Контрольная работа по химии для ТулГУ, пример оформления

Контрольная работа по дисциплине «Химия воды и процессы водоподготовки» на тему: «Технологическая схема подготовки технической воды» Задание. Составить технологическую схему подготовки технической воды согласно следующим данным качества природной воды и требований потребителя к очищенной воде. Жесткость не задана, поэтому определяем её как сумму катионов каль-ция и магния. Жесткость карбонатная природной воды приняли равной кон-центрации гидрокарбонатных ионов в эквивалентных единицах. Жо = 4,5 + 1,2 + 3,7 = 9,4 мг-экв/л 3 Щелочность общую определяем как суммарную концентрацию в воде гидрокарбонатов и щелочности гумматной. Що = 3,7 + 0,0 = 3,7 мг-экв/л В нашем случае, источник исходной воды – скважина. Подземные воды имеют меньшую, по сравнению с поверхностными источниками, мутность и цветность воды, но все равно требуется обязательное осветление. При этом в летний период (теплое время года) мутность воды значительно выше, чем в зимний период (холодное время года), что позволяет в холодное время года упростить подготовку воды. Для удаления взвешенных веществ из воды чаще всего применяются два метода отстаивание и фильтрование. В зависимости от условий эксплуа-тации, применяют фильтрование следующие виды фильтрования: реагентное и безреагентное. Безреагентное фильтрование рекомендуется применять для воды мутностью не более 50-80 мг/л – это соответствует холодному времени года, причем напорные фильтры желательно применять при производитель-ности станции не более 3-5 тыс. м3/сут. Фильтры с плавающей загрузкой применяются для воды с мутностью до 500 мг/л с содержанием взвеси в фильтрате не менее 10-15 мг/л. Если содержание взвешенных веществ в исходной воде превышает 500 мг/л, то применяют фильтрование с применением реагентов – реагентное фильтрование с предварительным отстаиванием от взвешенных веществ. Применение коагулянта позволит значительно снизить количество взвешен-ных веществ, планктона-водорослей, снижается концентрация железа, а так-же уменьшается перманганатная окисляемость О2 и цветность воды. В соответствии со СНИП 2.04.02 – 84, вода является мутной и имеет среднюю цветность и для обработки воды с применением коагулянтов следу-ет применять одноступенчатое фильтрование в скорых напорных фильтрах (СНИП 2.04.02 – 84, таблица 15). Доза коагулянта, в соответствии со СНИП 2.04.02 – 84 (таблица 16), со-ставит 50 – 60 мг/л. 4 Далее, следует стадия умягчения воды. Для умягчения воды применяют следующие методы: — для устранения карбонатной жесткости — декарбонизацию известкова-нием или водород-катионитное умягчение с «голодной» регенерацией катио-нита; — для устранения карбонатной и некарбонатной жесткости — известко-во-содовое, натрий-катионитное или водород-натрий-катионитное умягче-ние. Так как в воде присутствует гидрокарбонатная жесткость, то следует провести сначала декарбонизацию с последующей отдувкой углекислоты и далее пропустить воду через Na-катионит, то есть применить H – Na — катио-нирование. 1) Н — катионирование Очистка происходит по ионообменному механизму, заключающемуся в том, что катионы кальция, магния и прочих металлов из воды переходят из раствора в фазу катионита, а из катионита в раствор переходят катионы водорода. Процесс удаления из воды ионов жесткости (кальция и магния) называется умягчением. Одновременно с умягчением происходит нейтрализация щелочности. По мере пропускания воды через ионообменную смолу наступает момент исчерпания обменной емкости. В каждый момент времени в рабочем режиме находятся только два фильтра, третий фильтр находится или в режиме регенерации, или в режиме ожидания. Производительность установки умягчения до 40 м3/ч, следовательно, на каждый фильтр поступает вода с расходом около 20 м3/ч. При исчерпании рабочей обменной емкости одного из рабочих фильтров, контроллер переключает