Расчет предельно допустимой карбонатной жесткости

На внутренних охлаждаемых поверхностях конденсаторов паровых турбин, воздухоохладителей генераторов и по всему тракту охлаждающей воды могут образовываться отложения за счет следующих процессов:

- нанос и оседание взвешенных веществ (органические примеси, песок);

- выделение твердых веществ из водяного раствора (преимущественно карбоната кальция);

- образование продуктов коррозии.

На стенках конденсаторных труб способны обитать живые организмы, что приводит к зарастанию труб. Характер и интенсивность загрязнения внутренней поверхности конденсаторных труб и связанные с этим нарушения их работы зависят от многих факторов, к которым относится физико-химический состав охлаждающей воды, ее биологические особенности, конструкция конденсатора и режим его работы (скорость движения воды в трубах, температурный перепад и т. д.), коррозионная стойкость конденсаторных труб.

Рассмотрим условия образования отложений карбоната кальция на поверхности, охлаждаемой водой, обладающей карбонатной жесткостью. В стабильной воде гидрокарбонатные ионы , с одной стороны, находятся в динамическом равновесии с ионами и Н⁺, а с другой стороны – с недиссоциированными молекулами растворенной в воде СО₂. Со своей стороны растворенная в воде углекислота находится в равновесии с газообразной углекислотой, присутствующей в пространстве над водой.

Это так называемое углекислотное равновесие нарушается при нагревании воды, вследствие чего часть растворенной в ней углекислоты удаляется. При этом происходит термический распад гидрокарбонат-ионов с образованием и летучей СО₂:

Процесс распада гидрокарбонатов протекает тем быстрее, чем выше температура и чем энергичнее перемешивание. В прямоточных системах охлаждения распад гидрокарбонатов обусловлен нагреванием воды, а в оборотных системах, кроме того, потерей растворенной в воде углекислоты при разбрызгивании воды в градирнях или брызгальных бассейнах.

Увеличение концентрации карбонатных ионов при наличии в воде катионов кальция приводит к образованию труднорастворимого осадка СаСО₃, обладающего способностью кристаллизоваться и давать плотные отложения на охлаждаемых поверхностях:

Так как величина произведения растворимости для карбоната кальция весьма мала (4,4·10^-9), то при значительной концентрации Са²⁺ концентрация должна быть низкой. Вместе с карбонатом кальция на охлаждаемых поверхностях конденсаторов могут откладываться взвешенные вещества, которые как бы цементируются карбонатом кальция.

На поверхности конденсаторных труб и трубопроводов циркуляционной системы охлаждения могут возникать также отложения гидроксида железа Fe(OH)₃ в тех случаях, когда в охлаждающей воде присутствуют соединения железа. При нагревании циркуляционной воды, содержащей гидрокарбонат закиси железа, при обогащении ее кислородом и потере ею растворенной свободной углекислоты (вследствие аэрации воды в градирнях или брызгальных бассейнах), происходит окисление закисного железа в окисное и гидролиз, с образованием гидрата окиси железа.

Расчет предельно допустимой карбонатной жесткости

Жесткость воды характеризует молярную концентрацию эквивалентов солей кальция и магния (фактор эквивалентности = ½). При оценке качества оборотной воды жесткость воды выражают в ммоль/дм³, жесткость очищенной воды и конденсата выражают в мкмоль /дм³. Отсюда, если жесткость воды составляет 5 ммоль/дм³, массовая концентрация солей жесткости составит

- в пересчете на ионы кальция, мг/дм³

- в пересчете на ионы кальция, мг/дм³

где ½ - фактор эквивалентности для ионов кальция и магния

По отношению между общей жесткостью воды Ж_о и концентрацией в ней ионов НСО₃^¯ природные воды можно разделить на две группы:

- первая группа, когда Ж_о ≥ c(НСО₃^¯);

- вторая группа, когда Ж_о < c(НСО₃^¯);

В водах первой группы различают жесткость общую (Ж_о), карбонатную (Ж_о = c(НСО₃^¯), некарбонатную (Ж_нк) , жесткость кальциевую (Ж_Ca) и магниевую (Ж_Mg). Между ними существует следующая зависимость:

Ж_о = Ж_к + Ж_нк = Ж_са + Ж_Mg

Для вод второй группы, которые называются щелочными, понятие карбонатной и некарбонатной жесткости теряет смысл, поскольку

c(НСО₃^¯ ) >Ж_о .

Для этих вод следует различать жесткость общую, кальциевую и магниевую.

На практике часто приходится определять жесткость смеси двух и нескольких потоков воды. Например, в конденсаторы паровых турбин через неплотности проникает жесткая охлаждающая вода, вследствие чего жесткость конденсата увеличивается. В этом случае бывает необходимо установить долю проникающей в конденсатор воды. Решение подобного рода задач основывается на следующих равенствах

где Ж_см – жесткость смеси;

жесткость первого и второго потоков, соответственно;

a, b – значение доли единицы первого и второго потоков, соответственно.

Значение предельно допустимой (по стабильности) карбонатной жесткости охлаждающей воды можно приближенно рассчитать по эмпирической формуле, справедливой для поверхностных вод с окисляемостью, не превышающей 30 мг/дм³ О₂ при температуре, равной 40 °С:

(4.19)

где Ж_нк – некарбонатная жесткость, ммоль/дм³;

О_к – окисляемость воды, мг/дм³ О₂.

Пример

Природная вода характеризуется содержанием следующих примесей:

с(Са²⁺) = 74 мг/дм³; с(Mg²⁺) = 13,2 мг/дм³;

ммоль/дм³;  моль/дм³; ммоль /дм³; ммоль/дм³ ; окисляемость -5,0 мгО₂/дм³;

Определить значение предельно допустимой карбонатной жесткости.

Решение Молярная концентрация эквивалента кальция равна, ммоль/дм³

Молярная концентрация эквивалента магния равна, ммоль/дм³

Общая жесткость воды (концентрация солей кальция и магния) составляет, ммоль экв/дм³

Жо = 3,7 + 1,1 = 4,8

Некарбонатная жесткость воды составляет, ммоль/дм³

Жнк = Жо – Жк = 4,8 – 3,0 =1,8

Значение предельной допустимой карбонатной жесткости, ммоль/дм³

2,7

Контрольное задание № 2

Природная вода характеризуется содержанием следующих примесей, ммоль/дм³ (исходные данные в таблице)

Вариант №	Окисляемость, мгО2/дм3	Концентрация примесей, мг/дм3		Концентрация примесей, ммоль/дм3
1	4	90	9,1	4,5	4,5	3,9	4,5
2	5	80	8,2	4,3	4,3	3,7	4,3
3	6	70	7,1	4,1	4,0	3,5	3,0
4	7	95	9,5	4,0	4,1	3,9	4,6
5	8	85	8,5	4,6	4,2	3,7	4,1
6	9	75	7,5	4,7	4,3	3,6	3,5
7	8	92	9,2	4,8	4,4	3,9	4,9
8	7	82	8,2	4,9	4,5	3,8	4,7
9	6	72	7,2	4,0	4,6	3,5	3,2
10	5	93	9,3	4,1	4,7	3,8	5,9
11	4	83	8,3	4,2	4,2	3,8	5,8
12	9	73	7,3	4,3	4,1	3,6	4,1
13	8	94	9,4	4,4	4,9	3,9	5,2
14	7	84	8,0	4,5	4,7	3,7	5,0
15	6	74	8,0	4,6	4,0	3,2	4,4
16	5	64	6,0	4,7	4,0	3,1	3,9
17	4	59	7,0	4,8	4,0	3,0	3,0
18	10	69	8,0	4,9	4,1	3,3	3,2
19	12	79	7,0	4,3	4,3	3,4	4,0
20	11	89	8,0	4,5	4,4	3,8	4,2

Определить значение предельно допустимой карбонатной жесткости.

Контрольные вопросы

1 Содержание каких примесей характеризует жесткость воды?

2 Какие виды жесткости воды вам известны?

3 Единицы измерения жесткости.

4 Каковы причины строгого нормирования содержания ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в водах теплоэнергетических установок?

5 Процессы, приводящие к образованию отложений на стенках оборудования и по тракту охлаждающей воды.

6 От каких параметров зависит распад гидрокарбонат-ионов?

7 Последствия распада гидрокарбонат-ионов.

8 Какую формулу используют для вычисления доли охлаждающей воды, проникшей в конденсатор через неплотности, если известны значения жесткости I-го и II- го потоков и смеси воды?