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 < 3,5 мг-экв/л -

SO4-2 + Cl- ³ 3 … 4 мг-экв/л 1.5 + 0.7 = 2.2 < 3 мг-экв/л -

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