МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-18-6.1-36/03УМКД
2014
Учебно-методические
Редакция №1
материалы дисциплины
«Физико-химические ме- от «__» ________ 2014г.
тоды подготовки воды»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ
ВОДЫ»
для специальности 5В071700 – Теплоэнергетика
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 2 из20
СОДЕРЖАНИЕ
1 Глоссарий ........................................................................................................ 3
2 Лекции ............................................................................................................. 5
3 Практические и лабораторные занятия.................................................... 117
4 Самостоятельная работа студента ............................................................ 124
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 3 из20
1 ГЛОССАРИЙ
Водородный показатель, рН — мера активности ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр.
Деаэрация — удаление кислорода и других газов из жидкости (обычно
воды), используемой в электростанциях и системах отопления.
Десорбция - удаление адсорбированного вещества с поверхности адсорбента.
Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных
металлов, главным образом, кальция и магния.
Иониты — твердые нерастворимые вещества, способные обменивать свои
ионы на ионы из окружающего их раствора.
Ионный обмен — это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.
Ионообменные смолы — синтетические органические иониты.
Карбонатная жесткость - определяется наличием в воле двууглекислых
солей кальция и магния - характеризуется содержанием в воде гидрокарбоната
кальция, который при нагревании или кипячении воды разлагается на практически нерастворимый карбонат и углекислый газ.
Коагуляция — объединение мелких частиц дисперсных систем в более
крупные под влиянием сил сцепления с образованием коагуляционных структур.
Некарбонатная жесткость - содержание некарбонатных солей кальция и
магния - сульфаты, хлориды, нитраты. При нагревании или кипячении воды
они остаются в растворе.
Обратный осмос — прохождение воды или других растворителей через
полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор в результате воздействия давления, превышающего разницу
осмотических давлений обоих растворов.
Окисляемость - обусловлена содержанием в воде органических веществ и
отчасти может служить индикатором загрязнённости источника сточными водами.
Осмотическое давление — избыточное гидростатическое давление на
раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной,
при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану.
Полупроницаемая мембрана - искусственная мембрана, предназначенная
для разделения смеси жидкостей или газов на составляющие компоненты.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 4 из20
Сухой остаток - общее количество веществ, получаемых в результате выпаривания профильтрованной воды и высушивания задержанного остатка до
постоянной массы.
Щёлочность воды - сумма содержащихся в ней гидратов и анионов слабых кислот (угольной, кремниевой, фосфорной и т.д.).
Электродиализ — процесс изменения концентрации электролита в растворе под действием электрического тока. Электродиализ применяют для опреснения воды, выделении солей из растворов.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 5 из20
2 ЛЕКЦИИ
Лекции - форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении
теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной
форме.
Модуль 1. Показатели качества воды
Лекция 1. Введение. Использование воды в теплоэнергетике
Содержание лекционного занятия
1 Примеси природных вод, характеристика, классификация.
2 Показатели качества природных и технологических вод.
3 Требования, предъявляемые к качеству воды для обеспечения надежной работы теплоэнергетических предприятий.
1 Примеси природных вод, характеристика, классификация.
Природные воды классифицируют по ряду признаков, простейший из них
- солесодержание воды: пресная вода - солесодержание до 1 г/дм3; солоноватая
- 1- 10 г/дм3; соленая - более 10 г/дм3. У речных и подземных вод
солесодержание изменяется от 50 - 200 до 1500 - 2000 мг/дм3. Наибольшее
количество растворенных примесей содержат воды океанов и морей, г/дм3:
Балтийского моря - 11, Каспийского - 13, Черного - 19, Атлантического океана 36.
Воды классифицируют также по преобладающему аниону на
гидрокарбонатные, хлоридные и сульфатные. Пресные воды относятся обычно
к гидрокарбонатному классу, так как содержание гидрокарбонатов кальция и
магния в них достигает 60 - 70%.
Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности)
подразделяют на истинно-растворенные (ионно-или молекулярно-дисперсные),
распределенные в воде в виде отдельных ионов, молекул; коллоиднодисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм; грубо-дисперсные с размером
частиц более 100 нм (0,1 мкм). Данная классификация носит условный
характер. Грубодисперсные примеси воды, называемые также суспензиями или
взвешенными веществами с частицами размером порядка нескольких
микрометров, проявляют свойства, аналогичные коллоидным системам, и их
часто объединяют под общим название микрогетерогенных систем.
Коллоидные примеси представляют собой агломераты из большого числа
молекул с наличием поверхности раздела между твердой фазой и водой. Из-за
малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и
обладают значительной удельной поверхностью. Например, если кубик
вещества объемом 1 см3 раздробить на более мелкие кубики с длиной ребра 10
нм, то число таких кубиков составит 1018 шт. с общей площадью поверхности
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 6 из20
600 м2 . Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы
тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами (песком,
фильтровальной бумагой) и различимы в рассеянном свете (конус Тиндаля). В
природных водах в коллоидно-дисперсном состоянии находятся различные
производные кремниевой кислоты и железа, органические вещества- продукты
распада растительных и животных организмов.
Грубодисперсные примеси ( так называемые взвешенные вещества)
имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С
течением времени устанавливается определенное диментационное равновесие,
и примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность (при
плотности частиц меньше плотности воды).
Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные
примеси обусловливают мутность воды. Чем больше размер частиц
грубодисперсных примесей, тем быстрее устанавливается седиментационное
равновесие и тем легче выделяются они из воды при отстаивании или
фильтровании. Так скорость отстаивания частиц песка и ила размерами 100 и
20 мкм составляет в неподвижной воде при 10o С соответственно около 7 и 0,4
мм/с.
По химическому составу примеси природных вод можно разделить на два
типа: минеральные и органические.
К минеральным примесям воды относятся растворенные в ней
содержащиеся в атмосфере газы N2, O2, CO2, образующиеся в результате
окислительных и биохимических процессов NH3, CH4, H2S, а также газы,
вносимые сточными водами; различные соли, кислоты, основания, в
значительной степени находящиеся в диссоциированной форме, т.е. в виде
образующих их катионов и анионов.
К органическим примесям природных вод относят гумусовые вещества,
вымываемые из почв и торфяников, а также органические вещества различных
типов, поступающие в воду совместно с сельскохозяйственными стоками и
другими типами недостаточно очищенных стоков.
2 Показатели качества природных и технологических вод.
Нормативы качества воды различных источников – предельно–
допустимые концентрации (ПДК), ориентировочные допустимые уровни (ОДУ)
и ориентировочно–безопасные уровни воздействия (ОБУВ) – содержатся в
нормативно–технической литературе, составляющей водно–санитарное
законодательство. К ним, в частности, относятся Государственные стандарты –
ГОСТ 2874, ГОСТ 24902, ГОСТ 17.1.3.03, различные перечни, нормы, ОБУВ,
санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами СНиП № 4630 и др.
3 Требования, предъявляемые к качеству воды для обеспечения надежной
работы теплоэнергетических предприятий
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 7 из20
По нормативам качества, определяющим наличие и допустимые
концентрации примесей, воды различают как:
питьевую;
природные воды (водоемы хозяйственно–питьевого, культурно–бытового
и рыбохозяйственного назначения);
сточные воды (нормативно–очищенные, сточные воды неизвестного
происхождения, ливневые).
ТЕМПЕРАТУРА
В условиях теплового загрязнения значительно изменяются кислородный
режим и интенсивность процессов самоочищения водоема, изменяется
интенсивность фотосинтеза и др. В результате этого нарушается, часто
необратимо, природный баланс водоема, складываются особые экологические
условия, негативно сказывающиеся на животном и растительном сообществе.
Специалисты установили: чтобы не допустить необратимых нарушений
экологического равновесия, температура воды в водоеме летом в результате
спуска загрязненных (теплых) вод не должна повышаться более чем на 3°С по
сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого года за последние
10 лет.
ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения
органолептических показателей, т.е. таких, для определения которых мы
пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом).
Органолептическая оценка приносит много прямой и косвенной информации о
составе воды. К органолептическим характеристикам относятся: цветность,
мутность (прозрачность), запах, вкус, привкус.
ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ (рН)
Нормативные требования рН питьевой воде 6,0 – 9,0; в воде водоемов
хозяйственно-питьевого и культурно–бытового водопользования – 6,5 – 8,5.
Пониженное значение рН (5,5 – 6,0) характерно для болотных вод за счет
повышенного содержания гуминовых и других природных кислот.
Измерение рН при контроле качества природной и питьевой воды
проводится практически повсеместно.
ЩЕЛОЧНОСТЬ И КИСЛОТНОСТЬ
Щелочность природных вод в силу их контакта с атмосферным воздухом
и известняками, обусловлена, главным образом, содержанием в них
гидрокарбонатов и карбонатов, которые вносят значительный вклад в
минерализацию воды. Щелочность пробы воды измеряется в г-экв/л или мгэкв/л и определяется количеством сильной кислоты (обычно используют
соляную кислоту), израсходованной на нейтрализацию раствора.
Естественная кислотность воды обусловлена содержанием слабых
органических кислот природного происхождения (например, гуминовых
кислот). Кислотность воды определяют в основном при анализе сточных и
технологических вод.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 8 из20
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ
Ряд показателей качества воды связан с определением концентрации
растворенных в воде различных минеральных веществ. Содержащиеся в воде
минеральные соли вносят разный вклад в общее солесодержание, которое
может быть рассчитано суммированием концентраций каждой из солей.
Пресной считается вода, имеющая общее солесодержание не более 1 г/л.
Можно выделить две группы минеральных солей, обычно встречающихся в
природных водах.
КАРБОНАТЫ И ГИДРОКАРБОНАТЫ
Как отмечалось выше, карбонаты и гидрокарбонаты представляют собой
компоненты, определяющие природную щелочность воды. Их содержание в
воде обусловлено процессами растворения углекислого газа, взаимодействия
воды с находящимися в прилегающих грунтах известняками и протекающими в
воде жизненными процессами дыхания всех водных организмов.
СУЛЬФАТЫ
Сульфаты в питьевой воде не оказывают токсического эффекта для
человека, однако, ухудшают вкус воды: ощущение вкуса сульфатов возникает
при их концентрации 250-400 мг/л. Сульфаты могут вызывать отложение
осадков в трубопроводах при смешении двух вод с разным минеральным
составом, например, сульфатных и кальциевых (в осадок выпадает СаSO4).
ПДК сульфатов в воде водоемов хозяйственно-питьевого назначения
составляет 500 мг/л.
ХЛОРИДЫ
Хлориды присутствуют практически во всех пресных поверхностных и
грунтовых водах. Если в воде присутствует хлорид натрия, она имеет соленый
вкус уже при концентрациях 250 мг/л; в случае хлоридов кальция и магния
соленость воды возникает при концентрациях свыше 1000 мг/л. ПДК для
питьевой воды по хлоридам 350 мг/л.
Высокие концентрации хлоридов в питьевой воде не оказывают
токсических эффектов на людей, хотя соленые воды очень коррозионно
активны, пагубно влияют на рост растений, вызывают засоление почв.
СУХОЙ ОСТАТОК
Сухой остаток характеризует содержание в воде нелетучих растворенных
веществ (главным образом минеральных) и органических веществ, температура
кипения которых превышает 105-110°С.
Для питьевой и природной воды величина сухого остатка практически
равна сумме массовых концентраций анионов (карбоната, гидрокарбоната,
хлорида, сульфата) и катионов (кальция и магния, а также определяемых
расчетным методом натрия и калия). Величина сухого остатка для
поверхностных вод водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового
водопользования не должна превышать 1000 мг/л (в отдельных случаях
допускается до 1500 мг/л).
ОБЩАЯ ЖЕСТКОСТЬ, КАЛЬЦИЙ И МАГНИЙ
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 9 из20
Жесткость воды обусловлена присутствием солей кальция, магния,
стронция и др. В поверхностных и грунтовых природных водах из
перечисленных катионов в заметных концентрациях присутствуют практически
исключительно кальций и магний. Содержание в питьевой воде кальция и
магния играет важнейшую роль для человеческого организма. Кальций играет
большую роль в жизнедеятельности клеток организма. Дефицит магния
приводит к коронарной болезни сердца, с другой стороны, повышенное
содержание магния угнетающе действует на нервную систему, поражая
двигательные нервные окончания.
Величина жесткости воды может варьироваться в широких пределах в
зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от
сезона года, погодных условий. Общая жесткость воды в озерах и реках
тундры, например, составляет 0,1-0,2 мг-экв/л, а в морях, океанах, подземных
водах достигает 80-100 мг-экв/л и даже больше (Мертвое море).
Суммарная жесткость воды, т.е. общее содержание растворимых солей
кальция и магния, получила название “общей жесткости”. При жесткости до 4
мг-экв/л вода считается мягкой; от 4 до 8 мг-экв/л – средней жесткости; от 8 до
12 мг-экв/л – жесткой; более 12 мг-экв/л – очень жесткой.
Допустимая величина общей жесткости для питьевой воды и источников
централизованного водоснабжения составляет 7 мг-экв/л.
РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД
Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при
контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными
растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов.
Содержание растворенного кислорода (РК) зависит от температуры,
атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды др.
В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может
колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным
колебаниям. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных
водоемов – 6 мг/л (для ценных пород рыбы), 4 мг/л (для остальных пород).
Определение РК является частью анализа при определении другого
важнейшего показателя качества воды – биохимического потребления
кислорода (БПК).
БИОХИМИЧЕСКОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА (БПК)
БПК – показатель качества воды, характеризующий суммарное
содержание в воде органических веществ. Природными источниками
органических веществ являются разрушающиеся останки организмов
растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и
попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т.п. Кроме природных,
существуют также техногенные источники органических веществ.
В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества
разрушаются бактериями с образованием двуокиси углерода. При этом на
окисление потребляется растворенный в воде кислород. Таким образом, в
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 10 из20
процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит
уменьшение концентрации РК, и эта убыль косвенно является мерой
содержания в воде органических веществ.
Величина БПК увеличивается со временем, достигая некоторого
максимального значения – БПК полн. Обычно определяют БПК за 5 суток
инкубации (БПК 5). Динамика биохимического потребления кислорода при
окислении органических веществ в воде приведена на рисунке 1.
а – легкоокисляющиеся (биологически мягкие) вещества – сахара,
формальдегид, спирты, фенолы и т.п.; в – нормально окисляющиеся вещества –
нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.; с – тяжело
окисляющиеся (биологически жесткие) вещества – неионогенные ПАВ,
гидрохинон и т.п.
Рисунок 1.
Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде
является
сопутствующий
ему
процесс
нитрификации
(окисление
азотсодержащих соединений нитрифицирующими бактериями), искажающий
характер потребления кислорода.
Норматив на БПК полн. для водоемов хозяйственно-питьевого
водопользования – 3 мг/л, для водоемов культурно-бытового водопользования
– 6 мг/л. Соответственно можно оценить предельно-допустимые значения БПК
5 для тех же водоемов, равные примерно 2 мг/л и 4 мг/л.
БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Вопросы контроля качества воды внесли в понятие биогенных элементов
широкий смысл: к ним относят соединения (точнее, компоненты воды),
которые, во-первых, являются продуктами жизнедеятельности различных
организмов; во-вторых, являются “строительным материалом” для живых
организмов. В первую очередь к ним относятся соединения азота (нитраты,
нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), фосфора
(ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты и др.).
Соединения серы интересны в этой связи, в меньшей степени, так как сульфаты
уже рассматривали в аспекте компонента минерального состава воды, а
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 11 из20
сульфиды и гидросульфиты, если присутствуют в природных водах, то в очень
малых концентрациях, и могут быть обнаружены по запаху.
ФТОР (ФТОРИДЫ)
Фтор в виде фторидов может содержаться в природных и грунтовых
водах. Избыток фтора в организме вызывают разрушение зубной эмали,
осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного
обмена. По этим причинам определение фтора в питьевой воде, а также
грунтовых водах (например, воде колодцев и артезианских скважин) и воде
водоемов хозяйственно-питьевого назначения, является очень важным. ПДК
фтора в питьевой воде для разных климатических районов составляет от 0,7 до
1,5 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсический.
ИНТЕГРАЛЬНАЯ И КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ
Каждый из показателей качества воды в отдельности, хотя и несет
информацию о качестве воды, все же не может служить мерой качества воды,
т.к. не позволяет судить о значениях других показателей. Вместе с тем,
результатом оценки качества воды должны быть некоторые интегральные
показатели, которые охватывали бы основные показатели качества воды (либо
те из них, по которым зафиксировано неблагополучие).
В простейшем случае, при наличии результатов по нескольким
оцениваемым показателям, может быть рассчитана сумма приведенных
концентраций компонентов, т.е. отношение их фактических концентраций к
ПДК.
Критерием качества воды при использовании правила интеграции
является выполнение неравенства:
где: Сфi; и ПДКi – фактическая концентрация в воде и ПДК для i-го
компонента.
Сумма приведенных концентраций (ГОСТ 2874) может рассчитываться
только для химических веществ с одинаковым лимитирующим показателем
вредности – органолептическим и санитарно-токсикологическим. При наличии
результатов анализов по достаточному количеству показателей можно
определять классы качества воды, которые являются интегральной
характеристикой загрязненности поверхностных вод. Классы качества
определяются по индексу загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается
как сумма приведенных к ПДК фактических значений 6 основных показателей
качества воды по формуле:
где: Сфi – среднее значение определяемого показателя за период
наблюдений (при гидрохимическом мониторинге это среднее значение за год);
ПДКi – предельно-допустимая концентрация для данного загрязняющего
вещества;
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 12 из20
6 – число показателей, берущихся для расчета (на их выборе мы
остановимся в этой же главе чуть ниже).
Значение ИЗВ рассчитывают для каждого пункта отбора проб (створа).
Далее по таблице в зависимости от значения ИЗВ определяют класс качества
воды.
В число 6 основных, так называемых “лимитируемых” показателей, при
расчете ИЗВ входят, в обязательном порядке, концентрация растворенного
кислорода и значение БПК 5, а также значения еще 4 показателей, являющихся
для данного водоема (воды) наиболее неблагополучными, или которые имеют
наибольшие приведенные концентрации. Для расчета ИЗВ показатели
выбираются независимо от лимитирующего признака вредности, однако при
равенстве приведенных концентраций предпочтение отдается веществам,
имеющим санитарно-токсикологический признак вредности (как правило,
такие вещества обладают относительно большей вредностью).
Задачи интегральной оценки качества воды практически совпадают с
задачами гидрохимического мониторинга, т.к. для окончательного вывода о
классе качества воды необходимы результаты анализов по целому ряду
показателей в течение продолжительного периода.
Стабильность - одно из важнейших и обязательных требований к известкованной воде. Чем ближе вода, представляющая собой в процессе обработки
пресыщенный раствор, к состоянию равновесия, тем она стабильнее и тем
меньше ее склонность к образованию впоследствии отложений на трубопроводах и на зернах фильтрующего материала осветлительных фильтров. Степень
отклонения от стабильности на практике характеризуют так называемой нестабильностью, т.е. возможным последующим снижением щелочности и
жесткости известкованной воды. На практике нестабильность определяют по
разности щелочности воды на выходе из осветлителя и щелочности фильтрата
осветлительных фильтров, установленных после осветлителя.
Вопросы для самоконтроля
Как классифицируют примеси природных вод
дисперсности?
2 Что называют минерализацией природных вод?
3 Как определяют сухой остаток?
4 Что понимают под минеральным остатком9
5 Перечислите важнейшие показатели качества воды.
6 Какую воду называют стабильной?
7 Что понимают под окисляемостью воды?
1
Рекомендуемые источники
по
степени
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 13 из20
1 Копылов
А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в
энергетике. - M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
2 Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. M.: Энергия, 1976. - 456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.; МЭИ, 2000. 395 с.
4 Электронная энциклопедия энергетики
Модуль 2. Очистка контурной воды
Лекция 2. Предварительная очистка
Содержание лекционного занятия
1 Коллоидно-дисперсные системы, коллоидные примеси воды.
2 Механизм коагуляции. Коагулянты. Флокулянты.
3 Электрокоагуляция.
4 Определение оптимальных режимов работы, типа и дозы коагулянта.
5 Известкование. Механизм известкования.
6 Расчет дозы извести при известковании.
7 Осветление воды фильтрованием.
8 Механизм процесса фильтрования.
9 Фильтрующие материалы.
1 Коллоидно-дисперсные системы, коллоидные примеси воды.
Если очистка воды от грубодисперсных примесей (ГДП) может быть
принципиально осуществлена обычным отстаиванием, время которого
определяется размером и удельной массой частиц, то коллоидные примеси за
счет их агрегативной устойчивости могут быть выделены из воды только
методом коагуляции. Коагуляция - физико-химический процесс укрупнения
коллоидных частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил
притяжения. В практике водоподготовки под коагуляцией понимают очистку
воды от коллоидных веществ с одновременной очисткой от ГДП и
обесцвечиванием воды путем дозировки в обрабатываемую воду специального
реагента - коагулянта.
Для коллоидных систем характерны два основных признака:
гетерогенность и дисперсность. Первый из признаков указывает на наличие
межфазной поверхности (поверхностного слоя), определяющего самые
существенные и характерные свойства коллоидных систем. Второй признак дисперсность (раздробленность) - либо определяется по трем измерениям тела,
либо характеризуется величиной, обратной минимальному размеру и названной
дисперсностью, либо, наконец, используется третья характеристика
раздробленности - удельная площадь поверхности Sуд (отношение межфазной
поверхности к объему тела, табл. 3.1).
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 14 из20
Учитывая эти признаки, коллоидные системы можно охарактеризовать и
определенным видом энергии, которым они обладают. Гетерогенность
предопределяет наличие поверхностного натяжения Sг, причем чем сильнее
различаются фазы по своей природе, тем выше поверхностное натяжение.
Коллоидные системы, обладающие большим избытком поверхностной
энергии, стремятся уменьшить ее за счет снижения поверхностного натяжения
благодаря поверхностной адсорбции других веществ, что формирует структуру
поверхностного слоя и наделяет этот слой свойствами, отличными от свойств
основной фазы. Избирательная адсорбция приводит к приобретению
соприкасающимися фазами зарядов противоположного знака, но различной
величины,т. е. возникает двойной электрический слой, обусловливающий
различные электрокинетические явления.
Цель водоочистки состоит в том, чтобы удалить взвешенные частицы и
коллоидные материалы из водных запасов и из сточных вод. Плотные твердые
взвеси типа песка могут быть легко удалены выделением осадка. Проблемы в
разделении возникают с менее плотными взвешенными частицами и
коллоидным материалами. Мелкие, менее плотные частицы могут быть
удалены выделением осадка только при более длительном промежутке
времени, что неприемлемо во многих ситуациях. Коллоидные материалы
формируют очень устойчивые водные суспензии. Коллоидные частицы могут
содержать глину и ил, окрашенные частицы, железо, которое осаждается или
окиси марганца, бактерии и морские водоросли. Процессы обработки типа
смягчения известью проводят к образованию коллоидного карбоната кальция
или других частиц, требующих осаждения. Часто, многие разновидности
коллоидов образуются во время вторичных биологических процессов
разделения. Потребность в воде и осветлении сточных вод существует в
большинстве случаев, когда имеет место водная регенерация.
2 Механизм коагуляции. Коагулянты. Флокулянты.
Коагуляция и флокуляция - механизмы, с помощью которых взвешенные
и коллоидные вещества удаляются из воды в процессе осветления. Коагуляция
может быть определена как нейтрализация зарядов, которая сводится к
дестабилизации взвешенных частиц в коллоиде размером (1-500 мкм), что
приводит к их скоплению. Коллоидные частицы имеют отрицательный
электрический заряд. Этот общий отрицательный заряд стабилизирует
суспензии благодаря действию отталкивающих сил между частицами.
Поскольку отрицательный заряд, который имеет каждая частица,
нейтрализован, то резко сокращается эффективный диаметр частицы. Можно
легко визуализировать скопление частиц, которое может произойти в
результате
естественного
столкновения
частиц,
при
медленном
перемешивании, когда заряд нейтрализован, и эффективный диаметр частиц
уменьшен.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 15 из20
Теоретически, коагулянты могут также применяться для нейтрализации
положительного заряда, который имеют взвешенные в воде частицы. Однако, в
большинстве вод, требующих нейтрализации, должен быть нейтрализован
отрицательный заряд. Поэтому, коагулянты применяются только к катионным
химикатам.
Степень скопления частиц под действием коагулянта не может быть
предсказана. В некоторых случаях очень маленькие количества частиц могут
собираться и образовывать микрофлокулу. Взвешенные вещества могут и не
скапливаться с достаточной эффективностью без использования флокулянта.
Высокая плотность макрофлокулы позволяет не использовать дальнейшую
обработку, в то время как низкая плотность макрофлокулы требует применения
флокулянта, необходимого для более полного осветления.
Флокуляция может быть определена как механизм, который позволяет
скапливаться микрофлокулам или макрофлокулам с низкой плотностью в
флоккулы, которые осаждаются значительно быстрее и улучшить качество
очищенной воды.
Неорганические коагулянты использовались, для очистки воды в течение
многих лет. Трехвалентные ионы типа алюминия и железа уплотняют
коллоидные взвеси нейтрализацией заряда и осаждают их. Поэтому кроме их
способности коагулировать они также способны к дальнейшей флокуляции в
связи с их способностью образовывать нерастворимые гидроксиды при
соответствующих уровнях pH. Эти нерастворимые гидроксиды улавливают
дестабилизированные частицы, которые находятся в воде под действием силы
тяжести.
Полимерные коагулянты, или класс полиэлектролитов, с относительно
низким молекулярным весом (по сравнению с полимерными флокулянтами) и
высокой плотностью положительного заряда находят широкое применение в
качестве коагулянтов при осветлении вод. Полимерные коагулянты также
имеют некоторую флокулирующую способность, обусловленную их
механизмом не схожим с механизмом неорганических коагулянтов.
Флокулирующие способности полимерного коагулянта связаны с их
молекулярным весом, который является очень высоким по сравнению с
неорганическими коагулянтами.
