Контрольная работа - Водоподготовка. Выбор схемы обработки воды для водогрейной котельной

Подождите немного. Документ загружается.

АНОО «Нижегородский колледж теплоснабжения

и автоматизированных систем управления»

Контрольная работа

по теме: «Водоподготовка. Выбор схемы обработки

воды для водогрейной котельной»

Выполнил:

Студент группы Тз-5

Хрялова С.А.

Проверил:

Гордеев А.В.

Н.Новгород

2010

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................3

1. Состав природной воды.....................................................................................3

2. Показатели качества воды................................................................................3

3. Обработка воды для водогрейных котлов.......................................................5

3.1. Удаление механических примесей с помощью фильтров.............................5

3.2. Удаление железа из воды.................................................................................6

3.3. Умягчение воды методом ионного обмена......................................................8

4. Расчет и подбор основного оборудования химводоочистки........................10

Список использованных источников........................................................................14

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

Введение

Надежная и экономичная работа котельной установки в значительной

степени зависит от качества воды, применяемой для питания котлов.

Источниками водоснабжения для питания котлов могут служить пруды,

реки, озера (поверхностный водозабор), а также грунтовые или артезианские

воды, городской или поселковый водопровод. Природные воды, обычно содержат

примеси в виде растворенных солей, коллоидные и механические примеси,

поэтому непригодны для питания котлов без предварительной очистки.

1. Состав природной воды

Твердые вещества, содержащиеся в воде, разделяют на механически

взвешенные примеси, состоящие из минеральных и иногда органических частиц,

коллоидно-растворенные вещества и истинно растворенные вещества.

Количество вещества, растворенного в единице раствора (воде), определяет

концентрацию раствора и обычно выражается в миллиграммах на килограмм

раствора (мг/кг).

Вода, как и всякая жидкость, может растворять только определенное

количество того или иного вещества, образуя при этом насыщенный раствор, а

избыточное количество вещества остается в нерастворенном состоянии и

выпадает в осадок.

Различают вещества, хорошо и плохо растворимые в воде. К веществам,

хорошо растворимым в воде, относят хлориды (соли хлористоводородной

кислоты) СаС

, МgС

, КаС

, к плохо растворимым — сульфиды (соли серной

кислоты) СаSО

, МgSО

, N

и силикаты (соли кремниевой кислоты) СаSiO

МgSiO

. Присутствие сульфидов и силикатов в воде приводит к образованию

твердой накипи на поверхности нагрева котлов.

Растворимость веществ зависит от температуры жидкости, в которой они

растворяются. Различают вещества, у которых растворимость увеличивается с

ростом температуры, например СаС

, МgС

, Мg(NO

)

, Са(NO

)

, и у которых

уменьшается, например СаSО

, СаSiO

, МgSiO

2. Показатели качества воды

Качество воды характеризуется прозрачностью (содержанием взвешенных

веществ), сухим остатком, жесткостью, щелочностью, окисляемостью.

Сухой остаток содержит общее количество растворенных в воде

веществ: кальция, магния, натрия, аммония, железа, алюминия и др., которые

остаются после выпаривания воды и высушивания остатка при 110°С. Сухой

остаток выражают в миллиграммах на килограмм или в микрограммах на

килограмм.

Жесткость воды характеризуется суммарным содержанием в воде солей

кальция и магния, являющихся накипеобразователями. Различают жесткость

общую, временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную).

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

Общая жесткость представляет собой сумму величин временной и

постоянной жесткости и характеризуется суммой содержания в воде кальциевых и

магниевых солей: сернокислых (СаSО

и МgSО

), хлористых (СаС

и МgС

азотнокислых (Са(NО

)

и Мg(NО

)

), кремнекислых (СаSiO

и МgSiO

фосфорнокислых (Са

(РО

)

и Мg(РО

)

), двууглекислых (Са(НСО

)

и Мg(НСО

)

Временная жесткость характеризуется содержанием в воде бикарбонатов

кальция и магния Са(НСО

)

и Мg(НСО

)

. Постоянная жесткость обусловливается

содержанием указанных выше солей кальция и магния, за исключением

двууглекислых.

