Лаб 3 - Режимы работы Nа-катионитовых. Лабораторная работа 3 исследование режимов работы na катионитовых фильтров
 Скачать 398 Kb.
|
|
Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ Na – КАТИОНИТОВЫХ ФИЛЬТРОВ Цель работы: изучить схемы химводоочистки, лабораторное оборудование, позволяющее умягчить жесткую (сырую) водопроводную воду; изучить порядок работы каждого режима работы Na-катионитового фильтра: произвести рабочие режимы очистки, взрыхления, peгeнерации. 1. Общие сведения Химические катионитовые водоочистки служат для получения умягченной воды, используемой для подпитки котлов и теплосети. Смягчение воды происходит путем фильтрования сырой воды через слой специального материала, называемого катионитом и имеющего свойство поглощать из воды катионы кальция и магния, обуславливающие жесткость воды и заменять их на ионы натрия. Одним из наиболее распространенных в настоящее время катионитовых материалов являются сульфоуголь и смола КУ-2. Процесс умягчения исходной воды при фильтровании ее через слой катионита называется катионированием, а сам аппарат, в котором происходит катионирование воды, - катионитовыми фильтрами. 2. Принцип работы водоподготовительных установок. Выбор водоподготовительной установки для отопительной и отопительно-производственной котельной и тепловых сетей обуславливается требованием к качеству питательной и подпиточной воды. Для рассматривания систем теплоснабжения исходной, как правило, служит питьевая вода городского водопровода. Поэтому в схемах водоподготовки осветлительные установки отсутствуют. Наибольшее распространение получила схема последовательного Nа-катионирования с так называемой "голодной"' регенерацией Н - катионитовых фильтров. Благодаря регенерации недостаточным ("голодным") количеством кислоты получают частично умягченную воду (с небольшой остаточной щелочностью), которую после декарбонизаторов доумягчяют на Na - катионитных фильтрах. В Мордовии используются в основном только Na - катионитовые фильтры. Такая схема химводоочистки использующая Nа - катионитовые фильтры показана на рис. 1. (Приложение) 3. Процесс обработки воды протекает таким образом. Исходная вода от подогревателя поступает на Н - катионитный фильтр, где она фильтруется через слой вещества, способного к обмену катионами, называемого "катионитом". В результате прохождения воды через слой катионита происходит обмен катионов (положительно заряженных частиц) кальция и магния на катион водорода, при таком обмене катионами карбонатная жесткость разрушается с образованием свободной углекислоты. Из Н - катионитных фильтров кислая вода поступает и декарбонизаторную установку, где углекислота удаляется из обрабатываемой воды путем продувки ее воздухом, подаваемым вентилятором. Вода из бака забирается насосом и двумя потоками направляется: один поток в деаэратор подпиточной воды тепловых сетей , для которых не требуется удаление солей постоянной жесткости, а карбонатная жесткость допускается до 0,7-1,5 мг-экв/кг; другой поток декар6онизированной воды поступает для дальнейшего умягчения на Nа - катионитные фильтры первой и второй ступени. В этих фильтрах происходит процесс замещения катионов кальция и магния, содержащихся в воде, на катионы натрия, находящиеся в катионитном веществе. В результате такого обмена катионами вместо сульфатов и хлоридов кальция и магния (постоянной жесткости) образуются легкорастворимые, не обладающие способностью к накипеобразованию глауберовая и поваренная соли. Пройдя Nа - катионитний фильтр второй ступени, умягченная вода направляется в деаэратор питательной воды. Обмен катионами происходит в строго эквивалентных (равнозначных) количествах. Вот почему процесс обмена между катионами в фильтре происходит до тех пор, пока катионит не истощится, т. е. перестанет умягчать воду. Для восстановления обменной способности катионита