Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы

   3.2. Направление химических реакций

   В многокомпонентном  растворе, т.е. сформированном различными молекулами и ионами, каждый ион «не помнит», из какой молекулы он образовался. Поэтому обоснованно и удобно записывать протекающие в растворе реакции в ионном виде. Логика подсказывает, что любой процесс, любая реакция в растворе будут направлены в сторону:

   

   □ образования  слабодиссоциирующих молекул; 

   □ малорастворимых  веществ; 

   □ газообразных  продуктов реакции. 

   

   Совершенно  естественно, что удаление из  ионной системы слабодиссоциирующих  молекул, кристаллизующихся веществ  и газов будет снижать их концентрацию и тем самым уменьшать скорость «обратной» реакции. Естественно, что при этом сдвинется ионное равновесие.

   

   Все эти  представления и положения чрезвычайно  важны для понимания тех процессов,  которые происходят в жесткой воде, контактирующей с воздухом, для понимания свойств жесткой воды и тонкостей, связанных с ее очисткой.

   

   

   3.3. Растворимость

   Растворимостью  называют способность вещества  образовывать с растворителем  однородные смеси с размером  частиц не крупнее молекулы. Мерой растворимости считают количество вещества, способное раствориться в фиксированном количестве растворителя при определенных условиях и бесконечно большом времени контакта. Причиной растворимости считают взаимодействие молекул растворенного вещества и растворителя, а также ослабление межмолекулярного взаимодействия в веществе за счет проникновения между его молекулами растворителя. Процесс растворения в целом определяется двумя характеристиками: скоростью растворения и растворимостью.

   

   В принципе  абсолютно нерастворимых веществ  не бывает. Но диапазон растворимостей  чрезвычайно широк: от «бесконечно  растворимых» (например, вода/глицерин) до «нерастворимых», когда речь  идет о 0,012 г в литре воды  при 40°С (например, карбонат кальция). 12 мг в литре — это много или мало? Вполне достаточно, чтобы образовать накипь на теплообменной поверхности уже при нагреве воды до 80°С.

   

   Соли  жесткости относятся как раз  к тем «нерастворимым» или  «малорастворимым» веществам, которые  при нагревании снижают свой уровень растворимости, выбрасывая «излишек» сверх растворимости в виде накипи на тепло-обменную поверхность. Подробнее о растворимости, процессе ее образования и пересыщении сказано в статье [3].

   

   Для наглядности  приведем пример. Если ион кальция содержится в литре очень жесткой воды в количестве 340 мг и если в этом литре воды растворится углекислый газ, образовав 510 мг карбонат-иона, то в растворе окажется при 100°С (растворимость 2 мг/л) 340 + + 510 - 2 = = 848 мг «лишнего» карбоната кальция. Этого вполне достаточно, чтобы после его кристаллизации из 1 м3 такой воды на 1 м2 теплообменной поверхности образовать слой плотной накипи толщиной 0,3 мм. Естественно, что освобождение от «лишнего» карбоната кальция 100 м3 такой воды покроет 1 м2 теплообменной поверхности слоем накипи в 30 мм.

   

   Выпадение  в осадок карбоната кальция  приводит к снижению как общей,  так и карбонатной жесткости. 

   

   Ионы  Са2+ и Mg2+ как правило образуют  малорастворимые соединения —  гидроокиси, соли угольной кислоты, двойные соли. Например, кальций и магний с жирными кислотами образуют малорастворимые соли. Напомню, что мылом называют соли жирных кислот. Вот почему в жесткой воде мыло не мылится: ОЖ, реагируя с анионом жирной кислоты, дает малорастворимую соль, но тем самым «выводит из обращения» пенообразующий компонент мыла. Другая специфика малорастворимых соединений кальция и магния — обратная растворимость. У большинства соединений растворимость увеличивается с ростом температуры. У обсуждаемых соединений кальция и магния рост температуры приводит к уменьшению растворимости. Если вы хотите получить раствор с высоким содержанием хлорида натрия, следует подогревать воду, в которой ведется растворение. Для получения раствора с максимально возможной концентрацией карбоната кальция жесткую воду следовало бы охлаждать.

   

   Итак, малая  растворимость солей жесткости,  их способность кристаллизоваться  по мере нагрева воды объясняет,  почему в теплоэнергетике, коммунальном  хозяйстве их объединили в  отдельную группу, и чем вызвано к ним такое повышенное внимание 
 
 
 
 
 

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 Ы Ca [Кат.] + 2 NaHCO3 
 

2 H [Кат.] + MgCl2 Ю  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 Ю  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 і 0,5 5.1 / 6.4 = 0.79 і 0.5 + 

Жнк Ј 3.5 мг-экв/л  Жнк = 1.3 Ј 3.5 мг-экв/л + 

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

Na+ + K+ Ј 1 …2  мг-экв/л 0.9 Ј 2 мг-экв/л + 
 

  

Последовательное H-Na-катионирование применяется при  условии: 
 

Жк / Жо Ј 0.5 5.1 / 6.4 = 0.79 > 0.5 - 
 

Жнк і 3.5 мг-экв/л  Жнк = 1.3 < 3,5 мг-экв/л -> 
 

SO4-2 + Cl- і 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.= a н* Еполн.  – 0.5*qуд.*Ск гр-экв/м3 (10) 
 

Где a н- 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. 

a н=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