Схемы ионообменной части ВПУ

Выбор схемы подготовки добавочной и подпиточной воды
определяется, с одной стороны, качеством исходной воды
и требуемым качеством очищенной, а с другой — условиями
надежности, экономичности и минимального количества сбросов примесей в водоемы. Некоторые из применяемых схем
представлены на рис. 3.16.

Схемы 1 —7 применяются для умягчения воды при подпитке
котлов низкого и среднего давления, а некоторые из них,
в частности Na-катионирование, — и для подпитки тепловых
сетей.

Na-катионирование может применяться лишь для умягчения природных вод с малой (до 0,5 мг-экв/кг) карбонатной щелоч­ностью. При малой добавке воды в котлы низкого и среднего давления Na-катионированию можно подвергать воду и с боль­шей карбонатной щелочностью. В схеме 2 предусматривается частичное разрушение щелочности путем ввода кислоты в Na-катионированную воду. При этом протекает следующая реакция:

2NaHCO₃ + H₂SO₄↔Na₂SO₄ + CO₂ + H₂O.

Выделяющийся СО₂ перед подачей воды на Na-катионитный фильтр II ступени отделяется в декарбонизаторе.:

Параллельное Н — Na-катионирование (схема 4) может применяться при условии, что в исходной воде Ж_к>0,5Ж_о, и суммарной концентрации анионов сильных кислот более 2 мг-экв/кг. По этой схеме часть потока подается на Н-катионитный фильтр, а другая часть — на Na-катионитный. Затем кислая Н-катионированная вода и щелочная Na-катионированная вода смешиваются, при этом происходит частич­ное разрушение щелочности (до заданного значения Щ_ост с вы­делением СО₂).

Для его удаления вода пропускается через, декарбонизатор и затем доумягчается на Na-катионитном фильтре II ступени. Необходимую долю воды х, которую надо пропускать через Н-катионитный фильтр, можно под­считать, исходя из следующего соотношения:

тогда доля воды, направляемой на Na-катионитный фильтр, будет равна 1-х.

При последовательном Н—Na-катионировании (схема 5) через Н-катионитный фильтр пропускается часть воды, а оста­льная часть подмешивается к кислому фильтрату. При этом происходит частичная нейтрализация сильных кислот бикар­бонат-ионами, находящимися в исходной воде, с образованием СО₂- Этот газ удаляется в декарбонизаторе, и вода пропуска­ется для полного умягчения через Na-катионитный фильтр. Реакции нейтрализации в молекулярной форме следующие:

Ca(HCO₃)₂ + H₂SO₄ ↔CaSO₄ + 2H₂O + 2CO₂;

Mg (НСО₃)₂ + Н₂ SO₄⁺ ↔CaSO₄ + 2Н₂О + 2СО₂.

В результате этих реакций в точке смешения меняется форма жесткости — карбонатная жесткость переходит в некар­бонатную, а остаточная щелочность воды подсчитывается по формуле

Щ_ост = (1 -х) С_HCO3 - х(С_SO4 +С_CL + С_NO3).

Эта схема применяется для очистки исходной воды с со-лесодержанием выше 1000 мг/кг при Ж_к<0,5Ж_о и при сумме концентраций анионов сильных кислот менее 2 мг-экв/кг.

Основным недостатком схем 4 и 5 является необходимость перераспределения потоков воды во время фильтроцикла. Это объясняется тем, что отключение Н-катионитного фильтра на регенерацию для экономии кислоты производится по проскоку ионов жесткости, и, следовательно, фильтрат имеет сначала кислую реакцию, а затем, начиная с проскока ионов Na ⁺, эта реакция переходит в щелочную.

Схема совместного Н — Na-катионирования (схема 6) от­личается тем, что поток воды не делится на части, как в схемах 4 и 5, а пропускается весь через фильтр с катионитом, который находится в двух исходных формах. Для этого регенерация катионита производится в два этапа—сначала пропускают раствор серной кислоты в количестве, необходимом для частичного вытеснения сорбированных ионов Са²⁺ и Mg²⁺, а затем раствор NaCl. При этом в верхних слоях катионита доминирует его Н-форма, а в нижних — Na-форма. При умягчении вода первоначально соприкасается с верхними слоями и обменивает катионы Са^{2 +}, Mg^{2 +} и Na⁺ на катионы Н⁺, которые реагируют с ионами НСО₃^-, переводя их в СО₂. Затем вода вступает в контакт с нижними слоями, где происходят реакции.

Вследствие сорбции ионов Н ⁺ значение рН воды возрастает и увеличивается диссоциация угольной кислоты, ионы водорода которой также участвуют в реакциях ионного обмена. Эти реакции протекают не полностью, и концентрация бикарбонат-иона остается меньшей, чем исходная его концентрация. Поэтому фильтрат имеет небольшую щелочность. Однако величина этой щелочности изменяется во время фильтрования. Сначала наблюдается ее понижение, а к концу фильтроцикла она вновь увеличивается.

Значительно меньшее изменение щелочности наблюдается в процессе катионирования с голодной регенерацией Н-катионитных фильтров (схема 3). Регенерация катионита в этом случае, проводится в режиме недостатка кислоты, при этом в Н-форму переводится только верхняя часть катионита. Нижние слои катионита остаются в формах R₂/Ca^{2 +}, R₂/Mg^{2 +},R /Na ⁺. Количество серной кислоты Q_h2so4 на регенерацию определяют по формуле

где α_h2so4—теоретический удельный расход кислоты; Е^у_р^сл — количество грамм-эквивалентов иона НСО₃^-, разрушаемого единицей объема катионита за рабочий цикл фильтра при условии получения фильтрата с минимальной щелочностью, г-экв/м³; F_KaT — объем катионита в фильтре, м³.

При пропуске воды происходит ее частичное умягчение и разрушение щелочности. Вследствие этого в схеме требуется установка декарбонизатора и Na-катионитных фильтров

Вода, обработанная по этой схеме, имеет остаточную щелочность около 0,2—0,3 мг-экв/кг и остаточную жесткость менее 5 мкг/кг.

В настоящее время широкое распространение получила схема Na — Cl-ионирования воды (схема 7), применяемая для котлов с давлением менее 4 МПа. Эта схема имеет то преимущество, что для регенерации используется лишь один вид реагента, а это в значительной мере снижает количество сбрасываемых солей при регенерации. В этой схеме вода последовательно подается через Na-катионитный фильтр для умягчения, а затем через анионитный фильтр, содержащий высокоосновный анионит в С1-форме. При анионировании воды сорбируются все анионы сильных кислот (кроме С1^-) и анион НСО з^-

Вследствие этого в схеме не требуется установка декарбонизатора. Регенерация производится 6 — 8%-ным раствором NaCl, причем этот раствор пропускается сначала через анионит, а затем через катионит. Удельный расход реагента на регенерацию составляет около 75 кг/м³ анионита. По этой схеме можно получить остаточную щелоч­ность в фильтрате в достаточно широких пределах (0,1 — 1 мг-экв/кг).

Для подготовки обессоленной воды применяется последовательнoe осуществление процессов Н-катионирования и ОН-ннионирования. По степени удаления ионов при очистке воды различают частичное (схема 8), глубокое (схема 9) и полное (схема 10) химическое обессоливание воды.

При частичном обессоливании достигается полное удаление всех катионов и частичное удаление ионов НСО₃^2- и Сl^-.

Н-катионитные фильтры отключаются в этой схеме по проскоку жесткости. Появление ионов НСО₃^2- в обессоленной воде объясняется неполной десорбцией С0₂ в декарбонизаторе и переходом его обратно в форму НСО₃^2- при повышении рН воды при анионировании.

В ОН-анионитном фильтре они не задержива­ются, так как в схеме применяется низкоосновный анионит. Щелочность фильтрата, полученного по этой схеме очистки воды, составляет 0,2—1,2 мг-экв/кг.

При глубоком хими­ческом обессоливании наряду с двумя ступенями Н-катионирования применяются две ступени анионирования, при­чем первая ступень — низкоосновный, а вторая — высокооснов­ный анионит. Н-катионитные фильтры отключаются по проско­ку ионов Na ⁺.

На I ступени анионирования присходит удаление анионов сильных кислот, а на II — НСО₃^-и HSiO₃. Отключение анионитных фильтров I ступени осуществляется по проскоку ионов С1^-, а II ступени — по проскоку ионов кремниевой кислоты.

Наиболее тщательная подготовка воды достигается по схеме 10 (полное химическое обессоливай и е), где на последнем этапе очистки применяется ФСД. В ФСД осущест­вляется процесс совместного Н—ОН-ионирования воды путем ее фильтрования через слой перемешанных зерен катионита и анионита соответственно в Н- и ОН-форме. В ФСД достигается глубокое удаление всех ионов (применяются силь­нокислые катиониты и высокоосновные аниониты). Регенерация ФСД осуществляется двумя способами:

1) либо разделением смеси на два слоя внутри фильтра и их регенерацией (внутренняя регенерация),

2) либо разделением этой смеси с по­следующим переводом катионита и анионита в специальные регенераторы и регенерацией в них (выносная регенерация).

Отрегенериррванные иониты затем переводятся в ФСД и пе­ремешиваются. Качество обессоленной воды, полученной по схеме 10, оценивается остаточной концентрацией натрия не более 5 мкг/кг и остаточной концентрацией кремниевой кислоты менее 10 мкг/кг. Эта схема применяется для подготовки добавочной воды прямоточных котлов.

В настоящее время в связи с повышенным вниманием к охране окружающей среды и увеличением засоления водоемов во многих регионах страны запрещен сброс регенерационных вод в водоемы. При этом предложены схемы ВПУ с ограничен­ным сбросом соленых вод или полным прекращением таких сбросов.

Одна из таких схем представлена на рис. 3.17. Согласно этой схеме на предочистке производится изве­сткование, содирование и коагуляция воды. При этом величина остаточной жесткости в содоизвесткованной воде не превышает 1 мг-экв/л. Эта вода затем подается на двухпоточно-противоточный предвключенный Н-катионитовый фильтр, который одновременно выполняет функцию механического фильтра (МН-фильтр). Затем вода подается на декарбонизатор и далее на анионитный предвключенный фильтр с низкоосновным анионитом, откуда она направляется последовательно на двухпоточно-противоточные катионитный и две ступени ани­онитных загруженных высокоосновным анионитом фильтров.

Регенерация МН-фильтра производится стехиометрическим количеством кислоты со сбросом раствора в осветлитель. Таким образом, на основной катионитный фильтр поступают с водой главным образом катионы Na ⁺, что позволяет использовать меньшее количество реагента, резко увеличить степень регенерации и время его работы. Регенерация ани­онитных фильтров проводится последовательно со сбросом регенерационных растворов в баки и повторным их ис­пользованием. В результате использования такой схемы получаются твердые отходы от осветлителя и сбросные воды из ионообменной части, которые доупариваются в выпаривателе.

Существуют две схемы соединения фильтров в ВПУ: секционная и блочная (цепочки).

При секционном включении (рис. 3.18, а) фильтры одной группы (например, Н-катионитные I ступени) включаются параллельно (одна секция), а их фильтрат подается через общий трубопровод на следующую группу фильтров, также соединенных параллель­но (вторая секция), и т. п.

При блочном включении (рис. 3.18,6) схема разбивается на отдельные цепочки, каждая из которых содержит все необходимые элементы для очистки воды, соединенные последовательно. Фильтрат последних фильтров цепочек объединяется и подается на ФСД и далее в сборный бак.

Таких цепочек в схеме ВПУ должно быть несколько с учетом того, что часть их находится в работе, одна постоянно находится в регенерации и одна — в резерве.

Пре­имущество последней схемы состоит в упрощении контроля за качеством воды и проведением регенерации. При соответ­ствующем расчете схемы можно добиться одновременного окончания рабочего цикла у всех фильтров, составляющих ее. Это дает возможность следить за качеством фильтрата лишь одного из фильтров в цепочке (обычно по иону хлора в фильтрате анионитного фильтра I ступени).

Для удобства эксплуатации фильтры не должны выходить на регенерацию чаще чем 1 раз в смену (8 ч). Каждая группа (при секционной схеме) должна состоять не менее чем из трех фильтров, чтобы при выходе одного из них в регенерацию не слишком перегружать остальные. Для удобства монтажа необходимо также при расчете схемы ВПУ подбирать фильтры примерно одинаковых размеров, причем по возможности подбирать аппараты наибольшей единичной производительности. Расчет схемы ВПУ проводит­ся последовательно по ступеням очистки, причем первой рассчитывается последняя ступень и далее каждая пред­шествующая.

Это делается потому, что на каждой ступени, предшествующей данной, необходимо учитывать расход на собственные нужды последующей ступени. Это относится к расчету как секционной схемы соединения фильтров, так и «цепочек». Расходы воды на собственные нужды каждой ступени складываются из расходов на взрыхление, приготов­ление регенерационного раствора и отмывку. Расход воды на собственные нужды зависит от качества исходной воды и требовании к качеству очищенной, применяемых ионооб­менных материалов, удельных расходов реагентов на реге­нерацию и т. п.

Таблица 3.2. Пример изменения качества воды по ступеням обработки

Дата добавления: 2014-01-13