книги / Оборотное водоснабжение химических предприятий
..pdfщества часть воды из оборотного цикла может намеренно сбра сываться и заменяться свежей водой из источника в том же ко
личестве, т. е. и^доб = № сбр Количество воды, добавляемое в цикл, будет
1^доб=1^ест.пот + и^сбр, м*!ч. |
(8) |
Количество воды, необходимое для сброса Wc6? с целью под держания в воде заданной концентрации не выше атах , может быть определено по формуле:
|
ал1^|1гп |
|
|
|
^сбр = |
ашах |
ац- ОРп.п + |
WyH), М3/чу |
(9) |
где ад — концентрация растворенного |
вещества в воде, добав |
|||
ляемой в цикл, г/ж3.атах |
— концентрация того же вещества, до |
|||
пустимая в оборотной воде, г/мг. |
|
|
||
В величину Wп.п не входят потери воды в результате испаре |
||||
ния в различных технологических процессах — эту |
величину |
|||
следует учитывать дополнительно. |
|
|
При циркуляции оборотной воды в закрытых холодильниках в количестве Wn с концентрацией в ней нерастворенного вещест ва, не превышающей 6П, и при отсутствии загрязнения ее в тех нологическом процессе, требуемое количество воды, подаваемой в систему, составляется из W0очищенной воды с концентрацией в ней вещества 60 (причем Ьо>ЬП) и WAo6 >подаваемой из источ ника водоснабжения для пополнения потерь с концентрацией того же вещества Ьл(при 6Д< 6 П).
Сбрасываемое дополнительно количество воды для поддержа ния в подаваемой воде нерастворимого вещества с концентраци
ей не более Ьп (при |
6Д< Ь П) определяется по формуле |
|
|
^сбр |
= °о — |
----- VFecT.noT , М*1ч, |
(10) |
где Ьо— концентрация вещества в воде после очистных соору жений, г/м3; Ь„ — допустимая концентрация того же вещества в . воде, подаваемой производству, г/м3; Ьд — концентрация того же вещества в воде, добавляемой в систему из источника водоснаб жения, г/м?; М^ест.пот — по формуле (6).
Если этот сброс достигает более 4— 6% от количества воды, циркулирующей в системе, то целесообразна дополнительная очистка оборотной воды (фильтрование, отстаивание и т. д .). Ко личество воды, подлежащее дополнительной обработке, опреде ляется по формуле
= |
м3/к, |
(11) |
Ь0 ~ |
ЬЛ.О |
|
где &д.о — концентрация вещества в воде, прошедшей дополни тельную обработку, 8/M3\Wn — количество оборотной воды, пода ваемой потребителю, мг/ч.
Рис. 5. Балансовая схема предприятия:
1— водозабор; |
2 — водопроводная |
очистная |
станция; |
3 — сооружения повторного |
использования |
промывной |
воды; |
4 — аммиачное |
|||||||
производство; |
5 — водооборотный цикл аммиачного |
производства; 6 — расширение аммиачного |
производства; |
7 — водооборотиый |
|||||||||||
цикл расширения аммиачного производства; |
8 — сернокислотное производство; 9 — водооборотный |
цикл |
сернокислотного |
производ |
|||||||||||
ства; |
10 — производство азотной |
кислоты; |
11 — водооборотный цикл производства |
азотной |
кислоты; |
12 — производство |
сложных |
||||||||
удобрений; 13 — чистый оборотный |
цикл производства сложных удобрений; 14 — слабозагрязненный |
оборотный |
цикл |
производства |
|||||||||||
сложных удобрений; 15 — хнмводоочистка; |
16 — ремонтно-механические мастерские; 17 — цех |
обработки |
осадка; |
18, |
19, |
20, 21 — про |
|||||||||
чие |
предприятия; 22 — котельная; |
23— буферный пруд-шламонакопитель; 24 — накопитель |
шлама |
фториевых |
солей; |
25 — сооруже |
|||||||||
ния водооборотного цикла фториевых солей. Вода: I — речная; II — повторно используемая; III — осветленная; |
IV — фильтрован |
||||||||||||||
ная декарбонизованная; V — смешанная для подпитки оборотных систем; VI — умягченная; |
VII — обессоленная; |
VIII — охлажден |
|||||||||||||
ная; |
IX — отработавшая оборотная; X — канализация химзагрязненных стоков; XI — промливневая |
канализация; |
XII — шлам от |
водопроводных очистных сооружений; X III— потери в производстве и на градирнях; XIV — гидролизная вода.
