книги / Оборотное водоснабжение химических предприятий

ной воды составляет 10%; в цикле, обслуживающем цеха моче­

В цикле, обслуживающем отделение компрессии аммиака, и в отделении калиевой селитры доля СаС03 составляет 63%; на градирнях и в резервуарах СаСОз обнаруживается лишь в виде мелких кристаллов, в количестве 2—4% общего веса взве­ шенных веществ. Более полный анализ состава отложений в трубах барометрических конденсаторов и на стенках трубопро­ водов теплообменной системы в производстве синтеза аммиака приведен в табл. 21.

Таблица 21. Результаты анализа отложений в теплообменной аппаратуре производств синтеза аммиака

* Соли азотистой кислоты в пересчете на азотистый ангидрид. ** Соли азотной кислоты в пересчете на азотный ангидрид.

При попадании в оборотную воду продуктов основного харак­ тера (аммиака, карбоната аммония) применение для пополнения, оборотных систем речной неумягченной воды не может быть эф­ фективным, так как с речной водой в циркулирующую вносятся соли временной жесткости, являющиеся источником инкру­ стации.

Применение фосфатирования при загрязнении оборотной воды аммиаком и карбонатом аммония также не дает удовлетвори­ тельных результатов. Это подтверждается данными наблюдений за изменением временной жесткости оборотной воды в произ­ водстве синтеза аммиака, которая подвергалась стабилизацион­ ной обработке фосфатированием.

Изменение состава воды в оборотной системе водоснабжения производств синтеза аммиака под влиянием взаимодействия со­ лей жесткости с аммиаком и карбонатом аммония;

Отсутствие временной жесткости в оборотной воде является результатом того, что, несмотря на стабилизационную обработ­ ку фосфатированием, проникающий в теплообменники аммиак нарушает солевое равновесие. Образующийся карбонат кальция и гидроокись магния отлагаются на стенках теплообменной ап­ паратуры в коммуникациях. Концентрация солей в оборотной воде при этом уменьшается. Таким образом, единственным до­ статочно надежным средством предотвращения инкрустации труб теплообменных систем водоснабжения при систематическом попадании в оборотную воду аммиака и карбоната аммония яв­ ляется устранение временной жесткости из подпитывающей во­ ды умягчением. Для этого на предприятиях азотной промышлен­ ности целесообразно использовать вместо извести аммиак или его смесь с углекислым аммонием, являющиеся продуктом соб­ ственной выработки предприятия и отпускаемые по их фактиче­ ской себестоимости.

Применение аммиака для умягчения воды не исключает не­ достатки, присущие реагентному умягчению известью, однако при этом не требуется предусматривать подвоз извести, ее гашение, хранение и вывоз больших количеств твердых отходов гашения. Эффективное использование аммиака для умягчения воды с целью завершения процесса за время пребывания воды в очистных сооружениях возможно только в условиях большого развития поверхности, контактирующей с водой, для ускорения кристаллизации выделяющегося при реакции нейтрализации СаСОз. Это достигается проведением реакции умягчения в ви­ хревых реакторах с псевдоожиженным слоем мелкого (прибли­ зительно 0,1—0,2 мм) кварцевого песка, на поверхности которо­ го и отлагается кристаллизующийся СаСОз.

Вихревой реактор представляет собой емкость в виде усечен­ ного конуса, имеет небольшой угол конусности (15—20°) и на 1/3— 1/2 высоты заполнен контактной массой — мелким кварце­ вым песком или мраморной крошкой диаметром 0,2—0,1 мм, на­ ходящейся во взвешенном состоянии. По мере нарастания на зер­ нах песка отложений карбоната кальция они увеличиваются в диаметре до 1,5—2 мм и выводятся из нижней части корпуса реактора. В табл. 22 приведены данные, характеризующие рас­ пределение фракций контактной массы по высоте вихревого ре­ актора. Выведенный излишек контактной массы удаляется по трубопроводу, примыкающему к нижней части реактора. Све­ жая контактная масса (песок, мрамор и т. д.) вводится при по­ мощи эжектора в плоскости верхнего уровня загрузки.

жесткости воды. Принимаем для аммонийного умягчения воды четыре реактора. Расход умягчаемой воды на один реактор

Q =47,5 м3/ч, или (7=0,013 м3/сек.

= 0,15 м, следовательно, площадь нижней части реактора f„ = =0,017 м2.

Вес контактной массы, необходимой для загрузки одного ре­ актора, G ,= 3, 14-10=31,4 кг. ,

Высоту загрузки реактора контактной массой принимаем рав­ ной h3= 0,5 =2,0 м.

этого сечения / i = 1,5 м2.

Объем реактора в пределах заполнения его контактной массой

U71==4--4,0(l,5 + 1/ТХодУГ7 + 0,017)^0,9 м3.

