Тогда потребляемый расход электроэнергии составит

а потери напора в установке

Бактерицидная установка ОВ-АКХ-1 позволяет объединить в одном помещении до шести пятикамерных секций, располагаемых параллельно друг другу. Так как одна секция обычно является резервной, то максимальная суточная рабочая производительность всей установки может достигать Qcyт=180∙5∙24=21600 m3/сутки.
Увеличение количества секций свыше шести делает установку громоздкой и неудобной в эксплуатации. Поэтому в Академии коммунального хозяйства разработаны бактерицидные установки большей производительности, оснащенные ртутно-кварцевыми лампами РКС-2,5. Для этой лампы расчетный бактерицидный поток почти вдвое больше, чем для лампы ПРК-7.
Пример. Рассчитать безнапорную установку типа ОВ-1П-РКС
Обеззараженная вода прошла обработку на водоочистных сооружениях.
Заданный расход воды Qчac=3000 м3/ч. Расчетные параметры: а = 0,3 см–1; Р0=1000; Р=1; k = 2500 мквт∙сек/см2; η=0,9 и η0= =0,9; Fл =75 вт (см. табл. 51).
Расчетный бактерицидный поток по формуле (121)

Потребное число ламп РКС-2,5 будет

Следовательно, установка типа ОВ-1П-РКС должна состоять из девяти кассет, по восемь ламп в каждой. Принимаем девять рабочих кассет и одну резервную, или всего (9+1)8=80 ламп.
Длина рабочей части канала установки

где l — расстояние между кассетами, равное 0,4 м;
N — общее количество кассет.
§ 39. Озонирование воды
Общие сведения. Первые попытки применения озона для обеззараживания воды были предприняты в Западной Европе в конце XIX в., но практически озонирование осуществлено лишь в начале XX столетия.
213
Проблемы использования озона рассматривались на русских водопроводных съездах в 1901 и 1907 гг. Постановления, принятые съездами — прогрессивной общественно-технической организацией, способствовали устройству в Петербурге фильтроозонной станции.
В 1911 г. состоялся пуск этой станции в действие; в то время она являлась первой, самой крупной озонирующей установкой в мире и обеспечивала обработку 50 тыс. м3/сутки питьевой воды. Однако начавшаяся вскоре мировая война 1914—1918 гг., а затем иностранная интервенция против Советской России не позволили обеспечить поддержание станции на необходимом техническом уровне. Для обеззараживания воды стали применять хлорирование.
В настоящее время озонирование воды широко используется во Франции. Здесь в постоянной эксплуатации находятся сотни озонирующих установок, обрабатывающих суммарно свыше 1,7 млн. м3/сутки питевой воды, что составляет более 35% всего расхода воды, подаваемой централизованными водопроводами.
Рост числа озонирующих установок объясняется заметным улучшением их технико-экономических показателей.
В СССР за последние годы выполнены исследования по применению озона для обработки воды рек Невы, Волги, Днепра и др. Пущены в эксплуатацию озонирующие установки в Донбассе (в гг.Часов Яре и Горловке), в г. Горьком (Слудинская станция и в поселке ГРЭС); проектируются мощные установки озонирования на Восточной водопроводной станции Москвы, на Днепровской станции г. Киева и ряд других.
Свойства озона. Озон обладает свойством быстро разлагаться в воздухе и, особенно, в воде. Растворимость озона в воде находится под заметным влиянием величины рН и количества веществ, растворенных в воде; небольшое содержание кислот и нейтральных солей усиливает растворимость озона, а наличие щелочей снижает ее.
Вследствие высокого окислительного потенциала бактерицидное действие озона, введенного в воду, сильнее, чем у других химических агентов. Поэтому озон вполне обеспечивает обеззараживание воды от бактерий, если вода предварительно осветлена или если мутность природной воды ниже 3 мг/л. Это условие не является характерной чертой озонирования, так как предварительная очистка мутных вод обязательна при любых методах обеззараживания (при хлорировании, бактерицидном облучении и т. д.).
Следует отметить различия в действии озона на бактерии, содержащиеся в воде, по сравнению с действием хлора, С повышением интенсивности хлорирования постепенно увеличивается число отмирающих бактерий. Между тем озонирование вызывает внезапное резкое и полное бактерицидное действие, соответствующее определенной критической дозе озона.
Озон действует не только на окислительно-восстановительную систему бактерий, но и непосредственно на протоплазму, тогда как хлор — только на ферменты микробиальной клетки. Поэтому озон
214
значительно активнее хлора по отношению к вирусам, поскольку последние не имеют, или почти не имеют, ферментных систем.
Вирус полиомиелита погибает при величине остаточного озона 0,45 мг/л через 2 мин, а при дозе хлора 1 мг/л— только через 3 ч. Озон обладает высокой эффективностью также в уничтожении споровых бактерий, цист1 и многих других патогенных микроорганизмов. Действие озона на споровые бактерии в 300—600 раз сильнее, чем хлора. Озон адсорбирует и окисляет гуминовые кислоты, вызывающие цветность воды. Исследования показали, что с увеличением степени обесцвечивания повышается удельная доза озона на 1° цветности воды. Опыты в Москве показали, что для получения равного эффекта обесцвечивания нужно в 2,5 раза меньше озона, чем хлора. Озон действует в 15—30 раз быстрее хлора. Если вода поступает из водохранилища с несколько повышенной цветностью, вызванной развитием водорослей и фитопланктона, целесообразно применять двухступенчатую обработку воды: на микрофильтрах с последующим озонированием фильтрата.
После обработки хлором вода имеет зеленовато-желтую окраску. Озонирование придает воде отчетливый голубой оттенок. Следовательно, обработка воды озоном снижает окраску в гамме желтого цвета, но несколько усиливает ее в гамме синего цвета.
Озон может быть применен для удаления из воды железа и марганца в тех случаях, когда обезжелезивание и деманганация воды обычным способом не удаются. Это наблюдается, если железо или марганец содержатся в воде в виде органических комплексных соединений или коллоидальных частиц. Озонирование воды вызывает окисление этих соединений и осаждение железа и марганца. При этом требуется 1 вес. ч. озона на 1 вес. ч. железа и марганца.
Запахи и привкусы воды хорошо устраняются при озонировании. К ним относятся запахи, выделяемые некоторыми водорослями, органическими субстанциями и микроорганизмами.
Хлор также оставляет в воде специфический запах, особенно, если вода мало минерализована. При озонировании возрастает содержание растворенного кислорода, что способствует возврату очищенной озоном воде свежести, характерной для чистых природных источников.
Иногда озонирование применяют с главной целью — для устранения привкусов и запахов воды, так как озон действует на соединения, которые не поддаются действию других химических реагентов. Например, на Восточной водопроводной станции (Москва) хлорирование воды усиливало болотно-тинистый запах волжской воды. После озонирования дозами 0,5—1 мг/л эти запахи интенсивностью 4 балла полностью исчезали.
Особенно эффективен озон при очистке воды, загрязненной фенолами, сероводородом, сернистыми и цианистыми соединениями
1 Цисты — плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов (например, жгутиковых, корненожек) при их размножении, а также в неблагоприятных для них условиях (пересыхание водоемов и т. п.).
215
и другими веществами, способными вызвать плохой запах воды. Между тем хлорирование воды, содержащей фенолы даже в ничтожных количествах, сообщает ей весьма неприятный хлор-фенольный привкус.
Озонирование представляет собой единственный современный метод обработки воды, который действительно универсален, так как проявляет свое действие одновременно в бактериологическом, физическом и органолептическом отношении. С химической точки зрения минеральные вещества, растворенные в воде и определяющие ее качественный состав, после озонирования не изменяются.
Вместе с тем при обработке озоном в воду не вносится никаких дополнительных посторонних веществ, что происходит, например, при хлорировании воды.
Технологическая схема озонирующей установки. Как известно, улучшение качества воды по общепринятой схеме, помимо ее осветления, обеспечивается тремя процессами: обесцвечиванию способствует коагулирование, обеззараживание осуществляется хлором, улучшение вкусовых качеств достигается аммонизацией или при помощи активированного угля.
Рис. 69. Принципиальная технологическая схема установки для озонирования воды
Необходимость выполнения трех различных процессов усложняет технологию обработки воды. Между тем озонирование позволяет одновременно достичь всех этих целей благодаря весьма высокой окисляющей способности озона.
Принципиальная технологическая схема установки для озонирования воды представлена на рис.69. Атмосферный воздух пропускается через фильтр 1 для очистки от пыли, после чего воздушным компрессором 2 нагнетается на охлаждающие устройства 3, откуда поступает в устройства для осушки воздуха 4. Охладителем служит вода, подаваемая в змеевик 5. Охлажденный и осушенный воздух направляется в генераторы озона 6 (озонаторы). Под действием «тихого» электрического разряда получается озон, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в этой озоно-воздушной смеси колеблется для озонаторов различных типов в пределах от 10 до 20 г/м3 (или от 0,85 до 1,7% по весу при температуре 25°С).
Так как тихий электрический разряд сопровождается Тепловы
216
делением, предусматривается охлаждение электродов озонатора водой, поступающей по трубопроводу 7. Напряжение подается на озонатор от повышающего трансформатора 8 по высоковольтному кабелю.
Заключительным этапом технологического процесса является быстрое и полное смешение воды с озонированным воздухом в специальной контактной колонне 9. Диффузия озона в виде мельчайших пузырьков в толще воды осуществляется через сеть пористых трубок 10, размещенных в основании контактной колонны. Вода входит самотеком по трубе 11. Следовательно, вода и озонированный воздух циркулируют во встречных направлениях, что ускоряет процесс растворения озона. Вода выпускается через отверстия в стенке бокового кармана 12, примыкающего к корпусу колонны. Озонированная вода поднимается по этому карману, после чего направляется в резервуар чистой воды по трубопроводу 13. Благодаря рациональным условиям контакта воды с озоном воздух, выходящий в вытяжную трубу 14, содержит только следы озона и может быть выведен наружу без всякой опасности для населения окружающих районов.
Доза озона для обработки воды колеблется обычно от 0,6 до 3,5 мг/л в зависимости от качественных показателей исходной воды.
На рис. 70 представлена установка, оборудованная озонаторами и другими устройствами.

Рис. 70. Озонирующая установка
1 — озонаторы; 2 — воздуходувки; 3 — блок осушки воздуха; 4 — вентиляционная камера; 5 — приточная труба; 6 — помещение КиП
Конструкция озонатора. Генератор озона состоит из двух электропроводных поверхностей—электродов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Конструктивно электроды выполняются либо в виде двух параллельных пластин, либо в виде двух концентрично размещенных трубок разного диаметра (наружная — стальная, внутренняя — стеклянная).
Принятый в СССР генератор озона имеет трубчатую конструкцию, т. е. состоит из пакета трубчатых элементов, размещенных параллельно друг другу в общем цилиндрическом корпусе (рис.71),
217
Количество трубок принимается от 80 до 275 в зависимости от размеров озонатора1. Электродами низкого напряжения являются цилиндры 1 из нержавеющей стали, омываемые охлаждающей водой.
Рис. 71. Схема трубчатого озонатора
Внутри каждого цилиндра находится стеклянная трубка 2; электродами высокого напряжения 3 служат покрытия из графита или алюминия, нанесенные на внутреннюю поверхность стеклянных трубок. Слой такого материала является диэлектрическим барьером; он исключает образование разрядов искровой или дуговой формы и обусловливает равномерную структуру «тихого» разряда. Одновременно диэлектрик выполняет роль реактивного буферного сопротивления, ограничивающего ток в цепи раз-ряда. Присутствие в электрической цепи диэлектрического сопротивления вызывает необходимость обязательного питания озонатора только переменным током.
Рабочее напряжение тока составляет 20000 в с частотой 50 циклов в 1 сек. Источником такого напряжения служит повышающий трансформатор 8. Если присоединить электроды к этому источнику тока, в промежуточном пространстве возникает лиловый свет, представляющий собой видимое проявление «тихого» электрического разряда. Если через разрядные щели пропускать воздух (или кислород), то начнется образование озона. Ширина разрядной щели 9 и толщина стеклянной трубки равны ~2,5 мм каждая.
Впуск в озонатор кондиционированного воздуха производится через трубопровод 4, примыкающий к торцовой плоскости корпуса озонатора. Полученный озон выпускается через трубопровод 5 с противоположного конца корпуса.
Разряд характеризуется двумя температурами —электронной и молекулярной. Поскольку движение электронов более быстрое, чем молекул, то и соответствующая ему температура достигает 10000— 20000°С. Это создает условия для интенсивной бомбардировки молекул кислорода, в результате которой и создаются молекулы озона. Так как молекулярная температура разряда находится в пределах лишь нескольких десятков градусов, то образовавшиеся молекулы озона сохраняют устойчивость.
1 В больших озонаторах нового конструктивного типа трубки размещены с обеих сторон цилиндрического корпуса (таким образом число трубок удваивается).
218
Так как «тихий» разряд сопровождается тепловыделением, необходимо охлаждать электроды. С этой целью подают охлаждающую воду; она входит через трубу 6 и выходит через трубу 7.
Производительность одного озонатора в зависимости от его размеров и конструкции колеблется от 0,4 до 8 кг озона в 1 ч.
Техника безопасности. Реакция превращения озона в кислород является экзотермической, чем объясняется взрывчатость озона. Однако никакого взрыва не происходит, если концентрация озона в озоно-воздушной смеси не превышает 10% по весу. Практически приходится иметь дело с весьма низкими концентрациями — от 0,85 до 1,7% по весу. Такие смеси абсолютно безопасны даже при давлении в несколько атмосфер и при любых воздействиях (т. е. нагревании, ударе и др.).
Озон является отравляющим веществом раздражающего действия. Свойственный ему острый запах является лучшим индикатором его присутствия. Для безопасности обслуживающего персонала содержание озона в помещении должно быть не более 0,0001 мг/л. При концентрации озона в воздухе 0,001 мг/л может быть допущено только кратковременное пребывание человека в помещении. Доза озона 0,018 мг/л вызывает удушье.
Поэтому при устройстве озонирующей установки важно обеспечить: 1) сокращение пути движения смеси озона с воздухом от генератора к контактной колонне; 2) газонепроницаемость трубопроводов, подводящих озон.
Кроме того, выпуск воздуха из контактной колонны после сепарации его от озона надо производить через специальную вытяжную трубу с соблюдением условий, которые приведены на схеме (см. рис. 69).
Автоматизация озонирующих установок. Озонирующие установки могут быть оборудованы как полуавтоматическим управлением, так и полной автоматизацией. Единственная ручная операция заключается в чистке электродов, которая производится только один раз в год. Все контрольно-измерительные приборы автоматической системы управления широко известны в практике. Исключение составляют приборы для измерения остаточного озона в обрабатываемой воде и концентрации озона в воздухе. Действие этих приборов основывается либо на электролитическом, либо на фотометрическом принципе.
Действие первого прибора основано на поляризации электродов озоном, содержащимся в контролируемой воде. Действие второго прибора основано на измерении при помощи фотоэлемента световых волн, длина которых отвечает спектральным линиям озона.
§ 40. Расчет озонирующей установки 1
Основные расчетные данные. Расчетный расход озонируемой воды Qcyт=48500 м3/сутки, или Qчac=2020 м3/ч.
1 Выполнен канд. техн. наук И. В. Кожиновым.
219
Дозы озона: максимальная qозмакс=5 г/м3 и средняя годовая qозср=2,6 г/м3.
Максимальный расчетный расход озона

