Процес підготовки води для потреб енергетики

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

 

 

Кафедра ХТНР К та Е

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

Тема:

«Процес підготовки води для потреб енергетики »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                          Виконав: 

                                                                                          ст. гр. Н-17а

                                                                                          Шевченко К.А                                               Перевірила:

         Панчева А.М

 

ХАРКІВ 2011

ЗМІСТ

 

Вступ  3

1. Характеристика сировини, напівфабрикатів, готової продукції і вимоги до них……………. 4                       
2. Короткий аналітичний огляд літературних джерел з обґрунтуванням методу виробництва ………………………………………………………………………5                                           
1. Іоний обмін 5
2. Зворотній осмос …………………………………………………  7

2.3Ультрафільтрація  7

3 Фізіко - хімічні основи виробництва 9

1. Дисоціація гідроксиду Са 9             
2. Коагуляція води при її вапнуванні 10
3. Натрій - катіонування води 11
4. Технологічна схема виробництва 13
5. Хіміко - технологічні розрахунки 16

5.1 Натрій - катіонітові фільтри II ступеня……………………………………...15

5.2 Натрій - катіонітові фільтри І ступеня ……………...17

3. Освітлювач……………………………………………………………………..19

6   Розрахунок основного апарату ……………...21

Висновки………………………………………………………………………………25

Перелік джеред інформації……………………………………………………….26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Питання обробки води для потреб паросилових установок, які буди на початку 20-го століття малозначною приватною проблемою, що переслідував в основному боротьбу з кальцієвої жорсткістю в парових котлах, перетворилася в теперішній час у самостійну науково-технічне завдання. Вона охоплює великий комплекс фізико-хімічних процесів, без належного вивчення яких неможливо домогтися надійної та економічної роботи енергетичних установок і великої кількості промислових об'єктів

На електростанціях у теперішній час хімічний цех є одним з основних цехів. Надійність і економічність експлуатації є основними вимогами, що пред'являються до будь-яких котельних установок незалежно від тиску, продуктивності та типу котлів. Основним чинником такої роботи є правильний водяний режим усього теплосилового господарства. При аналізі причини аварій парових котлів встановлено, що на 30-45% вони повинні бути віднесені за рахунок незадовільного водяного режиму головним чином за рахунок утворенні накипу. Важливі також економічні втрати обумовлені причиною

           З перших років розвитку теплофікації в країні основним теплоносієм міст і підприємств була обрана вода. Застосування води дозволило найбільш повно використовувати теплоту відпрацьованого пара високого тиску й одержати максимальну комбіновану вироблення електроенергії і тепла. Важливим моментом у цьому комплексі є правильна і раціональна організація водно-хімічного режиму теплових мереж і водопідготовки, які повинні забезпечити попередження виникнення всіх видів відкладень на внутрішніх поверхнях водогрійного обладнання, трубопроводах та опалювальних приладів. При цьому повинні бути враховані вимоги надійності, економічності теплових мереж.

       

 

1 ХАРАКТЕРИСТИКА СИРОВИНИ, НАПІВФАБРИКАТІВ, ГОТОВОЇ ПРОДУКЦІЇ І ВИМОГИ ДО НИХ

 

Сировиною для очищеної води ,яка потрібна для тепломережі, може бути природна вода з поверхневих джерел. Таку поверхневу воду обрано для очистки в схемі, що подана в даній курсовій роботі.

При хімічній обробці води використовуємо такі реагенти, як вапняне молоко, розчин сульфату заліза(||)

Для приготування цих реагентів використовується:

1) вапно з вмістом СаО 95% (ТОСТ 9179-59)

2) сульфат заліза (||) з вмістом FеS0₄ 97%(ГОСТ 6981-94)

Для регенерації Nа катіонітових фільтрів використовується поварена сіль (СТУ 43-717-65), концентрація NaСl в розчині повинна дорівнювати 6% мас.

Очищена вода повинна мати якість, яка б дозволила використовувати її в котельних та на електростанціях з барабанними даровими котлами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 КОРОТКИЙ АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ З ОБГРУНТУВАННЯМ МЕТОДУ ВИРОБНИЦТВА

 

2.1 Іонний обмін

Зниження жорсткості води методом катіонного обміну засновано на здатності деяких природних або штучних речовин, що практично розчині у воді, обмінювати іони Nа⁺ та Н⁺, що входять до їх складу, на іони Са²⁺ і Мg²⁺ що обумовлюють жорсткість води[5]. Процес обміну катіонів розглядається у теперішній час як зворотна гетерогенна каталітична хімічна реакція, що протікає на поверхні твердої фази катіоніту, їх обмін відбувається у еквівалентних співвідношеннях. Енергія входження різних катіонів у катіоніт по величині їх динамічної активності може бути охарактеризована для однакових умов таким рядом:

 

Na⁺ < NH ⁺₄   <  К⁺ < Мg²⁺< Са²⁺

 

Тобто, чим більше заряд катіонітів, тим більше їх входження в катіоніт. Для катіонітів однакової валентності енергія входження залежить від ступеня їх гідратації. Відносно енергії входження іона водню в катіоніт, то вона у 17 разів більша, ніж у натрію та в 4 рази більша,ніж у кальцію.

Швидкість обміну катіонів залежить від їх дифузії до поверхні розділу катіоніт вода і визначається структурою катіоніта. При компактній структурі катіоніта обмін відбувається швидко і головним чином на зовнішніх поверхнях - екстра міцелярний обмін. Але при цьому сорбційна ємність катіоніта використовується неповністю. У випадку пористої структури катіоніта, коли розміри капілярних каналів більше діаметра гідратованих іонів, обмін відбувається на внутрішніх поверхнях - інтерміцелярний обмін. Швидкість його дещо менша,а обмінна здатність більша. Швидкість реакції обміну іонів в катіонітах і досягнення повної рівноваги досить великі.

За даними ВТИ і ВОДГЕО навіть у пористих катіонітах реакція обміну Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺ на іони водню досягає 90-98% в продовж долей хвилини, а рівноваги встановлюється за 5-6 хв.. Завдяки цьому допускаються великі швидкості фільтрування води, що пом'якшується, через катіоніти.

Пом'якшення води методом іонного обміну здійснюється шляхом фільтрування її через шар катіоніту, завантаженого на дренажну решітку металевого фільтра. При цьому можна раз граничити такі зони у фільтруючому фарі: верхній шар виснаженого катіоніта, робочий шар, у якому відбувається пом'якшення води і шар непрацюючого катіоніта. В момент проскоку іонів, що визначають жорсткість води, у фільтрат шар працюючого катіоніту зникає і фільтр підлягає регенерації розчину повареної солі або кислоти.

Процес обробки води на катіонітових фільтрах складається з наступних послідовних операцій:

1. фільтрування води, що пом'якшується, через шар катіоніту до моменту досягнення гранично допустимої концентрації у фільтраті (швидкість фільтрації в межах 10-25 м/год.);
2. спушування шару катіоніту піднімаючогося потоком непом'якшеної (інтенсивність потоку 3-4 л/(сек·м²));

3) спуск водяної подушки для запобігання розбавлення регенерую чого розчину;

4. регенерація катіоніта шляхом фільтрування відповідного розчину (швидкість фільтрації 3-5 м/год.);
5. обмивка катіоніта непом'якшеною водою (швидкість фільтрування 8-10 м/год.).

На регенерацію катіоніту звичайно витрачається приблизно 2 год.,з них на спушування 10-15 хв. ,на фільтрування регенеруючого розчину 15-30хв. , і на обмивку 30-60 хв.

 

 

2.2 Зворотній осмос

 Зворотній осмос застосовується, коли потрібно відокремити з розчинника низькомолекулярні розчинені речовини, такі, як неорганічні солі або органічні молекули, наприклад, глюкозу. Відмінність від мікрофільтрації і ультрафільтрації визначається розміром розчинених часток. Отже, потрібні більш щільні мембрани, володіючі набагато більшим гідродинамічним опором. Настільки малі молекули розчиненої речовини будуть вільно проходити через ультрафільтраційні мембрани. Дійсно, мембрани для зворотного осмосу можуть розглядатися як проміжні між типом мембран з відкритими порами (мікрофільтраціонно-ультрафільтраційними) і щільними непористими мембранами (первапораціонними або газороздільними). Внаслідок їх більшого гідроденамічного опору необхідно прикладати більш високий тиск для проходження певної кількості розчиника через мембрану. Розчини низько малекулярних речовин мають більш високий осмотичний тиск, ніж розчини високомалекулярних з'єднань, для яких придатна ультрафікація. Осмотичний тиск морської води, наприклад, дорівнює 25 бар.

       

2.3 Ультрафільтрація

До основи мембранних процесів,що нині успішно використовуються для розділення рідинних систем, утім числі й очищення вод, належать:зворотній осмос нанофільтрування, ультрафільтрування, мікрофільтрування, діаліз, первопорація, мембранна дистиляція, електор діаліз та ін.

У будь - якому з перекислених мембранних процесів розчин, що підлягає розділенню, обов'язково контактує з напівпроникною мембраною з одного її боку внаслідок напівпроникності мембрани розчин, що проходить крізь неї, збагачується на один із компонентів (як правило, розчинником - водою). Часом процес відбувається настільки ефективно, що отриманий фільтрат практично не містить домішок. Водночас, використовуючи той чи ін. мембранний процес, можна отримати в розчині над мембраною концентрат без домішок речовин, здатних проникати крізь мембрани.

Рушійною силою мембранних процесів є різниця з обох боків мембрани робочого тиску в так званих баромембранних процесах (зворотній осмос, ультрафільтрування, нанофільтрування, мікрофільтрування).

Найважливішими функціональними характеристиками будь яких синтетичних мембран є коефіцієнт затримування (селективності ) розчиненої речовини .

 

                               R_C = 1 – С_ф / С_о або R_c · (1 – С_ф / С_о) · 100%                   (2.1)

 

Та продуктивність (об'ємний потік ) крізь мембрану

 

                                   J_o = Δq / SΔτ                                                (2.2)   

                  

де С₀ і С_Ф - відповідно концентрації розчиненої речовини в початковому розчині і фільтраті;

Δq - об'єм фільтрату, що пройшов крізь мембрану площею Б за інтервал часу Δτ.

Для бакалаврського проекту обрано метод іонного обміну. Він має переваги перед іншими методами, бо вже застосовується кілька десятиліть, має можливість регенерації іонітів,досить дешевими засобами. В той час коли метод ультрафільтрації і зворотного осмосу потребує досить дорогих мембран які не регенеруються. Окрім того тиск під яким поступає вода досить високий, тому витрати електроенергії великі

 

                               

 

 

 

 

 

 

З ФІЗИКО - ХІМІЧНІ ОСНОВИ ВИРОБНИЦТВА

 

3.1 Дисоціація гідроксиду Са

 

Са(0Н)₂ ↔ Са²⁺+20Н^-

 

Гідратація вільного вуглекислого газу і дисоціації утворюючихся молекул вугільної кислоти

 

СО₂ + Н₂О + 2ОН^- → Н₂СО₃ + 2ОН^- → Н⁺+ НСО₃^- + 2ОН ^- → Н₂O + +НСО₃^-- + ОН^- → Н₂O + Н⁺ +СО₃^2- + ОН ^- → 2Н₂О + С0₃^2-                        (3.1)  

 

Сумарно, опускаючи проміжні стадії:

 
    С0₂+2ОН^- → С0₃^2- + Н₂О                                       (3.2)

Дисоціація бікарбонату - іонів, раніше присутніх у воді і обумовлюється лужністю:

      НСО₃^- → Н⁺+ СО₃^2-                                         (3.3)

 

Враховуючи кінцевий результат, рівняння Н⁺ + ОН^- → Н₂О і НС0₃ → С0₃^2- + Н₂О при зміщені рівноваги утворення ОН^-, можуть бути записані у вигляді одного сумарного

 

                               НСО₃ ^-- + ОН^- → С0₃^2- + Н₂О                                      (3.4)

 

Із - за підвищення концентрації карбонат - іонів досягається добуток розчинності СаС0₃. Це визначає випадіння в осад іонів С0₃^2- і Са²⁺ (як містившихся у вихідній воді, так і введених з вапном) Са²⁺+ С0₃² → СаС0₃

Виділення іонів вапна в кількості, більше, ніж це необхідно для зв'язування вільної вугільної кислоти і розкладені бікарбонат - іонів, у воді з'являється надлишкова концентрація гідроксильних іонів, в результаті чого досягається добуток розчинності і для гідроокисі магнію, яка також випадає в осад, що приводить до часткового зниження магнієвої жорсткості води: