УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА

Стр 1 из 3Следующая ⇒

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Кафедра «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика»

УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА

Методические указания

К выполнению курсового проекта

Санкт–Петербург

Состав и содержание курсового проекта

«Умягчение воды методом ионного обмена»

Курсовой проект умягчения воды методом ионного обмена включает:

- пояснительную записку на 20-25 листах стандартного формата А4 с расчетами и соответствующим обоснованием принятых решений;

- чертежи: план производственного здания станции умягчения воды и принципиальную технологическую схему обработки воды с изображением всех коммуникаций на одном листе ватмана формата А1.

Содержание расчетно-пояснительной записки:

Задание на проектирование.

Введение.

1. Предварительная обработка исходных данных.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы умягчения воды.

3. Расчет основного технологического оборудования станции.

4. Расчет вспомогательного оборудования станции.

5. Определение расходов воды на технологические нужды станции.

6. Расчет диаметров магистральных трубопроводов.

7. Компоновочные решения основных и вспомогательных помещений станции умягчения воды.

Список использованной литературы.

Задание к выполнению курсового проекта

«Умягчение воды методом ионного обмена»

Показатели	Варианты

Производитель-ность станции, Q, м³/сут
Содержание ионов, мг-экв/л:
Са⁺²	4, 1	3, 5	4, 0	3, 2	3, 9	4, 5	5, 0	5, 1	4, 2	3, 6
Mg⁺²	1, 6	2, 5	2, 4	2, 9	2, 9	3, 2	3, 9	4, 1	1, 7	2, 6
Na⁺ + K⁺	1, 0	0, 9	0, 9	0, 5	0, 4	0, 2	0, 3	0, 2	1, 1	1, 0
HCO₃^-	4, 8	4, 9	5, 1	2, 4	2, 8	3, 0	3, 7	4, 3	4, 9	5, 0
Cl^-	0, 4	0, 6	0, 7	2, 0	1, 9	2, 0	2, 0	3, 3	0, 5	0, 7
SO₄^-2	1, 5	1, 4	1, 5	2, 2	2, 5	2, 9	2, 5	1, 8	1, 6	1, 5
pH исходной воды	6, 5	6, 8		7, 2	7, 5	6, 4	6, 7	7, 1	7, 3	7, 8

Введение

На железнодорожном транспорте имеются предприятия, для нормальной 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 на внутренней поверхности котлов и теплообменных аппаратов накипи, снижающей эффективность их работы. В настоящее время одним из наиболее прогрессивных и рациональных способ умягчения воды является метод ионного обмена. Снижение жесткости воды ионным обменом основано на способности определенных природных и искусственных материалов (катионитов) обменивать ионы, имеющиеся в их составе, на ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, обуславливающие жесткость воды. Наиболее часто в качестве обменных ионов используют ионы Na⁺ и H⁺:

2Na[Кат] + Ca(HCO₃)₂ ↔ Ca[Кат]₂+ 2NaHCO₃;

2H[Кат] + MgCl₂ ↔ Mg[Кат]₂ + 2HCl.

К катионитам относятся глауконитовый песок, гумусовые угли, сульфоуголь, материалы на основе искусственных смол (КУ-1, КУ-2, КБ-2, КБ-4) и другие.

В процессе фильтрования воды через слой катионита его обменная способность уменьшается. Это вызывает необходимость периодической регенерации материала.

Натрий-катионитные фильтры регенерируются раствором поваренной соли NaCl:

Ca[Кат]₂ + 2NaCl ↔ CaCl₂ + 2Na[Кат]

Водород-катионитовые фильтры регенерируются раствором серной кислоты H₂SO₄:

Mg[Кат]₂ + H₂SO₄ ↔ MgSO₄ + 2H[Кат]

Для реализации представленных химических процессов необходимо устройство специального сооружения – станции умягчения воды.

Целью настоящего курсового проекта является расчет основного технологического и вспомогательного оборудования станции умягчения воды методом ионного обмена и ее проектирование.