Продолжительность контакта воды с озоном t=6 мин.
Компоновка и расчет блока озонаторов. Принят озонатор трубчатой конструкции производительностью Gоз=5500 г/ч.
Для того чтобы выработать озон в количестве 10,1 кг/ч, озонирующая установка должна быть оборудована 10100:5500=2 рабочими озонаторами. Кроме того, необходим один резервный озонатор такой же производительности (5,5 кг/ч).
Активная мощность разряда озонатора U является функцией напряжения и частоты тока и может быть определена по формуле проф. Ю. В. Филиппова
(124)
где uр — напряжение в разрядном промежутке в в;
ω — круговая частота тока в гц;
Cэ и Cп—электрическая емкость соответственно электродов и разрядного промежутка в ф;
ua — рабочее напряжение, подводимое к озонатору, в в.
Для определенного озонатора при установленных рабочих условиях величины Cэ, Cп и uр имеют постоянные значения независимо от напряжения или частоты тока. Поэтому расход электроэнергии пропорционален частоте тока со и максимальному напряжению тока uа.
Напряжение тока в озонаторе принимается по опытным данным.
Производительность озонатора увеличивается с повышением частоты тока со, но вместе с тем возрастает расход электроэнергии трансформатором и преобразователем частоты.
Значения Cэ и Cп определяются по обычным формулам для расчета емкости плоского конденсатора; их величины весьма невелики и выражаются в микрофарадах.
Для данных условий принимаем: uа=20000 в; ω=50 гц; Cэ=26,1 мкф и Cп=0,4 мкф.
Величина потенциала разряда через разрядный промежуток составляет 2000 в на каждый его линейный миллиметр. Так как в озонаторе принятого трубчатого типа ширина разрядного промежутка составляет 2,5 мм, то потенциал разряда будет uр=2,5∙2000=5000 в.
Тогда активная мощность разряда озонатора по формуле (124)

220

Следует различать активную мощность озонатора U в квт и вольтамперную мощность Uа, выраженную в ква. Отношение U/Ua=ηe называется емкостным коэффициентом мощности.
При значении ηe=0,52 мощность трансформатора будет Ua=U:ηe=62:0,52=120 ква.
Основной деталью рассматриваемого озонатора являются стеклянные диэлектрические трубки, заплавленные с одного конца и имеющие на внутренней поверхности графитовые покрытия. В стальные трубки внутренним диаметром d1=92 мм вставлены стеклянные трубки наружным диаметром d2=87 мм. Концентрический зазор между трубками шириной 2,5 мм служит разрядным промежутком.
Площадь поперечного сечения кольцевого разрядного промежутка

Скорость прохода сухого воздуха через кольцевой разрядный промежуток в целях наибольшей экономии расхода электроэнергии рекомендуется в пределах υв=0,15 — 0,2 м/сек.
Тогда расход сухого воздуха через одну трубку озонатора

Поскольку заданная производительность одного озонатора Goз=5,5 кг/ч, то при коэффициенте весовой концентрации озона Коз=20 г/м3 количество сухого воздуха, необходимого для электросинтеза, составляет

Следовательно, количество стеклянных диэлектрических трубок в одном озонаторе должно быть птр=Qв:qв=275:0,5=550 шт.
Стеклянные трубки длиной по 1,6 м размещены концентрично в 275 стальных трубках, проходящих через весь цилиндрический корпус озонатора с обоих его концов. Тогда длина корпуса озонатора будет l=3,6 м.
Производительность каждой трубки по озону

Энергетический выход озона

Суммарная площадь поперечных сечений 275 трубок d1 = =0,092 м составляет ∑fтр=275∙0,785∙0,0922≈1,83 м2.
Площадь поперечного сечения цилиндрического корпуса озонатора должна быть больше на 35%, т. е. Fк=l,35∑fтр=l,35∙1,83=2,47м2.
Отсюда внутренний диаметр корпуса озонатора будет

221
Необходимо иметь в виду, что 85—90% электроэнергии, потребляемой для производства озона, затрачивается на тепловыделение. В связи с этим надо обеспечить охлаждение электродов озонатора. Расход воды для охлаждения составляет 35 л/ч на одну трубку или суммарно
Qохл=550∙35=19 250 л/ч, или 5,35 л/сек.
Средняя скорость движения охлаждающей воды составит

Температура охлаждающей воды t=10 С.
Для электросинтеза озона нужно подавать 275 м3/ч сухого воздуха на один озонатор принятой производительности. Кроме того, надо учесть расход воздуха на регенерацию адсорберов, составляющий 360 м3/ч для серийно выпускаемой установки АГ-50.
Общий расход охлаждаемого воздуха
Vо.в=2∙275+360=910 м3/ч, или 15,2 м3/мин.
Для подачи воздуха принимаем водокольцевые воздуходувки ВК-12 производительностью 10 м3/мин. Тогда необходимо установить 15,2:10—1,52≈2 рабочие воздуходувки и одну резервную с электродвигателями А-82-6 мощностью 40 квт каждая.
На всасывающем трубопроводе каждой воздуходувки устанавливают висциновый фильтр производительностью до 50 м3/мин, что удовлетворяет расчетным условиям.
Первая ступень осушки воздуха осуществляется при помощи фреонового холодильного агрегата. Атмосферный воздух охлаждается с 26 до 6°С вследствие испарения фреона-12 (при температуре -15°С).
Количество холода, необходимого для охлаждения воздуха,
(125)
где Vо.в — количество охлаждаемого воздуха в м3/ч;
c —теплоемкость воды, равная 0,241 ккал/кг∙град;
Δt —перепад температуры, принимаемый обычно 20°;
Γ — вес 1 м3 воздуха, равный 1,293 кг.
Следовательно, в данном случае
Qо.в = 910∙1,293∙0,241(26-6)≈5670 ккал/ч.
Объем воздуха V в общем виде вычисляют по формуле
(126)
Тогда при рабочих параметрах воздуха, поступающего в теплообменник с t1=26°С и Pраб=2 ат и выходящего из него с t2=6°C и Pраб=2 ат, по формуле (126):

222

Количество влаги в воздухе q в общем виде определяют по формуле
q=aV, (127)
где а— влагосодержание в воздухе при данной температуре
При t1=26°С величина а1=0,02686 кг/м3, а при t2=6°С а2=0,007474 кг/м3. Тогда
q1=0,02686∙514,8≈13,8 кг/ч;
q2=0,007474∙480,2≈3,6 кг/ч.
Количество влаги, выделяющейся в аппарате холодильной установки, qап=q1–q2==13,8–3,6=10,2 кг/ч.
Количество холода, необходимого для охлаждения паров влаги в аппарате, считая от средней температуры tср=(26+6):2=16°С до конечной i2=6°С, составит qо.вл=10,2∙1(16-6)=102 ккал/ч.
Количество холода для конденсации влаги, задержанной в холодильнике: qконд=qапηк=10,2∙595=6069 ккал/ч (где ηк=595 ккал/ч — теплота конденсации водяных паров).
Общее количество холода для всех операций с учетом 15% на потери: Qхол=1,15(Qо.в+qо.вл+qкон)=1,15(5670+102+6069)≈13620 ккал/ч.
Принимаем к установке фреоновые холодильные агрегаты марки АК-ФВ-30/15 холодопроизводительностыо 7000 ккал/ч (при температуре испарения фреона — 15°С) при мощности электродвигателя 4,5 квт и n=480 об/мин.
Количество таких агрегатов должно быть n=13620:7000≈2 шт. Принимаем два рабочих и один резервный агрегат той же марки.
Вторая ступень осушки воздуха — адсорбирующая установка.
После охлаждения и осушки во фреоновом холодильнике воздух поступает на окончательную досушку в адсорберы автоматического действия марки АГ-50.
Количество осушаемого воздуха для двух рабочих озонаторов составляет Qо.в=2∙275=550 м3/ч.
Продолжительность рабочего цикла адсорбции принимаем τ=10ч.
Вес адсорбента рад при равной высоте двух слоев загрузки — алюмогелем и силикагелем — должен быть:

где k — коэффициент для учета материала загрузки адсорбера;
q3 — количество влаги на выходе из адсорбера, при t3= –50°С равное 0,05 г/м3;
s — влагопоглощаемость адсорбента в % к его весу.
223
Тогда вес алюмогеля рал и силикагеля pсил будет:

Суммарный вес загрузки составит pад=420+301=721 кг. При указанном выше насыпном весе адсорбера и при высоте каждого слоя h=400 мм в одну башню АГ-50 можно загрузить: алюмогеля (нижний слой)

силикагеля (верхний слой)

Суммарная загрузка башни pб=267+188=455 кг.
Следовательно, для досушки воздуха нужно иметь установок АГ-50 в количестве n=pад:pб=721:455≈2 шт. (две рабочих и одну резервную).
Расчет контактной камеры для смешения озоно-воздушной смеси с водой. Необходимая площадь поперечного сечения контактной камеры в плане
(128)
где Qчac — расход озонируемой воды в м3/ч;
Т — продолжительность контакта озона с водой; принимается в пределах 5—10 мин;
п — количество контактных камер;
Н — глубина слоя воды в контактной камере в м; принимается обычно 4,5—5 м.
При Qчac=2020 м3/ч, T=0,1 ч, n=2 и H=5 м

Для равномерного распыления озонированного воздуха у дна контактной камеры размещают перфорированные трубы (рис. 72). Принимаем керамические пористые трубы.
Каркасом служит труба из нержавеющей стали (наружный диаметр 57 мм) с отверстиями диаметром 4—6 мм (рис. 73). На нее надевается фильтросная труба — керамический блок длиной l=500 мм, внутренним диаметром 64 мм и наружным 92 мм.
Активная поверхность блока, т. е. площадь всех пор размером по 100 мк на керамической трубе, занимает 25% внутренней поверхности трубы, тогда

224
При вводе озона в контакт с водой способом барботажа количество подаваемого воздуха не находится в жесткой зависимости от количества обрабатываемой воды. Это позволяет регулировать подачу воздуха. Производительность воздуходувок обычно подбирают так, чтобы, включая в действие одну, две или три воздуходувки, можно было изменять отношение объема газовой смеси к объему обрабатываемой воды.
Величины этого отношения а обычно принимают равными 0,27; 0,5 или 1. В данном случае а=Qо.в:Qчac=550:2020≈0,27.
Тогда количество озонированного воздуха, подаваемого по распределительным трубам, составит qоз.в=2020∙0,27≈550 м3/ч, или 9,17 м3/мин, или 0,158 м3/сек.
Рис. 72. Размещение перфорированных труб у дна контактной камеры
1 — коллекторы; 2 — перфорированные трубы
Площадь поперечного сечения магистральной (каркасной) распределительной трубы внутренним диаметром d=49 мм равна: fтp=0,00188 м2=18,8 см2.
Принимаем в каждой контактной (камере по четыре магистральных распределительных трубы, уложенных на взаимных расстояниях (между осями) по 0,9 м. Каждая труба состоит из восьми керамических блоков. При таком размещении труб принимаем размеры контактной камеры в плане 3,7X5,4 м.

Рис. 73. Детали фильтросных труб
1 — каркас-труба из нержавеющей стали; 2 — отверстия d =4 — 6 мм; 3 — фильтросная труба (керамический блок); 4 — прижимное устройство; 5 — приварной фланец; 6 — прокладки; 7 — резьба
225
Расход озонированного воздуха, приходящегося на живое сечение каждой из четырех труб в двух камерах, будет

а скорость движения воздуха в трубопроводе равна
υ=qтp:fтр=0,02:0,00188≈10,7 м/сек
(рекомендуемая скорость 10—15 м/сек).
Суммарная активная площадь пор всех керамических труб, уложенных в одной камере, ∑fп=mfп=4∙8∙0,0251=0,8 м2 (где 4 — количество магистралей; 8 — количество керамических труб).
Расход озонированного воздуха, поступающего в воду через пористую поверхность всех труб одной камеры:

Общее давление, которое должно быть на входе в распределительную систему озоно-воздушной смеси, определяется по формуле Ю. Б. Багоцкого
(129)
где Hгидр — гидростатическое давление в м вод. ст. (равное высоте слоя воды в камере);
γв — плотность воздуха;
(130)
Kω=∑ωo/ω) — конструктивное отношение (рекомендуется принимать равным примерно 0,5);
ωo — площадь одного отверстия на каркасной трубе в м2;
ω — площадь сечения распределительной каркасной грубы в м2;
А — коэффициент, зависящий от условного диаметра пор на керамической трубе d=100 мк и равный
(131)
0,3 — избыточное давление.
В данном примере при диаметре одного отверстия 0,005 м ωo=0,0000196 м2, при 50 отверстиях на 1 пог. м ∑ωo=0,00096 м2, а ω=fтр=0,00188 м2. Следовательно, Kω=0,00096:0,00188≈0,52.
Таким образом,

226
Глава IX
Расчет сооружении для умягчения воды
§ 41. Общие сведения об умягчении воды
Умягчение воды может быть осуществлено следующими основными способами: 1) реагентным; 2) катионитовым; 3) термическим.
Нередко представляется целесообразным комбинировать эти способы, удаляя часть солей жесткости реагентным способом, а остаток их — катионированием, либо применять реагентный способ в комбинации с термическим способом умягчения воды.
Условия наиболее эффективного применения различных способов умягчения воды с краткой характеристикой происходящих процессов приведены в табл. 52*.
Из реагентных способов умягчения наиболее распространен известково-содовый способ. Сущность его состоит в переводе растворенных в воде солей Са2+ и Mg2+ в малорастворимые СаСОз и Mg(OH)2, выпадающие в осадок.
После введения Са(ОН)2 в воду находящаяся в ней растворенная СО2 связывается в карбонат-ион СО32–, который соединяется с растворенным в воде Са2+:

При вводе извести в количестве, большем, чем необходимо для: перевода бикарбонат-ионов в карбонат-ион

происходит ускорение гидролиза магнезиальных солеи; при этом Mg2+ связывается в гидроокись магния:

* Подготовка воды для котельных установок здесь не рассматривается. Умягчение воды для хозяйственно-питьевых нужд применяется, когда жесткость воды более 7 мг∙экв/л (ГОСТ 2874—54).
227
Tаблица 52
Краткая характеристика различных способов умягчения воды и условия их применения
Способы умягчения воды Характер процесса умягчения Назначение способа умягчения Условия эффективного применения способа умягчения воды


мутность исходной воды в мг/л общая жесткость исходной воды в мг∙экв/л предел возможного снижения жесткости в мг∙экв/л температура исходной воды в °С 1 2 3 4 5 6 7 Реагентный (известково-содовый) В воду вводятся реагенты: известь — для устранения карбонатной и магнезиальной жесткости; сода—для устранения некарбонатной жесткости Для неглубокого умягчения при необходимости одновременного осветления мутных вод поверхностных источников До 400—500 5—35 1) Без подогрева воды 0,5—1;
2) с подогревом воды 0,2—0,4 мг Желательно не менее 10—20 То же, 80—90 Катионитовый
Na-катиони-рование одноступенчатое Умягчаемая вода пропускается через Na-катионитовые фильтры Для глубокого умягчения воды с незначительным содержанием взвешенных веществ и цветностью не более 30° Не более 5-8 До 15 0,03-0,05 При загрузке фильтров сульфоуглем: 30—40 для слабощелочной воды и 60 для нейтральной и слабокислой воды Na-катиони-рование двухступенчатое Умягчаемая вода пропускается сначала через Na-катионитовые фильтры I ступени, где жесткость снижается на 70—75%, а затем через Na-катионитовые фильтры II ступени Для весьма глубокого умягчения воды с незначительным содержанием взвешенных веществ и цветностью не более 30° 5—8 От 8—10
до 14 До 0,01 То же 229
Продолжение табл. 52
Способы умягчения воды Характер процесса умягчения Назначение способа умягчения Условия эффективного применения способа умягчения воды


мутность исходной воды в мг/л общая жесткость исходной воды в мг∙экв/л предел возможного снижения жесткости в мг∙экв/л температура исходной воды в °С 1 2 3 4 5 6 7 Н—Na-катионирование Умягчаемая вода пропускается через Н-и Na - катионитовые фильтры, а затем оба потока смешиваются См. табл. 53 5-8 До 14 См. табл. 53 При загрузке фильтров сульфоуглем 30—40 Термический Вода нагревается выше 100°С, что устраняет всю карбонатную и часть некарбонатной жесткости в воде в виде гипса CaSO4 Для умягчения воды, содержащей преимущественнно карбонатную жесткость, для питания котлов низкого и среднего давления Не более 50 Карбонатная жесткость с преобладанием солей Са(НСО3)2 Карбонатной жесткости до 0,035 мг∙экв/л, гипса до 1200 мг/л 105—120



