Н-катионирование

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет Кафедра «Теплоэнергетика»

Pасчётно гpафическая pабота На тему: «Н-катионирование»

Выполнил:

Ахметшин Э.И.

Проверил:

Фёдоров Р.В.

Ульяновск 2013

Содержание

1. Водород — катионитовое умягчение воды

2. Схемы катионирования

3. Технологические данные для расчета Н-катионитных фильтров Заключение Список литературы

Целью данной работы является подробное изучение процесса Н-катионировании.

В процессе водоподготовки применяется один из основных процессов для удаления из воды примесей — катионирование. Существуют H — катионирование и Na — катионирование. Na — катионирование имеет самостоятельное значение, как процесс и используется для умягчения воды при водоподготовке. H — катионирование, как процесс используется в обессоливании воды. Процесс использования катионита при Na — катионировании и H — катионировании на установках водоподготовки протекает в насыпных ионитных фильтрах раздельного и смешанного действия.

1. Водород — катионитовое умягчение воды

Обработка воды водород-катионированием (Н-катионированием) основана на фильтровании ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода. Процесс описывается следующими реакциями:

При Н-катионировании воды (табл. 20.6) значительно снижается ее рН из-за кислот, образующихся в фильтрате. Выделяющийся при Н-катионировании оксид углерода (IV) можно удалить дегазацией, и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию сульфатов и хлоридов в исходной воде.

Таблица 1

Н-катионирование в различных схемах обработки воды

Из приведенных выше реакций для натрий-катионитового умягчения воды видно, что щелочность воды в процессе ионного обмена не изменяется. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Na-катионитовых фильтров, можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущество Н—Na-катионитового метода умягчения воды. Применяют параллельное, последовательное и смешанное (совместное) Н—Nа-катионирование.

2. Схемы катионирования

При параллельном Н—Nа-катионировании (рис. 1, а) одна часть воды пропускается через Na-катионитовые фильтры, другая — через Н-катионитовые фильтры, а затем оба потока смешивают. Образующиеся щелочные и кислые воды смешивают в такой пропорции, чтобы их остаточная щелочность не превышала 0,4 мг-экв/л. Для получения устойчивого и глубокого умягчения (до 0,01 мг-экв/л) воду после дегазатора пропускают через барьерный натрий-катионитовый фильтр.

Схему параллельного Н—Na-катионирования целесообразно применять в тех случаях, когда суммарная концентрация сульфатов и хлоридов в умягчаемой воде не превышает 4 мг-экв/л и содержание натрия не более 2 мг-экв/л.

При последовательном Н—Nа-катионировании (рис. 20.15,6) часть воды пропускают через Н-катионитовые фильтры, затем смешивают с остальной водой, полученную смесь пропускают через дегазатор для удаления оксида углерода (IV), а затем всю воду подают на натрий-катионитовые фильтры. Количество воды, подаваемое на Н-катионирование, определяют, как и при параллельном Н—Nа-катионировании. Подобная схема позволяет более полно использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на его регенерацию, поскольку отключение Н-катионитовых фильтров в данном случае диктуется не проскоком катионов жесткости порядка 0,5 мг-экв/л, а допускаемым их содержанием — 1,0 мг-экв/л. При повышенных требованиях к умягчению воды схема дополняется барьерными натрий-катионитовыми фильтрами. К недостатку схемы следует отнести большой расход электроэнергии, затрачиваемой на передачу воды через последовательно включенные фильтры. Схему последовательного Н—Nа-катионирования применяют при умягчении воды с повышенными жесткостью и содержанием солей; остаточная щелочность при этом составляет примерно 0,7 мг-экв/л.

Известна схема последовательного Н-Nа-катионирования воды при «голодном» режиме регенерации Н-катионитовых фильтров.

При обычном Н-катионировании регенерация проводится с удельным расходом кислоты, в 2,5—2 раза больше теоретически необходимого, который отвечает процессу эквивалентного обмена катионов между раствором и катионитом. Избыток кислоты, не участвующий в реакциях обмена ионов, сбрасывается из фильтра вместе с продуктами регенерации. При «голодной» регенерации Н-катионитного фильтра удельный расход кислоты равен его теоретическому удельному расходу, т. е. 1 г-экв/г-экв, или в пересчете на граммы для H2S04 — 49 г/г-экв. Все ионы водорода регенерационного раствора при этом полностью задерживаются катионитом, вследствие чего сбрасываемый регенерационный раствор и отмывочные воды не содержат кислоты. В отличие от обычных Н-катионитных фильтров, в которых весь слой катионита при регенерации переводится в Н-форму, при «голодном» режиме регенерируются, т. е. переводятся в Н-форму, только верхние слои, а нижние слои остаются в солевых формах и содержат катионы Ca (II), Mg (II) и Na (I).

Рис. 1 Схемы параллельного (а), последовательного (б) и совместного (в) водород-натрий-катионитового умягчения воды.

