Введение.
На железнодорожном транспорте имеются предприятия, для работы которых требуется вода с малой жесткостью.
Известно, что жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Использование жесткой воды приводит к образованию накипи на внутренней поверхности котлов и теплообменных аппаратов, что снижает эффективность их работы.
В настоящее время один из наиболее распространенных способов умягчения воды является метод ионного обмена. Снижение жесткости воды ионным обменом основано на способности определенных или некоторых искусственных материалов (катионитов) которые имеют в своем составе обменные ионы Na+, Н+. Способные обмениваться на ионы Са2+, Мg2+. Реакция обмена:
2 Na [Кат.] + Ca (HCO3)2 Û Ca [Кат.] + 2 NaHCO3
2 H [Кат.] + MgCl2 Þ Mg [Кат.]2 + 2 HCl
К катионитам относятся глауконитовый песок, гумусовые угли, сульфоуголь, искусственные смолы (КУ-1, КУ-2).
В процессе фильтрации воды через катиноитную загрузку ее обменная способность уменьшается, поэтому необходимо периодически регенерировать (восстанавливать фильтрирующий материал). Реакции регенерации:
Ca [Кат.]2 + 2 NaCl Þ 2 Na [Кат.] + CaCl2
Na – катионидные фильтры регенерируются раствором NaCl
Mg [Кат.]2 + H2SO4 = 2 H [Кат.] + MgSO4
Н – катионидные фильтры регенерируются раствором серной кислоты – Н2SO4.
Для реализации представленных химических процессов устраивают специальное сооружение – станцию умягчения воды.
Целью курсового проекта является расчет основного технологического оборудования – Н-Na- катионитных фильтров и вспомогательного оборудования – кислотное хозяйство, солевое, дегазатор для удаления газов – СО2.
1. Предварительная обработка исходных данных.
Проверка данных химического анализа воды производится путем сопоставления суммы катионов: Ca+2, Mg+2, Na+, К+ с суммой анионов: Cl-, SO4-2, НСО3-:
(1). К = [Ca+2] + [Mg+2] + [Na+] + [K+] = 4.0 + 2.4 + 0.9 = 7.3 мг-экв/л
(2). А = [HCO3-] + [Cl-] + [SO4-2] = 5.1 + 0.7 + 1.5 = 7.3 мг-экв/л
Вывод: Сумма катионов равна сумме анионов, следовательно, данные химического анализа воды верны.
1.1. Определяется общая жесткость исходной воды.
Жо = [Ca+2] + [Mg+2] = 4.0 + 2.4 = 6.4 мг-экв/л (3).
1.2. Определяется карбонатная жесткость исходной воды.
Жк = [HCO3-] = 5.1 мг-экв/л (4).
1.3. Определяется щелочность исходной воды.
Що = Жк = 5.1 мг-экв/л (5).
1.4. Определяется не карбонатная жесткость.
Жнк = Жо – Жк = 6.4 – 5.1 = 1.3 мг-экв/л (6).
2. Выбор и обоснование принципиальной схемы умягчения воды.
Умягчение воды методом ионного обмена может осуществлять: параллельным катионированием, последовательным катионированием, совместным H-Na-катионированием.
Выбор схемы умягчения воды осуществляется на основании сопоставления данных химического анализа исходной воды.
Параллельное H-Na-катионирование применяется при условии:
Жк / Жо ³ 0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 ³ 0.5 +
Жнк £ 3.5 мг-экв/л Жнк = 1.3 £ 3.5 мг-экв/л +
SO4-2 + Cl- £ 3 … 4 мг-экв/л 1.5 + 0.7 = 2.2 £ 3 мг-экв/л +
Na+ + K+ £ 1 …2 мг-экв/л 0.9 £ 2 мг-экв/л +
Последовательное H-Na-катионирование применяется при условии:
Жк / Жо £ 0.5 5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5 –
Жнк ³ 3.5 мг-экв/л Жнк = 1.3 SO4-2 + Cl- ³ 3 … 4 мг-экв/л 1.5 + 0.7 = 2.2 Na+ + K+ не лимитируются –
На основании полученных результатов принимается параллельная схема H-Na-катионирования.