Для определения величины жесткости в настоящее время установлена

единица показателя жесткости — миллиграмм-эквивалент на 1 кг раствора (мг-

экв/кг) или микрограмм-эквивалент на 1 кг раствора (мкг-экв/кг); 1 мг-экв/кг

жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/кг иона кальция Са

или 12,16 мг/кг

иона магния Мg

2 +

Щелочность воды характеризуется содержанием в ней щелочных

соединений. Сюда относят гидраты, например NаОН — едкий натр, карбонаты

Nа

СО

— кальцинированная сода, бикарбонаты NаНСО

, Na

РО

и др. Величина

щелочности воды равна суммарной концентрации в ней гидроксильных,

карбонатных, бикарбонатных, фосфатных и других анионов слабых кислот,

выраженной в эквивалентных единицах (мг-экв/кг или мкг-экв/кг). В зависимости от

преобладающего наличия в воде анионов тех или иных солей различают

щелочность: гидратную (концентрация в воде гидроксильных анионов ОН),

карбонатную (концентрация карбонатных анионов CO3²¯) и бикарбонатную

(концентрация бикарбонатных анионов НСОз³¯.).

Окисляемость воды характеризуется наличием в воде кислорода и

двуокиси углерода, выраженных в миллиграммах или микрограммах на

килограмм.

Таблица 1. – Химический состав воды р.Ока при отборе пробы в г.Рязань.

Взвешенные вещества,мг/кг

Сухой остаток, мг/кг

Щелочность, мг-экв/кг

Жесткость

, мг-экв/кг

Содержание катионов и анионов в воде, мг/кг

карбонатная

общая

HCO

SlО

144 480 5,15 5,15 8,08 92 19 33,5 - 314 62 24 - 10

Вода, подготовленная для питания котельной установки, не должна давать

отложений шлама и накипи, разъедать стенки котла и его вспомогательные

поверхности нагрева, а также вспениваться.

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

3. Обработка воды для водогрейных котлов

Исходными данными для выбора оборудования предварительной

водоочистки является:

- максимальный часовой и суточный объем подпиточной воды;

- режим подпитки (непрерывный/разовый);

- химический анализ исходной воды и источник водоснабжения;

- нормы качества подпиточной воды котлов (в зависимости от конструкции

и рабочего давления).

Обработка воды для водогрейных котлов включает в себя следующие

основные этапы:

- удаление взвешенных частиц;

- удаление железа;

- умягчение, предотвращение накипеобразования;

- предотвращение коррозии (удаление кислорода и углекислого газа из

питающей воды с помощью деаэраторов различных конструкций. Применение

деаэратора позволяет существенно снизить содержание свободного кислорода

(до 0,02 мг/кг), остальное же количество должно связываться химическим

способом).

3.1. Удаление механических примесей с помощью фильтров

Для удаления осаждаемых (песок, окислы железа, соли CaCO

и другие

тяжелые частицы) и взвешенных частиц (мелкая глина, грязь и органические

вещества) используются механические фильтры различных конструкций.

При незначительных механических загрязнениях (до 5,0 мг/кг), можно

устанавливать компактные фильтры картриджного типа (сменные или

промывные), основные достоинства которых - малые габариты, высокие скорость

и глубина фильтрации.

При содержании в воде взвешенных частиц более 15 мг/л, целесообразно

осуществлять фильтрацию на напорных фильтрах с комбинированным слоем

(песок + антрацит).

Отфильтрованные частицы, по мере необходимости, удаляются из слоя

противоточной промывкой.

В наиболее сложных ситуациях, при наличии коллоидных примесей

применяют коагуляцию (объединение мелких частиц дисперсных систем в более

крупные под влиянием сил сцепления, ведет к выпадению из коллоидного

раствора хлопьевидного осадка или к застудневанию) и флокуляцию с

последующим отстоем и фильтрацией на напорных фильтрах.

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

3.2. Удаление железа из воды

Удаление из воды железа - одна из самых сложных задач в водоочистке. На

данный момент не существует универсального экономически оправданного

метода, применимого во всех случаях жизни. Каждый из существующих методов

применим только в определенных пределах и имеет как достоинства, так и

существенные недостатки.

- Окисление кислородом воздуха или аэрацией, хлором, перманганатом

калия, перекисью водорода, озоном с последующим осаждением (с коагуляцией

или без нее) и фильтрацией является традиционным методом, применяемым уже

много десятилетий.

