4.5. Технологические схемы ионитных установок

Выбор схем приготовления добавочной и подпиточной воды определяется качеством исходной воды и требуемым качеством обработанной воды, а также условиями экономичности, надежности и минимального сброса примесей, образующихся при эксплуатации ВПУ, в водоемы. Набор из применяемых схем приведен на рис. 4.27. Схемы 1 - 7 применяются для умягчения воды применительно к котлам низкого и среднего давлений, а некоторые из них, в частности, с Na- и H_гол-фильтрами используются для подпитки тепловых сетей закрытого и открытого типов.

Рис. 4.27. Основные принципиальные схемы ионитных установок приготовления добавочной воды для котлов и подпиточной воды для теплосети:
Na₁ и Na₂ – натрий-катионитные фильтры 1 и 2 ступеней; H_гол – водород-катионитный фильтр с "голодной" регенерацией; БУФ – буферный нерегенерируемый фильтр; H₁ и H₂ – водород-катионитные фильтры 1 и 2 ступеней; Cl – анионитный фильтр в Cl-форме; ФСД – фильтр смешанного действия; Д – декарбонизатор; ПБ – промежуточный бак; а – подвод осветленной воды; б – выход фильтрата; в – воздух в декарбонизатор; г – выход углекислого газа из декарбонизатора; д – промежуточный насос

Na-катионирование может применяться лишь для умягчения природных вод с малой карбонатной жесткостью. Для приготовления подпиточной воды для теплосети ее умягчение можно организовать в одну ступень. В схеме 2 предусматривается частичное разрушение щелочности путем ввода кислоты в Na-катионированную воду. При этом протекает следующая реакция:

Выделяющаяся углекислота отделяется в декарбонизаторе перед подачей воды на Na-катионитный фильтр 2 ступени.

Н-катионирование с "голодной" регенерацией реализуются при удельном расходе серной кислоты, близком к 1 г-экв на 1 г-экв сорбированных катионитом ионов, что исключает появление кислых регенерационных стоков. Эта технология может быть осуществлена на катионитах со слабокислыми (карбоксильными) функциональными группами ,к числу которых относится отечественный среднекислотный катионит - сульфоуголь. Регенерация сильнокислых катионитов, истощенных ионами Ca²⁺ и Mg²⁺, требует больших удельных расходов кислоты в результате высокой селективности к двухвалентным катионам, поэтому в данной технологии они не могут быть использованы.

Находящиеся в Н-форме карбоксильные группы сульфоугля (или любого другого слабокислотного катионита) взаимодействуют с ионами Ca²⁺ и Mg²⁺, (Ме²⁺), связанными с гидрокарбонатами по реакциям:

Образование из ионов Н⁺ и НСО₃^- угольная кислота является слабой, поэтому препятствует созданию в зоне обмена очень низких значений рН и тем самым поддерживает работоспособностьслабокислых групп катионита в рабочем ионизированном состоянии до тех пор, пока в обрабатываемой воде присутствуют ионы НСО₃^-. Катиониты Са²⁺ и Mg²⁺, входящие в состав некарбонатной жесткости, слабокислотными группами не сорбируются, так как образование в фильтрате сильных кислот препятствует диссоциации слабокислотных функциональных групп. К моменту, когда иониты водорода в катионите будут израсходованы полностью, в фильтрате фиксируются вторичная гидрокарбонатная щелочность в пределах 0.4 - 0.7 мг-экв/дм³, затем щелочность и жесткость фильтрата начинают повышаться и фильтр выводится на регенерацию. Таким образом, в процессе Н-катионирования с "голодной" регенерацией происходит частичное умягчение и существенное снижение щелочности воды. Вода, прошедшая через Н-катионит с "голодной" регенрацией, обычно используются для подпитки теплосети (или является исходной для последующего обессоливания) и характеризуется остаточным значением карбонатной жесткости (щелочности) в пределах 0.4 - 1.0 мг-экв/дм³ при неизменившемся значении некарбонатной жесткости.

В схемах подпитки теплосети сульфоугольные катионитные фильтры, работающие в режиме "голодной" регенерации, устанавливаются перед нерегенерирумыми Н-буферными фильтрами, назначение которых заключается в выпажении кислотно-щелочной характеристики воды до средних значений. механизм действия Н-буферного фильтра определяется равновесием, устанавливающимся в нем между сульфоуглем и щелочно-кислотной составляющей фильтруемой воды, что выражается обратимой обиенной реакцией.

Если поступающая на буферный фильтр вода имеет остаточную щелочность, большую чем это соответствует равновесному значению, то равновесие реакции (4.32) сдвигается в сторону разрушения гидрокарбонатов. Если на буферный фильтр поступает вода со щелочностью более низкий, чем это соответствует равновесию в системе, то происходит обратный процесс, сопровождающийся образованием гидрокарбоната натрия. Таким образом, Н-буферный фильтр сглаживает все резкие колебания, кратковременно возникающие в процессе эксплуатации Н-катионитных фильтров с "голодной регенерацией"

При "голодной" регенерации слабокислотных карбоксильных зарубежных катионитов, обладающих большой обменной емкостью, их слой по высоте как бы подразделяется на две части. Первая часть явояется рабочей, вторая (хвостовая) часть выполняет функции буферного фильтра, поэтому для таких катионитов не требуется установка отдельного буферного фильтра.

Параллельное H-Na-катионирование (схема 4) может применяться при условии, что в исходной воде Ж_к > 0.5 · Ж_о и суммарной концентрации анионов сильных кислот менее 7 мг-экв/дм³. В этой схеме часть потока воды подается на H-катионитный фильтр, а другая часть - на Na-катионитный. Кислый фильтрат H-фильтра и щелочная Na-катионированная вода смешиваются, при этом происходит частичное разрушение щелочности (до заданного значения Щ_ост = 0.3 - 0.5 мг-экв/дм³) с выделением CO₂. Для удаления CO₂ вода пропускается через декарбонизатор и затем доумягчается на Na-катионитном фильтре 2 ступени. Необходимую долю воды х, пропускаемую через H-фильтр, подсчитывают, исходя из баланса в точке смещения:

откуда:

,

(4.34)

Тогда часть воды, пропускаемой через Na-катионитный фильтр, будет равна 1 - x.

При последовательном H-Na-катионировании (схема 5) через H-катионитный фильтр пропускается часть воды (x), а остальная часть подмешивается к кислому фильтрату, обеспечивая нейтрализацию его с образованием CO₂. Этот газ удаляется в декарбонизаторе, а вода для полного умягчения подается на Na-катионитный фильтр.

Особенностью работы H-фильтра в этой схеме является то, что он отключается не по проскоку жесткости, а выводится на регенерацию при повышении щелочности до 0.7 - 1.0 мг-экв/дм³, что позволяет более полно использовать обменную емкость H-катионита. Рассмотренная схема применяется для умягчения и снижения щелочности исходной воды с солесодержанием выше 1000 мг/дм³ при Ж_к > 0.5 · Ж₀.

Основным недостатком схем 4 и 5 является необходимость перераспределения потоков воды во время фильтроцикла в связи с изменением кислотности фильтрата H-катионитного фильтра.

Схема совместного H-Na-катионирования (схема 6) применяется в тех случаях, когда сумма анионов сильных кислот в обрабатываемой воде не превышает 3.5 - 5.0 мг-экв/дм³ и когда щелочность умягченной воды (Щ_ост = 1.0 - 1.3 мг-экв/дм³) является допустимой. При совместном H-Na-катионировании катионит вначале регенерирует кислотой, а затем, после отмывки раствором NaCl, что обеспечивает достижение отмеченных показателей и отсутствие сброса кислых вод.

Схема Na-Cl-ионирования (схема 7) основана на пропуске воды вначале через Na-фильтр, а затем через анионитный фильтр, содержащий сильноосновной анионит в Cl-форме. Регенерация фильтров производится 6 - 8%-ным раствором NaCl, который вначале контактирует с анионитом, а затем с катионитом. Удельный расход соли на регенерацию выбирается из расчета около 75 кг/м³ анионита. Остаточная щелочность фильтрата в этой схеме колеблется в широких пределах (0.1 - 1.0 мг-экв/дм³).

Для подготовки химически обессоленной воды производится последовательное комбинирование процессов H-катионирования и OH-анионирования. По степени удаления ионизированных примесей из воды различают частичное (схема 8), глубокое (схема 9) и полное химическое обессоливание, отличающиеся количеством ступеней очистки и соответственно качеством обессоленной воды. Отметим, что расположение декарбонизатора за H₂-фильтром в схемах 9 и 10 не является однозначным. Его место на рисунке в схемах 9 и 10 обеспечивает наиболее глубокое удаление углекислоты из кислой воды, но требует установки кислотостойких насосов. Перенос места расположения декарбонизатора за A₁-фильтр упрощает антикоррозионную защиту внутренней поверхности декарбонизатора, но при этом увеличивается ионная нагрузка на сильноосновной анионит в фильтрах A₂ и ФСД.

Отключение A₁-фильтров на регенерацию производится по проскоку ионов Cl^-, а 2 ступени - по проскоку кремнекислоты. При работе по схеме 9 в глубоко обессоленную воду могут попадать кремнекислота и продукты регенерации при неполной отмывке фильтров вторых ступеней. Эта схема применима для подготовки добавочной воды барабанных котлов высокого и сверхвысокого давлений.

Наиболее качественная подготовка воды достигается по схеме 10, в которой в качестве третьей ступени очистки используется ФСД, что обеспечивает остаточную концентрацию натрия не более 5 мкг/дм³ и кремнекислоты менее 10 мкг/дм³. Трехступенчатая схема химического обессоливания применяется для подготовки добавочной воды прямоточных котлов и ядерных реакторов.

В практике эксплуатации существуют две схемы соединения фильтров в установках химического обессоливания: секционная (параллельное включение) и блочная (цепочки). При секционном включении (рис. 4.28, а) фильтры одного назначения (например, H-катионитные фильтры 1 ступени) включаются параллельно (одна секция), а их фильтрат подается через общий коллектор на следующую группу фильтров, также соединенных параллельно (вторая секция), и т.д. При блочном включении (рис. 4.28, б) схема разбивается на отдельные цепочки, каждая из которых содержит по одному набору фильтров (например, H₁-A₁-Д-H₂-A₂), необходимых для очистки воды и соединенных последовательно. Обработанная вода последних фильтров цепочек объединяется в коллекторе и подается на ФСД, направляясь далее в сборный бак. Таких блоков в схеме ВПУ должно быть несколько с учетом того, что часть их находится в работе, один - регенерации и еще один - в резерве. Преимущество блочной схемы включения фильтров перед секционной состоит в упрощении контроля за качеством обработанной воды и при проведении регенерации. При расчете схемы можно подобрать режимы, при которых рабочий цикл у всех фильтров цепочки будет заканчиваться практически одновременно, поэтому сигнал на отключение цепочки для ее регенерации достаточно получить с одного фильтра. К недостаткам блочной схемы следует отнести необходимость ее переналадки при изменении качества исходной воды и повышенной расход ионитов.

Рис. 4.28. Схемы соединения ионитных фильтров в обессоливающих установках:
а – секционная; б – блочная

При секционной схеме каждая группа фильтров должна насчитывать не менее трех с учетом их регенерации и вывода одного из фильтров в ремонт. Рабочий цикл фильтров не должен быть менее 8 ч по условиям удобства эксплуатации.