Молекулярный вес, в связи с этим, может быть определен из длины цепи
полимера. Чем больше молекулярный вес, тем больше длина цепи и лучше
флокулирующие способности. Более длинная цепь позволяет присоединять
большие количества частиц. Однако полимерные коагулянты имеют
относительно низкие молекулярные веса и флоккулирующую способность по
сравнению с высоким молекулярным весом катионных, нейтральных и
анионных полимерных флокулянтов. Поэтому, полимерные коагулянты
способны улучшить степень очистки только до определенного уровня.
Много вод и сточных вод обрабатываются с использованием или
неорганических или полимерных коагулянтов при этом требуется достигнуть
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 16 из20
требуемых показателей качества. Увеличение флокулирующей способности
может быть обусловлено более высоким молекулярным весом катионных,
нейтральных или анионных флокулянтов. Флокулянты могут быть описаны с
точки зрения их способности присоединять микрофлокулы, образующие
больший, более плотный и быстро оседающий осадок для достижения лучшего
результата водоочистки.
Трудно утверждать какой из флокулянтов: катионный, нейтральный или
анионный обеспечит лучший результат. Из-за этой непредсказуемости, с целью
обеспечения более экономного водоосветления незаменимым является
исчерпывающий анализ для выбора необходимых коагулянтов и флокулянтов.
Предыдущее обсуждение было посвящено выделению осадка,
проводимого в осветлительном оборудовании различной конструкции. Та же
самая модель может использоваться при разработке химической системы
очистки для эффективного осветления путем растворимой воздушной
флотации. Сначала, существующие твердые, взвешенные вещества в виде
микрофлокул отделяются от водной фазы. Эти частицы в общем случае могут
образовываться и увеличиваться путем нейтрализации заряда и дестабилизации
суспензии коагулянтами. Как только это произошло флокуляция частиц может
быть проведена полимерными флокулянтами. Эти вещества используются,
чтобы получить флокулу, к которой прилипнут пузыри воздуха и будут
всплывать на поверхность.
В очистных сооружениях в настоящее время используют неорганические
коагулянты, поскольку предъявляемые к ним требования не позволяют
экономически выгодно заменить неорганические флокулянты полимерными.
Однако частичная замена неорганических коагулянтов полимерными может
быть выгодна в связи с легкой химической обработкой и с целью понижения
производства твердых материалов. Полная замена неорганических коагулянтов
полимерами становится банальностью в связи с развитием коагулянтов с более
высокой плотностью заряда.
3 Электрокоагуляция.
Образование агрегатов частиц дисперсной фазы под воздействием
внешнего электрического поля. В водоподготовке электрокоагуляция
называется также электрохимической коагуляцией, при этом имеют в виду
получение коагулирующего эффекта за счет процесса анодного растворения
металла под действием постоянного тока. Перешедшие в раствор катионы Al +
и Fe+ гидролизуются и выступают в роли коагулянтов. Некоторую
дополнительную роль играют сопутствующие эффекты: наложение на
коагулирующую систему электрического поля и связанная с ним деформация
(поляризация) двойного электрического слоя вблизи поверхности частиц
дисперсной фазы. Заметное влияние могут оказывать окислительновосстановительные процессы, протекающие на электродах. Теоретически при
расходе электроэнергии 26,8 А/Ч в раствор переходит около 9 г металлического
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 17 из20
алюминия или 28 г железа. В действительности, количество железа,
растворяющегося в еденице времени, приближается к теоретическому, но
выход алюминия может превышать расчетное значение из-за дополнительного
растворения алюминиевого катода вследствие высоких концентраций щелочи в
прикатодном слое. В отличие от обычной коагуляции кислотными
коагулянтами при электрокоагуляции происходит некоторое повышение рН
воды, и она не обогащается анионами SO, СO и др. Однако в результате
электролиза выделяются значительные количества газов, пузырьки которых
могут вызвать флотацию хлопьев.
Электрокоагуляцию целесообразно применять в труднодоступных
районах, куда доставка коагулянтов затруднена. Благодаря компактности и
простоте устройства электрокоагуляторы особенно эффективны при локальной
очистке небольших количеств питьевых и сточных вод, например на судах
морского и речного флота, на космических кораблях. Основной элемент
электрокоагулятора — сменный набор стальных или алюминиевых
(дюралюминиевых) электродов чередующейся полярности, в зазорах между
которыми (шириной 5—20 мм) протекает обрабатываемая вода со скоростью не
менее 0,5 м/с. Для борьбы с пассивацией металлов (с целью снижения
энергетических затрат), а также для равномерного износа электродных пластин
периодически производят смену их полярности. Подключение пластин к
источнику тока может быть параллельным или последовательным. В первом
случае все электроды действуют как монополярные, во втором —
промежуточные
пластины
работают
биполярно.
Последовательное
подключение позволяет работать при меньшем токе. В электрокоагуляторах с
таким подключением возникают паразитные токи (токи утечки), не
участвующие в полезной работе. Рекомендуемая плотность тока — до 10 А/м .
Помимо электрокоагуляторов с пластинчатыми электродами существуют
электрокоагуляторы с так называемым засыпным анодом, набранным из
металлической стружки. Для борьбы с пассивацией стальной стружки и
стальных пластин применяют поваренную соль. 1 г растворенного алюминия
эквивалентен 6,35 г безводного серно-кислого алюминия, 1 г железа — 2,9 г
безводного хлорного железа. Для определения потребности в электролитически
приготовленных коагулянтах и оптимальной их дозы требуется пробное
коагулирование. Преимущество электрокоагуляции по сравнению с
коагуляцией солями алюминия и железа особенно очевидно при обработке
природных и сточных вод, содержащих большие количества органических
веществ.
4 Определение оптимальных режимов работы, типа и дозы коагулянта.
В процессе очистки воды методом электрокоагуляции необходимо
учитывать влияние солевого состава воды, т.к. от него зависит выход металла
по току и сорбционные свойства гидроксидов. Электрокоагуляцию
рекомендуется применять при обработке воды, содержащей не менее 20%
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 18 из20
хлористых солей (от общего солесодержания) и не более 75% гидрокарбонатов
и сульфатов, вызывающих пассивацию электродов. При наличии в воде
больших количеств Са + и Mg + и невозможности добавления к ней хлоридов в
качестве катодного материала следует использовать нержавеющую сталь и не
производить смену полярности. Метод электрокоагуляции можно применять
для осветления, обесцвечивания и обескислороживания воды, удаления из нее
железа, кремния, ионов тяжелых металлов, СПАВ и радиоактивных веществ, а
также для очистки воды от биологических загрязнений.
Испытание проводят сразу же после отбора проб воды при температуре,
которая соответствует промышленным условиям (в холодные периоды года
необходимо применять искусственное охлаждение).
5 Известкование. Механизм известкования.
Многие соли жесткости имеют низкую растворимость. При введении в
раствор некоторых реагентов увеличивается концентрация анионов, которые
образуют малорастворимые соли с ионами жесткости Ca2+ и Mg2+. Такой
процесс называют реагентным умягчением воды.
Различают умягчение воды известкованием и содо-известкованием.
При известковании в раствор добавляют гашеную известь Ca(OH)2 до
рН около 10. В результате протекают реакции:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2Н2O ;
Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + 2СaCO3 + 2Н2O .
Данный способ используют при высокой карбонатной и низкой
некарбонатной жесткости воды, когда требуется одновременное снижение
жесткости и щелочности. Остаточная жесткость на 0,4–0,8 мг-экв/л превышает
некарбонатную жесткость. Обычно используется совместно с ионообменным
умягчением воды.
При содо-известковании в воду добавляют гашеную известь Ca(OH)2 и
соду Na2CO3 до рН около 10. В результате протекают реакции:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2 CaCO3+ 2 NaOH + Н2СО3;
Mg(HCO3)2 + 2NaOH = Mg(OH)2 + 2NaHCO3.
Как следует из уравнений реакций, в процессе образования и осаждения
осадка из воды извлекаются соли жесткости . Вместе с ними удаляются
коллоидные и взвешенные частицы с ассоциированными на них загрязнениями.
На хлопьях осадка частично сорбируются органические загрязнения воды.
При содо-известковании за счет избытка ионов HCO3 достигается
бoльшая полнота удаления из воды солей жесткости. Повышение температуры
до 70–80 ° С позволяет довести остаточную жесткость до 0,35–1,0 мг-экв/л.
Того же результата можно достигнуть увеличением доз реагентов.
6 Расчет дозы извести при известковании.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 19 из20
При расчете дозы извести для конкретного типа вод необходимо
учитывать их ионный состав. Для практического использования расчетная доза
извести (Ди, мг-экв/дм3) определяется для большинства типов вод для которых
Жобщ + Дк ³ Щисх - Щoбр
(
1)
как
Ди = ССО2исх + Щисх + ЖMg + Дк + Ии
(
2)
принимая
в
первом
приближении
при
оценочных
расчетах Щoбр = 0. Конкретизация значения Ди проводится обычно при наладке
работы осветлителя. Передозировка извести по отношению к доле выделенного
Mg2+ при гидратном режиме известкования не сопровождается снижением
жесткости и щелочности, а вызовет замену некарбонатной жесткости на
кальциевую по реакции:
(
,
3)
К моменту прохождения всех стадий процесса известкования остаточная
величина карбонатной щелочности (т.е. суммы СО32- и НСО3-) обычно
составляет 0.5 - 0.8 мг-экв/дм3 в зависимости от величины ЖСа
известкованной воды.
Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях со
взвешенным слоем осадка.
Отстойники малопроизводительны, и получаемая в них гидроксидная
пульпа имеет высокую влажность – 97–99%. Поэтому они в настоящее время
практически не применяются.
В практике используются различные варианты осветлителей со
взвешенным слоем осадка. В них очищаемый раствор подается снизу и
проходит через слой осадка. Это увеличивает коэффициент очистки воды. Для
уменьшения объема шлама используются дополнительные зоны и камеры
шламоуплотнения. Увеличение степени осветления достигается введением
дополнительных секций тонкослойного отстаивания.
Реагентные методы умягчения в подготовке питьевой воды не
используются. После них вода имеет сильнощелочную реакцию. Они
широко применяются в энергетике и промышленности как первая ступень
очистки до механических фильтров. При совместной работе они позволяют
умягчить воду, удалить взвешенные вещества, включая коллоиды, и частично
очистить воду от органических веществ.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 20 из20
Поскольку осаждение образовавшихся хлопьев происходит очень
медленно, производительность оборудования низка и оно имеет большие
габариты. В результате образуются отходы в виде трудно утилизируемых
шламов. Процесс требует тщательного контроля, причем в основном ручного,
поскольку зависит от многих факторов: температуры воды, точности дозировки
реагентов, исходной мутности воды и т. п.
Новые технологические решения (тонкослойное отстаивание, контактная
коагуляция,
ввод
флокулянтов)
позволяют
достигнуть
тех
же
показателей умягчения воды при меньших расходе реагентов, габаритах
установок и их полной автоматизации.
7 Осветление воды фильтрованием.
Фильтрованием называется процесс прохождения осветляемой воды
через слой фильтрующего материала. Фильтрование, так же как и отстаивание,
применяют для осветления воды, т. е. для задержания находящихся в воде
взвешенных веществ. Фильтрующий материал должен представлять собой
пористую среду с весьма малыми порами. В водопроводной практике в
качестве основного фильтрующего материала применяют песок.
8 Механизм процесса фильтрования.
Фильтр представляет собой резервуар, в нижней части которого
расположено дренажное устройство той или иной конструкции для отвода
профильтрованной
воды.
На
дренаж
обычно
укладывают
слой
поддерживающего материала и затем слой собственно фильтрующего
материала. При песчаных фильтрах поддерживающим материалом является
гравий, уложенный слоями с возрастающей книзу крупностью зерен. В
процессе фильтрования фильтр постоянно заполнен водой до уровня,
расположенного не менее чем на 2 м выше поверхности фильтрующего
материала. В обычных фильтрах вода подается сверху и отводится снизу —
через дренажное устройство.
Производительность фильтра определяется скоростью фильтрования. Под
скоростью фильтрования следует понимать не скорость движения воды в
порах, а скорость вертикального движения воды над фильтрующим слоем.
В большинстве случаев фильтрование сочетают с другими методами
очистки воды. Так, на станциях городских водопроводов фильтры обычно
используют для обработки воды, прошедшей (после коагулирования)
отстойники или осветлители. Фильтры применяют также для осветления воды
при ее реагентном умягчении и обезжелезивании. В некоторых случаях
фильтры используют для осветления природной некоагулированной воды, а
также коагулированной воды без предварительного отстаивания.
9 Фильтрующие материалы.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 21 из20
Фильтрующий материал насыпных фильтров должен обладать
надлежащим гранулометрическим
составом, достаточной
механической
прочностью и химической
стойкостью
зерен.
Таким
требованиям
удовлетворяют дробленый антрацит и кварцевый песок, но последний,
растворяясь, обогащает воду соединениями кремния. Фракция зерен антрацита
должна составлять 0.6 - 1.4 мм
для однослойного фильтрования. По
требованию механической прочности (истирание материала в период
взрыхления) годовой износ фильтрующего материала не должен превышать
2.5%.
Высота фильтрующего материала в осветительных фильтрах
составляет около 1 м. Часть полости фильтра остается свободной ("водяная
подушка"), что необходимо для выравнивания эпюры скоростей воды,
поступающей в фильтр, и для обеспечения возможности расширения слоя при
его взрыхлении.
Вопросы для самоконтроля
1
2
3
4
5
6
7
Какие примеси называют коллоидными?
Для чего применяется коагуляция?
На какой стадии водоподготовки на ТЭС используется коагуляция?
Для чего используют флокулянты?
Опишите механизм известкования.
Какие реагенты применяются для осаждения?
Как осуществляют дозировку реагентов?
Рекомендуемые источники
1 Копылов
А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в
энергетике. - M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
2 Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. M.: Энергия, 1976. - 456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.: МЭИ, 2000. 395 с.
4 Электронная энциклопедия энергетики
Модуль 2. Очистка контурной воды
Лекция 3. Обработка воды методом ионного обмена
Содержание лекционного занятия
1 Общие сведения об ионитах и закономерностях ионообменных
процессов.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
2
3
4
5
6
7
8
9
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 22 из20
Технология ионного обмена.
Kaтионирование.
Способы регенерации ионитов.
Анионирование.
Химическое обессоливание.
Фильтры смешанного действия, их регенерация.
Технологические схемы ионитных установок.
Выбор и расчет схем очистки воды.
1 Общие сведения об ионитах и закономерностях ионообменных
процессов.
Рассмотрев положения, определяющие технологию удаления из
природных вод и конденсатов грубодисперсных и коллоидных примесей,
отметим, что предварительная очистка воды недостаточна при подготовке
воды, потребляемой в качестве добавочной для котлов и подпиточной для
тепловых сетей. Заключительная стадия подготовки воды, связанная с
изменением ее ионного состава, вплоть до полного удаления растворенных
примесей, реализуется с помощью ионообменной технологии, а также
мембранными или термическими методами.
2 Технология ионного обмена.
Сущность ионного обмена заключается в способности специальных
материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав
обрабатываемой
воды. Иониты представляют
собой
нерастворимые
высокомолекулярные вещества, которые благодаря наличию в них
специальных функциональных групп способны к реакциям ионного обмена.
Другими словами, иониты способны поглощать из раствора положительные
или отрицательные ионы в обмен на эквивалентные количества других ионов,
содержащихся в ионите, имеющих заряд того же знака. По знаку заряда
обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты. Способность
ионитов к обмену ионами с раствором определяется их строением. Иониты
состоят из нерастворимой твердой основы (матрицы), получаемой чаще всего
путем
сополимеризации
исходных
продуктов:
стирола и
дивинилбензола, добавляемого в количестве около 8% для поперечной сшивки
линейного полистирола. Полученная в форме зерен пространственная сетка
углеводородных цепей - матрица при помещении ее в воду способна
увеличивать свой объем в 1.1 - 2.0 раза за счет взаимодействия с полярными
молекулами H2O, что дает возможность взаимной диффузии обменивающихся
ионов после завершения синтеза и превращения матрицы в ионит.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 23 из20
Зерна сополимера - матрицы ионитов
Некоторые типы ионитов получают методом поликонденсации,
например, анионит марки АН-31. В процессе поликонденсации ионит
получается вначале в форме монолита, который затем измельчают
механически, в результате чего зерна такого ионита имеют неправильную
форму, пронизаны микротрещинами и имеют меньшую механическую
прочность.
В технологии водоподготовки применяются два основных процесса для
удаления из воды ионизированных примесей: катионирование ианионирование.
В зависимости от обменного иона процессы и аппараты называют: натрийкатионирование, натрий-катионитный фильтр;H (водород)-катионирование, Hкатионитный фильтр; OH-анионирование, OH-анионитный фильтр.
Соответственно называется фильтрат, полученный в этих процессах: Naкатионированная вода, H-катионированная вода, OH-анированная вода
и т.п. Процессы Na-катионированиеимеет
самостоятельное
значение
и
используется для умягчения воды, в то время как процессы H- и OHионирование реализуются совместно в схемах обессоливания воды.
Н-катионирование может
осуществляться
в
схемах H-Naкатионирования воды. Процессы ионирования воды на водоподготовительных
установках реализуются в насыпных ионитных фильтрах раздельного и
смешанного действия.
3 Kaтионирование.
Na-катионирование. Этот процесс применяют для умягчения воды
путем фильтрования ее через слой катионита в натриевой форме. При этом
ионы Ca2+ и Mg2+, обуславливающие жесткость исходной воды,
задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количествоионов Na2+:
2RNa + Ca2+ « R2Ca + 2Na+,
2RNa + Mg2+ « R2Mg + 2Na+,
(
1)
(
2)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 24 из20
где R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона,
считающаяся одновалентной.
Остаточная жесткость фильтра при Na-катионировании может быть
получена при надлежащих условиях регенерации фильтра науровне 5 - 10 мкгэкв/дм3, что является определяющим при реализации этого процесса.
Анионный состав Na-катионированной воды остается неизменным,
поэтому карбонатная жесткость исходной воды переходит в гидрокарбонат
натрия, что можно пояснить реакцией:
Ca(HCO3)2 + 2NaR ® R2Ca + 2NaHCO3.
(
3)
Это соединение, попадая с подпиточной водой в котел, превращается в
конечном итоге в гидроксид натрия по реакциям:
2NaHCO3 + H2O ® Na2CO3 + CO2 + H2O,
Na2CO3 + H2O ® 2NaOH + CO2,
(
4)
(
5)
который может инициировать щелочную коррозию.
Неизменность величины щелочности при Na-катионировании является
основным недостатком этого процесса, поэтому он может иметь
самостоятельное значение только при подготовке воды для подпитки теплосети
и добавочной воды для котлов низкого и среднего давлений при сравнительно
низкой щелочности исходной воды. Второй недостаток рассматриваемой
технологии определяется увеличением солесодержания фильтрата при
выражении его в массовых единицах, что связано с эквивалентными массами
ионов Na+ (23 единицы),Ca2+ (20 единиц) и Mg2+ (12 единиц). Напомним, что
ионный обмен характеризуется эквивалентностью, поэтому из воды удаляются
ионы с меньшей эквивалентной массой (Ca2+, Mg2+), а их место занимает ион
натрия с большей эквивалентной массой.
Процесс
умягчения
при Na-катионировании заканчивается
при
наступлении проскока жесткости , после чего истощенный катионит в фильтре
надо регенерировать, т.е. восстанавливать его способность к обмену ионами.
Регенерацию истощенного катионита проводят пропуском через него 6 - 10%
раствора NaCl. Вследствие относительно большой концентрации ионов Na+ в
регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее
катионов Ca2+ и Mg2+ по реакциям:
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 25 из20
Выходная кривая Na-катионитного фильтра
R2Ca + nNa+ « 2RNa + Ca2+ + (n - 2)Na+,
R2Mg + nNa+ « 2RNa + Mg + (n - 2)Na+,
(
6)
(
7)
где n - избыток NaCl против его стехиометрического расхода.
Несмотря на то, что процесс обмена ионов, в том числе и при
регенерации ионита, характеризуется эквивалентностью, для качественной
регенерации ионитов расход реагента выбирается с определенным
избытком (n). При подаче раствора соли в фильтр лучше будет отрегенерирован
лобовой катионита, контактирующий со свежим раствором. По мере
прохождения раствора в глубинные части катионита условия регенерации
будут ухудшаться вследствие повышения концентрации в регенерационном
растворе ионов Ca2+ и Mg2+, вытесненных из верхних слоев катионита при
обеднении регенеранта ионами Na+. Аналогичное действие проявляется за счет
загрязнения раствора технической NaCl ионами Ca2+ и Mg2+.
Эффект прироста обменной емкости с увеличением расхода соли при
регенерации показан на рис. 4.11, из которого следует, что эффект прироста
обменной емкости с увеличением удельного расхода более 300 г/г-экв заметно
снижается. Поясним, что 300 г NaCl на 1 г-экввытесняемых ионов жесткости
при эквивалентной массе NaCl равной 58.5 г соответствует 300/58.5 = 5.13 г-экв
избытка соли, т.е.n = 5.13 г-экв/г-экв. На практике расход соли на регенерацию
принимают в пределах 120 - 140 г/г-экв по экономическим и экологическим
соображениям, поэтому рабочая обменная емкость (Eр) не достигает значения
полной. Ограничение расхода соли позволяет уменьшить ее количество в
сточных регенерационных водах, так как непосредственно на вытеснение из
катионита 1 г-экв поглощенных ионов расходуется 1 г-экв ионов натрия. Таким
образом, в сточных водах будет содержаться для рассматриваемых
условий (n = 2.4 г-экв/г-экв = 140 г/г-экв)на каждый вытесненный 1 г-экв ионов
Ca2+ и Mg2+ - 1.4 г-экв ионов Na+ и 2.4 г-экв ионов Cl-.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 26 из20
Влияние расхода соли на эффект регенерации катионита
Эффект регенерации катионита при выбранном расходе реагента
повышается с увеличением продолжительности контакта раствора соли с
катионитом, поэтому скорость пропуска регенерационного раствора
ограничивают пределами 4 - 6 м/ч при высоте слоякатионита 1.5 2.0 м. Скорость ниже 4.0 м/ч не используется по гидродинамическим условиям
работы фильтра. Полученную матрицу обрабатывают химическими реагентами,
прививая к ней специальные функциональные группы, замещающие в
бензольных кольцах ионы водорода и которые способны к диссоциации в
растворах .
Фиксированный на матрице ион (часть функциональной группы)
определяет возникновение заряда и носит название потенциалообразующего.
Заряд каркаса компенсируется зарядом ионов противоположного знака,
называемых противоионами . Противоионы образуют диффузный слой, они
подвижны вокруг матрицы и могут быть заменены другими ионами с зарядом
того же знака. Появление потенциалообразующих - и противоионов может
происходить
не
только
за
счет
диссоциации
функциональных
групп (например, -SO3H ® -SO3- + H+), но
и
за
счет
адсорбции
функциональными
группами
из
раствора
ионов какого-либо знака
заряда (например, -NH2 + H+ ® -NH3+). Обычно матрицу с фиксированными
ионамиобозначают символом R, а
противоион - химическим
символом,
например, RNa - катионит с обменным ионом (противоином) натрия, аROH анионит с обменной гидроксильной группой. С использованием таких
символов типичная реакция катионного обмена записывается как:
2RNa + Са2+ + 2Cl- « R2Ca + 2Na+ + 2Cl-.
(
8)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 27 из20
а – катионит; б – анионит; 1 – матрица; 2 –
потенциалообразующие фиксированные ионы; 3 – ионы диффузного слоя
Структура элемента объема ионитов:
Реакция (4.1) осуществляется, например, при умягчении воды с помощью
катионита в исходной натриевой форме. Катионит поглощает из раствора ионынакипеобразователи кальция в обмен на ионы Na+.
Аналогично можно записать реакцию обмена анионами на анионите,
например:
ROH + Na+ + Cl- « RCl + Na+ + OH-.
(
9)
Учитывая изложенное, ионит можно представить как твердый
электролит, неподвижный каркас которого представляет одну его часть, а
подвижные противоионы - другую. Следовательно, реакция ионного обмена
подчиняется правилам, действующим для реакций обычных электролитов, а
именно, правилам эквивалентности обмена ионов и обратимости этого
процесса. Кроме того, в ионообменной технологии большую роль играет
способность к преимущественной адсорбции одних ионов по сравнению с
другими, получившая название селективности(избирательности) и скорость
установления ионообменного равновесия (кинетика ионного обмена).
Эквивалентность обмена ионов состоит в том, что понижение
концентрации какого-либо иона в растворе в результате его удержания ионитом
сопровождается эквивалентным повышением концентрации другого иона,
поступающего в раствор из ионита, что является следствием закона
электронейтральности. Использование этой закономерности позволяет
рассчитывать массовые концентрации примесей в системе "ионит - раствор".
Обратимость процессов
обмена
ионов
позволяет
многократно
использовать дорогостоящие иониты в технологии обработки воды, что можно
показать на примере катионообменной реакции (4.1).
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 28 из20
После
замены
катионов
Na+ в
катионите
ионами
Ca2+ (прямая реакция) обычно осуществляют обратный процесс - регенерацию,
приводящую к восстановлению способности катионита извлекать из
обрабатываемой воды ионы Ca2+.
При обработке многокомпонентного раствора, каким является природная
вода, большое значение имеет преимущественная адсорбцияионитами одних
ионов по сравнению с другими. Причиной, вызывающей селективность
ионного обмена, является различие энергий притяжения различных ионов
твердой фазой, обусловленной величинами радиуса адсорбируемых ионов и их
зарядов. Последнее вытекает из закона Кулона, если принять, что
адсорбируемый ион непосредственно взаимодействует с противоположно
заряженными потенциалообразующими ионами, фиксированными на матрице.
С уменьшением радиуса должна возрастать энергия притяжения, но при этом
необходимо учитывать, что ионы, взаимодействующие с ионитами, находятся в
растворе в гидратированном состоянии, т.е. окружены прочно связанной с ними
оболочкой из дипольных молекул воды, диаметр которых равен 0.276 нм.
При
увеличении
заряда
иона (т.е. при
повышении
его валентности) увеличивается энергия притяжения его по закону Кулона
противоположно заряженной твердой фазой. Поэтому с повышением
валентности ионов селективность адсорбции их ионитами возрастает.
