Термический метод очистки воды

Это главным образом зернистые «сыпучие» материалы. Основным требованием, которое предъявляется к таким материалам - их устойчивость в обрабатываемой воде. Материал не должен загрязнять воду, поскольку любое даже незначительное загрязнение ее обязательно приведет к увеличению стоимости водоочистки. Фильтрующий материал также должен быть дешев и легко доступен.

Фильтрующие материалы

В качестве фильтрующих материалов на котельных и ТЭС в основном используется кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, катионит КУ-2, целлюлоза, перлит и т.д. В настоящее время предложены и испытаны новые фильтрующие материалы, обладающие повышенной емкостью поглощения и эффективностью очистки воды: керамзит, вулканические шлаки, горелые породы, шунгизит и др.

Однако из всех упомянутых фильтрующих материалов наибольшее распространение в производстве добавочной воды на ТЭС и АЭС получил антрацит. Он достаточно дешев, а главное химически стоек. При контакте частиц антрацита с фильтруемой водой увеличение концентрации в ней кремниевой кислоты не превышает примерно 2 мг /дм³ Н₂О, окисляемости не более 8 мг О₂/дм³ Н₂О; сухого остатка не более 10 мг/дм³. Механическая прочность антрацита такова, что годовые потери его не превышают 2,5 %

В технологических схемах очистки конденсата используют чаще всего сульфоуголь или катионит КУ-2.

Осветлительные фильтры можно классифицировать по следующим признакам: фракционному составу фильтрующего материала – насыпные и намывные; давлению – открытые и напорные; количеству фильтрующих слоев – однослойные и многослойные; числу параллельно работающих камер – однокамерные и многокамерные; способу фильтрования – однопоточные и двухпоточные.

Режим эксплуатации механических адгезионных фильтров заключается в обеспечении постоянства расхода воды, своевременном отключении на промывку и промывке. В эксплуатационных условиях фильтр часто отключают по достижении определенного перепада давления (примерно 0,2 МПа). Промывку фильтра от удержанной примеси ведут в течение 20 мин в направлении противоположном направлению воды. При промывке слой расширяется на 30–50 % и вследствие трения зерен между собой освобождается от удержанной примеси, которая с потоком воды выбрасывается из фильтра. Промывочную воду направляют в осветлители.

Обессоливание воды (2 стадия очистки)

Рассмотрим три метода обессоливания воды:

- ионитный;

- термический (дистилляция);

- мембранный (электродиализ, обратный осмос).

Физико-химические основы ионного обмена

Сущность ионного обмена заключается в использовании способности некоторых специальных материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав примесей воды. Процесс ионного обмена существенно отличается от процесса адсорбции тем, что если при адсорбции происходит лишь накопление вещества, сорбируемого из раствора на поверхности какого-либо материала, то при ионном обмене сорбция из раствора ионов одного вида обязательно сопровождается переходом ранее сорбированных ионов другого вида в раствор. Таким образом, при ионном обмене ионы одного вида заменяются ионами другого вида.

Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твердой основы (матрицы), на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, т.е. к возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твердой фазы создается диффузный слой из противоположно заряженных ионов (противоионов).

Таким образом, ионит можно представить как твердый электролит, неподвижная часть которого представляет одну его часть, а подвижные противоионы – другую .

Реакции ионного обмена подчиняются правилам, характерным для реакций обычных электролитов, в частности правилам эквивалентности обмена ионов и обратимости этого процесса. Кроме того, при ионном обмене большое значение имеют селективность и скорость установления ионообменного равновесия.

Эквивалентность обмена ионов заключается в том, что понижение концентрации какого-либо иона в растворе в результате протекания ионообменного процесса вызывает эквивалентное повышение концентрации другого иона, поступающего в раствор из ионита. Кажущиеся отступления от этого закона в некоторых случаях объясняются вторичными реакциями, в которые вступают переходящие в раствор ионы. Так, например, если в результате обмена ионов в раствор попадают ионы Н⁺, то они могут реагировать с ионами с образованием СО₂. При этом концентрация ионов Н⁺ в растворе понижается, и создается впечатление неэквивалентности обмена ионов.

Обратимость процесса обмена ионов является одной из важнейших закономерностей, позволяющих экономично использовать ионообменный материал в технологических схемах. Преимущественное направление реакции ионного обмена определяется согласно закону действующих веществ. При истощении ионита можно, повысив в растворе концентрацию первоначальных обменных ионов, сдвинуть реакцию ионного обмена в направлении восстановления ионита в исходное состояние, т. е. произвести регенерацию ионита.