Некарбонатная жесткость только в виде гипса То же, гипса до 40—50 мг/л 200—270 Для выделения солей некарбонатной жесткости, например MgSO4, применяют кальцинированную соду Na2СО3, которая вводится в воду вместе с известью. Ход реакций следующий:

Если надо выделить CaSO4, то нужно ввести карбонат-ион в виде соды:

Скорость реакции с образованием осадков СаСO3 и Mg(OH)2 увеличивается при повышении температуры воды и при введении в нее избытка реагентов.
Катионитовый способ умягчения воды заключается в фильтровании жесткой воды через мелкозернистую загрузку некоторых веществ (сульфоуголь, искусственные смолы). Эти вещества обладают способностью обменивать катионы содержащегося в них натрия Na+ или водорода Н+ на катионы кальция Са2+ или магния Mg2+ солей жесткости, растворенных в воде. Таким образом, различают процесс Na-катионирования и Н-катионирования.
Когда обменная способность катионитового фильтра исчерпана, производят регенерацию катионитовой загрузки. Na-катионитовые фильтры регенерируются раствором поваренной соли NaCl, а Н-катионитовые — растворами серной H2SO4 или соляной HCl кислот.
Вода после Na-катионитовых фильтров обычно имеет повышенную щелочность (рН>7), а после Н-катионитовых — повышенную кислотность (рН<7). В первом случае можно дополнительно подкислить воду, во втором — применить подщелачивание. В настоящее «время для этой цели, т. е. для достижения оптимальной щелочности умягченной воды, применяют Н — Na-катионирование, которое заключается в фильтровании воды как через Н-катиониты, так и через Na-катиониты. При этом возможно применение одной из трех схем Н — Na-катионирования, которые следует .выбирать согласно данным табл. 53.
Обменная способность катионита выражается в г∙экв/м3, т. е. в грамм-эквивалентах задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в разбухшем состоянии (после пребывания в воде). Различают полную и рабочую обменную способность катионита.
Рабочая обменная способность — это количество г∙экв Са2+ и Mg2+, которое задерживает 1 м3 катионита до момента проскока в фильтрат некоторой жесткости.
Обменная способность, отнесенная ко всему объему катионитовой загрузки фильтра, называется емкостью поглощения данного катионитового фильтра и выражается также в г∙экв/м3.
Обменная способность и другие технологические характеристики катионитов указаны в табл. 54.
230
Таблица 53
Условия применения схем Н—Na-катионирования
231
Схемы H—Naкатиоиирования Технологический процесс Условия наиболее эффективного применения схем

Жк:Жо при определенном значении Жн* остаточная щелочность умягченной воды остаточная жесткость умягченной воды содержание в исходной воде в мг экв/л

в мг∙экв/л SO42– + Cl– Na+ 1 2 3 4 5 6 7 Параллельное Часть воды пропускается через Na-катионитовый фильтр, другая часть — через Н-катионитовый, после чего оба фильтрата (щелочный и кислый) смешиваются и происходит их взаимная нейтрализация. Затем вся вода поступает в дегазатор для удаления свободной углекислоты ≥0,5 при Жн<3,5 мг∙экв/л 0,3—0,4 0,03 ≤3—4 Не более 1—2 Последовательное Часть исходной воды проходит через Н-катионитовый фильтр, смешивается с остальной для нейтрализации кислотности фильтрата и пропускается через дегазатор для удаления свободной углекислоты. Затем вся вода пропускается через Na-катионитовый фильтр ≤0,5 при Жн>3,5 0,3—0,7 Жо снижается на величину, равную Жк. Величина Жк остается неизменной 3—4 Совместное Вся вода пропускается через катионитовый фильтр, отгенерированный так, что верхние слои катионита содержат обменные катионы водорода, а нижние—катионы натрия >1 при Жо < 6 мг∙экв/л 1—1,8 0,1—0,3 ≤2—3 Не более 1 * Ж к — карбонатная жесткость; Жо — общая жесткость; Жн — некарбонатная жесткость в мг∙экв/л. Таблица 54
Технологические характеристики некоторых катионитов
232
Название катионита Сырье, применяемое для изготовления Насыпной вес в т/м3 Коэффициент набухания Размер зерен в мм Полная обменная способность в г∙экв/м3 Допустимая температура умягчаемой воды t в °С

воздушно-сухого набухшего



Сульфоуголь: Каменный уголь, серная кислота При слабощелочной воде до 30—40, при нейтральной и слабокислой воде до 60 крупный I сорта
0,65—0,7 0,55 1,2—1,25 0,3—1,5 550
» II »
0,65—0,7 0,55 1,2—1,25 0,3—1,5 500
мелкий I »
0,65—0,7 0,55 1,2—1,25 0,3—1,5 500
КУ-1 сильнокислотный Формальдегид, п-фенолсульфокислота 0,74 0,44 1,6 0,3—2 600—500 Стоек в кислой среде, нестоек в сильнощелочной среде КУ-2-8 сильнокислотный Стирол, дивенилбензол 0,71 0,5 1,42 0,3—1,5 1500—1700 Стоек в щелочной и кислой средах до 120—130 КБ-4 слабокислотный Метилакриловая кислота, дивенилбензол 0,68 Не менее 0,33 2 0,3—0,8 2500 (при рН=7) До 200 Термический способ умягчения воды целесообразен в тех случаях, когда вода предназначается для питания паровых котлов, испарителей и паропреобразователей. При применении этого способа воду нагревают до 105— 120°С, что позволяет полностью устранить карбонатную жесткость воды.
Из солей некарбонатной жесткости термическим способом может быть устранен только гипс CaSO4, частично выпадающий в осадок при температуре воды выше 100°С, так как растворимость его при повышении температуры снижается. При нагреве воды до 200°С содержание CaSO4 падает до 45—50 мг/л, а при температуре около 270°С гипс полностью удаляется.
Можно комбинировать термический способ умягчения с реагентным, так как с повышением температуры снижается остаточная жесткость воды, умягченной известково-содовым способом (табл. 55) при нормальном избытке реагентов (0,5 мг∙экв/л извести и 1 — 1,5 мг∙экв/л соды).
Таблица 55
Зависимость остаточной жесткости от температуры воды
Остаточная жесткость после умягчения воды в мг∙экв/л 1—2 0,9—1,4 0,5—0,9 0,1 Температура умягчаемой воды в °С 2—20 20—35 35-90 Более 90 § 42. Расчет установки для реагентного умягчения воды
В состав установки для умягчения воды входят следующие сооружения: 1) устройства для приготовления и дозирования растворов реагентов (извести и соды для устранения жесткости воды, коагулянта FeCl3 или FeSO4 для ускорения осаждения взвеси); 2) смесители; 3) камеры хлопьеобразования; 4) осветлители со взвешенным осадком; 5) фильтры.
В рассматриваемом примере приводится расчет только тех сооружений, которые специфичны для водоумягчительных установок.
Производительность установки Qcyт=20000 м3/сутки, или Qчac=833 м3/ч.
Общая жесткость исходной воды определяется по содержанию в ней ионов Са2+ и Mg2+ или по содержанию окиси кальция и магния СаО и MgO.
В данном примере в воде содержится 170 мг/л Са2+ и 25 мг/л Mg2+ или 235 мг/л СаО и 40 мг/л MgO.
Тогда общая жесткость воды
233
или

В знаменателях показаны количества веществ в мг/л, соответствующие 1 мг∙экв.
Карбонатная жесткость воды при содержании в ней 450 мг/л НСО3– (анион угольной кислоты) составит

Следовательно, некарбонатная (постоянная) жесткость будет
Жн=Жо-Жк=10,5-7,4=3,1 мг∙экв/л.
Содержание в исходной воде свободной углекислоты СO2 при рН=6,9, щелочности Що=Жк=7,4 мг∙экв/л и температуре воды 10°С составит 105 мг/л. Мутность исходной воды 370 мг/л, ее цветность 55°.
Требования к воде после умягчения: остаточная общая жесткость Жост=1,5 мг∙экв/л, допустимая мутность 10 мг/л, цветность 20°.
Доза извести (для устранения карбонатной жесткости воды) в пересчете на СаО
(132)
Здесь Дк — доза коагулянта FeCl3 или FeSO4 в пересчете на безводное вещество в мг/л;
е — эквивалентный вес активного вещества коагулянта, равный для FeCl3 54 мг/мг∙экв, для FeSO4 76 мг/мг∙экв, для A12(SO4)3 57 мг/мг∙экв;
0,5 — избыток извести, вводимый для полноты реакции, в мг/л.
Член Дк/е принимается со знаком минус, если коагулянт вводится в воду раньше извести, и со знаком плюс, если коагулянт вводится вместе с известью или после нее. В рассматриваемом призере коагулянт и известь вводятся одновременно. Доза коагулянта определяется по формуле
(133)
где С — количество образующейся при умягчении воды взвеси в пересчете на сухое вещество в мг/л.
B данном случае при мутности исходной воды М=370 мг/л принимаем Дк=35 мг/л (коагулянт FeCl3).
Таким образом, доза извести по формуле (132)

Количество взвеси, образующейся при известково-содовом умягчении воды,
(134)
Тогда для данного примера

где m=70% — содержание СаО в технической извести.
Необходимая доза хлорного железа по формуле (133)

Расчетная доза соды в пересчете на Na2CO3
(135)
Тогда

На очистных станциях большой производительности приготовление известкового молока производят на механизированной установке. При проектировании установок для приготовления известкового молока надо предусматривать: бункер для приема извести, дробилку, известегасильное, устройство, классификатор, баки для известкового молока с устройствами для непрерывного перемешивания и средства для транспортирования сухой извести и известкового молока.
Весовые количества реагентов — извести Gи, соды Gc и хлорного железа Gк , требуемые для умягчения и осветления воды:
(136)
Здесь Kи — содержание СаО в товарной извести II сорта, равное 70%;
Kс — содержание Na2CO3 в товарной соде, равное 95%;
Kк —содержание FeCl3 в товарном коагулянте, равное 98%.
235
Тогда



Смесители следует принять вертикальные (вихревые), расчет которых приведен в § 17. He рекомендуются перегородчатые и дырчатые смесители, так как «скорости в них недостаточны для поддержания во взвешенном состоянии частиц извести, а это вызывает их осаждение перед перегородками.
Расчет осветлителей со взвешенным осадком при реагентном умягчении воды имеет некоторые особенности по сравнению с расчетом осветлителей для коагулированных мутных вод, а .именно: 1) восходящая скорость движения воды в зоне осветления принимается 1 или 0,8 мм/сек при магниевой жесткости соответственно менее или более 25% общей жесткости воды; 2) величина коэффициента снижения скорости восходящего потока воды в зоне отделения осадка вертикального осадкоуплотнителя принимается а=0,85; 3) средняя концентрация взвешенных веществ в осадкоуп–лотнителе принимается 40 000 или 20000 г/м3 при магниевой жесткости соответственно менее 25% или -более 75% общей жесткости воды; 4) продолжительность уплотнения осадка принимается 3—4 или 5—б ч при магниевой жесткости соответственно менее 25% или более 75% общей жесткости воды. При этом для .распределения воды следует применять только опускные трубы при скорости движения в них воды не более 0,7 м/сек; осветлители, имеющие дырчатые .распределительные системы, не рекомендуются из-за зарастания отверстий труб карбонатом кальция.
Пример. Исходя из изложенных выше требований принимаем осветлитель системы ВНИИ ВОДГЕО с поддонным осадкоуплютнителем и распределением воды опускными трубами (см. рис. 30). Такой осветитель, круглый в плане, применяют для производительности порядка 100 м3/ч.
При заданном расходе воды Qсут=20000 м3/сутки или Qчас=833 м3/ч принимаем восемь осветлителей с расходом воды Qосв=104 м3/ч, или qceк—29 л/сек каждый.
Количество образующейся при умягчении взвеси, как было подсчитано выше, составляет С=1588 мг/л.
Количество воды, расходуемой при сбросе осадка, по формуле (47)

Подводящий трубопровод принят с внутренним диаметром d=200 мм (по ГОСТ 10704—63) и наружным диаметром 219 мм,
236
что обеспечивает скорость движения воды υ=0,85 м/сек, как и рекомендуется нормами.
Для освобождения воды от пузырьков воздуха устраивается воздухоотделитель (см. рис. 32). Диаметр воздухоотделителя будет

где υв — скорость нисходящего движения воды в воздухоотделителе, равная 0,03 м/сек.
Принимаем Dв =1200 мм (отрезок стальной трубы высотой 1,55 м).
Объем воздухоотделителя (без учета конической части) Wв=0,785∙1,22∙1,55=11,75 м3.
Фактическая продолжительность пребывания воды в воздухоотделителе t1=Wв:qceк=1,75:0,029≈60 сек (рекомендуется не менее 1 мин).
Опускная труба принята диаметром 250 мм, при расходе воды 29 л/сек скорость ее движения υ=0,55 л/сек.
При диаметре осветлителя Dосв=4,7 м2 площадь, обслуживаемая одной опускной трубой, составляет 17,1 м2, т. е. находится в пределах допустимой — 20 м2.
От вертикальной опускной трубы идут четыре наклонных ответвления, пропускающих расход воды 7,3 л/сек каждая; при диаметре ответвления 125 мм скорость движения воды составляет 0,53 м/сек.
Пользуясь расчетом, изложенным в § 23, и принимая при умягчении K=0,7—0,8, находим диаметр осадкоприемных труб 250 мм; Далее определяем площадь и диаметр осветлителя (4,7 м) и его размеры по высоте.
Для осветлителя рассматриваемого типа высота от обреза наклонной опускной трубы до кромки водосборных желобов Hосв и
высота конусообразной части Hкон будут:
(137)
Тогда для данного примера

Толщину защитного слоя воды над слоем взвешенного осадка принимаем hзащ =1,5 м. Тогда толщина слоя взвешенного осадка выше перехода наклонных стенок в вертикальные будет
Hверт=Hосв—Hкон—hзащ=4,4—2,05—1,5=0,85 м.
237

Так как кромка осадкоотводящих труб должна быть выше указанной плоскости перехода на 1,5—1,75 м, следует увеличить высоту осветлителя на 1,5—0,85=0,65 м. Тогда полная высота осветлителя будет 4,4+0,65—5,05 м.
Высоту слоя взвешенного осадка, которая должна быть равной 2—2,5 м, определяем, считая от верхней кромки осадкоотводящих труб до зоны взвешенного осадка, ограниченной наклонными стенками, в которой скорость восходящего потока воды не превышает υ=2 мм/сек.
Площадь горизонтального сечения этой зоны
(138)
Так как угол конусности равен 60°
(139)
Тогда для данного примера


Расстояние (по высоте) от плоскости перехода вертикальных стенок в наклонные до зоны взвешенного осадка
(140)
Тогда для данного примера

Следовательно, расчетная высота слоя взвешенного осадка будет 1,5+0,9=2,4 м, что отвечает рекомендуемой высоте 2—2,5 м.
Вода, прошедшая обработку (т. е. осветление и умягчение), собирается в верхней части осветлителя периферийными желобами с затопленными отверстиями или с треугольными вырезами.
Площадь отверстий в стенке желоба

где h=0,05 м—разность уровней воды в осветлителе и желобе. Принимаем отверстия диаметром 30 мм с площадью 7,07 см2. Необходимое количество отверстий n=230:7,07≈33. Расстояние между осями отверстий e=(πD):(2n)=(3,14∙4,26):(2∙33)=0,2 м, или 200 мм.
238
Расчет осадкоуплотнителя. Необходимый объем зоны накопления и уплотнения осадка