1 — подача исходной и отвод умягченной воды; 2 — солерастворитель; 3 — группа натрий-катионитовых фильтров; 4 — бак для взрыхления; 5 — дегазатор; 6 — резервуар умягченной воды; 7 — вентилятор; 8 — группа водород-катионитовых натрий фильтров; 9- бак для хранения раствора кислоты; 10 — насос; 12 — водород— катионитовый фильтр; 13 — буферный натрий-катионитовый фильтр В верхних слоях катионита, отрегенерированного «голодной» нормой кислоты, при работе фильтра имеют место все реакции ионного обмена, приведенные выше. В нижележащих, неотрегенерированных слоях катионита ионы водорода образовавшихся минеральных кислот обмениваются на ионы Ca (II), Mg (II) и Na (I) по уравнениям т. е. происходит нейтрализация кислотности воды и при этом восстанавливается ее некарбонатная жесткость, а зона слоя, содержащего ионы Н+, смещается постепенно книзу.

Так как содержащаяся в воде угольная кислота является слабой, в реакциях ионного обмена она может участвовать лишь после удаления сильных кислот. В самых нижних слоях фильтра этот процесс завершиться до полного восстановления карбонатной жесткости не успевает. Поэтому фильтрат имеет малую карбонатную жесткость (численно она равна щелочности) и содержит много углекислоты. К моменту окончания рабочего цикла фильтра ионы водорода, введенные в катионит при регенерации, полностью удаляются из катионита в виде Н2С03, которая находится в равновесии с дегидратированной формой СО2.

Технология Н-катионирования с «голодной» регенерацией обеспечивает получение фильтрата с минимальной щелочностью (исключение сброса кислых стоков при регенерации и кислого фильтрата в рабочем цикле). Она рекомендуется для обработки природных вод определенного состава и при использовании катионита среднеили слабокислотного типа при условиии правильного осуществления режима регенерации.

При непостоянстве качества исходной воды, неточном соблюдении рекомендаций по применению рассматриваемой технологии Н-катионирования во избежание колебаний щелочности и проскоков кислого фильтрата после Н-катионитных фильтров с «голодной» регенерацией в схеме ВПУ устанавливаются буферные нерегенерирующиеся фильтры с высотой слоя катионита 2 м и скоростью фильтрования до 40 м/ч. К буферным фильтрам не допускается подвод регенерационного раствора кислоты; взрыхляющая промывка осуществляется осветленной исходной водой.

Разработанная Н. П. Субботиной технология Н-катионирования с «голодной» регенерацией предназначена для обработки природных вод гидрокарбонатного класса. В гидрохимии к водам этого класса принято относить воды, в которых из числа главных анионов (SO42-, С1~, НСО3-) наибольшую концентрацию, выраженную в мг-экв/л, имеет ион НСО3-. Воды около 80% рек России принадлежат к гидрокарбонатному классу.

В процессе Н-катионирования с «голодной» регенерацией происходит частичное умягчение воды и существенное снижение ее щелочности; в результате удаления карбонатной жесткости достигается уменьшение общего солесодержания воды; концентрация углекислоты увеличивается на величину снижения щелочности. На эффект очистки воды влияет присутствие в исходной воде ионов натрия. Когда концентрация натрия невелика, общая жесткость фильтрата по величине близка к некарбонатной жесткости исходной воды и незначительно изменяется на протяжении рабочего цикла фильтра, так же как и общая щелочность фильтрата, которая составляет 0,3—0,5 мгэкв/л. Когда в исходной воде много натрия, щелочность фильтрата от начала рабочего цикла снижается, затем возрастает и в среднем за цикл составляет 0,7—0,8 мг-экв/л; в начале и конце рабочего цикла получается глубокоумягченный фильтрат, появление некарбонатной жесткости наблюдается в средней части фильтроцикла.

Если для ионного состава исходной воды ввести обозначения для соотношения концентраций катионов (К) и анионов (А) в виде выражений где [Na+], [Са2+], [Mg2+] — концентрации в воде соответственно ионов натрия, кальция и магния, мг-экв/л; [НС03~], [С1~], [S042-] — концентрации в воде соответственно бикарбонатов, хлоридов и сульфатов, мг-экв/л; Жо — общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; то условия применения Н-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров определяются данными, приведенными в табл. 2, а их расчет согласно данных табл. 3

Таблица 2

Область применения Н-катионироваиия с «голодной» регенерацией В случае Н-катионирования с «голодной» регенерацией весь поток умягчаемой воды последовательно проходит через Н-катинитовые фильтры, регенерируемые стехиометрическим количеством кислоты, затем через дегазатор для удаления оксида углерода (1У) и далее через одну или две ступени натрий-катинитовых фильтров. Стехиометрический расчет режима регенерации Н-катионита позволяет устранить из воды лишь карбонатную жесткость, некарбонатная жесткость удаляется при Nа-катионировании. По этой схеме отсутствуют кислые стоки и можно получить глубоко умягченную воду с остаточной щелочностью Що<0,7 мг-экв/л. Эту схему используют для умягчения вод, содержащих до 3 г/л солей при различной концентрации натрия, но карбонатная жесткость должна быть не менее 1 мг-экв/л.