Так как реакция окисления железа требует довольно длительного времени,

то использование для окисления только воздуха требует больших резервуаров, в

которых можно обеспечить нужное время контакта. Добавление же специальных

окислителей ускоряет процесс. Наиболее широко применяется хлорирование, так

как параллельно позволяет решать проблему с дезинфекцией. Наиболее

передовым и сильным окислителем на сегодняшний день является озон. Однако

установки для его производства довольно сложны, дороги и требуют

значительных затрат электроэнергии, что ограничивает его применение.

Частицы окисленного железа имеют достаточно малый размер (1-3 мкм) и

поэтому осаждаются достаточно долго, поэтому применяют специальные

химические вещества - коагулянты, способствующие укрупнению частиц и их

ускоренному осаждению.

Недостатком метода окисления является невозможность удаления из воды

органического железа, также наличие в воде железа часто сопровождается

наличием марганца. Марганец окисляется гораздо труднее, чем железо и, кроме

того, при значительно более высоких уровнях рН. Все вышеперечисленные

недостатки сделали невозможным применение этого метода в сравнительно

небольших бытовых и коммерческо-промышленных системах, работающих на

больших скоростях.

- Каталитическое окисление с последующей фильтрацией - наиболее

распространенный на сегодняшний день метод удаления железа, применяемый в

высокопроизводительных компактных системах. Суть метода заключается в том,

что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной

фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора. Наибольшее

распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на

основе диоксида марганца (MnO2). Железо и в меньшей степени марганец в

присутствии диоксида марганца быстро окисляются и оседают на поверхности

гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа

вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой

гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой.

Все системы на основе каталитического окисления с помощью диоксида

марганца имеют ряд общих недостатков: неэффективны в отношении

органического железа, не справляются при содержании железа в воде более 10-

15 мг/кг.

- Ионный обмен как метод обработки воды применяется в основном для

умягчения воды. С точки зрения удаления из воды железа важен тот факт, что

катиониты способны удалять из воды не только ионы кальция и магния, но и

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

другие двухвалентные металлы, а значит и растворенное двухвалентное железо.

Достоинством данного метода является его эффективность в отношении

марганца. Однако на практике возможность применения катионообменных смол

по железу сильно затруднена по следующими причинами: применение

катионообменных смол экономически выгодно только в районах с повышенной

жесткостью воды с целью параллельного умягчения, наличие в воде

трехвалентного железа "забивает" смолу и очень плохо из нее вымывается, а

высокая концентрация в воде железа повышает вероятность образования

трехвалентного железа и гораздо быстрее истощает ионообменную ёмкость

смолы, органические вещества в воде приводит "зарастанию" смолы органической

пленкой, которая одновременно служит питательной средой для бактерий.

Тем не менее, именно применение ионообменных смол представляется

наиболее перспективным направлением в деле борьбы с железом и марганцем в

воде. Задача заключается в том, чтобы подобрать такую комбинацию

ионообменных смол, которая была бы эффективна в достаточно широких

пределах параметров качества воды.

- Мембранные методы пока не входят в число стандартных методов

борьбы с присутствием в воде железа. Основное назначение мембранных систем

- удаление бактерий, простейших и вирусов ("холодная стерилизация"), частичное

или глубокое обессоливание, подготовка высококачественной питьевой воды. Тем

не менее, микрофильтрационные мембраны пригодны для удаления уже

окисленного трехвалентного железа, ультрафильтрационные и

нанофильтрационные мембраны также способны удалять коллоидное и

бактериальное железо, а обратноосмотические мембраны удаляют даже

растворенное органическое и неорганическое железо.

Практическое же применение мембран для работы по железу ограничено

следующими факторами: мембраны даже в большей степени, чем

гранулированные фильтрующие среды и ионообменные смолы, критичны к

"зарастанию" органикой и забиванию поверхности нерастворимыми частицами.

Во-вторых, мембранные системы пока недешевы и их применение рентабельно

только там, где требуется очень высокое качество воды.

- Дистилляция является давно известным и проверенным способом

глубокой очистки воды испарением. В дистилляторах для ускорения

естественного процесса испарения воды применяется нагревание воды до

температуры кипения, что приводит к интенсивному образованию пара. При этом

механические частицы, содержащиеся в воде (включая бактерии, вирусы, а также

коллоиды и взвешенные частицы) оказываются слишком тяжелыми, чтобы быть

подхваченными паром. Одновременно почти все растворенные в воде химические

вещества (включая соли железа, других тяжелых металлов, соли жесткости и т.д.)