Предварительная обработка исходных данных

Проверка данных химического анализа воды производится путем сопоставления суммы концентраций катионов: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ с суммой концентрации анионов: Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, мг-экв/л:

K = [Ca²⁺] + [Mg²⁺] + [Na⁺] + [K⁺] (1)

A = [HCO₃^-] + [Cl^-] + [SO₄^2-] (2)

При этом разность не должна превышать ± 5%.

1.1. Определяется общая жесткость исходной воды, которая равна сумме концентрация катионов Ca²⁺ и Mg²⁺, мг-экв/л:

Ж_о= [Ca²⁺] + [Mg²⁺] (3)

1.2. Определяется карбонатная жесткость исходной воды, мг-экв/л:

Ж_к = [HCO₃^-] (4)

1.3. Определяется щелочность исходной воды, мг-экв/л:

Щ_о = Ж_к(5)

1.4. Определяется некарбонатная жесткость исходной воды, мг-экв/л:

Ж_нк = Ж_о - Ж_к (6)

1.5. Определяется общее солесодержание исходной воды, мг/л:

Р = [Ca²⁺]∙ Э_Ca+[Mg²⁺]∙ Э_Mg+([Na⁺]+[K⁺])∙ Э_Na+K+[HCO₃^-]∙ Э_HCO3+[Cl^-∙ Э_Cl+[SO₄^2-]∙ Э_SO4(7)

Эквиваленты:

Э_Ca = 20	Э_HCO3 = 61
Э_Mg = 12	Э_Cl = 35
Э_Na+K = 23	Э_SO4=48

Технологические показатели и область применения различных схем установок для умягчения воды катионированием

Технологическая схема	Качество умягченной воды	Область применения
Жесткость, Ж_у, мг-экв/л	Щелочность, Щ_у, мг-экв/л
Параллельное Н-Na-катионирование, смешение катионированных вод и удаление двуокиси углерода СО₂	0, 05	0, 35	Для умягчения воды с карбонатной жесткостью более 50% и с общим одновременным снижением ее щелочности
Последовательное Н-Na-катионирование, смешение катионированной воды с исходной, удаление двуокиси углерода СО₂	0, 05	0, 7	Для умягчения воды с карбонатной жесткостью менее 50% и общим солесодержанием более 700 мг/л

Технологические схемы умягчения воды параллельным и последовательным Н-Na-катионированием представлены на рис.1 (Приложение).

Определение расходов воды на технологические нужды

Станции умягчения воды

Расход воды на технологические нужды станции умягчения воды складывается из потребления воды на следующие технологические нужды:

- взрыхление катионита в фильтрах перед регенерацией Q₁;

- приготовление регенерационных растворов серной кислоты и поваренной соли Q₂;

- отмывку катионитной загрузки после регенерации Q₃.

На эти цели используют исходную воду, общий расход которой составляет, м³/сут:

Q_т.н= Q₁ + Q₂ + Q₃. (49)

5.1. Расход воды на взрыхление катионитной загрузки в фильтрах перед регенерацией, м³/сут:

, (50)

где W_взр – интенсивность подачи воды для взрыхления катионита, л/с·м²; f – наибольшая площадь катионитного фильтра, м²; t_взр – продолжительность взрыхления катионита, мин, (данные для расчета принимаются из фор. 42);

n_H и n_Na - соответственно количество рабочих Н-катионитных и Na-катионитных фильтров; n^H_p и n^Na_p - соответственно число регенераций рабочих Н-катионитных и Na-катионитных фильтров, (принимается из фор. 12).

5.2. Расход воды на приготовление регенерационных растворов серной кислоты и поваренной соли складывается из следующих расходов, м³/сут:

Приготовление 1%-ного регенерационного раствора серной кислоты, м³/сут:

, (51)

где Р_Нсут - суточный весовой расход серной кислоты для регенерации всех рабочих Н-катионитных фильтров, кг/сут, (принимается из фор. 28).

Приготовление раствора поваренной соли в резервуарах мокрого хранения 26%-ной концентрации, м³/сут:

, (52)

где P_Naсут - суточный весовой расход поваренной соли для регенерации всех рабочих Na-катионитных фильтров, кг/сут, (принимается из фор. 35).