Способность ионита к преимущественной сорбции одних видов ионов по сравнению с другими называется селективностью.

Ионообменные материалы и их характеристики

Все известные ионообменные материалы по химическому составу можно разделить на две группы: минеральные и органические. Минеральные иониты практически не применяются на ТЭС из-за малой емкости поглощения и способности к разложению в кислой среде с выделением кремниевой кислоты.

В настоящее время на ТЭС в основном находят применение лишь специально синтезированные иониты органического происхождения (например, сульфоуголь).

Качество ионитов определяется рядом физико-химических и технологических свойств, важнейшими из которых являются фракционный состав, насыпная плотность, химическая стойкость, механическая прочность, обменная емкость, кислотность или основность.

В технологии ионного обмена применяются иониты с диаметром зерен 0,3–2 мм. Во влажном состоянии иониты набухают и увеличивают свой объем, что следует учитывать при заполнении фильтров. Степень набухания определяется коэффициентом К_Н, значение которого зависит от материала ионита, ионной формы, рН и других факторов и составляет 1,05–2.

При эксплуатации иониты подвергаются механическим нагрузкам (сдавливанию, трению), поэтому они частично истираются, повышается концентрация мелких частиц и, как следствие этого, возрастает гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя. Поэтому к ионитам предъявляется требование достаточной механической прочности, которое задается через коэффициент истираемости, определяемый как потеря массы в процентах за год.

Химическая стойкость ионитов выражается в их способности противостоять растворяющему действию воды и ее примесей. Под действием среды может также происходить пептизация ионитов, т. е. переход их в коллоидный раствор. Химическая стойкость ионитов зависит от рН среды, природы и концентрации растворенных в ней ионов и, что особенно важно, от температуры, с повышением которой стойкость снижается. Это обстоятельство является основным препятствием, не позволяющим повышать температуру на ионообменных фильтрах свыше 313 К.

Обменная емкость является важнейшей технологической характеристикой ионитов. Она выражается количеством ионов, поглощенных единицей массы
(моль/г) или единицей объема (моль/дм³) ионита. Различают полную обменную емкость, емкость «до проскока» и рабочую. Обменная емкость, определенная в момент выравнивания концентрации поглощаемого иона в воде и фильтрате, называется полной. Если фильтрование заканчивается в момент проскока поглощаемого иона (концентрация его в фильтрате близка к нулевой), то обменная емкость ионита определяется как емкость «до проскока».

Процесс ионного обмена имеет циклический характер. По истощении ионита требуется восстановление его обменной способности – регенерация, при которой используется обратимость процесса обмена ионов. Для этого через истощенный слой ионита пропускается регенерационный раствор, содержащий первоначальные обменные ионы.

Технология ионного обмена

В технологии водоподготовки для удаления определенных ионов из воды применяют два процесса: катионирование – удаление катионов и анионирование – удаление анионов. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты получают названия: Н-катионирование, Н-катионный фильтр; ОН-анионирование, ОН‑анионный фильтр и т.п. Соответственно называется и фильтрат, полученный в этих процесах: Н-катионированная вода; ОН-анионированная вода и т.п. Процессы катионирования воды могут иметь вполне самостоятельное значение (для умягчения воды), в то время как процессы анионирования применяются лишь в комплексе с катионированием (в схемах обессоливания воды). Процессы ионирования осуществляют в различных аппаратах, но наибольшее распространение получили насыпные ионитные фильтры.

Na-катионирование. Этот процесс применяется для умягчения воды и имеет самостоятельное значение при подготовке воды малой щелочности для котлов низкого давления и подпитки воды теплосетей. При Na-катионировании воду пропускают через слой катионита, находящегося в исходном состоянии в Na-форме. При этом процессе происходит удаление из воды ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в обмен на эквивалентное количество ионов Na⁺, согласно следующим реакциям:

2R/Na⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Na⁺;

2R/Na⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺,

где R обозначает комплекс матрицы и функциональной группы без обменного иона (его принято считать одновалентным).