Однако дополнительная обработка воды связана с потерями ее на собственные нужды сооружения, определяемыми по фор муле
ЧРп.ф-О.ОбЧГд.о, м3!я. |
(12) |
Целесообразная величина сброса воды должна определяться технико-экономическими расчетами.
Баланс воды в проектируемых системах оборотного водоснаб жения следует составлять на летний и зимний периоды (макси мальное и минимальное потребление и потери воды в системе). Пример балансовой схемы для предприятия азотной промышлен ности приведен на рис. 5.
Общая убыль воды из системы складывается из потерь ее в производстве Qn.n. испарения Q1Icn , уноса ветром на водоохлаж
дающих |
устройствах Q yHOc , потери с осадком, удаляемым из |
очистных |
сооружений, Q0CM , а также дополнительной фильтра |
цией О*. Для поддержания стабильного качества оборотной во ды осуществляется сброс части ее из системы Q c6poc-
Количество воды, выводимой из системы, компенсируется до бавкой воды в систему:
Qaоб == Qy6 = Qn.n "t" Qncn Qynoc ~Ь Qocaa "Ь Q<}> “Ь Qc6poc‘ 0 3 )
АНАЛИЗ ВОДЫ И ЕГО ПРОВЕРКА
Исследование процессов, протекающих в оборотной воде, производится на основании полных химических анализов воды. Отбор пробы воды является важной частью ее анализа, необходимым условием правильности получаемых результатов и применимости их в практике. Достоверность данных анализов очень важна. Полный анализ воды должен содержать сведения о жесткости воды и ее составляющих, содержании взвешенных веществ, сухом остатке и окисляемости воды, содержании ионов кальция, магния и натрия, сульфатов, хлоридов, силикатов, кар бонатов, представляемых в виде анионов. Чаще всего содержа ние перечисленных веществ выражается в мг/л, а жесткость во ды — в .иг •же!л.
Общая жесткость воды показывает концентрацию в ней катио нов двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния. Жесткость природных вод может изменяться при обработке на водопроводных станциях или при сбросе в них сточных вод. Количество кальция и магния, эквивалентное коли честву карбонатов и гидрокарбонатов, называется карбонатной жесткостью. Некарбонатная жесткость определяется как раз ность между общей и карбонатной жесткостью и показывает количество катионов щелочноземельных металлов, компенсиро ванных анионами минеральных кислот (хлорид-, сульфат-, нитрат-ионами и др.). Значения карбонатной и некарбонатной
жесткости получают с помощью расчетов, используя величину об щей жесткости и щелочности воды. Результаты определения жес ткости выражают в мг-экв/л-, иногда встречаются данные жестко сти, выраженные в других единицах [8], например немецких или французских градусах.
Кальциевую составляющую общей жесткости можно подсчи тать по формулам
Ж са = [Са2+ ] : 20,04, |
(14) |
Ж Са=[СаО ] : 28,04. |
(15) |
Магниевая составляющая общей жесткости выражается фор
мулой |
|
Жмв = [Mg2+] : 12,16 |
(16) |
или |
|
Ж м е= [MgO] : 20,16, |
(17) |
где Жса и Жмг — кальциевая и магниевая составляющие общей жесткости воды, мг/л; [Са2+ ], [Mg2+] — концентрация в воде катионов кальция и магния, мг/л\ [CaO], [MgO] — то же, в пе ресчете на окислы этих металлов.
По приведенным в анализе концентрациям анионов карбоната и бикарбоната можно проверить правильность определения вели
чины карбонатной жесткости воды по формулам |
|
|
Ж« = [СО§-]: 30,01; |
(18) |
|
Ж К=[Н С О Г ]:61,02, |
(19) |
|
где Ж к — величина карбонатной жесткости воды, |
мг-экв/л; |
|
[СОз- ] — концентрация |
ионов карбоната; [НСОГ |
J — концен |
трация анионов бикарбоната в воде, мг/л. |
|
|
Используя требования |
электронейтральности, правильность |
анализа воды можно проверить сопоставлением данных о содер жании катионов и анионов:
[Na+] |
, |
[Са2+] |
|
[Mg2+] |
|
|
[СП]. , |
23,0 |
"Г |
20,04 |
^ |
12,16 |
”Г ' |
|
35,48 |
|
+ |
[SO2- ] |
+ |
[SiO2- 1 |
+' |
[СО|-] |
(20) |
|
48,03 |
38,03 |
30,01 |
||||
|
|
Здесь [Na+], [Са2+], [Mg2+ ] — концентрация ионов натрия,
кальция, магния, мг/л\ [Cl- ], [SO*- ], [SiOi- ], [СОз- ] — кон центрация хлор-, сульфат-силикат, карбонат-ионов в воде, мг/л.
Если при подстановке значений концентраций ионов из анали за сумма их в левой части выражения (20) окажется равной сум ме правой, то анализ верный.
ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Для пополнения неизбежных потерь в цикле водо снабжения и поддержания постоянного состава воды в систему оборотного водоснабжения постоянно поступает некоторое коли чество свежей, так называемой подпитывающей воды, в различ ной степени обработанной.
Подпитывающая и оборотная вода отличаются общим солесодержанием, жесткостью, pH, количеством растворенной углекис-
Рис. 6. Зависимость между толщиной накипи и перерас ходом топлива.
Перерасход процтоплива, t>О)СХ>О -ьГчз и
1 2 3 4 5 6
Толщина накипи, мм
лоты, температурой и т. д. Вызванное смешением вод нарушение их стабильности может привести к интенсификации процессов коррозии или инкрустации теплообменных систем и к нарушению вследствие этого режима работы технологических аппаратов предприятия. Резко ухудшает работу теплообменных аппаратов и развитие в системе значительных биологических обрастаний, повышающих потерю напора при движении воды в теплообмен никах и снижающих скорость теплопередачи. На рис. 6 показана зависимость между толщиной отложений накипи и перерасходом топлива для достижения одинакового эффекта в теплообменни ке; увеличение толщины отложений вызывает почти прямо про порциональное возрастание перерасхода топлива.
ИНКРУСТАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ИКОММУНИКАЦИЙ
Снеумягченной подпитывающей водой в систему обо ротного водоснабжения вносится некоторое количество солей временной жесткости (преимущественно бикарбоната кальция).
Вводе бикарбонат кальция находится в равновесии с раство ренной углекислотой
2НСОГ ^ COl” + со * + н ,о .
Состояние равновесия характеризуется соотношением
' [СО,] [СО*-] [НС03-]
Положение равновесия зависит от температуры воды и пар^ циального давления углекислоты в атмосфере над водой.
В результате процессов, протекающих в оборотной воде, — нагревание и охлаждение, отдувка свободной углекислоты при аэрации и разбрызгивании воды и охлаждающих распыляющих устройствах, попадание щелочи из реакционных растворов через различные неплотности аппаратуры — содержание свободной уг лекислоты постепенно уменьшается. Это приводит к смещению углекислотного равновесия в оборотной воде — превращению
ионов НСОГ в ионы СОз~— и вызывает кристаллизацию СаСОз, образующего на теплообменных поверхностях прочные отло жения.
Даже в замкнутой системе при постоянном парциальном дав лении С 02 нагрев воды от 10 до 40° (т. е. в интервале, обычном для систем оборотного водоснабжения) смещает углекислотное равновесие вследствие уменьшения растворимости углекислоты от 2,4 до 1 г/л, т. е. в 2,4 раза; приблизительно в 2,4 раза возра-
[со|—I
стает в воде отн ош ен и е------— что приводит к выделению |нсо3 1
60% ионов кальция в виде нерастворимого СаСОз в том случае,
если в воде ионами НСОз" были скомпенсированы катионы Са2+ Исследования, выполненные по ВНИИводгео, показали, что нарушение углекислотного равновесия в оборотной воде не при водит к полному разложению бикарбонатов. Так, в условиях эксперимента щелочность воды (содержание бикарбонатов) не уменьшалась более чем до 3—3,5 мг-экв/л, хотя содержание рав
новесной углекислоты уменьшилось до 1— 1,5 мг-экв/л.
Данные, характеризующие зависимость изменения щелочно сти воды в процессе циркуляции от различного ее начального содержания, а также концентрирование хлоридов в циркулиру ющей воде, приведены на рис. 7.
Основную роль в торможении выделения избыточного СаСОз
играет низкое значение pH (ниже 8,5) |
при жесткости воды до |
3 мг-экв/л; повышение концентрации |
ионов Са2+ в воде, обла |
дающей большой некарбонатной жесткостью, приводит, есте ственно, к большему падению остаточной карбонатной жесткости при нарушении углекислотного равновесия (рис. 8).
Исследования по изменению величины жесткости оборотной воды, в которую не добавлялась подпитывающая вода, привели к аналогичным результатам [9], хотя и производились с водой несколько иного состава, чем в опытах ВНИИводгео.
При циркуляции в оборотной теплообменной системе днепров ской воды в"течение 240 ч (190 циклов) процесс кристаллизации
карбоната кальция начался после того, как концентрация ионов кальция в воде в результате постепенного упаривания повыси лась до 2,8 мг-экв/л. Дальнейшая рециркуляция оборотной воды вызвала снижение содержания ионов кальция в растворе, что
ibwrVo
8
^35- 6
I |
I24 |
26 |
О |
Рис. 7. Кинетика распада бикарбона та в циркуляционной воде при темпе ратуре + 50°С:
1 — начальная |
щелочность 10,8 |
мг-экв/л: |
,2 — начальная |
щелочность 7,2 |
мг-экв/л; |
3 — начальная |
щелочность 3,4 |
мг-экв/л; |
4 — повышение |
концентрации хлоридов |
Рис. 8. Величина предельной карбо натной жесткости воды в зависимос ти от некарбонатной жесткости при температуре:
/ — 45°С; 2 — 55°С; 3 — 65°С.
свидетельствовало о начавшейся инкрустации поверхности труб теплообменника.
При циркуляции в такой же системе днепровской воды, освет ленной алюминиевым коагулянтом, кристаллизация СаС03 на чалась после того, как в результате упаривания и нарушения уг лекислотного равновесия pH оборотной воды поднялась от 6,9— 7,6 до 8,6—8,8, а общая концентрация ионов Са2+ превысила 4,1 мг-экв/л. В результате взаимодействия освобождающихся
при гидролизе A12 (S04)3 ионов водорода с ионами НСО-Г вре менная жесткость (или щелочность) воды снизилась до 1,3 мг-экв/л и к моменту начала кристаллизации СаС03 из обо ротной воды достигла всего 1,6 мг-экв/л.