достигают предела своей растворимости (за счет повышенной температуры и

особенно увеличения концентрации - вода-то постоянно улетучивается) и

выпадают в осадок. Таким образом, вместе с паром могут испаряться только

летучие органические соединения, в том числе и потенциально опасные. Именно

поэтому в дистилляторах часто устанавливают фильтр доочистки на основе

активированного угля из скорлупы кокоса.

В дальнейшем пар, охлаждаясь, конденсируется в высокоочищенную воду,

которую называют дистиллятом. Иногда дистиллированную воду "прогоняют"

через дистиллятор еще раз и получают так называемый би-дистиллят.

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

Дистилляторы потребляют значительное количество электроэнергии, что

для многих применений делает их использование менее рентабельным, чем

обратный осмос или деминерализация на ионообменных смолах.

3.3. Умягчение воды методом ионного обмена

Наиболее распространенным способом очистки воды для ее последующего

использования в качестве теплоносителя являются методы ионного обмена.

Сущность этих методов заключается в том, что вода фильтруется через

специальный материал, называемый ионитом. Этот материал имеет способность

изменять ионный состав воды в нужном направлении. С электрохимической точки

зрения молекулы ионита представляют собой твердый электролит. В зависимости

от того какой заряд несет диффузионный слой, иониты разделяются на

катиониты и аниониты.

Наиболее распространенными катионитами являются: сульфоуголь и

ионообменные смолы КУ 1, КУ 2. Наиболее распространенные аниониты: АН-31,

АВ-17, АВ-18. В зависимости от качества исходной воды и требований к качеству

обработанной воды в практике применяют следующие методы ионного обмена:

натрий-катионирование, водород-катионирование, хлор-ионирование, аммоний-

катионирование.

Na-катионирование - наиболее распространенный метод обработки воды.

Заключается в фильтровании ее через слой катионита, содержащего обменный

ион натрия.

При этом протекают следующие реакции:

Са(НСО)

+ 2NaR  СаR

+ 2NaНСО

Mg(НСО)

+ 2NaR  MgR

+ 2NaНСО

CaCl

+ 2NaR  СаR

+ 2NaCl

MgSO

+ 2NaR

 MgR

+ Na

Как видно из приведенных реакций, кальциевые и магниевые соли,

содержащиеся в воде, вступают в обменные реакции с катионитом, замещая в

нем натрий и, тем самым, умягчая воду. Вместо кальциевых и магниевых солей в

обрабатываемой воде образуется эквивалентное количество легко растворимых

натриевых солей. Следовательно, солесодержание при обработке воды не

снижается, а несколько увеличивается. Щелочность воды и анионный состав при

Na-катионировании не изменяются.

Эксплуатация катионитного фильтра сводится к последовательному

проведению следующих операций: умягчение, взрыхление, регенерация, отмывка.

Основная операция процесса – умягчение. При умягчении происходит

реакция обмена катионов Ca

и Mg

на катионы Na

. По мере прохождения

ионного обмена катионит истощается и уплотняется, обменные реакции

замедляются вплоть до проскока катионов Ca

и Mg

в обработанную воду. Для

восстановления обменной способности катионита его взрыхляют и регенерируют.

Взрыхление осуществляется обратным потоком воды, подаваемой из бака,

расположенного выше фильтра, или с помощью насоса. Регенерация

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

осуществляется раствором поваренной соли NaCl. Последней операцией

является отмывка (промывка) катионита от остаточных продуктов регенерации.

В практике применяются две схемы умягчения воды по методу Na-

катионирования: одноступенчатая и двухступенчатая.

Одноступенчатым Na-катионированием можно получить воду с остаточной

жесткостью до 0,1 мг-экв/кг. При необходимости более глубокого умягченния воды

(до 0,01 – 0,02 мг-экв/кг) следует применять двухступенчатое (последовательное)

Na-катионирование.

Число ступеней катионирования определяется требованиями к

обработанной воде; так для паровых экранированных котлов, где требуется

глубокое умягчение воды, целесообразно применение схемы двухступенчатого

Na-катионирования; для горячего водоснабжения, требуется частичное умягчение

воды, достаточно одной ступени катионирования.