Из приведенных реакций видно, что анионный состав воды при
Na-катионировании остается постоянным, поэтому и суммарная концентрация катионов, участвующих в этом процессе, также остается постоянной. Однако массовая концентрация катионов в растворе несколько возрастает, поскольку эквивалентная масса иона натрия выше эквивалентных масс ионов кальция и магния. Так, при обмене ионов Са²⁺ на ионы Na⁺ солесодержание воды возрастает в 46/40 раз, поскольку вместо одного сорбированного иона Са²⁺ в раствор поступают два иона Na⁺. Тот же пересчет при сорбции ионов магния даст увеличение солесодержания в 46/24 раза.

Таким образом, солесодержание Na-катионированной воды несколько выше солесодержания исходной. Поскольку при Na-катионировании не происходит изменения анионного состава примесей воды, щелочность ее не изменяется. Остаточная жесткость фильтрата определяется условиями регенерации катионита и в лучшем случае составляет не более 5 мкмоль/дм³.

Регенерация истощенного катионита производится пропуском через него раствора поваренной соли. Реакцию регенерации катионита раствором NaCl можно записать в следующей форме:

R₂/Ca²⁺ +nNa⁺ 2R/Na⁺ + Ca²⁺ + (n-2)Na⁺;

R₂/Mg²⁺ + nNa⁺ 2R/Na⁺ + Mg²⁺ + (n-2)Na⁺,

где n – избыток NaCl против его стехиометрического количества.

Н-катионирование. Назначением Н-катионирования является удаление всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Оно применяется в схемах совместно с другими процессами ионирования. Обмен катионов при Н-катионировании протекает согласно реакциям:

2R/Н⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Н⁺;

2R/Н⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Н⁺;

R/H⁺ + Na⁺ R/Na⁺ + H⁺.

Выделяющиеся в воду ионы водорода реагируют с бикарбонат-ионом:

.

Таким образом, при Н-катионировании одновременно с основным процессом происходит разрушение бикарбонатной щелочности воды. Фильтрат приобретает кислотность, равную остаточной концентрации ионов Н⁺.

Регенерация Н-катионитного фильтра производится 1–1,5-процентным раствором серной кислоты, как более дешевой и удобной в эксплуатации, согласно реакциям

R₂/Ca²⁺ + nН⁺ 2R/Н⁺ + Ca²⁺ + (n-2)Н⁺;

R₂/Mg²⁺ + nН⁺ 2R/Н⁺ + Mg²⁺ + (n-2)Н⁺;

R/Na⁺ + nН⁺ R/Н⁺ + Na⁺ + (n-1)Н⁺.

Анионирование воды производится с целью удаления из нее анионов; при сочетании анионирования с катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов, т. е. химическое обессоливание воды. При фильтровании через слой анионита происходит сорбция анионов согласно следующим реакциям:

;

+ .

Переход в воду ионов ОН^- приводит к повышению ее рН, что в свою очередь сопровождается диссоциацией слабых кислот Н₂СО₃ и Н₂Si₃ и переводу их в ионное состояние. Следовательно, они также могут участвовать в реакциях обмена, но лишь при использовании высокоосновных анионитов:

;

.

При анионировании кислой воды возможность повышения концентрации ионов ОН^- в воде исключается, так как эти ионы при переходе в воду связываются ионами водорода.

Регенерация анионитных фильтров производится обычно 4-процентным раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:

;

;

;

;

;

.

Метод дистилляции

При нагревании водных растворов молекулы воды приобретают энергию, превышающую силы молекулярного притяжения, и выносятся в паровое пространство. Когда давление насыщенного пара Н₂О становится равным внешнему давлению, вода начинает кипеть. Ионы и молекулы растворенных веществ, содержащихся в воде и находящихся в гидратированном состоянии, не имеют такого запаса энергии и переходят в пар при невысоких давлениях в весьма незначительном количестве.

Таким образом, организовав процесс кипения водных растворов, можно разделить растворитель (воду) и содержащиеся в ней примеси.

Дистилляция (термическое обессоливание) реализуется в испарительных установках, в которых вода за счет получения теплоты от подводимого в нагревательную систему первичного пара превращается во вторичный пар, который затем конденсируется. Первичный пар обычно отбирается от паровой турбины. Вещества, загрязняющие воду, остаются в объеме испаряемой воды и удаляются из испарителя с отводимой (продувочной) водой. Дистиллят – конденсат вторичного пара – содержит лишь незначительное количество нелетучих примесей, поступающих в него за счет капельного уноса испаряемой воды (концентрата).

Опыт эксплуатации испарителей при питании солоноватыми или солеными водами показывает на серьезные затруднения, возникающие из-за быстрого образования накипи на теплопередающих поверхностях, снижения коэффициента теплопередачи и уменьшения эффективности работы испарителей.

В борьбе с накипеобразованием в испарителях используются методы физические, химические и физико-химические, кроме того, возможно использование для уменьшения накипеобразования специальных конструкций и материалов для испарителей

Загрязнения пара и способы их удаления

Рассмотрим условия протекания процесса образования накипи при парообразовании, когда концентрации присутствующих в котловой воде ионов постепенно возрастают. В насыщенном растворе трудно растворимого вещества произведение концентрации ионов достигает величины произведения растворимости ПP, характеризующего предел растворимости данного вещества при данной температуре и зависящего исключительно от температуры и химической природы вещества.

Если через КА обозначить трудно растворимую соль, в которой К⁺ обозначает катион, а А^- – анион, то для насыщенного раствора этой соли имеет место следующее равенство:

Здесь обозначают концентрации соответственно катиона и аниона, выраженные в моль в кубическом дециметре (моль/дм³)раствора.

Произведение растворимости ПP для данного соединения и данной температуры является величиной постоянной; оно изменяется с изменением температуры.

Если , то раствор не насыщен, и осадок выпадать не будет; при неизбежно выпадение осадка.

Выпадение данной соли из раствора начинается только в том случае, когда произведение концентрации ионов, входящих в ее состав, превышает значение произведения растворимости для данной соли. Из уравнения (4.3) следует, что с увеличением концентрации одного иона концентрация другого иона должна уменьшаться, так как величина произведения растворимости для данной температуры остается без изменений. Если к насыщенному раствору какой-либо соли прибавить электролит с тем же, что и в растворе катионом или анионом, то равновесие раствора переместится в направлении уменьшения растворимости данной соли с выделением избытка ее в твердую фазу.

В парогенераторах с многократной циркуляцией разделение пароводяной смеси, поступающей в барабан, никогда не бывает полным, поэтому насыщенный пар, выходя из барабана, увлекает за собой некоторое количество капелек котловой воды вместе с содержащимися в ней растворенными солями и щелочами, а также коллоидными и грубодисперсными частицами органических и минеральных веществ.

Практически все вещества, содержащиеся в котловой воде, обладают способностью в той или иной мере растворяться в сухом насыщенном и перегретом паре. Характер поведения этих веществ в паровой фазе определяется главным образом их физико-механическими свойствами, а также параметрами пара.

На качество пара, производимого барабанным парогенератором, влияют следующие факторы:

а) солевые составы питательной и котловой воды, а также воды, используемой для регулирования температуры перегретого пара во впрыскивающих пароохладителях;

б) высота и объем парового пространства барабана, способы ввода пароводяной смеси в барабан и способ отвода насыщенного пара из барабана; наличие и эффективность работы внутрикотловых сепарирующих, паропромывочных и других устройств;

в) эксплуатационный режим парогенератора (величина и равномерность нагрузки, положение уровня воды в барабане и пр.).

Относительная величина загрязнения пара характеризуется коэффициентом уноса К_у, который определяется по формуле

где а_п и А_к.в – солесодержание или концентрация какого-либо вещества в паре и котловой воде, мкг/дм³.

В парогенераторах различают унос капельный и избирательный. Унос называют капельным в том случае, когда загрязнение пара происходит вследствие выноса веществ, содержащихся в котловой воде, в пар с капельками последней. Если же загрязнение пара происходит вследствие растворения в сухом насыщенном и перегретом паре некоторых веществ, содержащихся в котловой воде, то такой унос называют избирательным.

В общем случае величина коэффициента уноса определяется формулой

где К_к.у = а_к.у/А_к.в – коэффициент капельного уноса; К_и.у = а_и.у/А_к.в – коэффициент избирательного уноса; а_к.у – капельный унос, мкг/дм³; а_и.у – избирательный унос, мкг/дм³;

Вывод вредных примесей из цикла и поддержание эксплуатационных норм качества котловой воды в парогенераторах барабанного типа достигаются с помощью непрерывной продувки. На блоках с прямоточными парогенераторами представляется возможным выводить из пароводяного цикла только часть примесей, главным образом кальциевых соединений и продуктов коррозии, накапливающихся на поверхностях нагрева парогенераторов, с последующим периодическим удалением образовавшихся отложений посредством водной или химической промывок.

Поэтому необходимо рассмотреть второй способ водного режима – продувку, ступенчатое испарение, промывку насыщенного пара.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 628; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!