Техническая схема параллельного H-Na-катионирования:
3. Расчет основного технологического оборудования станции умягчения воды
К основному технологическому оборудованию станции умягчения
Воды Н-Na-катионитные фильтры.
Расчет ведется на основании нормативной литературы.
3.1. Определяется соотношение расходов воды подаваемой на Н-Na-катионитные фильтры.
При параллельной схеме Н-Na-катионирования расчет ведется согласно [1,прил.7,п.25]:
Определяется расход воды подаваемой на Н-катионитные фильтры.
qHпол.= qпол.( Що-Щу ) / ( А+Що ) м3/час (7)
где qпол.- полезная производительность Н-Na-катионитных фильтров,
qпол.= Qсут. / 24=1100/24=45.8 м3/час,
Що- щелочность исходной воды,
Що=5.1 гр-экв/м3,
Щу- щелочность умягченной воды,
А- сумма концентраций анионов,
А= 7.3 гр-экв/м3,
qHпол.= 45.8*( 5.1-0.35 ) / ( 7.3+5.1 ) = 17.5 м3/час
Определяется расход воды на Na-катионитные фильтры:
qNaпол.= qпол.- qHпол. м3/час (8)
qNaпол.= 45.8 – 17.5 = 28.3 м3/час
3.2. Выбирается катионит для загрузки фильтров по [6]:
Принимается сульфауголь мелкий 1 сорта с техническими характеристиками:
Внешний вид катионита – черные зерна неправильной формы.
Диаметр зерен катионита – 0.25…0.7 мм.
Полная обменная способность – Еполн. = 570 экв/м3
3.3. Определяется объем катионита в Н-Na-катионитных фильтрах.
Объем катионита в Н- катионитных фильтрах, вычисляется
по [1,прил.7,п.26]:
WH = 24*qHпол.(Жо+СNa)/(nHp*EHраб.) м3 (9)
где СNa- концентрация в исходной воде,
СNa=0.9 гр-экв/м3 ,
nHp- число регенераций каждого Н-катионитного фильтра в сутки,
принимается по [1,прил.7,п.14]: от 1…2.
nHp=2,
EHраб.- рабочая обменная емкость Н-катионита, вычисляется по
Формуле [1,прил.7,п.27]:
EHраб.= aн* Еполн. – 0.5*qуд.*Ск гр-экв/м3 (10)
Где aн- коэффициент эффективности регенерации Н-катионитных
фильтров, принимается по [1,прил.7,п.27,табл.4]:
При удельном расходе Н2SO4 на регенерацию 100 гр./гр.-экв.
aн=0.85,
qуд.- удельный расход воды на отмывку 1 м3 катионита (для сульфо-
угля принимается 4 м3),
qуд.=4 м3,
Ск – общее содержание в воде катионидов,
Ск =7.3 гр-экв/м3 ,
EHраб.= 0.85*570 – 0.5*4*7.3 = 469.9 гр-экв/м3,
WH = 24*17.5(6.4+0.9)/(2*469.9) = 3.6 м3,
Объем катионита в Na-катионитных фильтрах вычисляется по
формуле [1,прил.7,п.26]:
WNa = 24*qNaпол.(Жо* nNap)*ENaраб. м3 (11)
Где nNap- число регенераций каждого Na-кат. фильтра в сутки
принимается согласно [1,прил.7,п.14] от 1…3.
nNap=2,
ENaраб.- рабочая обменная емкость Na-катионит. фильтра
вычисляется по [1,прил.7,п.15]:
ENaраб.= aNa*bNa*Еполн. – 0.5*qуд.*Жо гр-экв/м3 (12)
Где aNa – коэффициент эффективности регенерации Na-катион.
фильтров принимается при удельно расходе поваренной соли
NaCl 100 гр./гр.-экв. aNa=0.62
bNa- коэфф. Учитывающий снижение обменной емкости,
принимается [1,прил.7,п.15,табл.2] из соотношения:
СNa / Жо= 0.1 bNa= 0.83
ENaраб.= 0.62*0.83*570 – 0.5*4*6.4 = 293.3-12.8 гр-экв/м3,
WNa = 24*28.3(6.4/2)*280.5=7.7 м3.
3.4. Определяется площадь H-Na-кат. фильтров.