Соответственно этому двухвалентные ионы адсорбируются преимущественно
перед
одновалентными,
трехвалентные - преимущественно
пред
двухвалентными.
Ряды селективности (преимущественной адсорбции на ионитах) наиболее
важных в практике водоподготовки ионов имеют следующий вид:
Li+ < Na+ < K+ » NH4+ < Cs+ < Mn2+ < Mg2+ < Zn2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba
2+ < Al3+.
Для сильнодиссоциирующих катионитов ион H+ помещается между Li+ и
Na+, смещаясь в глубину ряда для слабокислотных катионитов.
Основные катионы природных вод могут быть вычленены в следующий
ряд селективности:
Na+ < Mg2+ < Ca2+.
Анионы при обмене на сильно диссоциирующих анионитах:
F- < OH- < Cl- < H2PO4- < NO3- < I- < SO42-.
Основные анионы природных вод характеризуются следующим рядом
селективности:
HSiO3- < HCO3- < Cl- < SO42-,
т.е. анионы слабых кислот сорбируются анионитами слабее, чем анионы
сильных кислот.
Количественно
селективность
может
быть
выражена
через
коэффициент селективности TA/B:
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 29 из20
(
,
10)
где q и C - эквивалентные концентрации обменивающихся ионов A и B в
ионите и в растворе.
Коэффициент селективности зависит от свойств ионитов, концентрации и
природы адсорбируемых ионов, температуры. Его обычно определяют на
основании экспериментальных кривых изотерм адсорбции, по оси абсцисс
которых
откладывают
относительную
концентрацию
ионов A и B в
растворе (C1), по оси ординат относительное содержание этих ионов в ионите.
Например,
для какой-то точки M ,
кривой
изотермы
адсорбции абсцисса BM соответствует CA, абсцисса MN - CB, ордината MD qA, ордината EM - qB. Исходя из (4.3),коэффициент селективности TA/B равен
отношению
площади прямоугольника MCKD к
площади прямоугольника FEMB.
Графическое определение коэффициента селективности по кривой
изотермы адсорбции
Уравнение (4.3) применимо
только
к
равновесному состоянию
системы ионит - раствор. В производственных условиях, когда раствор
фильтруется через слой ионита, равновесия не достигают из-за влияния
кинетических факторов, т.е. скорости ионного обмена. Понятия, связанные со
скоростью обменных процессов, можно проиллюстрировать с помощью , на
котором показана схема взаимодиффузии на зерне ионита в H-форме при
обмене в динамических условиях с ионами натрия. Зерно RH окружает
статический слой раствора, известный как пленка Нернста толщиной от 10-2 до
10-3 см, в котором перемещение ионов происходит только за счет диффузии.
Диффузия сквозь пленку и в зерне ионита происходит при разных скоростях,
поэтому определить скорость обмена могут эти два процесса:
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 30 из20
1) диффузия ионов внутри зерна;
2) диффузия в пленке.
Схема диффузии ионов сквозь пленку и внутри зерна
Более медленный процесс контролирует общую скорость ионного
обмена.
При
высоких
концентрациях
ионов
в
растворе (более 0.2 н)лимитирующей является внутридиффузионная кинетика,
при обработке природных вод с солесодержанием менее 1 г/дм3, т.е. при
низком градиенте концентраций в неподвижной пленке Нернста, скорость
ионного обмена определяется внешенедиффузионной кинетикой. Скорость
ионного обмена (скорость истощения) при исчерпании 50% обменной емкости
обычно составляет несколько десятков секунд.
При пропуске обрабатываемого раствора, содержащего ионы B, через
ионит, первоначально насыщенный ионами A , протекая, раствор будет
постоянно
контактировать
с
новыми
слоями
свежего (неиспользованного) ионита. Со временем, верхние слои ионита
отдадут все ионы A и потеряют свою ионообменную способность, они как бы
истощатся (зона a). Вследствие этого переходная зона, в которой происходит
ионный обмен (зона b), будет все дальше и дальше перемещаться вниз по слою.
При определенных условиях эта зона достигает стационарной ширины.
Распределение концентраций обменивающихся ионов в этой зоне носит
название фронта фильтрования. В нижних слоях (зона c) ионит еще полностью
насыщен ионами A. Когда нижняя граница переходной зоны достигнет конца
слоя ионита, наступит проскок иона B в фильтрат, что служит обычно сигналом
для отключения фильтра на регенерацию.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 31 из20
Схема ионообменного процесса в ионитном фильтре
В зависимости от коэффициента селективности обменивающихся ионов
фронт фильтрования может сформироваться острым и переноситься
параллельно или размытым (диффузным), расширяющимся при движении по
высоте слоя ионита. Кривая, показывающая зависимость концентрации
примесей в фильтрате от времени работы фильтра (или объема пропущенного
через фильтр раствора), носит названиевыходной кривой. Примеры выходных
кривых при остром и диффузном фронтах фильтрования. От вида кривой
фронта фильтрования зависит степень использования обменной емкости при
работе фильтра, поэтому при обосновании ионообменной технологии иониты
подбирают так, чтобы сорбция наиболее важных ионов в водоподготовке
происходила при остром фронте фильтрования.
Фронты фильтрования и выходные кривые в ионитных фильтрах:
1 – диффузный слой фильтрования; 2 – выходная кривая при диффузном
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 32 из20
фронте; 3 – острый фронт фильтрования; 4 – выходная кривая при остром
фронте; x – высота слоя ионита; t - время работы фильтра
На
формирование
фронта
фильтрования
влияют
так
же
гидродинамические процессы, определяемые скоростью фильтрования,
структурой зернистого слоя, конструкцией дренажных устройств и рядом
других факторов.
4 Способы регенерации ионитов.
Регенерацию ионита в фильтрах можно проводить несколькими
способами, которые отличаются друг от друга направлениями потоков
обрабатываемой воды и регенерационного раствора. При совпадении
направлений потока воды и регенерационного раствора, подаваемых обычно
сверху - вниз, регенерацию называют параллельно-точной, такая регенерация
создает невыгодные условия для процесса умягченияиз-за распределения ионов
Na+ и ионов жесткости в слое отрегенерированного материала . На выходе из
слоя катионита умягчаемая вода, в которой резко снижена концентрация ионов
жесткости, проходит через участки плохо отрегенерированного катионита и
поэтому не может глубоко умягчаться. Кроме того, такое обстоятельство может
привести к переходу некоторой части ионов жесткости из катионита в воду.
При противоточной регенерации регенерационный раствор подается в
направлении, противоположном подаче потока обрабатываемой воды, при этом
наиболее полно регенерируются выходные (по воде) слои катионита . Это
позволяет не только сохранить постоянное значение остаточной концентрации
ионов в фильтрате, но и получить фильтрат более высокого качества при
сниженных избытках реагента и, следовательно, меньших объемах сточных
вод. Эффективная противоточная технология позволяет сократить количество
ступеней очистки воды за счет повышения качества фильтрата. К недостатку
противоточной регенерации относится усложнение конструкции фильтра,
связанное с недопущением перемешивания слоев ионита при подаче раствора
или воды в нижнюю часть фильтра.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 33 из20
Характер изменения остаточных концентраций ионов Ca2+ и Mg2+ в
слое катионита и остаточная жесткость фильтрата при прямоточной (а) и
противоточной (б) регенерациях
Для сокращения расхода реагентов с использованием параллельно-точной
технологии
регенерации
применяют
двухступенчатую
схемуNaкатионирования, т.е. последовательное
включение
двух
фильтров. Фильтр 1 ст. регенерируется
с
относительно
наибольшем
избыткомNaCl (n = 1.8 - 2.4), поэтому остаточная жесткость фильтрата
получается
высокой,
на уровне 0.1 мгэкв/дм3. Фильтр 2 ст. регенерируетсяс 6.5 - 7.5-кратным избытком
соли,
поэтому остаточная жесткость воды снижается со 100 до 5 - 10 мкгэкв/дм3. Технико-экономическиерасчеты
показали,
что,
несмотря на
увеличение количества фильтров в двухступенчатой схеме, последняя имеет
преимущества перед одноступенчатой схемой за счет снижения расхода NaCl
при равноценном качестве умягченной воды.
H-катионирование.
Обработка
воды
методом Hкатионирования предназначается для удаления всех катионов из воды с
заменой их на ионы водорода. Вода за H-катионитными фильтрами содержит
избыток ионов водорода и вследствие этого имеет кислую реакцию, поэтому
эта технология применяется совместно с другими процессами ионирования Na-катионированием или
анионированием.
Обмен
катионов
приHкатионировании протекает согласно реакциям:
2RH + Ca2+ « R2Ca + 2H+,
(
11)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 34 из20
(
2RH + Mg2+ « R2Mg + 2H+,
12)
(
RH + Na+ « RNa + H+.
Выделяющиеся ионы
гидрокарбонатными ионами:
14)
H+ реагируют
в
обрабатываемой
H+ + HCO3 « CO2 + H2O.
воде
с
(
15)
Остаточная кислотность фильтрата после завершения реакции (15) с
учетом равенства эквивалентных концентраций катионов и анионов будет
равна:
CH+ = (SАн - СHCO3-)исх = (СSO42- + CCl-)исх,
(
16)
что позволяет контролировать полноту обмена ионов при Hкатионировании по кислотности и по известным показателям качества
поступающей на фильтр воды. При наличии в исходной воде ионов NO3 - и
NO2 - они также должны быть учтены в расчетной оценке кислотности Hкатионированной воды.
Сорбция катионов Ca2+, Mg2+ и Na+ ионитом осуществляется в
соответствие
с
расположением
этих
ионов
в
ряду
селективности(Ca2+ > Mg2+ > Na+), поэтому в слое H-катионита сверху
располагается зона поглощения иона Ca2+, ниже - иона Mg2+ и далее - иона
Na+.Эти три зоны по мере истощения H-катионита передвигаются одна за
другой по направлению к нижней границе слоя ионита и первым обнаружится
проскок иона Na+.
Полное поглощение всех катионов (абсцисса Oa). Фильтрат имеет
кислотность, равную (СCl- + СSO42-)исх. В точке a наблюдается проскок иона
Na+.
Появление нарастающей концентрации иона Na+. В этот период
концентрация иона Na+ постепенно возрастает, а кислотность начинает
снижаться за счет уменьшения количества вытесняемых ионов H+. К моменту
достижения начального содержанияиона Na+ в исходной воде его поглощение
прекращается, но происходит обмен в катионите ионов Ca2+ и Mg2+ исходной
воды на сорбированный катионитом ион Na+ до его полного вытеснения. В
этот момент (точка E) появляется проскок жесткости.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 35 из20
Изменение
качества
H-катионированной
воды:
1 – концентрация Na+ в
исходном
растворе; 2 – жесткость исходного
раствора; 3 – концентрация Na+ в
фильтрате; 4 – жесткостьфильтрата;
точки: a – проскок
Na+, b – отсутствие поглощения
Na+, c –
максимум вытеснения Na+ из катионита, d – окончание вытеснения Na+, e –
начало проскока жесткости, f – выравнивание жесткости в фильтрате и в
исходном растворе
Параллельно с указанными выше изменениями концентрации катионов
кислотность фильтрата после проскока ионов Na сначала уменьшается и
достигает нуля, затем появляется возрастающая щелочность, достигающая
исходных значений при обмене ионов Ca2+ и Mg2+ на Na+. Эффект умягчения
воды при H-катионировании обычно столь же полный, как и при Naкатионировании.
Работа фильтра до проскока ионов Na+ или ионов жесткости зависит от
технологической схемы его использования, соответственно изменяется его
рабочая обменная емкость при работе до проскока ионов Na+ или жесткости.
Для
регенерации
истощения H-катионита по техникоэкономическим соображениям в условиях России используется обычно
H2SO4концентрацией 1.0 - 1.5% (на некоторых установках применяются HCl
и HNO3). Процесс регенерации характеризуется следующими реакциями:
R2Ca + nH+ « 2RH + Ca2+ + (n - 2)H+.
R2Mg + nH+ « 2RH + Mg2+ + (n - 2)H+,
RNa + nH+ « RH + Na+ + (n - 1)H+.
(
17)
(
18)
(
19)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 36 из20
Ограничение концентрации раствора H2SO4 связано с возможностью
выделения на зернах регенерируемого катионита трудно растворимого
CaSO4, т.е. его загипсовывания. Следующим мероприятием для борьбы с
загипсовыванием катионита является ограничение времени контакта
регенерационного раствора с катионитом, что реализуется на практике
увеличением скорости пропуска 1.5%-ного раствора H2SO4 до неменее 10 м/ч.
Расход реагента существенно снижается, а качество фильтрата
повышается при применении противоточной регенерации ионитного фильтра,
схема которого приведена на рис. 4.14.
Схема противоточного ионитного фильтра ФИПр:
1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды; 3 –
подвод промывочной воды общий; 4 – подвод промывочной воды в нижнее
распределительное устройство (РУ); 5 – подвод промывочной воды в
блокирующее РУ; 6 – отвод промывочной воды; 7 – подвод регенерационного
раствора в нижнее РУ; 9 – подвод регенерационного раствора в блокирующее
РУ; 10, 11 – дренаж; 12 – гидрозагрузка;13 – гидровыгрузка; 14 – подвод воды
для взрыхления в среднее РУ; 15 – подвод воды для взрыхления в нижнее РУ
Конструкция фильтра, изготавливаемого на ТКЗ предусматривает кроме
верхнего и нижнего распределительных устройств (РУ), также среднее и
блокирующее РУ, расположенные соответственно на глубине 0.3 м и у входной
поверхности слоя ионита. Среднее распределительное устройство
предназначено для равномерного сбора отработанного регенерационного
раствора и отмывочной воды, подаваемых через нижнее (80%) и блокирующее
РУ (20%). Блокирующее РУ служит для подвода раствора реагента или
отмывочной воды, используемых одновременно для регенерации и зажатия
блокирующего слоя ионита. Взрыхлению подвергается только блокирующий
слой ионита, а через 10 - 20 фильтроциклов взрыхляется весь слой.
Промежуточным вариантом между противоточной и прямоточной
регенерацией
является
двухпоточно-противоточная
регенерация,
осуществляемая в фильтре по схеме. Среднее РУ заглублено в ФИПр-2П на 0.6
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 37 из20
и 1.0 м соответственно для фильтров, загруженных анионитом или катионитом.
Конструкция двухпоточно-противоточного фильтра позволяет использовать его
как в режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации, так и
в режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации. При
любом режиме работы в выходном слое ионита осуществляется принцип
противоточного ионирования, при котором обрабатываемая вода перед
выходом из фильтра соприкасается с хорошо отрегенерированными слоями
ионита, благодаря чему обеспечивается высокое качество фильтрата при
сокращенных расходах реагентов на регенерацию ионита. При работе фильтра
в режиме двухпоточного фильтрования взрыхлению подвергается весь слой
ионита, при однопоточном фильтровании - только верхний слой, а взрыхление
всего слоя производится через 10 - 20 фильтроциклов. При работе фильтра в
режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации 40%
раствора реагента пропускается через верхний слой ионита, 60% - через
нижний. При режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной
регенерации весь регенерационный раствор проходит через оба слоя ионита
сверху - вниз.
Схема двухпоточно-противоточного ионитного фильтра ФИПр-2П:
1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды или отработанного
регенерационного раствора и отмывочной воды; 3 – подводисходной воды или
отвод отработанной воды; 4 – подвод регенерационного раствора; 5 –
подвод воды для взрыхления; 6 – подводрегенерационного раствора и
отмывочной воды; 7 – подвод отмывочной воды; 8 – отвод отработанного
регенерационного раствора и отмывочной воды; 9 – дренаж; 10 –
подвод взрыхляющей воды, дренаж
Значения оптимального удельного расхода серной кислоты в зависимости
от содержания в исходной воде Cl- и SO42- ионов, определяющих величину
противоионного эффекта, применительно к H-катионитным фильтрам 1 ст. при
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 38 из20
параллельном токе и противотоке. Помимо экономии серной кислоты, при
противотоке снижается содержание ее в сбросных регенерационных водах, что
облегчает нейтрализацию сбросов.
Удельный расход серной кислоты на регенерацию H-фильтров 1
ступени:
1 – параллельный ток; 2 – противоток
Теоретические представления о динамике ионного обмена в
совокупности с обработкой экспериментальных данных позволили обобщить
влияние различных факторов на время наступления проскока заданных
концентраций примесей в ионитных фильтрах. Расчетное уравнение для
выходной кривой ионирования на катионите КУ-2-8 имеет вид:
(
,
20)
где - время фильтрования до заданной величины проскока, ч; w скорость фильтрования, м/ч; d - диаметр зерна катионита, мм;hсл - высота
слоя катионита, м; = Cф/C0; b = C0/q0; C0 и Cф - концентрации иона
соответственно
исходная
и
в
фильтрате;q0 - концентрация
иона,
сорбированного единицей объема катионита.
Уравнение (4.21) получено
на
кафедре ТВТ МЭИ (ТУ) А.А. Громогласовым.
5 Анионирование.
Анионирование воды ведется с целью замены удаляемых анионов на
ион
гидроксила.
При
сочетании ОН-анионирования сНкатионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов в
обмен
на ионы
ОН- и
Н+, т.е. осуществляется
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 39 из20
химическое(ионитное) обессоливание воды. При фильтровании через слой
анионита осуществляется сорбция анионов согласно реакциям:
ROH + Cl- « RCl + OH-,
2ROH + SO42- « R2SO4 + 2OH-.
(
21)
(
22)
Высокое значение pH в зоне обмена на анионите способствует
диссоциации слабых кислот H2CO3 и H2SiO3 и переводу их в ионизированное
состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена,
но лишь при использовании сильноосновных анионитов:
ROH + H+ + HCO3- « RHCO3 + H2O,
ROH + H+ + HSiO3 « RHSiO3 + H2O.
(
23)
(
24)
С учетом значений обменных емкостей слабоосновных и сильноосновных
анионитов (EАН EАВ), а также способности только последних сорбировать
анионы слабых кислот, схемы химического обессоливания обычно включают
две ступени анионирования: на первой в фильтры загружается слабоосновный
анионит, удаляющие ионы SO42- и Cl-; на второй ступени в фильтры
загружается сильноосновный анионит, предназначенный главным образом для
обескремнивания воды.
Согласно ряду селективности в анионитном фильтре 1 ст. первыми
проскакивают в фильтрат ионы Cl-, поэтому время выхода на регенерацию
этого фильтра сопоставляют с концентрацией хлоридов; отключение
анионитных фильтров 2 ст. на регенерацию проводят на основании контроля
фильтрата по кремнекислоте.
Регенерация анионитных фильтров производится 4%-ным раствором
NaOH, при этом происходят следующие реакции:
RCl + nOH- « ROH + Cl - + (n - 1)OH-,
R2SO4 + nOH- « 2ROH + SO42- + (n - 2)OH-,
RHCO3 + nOH- « ROH + HCO3- + (n - 1)OH-,
(
25)
(
26)
(
27)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
RHSiO3 + nOH- « ROH + HSiO3- + (n - 1)OH-.
Страница 40 из20
(
28)
Избыток щелочи (n) при регенерации слабоосновных анионитов при
поглощении ими анионов сильных кислот достаточен в двукратном размере
против стехиометрического количества, т.е. 80 г/г-экв. Для регенерации
анионита, насыщенного анионами кремниевой кислоты, требуется
повышенный избыток NaOH (n = 10 - 20), обеспечивающий последующее
кремнесодержание фильтрата на уровне 0.1 мг/дм3. Для снижения удельного
расхода щелочи регенерацию параллельно-точных анионитных фильтров 2 и 1
ступеней проводят последовательно, либо используют противоточную или
ступенчатопротивоточную технологию.
Удельный расход NaOH на регенерацию анионита АВ-17 при
обескремнивании воды:
1, 2 3, 4 – остаточное кремнесодержание фильтрата, соответственно
0.16; 0.12; 0.10; 0.08 мг/дм3 при расходе NaOH 100, 120, 150, 200 кг/м3
6 Химическое обессоливание.
При проектировании технологии химического обессоливания учитывают,
что наличие в H-катионированной воде свободной углекислоты, более сильной,
чем кремниевая, уменьшает кремнеемкость анионита и вызывает более ранний
проскок ионов HSiO3 - в фильтрат. Поэтому перед поступлением Hкатионированной воды на слой сильноосновного анионита из нее необходимо
возможно более полно удалить CO2, для чего в схему включается
декарбонизатор. Еще сильнее снижает кремнеемкость анионита наличие в Hкатионированной воде ионов Na+, так как помимо истощения анионита
анионами, уравновешивающими эти катионы, увеличивается концентрация в
фильтрате противоионов (OH-),что резко ухудшает глубину обескремнивания
воды. С учетом приведенных фактов схемы обессоливания создаются, как
правило, в виде двухступенчатых, содержащих основное оборудование.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 41 из20
H1 и H2 – катионитные фильтры 1-ой и 2-ой ступеней; A1 и A2 –
анионитные фильтры 1-ой и 2-ой ступеней с загрузкой соответственно
низкоосновными и высокоосновными анионитами, Д – декарбонизатор, БДВ –
бак декарбонизованной (частично обессоленной) воды; H2SO4 – кислота для
регенерации H-катионитных фильтров; NaOH – едконатриевая щелочь для
регенерации OH-анионитных фильтров
Принципиальная схема двухступенчатого химического
обессоливания:
Установки двухступенчатого химического обессоливания надежны в
работе. Они обеспечивают высокое качество обработанной воды, отвечающее
эксплуатационным нормам питательной воды барабанных котлов
сверхвысокого давления.
7 Фильтры смешанного действия, их регенерация.
Для очистки добавочной воды для прямоточных котлов и ядерных
реакторов применяются трехступенчатые схемы химического обессоливания, в
которых в качестве третьей ступени используются фильтры смешанного
действия (ФСД). Загрузка
ФСД
состоит
из
смеси(от
2 1
до
1 2) сильнокислотного катионита а Н-форме и сильноосновного анионита в
OH-форме. Переходящие в раствор в процессах ионного обмена на
чередующихся зернах катионита и анионита ионы H+ и OH- образуют воду,
выводя из зоны ионного обмена противоионы, способствуя этим углублению
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 42 из20
степени
обессоливания
воды
до
остаточной
удельной
электропроводимости менее 0.2 мкСм/см. Недостаток этой технологии
заключается в необходимости тщательно перемешивать и разделять (при
регенерации) составные части смешанной загрузки.
8 Технологические схемы ионитных установок.
Выбор схем приготовления добавочной и подпиточной воды
определяется качеством исходной воды и требуемым качеством обработанной
воды, а также условиями экономичности, надежности и минимального сброса
примесей, образующихся при эксплуатации ВПУ, в водоемы. Набор из
применяемых схем приведен на рис. 4.27. Схемы 1 - 7применяются для
умягчения воды применительно к котлам низкого и среднего давлений, а
некоторые из них, в частности, с Na- и Hгол-фильтрами используются для
подпитки тепловых сетей закрытого и открытого типов.
Na1 и Na2 – натрий-катионитные фильтры 1 и 2 ступеней; Hгол – водородкатионитный фильтр с "голодной" регенерацией; БУФ буферный
нерегенерируемый фильтр; H1 и H2 – водород-катионитные фильтры 1 и 2
ступеней; Cl – анионитный фильтр в Cl-форме; ФСД – фильтр смешанного
действия; Д – декарбонизатор; ПБ – промежуточный бак; а – подвод
осветленной воды; б – выход фильтрата; в – воздух в декарбонизатор; г –
выход углекислого газа из декарбонизатора; д – промежуточный насос
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 43 из20
Основные принципиальные схемы ионитных установок
приготовления добавочной воды для котлов и подпиточной воды для
теплосети:
Na-катионирование может применяться лишь для умягчения
природных вод с малой карбонатной жесткостью. Для приготовления
подпиточной воды для теплосети ее умягчение можно организовать в одну
ступень. В схеме 2 предусматривается частичное разрушение щелочности
путем ввода кислоты в Na-катионированную воду. При этом протекает
следующая реакция:
2NaHCO3 + H2SO4 ® Na2SO4 + CO2 + H2O.
(
29)
Выделяющаяся углекислота отделяется в декарбонизаторе перед подачей
воды на Na-катионитный фильтр 2 ступени.
Н-катионирование с "голодной" регенерацией реализуются при удельном
расходе серной кислоты, близком к 1 г-экв на 1 г-экв сорбированных
катионитом ионов, что исключает появление кислых регенерационных стоков.
Эта
технология может быть осуществлена на
катионитах
со
слабокислыми (карбоксильными) функциональными группами ,к числу
которых относится отечественный среднекислотный катионит - сульфоуголь.
Регенерация сильнокислых катионитов, истощенных ионами Ca 2+ и Mg2+,
требует больших удельных расходов кислоты в результате высокой
селективности к двухвалентным катионам, поэтому в данной технологии они не
могут быть использованы.
Находящиеся в Н-форме карбоксильные группы сульфоугля (или любого
другого слабокислотного катионита) взаимодействуют с ионами Ca2+ и
Mg2+, (Ме2+), связанными с гидрокарбонатами по реакциям:
2RCOOH + Ме(HCO3)2 ® 2RCOOМе + 2Н2СО3,
(
30)
Образование из ионов Н+ и НСО3- угольная кислота является слабой,
поэтому препятствует созданию в зоне обмена очень низких значений рН и тем
самым поддерживает работоспособностьслабокислых групп катионита в
рабочем ионизированном состоянии до тех пор, пока в обрабатываемой воде
присутствуют ионы НСО3-. Катиониты Са2+ и Mg2+, входящие в состав
некарбонатной жесткости, слабокислотными группами не сорбируются, так как
образование в фильтрате сильных кислот препятствует диссоциации
слабокислотных функциональных групп. К моменту, когда иониты водорода в
катионите будут израсходованы полностью, в фильтрате фиксируются
вторичная гидрокарбонатная щелочность в пределах 0.4 - 0.7 мг-экв/дм3, затем
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 44 из20
щелочность и жесткость фильтрата начинают повышаться и фильтр выводится
на регенерацию. Таким образом, в процессеН-катионирования с "голодной"
регенерацией происходит частичное умягчение и существенное снижение
щелочности воды. Вода, прошедшая через Н-катионит с "голодной"
регенрацией, обычно используются для подпитки теплосети (или является
исходной для последующего обессоливания) и характеризуется остаточным
значением карбонатной жесткости (щелочности) в пределах 0.4 - 1.0 мгэкв/дм3 при неизменившемся значении некарбонатной жесткости.