Сравнение данных, полученных при упаривании в оборотной системе днепровской воды без предварительной обработки коагу лянтом и осветленной коагулированием, показало, что, хотя аб солютная длительность рециркуляции до начала инкрустации по верхностей карбонатом кальция в последнем случае возросла от 216 ч (170 циклов) до 264 ч (219 циклов), начало кристалли зации СаС03 из воды, осветленной коагулированием и имеющей вследствие этого большую постоянную жесткость, наступает при более низкой временной жесткости, чем в случае рециркуляции сырой днепровской воды (1,16 мг-экв/л вместо 2,8).
На рис. 9 показано, как изменяются в процессе рециркуляции и упаривания оборотной воды основные показатели ее качества. Вода здесь так же, как и в предыдущих исследованиях, циркули ровала в системе без пополнения потерь; pH оборотной воды стабилизируется после повышения приблизительно до 8,8. Общее же солесодержание воды непрерывно возрастает вследствие на копления в ней растворимых солей (хлоридов и сульфатов).
Предельная карбонатная жесткость воды в оборотных систе мах водоснабжения существенно зависит от температуры. Не только увеличение постоянной жесткости вызывает снижение критической временной жесткости, но и уменьшение последней в более жестких водах с ростом температуры оказывается более значительным (рис. 10).
Разложение бикарбонатных ионов и уменьшение временной жесткости воды затормаживается в присутствии многих органи-
Содержание С'а,мгжб!л
|
|
|
|
! |
|
|
r -4i — |
|
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
‘ |
|||
|
|
|
|
[ |
4 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
i |
|
I |
|
||
|
|
Г |
" |
i |
|
, |
|
1 |
[ |
1i i |
! |
fjo__ I |
|
. |
! |
IM |
I |
|
i : |
|
■ |
||
48 |
|
! |
240 264 |
||||||||
О |
24 |
72 |
96 |
120 |
144 168 |
192 |
216 |
||||
|
|
|
|
Время опыта, |
ч |
|
|
|
|
О 19 38 57 76 96 114 133 152 171 190 219 Количестбо циклоб использобония боды
а
Рис. 9. Изменение ионного состава необработанной (а) и обработанной коагулян том (б) днепровской воды при циркуляции в оборот ном цикле. Температура на грева 40—45°С, температур ный перепад при охлажде нии + 5°С.
б
ческих веществ. В воде, богатой органическими веществами, влияние постоянной жесткости на критическую карбонатную жесткость ослаблено. Разложение солей временной жесткости и образование карбоната кальция в присутствии органического вещества, например водного гумуса, наблюдается только при
|
|
|
|
|
Продолжительность опыта, ч |
||||||
|
|
|
|
Е Ч |
|
|
X |
3 |
|
2 |
|
|
|
|
|
| $ 5 |
|
т т |
-----V- |
|
|||
|
35 45 55 65 75 |
Qj ^ 7 |
4 |
8 |
X |
16 |
20 |
24 |
|||
|
Температура, |
град С |
|
0 |
12 |
||||||
Рис. |
10. Зависимость |
величины |
|
Продолжительность опыта, ч |
|||||||
Рис. И. Изменение качества речной |
|||||||||||
предельной |
карбонатной жест |
воды и воды общего заводского сто |
|||||||||
кости |
воды |
оборотной системы |
ка при нагреве до 40—42°С и охлаж |
||||||||
от температуры: |
|
дении до 30—32°С: |
|
|
|
|
|||||
/ — 1,1 |
мг-экв л\ 2 — 3,6 мг-экв(л; |
1— речная |
вода |
без |
освежения (упарива |
||||||
3 — 7,7 мг-экв!л. |
|
ние); |
2 — то же, с |
добавкой |
4% |
свежей |
|||||
|
|
|
|
воды; |
3 — вода |
общего /стока |
без |
освеже |
|||
|
|
|
|
ния; |
4 — то |
же, |
с добавкой |
4% |
свежей во |
||
|
|
|
|
ды. |
|
|
|
|
|
|
|
концентрации бикарбонатных ионов более 5,6 мг-экв/л. Быстрое разложение бикарбонатов затормаживается по мере приближе ния к этой критической концентрации, что делает такие воды от носительно стабильными. При этом количество распадающихся
ионов НСОз" определяется величиной потерь оборотной воды от испарения.