Площадь Н-кат. фильтров опред. по [1,прил.7,п.16]:
Fн = Wн/Hк, м2 (13)
где Hк- высота слоя катионита в фильтрах,
Площадь Na-кат. фильтров определяется по [1,прил.7,п.16]:
FNa = WNa/Hк, м2 (14)
Технические характеристики H-Na-кат. фильтров приведены в таблице:
Диаметр
Фильтра,
Мм.
Высота кати-
онита,
Нк, м.
Основные Размеры
Вес,
т.
Строительная
Высота
Диаметр прово-дящего патрубка
Н-катионитные фильтры.
700
1800
3200
40
1.7
700
2000
3200
40
2.1
1000
2000
3600
50
5.3
1500
2000
3950
80
10
2000
2500
4870
125
15
Na-катионитные фильтры.
1000
2000
3597
50
5
1500
2000
3924
80
10
2000
2500
4870
125
15
Fн = Wн/Hк = 3.6/2 = 1.7 м2
Площадь одного Н-катион. фильтра:
fн = (p*d2)/4 = 0.785 м2 ,
Количество рабочих Н-катион. фильтров:
Fн/ fн = 1.7/0.785 = 2 шт.
Принимается 2 рабочих Н-катионид. фильтра.
FNa = WNa/Hк = 7.7/2 = 3.85 м2
Площадь одного Na-катион. фильтра:
fн = (p*d2)/4 = 1.76 м2
Количество рабочих Na-катион. фильтров:
FNa/ f Na= 3.85/1.76 = 2 шт.
Принимается 2 рабочих Na-катионид. фильтра.
3.5. Определяется скорость фильтрования воды через
катионитные фильтры при нормальном режиме
работы (работают все рабочие фильтры).
Для Н-катионит. фильтров:
Vнор. = qHпол./( fн*nн) м/ч (15)
Где fн- площадь одного Н- кат. фильтра,
nн- количество рабочих Н-кат. фильтров.
Vнор. = 17.5/(0.785*2) = 11 м/ч
Для Na-катионит. фильтров:
Vнор. = qNaпол./( fNa*nNa) м/ч (16)
Vнор. = 28.3/(1.76*2) = 8 м/ч
Скорость фильтрования воды через катионит при нормальном режиме,
не должна превышать при общей жесткости воды до 10 гр-экв/м3 (6.4),
скорость не должна превышать 15 м/ч 3.6. Определяется скорость фильтрования воды через катионит при формированном режиме
(один рабочий фильтр отключен на
регенерацию).
VHфорс.= qHпол./fH*(nH-1), м/ч (17)
VHфорс.= 17.5/0.785*(2-1) = 22.3 м/ч
VNaфорс.= qNaпол./fNa*(nNa-1), м/ч (18)
VNaфорс.= 28.3/1.76*(2-1) = 16 м/ч
При форсированном режиме допускаетс увеличение скорости фильтрования на 10 м/час по сравнению с вышеуказанной.
4. Расчет вспомогательного оборудования станции умягчения воды.
Восстановление обменной способности, т.е. регенерации
кат. фильтров осуществляется путем вытеснения из ка-
тионита ионов Ca2+ , Mg2+ ионнами H+ , Na+ .
Для реализации указанного процесса требуется устройство
вспомогательного оборудования.
К вспомогательному оборудованию относятся:
1). Кислотное хоз-во.
2). Солевое зоз-во.
3). Насосы и аппараты для подачи воды и регенерирующих растворов
на фильтры.
4.1. Серное хоз-во для хранения, приготовления и перекачки раствора H2SO4.
Кислотное хоз-во включает:
1). Цистерны для хранения кислоты.
2). Бак мерник конц. серной кислоты.
3). Бак для регенерационного раствора.
4). Вакуумнасосы.
5). Эжектор.
На станцию H2SO4 поставляется в ж/д цистернах в виде 100%
раствора. Затем H2SO4 перекачивается в стационарные цистерны
(цистерны хранилища) с месячным запасом реагента.
Расчет начинают с определения расхода 100% H2SO4 на одну
Регенерацию Н-кат. фильтра по [1,прил.7,п.31]:
PH = (fH*Hk*EрабН*aн)/1000 , кг (19)
PH = 73.7 кг
Определяется суточный весовой расход H2SO4 для регенерации
всех рабочих Н-кат. фильтров.
PHсут. = PH *nн*nрн = 73.7*2*2 = 294.8 кг/сут (20)
Определяется суточный весовой расход H2SO4 для регенерации
всех рабочих Н-кат. фильтров.
WHсут. = (PH сут.*100%)/(85%*r85%) м3/сут (21)
WHсут. = 0.195 м3/сут
Определяется месячный расход H2SO4 для регенерации
Н-кат. фильтров.
WHмес. = 30* WHсут. м3 (22)
WHмес. = 6 м3
Промышленностью выпускаются цистерны для хранения кислоты
емкостью 15 м3 в проекте принимается не менее двух цистерн
емкостью 15 м3 (вторая цистерна на случай аварии).
4.1.2. Определяется объем бакомерника из условия регенерации одного фильтра при количестве рабочих
Н-кат. фильтров до 4 , [1.прил.7,п.32]:
W85% = (Pн*nр*100%)/(85%*r85%) = 0.05 м3 (23)
Принимается бак мерник объемом 0.09 м3 , наружный диаметр
450 мм, строит. высота 45 мм, вес 98 кг.
Подача серной к-ты из цистерн хранилищ в баке мернике происходит
за счет вакуума создаваемого насосом, затем с помощью эжектора
H2SO4 перемешивается с водой и поступает в бак
регенерационного раствора.
4.1.3. Определяется объем бака для 1% регенерационного раствора H2SO4 на регенерацию одного
Н-кат. фильтра.
W1% = (Pн*nр*100%)/(1%*r1%) = 7.3 м3 (24)
Принимается бак 1% регенерационного раствора H2SO4 размерами:
B = 2 м
H = 1.5 м 7.5 м3
L = 2.5 м
Для перекачки регенерационного раствора H2SO4 принимается
2 насоса серии ”Х” (химически стойкие) напором Нн = 20 м
и подачей Qн = 3 м3/ч , (Qн = 3 м3/ч).
Qн = Vн*fн = 4*0.785 = 3 м3/ч (25)
К установке принимается 1 рабочий и один резервный насос.
4.2. Устройства для хранения, приготовления и перекачки
раствора поваренной соли NaCl.
Для регенерации Na-кат. фильтров устраивается солевое хозяйство.
Регенерация Na-кат. фильтров производится 8% раствором NaCl.
4.2.1. Определяется расход поваренной соли NaCl на 1
регенерацииNa-кат. фильтра [1,прил.7,п21]:
PNa = (fNa*Hk*ENa раб.*ас) / 1000 кг (26)
PNa = (1.76*2*280.5*100) / 1000 = 98.7 кг
Определяется суточный весовой расход NaCl для регенерации
всех рабочих Na- кат. фильтров:
РNaсут = PNa*nNa*npNa кг/сут (27)
РNaсут = 98.7*2*2 = 394.8 кг/сут При суточном расходе NaCl до 500 кг/сут устраивают сухое
хранение соли на складе с последующим приготовлением
8% регенерационного раствора.
Принимается Сухое хранение.
Определяется месячный весовой расход поваренной соли для регенерации Na-кат.ф-ов.
PNaмес = 30*PNaсут , т (28)
PNaмес = 30*394.8 = 12 т
4.2.2. Определяется площадь склада для сухого месячного
хранения соли из условия, что высота NaCl не должна
превышать 2.5 метра.
FNacyх.хран. = PNaмес / rNa*25 , м2 (29)
FNacyх.хран. = 6 м2
Принимается склад сухого хранения размерами:
H = 2.5
B = 2 6 м
L = 3
Определяется объем напорного солерастворителя из расчета расхода соли на 1 регенерацию фильтра.
Принимается напорный солерастворитель со след.
техническими характеристиками по [6]:
– полезная емкость (100 кг)
– объем (0.4 м3)
– диаметр (45 мм)
Определяется объем бака для 8% регенерационного раствора NaCl на
одну регенерацию Na-кат.ф.
W8% = (WH.C. * 26%) / 8% = 1.3 м3 (30)
Принимается бак 8% регенерац. Раствора NaCl размерами:
L = 1.3
B = 1 1.3 м3
H = 1
4.2.3. Для перекачки раствора NaCl устанавливаются
2 насоса:
– один рабочий,
– один резервный.