его в режим регенерации, а фильтр, находившийся в режиме ожидания, переключает в рабочий режим. При заданном расходе и жесткости воды продолжительность рабочего режима каждого фильтра должна составлять более 48 час. 5 Информацию об объеме воды до начала регенерации для каждого фильтра контроллер получает от импульсных электромагнитных расходоме-ров, установленных на входе каждого фильтра. Для восстановления работоспособности ионообменной смолы после пропуска расчетного объема воды проводится регенерация катионита раство-ром серной кислоты. Во время регенерации поступление воды с фильтра пе-рекрывается с помощью электромагнитного клапана, смонтированного на линии очищенной воды и управляемого контроллером. Концентрированный раствор серной кислоты для регенерации заблаго-временно закачивается в расходные баки из баков хранения концентрирован-ного раствора. Обслуживающий персонал должен во время пополнять запасы раствора кислоты в баках. Для переключения фильтра в режим регенерации контроллер посылает команду на насос для подачи раствора кислоты в фильтр. Промывка и реге-нерация ионообменной смолы происходит в 4 стадии. 1. Первая стадия – обратная промывка, подача воды производится снизу вверх, расход воды на обратную промывку Q = 14-16 м3/ч. Продолжи-тельность обратной промывки 10 минут. 2. Вторая стадия – обработка смолы регенерационным раствором. 3. Третья стадия — выдержка. 4. Четвертая стадия – быстрая промывка, подача воды производится сверху вниз, как и в режиме фильтрации, но вода поступает в канализацию. Расход воды на стадии быстрой промывки Q = 15-20 м3/ч. Продолжитель-ность четвертой стадии 50 минут. Установка работает в непрерывном режиме: два фильтра всегда в работе, 1 в режиме регенерации или ожидания. Регенерация установки производится в автоматическом режиме. Обслуживание установки включает контроль параметров работы и приготовление регенерационного раствора. Водородный показатель pH воды после установки значительно снижа-ется. Слабая угольная кислота распадается на воду и углекислый газ, кото- 6 рый может быть удален из воды при свободном изливе очищенной воды в накопительный резервуар воды. Для регенерации фильтров рекомендуется использовать раствор серной кислоты концентрацией 1,5 – 3%, так как она менее летуча. Кислотное хозяйство Для хранения концентрированной соляной кислоты и приготовления рабочего раствора серной кислоты требуется установить кислотное хозяй-ство, в комплект которого входят:  Три полиэтиленовые емкости для хранения концентрированной сер-ной кислоты. Эти емкости обеспечат месячный запас кислоты.  Одна полиэтиленовая емкость для приготовления рабочего 10%-ного раствора соляной кислоты. Эта емкость обеспечит суточный запас раствора.  Два насоса для перекачивания концентрированной кислоты из емко-стей хранения кислоты в емкость приготовления раствора (1 – рабочий, 1 – резервный);  Два насоса для перекачивания рабочего раствора кислоты из емкости приготовления раствора в расходный бак установки H-катионирования (1 – рабочий, 1 – резервный). 2) Ступень декарбонизации После ступени H-катионирования весь поток воды подается свободным изливом в накопительную емкость, где произойдет отдувка свободной угле-кислоты и за счет этого увеличится pH воды. В емкости осуществляется бар-ботаж воды воздухом при помощи воздуходувки. На стадии декарбонизации происходит снижение общей жесткости до 5 – 5,5 мг-экв/л. 3) Первая ступень умягчения Na — катионированием На первой ступени происходит умягчение воды до жесткости 0,1 – 0,2 мг-экв/л. 7 В состав установки входят два ионообменных фильтра, снабженных расходными солевыми баками, блоками управления и водосчетчиками. Дан-ная установка работает в непрерывном режиме (один фильтр всегда в рабо-те, второй в регенерации или ожидании). В качестве загрузки фильтров ис-пользуется сильнокислотная смола в Na–форме. Регенерация установки про-изводится в автоматическом режиме. Управление работой установки осу-ществляется единым контроллером на обе ступени умягчения. 4) Вторая ступень умягчения Na – катионированием На второй ступени происходит умягчение воды до требуемой жестко-сти не более 0,12 мг-экв/л. Установка умягчения второй ступени работает также по принципу ионного обмена. Для получения значения жесткости умягченной воды в рай-оне 0,12 мг-экв/л, всегда требуется установить вторую ступень умягчения, на которую будет поступать вода после первой ступени умягчения. Технологи-ческое отличие второй ступени от первой в том, что скорость фильтрации должна быть значительно выше 50 м/час вместо 30 м/час на первой ступени. Кроме того расход соли на регенерацию будет примерно 0,2 кг на 1 литр ионообменной смолы. В состав установки входят два ионообменных фильтра, снабженных расходными солевыми баками, блоками управления и водосчетчиками. Дан-ная установка работает в непрерывном режиме (один фильтр всегда в рабо-те, второй в регенерации или ожидании). В качестве загрузки фильтров ис-пользуется сильнокислотная смола в Na–форме. Регенерация установки производится в автоматическом режиме. Управление работой установки осуществляется единым контроллером на обе ступени умягчения. Вторую ступень умягчения можно заменить обратным осмосом, это позво-лит получить воду заданных параметров и с пониженным солесодержанием, но это увеличит количество промывных вод с мембраны. Цели снижения со-лесодержания не стоит, поэтому умягчение проводим как H – Na – Na — кати-онирование. 8 Полный расход воды, поступающей на очистку, определяем в соответ-ствии со СНиП 2.04.02-84 с учетом расхода воды на собственные нужды станции водоочистки. Ориентировочно среднесуточные расходы исходной воды на собствен-ные нужды станций осветления, обезжелезивания и др. следует принимать: — при повторном использовании промывной воды в размере 3 — 4 % ко-личества воды, подаваемой потребителям, — без повторного использования – 10 — 14 %, — для станций умягчения – 20 — 30 %. Расходы воды на собственные нужды станций уточняются расчетами. Исходя из этого, принимаем, что станция работает круглосуточно, про-изводительность станции по конечному продукту – 44 м3/час. С учетом ступеней умягчения, расход воды увеличивается на 20% (на каждую ступень). То есть на умягчение подается: 1) Вторая стадия Na-катионирования 44 + (44 × 0,2) = 52,8 м3/час, из которых: — 44 м3/час – вода потребителю — 8,8 м3/час – вода для приготовления реагентов и для промывки фильтров 2) Первая стадия Na-катионирования 52,8 + (52,8 × 0,2) = 63,36 м3/час, из которых: — 21,6 м3/час – вода на вторую стадию умягчения — 10,56 м3/час – вода для приготовления реагентов и для промывки фильтров 3) Стадия Н-катионирования (ступень декарбонизации) 63,36 + (63,36 × 0,2) = 76,0 м3/час, из которых: — 76,0 м3/час – вода на первую стадию умягчения — 12,7 м3/час – вода для приготовления реагентов и для промывки фильтров 4) Вода после фильтрации (вариант повторного использования промы-вочной воды) 76,0 + (76,0 × 0,04) = 79 м3/час, из которых: — 31,1 м3/час – вода на стадию декарбонизации 9 — 3,04 м3/час – вода для промывки фильтров, содержащая шлам (5%), в т.ч. 5) Стадия коагуляции (5% воды с осадком выводится с отстойника, со-держание шлама в осадке – 5 %). 79,0 + (79 × 0,05) = 83 м3/час, из которых: — 32,4 м3/час – осветленная вода на фильтрацию — 3,95 м3/час – вода со шламом, поступающая на отстаивание, в т.ч.: На приготовление раствора коагулянта, щелочного реагента для вырав-нивания рН требуется вода, прошедшая предварительную очистку в количе-стве 2%. 