводяної емульсії, що відходить від холодильників (приблизно 105°С).
При випарному охолодженні 1 кг води, випаровуючись, відбирає в деталі, що охолоджується 539 ккал тепла. При цьому, вода, що надходить в систему, нагріваючись до кипіння, відбирає ще біля 70 ккал. Щоб відібрать таку ж кількість тепла при водяному охолодженні (при підвищенні температури води, що охолоджується на 10°С) потреба в воді дорівнює (539+70)/1060 кг води, тобто в 60 раз більше, чим при випарному охолодженні.
Більш прийнятною схемою водяного низькотемпературного охолодження є оборотна, що дозволяє різко скоротити забір свіжої і скидання відпрацьованої води. Оборотна схема є основною схемою сучасного водяного охолодження з перспективою виходу на безстічні, замкнуті системи водопостачання. При цьому різко підвищується роль кондиціонування, підготовки оборотної води для повторного і багаторазового використання і запобігання виходу систем охолодження з ладу.
На рис.3.3-3.7 наведено приклади балансових схем водопостачання та водовідведення комбінату „Запоріжсталь”, заводу “Дніпроспецсталь” та Запорізького промвузла з виходом на варіанти безстічності і замкнутості водопостачання.
Рисунок 3.3 – Балансова схема водоспоживання та водовідведення
комбінату “Запоріжсталь”
Рисунок 3.4 –Замкнута система водоспоживання Запорізького промислового вузла з
продувками та виведенням солей на термознесолення
Рисунок 3.5 - Замкнута система водоспоживання заводу “Дніпроспецсталь” з продувками та
виведенням солей на термознесолення
Рисунок 3.6 – Балансова схема замкнутого водопостачання заводу “Дніпроспецсталь”
при безпродувочному режимі роботи
Рисунок 3.7 – Балансова схема водопостачання та водовідведення
Запорізького промвузла при замкнутому безпродувочному режимі роботи