3. Технологические данные для расчета Н-катионитных фильтров

катионитовый умягчение вода фильтр Таблица 3

Совместное Н—Nа-катионирование (рис. 20.15, е) осуществляют в одном фильтре, верхним слоем загрузки которого является Н-катионит, а нижним — натрий-катионит. Катионит регенерируют следующим образом. После взрыхления слоя его обрабатывают сначала раствором кислоты, затем раствором поваренной соли с последующей отмывкой. При совместном Н— Na-катионировании остаточная щелочность воды составляет 1,5… 2,0 мг-экв/л, а жесткость 0,1… 0,3 мг-экв/л. Жесткость исходной воды должна составлять не более 6 мг-экв/л, содержание натрия до 1 … 1,5 мг-экв/л, отношение карбонатной жесткости к некарбонатной должно быть больше единицы. Достоинством данной схемы является отсутствие кислых стоков, недостатком — сложность регенерации.

Расход воды qnNа подаваемой на натрий-катионитовые фильтры, и qnп, подаваемый на Н-катионитовые, определяют по формулам

(20.22)

(20.23);

где qn — полезная производительность Н—Nа-катионитовой усстановки, м3/ч; и q*— полезная производительность Na Н-катионитовых фильтров, м3/ч; Щу — требуемая щелочность умягченной воды, мг-экв/л; Щ — щелочность исходной воды мг-экв/л; Л, — суммарное содержание в умягченной воде анионов сильных кислот, мг-экв/л.

Объем катионита VH, м3, в Н-катионитовых и VNa, м3, Na-катионитовых фильтрах определяют по формулам где Жо — общая жесткость умягчаемой воды, г-экв/м3; CNa — концентрация в воде натрия, г-экв/м3; п=1…3 — число регенераций каждого фильтра в сутки; и е— рабочая обменная емкость Na и Н-катионита, г-экв/м3.

Рабочая обменная емкость, г-экв/м3, Н-катионита

(20.26)

где аэн — коэффициент эффективности, регенерации Н-катионита, зависящий от удельного расхода кислоты; Еа — полная обменная емкость катионита (паспортная) в нейтральной среде; qУ — удельный расход воды на отмывку катионита после регенерации, принимаемый 4… 5 м3/м3 объема катионита в фильтре; Ск — общее содержание в воде катионов кальция, магния, натрия и калия, г-экв/м3.

Суммарная площадь, м2, Н и Nа-катионитовых фильтров где Ак=2… 2,5 — высота слоя катионита в фильтре, м.

Количество Na и Н-катионитовых фильтров в установке должно быть не менее двух. При количестве фильтров на установке менее шести принимают один резервный фильтр, при большем их количестве — два.

Для удаления оксида углерода (1У) из воды после Н-катионирования, а также из смешанной воды после Н—Nа-катионирования применяют вакуумно-эжекционные аппараты или дегазаторы с кольцами Рашига 25*25*3 мм. Высоту сдоя насадки подбирают в зависимости от концентрации, мг/л, оксида углерода (IV) в воде, подаваемой в дегазатор:

где [С02]и — концентрация свободного оксида углерода (IV) в исходной воде, мг/л; Щ — щелочность умягчаемой воды, мг-экв/л.

Вентилятор к дегазатору подбирают, исходя из условия подачи 20 м³ воздуха на 1 м³ обрабатываемой воды. Развиваемый им напор определяют на основании учета сопротивления насадки, для колец Рашига — 294,3 Па на 1 м высоты слоя, все другие сопротивления принимают равными 294,3… 392,4 Па.

Н-катионитовые фильтры регенерируют 1…1,5%-ным раствором серной кислоты. Регенерационный раствор серной кислоты фильтруют через слой катионита со скоростью не менее 10 м/ч с последующей его отмывкой неумягченной водой, пропускаемой через катионит сверху вниз со скоростью 10 м/ч. Расход 100%-ной кислоты, кг, на одну регенерацию Н-катионитового фильтра qк где, а — площадь одного Н-катионитового фильтра, м2; qУД — удельный расход кислоты для регенерации катионита, г/г-экв.

Процесс регенерации Н-катионитовых фильтров описывается следующей реакцией:

Заключение

Данная работа была посвященна процессу Н-катионирования, в котоpой было подpобно pасмотpенна суть данного пpоцесса, его схемы пpотекания и данные для расчета Н-катионитных фильтров.

В закалючении можно сказать, что наиболее просто снижение жесткости до практически любых значений обеспечивается ионным обменом, производящейся методами Na-катионирования, H-Na-катионирования (параллельное или последовательное) или Н-катионирование с голодной регенерацией на сильноили слабокислотном катионите, где производительность методов практически не ограничена.

1.Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшение качества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.

2. Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

3. Аюкаев Р. И., Мельцер В.3. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.

4. Вейцер Ю. М., Мииц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.

5. Егоров А. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.