необходимо удалить из него удержанные им катионы кальция и магния, что делается путем так называемой регенерации (восстановления) первоначальных свойств катионита. Регенерация состоит в том, что через слой истощенного катионита пропускается: для Н-катионитовых фильтров 1 - 1,5 % - ный раствор серной кислоты, а для Na-катионитовых фильтров 5 — 10 % - ный раствор поваренной соли. Для регенерации Н - катионитовых фильтров используется серная кислота, которая со склада поступает в мерник, откуда она при помощи эжектора подается в фильтры. Для регулирования количества подаваемой кислоты предусмотрен поплавковый регулятор постоянного уровня кислоты. Промывка Н - катионитных фильтров производится через бак промывочной водой. Регенерация Nа - катионитных фильтров производится крепким раствором поваренной соли, который со склада подается в расходный бак, откуда при помощи эжектора поступает в Na - катионитные фильтры. Для промывки этих фильтров предусмотрен промывочный бак. 4. Оборудование катионитовой химводоочистки. Катионитовые фильтры (pиc. 2) представляют собой вертикальные цилиндрические баки, рассчитанные на номинальное рабочее давление 4 — 6 атм, в которые загружают материал, способный умягчить воду - катионит (сульфоуголь или КУ-2). Каждый катионитовый фильтр оборудуется надлежащим количеством задвижек и вентилей для выполнения всех необходимых при эксплуатации фильтров переключений. В верхней части катионитового фильтра располагается устройство для равномерной подачи регенерационного раствора и подачи сырой воды в фильтр. Распределительное устройство в катионитовых фильтрах химводоочистки выполнено в виде крестовины из труб диаметром 50 мм. с насверленными в них отверстиями. В нижней части его расположено дренажное устройство, предназначенное для равномерного распределения проходящей воды по сечению фильтра. Дренажное устройство закрепляют в бетонные подушки. Оно состоит из коллектора и системы труб. Вода в трубы входит через штуцеры, приваренные к верхней части труб. На штуцеры навинчены шестигранные пластмассовые колпачки с несколькими отверстиями на каждой грани. На поверхности бетона с дренажными колпачками расположена кварцевая подстилка с крупностью зерен от 10 до 1 мм. Крупность зерен уменьшается снизу вверх. Кварцевая подстилка предохраняет вынос катионитового материала через дренажную систему. Сверх подстилки закладывают катионит, а еще выше расположена водяная подушка. Верхний лаз служит для загрузки кварца и катионита, а нижний люк — для отвода воды во время промывки кварца при первичной загрузки. Н-катионитный фильтр первой ступени, представляющий собой цилиндрическую емкость со сферическими приварными днищами. Корпус фильтра изнутри покрыт антикоррозийным защитным слоем. Фильтр заполнен катионитовым материалом, частицы которого способны к катионному обмену с катионами солей жесткости кальция и магния. Высота катионита для фильтра первой ступени принимается равной 2 – 2,5 м. Крупность зерен катионита 0,3 — 1,1 мм. Крепость регенерации раствора 1 - 1,5%. Исходная вода подается в фильтр через патрубок, затем она поступает вверх и проходит через слой катионита. Умягчённая вода выходит из фильтра снизу через патрубок. Н-катионитные фильтры изготовляются диаметром первой ступени от 1 до 3,4 м и второй ступени от 1 до 3 м. Рабочее давление 6 кГ/см2. Температура исходной воды 65 ОС. Nа -катионитный фильтр первой ступени представляет собой цилиндрический сосуд с приваренными сферическими днищами. Внутри фильтра помещается слой катионитного веще ства, высота которого для фильтров первой ступени составляет 2 - 2,5 м и для фильтров второй ступени - 1,5 м. В качестве катионита применяют сульфоуголь, представляющий собой каменный уголь, обработанный крепкой серной кислотой. Насыпной вес воздушно-сухого сульфоугля равен 0,65 - 0,7 т/м3, размер зерен катионита 0,5 - 1,1 мм. Емкость поглощения сульфоугля 280 — 360 г-экв/м3. Нормальная оптимальная скорость фильтрования воды через слой катионита равна от 10 до 25 м/ч. Сульфоуголь практически нерастворим в воде и способен извлекать из нее катионы натрия. Для обеспечения хорошей работы фильтров температура должна быть не выше 65 ОС. Рабочее давление 6 кг/см2. Фильтры изготовляются диаметром для первой ступени от 0,7 до 3,4 м и для второй ступени от 1 до 3 м. Вода подается в фильтр через патрубок на слой фильтрующего катионита, под каторым располагается дренажное устройство, состоящее из коллектора и системы труб, присоединенных к нему. Свepxy к этим трубам приварены штуцера с резьбой, на которые навинчены щелевые пластмассовые колпачки. Эти колпачки на своих гранях имеют узкие щели ширина которых должна быть менее наименьшего диаметра (менее 0,3 мм) зерна сульфоугля„ что предотвращает вынос материала с водой во время его работы в режимах промывки и peгeнерации. Умягченная вода отводится из фильтра через патрубок 1. Раствор соли для регенерации фильтра подводится через патрубок 6. Патрубок 5 служит для спуска отмывочной воды в дренаж. Удельный расход поваренной соли на регенерацию сульфоугля зависит от жесткости обрабатываемой воды и составляет от 120 до 250 г/г-экв для фильтров первой ступени и 300 - 400 г/г-экв для фильтров второй ступени. Для приготовления раствора соли применяют специальные препараты - солерастворители. В нижней части солерастворителя помещают три слоя кварцевого песка различного фракционного состава, который служит для предотвращения выноса соли вместе с потоком воды. Поваренная соль через воронку загружается в аппарат, туда же через трубу подводится вода для раствора соли. Раствор соли выходит через трубу и направляется в фильтры. Декарбонизаторы - аппараты скрубберного типа, служащие для удаления свободной углекислоты, выделяющейся в процессах водород - катионирования воды. В водоподготовительных установках получили распространение декарбонизаторы с насадкой из керамических колец Рашига. Эти аппараты имеют сравнительно небольшие габаритные размеры, мало расходуют воздуха и долговечны, удобны в эксплуатации и обеспечивают глубокий эффект декарбонизации воды. Кольца Рашига принимаются стандартных размеров 25 х 25 х 3 мм. Количество колец в 1 м3 при беспорядочной загрузке 53200 шт., поверхность насадки 204 мг/м3, вес 1 м3 колец равен 532 кг. Декарбонизатор представляет собой вертикальный цилиндр, высотой от 2,6 до 4,2 м, внутри которого имеется насадка из колец Рашига высотой от 1,3 до 2,9 м. Вода, подлежащая декарбонизации, подается на эту насадку: стекая тонкой пленкой по керамическим кольцам, она встречает на своем пути воздух, подаваемый вентилятором, и освобождается от свободной углекислоты. 5. Сущность процесса катионирования воды. При фильтровании жесткой воды через слой катионита происходит обмен катионов кальция и магния, содержащихся в воде, на ионы натрия, имеющихся в катионите. При этом ионы натрия переходят в раствор, а ионы кальция и магния оседают на катионите. При фильтровании через катионит воды, в которой имеются соли постоянной жесткости – СаСО3, МаСО3, СаSО4, МаSО4, СаС12, МаС12 и др. Процесс обмена ионов кальция и магния на ион натрия может быть изображен так: Na2К + CaCl2 = СаК + 2NаС1 Na2К + МgSО4 = МgК + Nа2SО4 Аналогично реагируют другие соли постоянной жесткости. Из приведенных уравнений видно, что при фильтровании жесткой воды через слой катионита, ионы кальция и магния поглощаются катионитом, а в воде взамен солей жесткости появляются хорошо растворимые соли натрия, которые не образуют накипи. Также видно, что в процессе умягчения изменяется сам катионит, который отдает переходящий в воду ион натрия и принимает на себя ионы кальция и магния. Процесс обмена ионов натрия на ионы кальция и магния идет до тех пор, пока в катионите имеются