Н-катионирование. Обработка воды методом Н-катионирования состоит в

фильтровании ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов

катионы водорода. Протекающие в водородном фильтре реакции сводятся к

замене катионов Ca

и Mg

и Na

на катион водорода. При этом протекают

следующие химические реакции:

Ca(HCO

)

+ 2НR  СаR

+ 2Н

O + СО



Mg(HCO

)

+ 2НR  MgR

+ 2Н

O + СО



CaCl

+ 2НR  CaR

+ 2HCl

MgSO

+2НR MgR

+ H

NaCl + НR  NaR + HCl

+2НR  2NaR + H

2HR + Na

SiO

 2NaR + H

SiO

Следовательно, присутствующие в воде соли (сульфаты, хлориды и др.)

превращаются в процессе ионного обмена в кислоты (серную, соляную и др.), т.е.

обработанная вода имеет кислую реакцию (рН7), что недопустимо. Поэтому Н-

катионирование всегда совмещается с Na-катионированием, которое

обуславливает щелочную реакцию обработанной воды.

Принцип работы Н-катионитного фильтра аналогичен работе Na-

катионитного фильтра. Регенерация фильтра производится раствором серной

кислоты.

Различают следующие схемы Н-Na-катионирования:

- Н-Na-катионирование с «голодной» регенерацией фильтров;

- параллельное Н-Na-катионирование;

- последовательное Н-Na-катионирование;

- совместное Н-Na-катионирование.

Н-Na-катионирование с «голодной» регенерацией фильтров применяется

для обработки вод с повышенной карбонатной жесткостью при сравнительно

малом содержании солей натрия.

Лис

Подп.

Дат

Лис

№ докум.

Из

м.

Параллельное Н-Na-катионирование применяется в тех случаях, когда

вода, поступающая на фильтры, имеет Жк  0,5 Жо;

экв/кг-мг 7

ClSO

ccс







и когда необходимо получить умягченную воду с заданной остаточной

щелочностью не выше 0,35 мг-экв/кг.

Последовательное Н-Na-катионирование применяется для обработки

сильно минерализованных вод с солесодержанием выше 1000 мг/кг при Жк < 0,5

Жо и при

экв/кг-мг 7

ccс







Совместное Н-Na-катионирование применяется в тех случаях, когда сумма

анионов сильных кислот в воде, поступающей на фильтры, не превышает 3,5 мг-

экв/кг и когда получаемая по этой схеме щелочность (Щост= 1 – 1,3 мг-экв/кг) не

вызовет заметного увеличения продувки котлов сверх установленных норм.

Na-Cl-ионирование. Na-Cl-ионитный метод основан на умягчении воды с

одновременным снижением щелочности и осуществляется путем

последовательного фильтрования обрабатываемой воды через Na--катионитный

фильтр первой ступени, Cl-анионитный фильтр и затем Na- катионитный фильтр

второй ступени.

Вторую ступень Na-катионирования, как правило, совмещают в одном

фильтре с Cl-ионированием, при этом внизу загружается катионит, а сверху

сильноосновный анионит типа АВ – 17.

В этом методе катионит и анионит регенируются поваренной солью NaCl

(Na+ регенерирует катионит, Cl- - анионит). В фильтрах первой ступени

происходит умягчение воды по реакциям. Во второй ступени (в совмещенном Na-

Cl-ионитном фильтре) в слое анионита происходит обмен анионов SO

, NO

, HCO

, содержащихся в воде, на хлор, а в слое катионита «проскочившие»

катионы жесткости обмениваются на Na

При этом в анионите протекают следующие реакции:

+ 2АнCl  АнSO

+ 2NaCl

NaNO

+ АнCl  АнNO

+ NaCl

NaНСO

+ АнCl  АнНСO

+ NaCl

Методом Na-Cl-ионирования воды можно снизить жесткость воды до 0,01

мг-экв/кг и щелочность до 0,2 мг-экв/кг.

4. Расчет и подбор основного оборудования химводоочистки

Согласно РД 24.031.120-91, а также РД 34.26.515-96 для открытой системы

теплоснабжения с температурой сетевой воды 150°С от водогрейного котла типа

КВ-ГМ должны соблюдать следующие нормы качества сетевой и подпиточной

воды: