Предочистка воды

16.1. Основные положения.

Обработка поверхностных природных вод для восполнения потерь пара и конденсата на ТЭС и АЭС начинается с очистки их от грубодисперсных и коллоидных соединений, которые могут явиться причиной образования вторичной накипи на поверхностях нагрева, ухудшения качества пара и загрязнения ионитных материалов.

Удаление из воды грубодисперсных примесей достигается осветлением ее путем отстаивания и фильтрования. Осветление воды отстаиванием осуществляется в осветлителях. Осветление воды путем фильтрования заключается в пропускании ее через осветлительные фильтры, загруженные зернистым фильтрующим материалом, задерживающим грубодисперсные примеси воды.

Для полного осветления воды, содержащей коллоидно-дисперсные вещества, необходимо их укрупнение, которое достигается их коагулировнием. Коагуляция является физико-химическим процессом слипания коллоидных частиц, выпадающих в осадок и удаляемых из воды осаждением их в осветлителях или фильтрованием в осветлительных фильтрах.

Обычно применяется двухступенчатое осветление воды:

1) коагулирование и задержание взвеси в осветлителе со снижением ее содержания до 8-12 мг/кг;

2) последующее глубокое осветление фильтрованием коагулированной воды, содержащей тонко-дисперсную взвесь, не успевшую осесть в осветлителях.

В результате процессов коагулирования и осветления увеличивается прозрачность воды, снижается ее окисляемость и происходит ее обесцвечивание. При правильно налаженных режимах коагуляции воды удаляется примерно 60‑80 % органических веществ. Методы предочистки в зависимости от качества исходной воды приведены в [9].

16.2. Коагуляция воды.

Процесс коагуляции происходит в результате нарушения агрегативной устойчивости коллоидной системы, которая обусловлена тем, что в данном коллоидном растворе все коллоидные частицы имеют электрический заряд одинаковый по знаку. Поскольку между частицами с одинаковым знаком заряда действуют силы электростатического отталкивания, взаимного соединения таких частиц не происходит.

Возникновение заряда коллоидных частиц обусловливается либо адсорбцией ими из раствора ионов одного какого-либо знака заряда, либо отдачей ими в раствор ионов также одного какого-либо знака. Адсорбированные ионы равномерно распределяются по поверхности частицы, образуя адсорбционный слой. Так как у частицы появляется заряд, то вокруг нее концентрируются ионы с зарядами противоположного знака (противоионы), они сохраняют способность к диффузии в окружающую жидкость, образуя диффузионнный слой, в котором концентрация противоионов уменьшается по мере удаления от частиц.

При броуновском движении вместе с коллоидной частицей движется двойной электрический слой, состоящий из ионов адсорбционного слоя и части противоионов диффузного слоя. Противоионы, расположенные вокруг двойного электрического слоя, отрываются от движущейся частицы, благодаря чему она приобретает некоторый заряд по отношению к остальному объему окружающей ее жидкости. Потенциал движущейся коллоидной частицы относительно окружающего ее объема жидкой фазы получил название электрокинетического или (дзета)-потенциала, который и характеризует агрегативную устойчивость коллоидной системы. Чтобы ее нарушить необходимо понизить -потенциал.

Снижение величин зарядов частиц может быть достигнуто увеличением концентрации противоионов в растворе путем добавление к нему соответствующих электролитов, так как при этом происходит уменьшение диффузного слоя. Опытным путем установлено, что когда -потенциал снижается до 0,03 В начинается процесс коагуляции, скорость которого возрастает пропорционально снижению -потенциала. В водоподготовке электролитная коагуляция мало удобна, а применяется процесс коагуляции, основанный на принципе взаимной коагуляции коллоидов.

Так как коллоидно-дисперсные примеси природных вод характеризуются отрицательным знаком -потенциала, для их коагуляции применяют коллоидные растворы, имеющие положительный -потенциала. В качестве таких коагулянтов наибольшее распространение на ВПУ получили сернокислые соли алюминия и железа . Причем в положительно заряженный раствор их вводят не в готовом виде, а получают непосредственно в обрабатываемой воде.

При добавлении к воде сернокислого алюминия происходит его гидролиз с образованием труднорастворимых гидроксидов, которые способствуют слипанию коллоидных частиц и появлению в объеме воды хлопьевидной взвеси. Присутствие в исходной воде бикарбонатов приводит к реакции, которую в общем виде можно выразить уравнением

. (37)

Если в исходной воде бикарбонатов недостаточно, проводится подщелачивание обрабатываемой воды или .

Проведение процесса коагуляции сернокислым алюминием эффективно при значениях рН среды 5,5-7,5. Сернокислое железо применяется при коагуляции, совмещенной с известкованием (рН >9,5)

. (38)

На размер хлопьев влияют различные факторы. Один из основных факторов – характер перемешивания раствора в процессе коагуляции. Энергичное перемешивание быстро создает одинаковую концентрацию реагента в растворе и увеличивает число столкновений отдельных коллоидных частиц, но образующаяся макрофаза имеет непрочную структуру и может механически разрушаться. Кроме этого на процесс образования хлопьев влияют температура, значение рН, солевой состав. Так, процесс хлопьеобразования ускоряется при повышении температуры и концентрации сульфатов.

Если применением одного коагулянта невозможно достичь желаемых результатов, используют флокулянты, которые ускоряют образование крупных хлопьев, например полиакриламид (ПАА).

Выбор вида и дозы коагулянта, а также дозы щелочного реагента и оптимальной величины рН производится на основе результатов пробной коагуляции воды различными реагентами, проводимой в лабораторных условиях в характерные для источника воды периоды года.

16.3. Коагуляция воды в осветлителе.

На рис. 14 приведена принципиальная схема коагуляционной установки с осветлителем. Исходная вода после подогрева ее до температуры 25-30 °С поступает в осветлитель вместе с раствором коагулянта. Кроме того в осветлитель вводится раствор кислоты или щелочи для поддержания оптимального значения рН. В осветлителе осуществляется первая стадия осветления воды. Вторая стадия осветления реализуется с помощью осветлительных фильтров. Включение баков большого объема предусматривается из-за чувствительности осветлителей к колебаниям расхода воды. Вода, подаваемая в осветлители должна иметь постоянную температуру, т.к. отклонение ее более чем на 1 °С в час сопровождается возникновением конвективных токов в осветлителе, что приводит к ухудшению эффекта очистки воды.

В современных осветлителях процесс осветления происходит в слое взвешенного осадка [11]. Вся масса частиц твердой фазы в этом слое находится в состоянии динамического равновесия. Обрабатываемая вода движется в направлении снизу вверх и, проходя через слой взвешенного осадка, мелкодисперсные частицы твердой фазы, образующиеся в результате коагуляции и осаждения, налипают на крупные частицы осадка, находящиеся во взвешенном слое.

Для более полного удаления органических веществ из коагулированной воды ее, после осветленных фильтров, пропускают через сорбционные фильтры, загруженные активированным углем.

16.4 Известкование.

Метод известкования используется для снижения щелочности и умягчения воды. Гашеная известь вводится в заранее подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами

. (39)

Рис. 14. Осветлитель типа ЦНИИ МПС-1А

для известкования конструкции Е. Ф. Кургаева:

1.- подвод сырой воды; 2, 3 - воздухоотделители для воды; 4 - ввод известко­вого молока;

5 - ввод коагулянта; 6 - дырчатые смесительные перегородки; 7 - верхняя дроссельная решетка; 8- сборный желоб; 9 - шламосборные трубы с окнами; 10 - сопла на вводе воды;

11 - шламоуплотнитель; 12 - дроссельная решетка шламоуплотнителя; 13 - сборный коллектор; 14- регулирующая задвижка на отводе осветленной воды из шламоуплотнителя;

15 - подвод воды для промывки верхней дроссельной решетки; 16 - приемный карман;

17 - отвод осветленной воды; 18 - переливная труба; 19 - грязевик для тяжелого шлама;

20 - подача воды для промывки коллектора 13; 21 и 22 - задвижки на линиях периодической продувки грязевика и шламоуплотнителя; 23- непрерывная продувка шламоуплотнителя;

24-29- пробоотборные трубки; 30 - воронка для сливаемых проб;

а - з - оптимальные расчетные скорости, мм/с (числитель - при коагуляции, знаменатель - при известковании или коагуляции-известковании соответственно: 500 - 1000; 30 - 50; 800 - 1000/1200-1500; 1 - 1 2/1,5 - 2,0; 0,9 - 1,0/1,1 - l,2; 300; 0,70 - 0,8/0,9 - 1,0; 100 - 300;

при производительности 30, 85, 160, 320, 550 м³/ч; диаметр, м, и высота, м, соответственно

3, 37 и 8,16; 4,9 и 12,5; 6,7 и 13,12; 9,2 и 14,38; 12,2 и 16,11.

Обогащение воды ионами приводит:

а) к переводу бикарбонатных ионов в карбонатные

; (40)

б) к связыванию растворенной в воде свободной углекислоты с образованием карбонатных ионов

. (41)

Повышение концентрации ионов и наличие в ней ионов приводит к превышению произведения растворимости

(42)

и выделению в осадок почти нерастворимого в воде карбоната кальция

. (43)

При дозировке извести в количестве большем, чем это необходимо для осаждения ионов кальция и связывания свободной углекислоты, в воде появляется избыточная концентрация ионов , в результате достигается произведение растворимости и для гидроокиси магния и выпадения последней в осадок:

. (44)

С целью углубления процесса снижения щелочности и процесса удаления из воды грубодисперсных и коллоидных примесей одновременно с известкованием применяется коагуляция этих примесей сернокислым железом. Щелочность обрабатываемой воды снижается при этом до 0,5-0,75 мг-экв/кг. Одновременно со снижением щелочности происходит уменьшение сухого остатка и жесткости обработанной воды. При известковании вод, у которых разность равна концентрации бикарбоната натрия, последний реагируя с анионами и , переходит в кальцинированную соду или едкий натр

; (45)

; (46)

; (47)

. (48)

Следовательно, известкованием нельзя в необходимых размерах снизить избыточную щелочность подобной исходной воды.

При обработке вод с большой некарбонатной жесткостью в отдельных случаях целесообразно применять метод осаждения не только для снижения щелочности, но и для более глубокого умягчения воды, чем только при одном известковании. Это может быть достигнуто дополнительным введением соды. При дозировании в воде возрастает концентрация карбонатных ионов, что позволяет снизить не только карбонатную жесткость, но и некарбонатную; при этом сода дозируется без избытка. При температуре около 40 °С остаточная жесткость умягченной воды составляет 2-3 мг-экв/кг; окончательное умягчение воды производится методами катионного обмена.

16.5 Коагуляция и осветление воды фильтрованием.

Для глубокого удаления из воды грубодисперсных частиц, хлопьев коагулянта и скоагулированных коллоидных частиц применяется фильтрование, в результате которого происходит осветление воды. При отсутствии предварительной коагуляции в осветлителях вода, содержащая грубодисперсную взвесь, образует фильтрующую пленку на поверхности фильтрующего слоя. Если же предварительная коагуляция в осветлителе применяется, то на фильтры поступает вода, содержащая мельчайшие взвешенные частицы, и фильтрование идет не на поверхности, а в толще фильтрующего слоя.

Процесс фильтрования имеет физико-химическую природу, а эффект осветления воды при фильтровании объясняется прилипанием взвешенных частиц к зернам фильтрующего слоя и ранее прилипшим частицам под действием молекулярных сил притяжения и электрических сил. По своей физической сущности этот процесс является коагуляционным. Явление прилипания мельчайших частиц, содержащихся в воде, к поверхности зерен фильтрующего слоя получило название контактной коагуляции.

Интенсивность работы осветлительных фильтров характеризуется скоростью фильтрования, равной часовой производительности одного м² сечения фильтра

, м/ч, (49)

где - часовое количество фильтрующей воды, м³/ч;

- площадь фильтрования, м².

Фильтрование воды происходит за счет разности давлений над и под фильтрующим слоем: . Величина называется перепадом давлений или потерей напора в фильтре. Потери напора тем больше, чем больше скорость фильтрования, высота фильтрующего слоя и степень засорения последнего, и чем меньше размеры зерен фильтрующего материала и температура воды.

По мере увеличения сопротивления фильтра уменьшается скорость фильтрования и производительность фильтра. Поэтому для обеспечения необходимой производительности приходится увеличивать перепад давлений в фильтре. При достижении максимально допустимого загрязнения (потери напора), фильтр выключается из работы на взрыхляющую промывку, которая состоит в пропуске через него осветленной воды снизу вверх. Период работы фильтра от начала одной промывки до начала следующей называется фильтроциклом. Величина фильтроцикла зависит от удельной грязеемкости фильтра, его основных размеров, концентрации взвешенных веществ в фильтруемой воде и часовой производительности фильтра.

Осветлительные фильтры применяемые на ВПУ, классифицируются по следующим признакам:

1) по типу - вертикальные и горизонтальные;

2) по давлению – на самотечные и напорные;

3) по количеству последовательных слоев – однослойные и двухслойные;

4) по числу камер – однокамерные, двухкамерные, трехкамерные и батарейные;

5) по способу фильтрования на однопоточные и двухпоточные.

Наиболее широкое применение на электрических станциях, получили вертикальные напорные однопоточные фильтры, схема которого представлена на рис. 15.

Рис. 15. Вертикальный однопоточный, осветлительный фильтр:

1 – верхнее распределительные устройство; 2 – нижнее распределительное устройство;

3 – фильтрат; 4 – сжатый воздух, промывочная вода; 5 – спуск первых порций фильтрата;

6 – спуск промывочной воды; 7 – обрабатываемая вода

Материал, загружаемый в осветлительные фильтры, должен обладать высокой механической прочностью, хорошей химической стойкостью, а также иметь определенный фракционный состав, обеспечивающий правильный гидравлический режим работы осветлительных фильтров. Наиболее широкое применение на ВПУ нашли кварцевый песок и антрацит. Кварцевый песок обычно применяется для подготовки добавочной воды котлов низкого и среднего давления, так как возможно загрязнения фильтрата кремниевой кислотой, что недопустимо для котлов ВД и СВД. Поэтому на ВПУ электростанций с котлами 11 МПа и выше в качестве фильтрующего материала применяется дробленый антрацит.

Работа осветлительных фильтров состоит из двух этапов: полезной работы фильтра по осветлению воды и взрыхляющей промывки. Эксплуатация фильтра в межпромывочный период состоит в наблюдении за прозрачностью фильтрата, производительностью фильтра и изменением его гидравлического сопротивления. Промывка фильтра заключается в пропуске через него осветленной воды снизу вверх. Поток промывочной воды, поднимаясь, разрыхляет и взвешивает весь фильтрующий слой, что дает возможность зернам двигаться и при столкновении счищать прилипшие к ним частицы шлама и слизи. Величина интенсивности промывки зависит от рода материала, размера его зерен, температуры воды и обычно составляет 15-18 л/(м²×с) для кварцевого песка и 10-12 л/(м²×с) для дробленого антрацита. Продолжительность промывки составляет 6 - 10 мин.

Скорость фильтрования воды при предварительной обработке ее в осветлителе - 10 м/ч, а без предварительной обработки - 5 м/ч.

16.6. Глубокая очистка конденсатов от мелкодисперсных продуктов

коррозии конструкционных материалов на ТЭС и АЭС.

Насыпные фильтры применяют для очистки воды на ВПУ. Для очистки же конденсатов используют намывные и электромагнитные фильтры, которые позволяют более глубоко очищать воду от мелкодисперсных взвесей.

В качестве фильтрующего материала в намывных фильтрах используется целлюлоза, обработанная разбавленной соляной кислотой.

Намывные целлюлозные фильтры (рис. 16) применяют для очистки производственных конденсатов и конденсата турбины от продуктов коррозии теплоэнергетического оборудования. Такой фильтр состоит из цилиндрического корпуса с эллиптическими днищами и трубной доски, зажатой между фланцами. В нижней части фильтра под трубной доской расположено дренажно-распределительное устройство, служащее для подачи в фильтр целлюлозной пульпы и обрабатываемого конденсата. В трубную доску вставлены фильтрующие патроны.

Отвод очищенного конденсата из фильтра производится с помощью верхнего распределительного устройства.

1 – верхнее распределительное устройство; 2 – целлюлозная пульпа; 3 – циркуляция пульпы;

4 – промывочная вода; 5 – дренаж; 6 – фильтрат; 7 – первая порция фильтрата;

8 – обрабатываемая вода; 9 – корпус фильтра; 10 – фильтрующие патроны;

11 – нижнее распределительное устройство

Фильтрующий патрон представляет собой каркас, на который навита спираль из проволоки, она и образует фильтрующую поверхность патрона. Цикл работы намывного целлюлозного фильтра включает следующие операции:

1) приготовление целлюлозной пульпы и ее намыв на патроны;

2) фильтрация конденсата;

3) удаление отработанной целлюлозы с помощью промывочной воды и сжатого воздуха.

Намыв целлюлозы производится по замкнутому контуру: гидромешалка - насос - фильтр - гидромешалка. Правильно и равномерно намытый целлюлозный фильтр обеспечивает практически полное удаление окислов железа и меди, находящихся во взвешенной форме.

Для удаления из конденсата продуктов коррозии могут также быть использованы электромагнитные фильтры, установленные перед катионитными фильтрами. Магнитные фильтры улавливают намагничивающиеся в них грубодисперсные частицы железно окисной взвеси.

17. ОБРАБОТКА ПРИРОДНЫХ ВОД И КОНДЕНСАТОВ

МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА

17.1 Основные положения.

Обработка воды методом ионного обмена основана на способности некоторых в воде веществ, называемых ионообменными материалами, или ионитами, изменять в желаемом направлении ионный состав воды. Для этого обрабатываемая вода пропускается через фильтры, загруженные ионитами, где обменивает часть ионов растворенных в ней электролитов на эквивалентное количество ионов ионита, в результате чего изменяется ионный состав как фильтруемой воды, так и самого ионита. Если происходит обмен катионов, то такой процесс называется катионированием, если анионов – анионированием.

Обработка воды методом ионного обмена принципиально отличается от обработки воды методами осаждения тем, что удаляемые из нее примеси не образуют осадка, и тем, что такая обработка не требует непрерывного дозирования реагентов.

Продолжительность рабочего цикла ионитных фильтров определяется обменной емкостью ионита, т.е. способностью его к ионному обмену.

После использования до заданного предела обменной емкости ионита необходимо восстановление ее путем удаления из ионита задержанных ионов и введения взамен их ионов, которые он отдавал воде в период рабочего цикла. Таким образом, восстановление истощенного ионита или его регенерация, является процессом ионного обмена, проводимого в обратном порядке.

В качестве ионитов в водоподготовительных установках используется сульфоуголь и синтетические смолы, являющиеся высокомолекулярными веществами. Иониты характеризуются следующими специфическими свойствами: набухаемостью, нерастворимостью в воде и способностью к реакциям ионного обмена.

Отношение объемов одной и той же массы ионита в набухшем и воздушно-сухом состояниях называется коэффициентом набухания, который равен отношению насыпной плотности воздушно-сухого ионита к насыпной плотности набухшего ионита

. (50)

Способность ионита к ионному обмену объясняется их специфической структурой, состоящей из твердой нерастворимой в воде молекулярной сетки, к отдельным местам которой по поверхности и внутри ее массы, присоединены химически активные функциональные группы атомов ионита. Если способные к обмену ионы имеют положительные заряды, то ионит называется катионитом, если отрицательно заряженные – анионитом. Схематически диссоциацию ионов в воде можно представить в следующем виде:

.

Полная обменная емкость ионита характеризуется количеством ионов, которое может быть поглощено ионитом при полной замене всех обменных ионов. Рабочая обменная емкость характеризуется количеством ионов, поглащенных ионитом, при пропускании раствора солей или кислот определенной концентрации через фильтр, загруженный испытуемым ионитом, до начала «проскока» в фильтрат поглащаемых ионов. Обменная емкость выражается в грамм-эквивалентах ионов, поглащенных 1 м³ набухшего ионита (г-экв/м³).

17.2 Характеристика ионитовых материалов.

17.2.1. Катиониты.

Катиониты содержат следующие функциональные химически активные группы, водород которых способен замещаться другими катионами: сульфогруппу , одновалентную карбоксильную группу и одновалентную фенольную группу . Из них группа , обладает сильнокислотными, остальные – слабокислотными свойствами. Таким образом катиониты делятся на сильнокислотные и слабокислотные. Первые способны к обмену катионов в любых средах, вторые – только в щелочной среде.

В зависимости от того, какой катион в данном катионите является обменным, различают - катионит, - катионит и - катионит. Показателями качества катионитов является физические свойства, химическая и термическая стойкость, рабочая обменная емкость и др. Показателями физических свойств катионита является фракционный состав и механическая прочность, а также набухаемость катионита.

При прочих равных условиях мелкозернистый катионит имеет большую емкость. С другой стороны, чем мельче зерна, тем больше гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды.

Учитывая все это, оптимальные размеры зерен катионита принимают в пределах 0,3-1,5 мм. Кроме того, катионит должен быть однородным [12].

Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида улавливаемых из воды катионов, соотношения солевых компонентов в обрабатываемой воде, значения рН воды, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации и удельного расхода регенерирующего реагента.

Из применяемых катионитов [12] наиболее широко используются сульфоуголь и катионит марки КУ-2-8, являющийся синтетической смолой и обладающий высокой обменной емкостью и высокой химической стойкостью даже при температуре 120 °С.

17.2.2. Аниониты.

Аниониты содержат следующие химически активные функциональные группы: первичные (), вторичные (), третичные () аминогруппы и четвертичные аммониевые группы (). Первые три группы обладают слабоосновными свойствами, четвертая – сильноосновными. Соответственно анионы делятся на слабоосновные и сильноосновные. Первые способны к обмену анионов только в кислой среде, вторые - в любой.

В состав анионитов могут быть введены различные обменные анионы. В практике ВПУ таким обменным анионом является . Кроме того возможно использование анионов и (регенерация содой).

Качество анионитов определяется теми же показателями, что и катионитов. Из них основным показателем является рабочая обменная емкость, которая в отличие от катионитов, повышается со снижением рН.

Так как сильноосновные аниониты в схемах полного химического обессоливания предназначены для обескремнивания, их обменная способность характеризуется рабочей кремнеемкостью, выраженной количеством грамм-эквивалентов , которое может извлечь из воды 1м³ набухшего анионита. Она зависит от величины рН воды, концентрации кремниевой кислоты в воде, удельного расхода щелочи на регенерацию, скорости фильтрования, природы ионного обмена, температуры исходной воды.

Из известных анионитов [12] наибольшее распространение получили слабоосновный анионит АН‑18 и сильноосновный АВ-17.

17.3. - катионирование.

При - катионировании жесткой воды происходит следующий катионный обмен

, (51)

. (52)

В результате этих реакций остаточная жесткость - катионированнной воды снижается до 10 мкг-экв/кг и ниже, щелочность и анионный состав не изменяются, солесодержание ее несколько возрастает. Это объясняется тем, что два катиона заменяют один катион или , т.е. 23 весовые части натрия заменяют 20 весовых частей кальция или 12,16 весовых частей магния.

Не все катионы извлекаются из растворов катионитами с одинаковой интенсивностью. Для катионитов справедливым является следующий ряд катионов: , в котором каждый предыдущий катион извлекается из воды более интенсивно, чем последующий. Отсюда следует, что при катионировании растворов, содержащих разноименные катионы, наблюдается неодновременность проскока в фильтрат катионов разной природы и способность одних катионов вытеснять другие, поглощенные ранее катионитом.

Основным недостатком - катионирования является превращение карбонатной жесткости воды в карбонат и бикарбонат натрия, обусловливающий высокую натриевую щелочность котловой воды. Процесс умягчения воды - катионированием изображен на рисунке 17.

Рис. 17. График умягчения воды в катионитном фильтре:

1 – истощенный катионит; 2 – зона умягчения; 3 – свежий катионит

Линия ГД соответствует величине жесткости исходной воды. Кривая АБД показывает зависимость остаточной жесткости умягченной воды от количества ее пропущенного через фильтр. При фильтровании воды через катионит от плоскости аб до некоторой плоскости а_об_о происходит ее умягчение. По мере истощения верхние слои катионита перестают умягчать воду. Вместо них вступает в работу свежие слои катионита, и зона умягчения постепенно опускается.

В начале работы фильтра остаточная жесткость умягченной воды будет весьма малой и постоянной (линия АБ) до момента совмещения нижних границ зоны умягчения а₂б₂ и слоя катионита а₃б₃. С момента совмещения этих плоскостей начинается проскок катионов и и увеличение остаточной жесткости фильтра (кривая БД) до жесткости исходной воды. (точка Д) при полном истощении катионита.

Площадь АБВГ эквивалентна рабочей обменной емкости. Площадь АБДГ – полной обменной емкости. Площадь БВД характеризует обменную емкость, оставшуюся не использованной. Она минимальна в том случае, когда ограничивающие зону умягчения плоскости а₁б₁ и а₂б₂ горизонтальны. В действительности зона умягчения ограничивается искривленными плоскостями, при которых проскок катионов и начинается преждевременно вследствие гидравлического перекоса. На кривой истощения катионита этому моменту соответствует точка Б¢.

Процесс восстановления обменной емкости истощенного катионита называется его регенерацией. Регенерация истощенного - катионита проводится фильтрованием через его слои раствора поваренной соли . Вследствие большой концентрации катионов натрия в растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов кальция и магния

, (53)

. (54)

Поваренная соль применяется для регенерации из-за ее доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получаемые в процессе регенерации хорошо растворимые и легко удаляются с регенерационным раствором и отмывочной водой.

При пропускании через фильтр раствора в последнем возрастает концентрация вытесняемых их катионита катионов и , но снижается концентрация катионов . Увеличение концентрации противоионов (в данном случае и ) в регенерационном растворе подавляет диссоциацию истощенного катионита и ослабляет процесс ионного обмена. Возникающий при этом противоионный эффект тормозит реакцию регенерации. В результате чего, при регенерации сверху вниз, по мере движения регенерирующего раствора в нижние слои катионита регенерация последнего протекает менее полно и некоторое количество катионитов и остается невытесненным из нижних слоев катионита. Для устранения этого недостатка можно пропускать через катионит все новые порции раствора реагента. Но это вызовет увеличение расхода поваренной соли и повышение стоимости обработки воды. Поэтому ограничиваются однократным пропуском регенерационного раствора с количеством соли, превышающим в 3-3,5 раза стехиометрический расход, что обеспечивает относительно удовлетворительную регенерацию катионита.

При пропускании через такой отрегенерированный фильтр сверху вниз умягчаемой воды, в верхних слоях катионита катионный обмен протекает достаточно полно. Однако по мере движения в нижние слои умягчаемая вода обогащается катионами и в результате противоионного эффекта процесс умягчения воды тормозится, вследствие чего умягченная вода имеет некоторую остаточную жесткость.

Следовательно, как полнота регенерации катионита снижается по направлению движения регенерационного раствора, так снижается и глубина умягчения воды, фильтруемой в том же направлении. Если же регенерационный раствор и умягчаемую воду пропускать в разных направлениях, то последняя перед выходом из фильтра соприкасается с наиболее хорошо отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. Такой метод позволяет значительно снизить расход реагентов на регенерацию катионита, приближаясь к стехиометрическим соотношениям обменивающихся катионов, не снижая при этом глубины умягчения воды.

- катионирование применимо для вод с относительно малой карбонатной жесткостью.

Для более глубокого умягчения воды, а также в целях экономии соли и увеличения продолжительности фильтроцикла применяется двухступенчатое - катионирование. Незначительное содержание удаленных катионов в воде, поступающей на фильтры второй ступени, позволяет осуществлять фильтрование через них воды с большей скоростью. Кроме того, наличие фильтров второй ступени создает своего рода барьер, препятствующий проскоку удаляемых катионов при случайных отклонениях в условиях работы. Поэтому - катионитные фильтры второй ступени часто называют барьерными фильтрами.

17.4. Н – катионирование.

При Н- катионировании воды протекают следующие реакции:

, (55)

, (56)

, (57)

. (58)

В результате этих реакций общая жесткость Н ‑ катионированной воды снижается до 10 мкг-экв/кг и ниже, а карбонатная жесткость полностью удаляется, вследствие чего происходит снижение солесодержания и устранение щелочности воды. При этом присутствующие в воде нитраты, сульфаты и хлориды преобразуются в кислоты. Ввиду того, что Н‑ катионированная вода является кислой, непригодной для питания котлов, Н- катионирование всегда сочетается с - катионированием или анионированием, что дает возможность нейтрализовать кислотность.

На рис. 18 изображен процесс Н- катионирования раствора, содержащего катионы кальция и натрия. Процесс Н- катионирования в данном случае можно разделить условно на четыре стадии:

Рис. 18. Процесс Н-катионирования раствора,

содержащего катионы кальция и натрия:

1 – концентрация катионов натрия в исходном растворе,

2 – концентрация катионов кальция в исходном растворе,

3 – концентрация катионов натрия в фильтрате, 4 – концентрация катионов кальция в фильтрате

1) полное поглощение катионов из раствора (А-Г);

2) проскок в фильтрат катионов и нарастание их концентрации в фильтрате до концентрации в исходном растворе (Г‑Ж);

3) вытеснение катионами поглощенного ранее катиона в фильтрат (Ж-М-Н);

4) проскок в фильтрат катиона с увеличением его концентрации в фильтрате до концентрации в исходном растворе (И-Р).

Рабочая обменная емкость H- катионитов зависит от схемы подготовки воды. При полном химическом обессоливании фильтр отключается на регенерацию в момент проскока катиона и рабочая обменная емкость будет определяться суммой площадей АБВГ и АДЕГ. При умягчении воды путем комбинированного - катионирования, Н- катионитные фильтры отключаются на регенерацию в момент проскока солей жесткости и рабочая обменная емкость Н- катионита определяется площадью АДКИ.

На рабочую обменную емкость катионита оказывает влияние также анионный состав воды и величина ее общего солесодержания.

Регенерация истощенного Н- катионита обычно осуществляется 1-1,5 % раствором серной кислоты. При большей концентрации серной кислоты появляется опасность загипсовывания зерен и потери катионитом ионообменной способности. В процессе регенерации протекают следующие реакции

, (59)

, (60)

. (61)

Для обеспечения большей полноты регенерации Н- катионита применяется расход серной кислоты в количестве, превышающем в 1,25-1,5 раза стехиометрический, что обеспечивает вполне удовлетворительную регенерацию катионита.

Иногда применяется «голодная» регенерация Н- катионитовых фильтров. В этом случае при катионировании происходит не глубокое умягчение воды, а разрушение ее карбонатной щелочности без образования кислого фильтрата. Это достигается тем, что фильтры регенерируются таким количеством кислоты, которого недостаточно для вытеснения всех катионов, ранее поглащенных из воды. Это приводит к расположению в верхних частях фильтрующего слоя катионита с обменным катионом водорода, а в верхних – с обменными катионами кальция и магния. Прошедшая через такой фильтр вода не содержит сильных кислот и имеет незначительную щелочность (0,6-0,8 мг-экв/кг). Последующим фильтрованием Н- катионированной воды после удаления из нее свобоной углекислоты через две ступени - катионитовых фильтров достигается необходимая глубина ее умягчения (не более 5 мкг-экв/кг).

Для более полного вытеснения поглощенных катионов рекомендуется производить ступенчатую регенерацию Н – катионита: сначала 1 % ным раствором серной кислоты, а затем, когда основная масса катионов кальция уже вытеснена и опасности загипсовывания уже нет, более крепким (5 % - 8 %) раствором кислоты. Для регенерации можно применять и соляную кислоту, но она дорогая, имеет сильный удушающий запах.

17.5. Анионирование.

На слабоосновные анионитные фильтры вода поступает после Н ‑ катионитных фильтров. Анионирование Н – катионированной воды применяется в схемах химического обессоливания воды. Слабоосновные аниониты способны поглощать только анионы сильных кислот (), например

. (62)

В результате общее солесодержание воды снижается до 50-100 мкг/кг.

Слабоосновные аниониты неодинаково поглощают различные анионы, для большинства из них справедливым является , в котором каждый предыдущий анион поглощается более активно и в большем количестве, чем последующий. Поэтому в схемах полного химического обессоливания анионитные фильтры первой ступени (слабоосновные) приходится выключать на регенерацию по проскоку в фильтрат аниона . При частичном же обессоливании воды емкость слабоосновного анионита можно существенно увеличить, выключая фильтр на регенерацию в момент проскока анионов (если ).

Сильноосновные аниониты способны извлекать из воды все содержащиеся в ней анионы, причем интенсивность поглощения характеризуется следующим рядом: . Однако сильноосновные аниониты значительно дороже слабоосновных, поэтому применяются, главным образом, для поглощения анионов кремниевой кислоты при полном химическом обессоливании и обескремнивании воды

. (63)

Кремнесодержание воды снижается до 20 мкг/кг и ниже в зависимости от режима работы фильтра.

Глубокое обескремнивание и высокая кремнеемкость фильтра достигается лишь при определенных значениях рН. Лучшие результаты получаются в том случае, когда в исходной воде находится сама кремниевая кислота, а не ее соли. Рабочая кремнеемкость тем выше, чем выше концентрация кремниевой кислоты в исходной воде и допускаемый проскок кислоты в фильтрат.

Регенерация анионита достигается фильтрованием растворов или , например

. (64)

Расход щелочи для регенерации слабоосновных анионитов достаточен в двухкратном количестве против стехиометрического. При повторном использовании отмывочных вод для регенерации анионита расход реагента можно снизить на 15-30 %. Концентрация регенерационного раствора составляет 2‑4 %. Приготовление его производится на Н -катионированной воде.

Сильноосновные аниониты регенерируются 4 % раствором едкого натра. Удельный расход едкого натра на регенерацию объемно превосходит стехиометрический в несколько раз. Путем повторного использования регенерационных отмывочных вод после регенерации сильноосновного анионита для регенерации слабоосновного анионита общий удельный расход щелочи на регенерацию анионитов может быть снижен до 70-80 г/г-экв всех поглощенных анионов.

На глубину обескремнивания воды и на кремнеемкость анионитов оказывают влияние следующие факторы: концентрация регенерационного раствора, начальная концентрация в исходной воде, скорость фильтрования воды, содержание других анионов и свободной , а также солей в Н‑ катионированной воде.

17.6. Повышение экономичности химического обессоливания воды.

Повышение экономичности обессоливания воды возможно при внедрении технологии противоточного и ступенчато-противоточного ионирования воды.

При противоточной регенерации направления движения потоков обрабатываемой воды и регенерационного раствора противоположны. В противоточных Н -катионитовых фильтрах фильтрование воды идет в направлении сверху вниз, регенерация снизу-вверх. По сравнению с удельными расходами серной кислоты, необходимыми для регенерации катионов в прямоточных фильтрах, удельные расходы кислоты при противоточной регенерации значительно меньше.

Осуществление противоточной регенерации в цикле ОН -анионирования по схеме фильтрования сверху вниз, регенерация снизу вверх, связано с определенными трудностями. Из-за относительно высокой концентрации регенерирующего раствора щелочи и его большей плотности по сравнению с отмывочной водой процесс отмывки протекает с перемешиванием загрузки, т.е. в нижнюю часть фильтрующего слоя попадают хуже отрегенерированные зерна из верхних слоев, что вызывает повышение остаточных концентраций в фильтрате. Противоточная регенерация сверху вниз при фильтровании снизу вверх лишена указанных недостатков, но требует применения фильтров особой конструкции и использования анионитов с повышенной механической и осмотической прочностью. Поэтому

Рис. 19. Варианты ступенчато-противоточного ионирования

К настоящему времени наибольшее распространение получила технологическая схема в.

Применение ступенчато-противоточного анионирования позволяет сократить расход щелочи на величину до 40 %.

17.7. Оборудование ионообменных ВПУ.

Основными элементами ионообменных ВПУ являются ионитные фильтры. Ионитные фильтры по принципу действия подразделяют на четыре типа: а) катионитные; б) анионитные; в) смешанного; г) непрерывного действия.

По способу выполнения технологических операций ионитные фильтры делятся на:

а) параллельноточные, в которых воды и регенерационный раствор пропускаются через фильтр в одном направлении;

б) противоточные, в которых воды и регенерационный раствор пропускаются через фильтр в противоположных направлениях.

Кроме того различают фильтры первой, второй и третьей ступени. По конструктивному оформлению различают одноэтажные и двухэтажные ионитные фильтры. В последних в одном корпусе объединяются два фильтра, имеющие раздельное управление. Кроме вертикальных ионитовых фильтров, иногда применяются горизонтальные ионитные фильтры.

На рисунках 20, 21 показаны параллельноточный ионитный фильтр и его принципиальная схема

Рис. 20. Общий вид вертикального параллельноточного фильтра

Рис. 21. Принципиальная схема параллельноточного фильтра:

1 – подвод обрабатываемой воды, 2 – подвод регенерационного раствора,

3 – выход фильтрата, 4 – спуск отмывочной воды, 5 – подвод воды для взрыхления,

6 – спуск промывочной воды

Общий вид и принципиальная схема ступенчато – противоточного Н-катионитового фильтра приведены на рис. 22 и 23.

Принципиальная схема ступенчато-противоточного анионитового фильтра приведена на рис. 24.

Ионитный фильтр смешанного действия (рис. 25, 26) (ФСД) с внутренней регенерацией загружается катионитом и анионитом, которые после их раздельной регенерации соответственно кислотой и щелочью тщательно перемешиваются путем подачи в фильтр снизу вверх сжатого воздуха. При пропускании через ФСД происходит глубокое обессоливание и обескремнивание воды благодаря наличию в нем огромного числа ступеней Н- и ОН – ионирования. Чтобы осуществить регенерацию истощенного ФСД, необходимо произвести разделение ионитов путем взрыхляющей промывки водой снизу вверх (за счет различной плотности анионита и катионита).

ФСД применяются при обессоливании и обескремнивании конденсатов, а также в качестве барьерных фильтров на ВПУ. Наиболее подходящими для загрузки в ФСД являются катионит КУ-2 и анионит АВ-17. В фильтре установлены три распределительных устройства – верхнее, нижнее и среднее.

Рис. 22. Общий вид ступенчато-противоточного Н-катионитового фильтра

Рис. 23. Принципиальная схема ступенчато-противоточного

Н-катионитового фильтра:

1 – подвод обрабатываемой воды, 2 – подвод воды для взрыхления верхнего слоя,

3 – отвод регенерационного раствора, 4 – выход фильтрата, 5 – подвод отмывочной воды,

6 – подвод регенерационного раствора, 7 – спуск в дренаж,

8 – спуск отмывочной и промывочной воды

В последние годы широкое применение получили ФСД с выносной регенерацией в особом регенерационном аппарате (рис. 27). Наличие готовой загрузки отрегенерированных ионитов в запасном бункере значительно сокращает продолжительность вывода фильтров на регенерацию (1 час при внешней против 4-5 часов при внутренней регенерации). Кроме того, упрощаются конструкции внутренних устройств и наружных коммуникаций.