где Qчас=833 м3/ч — расчетный расход воды;
T=4 ч—время уплотнения осадка (для вод с магниевой жесткостью менее 25% T=3—4 ч);
δср=31000 г/м3 (см. табл. 29);
С'=М+1,6Дк=1588+1,6∙35=1644 г/м3.
Объем конусообразной части осадкоуплотнителя

где R=Dосв:2=4,7:2=2,35 м; r=Dосв:4=1,175 м.
Тогда высота цилиндрической части уплотнителя будет

Объем осветлителя
(141)
Для данного примера

Следовательно, через сбросной дырчатый трубопровод при удалении осадка в течение 20 мин должен пропускаться расход воды, равный 101,87:0,333=306 м3/ч, или 85 л/сек. На каждое полукольцо осадкоотводящей трубы приходится около 43 л/сек. При скорости движения воды 1,25 м/сек диаметр сбросной трубы будет 200 мм.
Средняя скорость движения осадка в отверстиях дырчатой трубы 3,25 м/сек (рекомендуется не менее 3 м/сек); принимаются отверстия dо=40 мм в количестве 21 шт. на взаимном расстоянии 350 мм.
239
§ 43. Расчет установки для реагентного умягчения воды с вихревыми реакторами
Вихревой реактор представляет собой резервуар в виде усеченного конуса с верхней цилиндрической частью (рис. 74). В отличие от вихревой камеры хлопьеобразования он имеет небольшой угол конусности (15—20°) и примерно на половину своей высоты заполнен так называемой контактной массой — мелким кварцевым песком или мраморной крошкой диаметром 0,2—0,3 мм, находящимися во взвешенном состоянии во время работы реактора (в вихревых камерах хлопьеобразования контактной массы нет). Количество контактной массы должно составлять 10 кг на 1 м3 объема реактора.
Рис. 74. Вихревой реактор
1 — подача воды; 2 — отвод воды; 3 — штуцера для отбора проб; 4 — загрузка: 5 — выпуск излишка загрузки; 6 — ввод извести; 7 — сброс; 8 — промывная вода от напорной линии
Необходимая для реагентного умягчения воды известь в виде раствора или известкового молока вводится в нижнюю часть реактора. Зерна контактной массы, служащие центрами кристаллизации карбоната кальция, который получается при умягчении воды, постепенно обволакиваются СаСO3, увеличиваясь в диаметре до 1,5—2 мм. Вследствие этого 2 раза в неделю контактную массу приходится частично заменять, выпуская излишек по трубопроводу, примыкающему к нижней части реактора. Свежая контактная масса вводится при помощи эжектора в плоскости верхнего уровня загрузки. Установка с вихревыми реакторами целесообразна только при мутности исходной воды не выше 8—12 мг/л и содержании магния не более 15 мг/л, так как глинистая взвесь и гидроокись магния не задерживаются вихревым реактором. Реакторы применяют для умягчения подземных или поверхностных вод после их осветления, а поэтому коагулянт не добавляется.
В большинстве случаев, т. е. когда содержание магния в исходной воде не превышает 15 мг/л, в состав установки входят: устройства для подготовки и дозирования реагентов, смесители, вихревые реакторы и фильтры.
Не исключается возможность применения вихревых реакторов и при содержании в исходной воде магния более 15 мг/л, однако в таких условиях схема установки (рис. 75) должна быть дополнена осветлителем, который размещается между вихревым реактором и фильтром и предназначается для выделения из воды гидроокиси магния.
Пример. Заданный расход 20000 м3/сутки, или 833 м3/ч. Исход
240
ная вода содержит 12 мг/л взвешенных веществ и 15 мг/л магния. Величина карбонатной жесткости составляет 85% общей жесткости воды (рекомендуемый минимум при вихревых реакторах).
Принимаем восемь реакторов. Расход умягчаемой воды на один реактор составит Qчас=104 м3/ч, или qceк=0,029 м3/сек.
Площадь верхнего поперечного сечения реактора на уровне водоотводящих устройств должна быть fв = qceк : υв =0,029: : 0,006 ≈ 4,8 м2 (обычно υв =0,004 — 0,006 м/сек), а диаметр верхней части реактора dв =2,45 м.

Рис. 75. Схема умягчения воды с применением вихревых реакторов
1—вихревой реактор; 2 — осветлитель; 3 — фильтр; 4 —шайба-смеситель; 5 — загрузка
Диаметр нижнего сечения реактора принимаем dн=0,6 м. Следовательно, площадь нижней части реактора fн=0,283 м2.
Скорость движения воды в нижней части конуса υн=qсек:fн==0,029:0,283≈0,103 м/сек, т. е. в 8—10 раз меньше требуемой, так как скорость υн обычно принимают равной 0,8—1 м/сек. При столь недостаточной скорости движения воды нужно установить в нижней части реактора коническую вставку.
Угол конусности принимаем 20° (рекомендуется 15—20°), тогда высота усеченного конуса

Объем реактора


Вес контактной массы, необходимой для загрузки одного реактора, Gк=11∙10=110 кг.
Принимаем высоту загрузки реактора контактной массой, равной: h3=0,5 h ≈2,6 м.
Диаметр реактора на высоте 2,6 м от нижнего сечения
(142)
В данном примере d1=(2,6tg10°)2+0,6=1,5 м, а площадь этого сечения f1=1,767 м2.
241
Объем реактора в пределах заполнения его контактной массой

Насыщение водой контактной массы в занимаемом ею объеме реактора составит
(143)
При удельном весе контактной массы (в плотном объеме) g0=1,65.

Потеря напора в реакторе на 1 м высоты контактной массы в среднем составляет 0,35 м. Таким образом, полная потеря напора в загрузке hп.з=0,35h3=0,35∙2,6=0,91 м.
Потеря напора при выходе воды из подающего сопла со скоростью υ=1 м/сек и μ,=0,9

Сумма потерь напора в реакторе ∑h=hп.з±hс=0,91+0,06=0,97 м.
§ 44. Расчет установок для na-катионирования воды
А. Натрий-катионитовый метод умягчения воды по одноступенчатой схеме
Заданная производительность установки Qсут=4450 м3/сутки, или Qчac=185 м3/ч. Содержание взвешенных веществ в умягчаемой воде не более 5—8 мг/л; цветность не выше 30°.
Жесткость исходной воды: общая1 Жо=6 мг∙экв/л, или 6 г∙экв/м3, карбонатная Жк=1,9 мг∙экв/л. Допустимая жесткость умягченной воды должна быть Жу=0,2 мг∙экв/л.
Содержание ионов Na+ в исходной воде составляет 15 мг/л. Принимаем установку с одной ступенью Na-катионитовых фильтров, так как остаточная жесткость фильтрата составляет 0,2 мг∙экв/л, что выше минимально допустимой величины 0,03— 0,05 мг∙экв/л (см. табл. 52).
Расчет одноступенчатой Na-катионитовой установки ведется на полезную производительность, так как для собственных нужд используется осветленная, но неумягченная вода.
1 Одноступенчатая схема Na-катионирования применяется при общей жесткости исходной воды до 15 мг∙экв/л.
242
Число фильтроциклов в сутки

где Т —продолжительность работы катионитовой установки в течение суток в ч;
t — полезная продолжительность одного фильтроцикла в ч (принимается от 10 до 22 ч);
t1 — продолжительность операций, сопровождающих регенерацию катионитового фильтра, в ч (обычно t1=l,5 ч).
Основной характеристикой катионитовых материалов является полная обменная способность Eполн выраженная в г∙экв/м3.
Для сульфоугля при крупности зерен 0,3—0,8 мм Eполн=550 г∙экв/м3.
Рабочая обменная способность Na-катионита
(144)
Где аэ — коэффициент эффективности регенерации, учитывающий неполноту регенерации катионита (табл. 56); при удельном расходе соли на регенерацию Дс=200 г/г∙экв, аэ=0,81;
Таблица 56
Значения коэффициента aэ
Удельный расход соли Дс на регенерацию катионита в г на 1 г∙экв рабочей обменной способности 100 150 200 250 300 400 Коэффициент эффективности регенерации аэ 0,62 0,74 0,81 0,86 0,9 0,91 βNa — коэффициент, учитывающий снижение обменной способности катионита по Са2+ и Mg2+ вследствие частичного задержания катионов Na+ (табл. 57);
Таблица 57 Значения коэффициента βNa
C2Na/Жо 0,01 0,03 0,05 0,1 0,5 1 2 3 5 10 βNa 0,93 0,9 0,88 0,83 0,7 0,65 0,6 0,57 0,54 0,5 qyд — удельный расход воды на отмывку катионита в м3 на 1 м3 катионита (принимается 4—5 м3); в данном примере qуд=4м3/м3;
Жо — общая жесткость исходной воды в г∙экв/м3.
243
Так как в исходной воде содержится 15 мг/л Na+, то при пересчете на мг∙экв/л величина концентрации Na+ будет

а отношение

Следовательно, βNa=0,86 (по табл. 57).
Таким образом, по формуле (144)

Необходимый объем сульфоугля
(145)
Для данного примера

Высоту катионитовой загрузки принимаем hк=2,5 м.
Допустимая расчетная скорость фильтрования через Na-катионитовый фильтр должна быть в пределах υpacч=10—25 м/ч в зависимости от общей жесткости воды: при Жо <5 мг∙экв/л υрасч=25 м/ч, при Жо<10 мг∙экв/л υрасч=15 м/ч, при Жо<15 мг∙экв/л υрасч=10 м/ч.
Скорость фильтрования определяется по формуле
(146)
(147)
Здесь d80 —80%-ный калибр катионитовой загрузки (обычно d80=0,8—1,2 мм);
Жу= 0,2 мг∙экв/л—допустимая жесткость умягченной воды;
Тм— продолжительность межрегенерационного периода;
tвзр=0,25 ч (15 мин) — продолжительность взрыхления катионита;
tрег=0,42 ч (25 мин) — продолжительность регенерации;
tотм=0,83 ч (50 мин) — продолжительность отмывки.
Следовательно, по формулам (147) и (146):


244
Необходимая суммарная рабочая площадь Na-катионитовых фильтров
(148)
Для данного примера

Принимаем три рабочих фильтра1 диаметром 2,6 м (табл. 58) площадью по 5,31 м2 и один резервный фильтр тех же размеров (рис.76).
Таблица 58
Размеры и вес Н—Na-катионитовых фильтров
Диаметр в мм Высота слоя загрузки в м Размеры в мм Вес металла в кг для фильтров Нагрузочный вес в г

Н H1 L L1 d Н-катионитовых Na-катионитовых
Катионитовые фильтры I ступени 1000 2 3375 850 205 650 50 1010 990 5 1500 2 3658 980 860 880 80 1585 1570 10 2000 2,5 4535 1000 885 1170 125 2635 2660 15 2600 2,5 4812 1100 1400 1480 150 4430 4485 30 3000 2,5 5045 1065 1738 1680 150 5410 5450 40 3400 2,5 5168 1500 1900 1900 200 6670 6710 50 Катионитовые фильтры II ступени 1000 1,5 2675 825 212 680 80 916 920 3,5 1500 1,5 2962 870 860 955 125 1480 1485 7,5 2000 1,5 3235 1175 885 1170 150 2225 2280 13,1 1 2600 1,5 3512 1060 1400 1500 200 3935 4010 20 3000 1,5 3745 1065 1706 1730 250 5120 5170 30 Таблица 59
Общая потеря напора в катионитовых фильтрах
Скорость фильтрования в м1ч Общая потеря напора в фильтре в м при крупности катеонита в мм
0,3-0,8 0,5-1,1
и высоте загрузки в м
2 2,5 2 2,5 5 5 5,5 4 4,5 10 5,5 6 5 5,5 15 6 6,5 5,5 6 20 6,5 7 6 6,5 25 9 10 7 7,5 1 Количество катнонитовых фильтров I ступени надо принимать: рабочих— не менее двух, резервных — один.
245
Суммарная рабочая площадь фильтров составит ∑fраб=3∙5,31=15,93 м2, или ~16,3 м2.
При высоте загрузки hк=2,5 м объем сульфо-угля в трех фильтрах будет: Wсул=32,5∙5,31≈39,7 м3>36,1 м3
Фактическая скорость фильтрования при нормальном режиме

а в условиях форсированного режима (при регенерации одного фильтра)

Общую потерю напора в напорных катионитовых фильтрах при фильтровании следует определять как сумму потерь напора в коммуникациях фильтра, дренаже и катионите (табл. 59).
Удельный расход соли для регенерации Na-катионитовой загрузки составляет Дс=200 г/г∙экв (рекомендуется от 150 до 200 г/г∙экв при одноступенчатой схеме).
Рис. 76. Катионитовый фильтр I ступени
1 — подача исходной воды; 2 — подача регенерационного раствора, 3 и 4 — подача и спуск промывочной воды; 5— сброс отмывочной воды, 6—-выход умягченной воды; 7 — лаз круглый; 8 — лаз эллиптический; 9 —верхнее распределительное устройство; 10 —слой катионита; 11 — штуцер для гидравлической выгрузки катионита
Расход технической поваренной соли Gc на одну регенерацию каждого фильтра
(149)
* При кратковременной
наибольшей нагрузке, связанной с выключением фильтров на регенерацию или ремонт, скорость фильтрования можно увеличить на 10 м/ч.
246
Для данного примера

Определим расход осветленной воды на собственные нужды установки:
1) на промывку (взрыхление) катионитовой загрузки
(150)
где ωвзр —интенсивность взрыхления в л/сек на 1 м2, равная при крупности зерен катионита 0,3—0,8 мм 3 л/сек∙м2, при крупности зерен 0,5—1,1 мм 4 л/сек∙м2;
tвзр — продолжительность взрыхления, равная 15 мин.
Тогда

2) на отмывку катионитовой загрузки от продуктов регенерации
qотм=ωотмfhк. (151)
Тогда
qотм=4,5∙5,4∙2,5=59,7 м3,
где ωотм — интенсивность отмывки, равная 4—5 м3 на 1 м3 катионитовой загрузки;
3) на растворение соли из расчета 5=10 л воды на 1 кг технической соли
(152)
Тогда

4) на промывку солерастворителя диаметром 1030 мм
(153)
где fс — площадь солерастворителя, равная 0,8 м2;
ωc — интенсивность его промывки, равная 5 л/сек∙м2; tc — продолжительность промывки солерастворителя, равная 5 мин.
Тогда

247
Суммарный расход воды да одну регенерацию при условии, что отмывочные воды катионитовых фильтров не используются повторно для взрыхления катионитовой загрузки,
∑q=14,6+59,7+10+1,2=85,5 м3.
Общий добавочный расход осветленной воды при двукратной за сутки регенерации трех Na-катионитовых фильтров
qдоб=85,5∙2∙3=513 м3.
Процент добавочной воды
pдoб=(qдoб∙100):Qcyт=(513∙100):4450=11,6%.
Для сокращения расхода воды на собственные нужды установки следует предусмотреть повторное использование отмывочных вод для взрыхления катионита и приготовления регенерационного раствора соли1. При этих условиях расход воды на собственные нужды Na-катионитовой установки составит в процентном отношении

Для приготовления раствора соли требуемой концентрации служит солерастворитель (рис. 77). В его цилиндрическом корпусе со сферическими днищами размещены слои кварцевого песка общей высотой 0,4—0,5 м и дренаж в виде стальных листов с отверстиями. Сверху корпуса солерастворителя устроена воронка для загрузки соли, а под ней установлена задвижка. Кроме того, для обслуживания солерастворителя установлены задвижки на следующих трубопроводах: на подающем воду, на отводящем соляной раствор на катионитовый фильтр, на подающем промывную воду под дренаж, на отводящем промывную воду и на спускном.
Расчет солерастворителя. Расчетное количество соли на одну регенерацию каждого фильтра в данном примере равно: Gc = = 1000 кг (см. выше).
Полезная емкость по соли серийно изготовляемого солерастворителя составляет 550 кг (табл. 60).
Таблица 60 Размеры и вес солерастворителей
Диаметр в мм Полезная емкость по соли в кг Полная высота в мм Высота корпуса в мм Вес металла в кг Нагрузочный вес в т 478 100 1725 1185 370 0,7 670 240 1550 1025 420 1 1030 550 1880 1205 840 2 1 Первая половина воды от отмывки катионита спускается в водосток, а вторая — направляется в бак для использования при взрыхлении катионита или приготовлении регенерационного раствора.
248
Следовательно, нужно иметь n=1000:550=1,82≈2 рабочих со-лерастворителя и один резервный. Объем раствора соли, пропускаемого через гравийные слои каждого из двух солерастворителей для очистки от загрязнений,

где qp.c — количество воды для растворения 1 кг соли, равное 10 л;
1070 кг/м3 — объемный вес 10%-ного соляного раствора.
Тогда для данного примера

Скорость фильтрования раствора соли через гравийные слои при площади солерастворителя fс=0,8 м2 составит

т. е. меньше предельно допустимой.
Рис. 77. Солерастворитель напорный диаметром 670—1030 мм
Полезный объем каждого солерастворителя принимается на 35—40% больше расчетного количества соли, т. е.