Приготовление 8%-ного регенерационного раствора поваренной соли, м³/сут:

. (53)

Таким образом, расход воды Q₂ составит, м³/сут:

. (54)

5.3. Расход воды на отмывку катионитной загрузки после регенерации, м³/сут:

Q₃= W_отм· f · Н_к · ( n_Н · n^H_p + n_Na · n^Na_p ), (55)

где W_отм – удельный расход отмывочной воды, 5…6 м³ на 1 м³ катионитной загрузки, [1, прил.7, п.21]; f – наибольшая площадь катионитного фильтра, м²; Н_к - высота слоя катионитной загрузки фильтра наибольшей площади, м.

В целях экономии воды, согласно [1, прил.7, п.30], рекомендуется первую половину отмывочной воды сбрасывать в канализацию, вторую направлять в бак для взрыхления катионита.

Станции умягчения воды

Определение диаметров магистральных трубопроводов для транспортирования воды, растворов серной кислоты и поваренной соли рекомендуется производить исходя из величины соответствующих расходов и скорости движения жидкости в пределах v = 1…1, 5 м/с. Расчеты ведутся с использованием [4] и сводятся в табл. 7.

Все суточные расходы жидкостей необходимо перевести в л/с по формуле, л/с:

. (56)

Таблица 7

Назначение трубопроводов	Расход, q, л/с	Скорость, v, м/с	Диаметр, d, мм	Материал труб
Трубопровод подачи исходной воды, (Q_сут + Q_т.н, м³/сут)				сталь
Трубопровод подачи взрыхляющей воды, (Q₁, м³/сут)				сталь
Трубопровод подачи отмывочной воды, (Q₃, м³/сут)				сталь
Трубопровод подачи 1%-ного регенерационного раствора серной кислоты, (Q_1%р.р, м³/сут)				пластмасса
Трубопровод подачи 8%-ного регенерационного раствора поваренной соли, (Q_8%р.р, м³/сут)				пластмасса
Трубопровод подачи 26%-ного раствора поваренной соли, (Q_26%_Na, м³/сут)				пластмасса
Трубопровод отвода взрыхляющей воды, (Q₁, м³/сут)				сталь
Трубопровод отвода отмывочной воды, (Q₃, м³/сут)				сталь
Трубопровод отвода умягченной воды, (Q_сут, м³/сут)				сталь

Для перекачки растворов кислот и щелочей концентрацией до 30% применяются трубы из нержавеющей хромоникелевой стали марки 10х18Р9ТЛ и 10х18Н10Т или из полиэтилена. Для перекачки растворов кислот и щелочей концентрацией более 80% используют трубы из углеродистой стали или пластмассовые.

Арматура для трубопроводов, транспортирующих агрессивные среды, выполняются из стали, футированной пластмассой или гуммированной кислото- и щелочестойкой резиной.

Список использованной литературы

1. СП 31.13330-2012 (Актуализированная версия СНИП 2.04.02-84^*) Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Нормы проектирования. – М.: Стройиздат, 2012. – 145 с.

2. Николадзе Г.И. и др. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения/Г.И. Николадзе, Д.М. Минц, А.А. Кастальский. – М.: Высшая школа, 1984. – 368 с.

3. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1984. – 480с.

4. Шевелёв Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. – М.: Стройиздат, 1973. – 137 с.

5. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий/Под общей ред. И.А. Назарова. – М.: Стройиздат, 1977. – 429 с.

6. Умягчение воды методом ионного обмена: Метод. указ. К выполнению курсового проекта / Сост. Н.Д. Артеменок, К.Л. Кунц. – М.: Всесоюзный заочный ин-т инж. ж.-д. трансп., 1992. – 15с.

7. Якубчик П.П. Насосы, насосные и воздуходувные станции: Конспект лекций. – ПГУПС, 2009. – 181 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

а)
б)

Рис. 1. Технологические схемы умягчения воды Н-Na-катионированием:

а) – параллельное Н-Na-катионирование; б) – последовательное Н-Na-катионирование; Н[Кат] – водород-катионитные фильтры; Na[Кат] – натрий-катионитные фильтры; Д – дегазатор.

Рис. 2. Схема кислотного хозяйства

Рис. 3 Схема солевого хозяйства

Рис. 4. Технологическая схема и план станции умягчения воды методом ионного обмена