Рис. 24. Общий вид и схема ступенчато-противоточного ОН-фильтра:

1 – выход фильтрата; 2 – подвод обрабатываемой воды; 3 – подвод воды для взрыхления;

4 – спуск промывочной воды; 5 – отвод регенерационного раствора и отмывочной воды;

6 – подвод обессоленной воды для отмывки; 7 – подвод регенерационного раствора

Рис. 25. Общий вид фильтра смешенного действия с внутренней регенерацией

Рис. 26. Принципиальная схема ФСД с внутренней регенерацией:

1 - подвод обрабатываемой воды, 2 – подвод регенерационного раствора щелочи,

3 – подвод обессоленной воды, 4 – спуск в дренаж, 5 – выход фильтрата,

6 – подвод регенерационного раствора кислоты, 7 – подвод сжатого воздуха

Рис. 27. Схема установки для обессоливания конденсата

с внешней регенерацией ионитов.

1 – бункер для смеси отрегенерированных ионитов;

2 – гидроперегрузка отрегенерированных ионитов; 3 – ловушки для ионитов;

4 – осветлительные фильтры; 5 – фильтры смешанного действия;

6 – внешний регенератор; 7 – вход воды.

В Японии, Франции, США успешно эксплуатируются фильтры для непрерывного противоточного процесса ионного обмена с выносной регенерацией ионитов в схемах ВПУ и для очистки конденсатов [12].

Кроме фильтров в состав ионитных установок входит еще вспомогательное оборудование, к которому относится реагентное хозяйство для обеспечения регенерации ионитных фильтров.

17.8. Схемы ионообменных ВПУ для питания парогенераторов.

На рис. 28. приведены основные принципиальные схемы ионообменных установок для приготовления добавочной воды для парогенераторов.

Схема 1. - катионирование применяется для доумягчения природных вод для питания барабанных парогенераторов низкого и среднего давления и водогрейных котлов.

Схема 2. - катионирование с подкислением в декарбонизаторе применяется для обработки воды с повышенной карбонатной жесткостью после предочистки ( =2-5 мг-экв/кг) при возмещении потерь воды на ТЭС с барабанными котлами низкого и среднего давления.

Схема 3. Применяется для обработки вод с повышенной карбонатной жесткостью при малом содержании солей .

Схема 4. Параллельное Н - - катионирование применимо в тех случаях, когда вода после предочистки имеет >0,5× : < 7 мг-экв/кг и когда необходимо получить умягченную воду с < 0,35 мг-экв/кг.

Рис. 28. Основные принципиальные схемы ионообменных установок

для приготовления добавочной питательной воды для парогенераторов

- натрий-катионитный фильтр первой ступени; - натрий-катионитный фильтр второй ступени (барьерный); - подвод серной кислоты для снижения щелочности воды; - водород-катионитные фильтры первой, второй и третьей ступеней;

- анионитные фильтры первой (слабоосновной), второй (сильноосновной) и третьей ступени; - декарбонизатор; - промежуточный бак; - подвод осветленной воды;

- выход обработанной воды; - подача воздуха в декарбонизатор;

- выход углекислоты в атмосферу; - промежуточный насос.

Основное преимущество данной схемы – возможность получения воды с минимальной щелочностью. Недостатки схемы – снижение рабочей емкости Н‑ катионитных фильтров, загруженных сульфоуглем, при обработке вод с преобладающей некарбонатной жесткостью, а также снижение эффекта умягчения вод с высоким содержанием натриевых солей.

Схема 5. Последовательное Н - - катионирование применяется для обработки сильно минерализованных вод с солесодержанием свыше 1000 мг/кг при < 0,5× : < 7 мг-экв/кг. Основными преимуществами такой схемы является глубокое доумягчение вод с высокой некарбонатной жесткостью и значительным количеством натриевых солей, а также хорошее использование емкости поглощения Н‑ катионитных фильтров. Необходимость прокачивания воды через два фильтра увеличивает расход электроэнергии и требует установки дополнительных насосов.

Схема 6. Совместное Н - - катионирование применяется в тех случаях, когда сумма анионов сильных кислот не превышает 3,5-5 мг-экв/кг, и когда получаемая по этой схеме щелочность ( =1-1,3 мг-экв/кг) не приведет к заметному увеличению продувки котлов сверх установленных норм.

Преимуществом схемы являются: а) минимальный удельный расход на регенерацию; б) отсутствие сброса кислых вод в канализацию. Недостаток – резкое колебание остаточной щелочности воды в период фильтроцикла.

Схемы 1-6. Обычно дополняются барьерными - катионитовыми фильтрами.

Схема 7. Частичное обессоливание воды применяется для доумягчения воды с повышенной некарбонатной жесткостью, снижения ее щелочности и удаления из нее сульфатов и хлоридов при возмещении потерь воды на ТЭС с барабанными котлами средних параметров.

Схема 8. Применяется на ТЭС с барабанными котлами для обработки вод с концентрацией некарбонатных солей до 2 мг-экв/кг, включая нитриты и нитраты.

Схема 9. Применяется для обработки воды с концентрацией некарбонатных солей до 8 мг-экв/кг на ТЭС с барабанными котлами высокого давления.

Схема 10. Применяется на ТЭС с прямоточными парогенераторами для обработки осветленной воды с концентрацией сульфатов, хлоридов и нитратов до 8 мг-экв/кг, вместо фильтров третьей ступени можно поставить один ФСД.

Для очистки конденсатов применяются ФСД с предвключенными механическими фильтрами. Кроме того, за рубежом, используются намывные ионитные фильтры, но конструкции аналогичные намывным целлюлозным. Из-за однократного использования фильтрующей смеси в НИФ, температурный предел может быть повышен с 40 до 150 °С, что позволяет размещать их непосредственно за ПНД.

17.9. Схемы установок для приготовления подпиточной воды

тепловых сетей.

Принципиальные схемы установок для приготовления подпиточной воды тепловых сетей приведены на рис. 29.

Поиск по сайту: