4.7. Расчеты ионообменной технологии

Пример 4.2. Для количественной оценки расхода реагентов, воды собственных нужд и ознакомления с методикой выбора оборудования ВПУ приведем пример расчета обессоливающей установки с параллельным включением фильтров по схеме M-H₁-A₁-Д-H₂-A₂, производительностью 160 м³/ч, работающем на коагулированной поверхностной воде.

Отметим предварительно, что в расчет сознательно не включен весь необходимый справочный материал, чтобы избежать механического пересчета при выполнении учебных заданий, а также познакомить студентов со справочной и специальной литературой. Условные обозначения в расчетных формулах являются общепринятыми или встречались ранее в тексте, поэтому их полная расшифровка не приводится.

Расчет ВПУ начинают с составления таблицы, показывающей изменение показателей качества воды по ступеням обработки (табл. 4.4).

При составлении в табл. 4.4 проверяют данные анализа обрабатываемой воды по уравнению электронейтральности методом расчета погрешности:

.

(4.35)

Концентрация CO₂ мг/дм³ на входе в декарбонизатор для схем предочистки без известкования определяется по соотношению:

Расчет схемы водоподготовки начинают с оборудования, установленного в хвостовой части схемы (в данном случае с фильтром A₂), с тем, чтобы учесть дополнительную нагрузку на предшествующие фильтры (ступень очистки) по обработке воды, используемой на собственные нужды. Методика и результаты расчета двухступенчатой схемы химического обессоливания приведены в табл. 4.5.

Показатель	Формула	A2	H2	A1	H1	M
Расчетная производительность, м3/ч	Qосв = Qм + Qмсн	160	160 + 3.0 = 163.0	163 + 0.4 = 163.4	163.4 + 2.5 = 165.9	165.9 + 9.7 = 175.6
Требуемая площадь фильтров, м2	F = Qст/w	160/20 = 8.0	163/40 = 4.07	163.4/17 = 9.61	165.9/20 = 8.3	175.6/10 = 17.6
Число фильтров в работе, шт.	n + nр	2 + 1	2 + 1	2 + 1	2 + 1	3 + 1
Площадь одного фильтра, м2	f = F/n	8.0/2 = 4.0	4.07/2 = 2.04	9.61/2 = 4.80	8.3/2 = 4.15	17.6/3 = 5.86
Характеристика стандартного фильтра, м/м2	D/f; hсл	2.6/5.3; 1.7	2.0/3.14; 1.5	2.6/5.3; 2.0	2.6/5.3; 2.0	3.0/7.1; 1.0
Действительная скорость фильтрования, м/ч
Тип загружаемого материала	-	АВ-17	КУ-2-8	АН-31	КУ-2-8	Антрацит
Рабочая емкость материала, г-экв/м3	Eр	100	400	800	600	1.5 кг/м3
Продолжительность фильтроцикла, ч
Суточное число регенерации всех фильтров, рег/сут	m = 24 · n/(T + t)	(24 · 2)/79.9 = 0.60	(24 · 2)/192.6 = 0.24	(24 · 2)/94.3 = 0.51	(24 · 2)/31.4 = 1.52	(24 · 3)/26.0 = 2.77
Удельный расход реагента, кг/м3	b	100	60	50	60	-
Расход 100%-ного реагента на 1 регенерацию, кг	s100 = f · hсл · b	5.3 · 17 · 100 = 901	3.14 · 1.5 · 60 = 282.6	5.3 · 2.0 · 50 = 530	5.3 · 20 · 60 = 636	-
Суточный расход 100%-ного реагента, кг/сут	sсут100 = s100 · m	901 · 0.60 = 540.6	282.6 · 0.24 = 67.8	530 · 0.51 = 270.3	636 · 1.52 = 966.7	-
Удельный расход воды на взрыхление, дм3/(см2·с)	i	2.8	3.0	2.8	3.0	12.0
Время взрыхления фильтра, мин	tвзр	20	20	20	20	20
Расход взрыхляющей воды, м3/рег
Концентрация регенерационного раствора, %	Cр.р	4	3	4	1	-
Расход воды на приготовление раствора, м3/рег						-
Удельный расход воды на отмывку, м3/м3	a	9	5	8	5	1
Расход воды на отмывку, м3/рег	Vотм = f · hсл · a	5.3 · 1.7 · 9 = 81.1	3.14 · 1.5 · 5 = 23.6	5.3 · 2.0 · 8 = 84.8	5.3 · 2.0 · 5 = 53.0	7.1 · 1 · 1 = 7.1
Суммарный расход воды на регенерацию, м3/рег	VS = Vвзр + Vр.р + Vотм	17.8 + 22.5 + 81.1 = 121.4	11.3 + 9.4 +23.6 = 44.3	17.8 + 13.3 + 84.8 = 115.9	19.1 + 63.6 + 53 = 135.7	102.2 + 7.1 = 108.3
Часовой расход на собственные нужды, м3/ч	Qстсн = (Vå · m)/24	(121.4 · 60)/24 = 3.0	(44.3 · 0.24)/24 = 0.4	(115.9 · 0.51)/24 = 2.5	(153.7 · 1.52)/24 = 9.7	(109.3 · 2.77)/24 = 12.6
Скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч	wр.р	5	10	5	10	-
Время пропуска регенерационного раствора, мин						-
Скорость отмывки, м/ч	wотм	5	10	5	10	8
Время отмывки, мин
Суммарное время регенерации, мин	t = tвзр + tр.р + tотм	20 + 50.9 + 183.6 = 254.5	20 + 18.0 + 45.1 = 83.1	20 + 30.1 + 192 = 242.1	120 + 72 + 60 = 152	20 + 7.5 = 27.5

Часовой расход воды до осветлителей:

Q_осв = Q_м + q^с.н_м = 175.6 + 12.6 = 188.2, м³/ч.

Пример 4.3. Онлайн расчет Рассчитать и выбрать третью ступень обессоливания для установки производительности 160 м³/ч с использованием формул, приведенных в примере 4.2.

1. Требуемая площадь фильтрования при w = 40 м/ч:

   f = Q/w = 160/40 = 4.0, м².

    

2. Выбираем стандартный фильтр ФИСДВр-2.0-0.6 (f = 3.14 м²; h_сл = 1.6 м; загруженный катионитом КУ-2-8 и анионитом АВ-17 объемами 2.5 м³ каждого.
3. Число фильтров в работе:

n + n_р = 2 + 1 = 3 шт.

 

4. Действительная скорость фильтрования:

w_д = 160/(3.14 · 2) = 25.5 м/ч.

 

5. Длительность фильтроцикла ФСД с учетом регенерируемости смешанной шихты после пропуска 10⁴ м³ на 1 м³ смеси ионитов:

T + t = 10⁴ · V_см · (n/Q) = 10⁴ · (2.5 + 2.5) · (2/160) = 625 ч.

 

6. Суточное число регенераций фильтров:

m = 24 · (2/625) = 0.08 рег/сут.

 

7. Расход 100%-ной серной кислоты на регенерацию (b_к = 70 кг/м³):

 

s_H2SO4 = 2.5 · 70 = 175 кг.

 

8. Расход 100%-ного едкого натра на регенерацию (b_щ = 100 кг/м³):

 

s_NaOH = 2.5 · 100 = 250 кг.

 

9. Расход воды на разделение смешанной шихты (w_разд = 10 м/ч, t_разд = 25 мин):

 

V_раздел = w_раздел · f · (t_разд/60) = 2 · 3.14 · (25/60) = 13.2 м³.

 

10. Расход воды на установление встречных потоков воды до начала регенерации (w_в.п. = 5 м/ч, t_в.п. = 10 мин):

 

V_в.п = 2 · w_в.п · f · (t_в.п/60) = 2 · 5 · 3.14 · (10/60) = 5.2 м³.

 

11. Расход воды на приготовление 3%-ной H₂SO₄ (r = 1.019 кг/м³):

 

V_H2SO4 = s_H2SO4 · (100/(r · C · 10³)) = 175 · (100/(1.019 · 3 · 10³)) = 5.7 м³.

 

12. Расход воды на приготовление 4%-ного NaOH (r = 1.043):

 

V_NaOH = s_NaOH · (100/(r · C · 10³)) = 250 · (100/(1.043 · 4 · 10³)) = 6.0 м³.

 

13. Расход воды на раздельную одновременную отмывку катионита и анионита встречными потоками (w_р.о. = 5 м/ч, t_р.о. = 60 мин):

 

V_p.o = 2 · 5 · 3.14 · (60/60) = 31.4 м³.

 

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

 

V_до = V_см.щ · а_Н2О = (2.5 + 2.5) · 5 = 25.0 м³.

 

15. Суммарный расход воды на собственные нужды ФСД:

 

V_S = V_раздел + V_в.п + V_H2SO4 + V_NaOH + V_р.о + V_до = 13.2 + 5.2 + 5.7 + 6.0 + 31.4 + 25.0 = 86.5 м³.

 

Пример 4.4. Онлайн расчет Рассчитать по эксплуатационным данным рабочую обменную емкость (E_р) сульфоугля в натрий-катионитном фильтре.

Расчетная формула:

,

где Ж_вх, Ж_вых - средние жесткости воды на входе и выходе из фильтра, мг-экв/дм³; Q - количество воды, обработанной за рабочий цикл, м³; V_су - объем сульфоугля, загруженного в Na-катионитный фильтр, м³.

Исходные данные:

Ж_вх = 2.4 мг-экв/дм³; Ж_вых = 0.1 мг-экв/дм³; Q = 2000 м³; V_су = 18 м³.

Рабочая объемная емкость:

г-экв/м³.

Пример 4.5. Рассчитать количество поваренной соли, (s_NaCl), необходимое для регенерации Na-катионитного фильтра по данным примера 4.4, при удельном расходе NaCl q = 140 г/г-экв.

Расчетная формула:

s_NaCl = V_су · E_p · q = (Ж_вх - Ж_вых) · Q · q.

Подставив известные величины получим

s_NaCl = 20 · 230 · 140 = 644000 = 644 кг.

Пример 4.6. Онлайн расчет Рассчитать по эксплуатационным данным расход известного молока, подаваемого в бак-нейтрализатор обессоливающей установки.

Расчетная формула:

,

где Q - объем воды в баке-нейтрализаторе, м³; K - кислотность воды в баке-нейтрализаторе, мг-экв/дм³; C_изв - крепость известкового молока в мешалке, мг-экв/дм³.

Исходные данные:

Q = 300 м³; K = 50 мг-экв/дм³; C_изв = 2000 мг-экв/дм³.

м³.