1.Анализ состава воды

Для анализа состава воды необходимо определить солесодержание, щелочность, жесткость общую, карбонатную и некарбонатную.

Находим сумму основных катионов:

, г-экв/м³ (1.1)

где Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ и К⁺ - массы соответствующих веществ, растворенных в единице объема, мг/дм³;

20,04, 12,16 ,23 и 39,1- молярные массы эквивалента ионов кальция, магния, натрия и калия соответственно, мг/моль;

г-экв/м³.

Сумма основных анионов:

, г-экв/м³ (1.2)

г-экв/м³.

Так как в природных водах концентрации других веществ ничтожно малы должно выполнятся равенство:

, (1.3)

Проверка равенства 1.3 дает погрешность 0,92%, что вполне допустимо.

Общее солесодержание воды Р, г/м³ , равно сумме массовых концентраций анионов и катионов:

, г/м³ (1.4)

г/м³

Общее солесодержание воды Р в эквивалентных массах, г-экв/м³ , равно:

, (1.5)

г-экв/м³.

Щелочность определяется:

, (1.6)

г-экв/м³.

Найдем численное значение общей жесткости, которая обуславливается наличием катионов магния и кальция.

, (1.7)

г-экв/м³

Анализ данных показывает, что вода второй группы, присутствует только карбонатная жесткость.

, следовательно г-экв/м³;

Некарбонатная жесткость составляет:

.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы умягчения воды

Выбор метода катионирования воды определяется требованиями потребителя, предъявляемыми к очищенной воде и составом солей растворенной в исходной воде. Очищенную воду можно получить различными методами. В этом случаи выбор технологии очистки воды производится в результате технико-экономических анализов.

Схему умягчения воды выбираем из приведенных в методических указаниях [2,7.1]. На основании требуемых качеств фильтрата( Ж_о=0,01 г-экв/м³ и Щ=0,7 г-экв/м³ ) выбираем последовательное водородо-натриевое катионирование с дегазацией (Н₁-Д-Б-Na₁). Схема умягчения воды приведена на рисунке 2.1.

3.Расчет и потбор основного технологического оборудования станции

3.1 Расчет водород-катионитных фильтров с полной регенерацией

1.Поскольку при полной регенерации катионита фильтрат имеет pH≤7, выбираем сильнокислый катионит. По данным [2,3.1] выбирается один из самых дешевых катионитов - сульфоуголь с размером зерен 0,3-1,5,мм и полной обменной емкостью равной 600 г-экв/м³.

2. Удельный расход серной кислоты на регенерацию принимается равным г/г-экв.

3. Коэффициент эффективности регенерации водород-катионита определен по [2,6.1] равным .

4.Удельный расход на отмывку катионита после регенерации, принимается равным: q м³ на 1 м³ катионита.

Рабочая обменная емкость водород-катионита определяется:

, (3.1)

где – полная (паспортная) обменная емкость катионита, г-экв/м³;

– удельный расход на отмывку катионита после регенерации, принимаем равным на 1 м³ катионита;

- общее содержание в воде катионов кальция, магния, натрия и калия, г-экв/м³.

г-экв/м³

5. Объем катионита в фильтрах находится по формуле:

, (3.2)

где - расход воды, подаваемый на Н-фильтры, м³/ч;

- общая жесткость воды поступаемой на фильтры, г-экв/м³;

- рабочая объемная емкость катионита при водород-катионировании, г-экв/м³ ;

- число регенераций каждого фильтра в сутки, 2.

, (3.3)

где - полный полезный расход воды, подаваемый на установку;

и – щелочность исходной воды и требуемая щелочность умягченной воды соответственно, г-экв/м³ ;

- суммарное содержание в исходной воде анионов сильных кислот (Cl^- , SO₄^-), г-экв/м³.

м³/сут=3,44м³/ч.

м³

6.Принимаем водород-катионитный фильтр типа ФИПаΙΙ-1,0-0,6-Н. Диаметром 1,0м, высотой загрузки катионита м. Высота корпуса 2968 мм. Площадь одного фильтра f=0,78. Конструкция приведена на рисунке 3.1.

7. Требуемая площадь фильтрата из условия размещения расчетного объема катионита равна

, (3.4)

м²

1-исходная вода; 2-фильтрат; 3-подача раствора кислоты; 4- вода на взрыхление; 5-сброс в канализацию воды от взрыхления; 6- сброс отмывочной воды и отработанных растворов; 7- гидровыгрузка катионита; 8- загрузка катионита.

Рисунок 3.1. Схема работы водород-катионитного фильтра:

8. Число рабочих фильтров =1,1/0,785=1,4. Число рабочих фильтров должно быть не мене двух. Поэтому принимается , с суммарной площадью фильтрования м².

9. Скорость фильтрования воды в рабочем режиме составит,

, (3.5)

м³/ч

Скорость фильтрования в форсированном режиме, при выключенном на регенерацию одном фильтре равна,

, (3.6)

м³/ч.

10. Окончательно в проекте предусмотрено два рабочих и один резервный фильтров.

11. Масса 100% ной серной кислоты на одну регенерацию водород-катионитного фильтра, определяется:

, (3.7)

где – удельный расход кислоты для регенерации катионита, г/г-экв.

кг

12.Суточный расход кислоты, необходимый для регенерации Н-фильтров:

, (3.8)

кг/сут.

Масса кислоты для нормируемого хранения в течении 15 суток.

т.

Объем бака требуемый для хранения этой массы

, (3.9)

где - масса кислоты хранения в баке, т;

- удельная масса технической серной кислоты 95% концентрации, т/м³; - концентрация кислоты, %.

м³

Принимаем бак БНВ-1,6. Объем бака 1,6 м³, габаритные размеры мм, мм. Конструкция бака приведена на рисунке 3.2.

1-заполнение кислотой; 2-сжатый воздух; 3-выход кислоты; 4-воздушник.

Рисунок 3.2. - Бак БК для концентрированной серной кислоты.

13. Объем мерника определяется из условия регенерации одного фильтра. Объем мерника определен из формулы 3.9 при условии кг. В результате л. Принимаем два мерника.

14.Объем раствора кислоты 1,5% концентрации для одной регенерации одного фильтра W_раств, м³, определяется по формуле:

, (3.10)

м³

Объем воды требующейся на приготовление раствора практически равен объему раствора, так как плотность его близка к плотности воды. Регенерационный раствор пропускается через фильтр со скоростью равной 10 м/ч.

Расход регенерационного раствора равен:

м³/ч=2,17 л/с.

15. Расход воды на взрыхление фильтров , л/с, определяется по формуле:

, (3.11)

где - интенсивность подачи воды для взрыхления катионита, 4 л/с м²;

-площадь фильтра ,м².

л/с.

Объем воды , м³, взрыхление фильтра определяется:

, (3.12)

где – продолжительность взрыхления принята 20 минут.

м³

Вода для взрыхления хранится в баках( один рабочий, один резервный). Объем каждого бака рассчитан на два взрыхления, т. е., равен 7,4 м³. Высота каждого бака принята по 2,5м, диаметр 2,0м.

16. Вода на отмывку подается та же и по тому же трубопроводу, что и на умягчение.

Определим объем воды на отмывку :

, (3.13)

где - удельный расход воды на отмывку, равный 5м³ на 1 м³ катионита.

м³

17. Суточный расход воды на собственные нужды водород-катионитной установки равен:

, (3.14)

м³/сут.

18. Определение диаметров трубопроводов и потерь напора приведены в таблице 3.1

Таблица 3.1-Диаметры трубопроводов установки водород-катионитного умягчения воды

Назначение	Расход жидкости		Диметр,мм	Скорость, м/с	Гидравлический уклон,1000i
	Обоснование	Значение,л/с
Подача исходной воды на установку и отвод фильтрованной	qпол	20,8	150	1,63	76,5
Подача исходной воды на фильтр и отвод фильтрованной	qполн	0,96	40	0,8	47,2
Подача воды на взрыхление фильтра	qвзр	3,12	50	1,47	106,5
Подача регенерационного раствора	qрег	2,17	50	0,99	50,3

Из баков вода на взрыхление фильтров вода подается насосами. Напоры насосов составляют ориентировочно 15-20 м. Производительность насоса для взрыхления фильтров: q_взр=3,12 л/с или 11,2 м³/ч. К установки принимаются два насоса ,один резервный и один рабочий, типа 2К 20/18 фактической производительностью 11-22 м³/ч и напором 21 м. Масса насосного агрегата 75 кг, размеры в плане 823×286 мм. Мощность электродвигателя-1,5 кВт.

3.2 Расчет вентиляторной градирни- дегазатора

Дегазатор представляет собой стальной цилиндр, внутри которого располагается насадка. Вода поступает на дегазатор сверху через распределительные сопла. Снизу в аппарат с помощью вентилятора подается воздух.

Для организации движения воды по насадке в виде пленки используются керамические кольца Рашига размером 25×25×4 мм. Площадь поверхности 1 м³ колец Рашига составляет 204м². Плотность орошения принимается равной м³/(м²ч). На рисунке 3.3 представлена градирня-дегазатор.

Площадь поперечного сечения градирни-дегазатора , м²:

, (3.15)

м²;

По площади находится диаметр дегазатора , м:

, (3.16)

м.

Диаметр принимаем 1300 мм. Тогда фактическая площадь дегазатора в плане будет равной м²;

1-корпус; 2-насадка; 3-подача воды; 4-распределительные сопла; 5-отвод воды; 6-вентилятор; 7-воздухоотводящие патрубки; 8-выброс газа.

Рисунок 3.3-Градирня-дегазатор.

Концентрация двуокиси углерода на входе в дегазатор определяется:

, (3.17)

где и – содержание свободной двуокиси углерода, г/м³, и щелочности в исходной воде , г-экв/м³.

г/м³;

Масса удаляемой двуокиси углерода, находится из уравнения:

, (3.18)

где - концентрация на выходе двуокиси углерода, принимается 3 г/м³.

кг/ч;

Среднее значение движущей силы десорбции кг/м³, коэффициент десорбции м/ч.

Необходимую поверхность насадки определяют по формуле:

, (3.19)

м²;

Объем насадки обеспечивающий эту поверхность равен:

, (3.20)

где – поверхность 1 м³ насадки.

м³

Высота слоя насадки в дегазаторе равна:

, (3.21)

м;

Производительность вентилятора:

, (3.22)

где – удельный расход воздуха, принимаем равным 15м³ на 1м³ воды.

м³/ч;

Напор вентилятора:

, (3.23)

где - сопротивление насадки мм. вод. ст. на 1 м высоты, принимаемое для керамической насадки 30 мм. вод. ст.

мм. вод. ст =601 Па.

Этим параметрам соответствует вентилятор с частотой вращения рабочего колеса об/мин, мощностью электродвигателя кВт.Рвзмеры в плане вентилятора в комплексе с электродвигателем мм. Размер входного патрубка мм.

Общая высота дегазатора складывается из водораспределительной части, равной 0,5м, высоты насадки м, воздухораспределительной части, равной 0,5м, высоты патрубка вентилятора и высоте водосборного резервуара – 0,5м. Общая высота дегазатора равна м.

На установке предусматривается два дегазатора: рабочий и резервный.

3.3 Расчет и подбор оборудования натрий-катионитных установок

Кислая вода после Н-катионирования смешивается перед декарбонизатором с потоком исходной воды и используется для нейтрализации ее щелочности. Через декарбонизатор и Na-катионитный фильтр проходит полный поток воды подаваемый на установку. При расчете Na-катионитных фильтров учитывается, что у части потока воды проходящей через Н-катионитные фильтры жесткость снижается до величины равной 0,1 г-экв/дм³. С учетом этого общая жесткость воды подаваемой на Na-катионитный фильтр равна

, (3.24)

г-экв/м³

В качестве катионита принимаем сульфоуголь с размером зерен 0,3-1,5 мм. Полная обменная емкость катионита г-экв/м³.

Удельный расход соли г/г-экв. Коэффициент эффективности регенерации определен по (2; 4.1) . Коэффициент определен по (2; 4.7) в соответствии соотношения С_Na/Ж_о.исх=0,32/0,65=0,5.

Удельный расход отмывочной воды принят равным 5м³ на 1м³ катионита. Рабочая обменная емкость катионита определяется:

, (3.25)

г-экв/м³ ;

Принимаем число регенераций каждого фильтра в сутки . Объем катионита в фильтре определяется по формуле:

, (3.26)

где - расход умягчаемой воды, м³/ч.

м³;

Принимаем натрий-катионитных фильтр ФИПаΙΙ-1,4-0,6-Na. Фильтр этой марки имеет диаметр корпуса 1424мм, высоту загрузки м, высоту корпуса 3120 мм. Масса аппарата без загрузки 1562 кг. Площадь фильтрования этого фильтра м².

Суммарная площадь катионитных фильтров определяется:

, (3.27)

м³

Число рабочих фильтров , обеспечивающие эту площадь равно

, (3.28)

где - площадь фильтрования одного фильтра, м².

.

Предварительно принимаем два рабочих фильтра.

Фактическая скорость фильтрования воды в нормальном режиме:

, (3.29)

м/ч

Рассчитанная скорость не превышает предельно допустимую 25 м/ч, но не проходит по условию для форсированного режима, когда один фильтр будет выключен на регенерацию. Поэтому число рабочих фильтров увеличиваем до трех, м/ч.

В форсированном режиме, когда один из фильтров выключен на регенерацию, допускается увеличение скорости на 10 м/ч допустимой:

, (3.30)

м/ч.

К установке принимается 3 рабочих и 1 дополнительный резервный фильтр.

Конструкция катионного фильтра приведена на рисунке 3.4.

1 – исходная вода; 2 – умягченная вода; 3 – сброс в канализацию; 4 – раствор хлорида натрия; 5 – отработанный регенерационный раствор и отвод отмывочной воды; 6 – вода на взрыхление.

Рисунок 3.4. – Натрий-катионный фильтр.

Солевое хозяйство:

Масса поваренной соли на одну регенерацию натрий-катионитного фильтра определяется по формуле:

, (3.31)

кг.

Суточный расход технической соли, необходимый для регенерации фильтров умягчения воды:

, (3.32)

кг/сут

Принято 15-суточное хранение соли в баках мокрого хранения. Масса соли для хранения составит:

т.

Объем баков для хранения 25% раствора соли определен из расчета 5 м³ на 1 т соли

м³.

К установке принимаются 2 бака с унифицированными размерами в плане и высотой 2,4 м. Емкость каждого бака равна 12,7м³. Баки выполнены из железобетона с защитой поверхности от коррозии. Схема расположения баков приведена на рисунке 3.4.

1-баки; 2-трубопроводы отбора концентрированного раствора соли; 3-солевые насосы; 4- подача раствора соли на фильтры-солерастворители; 5- вода от водопровода для заполнения баков; 6- подача воздуха на взрыхление.

Рисунок 3.4- Баки мокрого хранения соли( положение в плане).

Суточный объем 25% раствора для регенерации всех фильтров равен:

, (3.33)

где - масса соли хранимая в баке, кг/сут;

- удельная масса раствора, 1,19;

- концентрация раствора, %.

м³/сут;

Концентрированный раствор соли из баков перекачивается через солерастворитель в бак мерник. Принимаем солерастворитель марки С-0,125-0,4. Диаметр солерастворителя - 426мм. Площадь фильтрования - 0,14м². При скорости фильтрования через него раствора соли равной 3 м/ч, его производительность составляет 0,42 м³/ч. Следовательно, производительность принятого солерастворителя вполне достаточна для пропуска расчетного объема соли.

К установке принимаются два солерастворителя один рабочий и один резервный. Для перекачки соли приняты насосы центробежные химические консольные Х2/30 производительностью 2 м³/ч и напором 30м. Масса насоса-126 кг, мощность электродвигателя насоса составляет 3кВт. Габариты насоса вместе с электродвигателем в плане равны 930×450 мм. Устанавливается два насоса: рабочий и резервный.

Из солерастворителя раствор подается в баки-мерники для приготовления регенерационных растворов для регенерации фильтров. Концентрация соли принимается равной 5%.

Объем раствора для одной регенерации одного фильтра определяется по формуле:

, (3.34)

где - масса соли на одну регенерацию, кг.

м³;

В баках-мерниках хранится объем раствора на две регенерации. Объем одного бака равен:

м³;

Диаметр каждого бака в плане 1,8м, высота 2,5м. Применяем два бака: один рабочий и один резервный.

Баки-мерники оборудуются сигнализатором уровня раствора, переливным трубопроводом и трубопроводом опорожнения. Баки выполняются с защитным покрытием от коррозии.

Расход раствора соли по трубопроводу от бака-мерника к фильтрам определяется по формуле (3.31), по принятой скорости фильтрования регенационного раствора через катионит м/ч.

, (3.35)

л/с;

Баки-мерники располагаются на высоте, позволяющей самотечное движение раствора соли в катионитные фильтры.

Расход воды на взрыхление фильтров , л/с, определяется по формуле (3.32), в которой - интенсивность подачи воды для взрыхления катионита принята равной 4 л/см² , площади фильтрования фильтра 1,6 м².

, (3.36)

л/с.

Объем воды на одно взрыхление одного фильтра определяется по формуле:

, (3.37)

где - продолжительность взрыхления принята 20 минут.

м³

Воду для взрыхления предусмотрено подавать от специальных баков, в каждом из которых предусматривается хранить объем воды, необходимый для двух взрыхлений. м³.

Чтобы обеспечить взрыхление любого фильтра от любого бака предусмотрены переключения между баками. Баки предусматривается выполнять из металла с антикоррозийным покрытием. Диаметр каждого бака 2,8 м, высота 2,5м.

В баках хранения взрыхляющей воды собирается также вода от отмывки фильтров соответствующих ступеней. Предусматривается подвод к бакам исходной воды для их пополнения при необходимости.

Из баков вода на взрыхление фильтров подается насосами. Напоры насосов составляют ориентировочно 15-20 м. Производительность насоса для взрыхления фильтров: л/с или 23 м³/ч. К установки принимаются два насоса ,один резервный и один рабочий, типа К 25/18 фактической производительностью 25 м³/ч и напором 19 м. Масса насосного агрегата 90 кг, размеры в плане 795×286 мм. Мощность электродвигателя-2,2 кВт.

Объем воды для отмывки определяется по формуле:

, (3.38)

где - расход воды на отмывку, принят равным 5м³ на 1м³ катионита.

м³

^{Вода на отмывку подается по трубопроводам подачи воды на фильтр в рабочем режиме.}

^{Первая половина объема отмывочной воды, наиболее загрязненная солями жесткости, сбрасывается в канализацию, вторая половина используется для взрыхления фильтров. В техническую канализацию сбрасываются также воды от взрыхления, содержащие взвешенные частицы, и отработанные регенерационные растворы соли.}

^{С учетом этого потери воды на одну регенерацию фильтра равны:}

, (3.39)

м³/сут.

Суточный расход воды на собственные нужды установки составляет:

, (3.40)

м³/сут.

В процентах от производительности установки составляет:

, (3.41)

%

Диаметры трубопроводов установки определяются по рекомендованным скоростям движения жидкости, равными от 1,0 до 2,0 м/с. Их определение сведено в таблицу 3.2.

Таблица 3.2- Диаметры трубопроводов установки натрий-катионитного умягчения воды

Назначение	Расход жидкости		Диметр,мм	Скорость, м/с	Гидравлический уклон,1000i
	Обоснование	Значние,л/с
Подача исходной воды на установку и отвод фильтрованной	qпол	20,8	150	1,63	76,5
Подача исходной воды на фильтр и отвод фильтрованной	q/3,6N	6,9	80	1,41	57,2
Подача воды на взрыхление фильтра	qвзр	6,4	80	1,29	47,8
Подача раствора соли на фильтр	qс	4,8	70	1,38	63,3