о

Насыщение водой контактной массы в занимаемом ею объеме составит

При удельном весе контактной массы (в плотном объеме) 1,5— 1,6

= 100---------3L4.----- 100 97,7%

,9-1,5-1000

Потери напора в реакторе на 1 м высоты контактной массы в среднем составляют 0,35 м. Таким образом, полная потеря на­ пора в загрузке /г„.з = 0 ,3 5 -/t3= 0,35-2,0=0,7 м.

Потери напора при выходе воды из подающего трубопровода со скоростью 0,7 м/сек и р,=0,9;

Сумма потерь напора в реакторе 2/i=/i„.3+^c = 0 ,7 0 + 0 ,0 3 = =0,73 м.

Аммиачное умягчение подпитывающей воды приводит к по­ явлению в оборотной воде солей аммония. Поскольку кристал­ лизация СаСОз из воды протекает только при величине p H > 9 , то в умягченной воде наряду с сульфатом (или хлоридом) ам­ мония всегда содержится некоторое количество карбоната ам­ мония. Ионы аммония выводятся из оборотной воды при ионо­ обменном частичном обессоливании продувочных сбросов.

По стехиометрическому расчету на 1 мг-экв кальция времен­ ной жесткости расходуется 1 мг-экв NH3, т. е. 17 мг NH3. В дей­ ствительности расход аммиака значительно больший, так как pH 10 достигается при содержании в воде аммиака в виде NH4OH, но не в виде карбоната аммония. В условиях полупроизводственных испытаний метода умягчения днепровской воды ам­ миаком на химкомбинате pH 9,7— 10,0 получали при общей дозе аммиака до 115 мг/л. При этом содержание свободного NH3 в воде составляло 60 мг/л.

Опыт показывает, что расчет необходимой дозы аммиака для полного удаления кальциевой временной жесткости воды может быть произведен по формуле

Дин, = Ж вр-17 + 60, мг/л.

Для более глубокого умягчения воды и снятия постоянной жесткости необходимо вводить карбонат аммония, количество которого определяется из соотношения количества аммиака к углекислоте

Регулирование pH умягченной воды для уменьшения потерь аммиака за счет десорбции на градирнях достигается Н-катио- нированием части осветленной и умягченной подпитывающей или оборотной воды в смеси с умягченной подпитывающей. Как показали испытания, при разбрызгивании воды на градирнях свободный аммиак частично отдувается из воды. При этом pH ее постепенно понижается до 8,1—8,3, после чего потери аммиа­ ка в воздух практически снижаются до нуля. Для предотвраще­ ния этих потерь аммиака и для повышения стабильности умяг­ ченной подпитывающей воды ее pH должен быть доведен до 8,1—8,3.

В подпитывающей умягченной и осветленной воде содержание свободного аммиака составляет

мг-экв/л. (63)

Связывание аммиака в аммонийные соли (хлориды, сульфа­ ты, нитраты, карбонаты) осуществляется Н-катионированием части воды, при котором освобождается количество серной, со­ ляной, азотной и угольной кислот, эквивалентное количеству

поглощенных катионитов ионов Са2+, Mg2+ и NH<\

При смешении равных количеств катионированной и некатионированной подпитывающей осветленной и умягченной воды ос­ вободившиеся в катионированной воде кислоты свяжут аммиак

в — = р 4 подпитывающей воды. Таким образом, доля подпи-

3,5

тывающей воды, отводимой на Н-катионирсвание, составляет

мг/ч.

1 + Ра

Здесь 2А — сумма анионов сильных кислот в воде, направля­ емой на Н-катионирование, мг-экв/л\ р=р\+Р2+Рз — подпитка оборотной системы, мг/ч\ 3,5 — содержание свободного аммиака в воде, направляемой на Н-катионирование, мг-экв/л. При Н+- катионировании части оборотной воды доля ее составляет

— - ----- , мН, где ку — коэффициент упаривания подпитываю- 1 + kyPt

щей воды в оборотной системе.

Оптимальный вариант катионирования подпитывающей либо оборотной воды определяется технико-экономическими расчета­ ми. Следует иметь в виду, что при более высоком солесодержании в исходной воде возрастает удельный расход кислот на ре­ генерацию Н+-катионитовых фильтров.

На предприятиях, имеющих собственную азотную кислоту, и особенно там, где есть производство нитрата аммония, целесо­ образно регенерацию катионитов производить 20—25-процентны­ ми растворами азотной кислоты. В этом случае регенерационный

раствор может быть донасыщен аммиаком и направлен на ути­ лизацию в цех аммиачной селитры (содержание в растворе ам­ миачной селитры составит после нейтрализации около 30%). Катионирование осуществляется в одну или две ступени. При катионировании в две ступени первая ступень выводится на ре­ генерацию после проскока ионов кальция или магния. Таким об­ разом, после второй ступени катионирования можно получить практически чистый раствор (30%) нитрата аммония. Регенера­ ционные растворы после первой ступени катионирования будут содержать в основном нитрат кальция и магния. Катионирова­ ние производится на смоле КУ-2 в водородной форме. Емкость катионита по аммиаку — 2,5 кг-экв/т сухой смолы. Остальная емкость смолы используется для поглощения ионов кальция и магния из солей постоянной жесткости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Качество воды, подаваемой на производственные нуж­ ды, устанавливается в зависимее™ от требований технологиче­ ских процессов предприятий с учетом влияния качества воды на выход продукции и ее себестоимость.

