Лекции / Лекция 9 Расчет

Лекция 9 Расчет ионитных фильтров Расчет Na-катионитных фильтров

Полная рабочая динамическая обменная емкость (ДОЕ) всего слоя катионита

Если Е_р разделить на объем катионита в фильтре w^kf, получим

-5

рабочую удельную динамическую обменную емкость е_р, г-экв/м :

Из этого равенства можно определить межрегенерационный период работы фильтра Т, ч:

где Ж_ив — жесткость исходной воды, мг-экв/л; f — площадь сечения

л

фильтра, м ; у_к — скорость фильтрования воды, м/ч; k — высота слоя ка­тионита в фильтре, м.

На практике по разным причинам работающая зона в большей или меньшей мере может искривляться. Неиспользованная ДОЕ Де равна при­мерно:

и, следовательно, степень использования ДОЕ катионита, находящегося в фильтре, n будет равна:

Таким образом, ухудшение гидродинамической характеристики слоя катионита (местные уплотнения, комкование ионита, засорение распреду- стройства и т. п.) обусловливает снижение степени использования ДОЕ. В нормально работающем фильтре n>=85%.

Высота работающей зоны ^р._з м, существенно влияет на значение n.

Для сульфоугля она может быть определена по формуле:

йр.з=4 • 10-^гГкй^к ■ 2,3 lg Жн.в,

где d_к — диаметр зерна катионита, мм; и_к — скорость фильтрования, м/ч; Ж_ив— жесткость исходной воды, мг-экв/л.

Если в катионитный фильтр загружено hf ионита с обменной емко-

-5

стью е_р, то фильтр может умягчить воды, м /ч:

Необходимая площадь фильтрования катионитных фильтров, м, оп­ределяется выражением

24Q₆._K

^к % (24 — n_Kt_K) >

где Q₆.k — производительность установки по исходной воде (брутто),

-5

м /ч; п_к — количество регенераций в сутки; ?_к— время простоя фильтров в регенерации, ч; у_к — скорость фильтрования, м/ч. В свою очередь

где Q_HK — производительность установки по обработанной воде (нетто),

3 3

м /ч; д_с._н — расход воды на регенерацию фильтров, м /ч.

Количество регенераций может быть определено и другим способом, а именно:

о

где w_R — количество загруженного в фильтры катиони-та, м .

Необходимое количество работающих фильтров т_к, зная F_R, можно найти по формуле

Лс _

0

?к

,785d⁴ tr_K-0_f785ti^a

-5

где д_к — производительность одного фильтра, м /ч;

Устанавливаемое количество фильтров т_к._у будет больше т_к (при К

1):

т_к.₇~т_к+х+1,

где х — количество фильтров, равное числу регенерируемых; 1— дополнительный фильтр, устанавливаемый для замены выводимого в ре­монт.

Значение х может быть определено по формуле (5-8).

Диаметр устанавливаемых фильтров следует принимать с учетом единичной производительности выбранного типоразмера и из условия х=0, при котором количество фильтров, находящихся в одновременной ре-

(6.13)

генерации, равно одному. Это условие для практики весьма удобно и же­лательно. Поэтому, положив его в основу определяем диаметр фильтров по формуле:

И | f Fytv

0,785(Г-М_К) ‘

В

где

этом случае возможное количество устанавливаемых фильтров будет равно: (6.14)

(6.15)

Расход соли g_c, кг, на регенерацию одного фильтра определяется по формуле

(6.16)

где Y_c — удельный расход соли, г/г-экв.

Для вод с солесодержанием, не более 800 мг/л Y^= 180 г/г-экв. Од­нако, используя противоточный способ регенераций, можно существенно снизить Y^

Таблица 5-1

3 3

Удельный расход воды на собственные нужды ионитов, м /м , при обработке природных вод

Наименование ионита

41

42

Общий, расход

Аниониты типа АВ-17-8	2,5	12	14,5
Сульфоуголь для Н2	1.1	10	11,1
КУ-2 для Н2	1,0	12	13
Слабоосновные аниониты типа АН- 31	1,8	20	21,8
Сульфоуголь для Н1	1,5	5	6,5
КУ-2 для H1	4	6,5	10,5
Сульфоуголь для Na1	0.7	4,0	4,7
Сульфоуголь для Na2	0,5	6	6,5
КУ-2 для Na1	1,7	6,0	7,7
КУ-2 для Na2	1,1	8	9,1
Сульфоуголь при «голодной» реге­нерации	0,7	5	5,7

Примечание. Н₁, Н₂, Na1, Na₂, — соответственно водородно-катионитные и натрий-катионнтные фильтры первой и второй ступени.

Расход воды на приготовление регенерационного раствора соли q₁

3 3

м /м катионита, и отмывку катионита от продуктов регенерации q₂ опре­деляется по данным табл. 6-1.

Полный расход воды на регенерацию q₀ будет составлять:

3/. .3.

где q₃ — расход воды на взрыхление, м /м

где у_вз — скорость взрыхления, м/ч (см. пример 6-6).

З ная q₀, можно определить и значения собственных нужд натрий- катионитного фильтра в процентах от количества фильтрата

(6.17)

Расчет Н-катионитных фильтров

Процесс водород-катионирования занимает весьма важное место в технологии обработки воды. Он позволяет разрушить анион НСО₃^- и уда­лить из воды значительную часть CO₂ в цикле водообрабатывающей уста­новки. Благодаря ему становится возможным более или менее полно уда­лять из обрабатываемой воды растворенные ионы и получать обессолен­ную воду. При водород-катионировании катионит «заряжают» ионом во­дорода путем регенерации его кислотой. При последующем фильтровании через него воды в слое катионита протекают реакции:

2HR -f Са~(НС0₃)₂'—>• CaR₂ + 2СО_г + 2Н₂0;

2HR + Mg (НССу₂ — MgR₂ + 2СО_г+ 2Н_аО;

в результате которых катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na+ обрабатываемой воды заме­няются водородом.

Если катионит отрегенерировать недостаточным количеством ки­слоты, то могут произойти только первые две реакции, ведущие к разру­шению щелочного иона НСО₃^-. Такой процесс, именуемый «голодной ре­генерацией» или «щелочным Н-катионированием», в действительности и используется для понижения щелочности исходной воды. При достаточ­ном количестве кислоты все катионы заменяются водородом, вода делает­ся кислой, непригодной для питания паровых котлов. Поэтому водород- катионирование обычно применяется совместно с натрий- катионированием или анионированием в обессоливающих установках.

Рис. 4.3. График работы водород-катионитного фильтра

При полной регенерации катионита кислотой работа водородного фильтра первой ступени будет характеризоваться примерным графиком рис. 4.3. В момент включения фильтра в работу в точке а кислотность фильтрата становится равной

^Кс ^=СБО42- + ^CCl- + ^CNO3-

В точке б значение К_с уменьшается, что свидетельствует о недос­татке в катионите иона водорода. В точке в К_с=0 и начинается вытеснение из фильтра ионов Na+. Однако жесткость фильтрата по-прежнему остается в норме и низкой. От точки в до г происходит увеличение щелочности во­ды до исходного значения Щ₀. Выработанное за этот период количество воды характеризуется некоторым значением средней щелочности Щ_ср. Если продолжать эксплуатацию фильтра дальше, то в точке д жесткость фильтрата начнет увеличиваться. Это означает, что почти все катионы Na+ из катионита вытеснены и в фильтрат начинает вытесняться магний. В нормальном случае при полном водород-катионировании фильтр выклю­чают на регенерацию в точке б, так как целью работы фильтра в этом слу­чае является полная замена всех катионов обрабатываемой воды ионами водорода. При работе водород-катионитного фильтра в режиме «голодной регенерации» результат катионирования будет иным.

Рис. 4.4. Н-катионитный фильтр при нормальной (а) и «голодной» (б) регенерации.

На рис. 4.4 изображены схематично в разрезе два фильтра, один из кото­рых (рис. 4.4,б) отрегенерирован недостаточным («голодным») количест­вом кислоты. Ввиду этого в нем появляются как бы два слоя: водород- катионита высотой k_R и неотрегенерированного кальций-магний- катионита высотой k_Ca. В водородном слое происходит поглощение всех катионов

где К_т — сумма катионов.

Взамен их появляются катионы водорода, но уже в меньшем количе­стве, чем К_т, так как часть ионов Н+ расходуется на нейтрализацию ионов НСОз‘:

Количество таких ионов Н+ равно ДЩ=Щ_и._в—Щ_ост, мг-экв/л, где

В

Щ_ост — средняя щелочность обработанной воды. Следовательно, ионов водорода возникает

J-+ XT +

слое к_Са они обмениваются на Са²+, Mg²+, Na+ и, таким образом,

Са р ’

откуда

где д'_к — количество обработанной за фильтроцикл воды, м³; е^н_р —

-э

средняя обменная емкость катионита по водороду, г-экв/м .

С другой стороны, условный водородный слой катионита И_я должен

"5

также обработать q'^ м , воды, т. е.

и

где е_ср — средняя обменная емкость по Са²+, Na+.

Приравняв уравнения и решив равенство относительно к_н, найдем

при подстановке h_Ca=h₀h и Ъ1=е^н_р/е_ср. Зная к_я, можно найти необхо­димое для регенерации количество кислоты, кг:

где а —корректирующий коэффициент, определяемый экспериментально; у_к — удельный расход кислоты, принимается 49 г/г-экв.

Водород-катионирование (не «голодный» режим) применяется обычно в сочетании с натрий-катионированием. В этом случае кислая вода водород-катионитных фильтров нейтрализуется щелочной водой Na- катионитных фильтров.