83 × 1,02 – 83 = 1,66 м3/час 6) Количество воды, необходимое для взятия из источника водоснаб-жения: 83 + 1,66 – (3,95 + 3,04) = 77,7 м3/час 10 Технологическая схема работы установки для подготовки воды Для достижения требуемых показателей качества воды, необходимо провести подготовку воды в следующей последовательности: — коагуляция (удаление мутности, планктона и железа); — фильтрация (удаление взвешенных веществ после коагуляции); — умягчение путем Н-Na-Na катионирования (декарбонизация и сниже-ние жесткости воды). Описание работы технологической схемы Вода из источника водоснабжения ИВ с расходом 77,7 м3/час насосом 1А перекачивается в отстойник-коагулятор 1, где происходит оседание хлопь-ев. В трубопровод подачи воды встроен смеситель 15, по которому подается коагулянт из дозирующей емкости 16. На входе в отстойник 1 для корректи-ровки рН дозируется щелочной реагент, обеспечивающий полноту коагуля-ции из дозирующей ёмкости 19. Реагенты для приготовления рабочих рас-творов поступают со склада 18. Для приготовления реагентов используется фильтрованная вода. Осветленная вода собирается в сборник 2, откуда насосом 2А поступает в напорные фильтры 31-33, из них два фильтра работают постоянно, а третий находится на промывке и регенерации. Далее, после фильтров 31-33, вода со-бирается в емкость 6, из которой часть её передается в сборник-накопитель 7, часть используется для приготовления реагентов (подается в сборники 17 и 20, которые оборудованы мешалкой с пневмоперемещиванием для приготов-ления рабочих растворов реагентов), а остальная вода подается насосом 4А на стадию декарбонизации. Промывка фильтров осуществляется по мере падения давления на ма-нометре на подаче воды. Для этого промываемый фильтр «отглушается» и «становится на промывку» обратным током фильтрованной воды из емкости 8, подаваемой насосом 3А. Периодически подается сжатый воздух для «встряски» загрузки, что обеспечивает лучшую отмываемость фильтра. 11 Промывные воды сбрасываются в отстойник-минерализатор 4 для от-стаивания и сгущения осадка, туда же подается шлам с коагуляции из от-стойника-коагулятора 2. Шлам уплотняется, отстоянная вода подается снова в сборник-коагулятор 2, а сгущенный шлам, поступает в шламоотделитель 5. Из шламоотделителя 5 выходит шлам в виде кека, и отжатая вода, которая возвращается в отстойник-коагулятор 2. Можно отжатую воду сбрасывать в промливневую канализацию. На стадии декарбонизации вода проходит H-катионитовые фильтры 81 — 83, далее весь поток воды подается свободным изливом в накопительную ем-кость 9, где происходит отдувка свободной углекислоты и за счет этого уве-личится pH воды. В емкости 9 осуществляется барботаж воды воздухом при помощи воздуходувки. После декарбонизатора 9 вода поступает в сборник 10, откуда часть во-ды поступает со склада хранения реагентов 17 в емкость 21 для приготовле-ния рабочего раствора серной кислоты. Из емкости 21, рабочий раствор пе-редается в дозирующую емкость рабочего раствора 22, откуда насосом 5А подается на промывку фильтров 81 — 83. Промывочная вода сбрасывается в канализацию, так как является раствором солей. Далее вода поступает на первую стадию умягчения, состоящую из трех Na-катионитовых фильтров 111-113, которые работаю так же, как и фильтры 81 — 83. Промывка фильтров 111 — 113осуществляется из емкости 23 насосом 8А, рабочий раствор передается в дозирующую емкость рабочего раствора 24. Промывочная вода сбрасывается в канализацию. Вторая стадия умягчения состоит из двух Na-катионитовых фильтров 131-132. Промывка фильтров 131 — 132 осуществляется из емкости 25 насосом 9А, рабочий раствор передается в дозирующую емкость рабочего раствора 26. Промывочная вода сбрасывается в канализацию. Реагент для приготовления рабочего раствора поступает со склада 18. Умягченная вода после второй стадии умягчения с заданной жестко-стью не более 0,12 мг-экв/л с расходом 44 м3/час подается потребителю. 12 Особенности предлагаемой технологической схемы На первой стадии очистки весь объем воды подвергается коагуляции, в результате чего мутность, планктон и железо осаждаются. Для удаления мел-ких хлопьев воду фильтруют через кварцевые фильтры. Далее, вода поступает на умягчение. Процесс умягчения осуществляет-ся в три ступени: на первой ступени происходит Н-катионирование, сопро-вождающееся заменой катионов Са2+ и Mg2+ на катионы Н; на второй и тре-тьей ступенях — Na-катионирование, в результате которого катионы Н+ за-мещаются на катионы Na+. В процессе Н-катионирования происходит разрушение бикарбонатов с выделением углекислого газа (СО2), который при взаимодействии с водой образует угольную кислоту. Для удаления углекислоты из воды предусмот-рен специальный аппарат – декарбонизатор, оснащенный насадкой. Удале-ние углекислого газа в нем происходит за счет продувания воды в противо-токе воздухом в пленочном режиме. Воздух, растворяясь в воде, смещает равновесие в системе «газ-жидкость» и вытесняет растворенные в воде газы, которые диффундируют в газовую фазу и удаляются с воздухом в атмосферу. Насос, установленный после декарбонизатора, прокачивает дегазиро-ванную и нейтрализованную воду через установку умягчения второй ступе-ни. Далее, для выравнивания колебаний величины рН смешанного потока очищаемой воды и снижения жесткости до заданного значения, умягченную воду пропускают через установку умягчения третьей ступени, работающую по принципу Na+ — катионирования. В качестве загрузки используется силь-нокислотная ионообменная смола в Na-форме (Lewatit, КУ-2, КУ2-8 и пр.). Применение двухступенчатого Na – катионирования позволяет получать умягченную воду с заданным значением щелочности и рН. В случае снижения рН воды ниже нормы после Na-катионирования второй ступени умягче-ния, происходит удержание на катионите Н+- ионов и обмен их на Na+- ионы, т.е. повышение рН. При повышении рН воды выше нормы, что возможно после Na+ — катионирования только за счет NaOH, происходит переход в воду 13 задержанных ранее катионитом Н+ — ионов и задержка на ионите Na+ катио-нов, т.е. происходит устранение избыточной щелочности. Промывка и регенерация Н+ — катионитовых фильтров (в системе Н+ — Na+ — катионирования) осуществляется 1,5 – 2% водным раствором серной кислоты (дешевле других кислот); более концентрированные растворы кис-лоты могут привести к загипсовыванию загрузки фильтров вследствие отло-жения кристаллов CaSО4. Регенерацию Na+ — катионитовых фильтров проводят 2,5% водным рас-твором поваренной соли (NaCl). После регенерации проводят отмывку кати-онита от избытка солевого раствора, оставшегося после регенерации между зернами. Полноту отмывки контролируют по содержанию хлорид-ионов в отмывочной воде. Достоинством предлагаемой схемы является то, что получаем умягчен-ную воду с заданным значением рН и щелочности, что особенно важно, для применения её в энергетике (получение пара). 14 ПРИЛОЖЕНИЕ А — ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ОЧИСТКИ ВОДЫ 1 – Скорый фильтр; 2 – бак хранения кислоты; 3 – группа водород-катионитовых фильтров с «голодной регенерацией»; 4 – дегазатор; 5- вентилитор; 6 – резервуар очищенной воды; 7 – насос; 8 – группа натрий-катионитовых фильтров; 9 – бак для хранения соли и солевого раствора; 10 – группа барьерных натрий-катионитовых фильтров. 11 – отвод очищенной воды. Скорый фильтр 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1) Николадзе Г.И. и др. Подготовка воды для питьевого и промышлен-ного водоснабжения. М.: Высшая школа, 1988. 2) Громогласов А.А. Водоподготовка: процессы и аппараты: Учебное пособие для вузов. — М.; Энергоатомиздат, 1990. 3) СНиП 2.04.02-84*.Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. 4) Справочник по свойствам, методам анализа и очистки воды в двух частях./ Кульский Л.А., Гороновский И.Г. и др. – Киев: Наукова Думка, 1992. 5) Белан Ф.И., Сутоцкий Г.П. Водоподготовка промышленных ко-тельных. — М.; Энергия, 1969. 6) Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных устано-вок. — М. Энергия, 1976. 7) http://www.bwt.ru/