Характеристики насоса:
Напор: HNa = 20 м
Подача: QNa = VNa*fNa м3 /час (32)
Где VNa – скорость движения р-ра NaCl
через катионитную загрузку,
fNa – S одного кат. ф-ра.
QNa = 4*1.76 = 7 м3 /час
4.2.4. Перед регенерацией H-Na – кат. ф-ов необходимо проводить взрыхление загрузки для более эффективной регенерации.
Wб.взр. = (2*Wвзр.*f*60*tвр.) / 1000 м3 (33)
Где Wвзр. – интенсивность подачи воды для взрыхления катионита
Где Wвзр. = 4 л/с на 1м2
f = 1.76 (наибольшая S катион. Ф-ов)
tвр. – продолжит. взрыхления катионита
(20-30мин.)
Wб.взр. = (2*4*1.76*60*25) / 1000 = 21.2 м3
L = 7
B = 2 22.4 > 22 м3
H = 1.6
4.3. Устройство для удаления из воды углекислоты.
Для удаления CO2 из Н-Na-кат. Воды предусматривается дегазатор
С насадкой из колец Рашега – кислотоупорных керамических
[1.прил.№7.,п.34]
4.3.1. Определяется содержание CO2 или двуокиси углерода в воде подаваемой на дегазатор.
(CO2 )св. = (CO2 )о + 44*Що , г/м3 (34)
где (CO2 )о- содержание CO2 в исходной воде.
(CO2 )о = (CO2 )**b
(CO2 )*- содержание углерода в воде в зависимости от pH
рН = 6.8…7.5
(CO2 )* = 80 г/м3
b = 0.5
(CO2 )о = 40 г/м3
(CO2 )св. = 40+44*5.1 = 264.4 г/м3
По полученному значению содержание CO2 в воде
Определяется высота слоя насадки hн , м необходимая для понижения
Содержания CO2 в катионированной воде [1.прил.№7.,п.34,табл.5]
Для (CO2 )св. = 264.4 г/м3 hн =5.7
Пленочный дегазатор представляет собой колонну загруженную
насадкой из керамических кислотоупорных колец Рашига,
по которым вода стекает тонкой пленкой, на встречу потоку
воды поток воздуха нагнетаемой вентилятором.
4.3.2. Определяется S поперечного сечения дегазатора.
из условия плотности орошения согласно
[1.прил.№7.,п.34,табл.5].
Плотность орошения при керамической насадке r = 60 м3/г на 1м2
Fg = qпол. / r , м2, (35)
qпол. – полезная производительность H-Na-кат.ф.
Fg = 45.8/60 = 0.76 м2
Определяется объем слоя насадки:
Vн = Fg * hн , м3 (36)
Vн = 0.76*5.7 = 4.3 м3
Опред. Диаметр дегазатора:
D = Ö(4* Fg )/p = 0.96 м (37)
Характеристика насадки колец Рашига:
Размеры эл-та насадки: 25*25*4 мм
Кол-во эл-ов в 1 м3 : 55 тыс.
Удельная пов-ть насадки: 204 м2/м3
Вес насадки: 532 кг
Вентилятор дегазатора должен обеспечивать подачу воздуха из расчета
15 м3 воздуха на 1 м3 воды по [1.прил.№7.,п.34], тогда производительность вентилятора определяется:
Qвент. = qпол. * 15 , м3/час (38)
Qвент. = 45.8*15 = 687 м3/час
Напор вентилятора определяется с учетом сопротивления в
керамической насадке:
Sн = 30 мм водяного столба на 1 м.
Прочие сопротивления принимаются по [1.прил.№7.,п.34]
Sпр = 30…40 мм вод. Столба.
Напор: Hвент. = Sнас. * hн + Sпрочие (39)
Hвент. = 30*5.7 + 35 = 206 мм
5.0. Определение расходов воды.
Определение расходов воды слагается из потребления воды на
следующие процессы:
– взрыхление кат. ф-ра перед регенерацией (Q1)
– приготовление регенерац. р-ов к-ты и соли (Q2)
– отмывка катионита после регенерации (Q3)
На все технологич. проц. Используют исходную неумягченную воду.