В схемах подпитки теплосети сульфоугольные катионитные фильтры,
работающие в режиме "голодной" регенерации, устанавливаются перед
нерегенерирумыми Н-буфернымифильтрами, назначение которых заключается
в выпажении кислотно-щелочной характеристики воды до средних значений.
механизм
действия Н-буферного фильтра
определяется
равновесием,
устанавливающимся в нем между сульфоуглем и щелочно-кислотной
составляющей фильтруемой воды, что выражается обратимой обиенной
реакцией.
RH + NaHCO2 « NaR + НСО3-,
(
31)
Если поступающая на буферный фильтр вода имеет остаточную
щелочность, большую чем это соответствует равновесному значению, то
равновесие реакции (4.32) сдвигается в сторону разрушения гидрокарбонатов.
Если на буферный фильтр поступает вода со щелочностью более низкий, чем
это соответствует равновесию в системе, то происходит обратный процесс,
сопровождающийся образованием гидрокарбоната натрия. Таким образом, Нбуферный фильтр сглаживает все резкие колебания, кратковременно
возникающие в процессе эксплуатации Н-катионитных фильтров с "голодной
регенерацией"
При
"голодной"
регенерации
слабокислотных
карбоксильных
зарубежных катионитов, обладающих большой обменной емкостью, их слой по
высоте как бы подразделяется на две части. Первая часть явояется рабочей,
вторая (хвостовая) часть выполняет функции буферного фильтра, поэтому для
таких катионитов не требуется установка отдельного буферного фильтра.
Параллельное H-Na-катионирование (схема 4) может применяться при
условии, что в исходной воде Жк > 0.5 · Жо и суммарной концентрации анионов
сильных кислотменее 7 мг-экв/дм3. В этой схеме часть потока воды подается
на H-катионитный фильтр, а другая часть - на Na-катионитный. Кислый
фильтрат H-фильтра и щелочнаяNa-катионированная вода смешиваются, при
этом
происходит
частичное
разрушение
щелочности (до заданного
3
значения Щост = 0.3 - 0.5 мг-экв/дм ) с выделением CO2. Дляудаления CO2 вода
пропускается через декарбонизатор и затем доумягчается на Na-
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 45 из20
катионитном фильтре 2 ступени. Необходимую долю воды х, пропускаемую
через H-фильтр, подсчитывают, исходя из баланса в точке смещения:
(1 - x) · CHCO3- - x · (CSO42- + CCl-) = Щост
(
32)
откуда:
(
,
33)
Тогда часть воды, пропускаемой через Na-катионитный фильтр, будет
равна 1 - x.
При последовательном H-Na-катионировании (схема
5) через
Hкатионитный фильтр пропускается часть воды (x), а остальная часть
подмешивается к кислому фильтрату, обеспечивая нейтрализацию его с
образованием CO2. Этот газ удаляется в декарбонизаторе, а вода для полного
умягчения подается на Na-катионитный фильтр.
Особенностью работы H-фильтра в этой схеме является то, что он
отключается не по проскоку жесткости, а выводится на регенерацию при
повышении щелочностидо 0.7 - 1.0 мг-экв/дм3, что позволяет более полно
использовать
обменную
емкость H-катионита. Рассмотренная
схема
применяется для умягчения и снижения щелочности исходной воды с
солесодержанием выше 1000 мг/дм3 при Жк > 0.5 · Ж0.
Основным недостатком схем 4 и 5 является необходимость
перераспределения потоков воды во время фильтроцикла в связи с изменением
кислотности фильтратаH-катионитного фильтра.
Схема совместного H-Na-катионирования (схема 6) применяется в тех
случаях, когда сумма анионов сильных кислот в обрабатываемой воде не
превышает 3.5 - 5.0 мг-экв/дм3 и
когда
щелочность
умягченной
3
воды (Щост = 1.0 - 1.3 мг-экв/дм ) является допустимой. При совместном H-Naкатионировании катионит вначале регенерирует кислотой, а затем, после
отмывки раствором NaCl, что обеспечивает достижение отмеченных
показателей и отсутствие сброса кислых вод.
Схема Na-Cl-ионирования (схема 7) основана на пропуске воды вначале
через Na-фильтр, а
затем
через
анионитный
фильтр,
содержащий
сильноосновной анионит в Cl-форме. Регенерация фильтров производится 6 8%-ным раствором NaCl, который вначале контактирует с анионитом, а затем с
катионитом. Удельный расход соли на регенерацию выбирается из расчета
около 75 кг/м3 анионита. Остаточная щелочность фильтрата в этой схеме
колеблется в широких пределах (0.1 - 1.0 мг-экв/дм3).
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 46 из20
Для
подготовки химически
обессоленной
воды производится
последовательное
комбинирование
процессов H-катионирования и OHанионирования. По степени удаления ионизированных примесей из воды
различают частичное (схема
8), глубокое (схема
9) и полное химическое
обессоливание, отличающиеся количеством ступеней очистки и соответственно
качеством обессоленной воды. Отметим, что расположение декарбонизатора
за H2-фильтром в схемах 9 и 10 не является однозначным. Его место на рисунке
в схемах 9 и 10 обеспечивает наиболее глубокое удаление углекислоты из
кислой воды, но требует установки кислотостойких насосов. Перенос места
расположения декарбонизатора за A1-фильтр упрощает антикоррозионную
защиту внутренней поверхности декарбонизатора, но при этом увеличивается
ионная нагрузка на сильноосновной анионит в фильтрах A2 и ФСД.
Отключение A1-фильтров на
регенерацию
производится
по
проскоку ионов Cl , а 2 ступени - по проскоку кремнекислоты. При работе по
схеме 9 в глубоко обессоленную воду могут попадать кремнекислота и
продукты регенерации при неполной отмывке фильтров вторых ступеней. Эта
схема применима для подготовки добавочной воды барабанных котлов
высокого и сверхвысокого давлений.
Наиболее качественная подготовка воды достигается по схеме 10, в
которой в качестве третьей ступени очистки используется ФСД, что
обеспечивает остаточную концентрацию натрия не более 5 мкг/дм3 и
кремнекислоты менее 10 мкг/дм3. Трехступенчатая схема химического
обессоливания применяется для подготовки добавочной воды прямоточных
котлов и ядерных реакторов.
9 Выбор и расчет схем очистки воды.
В практике эксплуатации существуют две схемы соединения фильтров в
установках химического обессоливания:
секционная (параллельное
включение) и блочная (цепочки). При секционном включении фильтры
одного назначения (например, H-катионитные фильтры 1 ступени) включаются
параллельно (одна секция), а их фильтрат подается через общий коллектор на
следующую группу фильтров, также соединенных параллельно (вторая
секция), и т.д. При блочном включении схема разбивается на отдельные
цепочки,
каждая
из
которых
содержит
по
одному
набору
фильтров (например, H1-A1-Д-H2-A2), необходимых для очистки воды и
соединенных последовательно. Обработанная вода последних фильтров
цепочек объединяется в коллекторе и подается на ФСД, направляясь далее в
сборный бак. Таких блоков в схеме ВПУ должно быть несколько с учетом того,
что часть их находится в работе, один - регенерации и еще один - в резерве.
Преимущество блочной схемы включения фильтров перед секционной состоит
в упрощении контроля за качеством обработанной воды и при проведении
регенерации. При расчете схемы можно подобрать режимы, при которых
рабочий цикл у всех фильтров цепочки будет заканчиваться практически
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 47 из20
одновременно, поэтому сигнал на отключение цепочки для ее регенерации
достаточно получить с одного фильтра. К недостаткам блочной схемы следует
отнести необходимость ее переналадки при изменении качества исходной воды
и повышенной расход ионитов.
а – секционная; б – блочная
Схемы соединения ионитных фильтров в обессоливающих
установках:
При секционной схеме каждая группа фильтров должна насчитывать не
менее трех с учетом их регенерации и вывода одного из фильтров в ремонт.
Рабочий цикл фильтров не должен быть менее 8 ч по условиям удобства
эксплуатации.
Вопросы для самоконтроля
1
2
3
Что называют ионитом?
Что понимают под обменной емкостью ионита?
Какие иониты используют для водоподготовки на ТЭС?
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
4
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 48 из20
Как осуществляется пароизоляция изоляционных конструкций ограж-
дений?
5
6
7
В каких случаях необходимо химическое обессоливание?
Как производится регенерация?
Опишите методику выбора схемы очистки воды.
Рекомендуемые источники
1 Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
-M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
2 Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. M.: Энергия, 1976.-456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.: МЭИ, 2000. 395 с,
4 Электронная энциклопедия энергетики
Модуль 2. Очистка контурной воды
Лекция 4. Мембранные методы очистки воды
Содержание лекционного занятия
1 Технология обратного осмоса и ультрафильтрации.
2 Принцип обратного осмоса.
3 Механизм перехода воды через мембрану. Типы мембран.
4 Технология электродиализа.
5 Катодные и анодные реакции.
6 Требования, предъявляемые к качеству ионообменных мембран.
7 Комбинирование мембранных методов с ионным обменом.
1 Технология обратного осмоса и ультрафильтрации.
Понятие "обратный осмос" показывает обратимость естественного (прямого) осмоса. Последний характеризуется самопроизвольным переходом
растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Проиллюстрируем
процессы прямого и обратного осмоса схемой, приведенной на (рис. 5.1). Если
чистую воду и водный растворкакого-либо неорганического вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной
пропускать только молекулы H2O, то в такой системе будет наблюдаться следующее. Из-за разности давления (концентрации) молекул H2O в разных отсеках происходит переход молекул воды в объем с их меньшей концентрацией,
т.е. в отсек солевого раствора, объем которого постепенно увеличивается, раствор разбавляется, разность давлений уменьшается, тормозя дальнейший перенос молекул H2O. В состоянии равновесия уровни в обеих частях ячейки не бу-
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 49 из20
дут изменяться, а установившееся гидростатическое давление определяется как
осмотическое давление раствора (рис. 5.1, б).
Рис. 5.1. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса:
а - начало осмотического переноса; б - равновесное состояние; в обратный осмос; 1 - пресная вода; 2 - соленая вода; 3 - мембрана; p осмотическое давление раствора
2 Принцип обратного осмоса.
Осмотическое давление раствора p определяется согласно закону ВантГоффа:
,
(
5.1)
где i - коэффициент Вант-Гоффа, R - универсальная газовая постоянная,
равная 8.31 Дж/(моль·К); T - температура раствора,
К; C 3
концентрация растворенноговещества, г/дм ; M - масса 1 моля растворенного
вещества, г.
Коэффициент Вант-Гоффа равен среднему суммарному числу частиц, образующихся при электролитической диссоциации одной молекулы:
i = 1 + (n - 1) · a,
(
5.2)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 50 из20
где n - общее число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы, a - степень диссоциации растворенного вещества. Для хорошо растворимых веществ в разведенных растворах диссоциацию можно считать полной, и в
этих случаях коэффициент Вант-Гоффа можно использовать как целую величину, соответствующую числу образовавшихся ионов (например, для NaCl i = 2).
Из (5.1) следует, что осмотическое давление раствора зависит от химической природы растворенного вещества и его концентрации. Например, для раствора NaCl концентрацией35 г/дм3 (примерно равной солесодержанию океанской воды) при T = 293 К осмотическое давление:
, МПа
Если со стороны раствора приложить внешнее давление, превышающее
осмотическое, то скорость перехода молекул воды из раствора через полупроницаемую мембрану будет большей, чем в раствор. Это приведет к получению
чистой воды в отсеке за мембраной и концентрированию примесей в растворе,
к которому приложено внешнее давление (рис. 5.1, в). Принципиальная схема
процесса обратного осмоса приведена на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Принципиальная схема обратноосмотической установки:
1 - высокоминерализованная обрабатываемая вода; 2 - очищенная вода; 3 концентрат (сбросная вода); 4 - насос высокого давления; 5 - модуль обратного
осмоса;6 - полупроницаемая мембрана; 7 - выпускной клапан
В растворах, содержащих высокомолекулярные вещества с максимальным размером молекул 0.5 мкм и их массой не более 500 г/моль, осмотическое
давлениесоставляет 0.5 МПа при концентрации раствора 100 г/дм3. Для разделения таких растворов применяют процесс ультрафильтрации на специальных
мембранах, пропускающих не только молекулы воды, но также ионы и молекулы низкомолекулярных соединений. На практике применяют давление
от 1.2 до 8.0 МПа при обратном осмосе и от 0.2 до 0.6 МПапри ультрафильтрации.
Обратный осмос и ультрафильтрация принципиально отличны от процессов фильтрования, так как при их реализации образуется не осадок, как при
фильтровании, а лишь два раствора с различными концентрациями примесей,
однако для достижения длительного срока службы полупроницаемых мембран
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 51 из20
необходима предварительная достаточно полная очистка воды от коллоидных и
грубодисперсных примесей.
3 Механизм перехода воды через мембрану. Типы мембран.
Механизм осмотических и ультрафильтрационных процессов базируется
на капиллярно-фильтрационной модели, согласно которой в полупроницаемой
мембране имеются поры диаметром, достаточным для прохода молекул воды H2O = 0.276 нм), но недостаточным для прохождения гидратированных
> 0.5 нм) и молекул растворенных веществ.Из-за невозможности
создания мембран с одинаковыми размерами пор (изопористых), в промышленных мембранах имеется часть более крупных пор, через которые могут проникать
гидратированные
ионы,
что
снижает селективность (избирательность) процессов переноса. Опыт эксплуатации
установок обратного осмоса (табл. 5.1) показал, что порядок задержки ионов
полупроницаемыми мембранами соответствует ряду селективности обмена
ионов на ионитах, т.е. связан с возрастанием степени гидратации ионов.
Результаты обработки воды с солесодержанием 6500 мг/дм3 на обратноосмотической установке при р = 2,2 МПаc 50 %-ным выходом очищенной воды
Концентрация ионов в воде, мг/дм3
Таблица 5.1
Показатели
Ca2+
750
10
Mg2+
850
14
Na+
970
48
HCO3-
85
50
SO42-
600
14
Cl-
3280
160
PO43-
4.6
-
3
6540
296
Показатель pH
6.2
6.2
12000
550
Общее солесодержание,
мг/дм
После устаПосле предвариновки обратного
тельной обработки
осмоса
Электрическая проводимость, мкСм/см
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 52 из20
Эффективность технологии обратного осмоса определяется свойствами
полупроницаемых мембран, которые должны характеризоваться высокими разделяющей способностью (солезадержанием) и удельной проницаемостью, быть
химически стойкими и механически прочными, иметь низкую стоимость
и достаточный (до 5 лет) срок службы без ухудшения технологических характеристик. Этим требованиям удовлетворяют полимерные мембраны, изготовляемые из ацетилцеллюлозы или из ароматических полиамидов. Последние характеризуются более низкой удельной производительностью, но более устойчивы к воздействию химических и биологических факторов, что обеспечивает
их большую долговечность (табл. 5.2).
Таблица 5.2. Физико-химические свойства полупроницаемых мембран
Мембраны
ароматического
амида
Показатель
из
поли-
Мембраны
ацетилцеллюлозы
из
Давление, МПа
нормальное рабочее
2.8
3.0 - 4.2
0.35
-
рабочая
35
30
хранения
40
30
4 - 11
4.5 - 6.5
максимальное обратное
обработанной воды
Максимальная температура, °C
Допустимое
значение
pH
Подверженность гидролизу
Степень
бактерий
воздействия
Непрерывная доза свободного
хлора при
3
pH £ 8, мг/дм
Не подвержена
Очень чувствительна
Не подвержена
Очень чувствительна
0.25
Степень
воздействия
Очень
других окислителей
тельна
0.5 - 1
чувстви-
Средне чувствительна
Срок службы, лет
3-5
2-3
Солезадержание, %
90 - 95
90 - 95
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 53 из20
Обратноосмотические мембраны имеют асимметричную структуру и состоят
из
двух слоев
(рис. 5.3) верхнего,
активного
толщиной до
0.30 мкм, представляющего собой собственно разделяющую часть мембраны, и
нижнего, крупнозернистого толщиной 100 - 200 мкм, который является подложкой и обеспечивает механическую прочность мембраны. Среди важнейших
технологических показателей полупроницаемых мембран используются следующие: проницаемость (удельная производительность) и селективность. Условия работы обратноосмотических установок определяются коэффициентом выхода фильтрата.
Рис. 5.3. Строение полупроницаемой мембраны:
1 - активный слой; 2 - поддерживающий слой
Проницаемость мембран G, дм3/(м2·сут), (выражается количеством фильтрата Vф, получаемого с единицы поверхности мембраны F в единицу времени t):
(
G = Vф/(F · t)
5.3)
Проницаемость зависит от состава обрабатываемого раствора, внешнего
давления и типа мембраны.
Селективность мембран j, %, в процессе разделения определяется выражением:
(
,
5.4)
где C1 и C2 - концентрации растворенного вещества соответственно в обрабатываемой и обработанной водах.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 54 из20
Следует отметить, что увеличение селективности мембран, как типов
МГА на основе ацетилцеллюлозы, так и типов МГП на основе ароматических
полиамидов,
неизбежно
приводит
к
снижению
их проницаемости
(табл. 5.3) поэтому при практическом использовании мембран учитываются эти
их альтернативные свойства.
Таблица 5.3. Технологические характеристики полупроницаемых мембран
Марка
мембраны
Селективность по
NaCl, 5 г/дм3, %
Проницаемость при
p = 5 МПа, дм3/(м2·сут)
МГА-80
80
600
МГА-90
90
350
97.5
250
МГП-80
75
490
МГП-90
90
290
98
150
МГА100
МГП100
Для ультрафильтрации применяются полиэлектролитные мембраны, которые по структуре аналогичны обратноосмотическим мембранам, но имеют
относительно большойдиаметр пор (более 150 нм).
Коэффициент выхода фильтрата kв.ф. характеризует работу обратноосмотических установок и представляет собой отношение расхода очищенной воды Qф к расходу воды, поданной на установку Qисх:
(
.
5.5)
Значение kв.ф. выбирается исходя из следующих положений. При обработке воды обратным осмосом происходит концентрирование примесей. Поэтому
необходимо избегать осаждения любых растворенных веществ, содержащихся
в концентрате, иначе в системе могут быстро образоваться отложения. Содержание веществ в концентрате непосредственно связано с kв.ф.. Если пренебречь
содержанием солей, прошедших через мембрану, то содержание веществ в концентрате Cк будет определятся как:
(
,
5.6)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 55 из20
Поэтому, если kв.ф. = 75%, то Cк = 4 · C1. Оптимальное значение kв.ф. может
быть определено на основе химического анализа исходной воды, выбора метода ее предочистки, характеристик и технологии очистки собственно мембран.
Современные промышленные обратноосмотические установки выпускаются двух типов: со спиралевидными (рулонными) мембранами и с мембранами
в виде полых волокон с внутренним диаметром от 25 до 80 мкм. Установки состоят из большого числа модулей, которые соединяют в блоки по определенной
схеме. В аппарате рулонного типа (рис. 5.4) мембраны размещаются по границам слоев поропластов (рис. 5.5), один из которых 5 предназначен для подвода
исходной воды к мембране, а другой 4 - для отвода фильтрата. Каждый такой
рулон образует рулонный фильтрующий элемент (РФЭ). Такие РФЭ располагаются в кожухе, по оси которого установлена перфорированная трубка для отвода фильтрата. Из таких модулей собирается аппарат заданной производительности. Исходная вода под давлением подается через распределительное
устройство в кожух к разделяющим слоям поропласта, просачивается через
мембрану и стекает по внутреннему слою поропласта (дренажи) к перфорированной трубке. Для исключения попадания концентрата в фильтрат концы каждых двух мембран склеивают.
Рис. 5.4. Обратноосмотический аппарат рулонного типа:
1 - корпус; 2 - рулонный фильтрующий элемент; 3 - уплотняющее; 4 водоотводная трубка; 5 - муфта; I - исходная вода; II - фильтрат; III концентрат
Рис. 5.5. Рулонный фильтрующий элемент:
1 - водоотводящая трубка; 2 - щель; 3 - мембраны; 4 - дренажное устройство; 5 турболизатор - разделитель
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 56 из20
Рис. 5.6. Модуль с U-образной укладкой полых волокон:
1 - сборная камера; 2 - перфорированная трубка; 3 - пучок полых волокон; 4 корпус; 5 ,8 - патрубки; 6 - фланец; 7 - концевой блок; 9 - вход обрабатываемой
воды;10 - выход концентрата; 11 - выход фильтрата
Модуль с U-образной укладкой полых волокон, являющихся полупроницаемыми мембранами (рис. 5.6), состоит из цилиндрического корпуса, имеющего штуцера для подвода исходной воды и отвода фильтрата и концентрата.
Концы волокон, находящиеся в эпоксидном замке, открыты, и через них из
центрального канала фильтрат попадает в сборную камеру и выводится из модуля. Сырая вода под давлением распределяется радиально и по всей длине модуля. Характеризуя модуль типа "Пермасен В-9", отметим, что при длинекорпуса 1.2 м и диаметре 0.25 м он содержит несколько сотен тысяч полых волокон из полиамида с наружным/внутренним диаметром 85/42 мкм, которые
при селективности 90%обеспечивают производительность 2.2 м3/ч при коэффициенте выхода фильтрата 75%.
Установки обратного осмоса используются как в схемах ВПУ, так и для
очистки сточных вод. Для работы таких аппаратов требуется тщательная
очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей, для чего на предочистке используются кроме насыпных также и другие типы механических
фильтров (сетчатые, намывные, гильзовые и т.п.).Установки комплектуются
также системой химической и биологической очистки мембран, приборами и
устройствами автоматики.
4 Технология электродиализа.
Электродиализ - процесс удаления из растворов (проводников второго
рода) ионов растворенных веществ путем переноса их через мембраны в поле
постоянного электрического тока. Известно, что при наложении постоянного
электрического поля на раствор, в последнем возникает движение катионов
(включая ион водорода) к отрицательному заряженному катоду, а анионов - к
аноду.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 57 из20
5 Катодные и анодные реакции.
При контакте ионов с соответствующими электродами протекают следующие реакции:
Катодные реакции восстановления:
2H+ + 2e ® 2H; 2H ® H-2
Na+ + e ® Na; 2Na + 2H2O ® 2Na+ + 2OH- + H2- .
(
5.7)
(
5.8)
и анодные реакции окисления:
4OH- - 4e ® 2 H2O + 2O; 2O ® O2;
2Cl- - 2e ® 2Cl; 2Cl ® Cl2;
2Cl + H2O® 2H+ + 2Cl- + O.
(
5.9)
(
5.10)
(
5.11)
Если в электродную ячейку поместить около катода мембрану, выполненную из катионита и пропускающую только катионы, а около анода анионитную, пропускающую только анионы, что исключит перенос ионов H + и
OH-, образующихся у электродов, то объем ячейки будет разделен на три камеры. В этом случае в катодную камеру из средней могут проходить только катиониты, движущиеся к катоду, а в анодную - только анионы, движущиеся к аноду. Концентрация ионов в средней камере будет уменьшаться, т.е. вода станет
менее минерализованной, а в приэлектродных камерах она будет увеличиваться.
Теоретическое количество электричества Qтеор, расходуемого на перенос
1 г-экв вещества по закону Фарадея равно 26.8 А·ч или 96491 Кл, а количество
электричества, А·ч,необходимого для деминерализации 1 м3 воды от концентрации C1 до концентрации C2 (г-экв/м3), будет определяться по формуле:
Qтеор = (I · t)теор · (C1 - C2)
(
5.12)
где I - сила тока, пропускаемого через раствор, А; t - время, ч.
На практике при реализации электродиализа наблюдаются потери напряжения на преодоление омических сопротивлений в ячейках и на электродах,
поэтому потребляемое фактическое количество электричества превышает теоретическое.
Степень
совершенства
электродиализа
характеризуется коэффициентом выхода по току hэ, выражаемого как:
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 58 из20
(
,
5.13)
Значение hэ теоретически
изменяется
в пределах
от 0.3 (для неактивных мембран) до 1.0 (в идеальном процессе). Потери напряжения на электродах (3 - 4 В) существенно превышают потери на омическое
сопротивление в мембранах и растворе (1 - 2 В), поэтому в трехкамерном электродиализаторе свыше 2/3 энергии расходуется бесполезно.
Для снижения перечисленных потерь до 3 - 5% применяются многокамерные электродиализаторы (рис. 5.7), состоящие из большого числа узких камер (до 300 шт.). В крайних камерах аппарата помещают катод и анод, изготовленные для предотвращения их растворения из электрохимически инертного
материала (платинированного титана). Исходная вода, поступающая в четные камеры (рис. 5.7), теряет ионы примесей, т.е. обессоливается. В нечетных
камерах вода обогащается солями. Обессоленная вода и концентрат(рассол) собираются и раздельно выводятся из аппарата.
Рис. 5.7. Схема многокамерного электродиализатора:
К - катоинитная мембрана, пропускающая только катионы; А анионитная мембрана, пропускающая только анионы;
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 59 из20
6 Требования, предъявляемые к качеству ионообменных мембран.
Ионитные мембраны, используемые в процессе электродиализа должны
обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды,
хорошей электрической проводимостью, высокой механической прочностью,
химической стойкостью, иметь длительный срок службы в промышленных
условиях.
Серьезным препятствием для глубокого обессоливания воды в технологии электродиализа являются:
1) повышение электрического сопротивления в камерах с ростом степени
обессоливания;
2) перенос воды через мембраны в процессе осмоса;
3) разложение воды при высоких плотностях тока;
4) возможность образования осадков на мембранах в камерах концентрирования. Экспериментально показано, что при концентрации солей в камерах
обессоливания ниже200 - 300 мг/дм3 резко возрастает расход энергии, что ограничивает глубину обессоливания воды указанными пределами.
7 Комбинирование мембранных методов с ионным обменом.
Ограничение плотности тока при электродиализе связано с явлением концентрационной поляризации, возникающей на ионитных мембранах.
Суть этого явления заключается в том, что движение ионов через мембрану под
действием электрического тока идет быстрее, чем в растворе, что приводит к
падению концентрации около принимающей стороны мембраны и к повышению концентрации около отдающей стороны (рис. 5.8). Существует такая плотность тока, называемая предельной, при которой концентрация переносимого
иона около принимающей стороны мембраны снижается до 0 и начинается перенос ионов H+ и OH-, образовавшихся при электролизе воды. Этот процесс вызывает перерасход электроэнергии, не снижая солесодержания воды, и приводит к изменению pH среды, что может вызвать образование осадков на мембранах.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 60 из20
Рис. 5.8. Схема возникновения концентрационной поляризации на
анионитной мембране:
A - анионитная мембрана, пропускающая только анионы; толщина граничного слоя воды; 1 - концентрация анионов
С учетом отмеченных ограничений оптимальный уровень снижения солесодержания обрабатываемой воды в одноступенчатых электродиализных аппаратах непревышает 40 - 50%.
Для предотвращения образования осадков кроме ограничения рабочей
плотности тока производят подкисление воды, переполюсовку напряжения, попеременный пропуск воды через обессоливающие и рассольные камеры.
Электродиализные
аппараты конструируются
по
типу фильтрпресса (рис. 5.9) и включаются в схему водоприготовления последовательно
или параллельно в зависимости от условий применения. Чередование обессоливающих и рассольных камер обеспечивается рамками-прокладками из диэлектрика (паронит, полиэтилен и т.п.)толщиной 0.7 - 1.0 мм. Каналы для подвода и отвода исходной воды и рассола образуются проштампованными в рамках отверстиями. Сжатие рамок и мембран осуществляется с помощью торцевых плит. Внутри камер укладывается гофрированная сетка, которая дистанционирует мембраны и одновременно служит турболизатором потока воды. Исходная вода, используемая в электродиализных установках, требует предварительной обработки с тем, чтобы свести к минимуму возможность образования
осадков в камерах из взвешенных частиц; подвергнутых электрокоагуляции
коллоидных частиц; шлама из твердой фазы CaCO3 и Mg(OH)2. Кроме того, из
воды должны быть удалены ионы железа, марганца и органические вещества до
концентраций не менее 50 мкг/дм3 по каждому, присутствие которых приводит
к "отравлению" мембран, т.е. к снижению их электрической проводимости.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 61 из20
Рис. 5.9. Схема многокамерного электродиализного аппарата:
1 - вода на промывку электродной камеры; 2 - анод; 3 - катод; 4 - вода на промывку рассольных камер; 5 - подача обрабатываемой воды в обессоливающие
камеры; 6 - верхняянажимная плита; 7 - сток из электродной камеры; 8 катионитная мембрана; 9 - прокладка в камере обессоливания; 10 анионитная мембрана; 11 - прокладка в рассольной камере; 12 отвод обработанной воды; 13 - отвод рассола; 3 - нижняя плита
Необходимость предварительной очистки воды и относительно низкая
(до 50% в одну ступень) степень обессоливания на выходе из электродиализных аппаратов определили возможность комбинирования мембранной технологии с ионитным обессоливанием при обработке вод с повышенным исходным
солесодержанием (более 500 мг/дм3) В этом случае электродиализные аппараты
включаются в схему после предочистки и перед ионообменными фильтрами,
что позволяет сократить расход реагентов на ионообменную часть, и следовательно, резко уменьшить количество сбросов с ВПУ.
Вопросы для самоконтроля
1
2
В чем принцип очистки воды технологией обратного осмоса?
Что называют осмотическим давлением?
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
3
4
5
6
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 62 из20
Какие мембраны применяются на практике?
Что понимают под ультрафильтрацией?
В чем преимущества и недостатки технологии электродиализа?
Какими свойствами должны обладать ионообменные мембраны?
Рекомендуемые источники
1 Копылов А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
2 Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. M.: Энергия, 1976.-456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.: МЭИ, 2000. 395 с.
4 Электронная энциклопедия энергетики
Модуль 3. Обработка контурной и циркуляционной воды
Лекция 5. Удаление газов из воды
Содержание лекционного занятия
1
2
3
4
5
6
7
Растворимость газов в воде.
Десорбция газов из воды.
Избирательная десорбция.
Технология удаления газов в деаэраторах.
Технология удаления диоксида углерода в декарбонизаторах.
Методика расчета декарбонизаторов.
Химические методы удаления газов из воды.
1 Растворимость газов в воде.
РАСТВОРИМОСТЬ ГАЗОВ В ВОДЕ – способность газов образовывать с
водой однородную систему. Количественно Р.г.в. измеряется концентрацией
насыщенного раствора при данных температуре и давлении, т.е. раствора,
который находится в равновесии с избытком растворяемого газа. Р.г.в. зависит
от их химической природы, температуры, давления и минерализации воды. Она
падает с повышением температуры. Поскольку процесс растворения газов
обратим, то идут два процесса: инвазии (насыщение воды кислородом из
воздуха, когда его концентрация ниже равновесной) и эвазии (выделения
кислорода в атмосферу при пересыщении им поверхностного слоя водного
объекта). Эти процессы протекают довольно медленно, и для наступления
равновесия требуется определенный период времени. Наступление равновесия
ускоряется перемешиванием. Эта особенность растворения газов имеет
большое значение в формировании газового режима водного объекта (см.).
Согласно закону Генри, растворимость газа в жидкости при постоянной
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 63 из20
температуре прямо пропорциональна давлению, под которым находится
жидкость. Р.г.в. весьма различна
По величине растворимости газы природных вод можно разделить на две
группы: 1) хорошо растворимые — углекислый газ (СO2), сероводород (H2S),
молекулы которых при растворении взаимодействуют с водой, образуя
определенные химические соединения; 2) плохо растворимые — кислород (O2),
азот (N2), аргон (Ar) и др., молекулы которых неполярны и их дипольный
момент равен 0. При растворении же в силовом поле молекул воды у них
возникает индуцированный диполь, способствующий притяжению их
молекулами воды. Однако, поскольку такой дипольный момент незначителен,
то гидратная оболочка мала, а соответственно мала и их растворимость. Если
над раствором присутствуют и другие газы, то растворимость каждой
составной части смеси газов в жидкости, по закону Генри—Дальтона,
пропорциональна парциальному (частичному) давлению этого газа в данной
смеси. Например, при нормальных условиях и температуре 0оС равновесная
концентрация О2 будет 70,1 ? 0,21 = 14,7 мгO2/л, а азота 29,7 ? 0,78 = 23,2 мг
N2/л.
2 Десорбция газов из воды.
Десорбция (лат. desorbео) – способ очистки воды от молекулярно
растворенных газов и летучих примесей. В дальнейшем эти загрязнения будут
называться летучими. Способ, как и рассмотренные выше сорбция и
экстракция, основан на массообмене между загрязненной водой и
поглотителем, которым при десорбции является газ.
3 Избирательная десорбция.
Способ удаления из воды свободной CO2 в декарбонизаторах методом
аэрации широко применяется на ВПУ. На примере работы декарбонизатора
легко показать, что можно не только десорбировать из воды одновременно все
газы, растворенные в ней, но также осуществлять избирательную
десорбцию какого-либо газа. Это достигается согласно закону Генри
снижением парциального давления данного газа над водой без снижения
общего давления и подогрева воды, что уменьшает энергетические потери.
Практически это реализуется продувкой воды газом (или смесью газов), в
составе которого десорбируемый газ или отсутствует, или, что чаще, его
концентрация чрезвычайно низка.
4 Технология удаления газов в деаэраторах.
Термическая деаэрация - это процесс десорбции газа, при котором
происходит переход растворенного газа из жидкости в находящийся с ней в
контакте пар. Наличие такого процесса возможно при соблюдении законов
равновесия между жидкой и газовой фазами. Совместное существование этих
двух фаз возможно только при условии динамического равновесия между
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 64 из20
ними, которое устанавливается при длительном их соприкосновении. При
динамическом равновесии (при определенных давлении и температуре)
каждому составу одной из фаз соответствует равновесный состав другой фазы.
Доведение воды до состояния кипения, когда P0 = РН2О, не является
достаточным для полного удаления из нее растворимых газов. Удаление газов
при термической деаэрации происходит в результате диффузии и дисперсного
выделения их. При этом должны быть созданы условия перехода газов из воды
в паровое пространство. Одним из таких условий является увеличение площади
поверхности контакта воды с паром, чтобы максимально приблизить частицы
потока
деаэрируемой
воды
к
поверхности
раздела
фаз.
Это
достигается дроблением потока воды на тонкие струи, капли или пленки, а
также при барбатаже пара через тонкие слои воды.
Положительно сказывается на процессе деаэрации увеличение средней
температуры деаэрируемой воды, так как при этом снижается вязкость ее и
поверхностное натяжение и увеличивается скорость диффузии газов. В то же
время эффективное удаление газа из воды также не является достаточным для
эффективной деаэрации. Выделившийся из воды газ находится на поверхности
жидкости или в непосредственной близости от нее и при незначительном
снижении температуры воды или повышении ее давления газ вновь
поглощается водой.
Эффективная деаэрация достигается при полном отводе выделившихся
газов за счет непрерывной вентиляции и вывода их из деаэратора. Газ из
деаэратора отводится вместе с паром, который называют выпаром. Значение
выпара оказывает существенное влияние на эффект деаэрации. Для деаэраторов
повышенного давления величина выпара составляет 2 - 3 кг пара на 1 т
деаэрируемой воды. Таким образом, количество пара, подводимого к
деаэратору, должно обеспечивать поддержание состояния кипения
деаэрируемой воды и оптимальный выпар, а гидравлическая нагрузка
деаэратора должна быть такой, чтобы динамическое воздействие потока пара
было преобладающим на границе фаз.
Применяемые на ТЭС деаэраторы различают по рабочему давлению, при
котором происходит выделение газов из воды: деаэраторы повышенного
давления (0.6 - 1.2 МПа) типов ДСП-1600, ДСП-1000 и другие с подогревом
воды на 10 - 40°С; деаэраторы атмосферные (сдавлением 0.12 МПа) типов ДА300, ДА-150 и другие с подогревом воды на 10 - 50°С и деаэраторы
вакуумные (с давлением0.0075 - 0.05 МПа) типа ДВ-2400, ДВ-2000 и другие с
подогревом
воды
на 15 - 25°С (числа в
типоразмерах
указываютпроизводительность, т/ч).
Под номинальной производительностью деаэратора понимается расход
всех
потоков
воды,
подлежащих
деаэрации
и
количество
сконденсировавшегося в деаэраторе пара.
Деаэраторы различают также по способу контакта воды с
паром: пленочные, струйные, капельные, барбатажные.
При
этом
часто
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 65 из20
используются
комбинированные
схемы
контакта (например, струйнобарбатажные).
Большинство деаэраторов выполняется в виде вертикальной
цилиндрической колонки, которая размещается над баком-аккумулятором.Бакаккумулятор предназначен в основном для аккумулирования запаса
питательной (подпиточной) воды. Кроме того, в нем заканчивается процесс
дегазации воды (выделение дисперсных газов и разложение гидрокарбонатов).
5 Технология удаления диоксида углерода в декарбонизаторах.
Образующийся в схемах ВПУ диоксид углерода, являясь коррозионноактивным, также участвует в анионообменных процессах на сильноосновном
анионите, уменьшая рабочую емкость. Поэтому в тех схемах ВПУ, где
CO2 образуется по реакции:
H+ + HCO3- ↔ H2CO3 ↔ CO2 + H2O
При H-катионировании или подкислении, его необходимо удалить из
воды. Осуществляется это в специальных аппаратах - декарбонизаторах - путем
продувки воды воздухом, подаваемым вентилятором.
Декарбонизатор (рис. 6.2) представляет собой колонну, заполненную
насадкой (деревянная, керамические кольца Рашига и др.) для дробления
потока воды, подаваемой сверху на стекающие пленки, что увеличивает
поверхность контакта воды и воздуха. Воздух, нагнетаемый вентилятором,
движется в насадке навстречу потоку воды и затем вместе с выделившимся
CO2 выводится через верхний патрубок. Расход воздуха принимается равным
20 м3 на 1 м3 воды.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 66 из20
Рис. 6.2. Схема конструкции декарбонизатора:
1 – цилиндрический корпус; 2 – насадка; 3 - отвод газовой смеси; 4 - подвод
воды; 5 - распределительные трубки для подачи воды на насадку; 6 - верхний
щит; 7 - подвод воздуха; 8 - отвод декарбонизированной воды; 9 - нижний
поддерживающий насадку щит
Теоретически растворимость CO2 в воде при 40°C при контакте с
атмосферным воздухом, парциальное давление CO2 в котором равно
30 Па(0.03% по объему), составляет 0.4 мг/дм3, практически содержание CO2 в
декарбонизированной воде значительно выше(в среднем 4 - 5 мг/дм3). Это
объясняется, в первую очередь, значительным отклонением процесса
десорбции от равновесия. Кроме физических факторов большое значение на
эффективность процесса декарбонизации оказывает величина pH, которая
регулирует соотношение форм угольной кислоты в воде (CO2 + HCO3- + CO32). С уменьшением pH доля CO2 возрастает и увеличивается эффективность
декарбонизации воды. При pH > 8.5 CO2 полностью переходит в ионные
формы, поэтому в декарбонизаторе не удаляется.
6 Методика расчета декарбонизаторов.
Расчет декарбонизатора состоит в определении геометрических размеров
поверхности насадки и необходимого напора, создаваемого вентилятором.
Площадь поперечного сечения декарбонизатора fд определяется по плотности
орошения насадки, т. е. по расходу воды, приходящемуся на единицу площади
поперечного сечения декарбонизатора. Для насадки из колец Рашига плотность
орошения принимают равной 60 м3/(м2 · ч), откуда:
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 67 из20
(
fд = Qд / 60
1)
где Qд - производительность декарбонизатора, м3/ч.
Диаметр декарбонизатора, м, определяют из уравнения:
(
2)
,
Размер колец Рашига, используемых при создании насадки в
декарбонизаторах
любой
производительности, составляет
25 ´ 25 ´ 3 мм,удельная поверхность - 204 м2/м3, масса - 532 кг/м3, свободный
объем 1 м3 насадки - 0.74 м3/м3.
Требуемую площадь поверхности насадки Fн, м2 определяют по
уравнению:
(
.
3)
Значения kм и DCср определяют
по
графикам,
приведенным
на рис. 6.3 и рис. 6.4. Количество удаляемой CO2 в декарбонизаторе находят по
(6.6).
Рис. 6.3. Зависимость коэффициента массопередачи от температуры
воды
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 68 из20
Рис. 6.4. Зависимость средней движущей силы десорбции от
концентрации углекислоты в воде до декарбонизатора при концентрации
CO2 в декарбонизованной воде, мг/дм3:
1 - 3.0; 2 - 5.0; 3 - 10.0
Значение CкCO2 обычно
принимают
в пределах
45 мг/дм3. Значения CнCO2, мг/дм3 рассчитывают, исходя из технологической
схемы ВПУ и ее предочистки:
1) для схем предочистки с коагуляцией без известкования:
СнCO2 = 0.268 · (Щисх)3 + 44 · Щкоаг,
(
4)
где Щисх, Щкоаг - щелочность
соответственно
исходной
и
коагулированной воды, мг-экв/дм3;
2) для схем предочистки с pH » 10.2 Cн рассчитывается с учетом
связывания CO2 исходной воды при известковании и остаточных
бикарбонатной и карбонатной щелочностей (см. рис. 2.7):
СнCO2 = 44 · Щбик + 22 · Щкик,
(
5),
где Щбик, Щкик - соответственно
щелочность бикарбонатная
и
щелочность карбонатная известково-коагулированной воды.
Высота слоя hн, м, насадки из колец Рашига определяется из уравнения:
hн = Vн / fд,
(
6)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 69 из20
где Vн - объем, м3, занимаемый кольцами Рашига:
Vн = Fн/204.
(
7)
При выборе вентилятора к декарбонизатору определяют:
1) расход воздуха на декарбонизацию воды, м3/ч:
Qвозд = 40 · Qд ;
(
8)
2) аэродинамическое сопротивление декарбонизатора, Па
Нд = 300 · hн + 400.
(
9)
7 Химические методы удаления газов из воды.
Кроме декарбонизаторов с насадками и вентиляторами в химических
цехах эксплуатируются декарбонизаторы струйного типа (ДКС), в которых
растворенная углекислота удаляется за счет контакта капель воды, получаемых
при распыливании ее в форсунках, с подсасываемым в эжектирующем
устройстве воздухом. Рассмотрим конструкцию такого аппарата на примере
промышленного декарбонизатора ДКС-630, производительностью 630 м3/ч,
рассчитанным на снижение концентрации СО2 от 250 до 5 мг/дм3.
Декарбонизатор (см. рис. 6.5) состоит из корпуса 1, устройства с форсунками
для распыления воды 2, бака для сбора 3 и отвода 4 декарбонизованной воды.
Цилиндрический корпус ДКС содержит кроме наружной, также и внутреннюю
обечайку 5, которая служит для отвода воздуха 6. На наружной обечайке
крепится площадка обслуживания 7. В кольцевом зазоре между обечайками на
радиальных перегородках закреплен кольцевой коллектор 8, разделенный
проглушками на три секции с индивидуальным подводом к каждой секции
обрабатываемой воды 9 под требуемым давлением 0.15 МПа. На нижней
образующей коллектора равномерно установлены 60 штуцеров с форсунками,
из которых струи воды попадают в эжектирующее устройство 10, где
смешиваются с подсасываемым воздухом для десорбции СО2. Для снижения
уноса брызг в верхней части внутренней обечайки закреплена жалюзийная
решетка 11. Секционирование кольцевого коллектора позволяет ступенчато
(100, 65, 33%) изменять производительность струйного декарбонизатора.
Чистка форсунок при загрязнении производится путем отключения секции и
снятия форсунок со штуцеров.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 70 из20
Рис. 6.5. Схема декорбанизатора струйного типа
Вопросы для самоконтроля
1 Какое влияние оказывают содержащиеся в природной воде газы на те-
плообменные аппараты?
2 Что называют термической деаэрацией?
3 На чем основан метод деаэрации?
4 В чем особенность расчета теплопритока от продукта?
5 Как классифицируют термические деаэраторы?
6 Опишите устройство вакуумного деаэратора.
7 Какое влияние оказывает CO2 на поверхности теплообмена?
8 В чем преимущество химических методов удаления газов?
Peкомендуемые источники
1 Копылов А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
- M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 71 из20
2 Лифшиц О,В. Справочник по водоподготовке котельных установок. -
M.: Энергия, 1976. - 456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.: МЭИ, 2000. 395 с.
4 Электронная энциклопедия энергетики
Модуль 3. Обработка контурной и циркуляционной воды
Лекция 6. Обработка охлаждающей и циркуляционной воды
Содержание лекционного занятия
1 Системы охлаждения и циркуляции воды.
2 Стабильность охлаждающей воды.
3 Образование и характер отложений.
4 Физические методы обработки воды.
5 Предотвращение биологических обрастаний систем охлаждения и
циркуляции.
6 Расчет необходимых доз реагентов.
1 Системы охлаждения и циркуляции воды.
Основная часть природной воды, потребляемой ТЭС и АЭС используется
в системах охлаждения для конденсации пара. Расходы охлаждающей воды достаточно велики (60 - 100 кг на конденсацию 1 кг пара), например, ее расход
для
конденсаторов
одной
турбины К-800-240 составляет
око3
3
ло 36 м /с, или 108 тыс. м /ч, соответственно для ГРЭСмощностью 2400 МВт 325 тыс. м3/ч.
Основные требования к качеству охлаждающей воды сводятся к тому,
чтобы она имела температуру, обеспечивающую требуемую глубину вакуума в
конденсаторе, не вызывала при нагреве образования в системе охлаждения минеральных отложений и биологических обрастаний, а также коррозии оборудования и трубопроводов. Естественно, что при столь больших расходах воды,
охлаждающей конденсаторы, масло- и газоохладители, неправомерно ставить
вопрос об ее тщательной очистке с удалением всех примесей, склонных к образованию отложений и коррозионному воздействию на материалы охлаждающей
системы.
Для охлаждения конденсаторов используются прямоточные системы при
наличии водотоков с большим дебитом воды или оборотные системы двух типов:
1) с прудами - охладителями;
2) с градирнями или брызгальными бассейнами.
При прямоточной системе вода для технических нужд забирается непосредственно из естественного источника, и после использования сбрасывается в
тот же источник ниже по течению (рис. 7.1), что приводит к повышению тем-
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 72 из20
пературы водотока. Система оборотного охлаждения с прудами - охладителями
реализуется при сооружении плотины на малых и средних реках. При этом
площадь поверхности искусственных водоемов и соответственно мест затопления получаются значительными. Наибольшее распространение (до 70%) получили системы оборотного охлаждения (СОО) с градирнями, в которых один и
тот же объем воды используется многократно и требуется лишь небольшой добавок воды для восполнения потерь, сопутствующих охлаждающим устройствам. В градирнях или брызгальных бассейнах оборотная вода снижает температуру за счет испарения части подогретой в конденсаторе воды и конвективного теплообмена при контакте с воздухом, затем вода вновь подается в теплообменники - конденсаторы (рис. 7.2). В градирнях часть оборотной (охлаждающей) воды теряется за счет капельного уноса (Pун = 0.05 - 3.5%) и испарения (Pисп = 1 - 1.5%). Испаряемая влага является чистой водой, поэтому за счет
испарения солесодержание воды в оборотной системе повышается. Регулирование солесодержания осуществляется методом водообмена с помощью продувкисистемы Pпрод. Отмеченные потери компенсируются добавлением в систему технической воды:
Рдоб = Рисп + Рун + Рпрод.
Рис. 7.1. Схема прямоточного охлаждения конденсаторов:
1 - турбина; 2 - конденсатор; 3 - насосы береговой насосной; 4 конденсатный насос
(
7.1)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 73 из20
Рис. 7.2. Схема оборотного охлаждения конденсатора с градирней:
1 - градирня; 2 - циркуляционный насос; 3 - конденсатор; Pисп, Pун - потери воды
в градирне на испарение и унос; Pпрод - продувка оборотной воды; Pдоб добавка в систему свежей воды
Для солей, не образующих трудно растворимых соединений при нагреве
воды в системе охлаждения, баланс масс в установившемся режиме записывается в виде:
Cдоб/Рдоб = Cцирк · (Рун + Рпрод),
(
7.2)
где Cдоб, Cцирк - концентрация соли (ионизированной примеси) в добавочной и циркуляционной воде.
Из (7.2) следует, что отношение Cцирк/Cдоб, называемое коэффициентом
концентрирования (kк), определяется величиной потерь циркуляционной воды с
продувкой и с капельным уносом. kк называют также коэффициентом упаривания.
Сокращение величины продувки приводит к повышению кратности концентрирования и, следовательно, к значительному росту солесодержания циркуляционной воды. ПриPпр = 0 величина kк определяется потерями воды из системы за счет капельного уноса.
2 Стабильность охлаждающей воды.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 74 из20
Наряду с концентрированием легко растворимых солей в системах оборотного охлаждения (СОО) увеличивается в той же кратности концентрация
солей жесткости и гидрокарбонатов. С ростом температуры воды в СОО интенсифицируется гидролиз HCO3-, что характеризуется уравнением вида:
2HCO3- « CO32- + CO2 + H2O.
(
7.3)
Сдвигу вправо реакции (7.3), т.е. распаду ионов HCO3- и образованию
CO32- способствует также потеря образующегося при гидролизе диоксида углерода в градирне (аналогично процессу в декарбонизаторе). Эти факторы приводят к возможности выделения на теплообменной поверхности отложений
CaCO3, т.е. потере стабильностиохлаждающей воды (см. Гл. 1), в тех случаях,
когда произведение активностей взаимодействующих компонентов превысит
ПPCaCO3. Сульфат кальция обладает сравнительно большой растворимостью
при t = 20 - 40°C (около 1800 мг/дм3) и поэтому редко встречается в составе
низкотемпературных накипей.
Так как теплопроводность кальциевых отложений на порядок меньше
теплопроводности металла конденсаторных трубок, с ростом толщины накипи
на них повышается температура конденсации пара и снижается вакуум в конденсаторе. Ухудшение вакуума на 1% требует увеличения расхода пара на 1.4%
для поддержания номинальной мощности энергоустановки. Таким образом, отложения в СОО приводят к значительному пережогу топлива при выработке
электроэнергии.
Несмотря на отмеченный факт, а также на то, что в СОО температура
охлаждающей воды на входе в конденсаторы выше, чем при использовании
прямоточных систем охлаждения или в оборотных системах с водохранилищами, использование градирен позволяет резко снизить сброс подогретой воды в
водотоки и водоемы, предотвращая их "тепловое" отравление. Кроме того,
оборотные системы единственно приемлемы в условиях ограниченного дебита
воды.
3 Образование и характер отложений.
Так как теплопроводность кальциевых отложений на порядок меньше
теплопроводности металла конденсаторных трубок, с ростом толщины накипи
на них повышается температура конденсации пара и снижается вакуум в
конденсаторе. Ухудшение вакуума на 1% требует увеличения расхода пара на
1.4% для поддержания номинальной мощности энергоустановки. Таким
образом, отложения в СОО приводят к значительному пережогу топлива при
выработке электроэнергии.
Несмотря на отмеченный факт, а также на то, что в СОО температура
охлаждающей воды на входе в конденсаторы выше, чем при использовании
прямоточных систем охлаждения или в оборотных системах с
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 75 из20
водохранилищами, использование градирен позволяет резко снизить сброс
подогретой воды в водотоки и водоемы, предотвращая их "тепловое"
отравление. Кроме того, оборотные системы единственно приемлемы в
условиях ограниченного дебита воды.
4 Физические методы обработки воды.
Для предотвращения образований минеральных отложений в
конденсаторах в оборотных системах применяют:
1. продувку системы;
2. стабилизационную обработку циркуляционной воды различными
реагентами;
3. физическую обработку воды в магнитном или акустическом полях.
Магнитная обработка воды производится в аппаратах, в которых поток
охлаждающей воды пересекает силовые линии магнитного поля, напряженностью до 105 А/м, создаваемое электромагнитной катушкой или постоянными
магнитами. Несмотря на то, что теоретические основы воздействия магнитного
поля на воду и ее примеси до сих пор не разработаны, экспериментально установлено, что при наложении магнитного поля на нестабильную по карбонату
кальция
воду,
содержащую
ферромагнитные
примеси(Fe3O4, · Fe2O3), происходит снижение интенсивности образования отложений на теплопередающих поверхностях. Механизм магнитной обработки
объясняется агрегатированием ферромагнитных оксидов железа до размеров
больше критических для данного пересыщения раствора и образованиюна этих
затравочных кристаллах отложения кристаллизующейся соли. Накопленный
промышленный опыт эксплуатации магнитных аппаратов для стабилизационной обработки охлаждающей воды на ряде ТЭС характеризуется различной
эффективностью, что не позволяет рекомендовать эту технологию для широкого использования без предварительного получения результатов на пилотной
установке.
Удаление отложений из конденсаторных трубок производится во время
ремонта оборудования с помощью химических очисток или с применением
шомполированных труб с шарошками или со шлангами, по которым вода под
давлением до 75 МПа подводится к специальным насадкам, имеющим отверстия для выхода воды в таких направлениях, чтобы обеспечивалось как снятие
отложений, так и движение насадок по конденсаторной трубке.
5 Предотвращение биологических обрастаний систем охлаждения и циркуляции.
Повышение температуры воды в системах охлаждения, наличие питательных веществ и кислорода являются причиной интенсивного развития в
охлаждающей воде бактерий, грибков и водорослей различных видов. При
окисляемости воды выше 10 – 15 мг·O2/дм3 биологические образования в фор-
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 76 из20
ме слизистых отложений формируются на поверхностяхСОО наиболее интенсивно.
Для борьбы с биообрастаниями, приводящими к ухудшению вакуума в
конденсаторах и интенсификации коррозионных процессов, применяют обработку охлаждающей воды сильными окислителями, такими, как хлор и его
производные, а также медьсодержащими солями. Механизм бактерицидного
действия молекулярного хлора и его производных заключается в окислении
ферментов клетки с последующим отмиранием микроорганизмов. При растворении хлора в воде протекает его гидролиз с образованием хлорноватистой и
хлорводородной (соляной) кислот:
Cl2 + H2O « HClO + HCl.
(
7.14)
Слабая хлорноватистая кислота диссоциирует в растворах с образованием гипохлорит-иона:
HClO « H+ + ClO-.
(
7.15)
Стандартные окислительные потенциалы HClO и ClO- составляют соответственно 1.63 и 0.40 В, поэтому хлорирование воды желательно проводить в
условиях, при которых HClO находится главным образом в молекулярной форме, т.е. при pH < 7. Необходимое количество хлора для бактерицидной обработки воды устанавливается опытным путем с учетом заданной концентрации
остаточного свободного хлора 0.1 – 0.2 мг/дм3. Хлор вводят в обрабатываемую
воду в виде приготовленной хлорной воды с помощью водоструйного эжектора. Дозирование ведется с перерывами, так бактерии могут адаптироваться к
изменению обстановки при постоянной подаче хлора, продолжительностью 40 – 60 мин1 – 3 раза в сутки.
Для борьбы с твердыми, ракушечными обрастаниями в системах хлорирование охлаждающей воды недостаточно эффективно. В этих случаях применяют
медный купоросCuSO4 · 5H2O с
дозой ионов
меди около 1 –
3
2 мг/дм . Ионы меди, взаимодействуя с цитоплазмой клеток, приводят к их гибели.
Положительные результаты в борьбе с ракушечными обрастаниями дает
применение катодной защиты путем подвешивания на изоляторах по оси трубопровода стального стержня – анода диаметром 30 – 40 мм, к которому подведен постоянный ток. Плотности тока на катоде (трубопроводе) в летний период
должна составлять 0.4 – 0.6 А/м2, в зимний период – 0.16 – 0.25 А/м2.
При обработке воды сильнодействующими неорганическими веществами
необходимо помнить об их взаимодействии с флорой и фауной природных водоемов и водотоков при сбросе или продувке воды охлаждающих систем. В
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 77 из20
частности, поэтому не рекомендуется применять CuSO4 в прямоточных охлаждающих системах. Этот метод пригоден только для оборотных систем при
условии строгого контроля над сбрасываемой водой. Концентрация меди в
сбросной воде не должна превышать 0.01 мг/дм3, а свободный хлор должен
полностью отсутствовать.
Для удаления мягких, илистых биологических отложений – обрастаний в
конденсаторных
трубках
может
применяться
очистка
тру3
бок "на ходу" монолитными резиновыми шариками плотностью 1 г/см с диаметром, равным внутреннему диаметру конденсаторных трубок. Схема установки приведена на рис. 7.6. Число циркулирующих шариков, загружаемых во
входную камеру, составляет 10% от числа трубок в конденсаторе. Шарики захватываются потоком воды, проходят с ним по трубкам и счищают отложения.
В выходной камере конденсатора шарики задерживаются сетками и эжекторами вновь транспортируются во входную камеру. Система включается автоматически при включении в работу насоса с периодичностью, определяемой степенью загрязнения трубок и качеством охлаждающей воды.
Рис. 7.6. Схема очистки конденсаторов резиновыми шариками:
1 – конденсатор; 2 – уловитель шариков с сеткой; 3 – эжектор
6 Расчет необходимых доз реагентов.
Повсеместно используемым методом снижения минерализации охлаждающей воды является продувка СОО, т.е. отвод части циркулирующей воды с
заменой ее свежей. При продувке происходит общее понижение концентраций
всех примесей, в том числе, кроме ионов Ca2+ и HCO3-, ионов Cl- и SO42-, что
способствует ослаблению процессов коррозии в оборотной системе. Вывод солей из оборотной системы организуется за счет организованной продувки и потерь при капельном уносе из градирни. Так как основным назначением продув-
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 78 из20
ки является поддержание карбонатной жесткости циркуляционной воды ниже
предельно допустимой величины (Жк.пред), значение требуемой продувки можно
определить из модифицированных уравнений 7.1 и 7.2:
Жк.пред · (Рун + Рпрод) = Жк.доб · (Рисп + Рун + Рпрод),
(
7.4)
откуда:
(
7.5)
,
где Жк.доб - карбонатная жесткость добавляемой воды на восполнение потерь в СОО, мг-экв/дм3.
Значения Жк.пред обычно определяются опытным путем для конкретных
условий работы СОО. На основе обобщения опытных данных для добавочных
природных вод с окисляемостью до 25 мг·O2 на 1 дм3 в интервале температур от 30 до 60° Г.Е. Крушелем была предложена формула для определения Жк.
пред:
(
,
7.6)
где ОK - окисляемость
воды, мг·O2/дм3, Жнк - некарбонатная жесткость
воды, мг-экв/дм3, t - максимальная температура
воды
в
системе,
°C
(при t < 40°C в уравнение подставляют t = 40°C).
Потери воды на испарение в градирнях, %, определяются из выражения:
Рисп = 0.16 · x · Dt,
(
7.7)
где x - доля теплоты, отдаваемой охлаждающей водой за счет ее испарения
в
градирне
(летом - 1.0 зимой - 0.5, весной
и осенью - 0.75); t снижение температуры в градирне.
Потери воды в результате уноса капель колеблется от 0.25 - 0.5 до 1.5 3.5% в зависимости от скорости ветра и типа градирни, а также зависят от
наличия и эффективности работы брызгоуловителей в градирнях.
Вопросы для самоконтроля
1 Какие системы охлаждения воды существуют?
2 В чем преимущество оборотной системы водоснабжения?
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 79 из20
Что такое градирня?
В чем суть метода рекарбонизации?
Какие способы борьбы с биологическими обрастаниями конденсаторных трубок существуют?
6 Для чего осуществляется продувка?
3
4
5
Рекомендуемые источники
1 Копылов
А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в
энергетике. - M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
2 Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. M.: Энергия, 1976.-456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.: МЭИ, 2000. 395 с.
4 Электронная энциклопедия энергетики
Модуль 4. Обессоливание и обезвреживание воды
Лекция 7. Термическое обессоливание воды
Содержание лекционного занятия
1 Физико-химические основы дистилляции.
2 Включение испарителей в тепловую схему электростанций.
3 Термическое обессоливание в испарителях кипящего типа и аппаратах
мгновенного вскипания.
4 Очистка пара в испарителях и паропреобразовательных установках.
5 Тепловой расчет испарителей.
6 Основные
показатели
тепловой
и
общей
экономичности
испарительных и паропреобразовательных установок.
1 Физико-химические основы дистилляции
Обессоливание воды означает уменьшение содержания в ней
растворенных солей. Этот процесс называют также деионизацией, или
деминерализацией. Для морских и засоленных (солоноватых) вод такой процесс
называют опреснением.
Нормами на питьевую воду предусмотрено, что их солесодержание
должно быть менее 1 г/л, и лишь по специальному решению разрешается
использовать воду с солесодержанием до 1,5 г/л. Однако в ряде регионов
поверхностные и подземные воды содержат больше солей. Морская вода,
составляющая основной запас воды на Земле, содержит от 10 до 40 г/л солей.
Для использования таких вод для питьевых целей ее подвергают опреснению.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 80 из20
Для многих процессов в теплоэнергетике, химии, электронике требуется
вода, содержащая минимальные количества солей, вплоть до сверхчистой,
которая практически их не содержит.
Существует несколько способов обессоливания:
термический;
ионообменный;
мембранные;
обратный осмос;
электродиализ;
комбинированные.
Дистилляция (лат. distillatio —
стекание
каплями)
перегонка,
испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров.
Различают дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (при которой
получаемый конденсат имеет усреднённый состав вследствие перемешивания)
и дистилляцию с конденсацией пара в твёрдую фазу (при которой в конденсате
возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции
является конденсат или остаток (или и то, и другое) – в зависимости от
дистиллируемого вещества и целей процесса. Основными деталями
дистилляционного устройства являются обогреваемый контейнер (куб) для
дистиллируемой жидкости, охлаждаемый конденсатор (холодильник) и
соединяющий их обогреваемый паропровод.
2 Включение испарителей в тепловую схему электростанций.
Испаритель и конденсатор испарителя, в котором конденсируется
полученный в испарителе пар, образуют испарительную установку. В
испарительной установке происходит дистилляция исходной добавочной
воды – переход ее в пар и последующая конденсация получаемого пара.
Конденсат испаряемой воды является дистиллятом свободным от солей
жесткости, растворимых солей, щелочей, кремниевой кислотыи т.п.
Испарение
добавочной
воды
происходит
за
счет
тепла
конденсирующегося греющего пара одного из отборов турбины. Конденсация
получаемого в испарителе вторичного пара происходит за счет охлаждения его
водой, для конденсационных турбоустановок – конденсатом турбины. Схема
включения испарительной установки в тепловую схему конденсационного
блока показана на рис. 2.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 81 из20
Рис.2. Схема включения испарительной установки в тепловую схему
конденсационного блока:
1, 2 – подвод пара из отборов турбины; И – испаритель; Пn и Пn+1 –
регенеративные подогреватели; КИ – конденсатор испарителя
При такой схеме включения испарителя и его конденсатора тепло
греющего пара, отбираемого из турбины, используется для подогрева
основного конденсата турбины и возвращается с питательной водой в котел.
Следовательно, испарительную установку, включенную по такой схеме, можно
рассматривать как элемент регенеративной системы турбоустановки.
Действительно, когда испаритель не включен в работу, подогрев основного
конденсата
турбины
от hn+1 до hn происходит
в
регенеративном
подогревателе Пn паром отбора 1 из турбины. Когда испаритель работает
подогрев основного конденсата ведется последовательно в конденсаторе
испарителя (КИ) и подогревателе Пn в том же диапазоне энтальпий. При этом
общее количество отборного пара остается неизменным. Неизменной остается
и тепловая экономичность турбоустановки. Такую схему включения
испарительной установки в тепловую схему турбоустановки называют без
потерь потенциала. В тепловой схеме конденсационной турбоустановки
испарители и конденсаторы испарителей устанавливаются в системе
регенеративного подогрева низкого давления, т.е. между подогревателями,
установленными на линии подогрева основного конденсата до деаэратора. Для
таких условий температурный перепад, который может быть использован в
испарителе, не превышает разности температур насыщения пара,
поступающего в смежные отборы. Обычно этот перепад не превышает 15 –
20оС. При постоянном пропуске основного конденсата через конденсатор
испарителя, его конденсирующая способность будет определяться диапазоном
подогрева основного конденсата, который тем больше, чем меньше
температурный перепад в испарителе.
Количество тепла, передаваемое от греющего пара в испарителе можно
записать в виде
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Qи = Dпв · (h"вт – hпв) + Dпр · (h'вт – hпв),
Страница 82 из20
(
1)
где Dпв – количество питательной
воды испарителя, кг/с; Dпр –
количество продувочной
воды испарителя, кг /с;h"вт, h'вт и hпв – энтальпии
вторичного пара, его конденсата и питательной воды, поступающей в
испаритель, соответственно, кДж/кг.
Это тепло полностью передается основному конденсату в конденсаторе
испарителя, нагревая его от hки1 до hки2, т.е.
Qки = Gок · (hки2 – hки1),
(
2)
где – Gок количество основного конденсата, проходящего через
конденсатор испарителя, кг/с.
Количество тепла, определяемое уравнением (9.1), может быть также
определено из уравнения теплопередачи испарителя
Qи = kи · Δtи · Fи,
(
3)
где kи – коэффициент
теплопередачи
в испарителе, Вт/(м2·К); Δt –
температурный перепад
в
испарителе, Fи – поверхность греющей
секциииспарителя, м2.
Значение температурного напора в испарителе равно разности температур
насыщения греющего и вторичного пара (∆tи = tгр – tвт).
Уравнение теплопередачи для конденсатора испарителя имеет вид
Qки = kки · Δtки · Fки,
(
4)
где индекс (ки) указывает на отношение величин, тех же, что и в
уравнение (3), к конденсатору испарителя; значение температурного перепада
определяется как среднелогарифмическое.
При заданных параметрах греющего пара, т.е. при принятом месте
включения испарительной установки в тепловую схему, известных расходе и
энтальпии основного конденсата на входе в конденсатор испарителя
совместное
решение
уравнений (1 – 4) позволяет
определить
производительность установки и параметры вторичного пара.
Иллюстрацией совместного решения выше указанных уравнений
является графическое решение, приведенное на рис. 3. Здесь для произвольно
выбираемых значений температурного перепада в испарителе Δtи, принятых
значениях коэффициентов теплопередачи в испарителе и конденсаторе
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 83 из20
испарителя,
а
также
их
поверхностях
нагрева,
определяются
величины Qи и Qки. Значение Δtи, при котором достигается равенство Q,
соответствует тепловому балансу в испарительной установке. При этом
производительность установки может быть определена из уравнения (1).
Рис.3. Пример графического решения уравнений теплового баланса при
определении температурного перепада в испарителе
При выполнении расчетов значения коэффициентов теплопередачи в
испарителе и конденсаторе испарителя принимаются с последующим
уточнением по данным промышленных испытаний в пределах kи = 2200 –
2500 Вт/(м2·К), а kки = 3000 – 3200 Вт/(м2·К).
Обычно при проектировании тепловой схемы турбоустановки
предполагаемые потери пара и конденсата в цикле известны и необходимо
правильно выбрать место включения испарительной установки и определить
необходимые поверхности нагрева испарителя и конденсатора испарителя.
При включении установки в регенеративные отборы параметры греющего
пара, а также количество и температура основного конденсата на входе в
конденсатор
испарителя
будут
различны.
Различными
будут
производительность установки и затраты в ее сооружение. Наиболее
экономичной работа установки будет при значении температурного напора в
испарителе, которое соответствует минимальным затратам на получение
добавочной воды, т.е. при Δtи = (Δtи)опт.
При оптимальном значении температурного напора поверхности нагрева
испарителя Fи и конденсатора испарителя Fки определяются из выражений
Fи = Dи · (h"вт – hпв + p · (h"вт – hпв))/kи · Δtи
Fки = ((Gок · сp)/kки)) · ln((h' – hки1)/((h'вт – hки1 –
(
5)
(
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
(Dи/Gок) · (h"вт – h'вт))
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 84 из20
6)
Анализ тепловых схем конденсационных турбоустановок показывает, что
во всех случаях необходимое количество добавочной воды может быть
получено от испарительных установок (одной или двух) включенных в
регенеративную систему низкого давления. Включение испарителей в
тепловую схему блока К-200-130 показано на рис. 4. На блоке имеются две
испарительные установки, одна из них подключена к пятому отбору, другая – к
шестому.
Испарители (И1 и
И2) имеют
свои
конденсаторы (КИ1 и
КИ2), включенные в систему регенеративного подогрева питательной воды.
Умягченная питательная вода испарителей предварительно деаэрируется в
деаэраторе придавлении 0.117 МПа.
Рис. 4. Схема включения испарителей в тепловую схему блока К-200-130:
1, 2 - пар соответственно 5-го и 6-го отборов турбины; 3 подвод химобработанной (умягченной) воды; 4 - вторичный пар;5 питательная вода испарителей; 6 - продувка; 7 - отвод конденсата греющего
пара; 8 - отвод дистиллята; 9 - отвод дистиллята к деаэратору; И1 и И2 испарители; КИ1 и КИ2 - конденсаторы испарителей; ПНИ - питательный
насос испарителей; ПНД - подогревателинизкого давления; ДН - дренажный
насос; ОД - охладитель дренажа
Для теплофикационных турбоустановок при отпуске тепла потребителям
поток основного конденсата до ввода конденсата из сетевых подогревателей
весьма невелик и не может обеспечить конденсацию требуемого количества
вторичного пара испарителя. Для таких турбоустановок рациональным местом
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 85 из20
включения испарительной установки является такое, при котором через
конденсатор испарителя проходит максимальное количество основного
конденсата. В то же время для ТЭЦ с отпуском тепла потребителям возможно
получение значительно большего, чем требуется для восполнения внутренних
потерь пара и конденсата, количества добавочной воды. Это достигается при
включении испарительной установки в систему подогрева сетевой
воды (рис. 5). При такой схеме включения греющим паром испарителя является
часть пара, направляемого в сетевой подогреватель, а конденсация вторичного
пара происходит потоком сетевой воды. Нетрудно заметить, что приведенная
на рис. 5 схема не отличается от схемы, приведенной на рис. 2. Однако поток
сетевой воды существенно превышает величину расхода основного конденсата
в системе регенеративного подогрева. Расход пара регулируемого отбора также
значительно превышает величину отборного пара в регенеративный
подогреватель. В этих условиях производительность испарительной установки
будет существенно выше рассмотренной ранее установки, включенной в
регенеративный отбор. При этом площади поверхностей испарителя и
конденсатора испарителя, несомненно, должны быть существенно большими
по сравнению с применяемыми в конденсационных турбоустановках.
Рис. 5. Схема включения испарительной установки в систему подогрева
сетевой воды теплофикационной турбины:
1 - подвод греющего пара к испарителю; 2 - отвод вторичного пара; 3 подвод питательной воды; 4 - продувка; 5 - отвод конденсатагреющего
пара; 6, 8 - подвод сетевой воды к КИ и отвод ее при подключении испарителя
к пару нижнего регулируемого отбора;7, 9 - подвод сетевой воды к КИ и отвод
ее при испарителя к пару верхнего регулируемого отбора; СП1 и СП2 соответственно верхний и нижний сетевые подогреватели
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 86 из20
На рис. 6 приведена схема многоступенчатой испарительной установки с
испарителями поверхностного типа. К испарителю первой ступени установки
подводится пар регулируемого отбора турбины. Образующийся в испарителе
первой ступени вторичный пар, является греющим для испарителя второй
ступени; вторичный пар этой ступени является греющим для испарителя
третьей ступени и т.д. Часть вторичного пара каждой ступени используется для
подогрева питательной воды установки. Вторичный пар испарителя последней
ступени поступает в конденсатор испарителя, где он конденсируется потоком
поступающей на установку питательной воды. (Для шести ступенчатой
испарительной установки этого потока оказывается вполне достаточно для
конденсации вторичного пара последней ступени, т.е. установка полностью
замыкается по питательной воде и получаемому вторичному пару).
Рис. 6. Схема многоступенчатой испарительной установки:
1 - подвод греющего пара; 2 - подвод питательной воды; 3 - отвод
конденсата греющего пара; 4 - продувка; 6 - отвод дистиллята;КИ1 - КИ6 конденсаторы; И1 - И6 - испарители
Для первой ступени такой установки количество передаваемого тепла
определяется уравнением (9.1). Количество вторичного пара, образующегося
из 1 кг греющего пара в первой ступени равно
a1 = D1/Dгр.
Количество вторичного пара, образующегося во второй ступени из 1 кг
вторичного пара первой ступени
a2 = a1 · D2/D1.
Количество пара, образующегося в n–ой ступени,
an = an-1 · Dn/Dn-1.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 87 из20
Для условий, когда весь вторичный пар каждой ступени используется в
качестве греющего пара последующей ступени, а вторичный пар последней
ступени конденсируется в конденсаторе, общая производительность установки
D = Dгр · Sai.
Для установок, работающих по схеме приведенной на рис. 6, когда часть
вторичного пара испарителей используется для подогрева питательной воды
,
где DDi – количество вторичного пара отдельных ступеней, отводимого
для подогрева питательной воды.
Обычно при проектировании производительность установки задана.
Величина продувки принимается (в пределах 2%). Параметры греющего пара
также обычно заданы. Параметры вторичного пара последней ступени либо
задаются
потребителем(для
паропреобразовательной
установки), либо
определяются по условиям конденсации в конденсаторе.
При принятых условиях температурный перепад в каждом испарителе
определяется путем деления суммарного перепада на число ступеней и
уточняется с учетом потерь давления. Далее определяются параметры
вторичного пара в каждой ступени и из уравнений теплового баланса
подогревателей питательной воды, определяется количество поступающего в
них пара.
Схема включения установки с испарителями мгновенного вскипания в
тепловую схему турбоустановки приведена на рис. 7. Часть отборного пара,
направляемого в регенеративный подогреватель, поступает в основной
подогреватель испарительной установки, где нагревает исходную воду.
Подогретая исходная вода поступает в испаритель-расширитель, давление в
котором ниже давления насыщения подогретой воды. Разница температур
приводит к вскипанию части воды. Образовавшийся пар отводится в
конденсатор испарителя, где конденсируется потоком основного конденсата
турбоустановки. Неиспарившаяся в испарителе-расширителе вода, частично
сбрасывается в виде продувки, а большая ее часть вновь поступает в основной
подогреватель вместе с подводимой исходной водой.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 88 из20
Рис. 7. Схема включения испарителя мгновенного вскипания в тепловую
схему турбоустановки:
П1, П2 - регенеративные подогреватели; ОП - основной подогреватель; И испаритель-расширитель; КИ - конденсатор испарителя;1 - подвод пара из
отборов турбины; 2 - отвод вторичного пара; 3 - подвод исходной воды; 4 продувка; 5 - отвод дистиллята
Параметры
вторичного
пара,
получаемого
в испарителерасширителе определяются при равенстве тепла, передаваемого в основном
подогревателе Qоп, и тепла, передаваемого основному конденсату в
конденсаторе испарителя Qок. Значения Qоп и Qок определяются
из
выражений:
Qоп = Gцв · (ho – hвх),
(
7)
где Gцв – расход воды через основной подогреватель, кг/с; ho и hвх –
энтальпии воды после основного подогревателя и на входе в
него,соответственно, кДж/кг.
Qок = Gок · (hок2 – hок1)
(
8)
Значение величины Gцв определяется как сумма потока исходной воды,
поступающей на установку Gисх и расхода неиспарившейся в испарителерасширителе воды за вычетом продувки Gp = Gцв – Dи · (1 + P). Здесь P –
величина продувки в долях от производительностиустановки Dи.
Энтальпия воды на входе в основной подогреватель определяется из
уравнения смешения потоков:
hвх = (Gp · h'вт + Gисх · hисх)/Gцв,
(
9)
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 89 из20
где hисх – энтальпия исходной воды, кДж/кг.
Температура воды на выходе из основного подогревателя и из
конденсатора испарителя легко определяются при принятых значениях
недогрева (uоп и uки) в
них, т.е. tо = t'гр – uоп и tок2 = t'вт – uки. Таким
образом, совместное решение уравнений (7) и (8) при принятом значении
расхода циркулирующей воды (Gцв) и выбранном месте включения
испарительной установки позволяет определить расчетные параметры
вторичного пара испарительной установки и ее производительность.
Принципиальная схема многоступенчатой установки с испарителями
мгновенного вскипания приведена на рис. 8.
Рис. 8. Схема многоступенчатой установки с испарителями мгновенного
вскипания:
1 - основной подогреватель; 2 - конденсатор; 3 - сборник дистиллята; 4 - камера
испарения; 5 - охладитель продувки;6 - отвод дистиллята; 7 - подвод
исходной воды; 8, 9 - подвод и отвод охлаждающей воды; 10 - продувка; 11 рециркуляция
Исходная вода после фильтрации, охладителя дистиллята и конденсатора
поступает в змеевеки камер последних ступеней вскипания, где подогревается
образующимся в них паром. Подогретая вода поступает в деаэратор, где
деаэрируется и вновь поступает в змеевеки конденсаторов установленных в
камерах вскипания. Из последней камеры вода поступает в головной
подогреватель, где подогревается паром из отбора турбины до t0. Подогретая
вода поступает в первую ступень установки, а затем в последующие ступени,
где происходит ее испарение. Из последней ступени одна часть воды в виде
продувки сбрасывается в осветлитель, а другая направляется в контур
циркуляции(для повышения
кратности
упаривания
в
установках
предусматривается несколько контуров циркуляции при сохранении в
допустимых пределах кратности циркуляции в ступенях с наиболее высокой
температурой воды). Для предотвращения отложений солей в камерах
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 90 из20
вскипания и в контуре подогрева воды в исходную воду добавляются
затравочные кристаллы (мелкодисперсный мел или гипс).
В многоступенчатых испарительных установках мгновенного вскипания
разность между энтальпиями воды на входе в ступень и выходе из
нееhст принимается одинаковой для всех ступеней. Тогда
Dи = (1 – (1 – hст/rср)n) · Gцв,
(
10)
где n – число
ступеней; rср – средняя
по ступеням
теплота парообразования, кДж/кг; Gцв – расход циркулирующей воды, кг/с.
3 Термическое обессоливание в испарителях кипящего типа и аппаратах
мгновенного вскипания.
На рис. 9.9 показана типовая конструкция испарителя поверхностного типа. Основными элементами конструкции являются корпус, греющая секция, водораспределительные устройства, паропромывочные устройства и жалюзийный
сепаратор.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 91 из20
Рис. 9.9. Конструкция испарителя поверхностного типа:
1 - корпус; 2 - греющая секция; 3 - опускная труба; 4 - дырчатый паропромывочный лист; 5 - перелив; 6 - жалюзийный сепаратор; 7 - отвод вторичного пара;8 - подвод конденсата на паропромывочный лист; 9 - подвод питательной
воды; 10 - подвод греющего пара; 11 - отвод конденсата греющего пара;12 отвод неконденсирующихся газов
Греющая секция представляет собой цилиндрическую обечайку закрытую
с
верху
и
с
низу
трубными
досками,
в
которые
вварены (или завальцованы) стальные трубки.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 92 из20
При работе испарителя греющий пар поступает в межтрубное пространство греющей секции, где он конденсируется на наружных поверхностях трубок. Конденсат пара стекает по трубкам на нижнюю трубную доску греющей
секции и отводится из нее.
Питательная вода (химически очищенная и деаэрированная) поступает в
водораспределительное устройство над дырчатым паропромывочным листом,
откуда по опускным трубам сливается в нижнюю часть корпуса и заполняет
трубки греющей секции и корпус, до высоты несколько превышающей высоту
установки греющей секции. При передаче тепла от конденсирующегося пара
через стенки трубок греющей секции находящаяся в трубках вода нагревается
до образования пароводяной смеси. Пароводяная смесь, образующаяся в трубках, поднимается вверх, а на ее место в трубки поступает вода из пространства
между корпусом испарителя и корпусом греющей секции. Движение воды и
пароводяной смеси обусловлено разностью их плотностей. Другими словами в
контуре трубки греющей секции - пространство между греющей секцией и корпусом происходит естественная циркуляция воды и пароводяной смеси. На выходе из трубок греющей секции пароводяная смесь разделяется на пар и воду.
Вода через щель между корпусом испарителя и корпусом греющей секции сливается в нижнюю часть корпуса и смешивается с водой поступающей из опускных труб. Пар, выходящий из трубок греющей секции, проходит через слой воды над ней и поступает в объем между слоем воды над греющей секцией и паропромывочным дырчатым листом. Здесь происходит гравитационная сепарация пара(крупные капли воды, уносимые паром, падают вниз). Далее пар проходит через отверстия дырчатого листа и слой воды над ним. При этом происходит промывка пара, в процессе которой капли влаги, уносимые паром, переходят в слой промывочной воды. В жалюзийном сепараторе происходит удаление оставшейся в паре влаги за счет центробежных сил и сил гравитации. После
жалюзийного сепаратора пар отводится из испарителя в конденсатор, откуда в
виде конденсата поступает в деаэратор как добавочная вода цикла.
В процессе конденсации греющего пара в греющей секции происходит
образование углекислоты, наличие которой ухудшает условия теплообмена и
вызывает коррозию трубок греющей секции. Отвод неконденсирующихся газов
из корпуса греющей секции производится по специальному трубопроводу в паровой объем испарителя, откуда они вместе с вторичным паром поступают в
конденсатор испарителя. Из конденсатора испарителя неконденсирующиеся газы отводятся в конденсатор турбины.
Поддержание заданной концентрации примесей в воде, из которой образуется вторичный пар, обеспечивается непрерывной или периодической продувкой выполняемой из нижней части корпуса испарителя.
Одним из важных факторов, определяющих эффективную работу испарителя, является поддержание постоянным на заданном уровне слоя воды над
греющей секцией. Сложность поддержания и регулирования этого уровня вызвана тем, что в этом слое имеет место интенсивный барбатаж воды выходящим
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 93 из20
из трубок греющей секции паром и получение достоверного весового уровня в
качестве импульса для регулятора подачи питательной воды является весьма
затрудненным. Для испарителей с высотой греющей секции, непревышающей 3 м, оказалось возможным применение схемы регулирования приведенной на рис. 9.10. Импульсом уровня слоя в этой схеме является высота столба
жидкости в относительно спокойной зоне свободной от парообразующих трубок греющей секции. Паровой импульс уравнительного сосуда соединяется с
паровым объемом испарителя до паропромывочного дырчатого листа. Воздействие регулятора уровня производится на клапан подачи воды на паропромывочный дырчатый лист. Регулирование уровня конденсата греющего пара в
греющей секции производится регулятором уровня с воздействием на клапан
установленный на трубопроводе отвода конденсата из испарителя.
Рис. 9.10. Схема регулирования уровня в испарителе:
1 - корпус испарителя; 2 - греющая секция; 3 - подвод греющего пара; 4 импульсная трубка; 5 - уравнительный сосуд; 6 - водомерное стекло; 7 регулирующий клапан;8 - датчик; 9 - регулятор; 10 - колонка дистанционного управления
Испарители поверхностного типа обозначаются буквой И с указанием поверхности греющей секции и количества паропромывочных дырчатых листов,
например: И-350-2 илиИ-600-1.
Конструкция камер многоступенчатых испарительных установок мгновенного вскипания показана на рис. 9.11. Пучки труб конденсаторов могут располагаться горизонтально в верхней части камер испарения или вертикально в
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 94 из20
середине. При горизонтальном расположении трубные пучки конденсаторов
могут занимать продольное или поперечное положение. Во всех случаях испаряющаяся в камерах вода перетекает самотеком из одной камеры в другую, а
конденсат вторичного пара самотеком из конденсатосборника одной камеры в
конденсатосборник другой.
Рис. 9.11. Конструкция камер многоступенчатых испарительных
установок:
а) с продольным расположением конденсаторов; б) с поперечным расположением конденсаторов; 1 - камера испарения; 2 - трубки конденсатора; 3 - сборник дистиллята;4 - сепаратор
Конструкция испарителей, применяемых для восстановления продувочной воды первого контура АЭС, показана на рис. 9.12. Поверхность нагрева
этих аппаратов вынесена в отдельный корпус. Питательной водой этих аппаратов является продувочная вода реактора. Греющий пар поступает в корпус с
греющей секцией, где конденсируется на наружных поверхностях пучка вертикальных труб. Пароводяной поток, выходящий из трубок, поступает в сепаратор. Отделившаяся в сепараторе, за счет гравитационных сил, жидкость смешивается с поступающей в испаритель питательной водой и поступает вновь в
трубы греющей секции. Вторичный пар проходит последовательно жалюзийный сепаратор и паропромывочные устройства и отводится из корпуса испарителя. Так как питательная вода испарителя имеет высокую радиоактивность, то
промывка вторичного пара производится только в слое конденсата. Обычно испарительные установки, служащие для очистки продувочных вод первого контура, выплоняются многоступенчатыми. Греющим паром первой ступени служит пар, полученный в расширителе продувки. Продувочная вода последней
ступени сбрасывается в доупариватель и затем в хранилище жидких отходов.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 95 из20
Рис. 9.12. Конструкция испарителя для восстановления продувочных
вод первого контура:
1 - корпус греющей секции; 2 - подвод греющего пара; 3 - труба-сепаратор; 4 продувка; 5 - подвод продувочной (питательной) воды; 6 - жалюзийный сепаратор;7 - орошаемая набивка; 8 - паропромывочные устройства; 9 - отвод вторичного пара; 10 - подвод конденсата
4 Очистка пара в испарителях и паропреобразовательных установках.
Загрязнение пара, выходящего из трубок греющей секции или образующегося при мгновенном вскипании в объеме обусловлено выносом капель воды
из которой он генерируется. Количество уносимой паром влаги принято характеризовать с помощью коэффициента уноса w, который называют также влажностью пара, т.е. количество жидкости уносимое одним килограммом пара. Величина уноса может быть определена по содержанию нелетучих примесей в
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 96 из20
конденсате пара. Тогда, если содержание примесей в каплях уносимой влаги и в
воде, из которой образуется пар одинаково, то величина w может быть определена из выражения
w = Cд/Cк,
(
9.11)
где Cд и Cк - содержание примесей в конденсате пара (дистилляте) и воде,
из которой образуется пар (концентрате).
Унос капельной влаги при барботаже пара через слой жидкости обусловлен несколькими факторами. Это молекулярный унос, разрушение пузырьков
пара на поверхности раздела фаз (на поверхности зеркала испарения), дробление жидкости струями пара, пенистый переброс и размыв паром
двухфазного слоя.
Для диапазона давлений, в которых работают испарители и паропреобразователи, величина молекулярного уноса на несколько порядков ниже капельного уноса за счет разрушения пузырьков и дробления жидкости и им можно
пренебречь. Размыв паром двухфазного слоя и полный унос всей массы жидкости (эрлифт) наступает при весьма высоких скоростях пара и более характерен
для тонких двухфазных слоев (для испарителей к таким слоям можно отнести
барботажные слои над дырчатыми паропромывочнымилистами).
При наличии в жидкости поверхностно-активных веществ или мелкодисперсных твердых частиц время разрушения пузырьков пара на поверхности
зеркала испарения увеличивается и над слоем воды появляется слой пены, которая частично заполняет паровое пространство. Склонность водяного слоя к
образованию пены зависит от присутствия в воде солей и поверхностноактивных веществ, влияющих на поверхностное натяжение и вязкость воды.
Разрушение пены вызывает загрязнение пара каплями жидкости. При этом в
паровое пространство могут выноситься хлопья пены, концентрация примесей
в которых равна, а иногда и больше их концентрации в жидкости. В ряде случаев, в частности при резком снижении давления в паровом объеме, может происходить пенный переброс в паровое пространство и резкое ухудшение качества пара. Образование пены над зеркалом испарения связывают с содержанием
примесей в воде, из которой образуется пар (концентрате). Интенсивное пенообразование
наступает
при
содержании
примесей
в концентрате от 5000 мг/кг до 10000 мг/кг (по
некоторым данным до 15000 мг/кг). При более высоком содержании примесей влияние пенного уноса не наблюдается.
Главным фактором, определяющим гидродинамику двухфазного слоя, от
которой зависит унос капельной влаги, является скорость пара.
Для диапозона давлений, в которых работают испарители и паропреобразователи, величина влажности пара на некотором расстоянии H от зеркала испарения может быть определена из выражения
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 97 из20
(
w = В · w2.76/H2.3,
9.12)
где w - скорость пара в паровом пространстве, м/с; В - коэффициент, учитывающий физические параметры пара и воды.
Значения В в зависимости от давления вторичного пара приведены на рис. 9.13.
Рис. 9.13. Значения коэффициента В в зависимости от давления
Количество примесей в паровом пространстве перед дырчатым паропромывочным листом Cп1, обусловленных влажностью пара, будет равно
(
Cп1 = w · Cк,
9.13)
В процессе осуществления промывки на паропромывочном листе устанавливается устойчивый двухфазный динамический слой. Проходящий через
отверстия листа пар препятствует протеканию через них жидкости. При этом
уровень жидкости на листе определяется высотой перелива ее в опускные трубы. Поддержание устойчивого слоя над дырчатым листом возможно лишь при
его гидродинамической стабильности, которая обеспечивается динамическим
воздействием парового потока при скорости пара вышезначения wкр.
Величина wкр может быть определена из баланса сил действующих на паропромывочном листе.
(
,
9.14)
где h - высота
слоя
воды
над листом, м; R - радиус
отверстий листа, м; zотв - коэффициент сопротивления при прохождении пара через
отверстия дырчатого листа, определяемый из графика, приведенно-
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 98 из20
го на рис. 9.14; r' и r'' - плотность пара и воды при давлении насыщения вторичного пара, кг/м3; s - поверхностное натяжение воды при давлении насыщения
вторичного пара, н/м.
Значение
среднего
объемного
паросодержания
промывочного
слоя f может быть определено из зависимости
f2 · (1 - f) = w02/(g · h),
(
9.15)
где w0 - скорость пара в паровом объеме испарителя, м/с.
Рис. 9.14. Значения коэффициента сопротивления в зависимости от
относительной площади сечения отверстий дырчатого листа
В процессе контакта пара с промывочной водой (при соблюдении условия w0 > wкр), часть примесей пара переходят в промывочную воду. Количество
примесей, проходящих "транзитом" через слой промывочной воды, оценивается
коэффициентом проскока b. Общее количество примесей в паре после паропромывочного листа можно оценит как сумму примесей выносимых с проскоком и примесей выносимых из слоя промывочной воды капельной влагой. Последние могут быть определены из выражения (9.13) при подстановки в него
влажности пара, обусловленной капельным уносом из слоя промывочной воды wпр и
содержания
примесей
в
промывочной воде Cпр.в. Величина Cпр.в равна сумме примесей поступающих с питательной водой на паропромывочный лист и примесей пара задержанных барботажным слоем т.е.
Cпр.в = Cпв + (1 - b) · Cп1.
(
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 99 из20
9.16)
Значения w и wпр не столь резко отличаются друг от друга, а величина Cк существенно больше Cпр.в. В этих условиях основное влияние на загрязнение пара прошедшего паропромывочное устройство оказывает проскок капельной влаги.
При гидродинамической стабильности работы паропромывочного листа,
когда на нем устойчиво поддерживается барботажный слой, высота которого
определяется высотой перелива, значения b остаются практически неизменными и равными 0.1 - 0.15.
Суммарная величина примесей в паре прошедшего промывку Cп2 может
быть определена из выражения
Cп2 = b · Cп1 + w · Cпр.в.
(
9.17)
При одной ступени промывки пар с содержанием примесей Cп2 поступает
в жалюзийный сепаратор, конструкция которого приведена на рис. 9.15.
Рис. 9.15. Конфигурация пластин жалюзийного сепаратора
В жалюзийном сепараторе за счет гравитационных и центробежных сил,
действующих на капли влаги, происходит осушка пара. Эффективность отделения капель влаги от пара в жалюзийном сепараторе оценивается величиной hж,
которая имеет значение 0.8 - 0.85. Тогда содержание примесей в паре покидающем испаритель определится из выражения
Cд = Cп2 · (1 - hж).
(
9.18)
При двух ступенях промывки пара, вторая осуществляется в слое основного конденсата турбины. При этом количество конденсата подаваемого на
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 100 из20
дырчатый
паропромывочный
лист
составляет
не
более 4х процентов производительности испарителя. Механизм работы второго паропромывочного листа не отличается от описанного выше. Проскок влаги через
двухфазный слой для второго листа b2 имеет те же значения 0.1 - 0.15. Тогда
содержание примесей в паре перед поступлением его в жалюзийный сепаратор Cп3определится из выражения
Cп3 = b2 · Cп2 + w · Cпр.в2,
(
9.19)
где Cпр.в2 - содержание примесей в промывочной воде на втором паропромывочном листе.
Величина Cпр.в2 определяется из уравнения баланса солей в промывочном
слое. Пренебрегая величиной примесей в конденсате, подаваемом на промывку,
получим
Cпр.в2 = Cп2 · (1 - b2) · Dи/ Dк.
Содержание примесей в паре отводимом из испарителя в этом случае будет равно
Cд = Cп3 · (1 - hж).
(
9.20)
Применение двух промывок пара позволяет получать от испарителей дистиллят с содержанием примесей не более 50 мкг/кг.
5 Тепловой расчет испарителей.
Задачей теплового расчета является определение геометрических характеристик испарителя и поверхности греющей секции для обеспечения заданной
производительности(конструкторский расчет) или определение коэффициента
теплопередачи для обеспечения получения заданной производительности при
известных поверхности греющей секции и геометрических характеристиках (поверочный расчет). Во обоих случаях производительность испарителя задана и равна максимально возможной при выбранной схеме включения испарительной установки в тепловую схему блока. Как было показано выше, производительность испарительной установки определяется при принятых значениях
поверхности нагрева греющей секции испарителя и коэффициента теплопередачи в ней. Таким образом, результатом теплового расчета должно быть уточнение принятого значения коэффициента теплопередачи и определение необходимого типоразмера испарителя.
Теплообмен от греющего пара к трубкам греющей секции проходит при
изменении агрегатного состояния пара (конденсации) на поверхности трубок.
Определяющим критерием теплообмена при этом является число Рейнольдса
для пленки движущегося по стенкам трубок конденсата греющего пара (Reпл).
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Reпл = q · H/(n · r · r'),
Страница 101 из20
(
9.21)
где q - тепловой поток на внешней поверхности трубок, кДж/м2; Н высота активной части трубок, м; n - кинематическая вязкость, м2/с.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности
трубок определяется при этом в зависимости от значений Reпл из выражений: при Reпл < 100
a1 = 1.01 · l · (q/n2)1/3 · Re-1/3,
(
9.22)
при Reпл > 100
a1 = l · (q/n2) · (0.16 · Pr1/3 · Re)/(Re - 100 + 63.2 · Pr1/3)
(
9.23)
Для определения коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности
трубок следует учитывать, что внутри трубок имеет место движение воды и пароводяной смеси(в нижней части трубок на экономайзерном участке - вода, в
верхней части трубок - пароводяная смесь). Скорость движения потока внутри
трубок равна скорости циркуляции в контуре: трубки греющей секции опускная щель между корпусом испарителя и корпусом греющей секции. Схема циркуляционного контура показана на рис. 9.16. При нагреве воды заполняющей трубки греющей секции в них образуется пароводяная смесь. При выходе
из трубок пар, барбатируя через слой воды над греющей секцией, поступает в
паровое пространство, а неиспарившаяся вода, при поддержании постоянным
уровень над греющей секцией, сливается через щель между корпусом испарителя и корпусом греющей секции. В нижней части испарителя эта вода смешивается с питательной водой поступающей по опускным трубам и входит в трубки греющей секции. В нижней части трубок происходит подогрев воды до
начала парообразования (экономайзерный участок). Высота этого участка зависит от теплового потока через трубки и давления в точке закипания воды. С
учетом изложенного, расчету теплообмена от стенок трубок к кипящей воде
предшествует
расчет
скорости
циркуляции.
Определение
скорости циркуляции wц проводится путем сопоставления движущего напора, возникающего за счет разницы в значениях плотности среды в опускных и подъемных участках, и гидравлических потерь на всех участках контура циркуляции.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 102 из20
Рис. 9.16. Схема циркуляционного контура испарителя:
1 - корпус; 2 - опускные трубы; 3 - трубки греющей секции
Интенсивность теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения в существенной мере зависит от структуры течения парожидкостной
смеси, которая характеризуется значениями режимных факторов.
Область режимных факторов, в которой механизм переноса, обусловленный процессом парообразования, не влияет на интенсивность теплообмена при
кипении, определяется условием
q/(r · r'' · wц) · (r''/r')1.45 · (r/cp · Tн)0.33 ≤ 0.4 · 10-5.
(
9.24)
При соблюдении этого условия коэффициент теплоотдачи к кипящей воде определяется по формуле конвективного теплообмена при турбулентном
движении однофазной среды
Nuкип = Nuб.к. = 0.023 · Re0.8 · Pr0.37.
(
9.25)
Здесь Nuкип и Nuб.к - числа Нуссельта в процессе теплоотдачи при кипении
жидкости и в отсутствии кипения.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 103 из20
При несоблюдении условия (9.24) интенсивность теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения может быть определена по формуле
Nuкип/Nuб.к = 6150 · ((q/r · r'' · wц) · (r"/r')1.45 · (r/cp · Tн)0.33)0.7
(
9.26)
По полученным из выражений (9.26) и (9.22) или (9.23) значениям коэффициентов теплоотдачи определяется коэффициент теплопередачи в греющей
секции испарителя. Поверхность нагрева испарителя определяется из (9.4) при
известных значениях Qи и Dtи.
6 Основные показатели тепловой и общей экономичности испарительных
и паропреобразовательных установок.
Как было показано выше питательной водой испарителей поверхностного
типа является вода прошедшая обработку в осветлителе, механическую очистку
и умягчение вNa-катионитотных установках. При этом возникает необходимость в использовании реагентов для регенерации катионитотных установок и
в последующей очистки сточных вод системы регенерации и отмывки фильтров. Все это существенно повышает стоимость получаемого дистиллята и
ухудшает экологическое состояние ТЭС. В то же время, как показывают работы, проводимые под руководством проф. А.С.Седлова, система подготовки питательной воды испарителей может быть существенно изменена за счет использования
продувочной
воды
испарителей
для
регенерации Naкатионитных фильтров. Схема установки с использованием продувочных вод
показана на рис. 9.17. Исходная вода проходит последовательно обработку
в осветлителе 1, механическую очистку в фильтрах 2 и поступает в двухступенчатую Na-катионитотную установку 4. После очистки от солей жесткости вода
из расходного бака 5 поступает в деаэратор, где смешивается с продувочной
водой котлов. Из деаэратора умягченная вода поступает в испарительнуюустановку 7. (В первой опытно-промышленной установке применена пяти ступенчатая испарительная установка). Дистиллят испарительной установки используется для восполнения потерь пара и конденсата в цикле электростанции, а
продувочная вода испарителей, пройдя декарбонизатор 8, поступает в бак сбора
продувочной воды 9 и затем в реактор 10. В реакторе продувочная вода смешивается с частью отработанного регенерационного раствора катионитных фильтров и после отделения осадка поступает в бакраствора 11. Полученная
в баке 11 смесь используется для регенерации Na-катионитовых фильтров.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 104 из20
Рис. 9.17. Принципиальная схема использования продувочной воды
испарителей для регенерации катионитных фильтров:
1 - осветлитель; 2 - бак осветленной воды; 3 - механический фильтр; 4 - Naкатионитные фильтры; 5 - бак химочищенной воды; 6 - деаэратор; 7 испаритель;8 - декарбонизатор; 10 - бак-реактор; 11 - бак регенерационного раствора; 12 - бак сточных вод регенерационных вод
Реализация приведенной на рис. 9.17 схемы стала возможной только после разработки технологии приготовления регенерационного раствора. Это
обусловлено необходимостью снижения концентрации карбонат- и гидратионов, а также кремнекислых и органических соединений в продувочной воде
испарителей до уровня, при котором она может использоваться для регенерации Na-катионитовых фильтров.
Принципиальная схема переработки продувочных вод испарителей в регенерационный раствор приведена на рис. 9.18.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 105 из20
Рис. 9.18. Схема переработки продувочных вод испарителей в регенерационный раствор:
1 - бак-реактор; 2 - насос для перемешивания раствора; 3 - бак-мерник раствора
серной кислоты; 4 - насос-дозатор; 5 - осветлительный фильтр; 6 - бак концентрированногораствора; 7 - бак регенерационного раствора; 8 - бак сточных
вод; 9, 10, 12 - насосы; 11 - шламосборник
Продувочная вода испарителей с концентрацией примесей 60 100 г/л поступает в реактор 1. Туда же в расчетном количестве подаются сточные воды после регенерацииNa-катионитовых фильтров с содержанием солей
жесткости более 30 мг-экв/кг. В реакторе с помощью насоса 2 проводится интенсивное перемешивание растворов и выделение шлама. Полученный в реакторе раствор проходит осветление в фильтре 5 и поступает в бак сбора концентрированного раствора 6. При необходимости корректировки раствора в этот
же бак может подаваться серная кислота. Расчетное количество раствора
из бака 6 разбавляется технической водой до заданной концентрации
в баке 7 и насосом 12подается на регенерацию Na-катионитовых фильтров.
Технология использования продувочных вод позволяет утилизировать
до 40% сточных регенерационных вод системы водоподготовки и существенно
снизить стоимость получаемого дистиллята.
Вопросы для самоконтроля
1 В каких случаях целесообразно использовать термическое обессоливание воды?
2 Опишите устройство испарительной установки.
3 Какой пар называют вторичным?
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 106 из20
4 Опишите принцип работы испарителя мгновенного вскипания.
5 Какова цель проведения теплового расчета испарителя?
Рекомендуемые источники
1 Копылов
А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в
энергетике. - M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
2 Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. M.: Энергия, 1976. -456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.: МЭИ, 2000. 395 с.
4 Электронная энциклопедия энергетики
Модуль 4. Обессоливание и обезвреживание воды
Лекция 8. Стоки электростанций и технологии их обезвреживания
Содержание лекционного занятия
1 Водоподготовка и ее влияние на окружающую среду.
2 Сточные воды систем охлаждения.
3 Сточные воды водоподготовительных установок.
4 Стоки, загрязненные нефтепродуктами.
5 Стоки от консервации оборудования и химических очисток.
6 Обмывочные воды регенеративных воздухоподогревателей мазутных
котлов.
7 Поверхностные сточные воды.
1 Водоподготовка и ее влияние на окружающую среду.
В комплекс мероприятий по водоподготовке входит:
механическая фильтрация воды
очистка воды от органических и неорганических растворенных примесей
обезжелезивание воды
обесцвечивание воды
обеззараживание воды
умягчение воды.
Проблеме водоподготовки уделяют огромное внимание как при подаче её
в жилые дома, так и в промышленности, поскольку с каждым годом качество
воды всё более и более ухудшается, делая её совершенно непригодной для
использования без дополнительной обработки. Вода, предназначенная для
подачи в жилые дома, при отсутствии систем водоподготовки может оказаться
вредной и опасной для здоровья людей, жёсткая вода выводит из строя технику
(стиральные машины, электрочайники и т.д.) В промышленности от
надлежащей водоподготовки зависит ничуть не меньше - некачественная и
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 107 из20
неподготовленная вода может вывести из строя оборудование, спровоцировать
производственный брак, как в случаях с изготовлением пластмассы, в пищевых
производствах. При этом очень важно учитывать, что водоподготовка в
промышленности и в масштабах отдельно взятого дома требует совершенно
разного подхода, хотя бы в силу разницы в нормах, которым в итоге должно
соответствовать качество воды. Поэтому целесообразнее всего доверить
организацию водоподготовки профессионалам, которые гарантированно
качественно решат эту проблему с применением новейших методов и приёмов,
наиболее оптимальных в данном конкретном случае.
2 Сточные воды систем охлаждения.
Сточные воды прямоточных систем охлаждения, сбрасываемые после
конденсаторов
турбин, газо-, воздухо-, маслоохладителей
и
других
теплообменных аппаратов, где вода природных источников только нагревается,
но не загрязняется химическими или механическими примесями, не требует
очистки. Температура сбрасываемой воды в таких системах обычно превышает
температуру водоисточникана 8 – 10°C, вызывая его тепловое загрязнение. При
расчете сбросов подогретой воды необходимо учитывать, что расчетная летняя
температура водных объектов питьевого и культурного назначения не должна
повышаться более чем на 3°C, зимняя – на 5°C.
Для обеспечения требуемого уровня температуры воды применяют:
1) глубинные водозаборы и поверхностные выпуски;
2) брызгальные устройства над акваторией отводящих каналов;
3) увеличение кратности охлаждения конденсаторов в зимний период;
4) эжектирующие водовыпуски.
В СОО с градирнями продувочные воды являются не только
подогретыми, но и характеризуются повышенным солесодержанием. Кратность
концентрирования (kк) в таких системах подсчитывается как:
(
,
1)
где Qисп – количество испаряющейся воды; Qпрод – расход продувочной
воды; Qун – капельный унос.
Исходя из (8.1), сокращение величин продувки и капельного уноса
приводят к увеличению значения kк и росту солесодержания в системе
охлаждения . При
использовании
маломинерализованных
добавочных
вод в СОО ее продувочные воды могут быть востребованы в других
водоиспользующих системах на ТЭС. Так, нормативными документами
рекомендуется направлять продувку СОО для использования на ВПУ в том
случае, если кратность концентрирования в градирнях не превышает 1.5 при
солесодержании исходной воды менее 500 мг/дм3и значение kк = 1.2 при
солесодержании более 500 мг/дм3.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 108 из20
3 Сточные воды водоподготовительных установок.
Эксплуатация ВПУ связана с потреблением больших количеств извести,
коагулянта, регенерантов (H2SO4, NaOH, NaCl). Стоки предочистки содержат
шлам различного состава, определяемого ее типом. Основная часть регенерирующих веществ переходит в сточные регенерационные воды и является потенциальным
источником
загрязнения
природных
водных объектов (табл. 8.3). Количественные характеристики сбросных вод ВПУ
определяются при проведении технологических расчетов.
Сброс вод, содержащих такие загрязнения, даже после взаимной нейтрализации
кислых
и
щелочных
стоков
обессоливающих установок (рис. 8.2), разрешается в редких случаях, когда естественный
водоем имеет мощный дебит, способный разбавлять вредные химические вещества до значений их ПДК.
Рис. 8.2. Схема нейтрализации сточных вод обессоливающих установок:
1 – H-катионитные фильтры; 2 – анионитные фильтры; 3 –
мешалка известкового молока; 4 – перекачивающий насос; 5 – насосдозатор; 6 – промежуточный бак сбора регенерационных вод; 7 –
перекачивающий насос; 8 – бак-нейтрализатор; 9 – насос перемешивания и
сброса; 10 – охлаждающая или природная воды
Внедрение экономичных и экологичных схем ВПУ в настоящее время ведется в следующих направлениях:
1) применение противоточных фильтров в схемах ВПУ (см. гл. 4);
2) использование мембранных технологий (см. гл. 5);
3) изменение внутренних взаимосвязей различных узлов технологических
схем и применение оборудования, позволяющего снизить расходы реагентов и
воды на собственные нужды, извлекать из сточных вод ценные компоненты, т.е. создавать малоотходные схемы ВПУ.
В качестве примера, связанного с изменением внутренних взаимосвязей в
традиционных технологических схемах, рассмотрим принципиальную схе-
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 109 из20
му натрий-катионирования с
частичной
утилизацией
сточных
вод (рис. 8.3). Водопроводная вода умягчается на Na-катионитных фильтрах,
деаэрируется и направляется на подпитку теплосети. Промывочные воды фильтров
собираются в баке 6, осветляются
на
фильтре 7 и
поступают в бак 8, служащий также для сбора маломинерализованной части отмывочных вод фильтров. Из бака 8 вода используется для взрыхления рабочих фильтров, а ее избыток смешивается с исходной водой. Основная часть регенерационных сточных вод 10 собирается вбаке-кристаллизаторе 11 и подвергается содо-известковой обработке для снижения концентраций ионов Ca2+ и Mg2+.
Осветленный раствор пропускается через механический фильтр, доукрепляется
NaCl и используется повторно для регенерации катионитных фильтров. Шлам 15 из кристаллизатора подается для обезвоживания на вакуумфильтр и затем утилизируется. Внедрение приведенной схемы позволило на 60% сократить сброс в канализацию минеральных солей. К недостаткам
рассмотренной технологии следует отнести ее сложность, необходимость использования дополнительных реагентов и оборудования.
Рис. 8.3. Принципиальная схема натрий-катионирования с частичной
утилизацией сточных вод:
1 – исходная вода; 2, 3 – Na-катионитные фильтры; 4 – деаэратор; 5 –
умягченная вода в теплосеть; 6, 8 – баки; 7, 13 – осветлительные фильтры; 9 –
отмывочные воды;10, 18 – регенерационные сточные воды; 11 –
кристаллизатор; 12 – осветленный раствор; 14 –
регенерационный раствор; 15 – осадок; 16 – вакуум-фильтр; 17 –
обезвоженныйосадок; 19 – сброс в канализацию; 20 – осветленные сточные воды
4 Стоки, загрязненные нефтепродуктами.
Мазутное хозяйство, маслосистемы котлотурбинного цеха и электротехнического оборудования, гаражи являются источником попадания нефтепродуктов в сточные воды ТЭС. Обычно такие воды содержат мазут, смазочные и
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 110 из20
изоляционные
масла,
бензин
в
суммарной
концентрации
3
3
от 30 до 200 мг/дм (среднее расчетное значение 100 мг/дм ), а их количество
достигает нескольких десятков м3/ч в зависимости от типа используемого топлива и установленной мощности ТЭС.
Недостаточно очищенные нефтесодержащие сточные воды, попадая в водоемы, образуют пленку на поверхности воды, ухудшая условия аэрации, а тяжелые нефтепродукты, оседая на дно, губительно действуют на водную флору
и фауну. Поэтому на нефтепродукты установлены очень жесткие ПДК (см. табл. 1.1), так как они являются слабо окисляющимися веществами. Согласно действующим нормативам нефтесодержащие стоки ТЭС должны
очищаться и повторно использоваться в качестве исходных для ВПУ, СОО и
других систем, а уловленные нефтепродукты – сжигаться в котлах.
Очистка вод от нефтепродуктов осуществляется сочетанием комплексных
методов (рис. 8.4), позволяющим обеспечить остаточное нефтесодержание
на уровне 0.5 – 1.0 мг/дм3.
Рис. 8.4. Схема очистки вод, загрязненных нефтепродуктами:
1 – трубопровод замазученных и замасленных вод; 2 – приемный бакотстойник; 3 – нефтеловушка; 4 – промежуточный резервуар; 5 –
эжектор насыщений воды воздухом;6 – насос; 7 – напорный бак; 8 –
флотатор; 9 – промежуточный резервуар; 10 – ячейка коагулянта; 11 –
насос перекачки коагулянта; 12 – осветлительный фильтр коагулянта;13 – бакмерник коагулянта; 14 – насос-дозатор коагулянта; 15 – насос подачи воды на
фильтр; 16 – двухслойный осветлительный фильтр; 17 –
фильтр активированного угля;18 – резервуар очищенной воды; 19 –
насос очищенной воды; 20 – емкость сбора осадка; 21 – емкость сбора уловленных нефтепродуктов; 22 – насос подачи уловленных нефтепродуктов на
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 111 из20
сжигание; 23 – насос подачи осадка в накопители; 24 – трубопровод очищенной
воды на повторное использование; 25 – трубопровод сбора промывочных вод
фильтров; 26 – трубопровод промывки фильтрующих материалов
Среди многочисленных элементов комплексной схемы очистки от нефтепродуктов ранее не были рассмотрены принципы действия нефтеловушек и
флотаторов. В основу нефтеловушки (рис. 8.5) положен принцип отстаивания,
реализуемый под действием разности плотностей воды и нефтепродуктов.
Сточная вода подается в приемную камеру и, пройдя под полупогруженной перегородкой, попадает в отстойную камеру, где и происходит процесс разделения эмульсии. Очищенная вода, пройдя под второй полупогруженной перегородкой, выводится из нефтеловушки, а частицы нефтепродуктов, всплывшие на
поверхность воды, образуют пленку, которая перемещается специальным движущимся скребковым устройством к нефтесборным щелевым трубам.
Рис. 8.5. Схема нефтеловушки:
1 – сточная вода; 2 – приемная камера; 3 – отстойная зона; 4 – очищенная вода; 5 – вертикальные полупогруженные перегородки; 6 –
нефтесборные щелевые трубы; 7 – пленкавсплывших нефтепродуктов
Флотационная очистка воды заключается в образовании комплексов, состоящих из частиц нефтепролуктов и пузырьков воздуха, которыми предварительно насыщают обрабатываемую воду, реализуя принцип напорной флотации. При этом скорость всплытия комплекса превышает на два-три порядка
скорость всплытия капли масла. При напорной флотации (рис. 8.6) воздух растворяется в воде под избыточным давлением до 0.5 МПа, для чего он подается
в трубопровод перед насосом (обычно с помощьюэжектора), а затем водовоздушная смесь в течение 8 - 10 мин находится в специальной напорной емкости,
откуда направляется во флотатор. Во флотаторе происходит снижение давления, образование пузырьков воздуха и собственно флотационный процесс разделения воды и примеси. На ТЭС используются горизонтальные многокамерные и радиальные флотаторы, в которые для повышения эффективности очистки может вводиться раствор коагулянта.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 112 из20
Рис. 8.6. Схема установки для напорной флотации:
1 – вход воды; 2 – приемный резервуар; 3 – всасывающая труба; 4 –
воздухопровод; 5 – насос; 6 – флотационная камера; 7 – пеносборник; 8 – отвод
очищенной воды;9 – напорная емкость
При небольших концентрациях нефтепродуктов на уровне 10 –
20 мг/дм3 в комплексной схеме очистки могут отсутствовать некоторые элементы, например, крупногабаритные нефтеловушка и флотатор.
5 Стоки от консервации оборудования и химических очисток.
Химическая очистка котлов и другого теплоэнергетического оборудования производится с помощью растворов неорганических (соляная, серная) и органических (лимонная,щавелевая, фталиевая и др.) кислот, содержащих различные ингибиторы, а также комплексонов (трилон Б и др.), композий на основе
комплексонов
и
с
применением
поверхностно-активных
ве3
ществ (октадециламин и др.), используемых в концентрациях 1 – 50 г/дм . При
пассивации и консервации оборудования могут быть использованы аммиак,
гидразин, октадециламин, трилон Б и др. Отработанные растворы помимо основных веществ содержат также соли и оксиды железа, меди, цинка; ионы
кальция и магния и другие компоненты. Из этого перечня видно, что состав
сбросных растворов весьма сложный, содержит вредные химические вещества,
что не допускает их сброса в природные водоемы. Технология очистки вод такого типа предусматривает их реагентную нейтрализацию, использование
окислителей, бассейна-отстойника для осаждения оксидов и гидроксидов тяжелых металлов (рис. 8.7). Заканчивается обезвреживание стоков биохимическим
разрушением остаточных органических соединений.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 113 из20
Рис. 8.7. Принципиальная схема нейтрализации и обезвреживания
вод от химических очисток оборудования:
1 – сброс отработанных растворов; 2 – бак-нейтрализатор; 3 –
насос рециркуляции; 4 – подача сжатого воздуха; 5 – мешалка; 6 –
насос подачи окислителя; 7 – вводреагентов; 8 – насос перекачки; 9 –
сброс обезвреженных и нейтрализованных вод; 10 – накопительотстойник отработанных вод
В последние годы успешно реализована попытка отказа от применения
химических реагентов при очистках и консервации теплоэнергетического оборудования путем использования пароводокислородного метода очистки и пассивации.
6 Обмывочные воды регенеративных воздухоподогревателей мазутных
котлов.
При сжигании в котлах сернистых мазутов на хвостовых поверхностях
нагрева оседают зола, содержащая сульфаты ванадия, железа, никеля и меди.
При обмывке РВП эти соединения переходят в раствор, который содержит также свободную серную кислоту концентрацией около 0.5%. Для нейтрализации
обмывочных вод РВП и извлечения ванадийсодержащего шлама разработана
технология, схема и оборудование которой приведены на рис. 8.8. В бакенейтрализаторе (6) собранные воды подвергаются последовательной двух стадийной нейтрализации.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 114 из20
Рис. 8.8. Схема обезвреживания обмывочных вод РВП:
1 – бак сбора очищенных обмывочных вод; 2, 7 – насос; 3 – РВП или конвективные поверхности нагрева котла; 4 – подземный бак сбора обмывочных
вод; 5 – погружной насос;6 – бак-нейтрализатор; 8 – фильтр-пресс; 9 – бункернакопитель осадка; 10 – мешок со шламом; 11 – конвейер; 12 –
мешкозашивочная машина
На первой стадии нейтрализации обмывочных вод используется щелочь
для создания pH 4.5 – 5.5. При таком pH ванадий в виде пятивалентного оксида
и гидроксид трехвалентного железа выпадают в осадок, а ионы меди и никеля
остаются в растворе. Раствор с осадком V2O5 отфильтровывается на фильтрпрессе. Фильтрат возвращается вбак-нейтрализатор для проведения второй стадии нейтрализации, а обезвоженный осадок из фильтра (8) попадает в бункернакопитель, из него в мешок на конвейере, далее мешок зашивается и отгружается на металлургические заводы для извлечения ценного ванадиевого сырья.
Использование традиционного нейтрализующего вещества Ca(OH)2 на первый
стадии привело бы к тому, что ванадиевый осадок, содержащийся в небольших
количествах, был бы сильно загрязнен гипсом (CaSO4 · 2H2O), что затрудняет
выделение ванадия при переработке шлама на металлургических предприятиях.
На второй стадии нейтрализации в бак добавляется известковое молоко и
значение pH повышают до 9.5 – 10 единиц. На этом этапе нейтрализации в осадок выпадают гидроксиды никеля, меди, двухвалентного железа и сульфат
кальция, которые отделяются от раствора при фильтровании. Осветленная вода
повторно используется для обмывки конвективных поверхностей нагрева, причем повышенное значение pH обмывочной воды способствует уменьшению
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 115 из20
коррозии обмывочного тракта. Маловодный шлам после фильтра подвергается
захоронению.
7 Поверхностные сточные воды.
Качественный состав поверхностного стока электростанций определяется
интенсивностью и количеством выпадающих дождей, частотой мойки дорожных покрытий и поливочных работ, способами уборки снега. Поверхностный
сток может содержать почти все компоненты, находящиеся в производственных сточных водах, однако основными загрязняющими примесями являются
ГДП размером до 40 мкм, песок с частицами от 0.1 до 3 мм и нефтепродукты.
В целях уменьшения выноса загрязняющих веществ с поверхностным
стоком необходимо иметь самостоятельную систему сбора и отведения таких
стоков, которая не имела бы связи с другими системами водоотведения до
очистки поверхностного стока. Кроме того, необходимо предусматривать организационные мероприятия, связанные с упорядочением складирования и хранения нефтепродуктов и других реагентов; установкой бордюров, исключающих смыв грунта во время ливневых дождей; регулярной уборкой территории и
ремонтом дорожных покрытий и т.п. В качестве систем очистки поверхностных
стоков на ТЭС могут быть использованы отстойники с устройствами удаления
осадка, дополненные фильтрами с загрузкой антрацитом или активированным
углем. Очищенная вода может подаваться в СОО или на другие технологические нужды вместо природной. К сожалению, схемы сбора, очистки и использования поверхностного стока реализованы лишь на нескольких ТЭС, хотя использование таких стоков в масштабах отрасли может дать экономию десятков млн. м3 свежей воды в год.
Вопросы для самоконтроля
1 Какие воды называют сточными?
2 Какие примеси преобладают в составе сточных вод систем охлажде-
ния?
3 Какие примеси преобладают в составе сточных вод водоподготови-
гельных установок?
4 Какое влияние оказывают нефтепродукты на биосферу?
5 Какие реагенты применяют для консервации котлов?
6 Перечислите современные методы очистки сточных вод.
Рекомендуемые источники
1 Копылов А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
- M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 116 из20
2 Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. -
M.: Энергия, 1976.-456 с.
3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электростанции - M.: МЭИ, 2000. 395 с.
4 Электронная энциклопедия энергетики.
УМКД 042-18-6.1.36/03-2014
Ред. № 1 от «__» _________ 2014 г.
Страница 117 из20
3 ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Практические и лабораторные занятия - одна из форм учебного занятия,
направленная на развитие самостоятельности студентов и приобретение
умений и навыков.
Практические и лабораторные занятия должны способствовать углубленному изучению наиболее сложных вопросов дисциплины и служат основной
формой подведения итогов самостоятельной работы студентов. Именно на этих
занятиях студенты учатся грамотно излагать проблемы и свободно высказывать
свои мысли и суждения, рассматривают ситуации, способствующие развитию
профессиональной компетентности. Всё это помогает приобрести навыки и
умения, необходимые современному специалисту.
Модуль 1. Показатели качества воды
Практическое занятие 1. Показатели качества воды
Цель занятия. Усвоить методику определения показателей качества воды.
Контрольные вопросы
1
2
3
4
5
6
Что называют общей щелочностью?
Присутствием каких ионов обуславливается гидратная щелочность?
Присутствием каких ионов обуславливается карбонатная щелочность?
Как классифицируют жесткость воды?
Что называют минеральным остатком?
Как определяют некарбонатную жесткость?
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
по вариантам.
Методические рекомендации
При изучении темы студент должен научиться определять показатели качества воды. Таким важнейшим показателям, как жесткость и щелочность, необходимо уделить особое внимание.
Рекомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков
энергетике. - M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
В.Ф. Водоподготовка в
УМКД 042-14-1-05.1.20.26/03-2010
Ред. № 1 от «30» сентября 2010
Страница 118 из 77
Модуль 2. Очистка контурной воды
Практическое занятие 2. Реагентная обработка воды
Цель занятия. Усвоить методику расчета процессов коагуляции, известкования и содоизвесткования.
Контрольные вопросы
1
2
3
4
5
Как из воды удаляют грубодисперсные примеси?
Опишите механизм процесса коагуляции?
Что называют мицеллами?
Как температура влияет на процесс коагуляции?
Какие реагенты применяются для осаждения?
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
по вариантам.
Методические рекомендации
При выполнении задания необходимо обратить внимание на определении
жесткости воды. Также следует вспомнить определение и расчет щелочности
воды из лабораторной работы №1.
Рекомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
- M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
Модуль 2. Очистка контурной воды
Практическое занятие 3. Дозирование растворов реагентов
Цель занятия. Усвоить методику расчета дозаторов и насосов-дозаторов.
Контрольные вопросы
1
2
3
В каком виде применяется известь, используемая для осаждения?
Какие виды дозаторов существуют?
Опишите принцип работы безнапорного шайбового дозатора.
УМКД 042-14-1-05.1.20.26/03-2010
5
Ред. № 1 от «30» сентября 2010
Страница 119 из 77
Опишите устройство плунжерного насоса-дозатора.
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
по вариантам.
Методические рекомендации
При изучении темы студент должен ознакомиться с многообразием существующих дозаторов. Необходимо знать принцип действия и сферу применения
каждого из них.
Рекомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков
В.Ф. Водоподготовка в
энергетике. - M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
Модуль 2. Очистка контурной воды
Практическое занятие 4. Обработка воды методом ионного обмена
Цель занятия. Усвоить методику расчета процессов
катионирования, водород-катнонирования и обессоливания воды.
натрий-
Контрольные вопросы
На чем основан механизм ионного обмена?
Что такое критический диаметр?
Что называют катионитом?
Для чего проводится взрыхление?
5 Что называется коэффициентом набухания ионита?
1
2
3
4
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
по вариантам.
Методические рекомендации
При изучении темы студент должен понять механизм процесса ионного
обмена. Ионитные фильтры являются основной стадией водоподготовки на
УМКД 042-14-1-05.1.20.26/03-2010
Ред. № 1 от «30» сентября 2010
Страница 120 из 77
ТЭС, поэтому нужно знать их конструкцию и уметь рассчитывать процессы,
происходящие в них.
Рекомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
- M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
Модуль 2. Очистка контурной воды
Практическое занятие 5. Осветление воды фильтрованием
Цель занятия. Усвоить методику расчета процессов фильтрования.
Контрольные вопросы
1 В каких случаях целесообразно производить осветление воды методом фильтрования?
2 Почему возникают потери напора в фильтре?
3 Как влияет размер зерен фильтрующего материала на потери напора?
4 Что понимают под грязеемкостью фильтра?
5 Какие требования, предъявляются к фильтрующим материалам?
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
по вариантам.
Методические рекомендации
При изучении темы студент должен усвоить механизм процесса осветления с использованием фильтров. Существует большое многообразие конструкций фильтров и фильтрующих материалов, но необходимо знать базовые понятие, относящиеся к каждому из них.
Рекомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
- М.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
УМКД 042-14-1-05.1.20.26/03-2010
Ред. № 1 от «30» сентября 2010
Страница 121 из 77
Модуль 3. Обработка контурной и циркуляционной воды
Практическое занятие 6. Удаление газов из воды
Цель занятия. Усвоить методику расчета деаэраторов и декарбонизаторов.
Контрольные вопросы
Что называют деаэратором?
На чем основан метод термической деаэрации?
Какие деаэраторы называют атмосферными?
4 В каких аппаратах применяются кольца Рашига?
5 В чем преимущества и недостатки декарбонизаторов с деревянной
хордовой насадкой?
1
2
3
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
по вариантам.
Методические рекомендации
При изучении темы студент должен понять влияние основных газов, присутствующих в природной воде на основное и вспомогательное оборудование
электростанции. Необходимо разобраться с методами удаления коррозионноагрессивных газов из воды.
Рекомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
- M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
Модуль 3. Обработка контурной и циркуляционной воды
Практическое занятие 7. Обработка воды в системах оборотного водоснабжения
Цель занятия. Усвоить методику расчета процессов подкисления, фосфатирования и рекарбонизации циркуляционной воды.
Контрольные вопросы
УМКД 042-14-1-05.1.20.26/03-2010
Ред. № 1 от «30» сентября 2010
Страница 122 из 77
1 Перечислите методы обработки воды в системах оборотного водоснабжения.
2 Для чег о осуществляется подкисление циркуляционной воды?
3 Когда используют фосфатирование воды?
4 Как производится расчет необходимого количества фосфатов?
5 Какие газы используют для процесса рекарбонизации?
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
по вариантам.
Методические рекомендации
При изучении темы студент должен понять важность охлаждающей воды
для бесперебойной и надежной работы электростанции. Необходимо усвоить
методы обработки циркуляционной воды для поддержания показателей качества в допустимых пределах.
Рекомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.M., Очков В.Ф. Водоподготовка в
энергетике. - M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
Модуль 4. Обессоливание и обезвреживание воды
Практическое занятие 8. Термическая водоподготовка
Цель занятия. Усвоить методику расчета качества пара и теплового расчет испарителей.
Контрольные вопросы
1 Опишите устройство испарителя кипящего типа.
2 Какой пар называют греющим?
3 Как определить количество пара, необходимое для обессоливания?
4 Как рассчитывают теплообменную поверхность испарителя?
Задачи
Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами
но вариантам.
УМКД 042-14-1-05.1.20.26/03-2010
Ред. № 1 от «30» сентября 2010
Страница 123 из 77
Методические рекомендации
При изучении темы студент должен разобраться с физико-химическими
основами процесса дистилляции. Необходимо знать устройство испарительных
и паропреобразовательных установок и способы их включения в тепловую схему электростанций.
Peкомендуемые источники
1 Электронная энциклопедия энергетики
2 Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.
- M.: Издательство МЭИ, 2006. - 309 с.
Модуль 1. Показатели качества воды
Лабораторная работа 1. Определение общей щелочности воды и
отдельных форм щелочности
Цель занятия: Практическое освоение методики аналитического контроля общей щелочности воды и отдельных форм щелочности.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты лабораторной работы приводятся в методических указаниях к работе.
Модуль 1. Показатели качества воды
Лабораторная работа 2. Определение жесткости воды
Цель занятия: Практическое освоение методики аналитического контроля общей, кальциевой и магниевой жесткости.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты лабораторной работы приводятся в методических указаниях к работе.
Модуль 2. Очистка контурной воды
Лабораторная работа 3. Удаление из воды коллоидных примесей
методом коагуляции
Цель занятия-. Приобретение навыков обработки воды методом коагуляции; практическое освоение методики удаления коллоидных примесей из воды.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты лабораторной работы приводятся в методических указаниях к работе.
УМКД 042-14-1-05.1.20.26/03-2010
Ред. № 1 от «30» сентября 2010
Страница 124 из 77
Модуль 2. Очистка контурной воды
Лабораторная работа 4. Определение активности ионов водорода
(значения рН) воды
Цель занятия: Практическое освоение методики определения реакции воды (кислая, нейтральная, щелочная).
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты лабораторной работы приводятся в методических указаниях к работе.
Модуль 2. Очистка контурной воды
Лабораторная работа 5. Умягчение воды методом катонного обмена
Цель занятия: Практическое освоение метода получения умягченной воды; приобретение навыков работы с Н-катионитными и Nа-катионитными
фильтрами.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты лабораторной работы приводятся в методических указаниях к работе.
4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА
При кредитной системе обучения предъявляются высокие требования к
повышению качества организации самостоятельной работы студента, которая
включает выполнение различных домашних заданий.
Самостоятельная работа студента под руководством преподавателя - одна
из форм учебной работы при кредитной системе обучения, которая проводится
в виде аудиторного занятия в диалоговом режиме, а также в виде консультаций
во внеаудиторное время.