Примеры расчета водоподготовительных установок

14.1. Общие положения

Расчет ВПУ и конденсатоочисток различного назначения начинают с определения их производительности и выбора схемы на основе данных, с учетом характеристик основного и вспомогательного энергетического оборудования и источника водоснабжения. При этом следует проработать те разделы учебного пособия, в которых приведено описание технологии и конструкций соответствующего оборудования, что позволит четко представлять работу оборудования технологической схемы во взаимосвязи с типом ионитов и с такими параметрами, как рабочие емкости, удельный расход и доза реагентов, расход воды собственных нужд на различные операции и т. п. Необходимо также, использовав данные справочной литературы, оценить, а для некоторых показателей и рассчитать (например, концентрацию СО₂ в воде перед декарбонизатором) изменение качества обработанной воды по ступеням очистки при определенных технологических параметрах.

При проектировании ВПУ производят расчет погрешности анализа исходной воды по уравнению электронейтральности, которая не должна по абсолютному значению превышать 1 %, при проектировании конденсатоочисток оценивают качество исходного конденсата по растворенным и взвешенным примесям с учетом расчетного присоса охлаждающей воды в конденсаторах и эксплуатационных данных по качеству и количеству продуктов коррозии, нефтепродуктов и других загрязняющих примесей. Далее по приведенным методикам проводят расчет выбранной технологической схемы водообработки с определением числа и типов основного и вспомогательного оборудования, необходимого расхода воды, реагентов и электроэнергии на собственные нужды установки; выполняют чертежи развернутой схемы водоочистки с включением основного и вспомогательного оборудования, заполнением всех позиций спецификации на оборудование; составляют расчетно-пояснительную записку к проекту с обязательными разделами по обезвреживанию сточных вод, приемами их утилизации, физико-химическими и технико-экономическими расчетами. В дополнение к чертежам технологической схемы выполняют компоновочные чертежи или чертежи нестандартного оборудования (осветлителей, баков, мерников, мешалок, эжекторов различного назначения, декарбонизаторов и т. п.) в соответствии с заданием на проектирование. Качество воды после ее предварительной очистки рассчитывают применительно к конкретному типу исходной воды на основе данных, приведенных в табл. 14.1. Методика определения концентрации свободного диоксида углерода, присутствующего в различных типах расчетной схемы имеются.

Первичный расчет при проектировании рекомендуется проводить ручным методом с точностью до первого знака после запятой, вариантные расчеты схем или отдельных узлов целесообразно осуществлять с применением ЭВМ по методикам, изложенным в рекомендованной литературе.

14.2. Расчет установки химического обессоливания
с параллельным включением фильтров

Задание. Рассчитать оборудование технологической схемы водоподготовки типа М – Н_п – А₁ – Н₂ – Д – Б – А₂ (приведенная аббревиатура соответствует наименованию стадий обработки и схеме химического обессоливания воды) с предварительным известкованием и коагуляцией производительностью 400 м³/ч с параллельным включением фильтров. Температура обработки воды равна 30 °С. Источник водоснабжения – р. Клязьма у г. Владимира (см. табл.14.1).

Проектирование начинают с проверки анализа качества исходной воды, для этого производят расчет погрешности по формуле:

Если Δ > 1 % или среди показателей качества исходной воды отсутствуют такие показатели, как содержание кремнекислоты, натрия, грубодисперсных примесей, окисляемости и других, уточняют анализ исходной воды по согласованию с руководителем проекта.

Далее составляется таблица изменения качества обрабатываемой воды по ступеням очистки. Обсудив эти данные, отметим, что значения бикарбонатной и карбонатной щелочности в известкованной воде получены исходя из данных при рН известкованной воды 10,2 с учетом суммарного значения Щ_к и Щ_б. Эти же значения были использованы для расчетного определения концентрации СО в
Н-катионированной воде.

Расчет схемы водоподготовки начинают с оборудования, установленного в хвостовой части схемы, т.е. в данном случае с фильтров А₂, с тем чтобы учесть дополнительную нагрузку на предшествующие фильтры (ступень очистки) по обработке воды собственных нужд .

Методика и результаты расчета двухступенчатой схемы химического обессоливания и двухкамерных механических фильтров приведены ранее.

Далее определяют с учетом данных, приведенных раньше, следующие характеристики водоподготовительной установки.

1. Часовой расход воды после осветлителя

.

2. Производительность каждого осветлителя

,

где n – количество устанавливаемых осветлителей; q_пр – часовой расход воды продувку осветлителей, равный 0,03Q_осв .

Таблица 14.1

Изменение показателей качества воды по ступеням обработки

Показателей качества воды	Исходная вода	ИК	М	Нп	А1	Н2	Д-Б	А2
, ммоль/дм3	3,20	2,0*	2,0	0,02	0,02	следы	-	-
, ммоль/дм3	1,08	1,08	1,08	0,10	0,10	следы	-	-
, ммоль/дм3	2,60	0,35	-	-	-	-	-	-
, ммоль/дм3	-	0,35	-	-	-	-	-	-
, ммоль/дм3	1,1	1,80*	1,80	1,80	Следы	-	-	-
, ммоль/дм3	0,59	0,59	0,59	0,59	0,03	0,03	0,03	Следы
, ммоль/дм3	0,02	0,02	0,02	Следы	-	-	-	-
, мг/дм3	16,6			10,0	10,0	10,0	10,0	0,020
, мг/дм3	4,71**	-	-	23,1	23,1	23,1	4,0	Следы
Взвешенные вещества, мг/дм3	8-100***			-	-	-	-	-
Окисляемость, мг О2/дм3	9,0	3,0	-	-	-	-	-	-

Примечание:

* – при Д_к = 0,7 ммоль/дм³; ** – см по разделу углекислота (1.4); *** – принято для паводкового периода.

Выбирается ближайший по производительности (Q = 400 м³/ч) осветлитель СКБ ВТИ для известкования.

3. Суточный расход 100-процентной кислоты на регенерацию катионита в фильтрах Н_п и Н₂

4. Вместимость баков-мерников для 92-процентной серной кислоты с плотностью 1,824 т/м³ из расчета суточного расхода с запасом 25 %:

5. Вместимость цистерн хранения 92-процентной H₂SО₄ из расчета тридцатисуточного запаса

6. Суточный расход 100-процентного едкого натра на регенерацию анионита в фильтрах A₁ и А₂

7. Вместимость баков-мерников и цистерн хранения 42-процентного NaOH с плотностью 1,45 т/м³ выбирается согласно расчетам.

8. Стехиометрический суточный расход 100-процентной H₂SО₄ на регенерацию катионита в фильтрах Н_п и Н₂

9. Стехиометрический суточный расход 100-процентного NaOH на регенерацию анионита в фильтрах A₁ и А₂

10. Избыток 100-процентной H₂SO₄ в сточных водах за сутки

11. Суммарный избыток кислоты на регенерацию катионита в фильтрах Н_п и Н₁ по сравнению со стехиометрическим

12. Избыток 100-процентного NaOH в сточных водах за сутки

13. Суммарный избыток щелочи на регенерацию анионитов в фильтрах A₁ и А₂ по сравнению со стехиометрическим

14. Сравнение пунктов 10 и 12 показывает, что в сточных водах ВПУ имеется избыток щелочи (37,3–30,1) = 7,2 кмоль/дм³, который должен быть нейтрализован 1–1,5-процентным раствором свежей кислоты либо (что лучше) на этот избыток можно увеличить суточный расход кислоты при регенерации фильтров.

15. Для сбора и нейтрализации кислотных и щелочных вод на ВПУ устанавливают два бака-нейтрализатора (рабочий и резервный) вместимостью, рассчитанной на суточный объем регенерационных растворов и отмывочных вод катионитных и анионитных фильтров и суточный расход нейтрализующего реагента
(8-процентного известкового молока или кислоты):

16. Для уточнения количества щелочи, расходуемой при последовательном пропуске через фильтр A₁ и А₂, находим избыток щелочи при регенерации А₂:

17. Количество активной щелочи, содержащейся в суточных стоках А₂.

18. Снижение количества 100-процентного NaOH, подаваемого на регенерацию фильтров А₁ при последовательном пропуске раствора:

19. Уточненный расход свежей 100-процентной щелочи на регенерацию фильтра А₁ при установке промежуточных баков и насосов для перекачки регенерационного раствора фильтров А₂

.

Дальнейший расчет схемы проводится с учетом полученного значения , что приводит к уменьшению расхода как товарной щелочи на регенерацию анионитных фильтров, так и к снижению количеств нейтрализующей кислоты, подаваемой в бак-нейтрализатор, что может быть оценено при выполнении курсового проекта.

14.3. Расчет декарбонизатора с насадкой из колец Рашига

Исходными данными при проектировании декарбонизатора являются производительность, определяемая местом включения декарбонизатора в схему ВПУ, концентрация CO₂ на входе и выходе из декарбонизатора, температура обрабатываемой воды.

1. Концентрация СО₂ на входе в декарбонизатор для схем в отсутствие известкования определяется по соотношению

где Щ_б – щелочность бикарбонатная после предочистки.

2. Концентрация СО₂ на входе в декарбонизатор в схемах предочистки с
рН ≈ 10,2 рассчитывается с учетом удаления СО₂ исходной воды при известковании и остаточных бикарбонатной и карбонатной щелочностей и соответствующих мольных масс и эквивалентов по следующей формуле:

3. Количество СО₂, удаленного в декарбонизаторе:

4. Необходимая площадь десорбции при температуре 30 °С [с учетом коэффициента десорбции К_ж = 0,50 м³/(м²·ч); средней движущей силы десорбции определяемых в справочной литературе]:

5. Площадь требуемой поверхности насадки

6. Объем насадки при удельной поверхности колец Рашига
f_кр = 206 м²/м³.

7. Площадь поперечного сечения декарбонизатора при плотности орошения δ = 60 м³/(м²·ч)

.

8. Диаметр декарбонизатора

9. Высота насадки колец Рашига

10. Расход воздуха на декарбонизацию воды

.

11. Аэродинамическое сопротивление декарбонизатора

.

14.4. Расчет фильтров смешанного действия (ФСД)

Как известно, ФСД с внутренней регенерацией устанавливаются в схеме автономных обессоливающих установок загрязненных станционных дренажей и в некоторых схемах доочистки воды и конденсатов.

ФСД с выносной регенерацией применяются, как правило, для обессоливания турбинных конденсатов, что определяет производительность соответствующих фильтров.

Расчет ФСД с внутренней регенерацией производительностью Q=150 м³/ч

1. Требуемая площадь фильтрования при скорости фильтрования ω = 50 м/ч

2. Выбираем из номенклатуры оборудования ВПУ стандартный фильтр ФСД‑2,0-6, f = 3,14 м², высотой слоя 1200 мм при соотношении К:A = 1:1.

3. Длительность фильтроцикла ФСД с учетом регенерируемости шихты после пропуска 10⁴ м³ смеси ионитов

4. Суточное число регенераций фильтра

5. Расход 100-процентной H₂SО₄ на регенерацию (b_к = 70 кг/м³)

6. Суточный расход 100-процентной H₂SО₄ на регенерацию

7. Расход 100-процентного NaOH на регенерацию (b_щ = 100 кг/м³)

8. Суточный расход 100-процентного NaOH на регенерацию

9. Расход воды на разделение смешанной шихты (ω_разд = 10 м/ч; τ_разд = 25 мин)

10. Объем воды на установление встречных потоков воды до начала регенерации (ω_в.п = 5 м/ч; τ_в.п = 10 мин)

11. Расход воды на приготовление 3-процентной H₂SО₄

12. Расход воды на приготовление 4-процентного NaOH

13. Расход воды на раздельную одновременную отмывку катионита и анионита встречными потоками (ω_р.о = 5 м/ч; τ_р.о = 60 мин)

14. Расход воды на доотмывку смешанной шихты после перемешивания ее воздухом (

15. Суммарный расход воды на собственные нужды ФСД

16. Часовой расход воды на собственные нужды ФСД

17. Время пропуска регенерационного раствора кислоты (ω_к = 5 м/ч)

18. Время пропуска регенерационного раствора щелочи (ω_щ = 5 м/ч)

19. Время доотмывки смешанной шихты (ω_до = 10 м/ч)

20. Суммарное время регенерации ФСД с учетом времени перемешивания шихты воздухом (τ_пер = 30 мин) и затрат времени на неучтенные операции
(τ_неучт = 30 мин)

21. Объем набухших катионита и анионита в фильтрах

22. Объем каждого ионита в воздушно-сухом состоянии

23. Количество воздушно-сухих ионитов, загруженных в фильтры

т/м³; т/м³);

24. Расход катионита и анионита за первый год эксплуатации при температуре до 40 °С (потеря катионита составляет 15 %, анионита 10 %)

25. Расход катионита и анионита в каждый последующий год (потеря катионита составляет 10 %, анионита 5 %)

26. Полное количество катионита КУ-2 (срок службы катионита 5 лет), которое надо заготовить для работы ФСД в течение 5 лет

.

27. Полное количество анионита АВ-17 (срок службы анионита 8 лет), которое надо заготовить для работы ФСД в течение 8 лет:

.

Расчет ФСД с внешней регенерацией

1. Выбор количества и типа рабочих ФСД, а также фильтров – регенераторов катионита, анионита, и фильтров готовой смеси (ФРК, ФРА, ФГС) производится в соответствии с положениями, приведенными в рекомендованной литературе.

2. Расчет длительности фильтроцикла ФСД можно осуществлять с учетом объемов катионита и анионита в смеси, значений их рабочих емкостей и концентраций загрязняющих примесей в турбинном конденсате, определяемых величиной присоса в конденсаторе и показателями качества охлаждающей воды.

3. Расход реагентов и воды собственных нужд при внешней регенерации определяют по методике, аналогичной применительно к ФСД с внутренней регенерацией. Дополнительные расчеты связаны с определением следующих показателей, специфичных для внешней регенерации шихты.

4. Расход воды в кубических метрах на гидроперегрузку шихты из ФСД в ФРК (ω_гп = 12,5 м/ч; τ_гп = 0,5 ч).

5. Расход воды в кубических метрах на гидроперегрузку анионита из ФРК в ФРА (ω_{гп. а} = 15 м/ч; τ_{гп. а} = 0,25 ч).

6. Расход воды в кубических метрах на гидроперегрузку катионита из ФРК в ФГС (ω_{гп. к} = 15 м/ч; τ_{гп. к} = 0,33 ч).

7. Расход воды в кубических метрах на гидроперегрузку регенерированного анионита из ФРА в ФГС ( = 15 м/ч; = 0,33 ч).

8. Расход воды в кубических метрах на окончательную гидроперегрузку смешанной шихты из ФГС в рабочий ФСД ( = 12,5 м/ч; = 0,5 ч).

14.5. Расчет обессоливающей установки

с блочным включением фильтров (расчет «цепочек»)

Задание. Рассчитать технологическую схему двухступенчатого обессоливания с предварительным известкованием и коагуляцией производительностью 330 м³/ч. Источник водоснабжения – р. Клязьма.