Qтех. = Q1 + Q2 + Q3, м3/сут (40)
5.1. Определяется расход воды на взрыхление катионита ф.
перед регенерацией.
Q1 = (Wвзр. * f * nн * nрн * nNa *npNa * tвзр. * 60) /1000 (41)
Q1 = (4 * 1.76 * 2 * 2 * 2 * 2 * 25 * 60) / 1000 = 169 м3/сут
5.2. Определяется расход воды на приготовление
регенерационных растворов кислоты и соли.
Q2 = q1% * nн * nнр + (q26% + q8%)*nNa * nрNa, м3/сут (42)
q1% = 7.3 м3/сут
q26% = 0
q8% = (Wнс * 26%) / 8% * 1000 = 1.3 м3/сут
Q2 = 7.3 * 2 * 2 + (0 + 1.3) * 2 * 2 = 34.4 м3/сут
5.3. Определяется расход воды на отмывку катионита после регенерации.
Q3 = Wотм. * f * Hк * nн * nнр * nNa * nNaр м3/сут (43)
Wотм. – уд. расход отмывочной воды приним. по [1.прил.№7.,п.21]:
Wотм. = 5…6 м3 на 1м3 катионита.
Q3 = 5 * 1.76 * 2 * 2 * 2 * 2 * 2 = 281.6 м3/сут
Qтех. = Q1+Q2+Q3 = 485 м3/сут
6. Расчет диаметров трубопроводов
станции умягчения воды.
Определения диаметров трубопроводов дла транспортировки воды,
растворов кислоты и соли рекомендуется производить из величин
соответствующих расходов и скорости движения жидкости,
принимается в пределах 1…1,5 м/сек.
Расчет ведется с использованием литеатуры [4] и сводится
в таблицу:
Назначение
Трубопроводов
Расход,
л/с
Скорость,
м/с
Диаметр,
мм
Материал
1. Трубопровод подачи
исходной воды на
станцию умягчения.
18.8
1.04
150
Чугун
2. Трубопровод подачи и
отвода воды для
взрыхления.
1.9
1.44
50
Полиэтилен
3. Трубопровод подачи и
отвода 1% регенерац. р-ра
серной кислоты.
0.34
1.07
25
Полиэтилен
4. Трубопровод подачи и
отвода 8% регенера-
ционного р-ра соли.
0.06
1.19
12
Полиэтилен
5. Трубопровод подачи 100%
кислоты.
0.002
0.47
6
Сталь
6. Трубопровод отвода
умягченной воды.
12.7
1
125
Чугун
Для перекачки р-ов кислот и щелочей применяются трубы из нержавеющей стали или полиэтилена .
Для перекачки концентрированных растворов кислот и щелочей
(более 80%) используются трубы из углеродистой стали или пластмассовые.
Для перекачки воды используются трубы чугунные, асбесто-цеме-
нтные и железобетонные.
7. Компоновка основных и вспомогательных помещений станции умягчения воды.
К основному помещению станции относится главный зал
размещения H-Na-кат. ф.
Зал имеет высоту на 2-2.5 м выше полной высоты фильтров.
В плане фильтры распологаются в 2 ряда.
Расстояние м/у фильтрами не и обслуживания оборудования.
К вспомогательным помещениям относятся:
Помещения для складирования и приготовления регенерац.
р-ов кислоты и соли.
Помещения как правило одноэтажные с заглубленными
участками для размещения емкостей и насосного оборудования.
Основным компоновочным требованием явл. одинаковая
отметка пола платформы для выгрузки соли и отметки
верха баков. Помещение кислотного хоз-ва должно быть
изолировано от солевого и иметь не менее 2-х выходов.
Цистерны для хранения к-ты рекомендунтся распологать
в отапливаемом помещении во избежание ее замерзания.
Помещения лабораторий, мастерских, административного
и рабочего персонала.
Помещения поектируются в соответствии с требованиями
жилой застройки.
Дегазатор следует размещать в непосредственной близости
от H-Na-кат.ф. в главном зале.
Основные и вспомогательные помещения станции рекомендуется
блокировать, что сокращает протяженность трубопроводов и
повышает удобство в эксплуатации.