Метод обработки воды и рекомендуемый состав сооружений, определяются качеством воды источника водоснабжения, назна­ чением водопровода, а также технико-экономическими обосно­ ваниями с учетом технологических изысканий (табл. 23).

Таблица 23. Способы химической обработки воды (СНиП П-Г. 3—70)

На предприятиях химической промышленности процесс освет­ ления воды для прямоточного и оборотного водоснабжения не отличается от осветления для целей хозяйственно-питьевого во­ доснабжения. Обработка воды коагулянтами применяется для очистки производственной воды от взвешенных веществ, сниже­ ния цветности, а также для интенсификации процессов кристал­ лизации карбоната кальция и осаждения гидрата окиси магния при использовании сооружений осветления воды в схехмах реа­ гентного и реагентно-ионитового умягчения и обессоливания во­ ды. Наиболее распространена обработка коагулянтами воды открытых источников. При этом вместе с освобождением воды от взвеси из нее удаляются коллоидные вещества, планктонные

организмы, существенно снижается бактериальная загрязнен­ ность воды [19].

Взвешенные вещества в водах открытых водоемов состоят из песка, глин, ила, Планктонных организмов. Во взвешенном со­ стоянии'могут также находиться продукты гибели и разрушения растений. Скорость осаждения взвешенных веществ в воде зави­ сит от размеров частиц, их формы, плотности и степени шерохо­ ватости. Для частиц взвеси средней дисперсности сопротивление пропорционально скорости осаждения в степени, значение кото­ рой больше 1 и меныЦе 2 [4]. Наиболее мелкие частицы суспен­ зий размером от 3 -^ 4 до 0,1 мм и коллоидные частицы размером от 0,1 до 0,001 мм во взвешенном состоянии устойчивы и само­ произвольно практически не оседают.

Приемлемую скорость осаждения имеют частицы крупностью 30—50 мк, т. е. не мельче илистых частиц. В других случаях без применения коагулянтов выделение из воды взвешенных частиц отстаиванием невозможно.

В условиях движущегося потока воды вертикальная состав­ ляющая скорости потока замедляет выпадение частиц. Величина вертикальной составляющей скорости потока подчиняется зако­ ну Гаусса. Следовательно, в любой точке потока могут появить­ ся скорости, непостоянные по величине и направлению. Этим же изменениям подвергаются и действительные скорости пере­ мещения частиц в отстойнике. В таких условиях расчетное оп­ ределение скорости осаждения коагулированной взвеси невоз­ можно. Поэтому для расчета отстойников скорость осаждения взвеси следует определять на основании экспериментальной кри­ вой процентного выпадения взвеси. Для построения этой кривой по оси абсцисс откладывают экспериментальные числовые зна­ чения продолжительности отстаивания в мин, а по оси орди­ нат — количество выпавшей взвеси в процентном отношении к первоначальному содержанию взвешенных веществ.

Не менее важным параметром при расчете отстойников явля­ ется вертикальная составляющая скорости потока. Эта величи­ на линейно зависит от средней скорости потока. Поэтому сред­ няя скорость движения воды в горизонтальном отстойнике на­ значается в зависимости от расчетной скорости выпадения взве­ си U0, которая, в свою очередь, зависит от мутности воды в источнике водоснабжения.

В СНиП приведены некоторые ориентировочные значения скорости выпадения взвеси Uo в мм/сек, задерживаемой отстой­ ником [3]. При этом коэффициент а, учитывающий взвешиваю­

где Uо— скорость выпадения взвеси, задерживаемой отстойни­ ком, мм/сек; Vcp— средняя горизонтальная скорость движения воды в отстойниках, мм/сек (принимается равной Кср =KUo).

1

Величина а зависит от коэффициента К; величину коэффи­ циентов К и а определяют в зависимости от отношения длины горизонтального отстойника L к его глубине Я.

Содержание взвеси в отстоенной воде следует принимать не

П р и м е ч а н и е . При применении флокулянтов для коагули­ рования взвеси значение U0 следует увеличивать на 20— 30%.

Удаление из воды коллоидных частиц и высокодисперсных взвесей осуществляется методом коагуляции. Часто в зависимо­ сти от требований, предъявляемых к качеству воды, ее исходных свойств и дальнейшей схемы обработки, наряду с осветлением производят снижение щелочности воды, т. е. частичное умягче­ ние ее, для чего применяют предварительную обработку воды известкованием. Процессы магнезиального обескремнивания и обезжелезивания воды также часто сочетают с коагуляцией.

Указанные методы составляют группу методов осаждения, так как вещества, удаляемые из воды, выделяются в виде осадка.