Отсюда высота полезного объема каждого солерастворителя hс=0,64:0,8=0,8 м при полной высоте корпуса 1,205 м.
Б. Натрий-катионитовый метод умягчения воды по двухступенчатой схеме
Натрий-катионирование производится в две ступени, если остаточная жесткость воды должна быть снижена до 0,01 мг∙экв/л (глубокое умягчение). Применение двухступенчатой схемы целесообразно при жесткости исходной воды более 10 мг∙экв/л. При расчете фильтров II ступени жесткость поступающей воды принимают равной 0,1 мг∙экв/л (см. табл. 52).
249
Расчет Na-катионитовых фильтров I ступени ведется на заданную полезную производительность с учетом 2%-ной потребности в умягченной воде для отмывки фильтров II ступени.
Скорость фильтрования на фильтрах I ступени принимается в зависимости от жесткости исходной воды от 10 до 25 м/ч, а на фильтрах 11 ступени — не более 60 м/ч, так как в них умягчается вода с меньшей жесткостью.
Рабочий цикл фильтров II ступени продолжается 150—200 ч (вместо 10,5 ч для фильтров I ступени). Толщина слоя катионита составляет 1,5 м (рис. 78 и табл. 58).
Рис. 78. Катионитовый фильтр II ступени
1 — подача исходной воды; 2 — подача регенераци-онного раствора; 3 и 4 — подача и спуск промывочной воды; 5—сброс отмывочной воды и первого фильтрата; 6 — выход умягченной воды; 7— лаз круглый; 8—лаз эллиптический; 9 —верхнее распределительное устройство; 10 — слой катионита; 11 —
штуцер для гидравлической выгрузки катионита
Удельный расход соли для регенерации фильтров I ступени принимается 120—150 г на 1 г∙экв поглощенных катионов (вместо 150—200 г при одноступенчатом Na-катионировании), Для регенерации фильтров II ступени удельный расход соли должен составлять 300—400 г на 1 г∙экв поглощенных катионов. Поскольку регенерация этих фильтров производится через более значительные интервалы, общий расход соли при двухступенчатом Na-катионировании меньше, чем при одноступенчатой схеме.
Фильтры II ступени отмывают (после регенерации) умягченной водой, полученной на фильтрах I ступени.
Поэтому для фильтров
250

II ступени величина рабочей обменной способности Na-катионита будет более высокой, а именно:
(154)
Значения коэффициентов аэ и βNa приведены в табл. 56 и 57.
Необходимо иметь в виду, что ни одноступенчатая, ни двухступенчатая схема Na-катионирования не может быть применена, если карбонатная жесткость исходной воды больше заданной щелочности умягченной воды. В таких случаях для снижения остаточной щелочности умягченной воды применяют метод Н—Na-катионирования.
§ 45. Расчет установки для h-na-катионирования воды
Водород–натрий-катионитовый способ применяется для удаления из воды катионов жесткости (кальция и магния) и одновременного снижения щелочности воды.
Пример. Расчетная производительность водоумягчительной установки Qчас=190м3/ч.
Качество исходной воды из городского водопровода характеризуется следующими данными: общая жесткость Жо=4,5 мг∙экв/л; щелочность (карбонатная жесткость) Щ=2,3 мг∙экв/л; количество взвешенных веществ не более 5—8 мг/л; содержание ионов SO42– 96 мг/л, или 96:48,03≈2 мг∙экв/л и ионов С1– 28,4 мг/л, или 8,4:35,46=0,8 мг∙экв/л.
Таким образом, сумма сульфатных и хлоридных ионов (SO42–+С1–)= =A=2,8 мг∙экв/л, т. е. не превышает допустимой величины 3—4 мг∙экв/л (см. табл. 52).
Содержание ионов натрия Na+составляет 14 мг/л, или 14:23=0,6 мг∙экв/л<1 мг∙экв/л.
Допустимая остаточная щелочность умягченной воды а=0,35 мг∙экв/л:
Так как отношение Жк:Жо=2,3:4,5=0,51>0,5, то по этому условию, а равно и по другим показателям анализа исходной воды принимаем согласно табл. 53 схему параллельного Н — Na-катионирования.
Расход воды, подаваемой на Н-катионитовые фильтры,
(155)
Для данного примера

Удельный .расход серной кислоты H2SO4 на регенерацию Н-катионитовой загрузки принимаем: S=90 г/г∙экв.
251
Величину коэффициента эффективности регенерации аэН при расчете Н-катионитовых фильтров определяем по табл. 61 равной 0,83.
Таблица 61
Значения коэффициента эффективности регенерации аэН при различных удельных расходах H2SO4
Удельный расход H2SO4 в г/г∙экв поглощенных катионов 40 50 60 70 80 90 100 125 150 175 200 250 аэН 0,62 0,68 0,74 0,78 0,81 0,83 0,85 0,89 0,91 0,92 0,93 0,95 Рабочая обменная способность Н-катионита составит
(156)
где qо — удельный расход осветленной воды на отмывку катионита, равный 5 м3/м3;
CNa — концентрация натрия в исходной воде, равная 0,6 мг∙экв/л;
Ск — концентрация калия в исходной воде в мг∙экв/л (в данном примере Ск=0).
Величина Eполн определяется по данным паспорта завода; при крупности сульфоугля 0,3—0,8 мм Eполн=550 г∙экв/м3.Тогда

Необходимый объем катионита для загрузки в Н-катионитовые фильтры
(157)
Тогда, при QНполез=QH и числе регенераций за сутки n=2

Расчетная скорость фильтрования на Н-катионитовых фильтрах
(158)
где hк — высота катионитовой загрузки, принимается равной 2,5 м;
252
T0—продолжительность работы фильтра при снижении кислотности фильтрата до нуля, равная 10,5 ч; d80 — 80%-ный калибр зерен катионитовой загрузки, равный 0,8 мм. Индексом «исх» обозначена исходная вода, а индексом «ф» — фильтрат Н-катионитовых фильтров, тогда и
В данном примере

Необходимая площадь Н-катионитовых фильтров FH=WH:hк=9,9:2,5≈4 м2.
Принимаем три рабочих фильтра и один резервный D=1,5 м и f=1,77 м2.
Суммарная площадь трех рабочих фильтров ∑f=3∙1,77=5,31м2>4м2.
Фактическая скорость фильтрования при нормальном режиме υф=72,6:5,31≈13,7 м/ч<17 м/ч, а при выключении одного рабочего фильтра на регенерацию (форсированный режим) υ'ф=72,6:(2∙1,77)=20,5 м/ч, что вполне допустимо.
Объем загрузки Н-катионитовых фильтров
WH=3∙1,77∙2,5=13,3 м3>10 м3.
Вода, прошедшая через Н-катионитовые фильтры (кислый фильтрат), смешивается с водой, прошедшей через Na-катионито-вые фильтры (щелочной фильтрат). В результате происходящей взаимной нейтрализации (см. табл. 52) умягченная вода приобретает оптимально низкую щелочность (при схеме параллельного Н — Na-катионирования 0,3 мг∙экв/л).
Смешанный фильтрат подается в дегазатор для удаления СО2, образующейся при Н-катионировании и при смешении кислого и щелочного фильтратов.
Расход воды через Na-катионитовые фильтры
QNa=Qчас—QН=190-72,6=117,4 м3/ч, или 61,8%.
Рабочая обменная способность для Na-катионитовых фильтров по формуле (144)
ENaраб=0,81∙0,85∙550—0,5∙4∙4,5≈370 г∙экв/м3.
Расчетная скорость фильтрования на Na-катионитовых фильтрах по формуле (146)

253
Объем загрузки Na-катионитовых фильтров по формуле (145)

Необходимая площадь фильтров
∑fNa=WNa:hк=17,6:2,5≈7,04м2.
Принимаем четыре рабочих Na-катионитовых фильтра диаметром 1,5 м и f=1,77 м2. При Н — Na-катионитовом умягчении резервного Na-катионитового фильтра не предусматривают, что учитывают возможность использования в таком качестве резервного Н-катионитового фильтра.
Суммарная площадь рабочих Na-катионитовых фильтров составит ∑fNa=4∙1,77=7,08м2>7,04 м2.
Фактическая скорость фильтрования при нормальном режиме υф=117,4:7,08≈16,6 м/ч<25 м/ч, а при выключении одного фильтра на регенерацию υ'ф=117,4:(3∙1,77)≈22,1 м/ч.
Объем загрузки рабочих Na-катионитовых фильтров
WNa=4∙1,77∙2,5=17,7 м3>17,6 м3.
Расчет устройств для хранения, приготовления и перекачки раствора серной кислоты. Расход 100%-ной серной кислоты на регенерацию одного Н-катионитового фильтра составит
(159)
где ДН — удельный расход серной кислоты на регенерацию 1 м3 H-катионита, равный 90 г/г∙экв. В данном случае

Регенерация Н-катионитовых фильтров производится 1—1,5%-ным раствором серной кислоты. Поэтому объем бака для регенерационного раствора этой кислоты1
(160)
Тогда

Принимаем два таких бака, оборудованных устройствами для барботирования раствора сжатым воздухом.
1 Объем бака определяется из условия регенерации одного фильтра, если количество Н—Na-катионитовых фильтров не более четырех, и двух фильтров, если количество их более четырех.
254
Общий расход 100%-ной серной кислоты на регенерацию трех фильтров при двух фильтроциклах в сутки (175-3-2):1000≈1,05 т.
Емкость цистерн для хранения концентрированной серной кислоты
(161)
где m — число дней, на которое предусматривается запас кислоты (принимается 30 дней);
b — концентрация кислоты, равная 100%;
γ — удельный вес 100%-ной кислоты, равный 1,83 г/м3.
Тогда

При 75—100%-ной концентрации H2SO4 аппаратура и трубопроводы должны быть выполнены из обычной стали; при концентрации H2SO4 менее 75% необходимо применение кислотостойких материалов.
Так как серная кислота доставляется железнодорожным транспортом, то полученное значение Wц округляется до величины, которая является кратной емкости железнодорожной цистерны. Это необходимо для обеспечения полного опорожнения железнодорожной тары. Грузоподъемность железнодорожной цистерны 50 т, что соответствует объему концентрированной серной кислоты WK=50:1,83=27,4 м3. Принимаем два бака-цистерны емкостью по 15 м3 (диаметр 2 м и длина 5,8 м каждого).
Слив и перемещение серной кислоты из железнодорожной цистерны в стационарную происходит под вакуумом, который создает вакуум-насос или эжектор. Кислота поступает в мерник, а затем эжектором подается в Н-катионитовые фильтры.
Отношение объема воды, поступающей в эжектор, к объему засасываемой кислоты регулирует расходомер; расход кислоты устанавливают по понижению ее уровня в мернике при помощи водомерного стекла.
Полезная емкость бака-мерника для концентрированной кислоты
(162)
Для данного примера

Принимаем изготовляемый промышленностью бак-мерник диаметром 450 мм, высотой 845 мм и объемом 90 л.
255
Емкость бака с водой для взрыхления сульфоугля в Н-катионитовом фильтре определяем с учетом возможности последовательного взрыхления катионита в двух фильтрах. Тогда
(163)
где ωвзp — интенсивность взрыхления катионита, равная 4 л/сек∙м2;
tвзp — продолжительность взрыхления, равная 15 мин.
Для данного примера

Высоту расположения бака над кромкой воронки в фильтре принимаем равной 7 м.
Расчет устройств для мокрого хранения соли, приготовления раствора соли и его перекачки. Расход соли на одну регенерацию Na-катионитового фильтра
(164)
Для данного примера

Для соли, как правило, применяют склады мокрого хранения. Склады сухого хранения допускаются только при суточном расходе соли менее 0,5 т, при этом слой соли не должен превышать 2 м.
Емкость резервуаров для мокрого хранения соли должна приниматься из расчета 1,5 м3 на 1 т соли. При m-дневном запасе это составит
(165)
Тогда для данного примера при m=25 дней, и концентрации насыщенного раствора соли b=26%

Принимаем три резервуара емкостью по 90 м3 каждый и полезной высотой 2,25 м. В каждый резервуар можно загрузить 60 т соли, что равно грузоподъемности одного железнодорожного вагона.
Суточный расход соли при восьми регенерациях Sc=qc∙8=325∙8=2600 кг.
Необходимая емкость бака для разбавленного раствора соли
(166)
256
где С=8% — концентрация разбавленного раствора соли;
γ=1,0585 — удельный вес 8%-ного раствора соли.
Для данного примера

Принимаем два бака емкостью по 15 м3 с тем, чтобы можно было бесперебойно производить регенерацию двух Na-катионитовых фильтров. Размеры каждого бака: диаметр 3 м и высота (полезная) 2,15 м, площадь 7,07 м2.
Для перекачки 8%-ного раствора соли устанавливаем два насоса (рабочий и резервный) производительностью
(167)
где υc — скорость движения раствора соли через катионитовую загрузку, равная 3—5 м/ч;
f — площадь Na-катионитового фильтра, равная 1,77 м2;
С — концентрация рабочего раствора соли, равная 8% при γ=1,0585;
bc — концентрация насыщенного раствора соли, равная 26% при γ= 1,201.
Тогда

Емкость бака с водой для взрыхления сульфоугля в Na-катионитовом фильтре принимаем такую же, как и для подобного бака при Н-катионитовых фильтрах, т. е. 12,7 м3.
Определение расхода воды на собственные нужды Н—Na-катионитовой установки. Этот расход воды слагается из следующих величин:
а) расхода воды на промывку (взрыхление) катионитовой загрузки по формуле (150)

б) расхода воды на отмывку катионитовой загрузки от продуктов регенерации по формуле (151)

в) расхода воды на растворение соли в резервуарах мокрого хранения
(168)
257
Для данного примера при концентрации раствора bс=26% (в расчете на одну регенерацию)

г) расхода воды на приготовление регенерационного раствора соли (разбавлением 26%-ного раствора соли из резервуаров мокрого хранения до 8%-ной концентрации)

д) расхода воды на приготовление регенерационного раствора, серной кислоты с концентрацией рк =1 — 1,5% по формуле (160)

Суточный расход воды на две регенераций четырех Na-катионитовых и трех Н-катионитовых фильтров составит
Qдоб=2[4(4,78+22,12+1,33+1,06)+3(4,78+22,12+11,7)]=465,92 м3.
Следовательно, количество добавочной воды

Для сокращения расхода воды можно первую половину отмывочного расхода воды сбрасывать в сток, а вторую половину использовать для взрыхления загрузки и приготовления регенерационных расходов.
В данном примере можно сократить расход добавочной воды до величины