В соответствии с этим критическая карбонатная жесткость в многократно нагреваемых подземных водах, содержащих мало органических веществ, оказывается, как правило, более низкой, чем критическая карбонатная жесткость воды из открытых источ ников водоснабжения. Многократный нагрев до 40—45°С воды подземных источников приводит к установлению критического равновесия при содержании бикарбоната кальция приблизи тельно 2,8 мг-экв!л. Если исходная вода имела более низкую временную жесткость, то жесткость ее при упаривании в оборот ной системе возрастает до этой величины. При начальной карбо натной жесткости свыше 3,6 мг-экв!л наблюдается процесс пони жения карбонатной жесткости, затухающий в пределах 2,1— 2,9 мг/экв/л.
В работе [10] исследованы вероятность возникновения и ин тенсивность карбонатных отложений в водах, химический состав которых приведен в табл. 8.
Показатели
Вода |
|
оборот |
оборот |
ная |
ная в |
речная охлаж системе даю газо щая очистки
Общий сток химкомбината (без биохимии ски очищенно! воды) |
Смесь производ ственных и бы товых сточных вод после био химической очистки |
«5
Общийс стокхимкомбинатабиохнмнчесьво,очищенной
Температура, град С |
22 |
26 |
24 |
_ |
20 |
24 |
|
Цветность, град |
35 |
— |
10 |
30 |
80 |
20 |
|
Прозрачность, |
см |
22,8 |
— |
5.5 |
25 |
10,5 |
27 |
Взвешенные |
вещества, |
7.2 |
28,6 |
_ |
11,2 |
32 |
37,4 |
мг/л |
общая, |
||||||
Щелочность |
4,2 |
4.2 |
5,9 |
4,2 |
6,6 |
4,4 |
|
мг•же!л |
общая, |
||||||
Жесткость |
11 |
13,5 |
14,7 |
13,9 |
6,3 |
13,3 |
|
мг •же!л |
|
||||||
pH |
|
8 |
8,2 |
7.4 |
8 |
8,45 |
7,6 |
Плотный остаток, мг/л |
1388 |
1650 |
— |
1670 |
744 |
1684 |
|
Прокаленный |
остаток, |
948 |
_ |
— |
1250 |
514 |
1072 |
мг/л |
|
||||||
В том числе: |
|
342 |
400 |
580 |
500 |
154 |
440 |
С Г |
|
||||||
SO*“ |
|
216 |
350 |
336 |
469 |
120 |
336 |
NH^" общий |
|
0,26 |
Следы |
2,8 |
7,4 |
1,63 |
5 |
N O f |
|
0,3 |
— |
4 |
0,5 |
5 |
2 |
N 03~ |
перманга- |
0,8 |
— |
0,17 |
33 |
22 |
39,6 |
Окисляемость |
17,6 |
15 |
89,6 |
5,6 |
20,8 |
7,2 |
|
натная, мг/л |
|
Изменение показателей качества речной воды и общезавод ских сточных вод при нагреве до 40—42°С показано на рис. 11. Термостабильность речной воды, общезаводского стока и биохи мически очищенной смеси бытовых и промышленных сточных вод сопоставлена в табл. 9.
Таблица 9. Результаты исследования термостабильности воды
|
Скорость выделения |
карбонатных отложе |
||
Исследование термостабильности |
воды |
ний, |
г/м2-ч |
|
|
|
Биохимически |
||
|
Речная вода |
Общий сток |
||
|
очищенная |
|||
|
|
|
|
вода |
Без добавки свежей воды |
2.7 |
3,8 |
4,5 |
|
С добавкой 4% свежей воды |
2.4 |
1,3 |
1,87 |
|
То же, 10% |
1 .8 |
— |
— |