ионы натрия. Когда ионов натрия в катионите становится мало, обменная способность катионита падает, и жесткость умягченной воды быстро растет. Для восстановления умягчающей способности его подвергают обработке 6-8 % раствором поваренной соли. Процесс обработки катионита раствором соли называется регенерацией, которую схематично можно изобразить так: СаК + 2NаС1 = Na2К + СаС12 MgK + 2NаС1 = Na2К + MgCl2 Таким образом, процесс регенерации является процессом обратным умягчению, т. е. ионы кальция и магния, поглощенные катионитом, переходят в раствор, а взамен их катионит вновь поглощает ионы натрия. После регенерации катионит отмывают от перешедших в раствор и заполняющих межзерновое пространство солей жесткости MgCl2, СаС12 и избытка поваренной соли, после чего фильтр снова можно включать на операцию "умягчения". При работе катионитовых фильтров кроме вышеописанных операций - умягчение, регенерация и отмывки, производится еще одна операция - "взрыхление" катионита. Взрыхление катионита производят потоком воды снизу вверх для устранения уплотнений в фильтрующем слое и для возможности свободного доступа раствора поваренной соли к зернам катионита. Кроме того, благодаря взрыхлению, из фильтра удаляются мелкие частицы, оседающие в толще катионита при фильтровании недостаточно осветленной воды, а также мелкие частицы катионита, получающиеся в процессе эксплуатации катионитовых фильтров, вследствие постепенного стирания зерен катионита. 6. Контроль процесса и оценка работы катионитовых фильтров. При работе катионитовых фильтров должны контролироваться следующие показатели: а) качество исходной воды и умягченной, 6) количество умягченной воды, выдаваемое фильтрами за фильтроцикл, в) продолжительность фильтроцикла, г) потеря напора в катионитовых фильтрах, д) количество соли, израсходованной на регенерацию фильтров, е) количество воды, израсходованной на собственные нужды фильтров. Для замера количества вырабатываемой фильтрами умягченной воды, расходуемой на собственные нужды катионитовых фильтров, должны быть установлены водомеры, на трубопроводах перед каждым катионитовым фильтром, на трубопроводе, подающим воду на взрыхление катионитовых и механических фильтров и манометрами для измерения потери напора в фильтрах при их работе. 7. Требования на безопасности труда. Аппаратчик ХВО обязан строго выполнять ПТБ на участке химводоподготовки. Нарушение ПТБ и производственной санитарии ведет к несчастным случаям. Аппаратчик ХВО обязан знать: а) правила пользования средствами пожаротушения и их местонахождение, 6) правила пользования средствами защиты органов дыхания, в) правила эвакуации пострадавших от вредных веществ и способы оказания первой помощи. При возникновении пожара аппаратчик ХВО должен немедленно сообщить начальнику смены и принять меры ликвидации пожара. 8. Цель работы и рабочее задание. Целью работы является изучение работы катионитовых установок, ведение правильного режима химической очистки воды, с воспроизведением всем режимов работы установки, контролем параметров работы. Работа проводится на макете действующего химического Nа - катионитового фильтра. В ходе работы необходимо определить: a) качество исходной (сырой) воды и умягченной; 6) количество умягченной воды, выдаваемое фильтрами за фильтроцикл; в) продолжительность фильтроцикла; г) потерю напора в катионитовых фильтрах; д) объем катионита, требующийся для фильтра; е) количество соли, израсходованной на регенерацию фильтра, ж) количество воды, израсходованной на собственные нужды фильтров. При выполнении рабочего задания воспроизвести последовательно все режимы работы Nа - катионитового фильтра на лабораторной установке. 9. Описание лабораторной установки. Схема лабораторной установки приведена на рис. 3. Основным элементам установки является макет Nа-катионитового фильтра 1, соединенного трубопроводами с источником рабочей (сырой) воды (городской водопровод), баков для приготовления раствора соли, канализацией. На трубопроводах подачи воды и соляного раствора установлены вентили, позволяющие моделировать любой режим работы химводоочистки. Отводы до и после фильтра позволяют отбирать пробы воды до и после химочистки, а также в режиме взрыхления и отмывки. Для измерения расходов воды на подающем трубопрводе установлен счетчик для измерения расходов воды на различных режимах работы установки.  10. Указания по выполнению экспериментов. Приступать к работе можно только с разрешения преподавателя. Работа выполняется под непосредственным наблюдением лаборанта, с соблюдением всех правил техники безопасности на участке химводоочистки. В последовательности воспроизводятся следующие режимы работы. Взрыхление. Взрыхление катионита происходит сырой водой, для чего сначала открывается кран № 2 на линии подвода взрыхляющей воды. При этом вода поступает в фильтр снизу вверх, взрыхляет сульфоуголь и уходит в канализацию при плавном открытии крана №6. Интенсивность взрыхления контролирует, отбирая в стакан пробы воды, вытекающей из фильтра через кран № 6. Пробы берут каждые 3 - 5 минут из отборного крана № 6, в случае появления крупных частиц сульфоугля, быстрооседающих на дно стакана, кран № 6 перекрывают на 0,5 - 1 оборот и снова берут пробу, проверяя ее на наличие крупных частиц сульфоугля. Продолжительность взрыхления обычно не превышает 30 - 40 минут, если вода мутная, то взрыхление продолжается да тех пор, пока не наступит осветление воды, выходящей из фильтра. При взрыхлении нельзя допускать чтобы прекращалась подача воды, так как эта приводит к подсосу воздуха в толщу сульфоугля и ухудшает работу фильтра. По окончании взрыхления медленно закрывают кран № 6 затем кран № 7. После взрыхления фильтру дают постоять 10 минут, чтобы дать осесть зернам катионита. Регенерация. В солерастворитель наливают воды, открывая кран № 3, и засыпают поваренную соль в количестве ХХХ на 1 литр воды, чтобы получить 6 - 8 % солевой раствор. После получения солевого раствора заданной концентрации в нужном объеме, открывают кран № 5 для поступления солевого раствора в фильтр при этом кран №3должен быть закрыт. Одновременно для наблюдения за напором воды в фильтре приоткрывают кран на воздушнике и вентиль № 7для отбора проб воды, вытекающей из фильтра. Если через воздушник перестает идти вода, то это свидетельствует о начале опорожнения фильтра, и в этом случае нужно уменьшить скорость вытекания воды из фильтра, прикрыв немного кран № 7 с таким расчетом, чтобы из воздушника снова пошла вода. Скорость пропускания раствора через катионит должна составлять 5-7 м/ч, при такой скорости длительность пропускания солевого раствора в фильтр составляет примерно 10 - 15 минут. Впуск солевого раствора прекращают, когда пропущено нужное количество соли для регенерации в соответствии с подсчетом. По окончании впуска солевого раствора, закрывают последовательно кран №7 на катионитовом фильтре и затем кран № 5 на баке, после этого дают фильтру постоять в течении 15 минут под солевым раствором для того, чтобы прошел полный процесс регенерации и затем приступают к отрмывке катионита от солей жесткости. Отмывка в дренаж. Открывают кран № 4, подающий воду на фильтр, а затем кран № 2, подающий воду в дренаж. Скорость отмывки в дренаж поддерживается 5-8 м/ч. Продолжительность отмывки в дренаж при такой скорости фильтрования составляет до рабочей жесткости от 200 мкг*экв/л - 30-40 минут. Умягчение. При включении фильтра на умягчение открывают кран № 4, затем кран № 7. Степень открытия крана меняют в зависимости от того, какая требуется производительность фильтра. Производительность фильтра определяется по расходомеру. Скорость фильтрования воды через сульфоуголь (смолу) может колебаться в пределах от 5 до 25 м/ч. Большая скорость фильтрации нежелательна, т. к. возможно сильное уплотнение слоев катионита. Кроме того, при большой скорости фильтрации и большой жесткости исходной воды возможен проскок солей жесткости в умягченную воду. При повышенной жесткости исходной воды скорость фильтрования не должна превышать 10-12 м/ч особенно для установок малой производительности. Также нежелательно фильтрование воды со скоростью меньше 5 м/ч, т. к. в этом случае возможно увеличение жесткости умягченной воды и частичная пептизация сульфоугля, т. е. переход угля в коллоидное состояние. При включении в работу фильтра, стоящего в резерве не под солевым раствором, также необходимо сначала произвести отливку в дренаж и только после этого, как анализ воды покажет, что жесткость не превышает 200 мкг-экв/л фильтр можно включить в работу. Процесс умягчения заканчивается, когда жесткость умягченной воды достигает 200 мкг-экв/л. В этом случае фильтр отключают закрыв последовательно краны № 7, № 1т. к. фильтр ставят на регенерацию. При эксплуатации катионитових фильтров необходимо следить за тем, чтобы в толщу сульфоугля (смолы) не попал воздух, т. к. при засасывании воздуха в толщу катионита падает производительность фильтра. Воздух препятствует доступу воды и регенерационного раствора к частицам катионита. Поэтому в процессе умягчения следует периодически 1 - 2 раза в смену открывать задвижку "воздушник" для того, чтобы удалить скопившейся в фильтре воздух. Если по каким либо обстоятельствам воду из фильтра спустили, то заполнить фильтр водой нужно снизу через задвижку № 1 при открытом воздушнике, заполнение фильтра водой ведут очень медленно, чтобы воздух успел выйти из слоя катионита.
Объём катионита, требующийся для заполнения фильтров, определяется по формуле:  где  расчётный расход исходной воды, м3/ч. период между регенерациями, ч. общая жесткость исходной воды объёмная способность катионита  .Пример: Расход исходной воды через химводоочистку составляет Qvp = 116118 кг/ч, период между регенерациями составляет j = 8 часов (14, с. 135), общая жесткость исходной воды составит: Жо = 6,65 мг*экв/кг, обменная способность катионита Е = 300 г*экв/мЗ . Фактический межрегенерационный период можно определить, зная QVP - расчетный расход исходной воды, м3/ч, перепад напора на фильтре, ионообменная способность катионита, площадь рабочего слоя катионита.  Число регенераций в сутки определяется:  , где 1,5 - продолжительность процесса регенерации, ч.(14, с. 136). Количество соли, израсходованное на одну регенерацию, кг:  где  удельный расход соли,  Необходимый объем раствора соли (объем солерастворителя), м3:  12. Содержание отчета 1. Краткое описание лабораторной установки и основные теоретические положения. 2. Технические характеристики оборудования и метрологические характеристики средств измерений. Результаты опытов и расчетов, таблицы, рисунки. Выводы по работе. 13. Вопросы для защиты выполненной работы 1. Теоретические сведения о сущности вопроса химводоочистки катионитовым способом. 2. Как определить, что катионит потерял свою способность к замещению ионов. 3. Изложите принцип работы катионитового фильтра, уравнения ионозамещения при работе Na-катионитового фильтра. 4. Объясните, как производится регенерация Na-катионитового фильтра. 5. Какая вода называется сырой, химочищенной, питательной, подпиточной, котловой. 6. Что называется общей жесткостью воды и как она измеряется. 14. Литература. 1. Порецкий Л. Я. Справочник зкспалуатационных газифицированных котельных. - Л.: Недра. 1988.- 608с : ил. 2. Раддатис К. Ф., Полтарецкий А. И. Справочник по котельным установкам малой производительности. 3. Балан Ф. И., Водоподготовка. И.:.Госэнергоиздат, 1958. 4. Руководящие указания по водоподготовке и водно-химическому режиму тепловых сетей. / СЦНТИ, 1973  Приложение 1 Внешний вид Na-катионитовых фильтров  |