Глава X
Расчет установок для обессоливания и опреснения воды*
§ 46. Основные способы удаления солей из воды
Под обессоливанием воды принято понимать снижение содержания солей до 1 мг/л, а под опреснением — снижение солесодержания до 1000 мг/л, т. е. до нормы, предъявляемой к питьевой воде.
Полное обессоливание необходимо при подготовке воды для питания прямоточных котлов, работающих под высоким давлением (от 100 ати и более).
Для удаления солей из воды можно применять следующие способы:
1) не изменяющие агрегатного состояния воды — ионитовый, электродиализный, гиперфильтрации (обратный осмос);
2) изменяющие агрегатное состояние воды — дистилляцию (с использованием обычного топлива, солнечного тепла, ядерного горючего) и замораживание с охлаждением воды природным или искусственным способом (при помощи холодильных агрегатов, с отнятием тепла испарением воды в вакууме и др.).
§ 47. Выбор способа опреснения и обессоливания воды
При выборе способа опреснения и обессоливания воды следует учитывать: солесодержание исходной воды, заданную производительность опреснительной установки, а также стоимость источников тепла, электроэнергии и потребных химических реагентов и материалов. На практике встречается необходимость опреснения воды с общим солесодержанием от 2000 до 35 000 мг/л.
При наличии в воде солей с концентрацией до 2000—3000 мг/л наиболее экономичны ионитовые опреснители (катионитовые и анионитовые фильтры). При солесодержании 3000—10 000 мг/л рентабельны электродиализные установки. Если необходимо опреснять морскую (и океанскую) воду с солесодержанием от 10000 до
* Глава X написана канд. техн. наук И. В. Кожиновым.
259
35000 мг/л, следует применять дистилляцию, замораживание или гиперфильтрацию.
Для экономической оценки сферы применения гелиоопреснителей, а также газгидратного и некоторых других способов, находящихся в стадии исследований, в настоящее время достаточных данных не имеется.
§ 48. Расчет ионитовой установки
Ионитовый способ можно рекомендовать для обессоливания вод с общим содержанием солей не более 3000 мг/л при наличии взвеси не более 8 мг/л и цветности не выше 30°.
В случаях, когда не требуется глубокого обессоливания воды, а нужно довести ее солесодержание до нормы, предъявляемой к питьевой воде, т. е. только опреснить воду, применяют ионитовые установки с одной ступенью катионитовых и анионитовых фильтров.
При одноступенчатой схеме вода пропускается через Н-катионитовый фильтр, загруженный сильнокислотным катионитом КУ-1, сорбирующим катионы Са2+, Mg2+ и Na+ и замещающим их ионами водорода. Солесодержание воды снижается на величину, эквивалентную щелочности исходной воды, которая соответствует содержанию в ней бикарбонатных ионов.
Затем вода проходит через фильтр с загрузкой из слабоосновного анионита АН-2ФН, в котором сульфатные SO32– и хлоридные Cl–ионы обмениваются на ионы OH– анионита.
Между катионитовыми и анионитовыми фильтрами или в конце установки размещают дегазатор для удаления свободной СО2.
Катионит регенерируют 5%-ным раствором соляной или серной кислоты, а анионит — 4%-ным раствором кальцинированной соды.
Применение для регенерации Н-катионитовых фильтров серной кислоты создает опасность загипсовывания катионита. Поэтому рекомендуется ступенчатая регенерация с постепенным увеличением концентрации раствора H2SO4 с 1 до 5%. Для сульфоугля 30% регенерационного раствора подается с концентрацией 1%, затем 30% раствора с концентрацией 2% и, наконец, 40% раствора с концентрацией 4%; для катионитов КУ-1 и КУ-2 30% регенерационного раствора с концентрацией 1%, затем 30% раствора с концентрацией 3% и, наконец, 40% раствора с концентрацией 5%.
Одноступенчатая схема позволяет первоначальное солесодержание воды снизить с 2000 до 10 мг/л, однако анион кремниевой кислоты SiO32– практически остается неустраненным1.
При двухступенчатой схеме соленую воду пропускают сначала через Н-катионитовые фильтры I ступени с загрузкой сильнокислотным катионитом КУ-2, задерживающим катионы Са2+ и Mg2+, а затем через анионитовые фильтры I ступени с загрузкой слабоос
1 Содержание ионов SiO3 в природных водах обычно незначительно.
260
новным анионитом АН-2ФН, задерживающим ионы сильных кислот (сульфаты, хлориды, нитраты). Далее вода проходит через Н-катионитовые фильтры II ступени, задерживающие катионы натрия, и, наконец, через анионитовые фильтры II ступени с загрузкой из сильноосновного анионита АВ-17-6. Здесь извлекаются анионы кремниевой кислоты и остатки свободной СО2, не устраненные в декарбонизаторе, который размещают после Н-катионитовых фильтров II ступени.
Если в исходной воде преобладают анионы НСО32–, а сумма анионов Cl– и SO42– составляет не более 1 мг∙экв/л, декарбонизатор размещают после Н-катионитовых фильтров I ступени, на которых и удаляется вся свободная СО2. Кремниевая кислота и остатки СО2 вместе с анионами Cl– и SO42– задерживаются двухступенчатым анионным обменом К По такой схеме содержание SiO32– можно снизить до 0,1—0,2 мг/л, а общее солесодержание — до 1 мг/л.
Трехступенчатая схема ионитовой установки позволяет осуществить еще более глубокое обессоливание воды с остаточным содержанием солей 0,1 мг/л и понизить содержание кремниевой кислоты до 0,05 мг/л.
Пример. Рассчитать трехступенчатую ионитовую установку для глубокого обессоливания воды (рис. 79) при заданной ее производительности Qcyт=3350 м3/сутки, или Qчac=140 м3/ч.

Рис. 79. Схема трехступенчатой ионитовой установки
1, 3, 5 — Н-катионитовые фильтры I, II и III ступени; 2, 4, 6 — анионитовые фильтры I, II и III ступени; 7 —декарбонизатор; 8 — вентилятор; 9 — промежуточный резервуар; 10—15 — баки с водой для взрыхления ионитовой загрузки в фильтрах I, II и III ступени; 16 — бак для сбора повторно используемого раствора NaOH ; 17 — насос. Трубопроводы:——обессоливаемой воды; —х— раствора кислоты на регенерацию Н-катионитовых фильтров; —∙∙— раствора NaOH на регенерацию анионитовых фильтров; — I — сброса в канализацию; —∙— раствора NaOH для повторного использования;
— II — воды на взрыхление Н-катионитовых фильтров, —хх—воды на взрыхление анионитовых фильтров; —о— раствора NH3.
1 В этом случае анионитовые фильтры I и II ступеней загружают сильноосновным анионитом АВ-17.
261
Данные анализа исходной воды следующие.
Наименование Содержание вещества в мг/л Количество вещества в мг/л на 1 мг∙экв/л Содержание вещества в мг∙экв/л Катионы: Са2+ 199,8 20,04 9,96 Mg2+ 89,1 12,16 7,32 Na+ 189,2 23 8,22 K+ 8,1 39,1 0,2 Всего 486,2 — 25,7 Анионы: Cl– 84,3 35,46 2,37 SO42– 702,7 48,03 14,63 HCO3– 488,1 61,02 8 SiO32– 24 38,04 0,63 Всего 1299,1 — 25,7 Общая минерализация воды составляет
M=∑K+∑A. (169)
Тогда, М=486,2+1299,1 = 1785,3 мг/л≈1,8 г/л.
Катионитовые фильтры. Н-катионитовые фильтры всех трех ступеней загружают сильнокислотным катионитом КУ-2 (см. табл.54).
Объем Н-катионита в фильтрах I ступени
(170)
где a1 — коэффициент для учета расхода воды на собственные нужды установки; можно принимать a1=l,1—1,35 (большие значения принимают при повышенном солесодержании и глубоком обессоливании воды);
Qсут — полезный расход обессоленной воды в м3/сутки;
∑[К] — сумма катионов в исходной воде в г∙экв/м3 (см. анализ воды);
n — число фильтроциклов в сутки;
(141)
аэН — коэффициент эффективности регенерации (см. табл. 61);
γ — коэффициент для учета снижения обменной способности Н-катионита по катиону натрия по сравнению с обменной способностью по катионам жесткости;
Eполн —полная обменная способность катионита, равная для КУ-1 600—650 г∙экв/м3 и для КУ-2 1500—1700 г∙экв/м3 при γ=0,8—0,9;
262
q — удельный расход осветленной воды на отмывку 1 м3 Н-ка-тионита.
Тогда при Еполн=1300 г∙экв/м3 и q=4—5 м3/м3 по формулам (171) и (170):
Eраб=0,91∙0,85∙1300—0,5∙5∙25,7≈940 г∙экв/м3;

При высоте загрузки h=2,5 м суммарная площадь катионитовых фильтров будет ∑FHI=51:2,5=20,4 м2.
Принимаем по табл. 58 три рабочих фильтра и один резервный D=3 м и общей площадью ∑FHI=3∙7,05∙21,2 м2>20,4 м2.
Скорость фильтрования воды при нормальном режиме υ=140:21,2≈6,6м/ч.
Для катионитовых фильтров II ступени
Eрa6=aэEполн—0,5qCNa, (172)
где СNa — содержание натрия в воде, поступающей на Н-катионитовые фильтры II ступени, вследствие проскока натрия в фильтрат I ступени.
Величина CNa принимается (с запасом) равной концентрации Na в исходной воде.
При удельном расходе H2SO4, равном 100 г/г∙экв, величина aэ=0,85; удельный расход осветленной воды q=8—10 м3/м3 катионита; тогда
Eраб=0,85∙1600—0,5∙10∙8,22=1320 г∙экв/м3.
Полезная продолжительность фильтроцикла обычно t1=22,5 ч. Так как на Н-катионитовые фильтры II ступени поступают лишь катионы натрия, рекомендуется увеличивать t1 до 100 ч. Однако в данном случае количество натрия значительно и составляет более 30% общего содержания катионов в исходной воде, а поэтому принимаем t1=33 ч. Продолжительность отмывки по сравнению с обычной (t2=l,5 ч) увеличиваем до t2=3 ч. Тогда число фильтро-циклов за сутки n=24:(33+3)=0,67.
Объем катионитовой загрузки» по формуле (170)

При высоте загрузки h=1,5 м площадь фильтров II ступени будет ∑FHII=32:1,5=21,3 м2.
Принимаем три рабочих фильтра и один резервный D=3 м и площадью FHII=7,05 м2 каждый.
Н-катионитовые фильтры III ступени принимаем без расчета равнозначными фильтрам II ступени.
Скорость фильтрования воды через Н-катионитовые фильтры I ступени должна быть не более 25 м/ч, а при форсированном режиме (выключение одного, фильтра на регенерацию) — не более
263
30 м/ч. Для фильтров II и III ступеней эту скорость можно повысить до 40—60 м/ч.
Анионитовые фильтры. Для фильтров I ступени расчетная обменная способность слабоосновного анионита АН-2Ф во влажном состоянии составляет Eраб=550 г∙экв/м3 (табл. 62).
Расчетная скорость фильтрования анионитовых фильтров I ступени определяется по формуле
(173)
где ha — высота загрузки анионитовых фильтров I ступени, равная 2,5 м;
А — содержание анионов сильных кислот в исходной воде (см. анализ воды), равное для данного примера: А=Cl–+SО42–= =2,37+14,63=17г∙экв/м3;
T — продолжительность работы каждого фильтра между регенерациями в ч, равная:

n — число регенераций за сутки, принимаемое равным 2—3;
t1 — продолжительность взрыхления анионита, равная 0,25 ч;
t2 — продолжительность пропуска через анионит регенерационного раствора щелочи, равная 1,5 ч;
t3 — продолжительность отмывки анионита после регенерации, равная 3 ч.
Тогда


Площадь анионитовых фильтров I ступени
(174)
Тогда

Принимаем четыре рабочих фильтра и один резервный диаметром 3 м (см. табл. 58).
Общая площадь рабочих фильтров ∑FAI=4∙7,1=28,4 м2.
Для анионитовых фильтров II ступени расчетная величина обменной способности
Eрасч=Eраб—0,5qCSiO32–. (175)
264
Таблица 62
Технологические характеристики некоторых анионитов
265
Название анионита Сырье, применяемое для изготовления Насыпной вес в т/м3 Коэффициент набухания Размер зерен в мм Рабочая обменная способность в г∙экв/м3 Степень стойкости аннонита при допустимой температуре обессоливаемой воды

воздушно-сухого набухшего



Слабоосновной АН-2Ф Производные полиэти-ленполиаминовых фенолов 0,6 0,4 1.5 0,3—0,5 450—550 Стоек в кислой и щелочной средах до t=50°С Среднеосновной ЭДЭ-10П Полиэтиленполиамины 0,6 0,35 1,71 0,3—1,5 800 То же Сильноосновной АВ-17 Стирол, дивенилбен-зол 0,74 0,39 1,9 0,2—1,6 650 Стоек в кислой, щелочной и окислительной средах до t=50°С 266
Таблица 63
Зависимость средней за межрегенерационный период концентрации SiO32– в обессоленной воде от концентрации SiO32– в фильтрате в момент отключения на регенерацию
Средняя концентрация SiO32– в мг/л в обессоленной воде за межрегенерационный период 0,02 0,05 0,07 0,1 0,12 0,13 0,15 0,17 0,18 0,2 0,22 0,23 0,25 0,26 0,28 Остаточная концентрация SiO32– в фильтрате анионито-вого фильтра I ступени 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1.5 Определим рабочую кремнеемкость анионита Ераб, задаваясь средней концентрацией SiO32– в обессоленной воде 0,1 мг/л за межрегенерационный период. По табл. 63 найдем, что эта концентрация соблюдается, если фильтр отключать на регенерацию по достижении в фильтрате концентрации 0,4 мг/л SiO32–.
Так как в исходной воде концентрация SiO32– составляет 24 мг/л, то при концентрации 0,4 мг/л в фильтрате рабочая кремнеемкость анионита ЭДЭ-10П, согласно табл. 64, составит 54 г∙экв/м3 (по интерполяции).
Таблица 64
Зависимость рабочей кремнеемкости анионита ЭДЭ-10П от концентрации кремниевой кислоты в исходной воде
Остаточная концентрация SiO32– в фильтрате в момент выключения на регенерацию в мг/л Рабочая кремнеемкость анионита в г∙экв/м3 при концентрации Si032– в исходной воде в мг/л
3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 0,1 15 23 29 34 37 39 40 43 44 45 46 47 49 50 0,5 27 35 39 43 47 50 53 57 61 64 67 70 74 77 1 38 45 50 55 60 64 67 70 73 76 79 82 86 89 1,5 50 56 61 67 70 73 76 80 84 87 90 93 97 100 Тогда для данного примера по формуле (175)
Epacч=54—0,5∙8∙0,63=51,5 г∙экв/м3,
где 8 — удельный расход осветленной воды в м3 на 1 м3 загрузки;
0,63 — содержание SiO32– в исходной воде в мг∙экв/л (см. анализ воды).
Объем анионита ЭДЭ-10П в фильтрах II ступени по формуле (170)

При высоте загрузки h=1,5 м площадь фильтров FAII=42,2:1,5=28,1м2.
Принимаем четыре рабочих фильтра и один резервный диаметром 3 м каждый и общей площадью 28,2 м2.
Вместо анионита ЭДЭ-10П можно применить для загрузки фильтров II ступени сильноосновный анионит АВ-17, расчетная кремнеемкость которого составляет 420 г∙экв/м3 (табл. 65), т. е. значительно выше кремнеемкости анионита ЭДЭ-10П.
Тогда необходимый объем анионита АВ-17 по формуле (170)

267
Таблица 65
Рабочая кремнеемкость сильноосновных анионитов
Анионит Рабочая кремнеемкость анионита в г∙экв/м3 до проскока в фильтрат SiO32– в мг/л Расход едкого натра на регенерацию в кг на 1 м3 анионита
0,1 0,5 1
ЭДЭ-10П 32 60 84 24,5 АВ-16 176 238 255 144 АВ-17 420 528 562 210 При высоте загрузки 1,5 м площадь фильтров будет ∑F'AII=5,2:1,5=3,5 м2.
Принимаем, два рабочих фильтра и один резервный D=2 м. Тогда при работе обоих фильтров скорость фильтрования

а при выключении одного фильтра на регенерацию

Анионитовые фильтры III ступени подбирают по скорости фильтрования до 30 м/ч и высоте загрузки 1,5 м. Поэтому в данном случае эти фильтры приняты таких же размеров, как и для II ступени.
Определение расхода воды (частично обессоленной) на собственные нужды установки. 1. Расход воды для приготовления регенерирующих растворов
(176)
где ∑К — сумма катионов в фильтрате анионитовых фильтров I ступени в г∙экв/м3, принимаемая ориентировочно равной 0,3 г∙экв/м3;
∑А — сумма анионов сильных кислот; для данного примера ∑А=2,37+14,63=17 мг∙экв/л (см. анализ воды);
а1 — удельный расход 100%-ной кислоты в г/г∙экв;
а2 — удельный расход щелочи в г/г∙экв;
b1 и b2 — концентрация регенерирующих растворов в %.
Если принять а1=120 г/г∙экв для 100%-ной H2SO4, а2=60 г/г∙экв для едкого натра, b1=1,5% и b2=4%, то по формуле (176)

268
2. Расход воды на взрыхление ионита в фильтрах II и III ступеней (перед их регенерацией)
Qвзр=0,06tв(m1n1FHlω1+m2n2FAlω2+т3п3FHllω3+
+m4n4FAIIω4+m5n5FHlIIω5+m6n6FAlIIω6) м3/сутки. (177)
Здесь tв — продолжительность взрыхления, обычно принимаемая равной 15—20 мин;
п1, п3 и п5 — число регенераций каждого из катианитовых фильтров I, II и III ступеней за сутки; принимаются n1 = 1—2, n3=0,25 и n5=0,05;
п2, п4 и п6 — то же, для анионитовых фильтров; принимаются n2=1—2; n4=1—2 и n6=0,05;
FHI FHII и FHIII — площади Н-катионитовых фильтров I, II и III ступеней в м2;
FAI FAII и FAIII — то же, анионитовых фильтров в м2;
m1,..., m6 — количество фильтров соответствующих групп;
ω1,..., ω6 — интенсивность взрыхления ионитов соответствующих фильтров в л/сек∙м2.
В формуле (177) значения m1, n1, FHI и m2, n2, FAI равны нулю, так как для взрыхления ионитов в фильтрах I ступени повторно используются отмывочные воды. Тогда
Qвзр=0,06∙15(3∙0,25∙7,05∙5+2∙1∙3,14∙5+
+3∙0,05∙7,05∙5+2∙0,05∙3,14∙5)=58,23 м3/сутки.
3. Расход воды для /отмывки ионитов (при условии отмывкиионитовых фильтров I ступени повторно используемыми водамипосле отмывки фильтров II ступени)
Qотм=n3PHIIqHII +n4PAII qAII+
+n5PHIIIqHIII+n6PAIIIqAIII, (178)
где PHII, PHIII — объемы катионита в рабочем состоянии в м3;
PAII, PAIII — объемы анионита в рабочем состоянии в м3;
qHII, qHIII, qAII, qAIII — удельные расходы отмывочной воды в м3/м3.
Тогда при qHII=8—10 м3/м3, qHIII=10—20 м3/м3, qAII=7—10 м3/м3 и qAIII=10—12 м3/м3
Qотм=1(3∙7,05∙1,5∙10)+1(2∙3,14∙1,5∙8)+0,05(3∙7,05∙1,5∙15)+
+0,05(2∙3,14∙1,5∙10)=222,25+75,36+23,79+4,71=
=326,11 м3/сутки.
Из этого количества воды фильтрат анионитовых фильтров II и III ступеней составляет 23,79+4,71=28,5 м3/сутки.
269
Суммарный расход частично обессоленной воды на собственные нужды установки
∑Q=Qр+Qвзр+Qотм=93,7+58,23+326,11≈478 м3/сутки,
или (478∙100):3350≈14,3% полезного расхода; следовательно, а1=1,143.
Расход фильтрата анионитовых фильтров II ступени равен: (28,5∙100) :3350≈1%, следовательно, а2=1,01.
Таким образом, коэффициенты расхода на собственные нужды, принятые в расчете, были намечены правильно.
§ 49. Расчет регенерационного хозяйства ионитовои установки
Емкость цистерн для хранения запаса концентрированных кислот и едкого натра
(179)
где а1 — коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды установки, в данном примере a1 =1,143 (см. выше);
∑K — сумма катионов (или анионов) в обессоливаемой воде в г∙экв/м3.
Значения а, m, b и γ приведены в табл. 66.
Таблица 66
Реагенты для регенерации ионитов
Реагент для регенерации ионитов Удельный расход реагента100%-ной концентрации а в г/г∙экв Число суток, на которое рассчитан запас реагентов, в m Концентрация реагента b в % Удельный вес концентрированного реагента γ в т/м3 Серная кислота H2SO4 120—125 20—40 65-92,5 1,55-1,83 Соляная кислота НCl 90—95 20—40 27—30 1,14 Едкий натр NaOH 60—70 20—40 42 1,45 Кальцинированная сода Na2CO3 110—120 20—40 95 0,95 Бикарбонат натрия NaHCO3 150—170 20—40 98 0,95 При частичном обессоливании, когда не надо удалять из воды кремниевую кислоту, анионит регенерируют кальцинированной содой или бикарбонатом натрия (см. табл. 66). Если обессоливающая установка имеет анионитовые фильтры с сильноосновным анионитам (для извлечения из воды кремниевой кислоты), регенерация осуществляется едким натром.
В рассматриваемом примере емкость цистерн для 75%-ной серной кислоты при Qcyт=3350 м3/сутки по формуле (179)

270

Большегрузная железнодорожная цистерна грузоподъемностью 50 т при удельном весе серной кислоты γ=1,67 имеет емкость 50:1,67=30 м3. Поэтому вместо типовых стационарных цистерн емкостью 15 м3 принимаем четыре цистерны емкостью по 50 м3 каждая.
Емкость цистерн для жидкого едкого натра по формуле (179)

Принимаем три цистерны емкостью по 50 м3 каждая. Емкость мерника для серной кислоты и едкого натра
(180)
где t — продолжительность работы катионитового фильтра в ч;
p — число регенераций, на которое принимают запас реагента в мернике; обычно принимается равным 1—3;
n — число рабочих ионитовых фильтров.
Остальные обозначения аналогичны принятым в формуле (179). Емкость мерника для серной кислоты

Емкость мерника для едкого натра

где 2000 — удельный расход NaOH в г на 1 г∙экв задержанной из воды кремниевой кислоты.
Типовые мерники имеют емкости 150, 250 и 500 л при диаметрах 500, 670 и 810 мм и высотах 1060, 1135 и 1345 мм. Поэтому мерники полезной емкостью 1,4 и 1,15 м3 должны быть изготовлены по специальному заказу.
Емкость баков с водой для взрыхления ионитов
(181)
где ωвзр=3—5 л/сек∙м2 — интенсивность взрыхления;
tв=15—20 мин — продолжительность взрыхления;
F — площадь ионитового фильтра.
Каждый бак для взрыхления катионита для фильтров I, II и III ступеней должен иметь емкостьWб.к= 0,12∙5∙7,05∙15=63,5 м3. Каждый бак для взрыхления анионита в фильтрах I, II и III ступеней должен иметь полезную емкость


271
Емкость бака для сбора регенерирующего раствора едкого натра после анионитовых фильтров II ступени для последующей регенерации анионитовых фильтров I ступени
(182)
где γ=1 т/м3;
п — общее число рабочих анионитовых фильтров I и II ступеней;
р=2 — расчетное числю регенераций;
S=0,6 — количество раствора NaOH в долях единицы, подаваемого для регенерации анионитового фильтра II ступени концентрацией b2 (обычно b2=1,5—4%);
(1—S) —то же, подаваемого с концентрацией b3 (обычно) b3=0,2—0,3%).
Тогда

Емкость резервуара для сбора регенерирующего раствора от Н-катионитовых фильтров II ступени для использования при регенерации фильтров I ступени

Емкость резервуара для сбора отмывочных кислых вод после катионитовых фильтров II ступени Wб.о.к=6FHIIh=6∙7,05∙1,5=63,5 м3, а для сбора щелочных вод после анионитовых фильтров II ступени Wб.о.щ.=6FAIIh=6∙3,14∙1,5=28,3 м3.
§ 50. Опреснение воды на электродиализнои установке
Простейшая схема установки представляет собой ванну с двумя ионоселективными мембранами в виде микропористых перегородок. Ванна разделена на три камеры с электродами, погруженными в крайние ячейки. После включения тока происходит перенос ионов в крайние камеры — катионов к катоду, а анионов к аноду — и опреснение воды в средней камере.
Материалом для мембран служит перхлорвиниловая ткань, микропористый винипласт. Катод изготовляется из нержавеющей стали, а анод—из магнетита (плавленая закись — окись железа).
Метод электродиализа следует применять при опреснении вод с солесодержанием от 3000 до 10000 мг/л для получения воды с содержанием солей не ниже 500 мг/л. Исходная вода, поступающая на электродиализную установку, может содержать взвешенных веществ не более 2 мг/л, железа не более 0,1 мг/л, соединений бора
272
не более 0,1 мг/л и иметь цветность не выше 20°, окисляемость не более 5 мг/л O2.
Опреснительные электродиализные установки могут быть прямоточными, циркуляционными порционными и непрерывного действия.
Схема циркуляционной порционной установки ЭОСХ-3 приведена на рис. 80*.

Рис. 80. Схема опреснительной электродиализной установки ЭОСХ-3
—1 — соленая вода, —2 — частично опресненная вода, —3— рассол, —4— анолит для подкисления; —5— кислота, —6 —сжатый воздух
После прохода через фильтр 1 соленая вода направляется в баки 2, откуда насос 3 прокачивает ее через две параллельно действующие электродиализные ванны 4 и 5. Пройдя через ванны, частично обессоленная вода (дилюат) снова поступает в бак 2. Одновременно насос 6 обеспечивает циркуляцию рассола по этапу: рассольный бак 7— ванны 4 и 5— рассольный бак 7. Между тем исходная соленая вода заполняет соседний бак 2а.
Продолжительность циркуляции опресняемой воды по этапу бак 2—ванны 4 и 5—бак 2 зависит от показаний солемера 8 смонтированного на выходе опресняемой воды из ванн. Как только содержание солей понизится до 1 г/л, датчик солемера 8 сообщает импульс автоматической системе управления. Задвижка на трубопроводе, подающем опресненную воду из бака 2 потребителю,
* Разработана ВНИИ ВОДГЕО и Гипроводхозом.
273
открывается; задвижка на всасывающем трубопроводе из бака 2 к насосу 3 закрывается. Одновременно открывается задвижка на всасывающей линии из бака 2а, где к началу второго цикла уже скопилась опресняемая вода. Таким образом насос 3 переключается на подачу воды в ванны из бака 2а, тогда как опорожненный бак 2 наполняется следующей порцией исходной соленой воды. Задвижки на трубопроводах, подающих соленую воду в баки 2 и ша, также имеют автоматическое управление. Импульсы на открывание задвижек подают реле уровня, размещенные на высоте 100 мм от дна бака. Импульсы на закрывание задвижек подают реле уровня, смонтированные у верха бака, после заполнения его соленой водой.
Продувка рассольного тракта производится непрерывно сбрасываемый рассол служит для промывки анодного и катодного пространств ванн. После промывки анодного пространства в рассоле содержится свободный хлор. Его можно извлечь в вакуумном десорбере и применять для обеззараживания воды.
Во избежание отложений карбоната кальция и гидроокиси магния в катодном пространстве и в рассольных камерах производится подкисление рассола до величины рН=4.
§ 51. Расчет электродиализной опреснительной установки
Основной задачей расчета электродиализной установки является определение: 1) напряжения и силы постоянного тока, подводимого к ваннам; 2) площади мембран и их количества.
Заданный расход воды Qcyт=165 м3/сутки1, или Qчас=7 м3/ч.
Анализ воды Каспийского моря в районе залива Кара-Богаз-Гол:
Катионы: Содержание ионов:
в мг/л в мг∙экв/л Са2+ 370 18,5 Mg2+ 715 58,8 Na+ 2958 128,6 К+ 730 18,7 Всего 4773 224,6 1 В 1968—1969 гг. в пос. Бекдаш (Туркменская ССР) построена опытно-промышленная электродиализная опреснительная установка «Каспий» производительностью 100 м3/сутки, снижающая содержание солей в воде с 14 до 1 г/л (НИИПластмасс).
В 1970 г. Алма-Атинский электромеханический завод МПС изготовил электродиализный опреснитель на 720 м3/сутки, который эксплуатируется в Новони-колаевске (Запорожская обл.).
274

Анионы: Содержание ионов:
в мг/л в мг∙экв/л Cl– 5455 153,8 SO42– 3130 65,2 HCO3– 341 5,6 Всего 8926 224,6 Общая минерализация воды составляет Р=13699 мг/л, или 13,7 г/л; рН воды равно 7,2. Ионная сила раствора будет
μ=[(Сa2++Mg2++SO42–)+0,5(Na++НСО3–+Cl–)]10–3=
=[(18,5+58,8+65,2)+0,5(128,6+5,6+153,8)]10–3≈0,3.
Проверяем величину ионной силы раствора по эмпирической формуле
μ = 0,000022 Р, (183)
где Р — общая минерализация исходной воды.
Тогда μ=0,000022∙13699≈0,3.
Среднее солесодержание Эср=13699:224,6≈61 мг/мг∙экв.
Коэффициент допустимого концентрирования солей в рассольных камерах
(184)
Следовательно, для данного примера при двукратном перенасыщении рассола гипсом

Таким образом, концентрацию солей в рассоле можно довести до 224,6K≈450 мг∙экв/л.
Количество солей, удаляемых за 1 ч, для снижения общего со-лесодержания воды с 13699 до 1000 мг/л составит:

Количество электричества, которое нужно пропустить через электродиализную ванну для удаления из воды солей,
(185)
где Снач=224,6 мг∙экв/л;
Скон=1000:Эср=4000:61=16,4 мг∙экв/л;
I — сила тока в а;
275
 Т — время его протекания в ч;
ηэ=0,82 — коэффициент выхода по току при солесодержании опресняемой воды 0,225 г∙экв/л (табл. 67).
Таблица 67
Зависимость коэффициента выхода по току от солесодержания воды при электродиализе
Солесодержание опресняемой воды в г∙экв/л 0,02 0,03 0,04 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Коэффициент выхода по току 0,88 0,87 0,863 0,858 0,84 0,823 0,815 0,805 0,8 Тогда

Оптимальная плотность тока при солесодержании воды 13,7 г/л, стоимости мембран 12 руб/м2 и стоимости электроэнергии 1 коп/квт∙ч составит j=0,0117 а/см2 (табл. 68).
Таблица 68
Оптимальная плотность тока j для электродиализных установок
Содержание исходной воды в г/л Стоимость Расчетная оптимальная плотность тока j в a/cм2
электроэнергии в коп/квт∙ч мембран в руб/м2 для циркуляционной установки для I ступени прямоточной многоступенчатой установки 15 1 6 0,008 0,032

12 0,012 0,042
2 6 0,006 0,028

12 0,008 0,032 7,5 1 6 0,007 0,022

12 0,009 0,031
2 6 0,005 0,016

12 0,007 0,022 2,5 1 6, 0,005 0,015

12 0,008 0,021
2 6 0,004 0,011

12 0,006 0,015 Примечание. Величины j даны для камер с сепараторами из поливинилхлорида. Для сепараторов из капрона (плетеных) величину j надо уменьшить на 10%. 276
Тогда площадь мембран Fм=[IT]факт:j=47 630:0,0117≈40,7∙105 см2.
Принимаем мембраны размером 0,7X500X1500 мм.
Площадь одной мембраны нетто fнетто=Км(50Х150)=0,75(50X150)= =5,6∙10–3 см2 (где Kм=0,75 — коэффициент экранирования мембраны из паронита).
Потребное число парных мембран п в ванне

Принимаем четыре параллельно действующие ванны с числом камер n=730:4≈160 в каждой.
Источник постоянного тока, подаваемого в ванны, — выпрямитель на кремниевых диодах ПВКЛ-200-8.
Необходимое напряжение на клеммах выпрямителя электрического тока зависит от удельной электропроводности.
Для опресняемой воды удельная электропроводность равна:
λв=kэC1–n, (186)
где λв — удельная электропроводность опресняемой воды;
kэ=1/8300;
С — эквивалентная концентрация раствора, т. е. количество мг∙экв растворенного вещества в 1 л раствора.
Значения (1-n) составляют: для воды Каспийского моря 0,905, для подземных вод с солесодержанием 6,1 г/л 0,875 и с солесодержанием 3 г/л 0,89.
Тогда соответственно в начале и конце цикла

Для рассола при двукратной его концентрации удельная электропроводность равна:

Внутреннее электрическое сопротивление одной камеры ванны
(187)
где d — расстояние между мембранами в см;
kc — коэффициент увеличения электрического сопротивления камеры; по данным ВНИИ ВОДГЕО, kc=0,34—0,71 в зависимости от типа сетки сепаратора турбулизатора (принимаем kc=0,54);
277
λв и λр — удельные электропроводности дилюата и рассола в камерах;
ρK и ρA — удельное поверхностное сопротивление катионитовой и анионитовой мембран в ом∙см2. Тогда соответственно в начале и конце цикла

Мембранный потенциал равен:
Eм=0,1 lgСр/Сд, (188)
где Ср и Cд — концентрация солей соответственно в рассоле и дилюате.
Тогда:
в начале цикла

в середине цикла

в конце цикла

Напряжение на ванне, необходимое для поддержания средней расчетной плотности тока,
U=jfнетто+Eэ+2nEмср, (189)
где j=0,0117 а/см2 — плотность тока;
fнетто=5,6∙108 см2 — площадь одной мембраны;
п — число мембран в ванне;

Еэ=3—4 в — падение напряжения на электродах (на аноде и катоде).
Следовательно,
U=0,0117∙5,6∙103∙160∙2,3∙10–2+4+2∙160∙0,06≈264 в.
При этом напряжении плотность тока
(190)
278
Тогда соответственно в начале и конце цикла:


В среднем за цикл в предположении, что сила тока снижается в течение цикла по линейному закону, плотность тока будет
jср=(jнач+jкон):2=(0,019+0,0057):2=0,0124 а/см2,
что только на 6% выше оптимальной величины j=0,0117 (cм. табл. 68).
Деполяризующая скорость движения воды и рассола в камерах ванны
(191)
где υк.д — критическая скорость движения воды через камеры, при снижении которой возникает жесткая концентрационная поляризация мембран, в см/сек;
jкон — плотность тока в а/см2;
С — средняя концентрация растворенных солей в опресняемой воде в камере в мг∙экв/л;
В и р — параметры, зависящие от конструкции камеры, типа турбулизатора-сепаратора, соотношения коэффициентов диффузии растворенных в воде солей и ее температуры; можно принять В=2,5; р=0,67 и 1/p= 1,493;
dэкв — эквивалентное расстояние между мембранами в см.
Тогда

Производительность циркуляционных насосов для перекачки опресняемой воды и рассола
Qн=nmdbυк.д (192)
где d — расстояние между мембранами, равное 0,8∙10–3 м;
b — ширина прохода воды в камере, равная 0,42 м.
Следовательно, Qн=160∙4∙0,8∙10–3∙0,42∙0,033=7,1∙10–3 м3/сек, или 25 м3/ч.
Принимаем два рабочих кислотостойких насоса и один резервный марки 1,5Х-9Д-1-41 производительностью по 14 м3/ч при напоре 14 м с электродвигателями мощностью по N=4,5 квт.
Расход электроэнергии на опреснение воды:
а) постоянного тока — собственно на электродиализ
(193)
279
тогда

б) переменного тока — на циркуляцию дилюата и рассола
Wпep=2N=2∙4,5=9 квт∙ч.
Расход электроэнергии на опреснение 1 м3 воды

§ 52. Опреснение воды гиперфильтрацией
Этот способ опреснения заключается в фильтровании соленой воды через специальные полупроницаемые мембраны из ацетил-целлюлозы, которые пропускают воду, а задерживают ионы растворенных в ней солей. При этом необходимо создать избыточное давление для фильтрования воды через мембрану в направлении, противоположном осмотическому переносу, т. е. со стороны соленой воды. Иначе говоря, необходимое давление должно быть выше осмотического.
В имеющихся опытных установках пока еще малой производительности соленая вода подается насосом под давлением 50— 100 ати. Некоторые исследователи считают этот способ опреснения воды весьма перспективным. Исследования в этом направлении ведутся во ВНИИ ВОДГЕО (проф. В. А. Клячко).
§ 53. Обессоливание воды с изменением ее агрегатного состояния
В данной книге не рассматриваются подробно способы опреснения воды, изменяющие ее агрегатное состояние1. Отметим, что в настоящее время при высоком солесодержании воды наибольшим распространением пользуются дистилляционные опреснители. Основная функция их состоит в испарении воды с последующей конденсацией пара, которая и приводит к получению пресной воды.
Наиболее экономичны: многоступенчатые установки с вертикально-трубчатыми испарителями-конденсаторами и многоступенчатые адиабатные испарители (типа «флеш») с мгновенным вскипанием опресняемой воды.
Установка первого типа построена в г. Шевченко; она имеет пять ступеней и позволяет опреснять 13,6 тыс. м3/сутки морской воды2.
1 Подробнее см. в книге: И. Э. Апельцин и В. А. Клячко. Опреснение воды. Стройиздат, 1968.
2 В 1969 г. завод «Уралхиммаш» разработал десятикорпусную установку производительностью до 700 т/ч дистиллята.
280
Из числа введенных в действие установок с мгновенным вскипанием воды самая большая находится в Кувейте (производительностью 22,5 тыс. м3/сутки).
В г. Шевченко строится первый в мире опреснитель производительностью 120 тыс. м3/сутки с использованием тепла ядерного реактора на быстрых нейтронах. Одновременно с опреснением воды атомная электростанция мощностью 150 тыс. квт будет ежегодно вырабатывать 5 млрд квт∙ч электроэнергии (рис. 81).

Рис. 81. Схема двухцелевой ядерно-энергетической водоэлектростанции с многоступенчатыми испарителями с мгновенным испарением воды
1—атомный реактор; 2—пар; 3 — турбина; 4—бак подкисления; 5 —резервуар пресной воды; 6 —пресная вода; 7 — подогреватель; 8 — испаритель с мгновенным испарением воды; 9 — соленая вода; 10 — водоприемник
Опреснение воды с применением искусственного замораживания основано на отъеме тепла при кипении воды в вакууме ниже точки ее замерзания. При вспрыскивании соленой воды тепло, затрачиваемое на испарение воды, отнимается от неиспарившейся ее части. Вследствие этого вода замерзает, образуя суспензию кристаллов пресного льда в рассоле. Эти кристаллы отделяют, обмывают пресной водой и подают в камеру для таяния, происходящего за счет тепла, которое выделяется при конденсации паров воды, отсасываемых из вакуумной камеры.
При этом способе исключаются косвенные неудобства, свойственные другим способам опреснения, — накипеобразование, биообрастание и коррозия.
Некоторым видоизменением описанного процесса кристаллизации является опреснение воды при помощи получения кристаллогидратов пропана. Первый этап состоит в связывании части воды соленого раствора в кристаллогидраты пропана. Затем производится сепарация кристаллов от маточного раствора, очистка их от рассола и, наконец, плавление кристаллов для получения пресной воды.
Глава XI
Расчет установок для удаления из воды свободной углекислоты
§ 54. Определение содержания в воде свободной углекислоты
Как отмечалось в главе I, находящиеся в воде ионы СО32– НСО3–и углекислый газ СО2 связаны углекислотным равновесием. Часть свободной углекислоты, находящаяся в равновесии с бикарбонатами, называется равновесной и не вступает в химические реакции. Избыточная свободная (или агрессивная) углекислота в отличие от равновесной весьма активна. Наличие ее в воде вызывает коррозию бетонных сооружений и металлических труб.
В табл. 69 приведены данные о содержании свободной углекислоты СО2 в воде. Если условия отличаются от принятых в табл. 69, то вводятся поправки на солесодержание β (табл. 70) и на температуру τ (табл. 71).
Следовательно, фактическое содержание СО2 в воде будет
[СО2]факт = [СО2]таблβτ. (194)
§ 55. Способы удаления из воды свободной углекислоты
Удаление из воды свободной углекислоты необходимо при умягчении воды Н — Na-катионированием, при ионитовом способе обессоливания воды и при ее обезжелезивании аэрацией. Для этой цели применяют дегазаторы. Наиболее целесообразны пленочные дегазаторы, загруженные насадкой и оборудованные вентиляторами для принудительной подачи воздуха снизу, т. е. в направлении, встречном по отношению к движущейся сверху вниз воде.
Насадкой могут служить либо керамические кольца Рашига размером 25X25X3 мм (ГОСТ 748—67), либо деревянные хордовые насадки (бруски) размером 50X13 мм.
Пример. Рассчитать дегазатор при заданном расходе воды (смешанный фильтрат после Н — Na-катионирования) Qчac=190 м3/ч.
282
Таблица 69
Содержание свободной углекислоты (в мг/л) в исходной воде
Общая щелочность воды Щ в мг∙экв/л Содержание свободной углекислоты СО2, в воде при температуре 10 °С, солесодержании 200 мг/л и при значениях рН
6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 7,9 8 0,5 18 14 10 8 7 6 5 4 3 2 2 2 2 1 1 1 0,6 21 16 13 10 8 7 6 5 4 3 2 2 2 1 1 1 0,7 24 18 15 12 10 8 7 5 4 3 3 3 2 1 1 1 0,8 28 21 18 14 11 9 7 6 5 4 3 3 2 1 1 1 0,9 32 24 20 15 13 10 8 6 5 4 4 4 2 1 1 1 1 36 27 23 17 14 11 9 7 5 4 4 4 3 2 2 1 1,1 39 30 25 19 15 12 9 7 6 5 4 4 3 2 2 1 1,2 43 33 27 21 17 13 10 8 6 5 4 4 3 2 2 1 1,3 47 36 29 23 18 14 11 8 7 6 5 4 3 3 2 1 1,4 50 39 31 24 19 15 12 9 8 6 5 4 3 3 2 2 1,5 54 41 33 26 21 17 13 10 8 7 5 5 3 3 3 2 1,6 58 44 36 28 22 18 14 11 9 7 5 5 4 3 3 2 1,7 61 47 38 30 23 20 15 22 10 7 6 5 4 3 3 2 1,8 64 50 40 31 25 21 16 12 11 8 6 5 4 3 3 2 1,9 68 52 42 33 26 22 17 13 11 9 6 6 4 3 3 2 2 72 55 44 35 28 23 18 14 12 10 7 6 5 4 3 2 2,5 90 69 56 44 35 28 22 18 14 12 9 7 6 5 4 3 3 108 83 67 53 42 34 27 22 17 14 11 8 7 6 5 3 3,5 — 97 79 62 49 39 31 25 19 16 12 9 8 7 5 4 4 — 111 90 71 56 45 35 28 22 18 14 11 10 8 6 5 4,5 — — 100 79 63 50 40 32 25 21 16 12 11 9 7 5 5 — — — 88 70 56 44 36 28 23 18 14 12 10 9 6 5,5 — — — 97 77 62 48 39 31 25 19 15 13 11 9 6 6 — — — 106 85 68 53 43 33 27 21 17 14 12 9 7 6,5 — — — — 92 74 57 46 36 29 23 18 15 12 10 8 7 — — — — 99 79 61 50 39 31 25 19 16 13 10 9 7,5 — — — — 106 85 66 54 42 33 26 21 17 14 11 10 8 — — — — — 90 70 57 44 35 28 22 18 15 12 10 Таблица 70
Поправка β на солесодержание воды при определении СO2
Солесодержание в мг/л 100 200 300 400 500 750 1000 β 1,05 1 0,96 0,94 0,92 0,87 0,83 Таблица 71
Поправка τ на температуру воды при определении СO2
Температура воды в °С 0 5 10 15 20 25 30 40 50 60 τ 1,28 1,12 1 0,9 0,83 0,78 0,74 0,7 0,66 0,65 283
Содержание углекислоты в подаваемой на дегазатор воде определяют по формуле
[СO2]п=[СО2]исх+44Щ, (195)
где [CO2]исх — содержание свободной углекислоты в исходной воде в мг/л;
Щ — щелочность исходной воды в мг∙экв/л.
В данном примере Щ=2,3 мг∙экв/л; общее солесодержание в исходной воде 362 мг/л. Величина рН воды 6,9 и расчетная ее температура 5°С.
По интерполяции найдем значение β и τ (ом. табл. 70 и 71), а по формуле (194)
[СО2]исх=33∙0,95∙1,12=35 мг/л.
Откуда
[СО2]п=35+44∙2,3=136 мг/л.
Площадь поперечного сечения дегазатора
Fдег=Qчac:Po, (196)
где Ро — плотность орошения на 1 м2 площади дегазатора в м3/ч, равная при насадке из колец Рашига 60 м3/ч и при деревянной хордовой насадке 40 м3/ч.
Таблица 72
Высота слоя насадки в дегазаторе
Насадка Высота слоя насадки в м при содержании СO2 в воде в мг/л
50 100 150 200 250 300 Кольца Рашига 3 4 4,7 5,1 5,5 5,7 Хордовая из деревянных брусков 4 5,2 6 6,5 6,8 7 Высота слоя насадки в дегазаторе назначается по табл. 72 в зависимости от содержания СО2 и от типа насадки.
Для данного примера при насадке из колец Рашига площадь дегазатора Fдег=190:60=3,17 м2 и его диаметр Dдег=2 м.
По табл. 72 находим высоту слоя насадки в дегазаторе при содержании [СО2]п=136 мг/л, равную 4,7 м.
Вентилятор дегазатора должен обеспечивать подачу удельного расхода воздуха 20 м3 на 1 м3 воды, подаваемой в дегазатор; в данном примере Qвозд=190∙20=3800 м3/ч.
Необходимый напор, развиваемый вентилятором, определяется с учетом потери напора в насадке из колец Рашига, которую принимают равной 30 мм вод. ст. на 1 м высоты слоя насадки, а также величины прочих потерь напора, составляющих 30—40 мм вод. ст. Суммарная потеря напора ∑h=4,7∙30+40=181 мм вод. ст.
Глава XiI
Расчет установок для обезжелезивания воды
§ 56. Основные сведения об обезжелезивании воды
В природных водах может присутствовать двухвалентное (закисное) или трехвалентное (окисное) железо. Наиболее часто в воде подземных источников железо встречается в виде бикарбоната закиси железа Fe(HCO3)2, т. е. двууглекислого железа.
В воде поверхностных источников железо содержится обычно в форме органических соединений, преимущественно коллоидных, например гуминовокислое железо.
В речных водах, загрязняемых кислыми стоками (например, шахтными водами), встречается сульфат закиси железа FeSO4. Благодаря наличию растворенного кислорода в речной воде происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное.
При одновременном содержании железа и сероводорода в воде появляется тонкодиcперcная взвесь сульфида железа FeS.
Из подземных вод двухвалентное железо может быть устранено при помощи аэрации воды. Надо отметить, что двууглекислое железо в воде частично гидролизуется, теряя углекислоту,
Fe(НСО3)2+2Н2О—>Fe(OH)2+2Н2О+2СО2.
Интенсивное выделение СО2 идет при аэрации воды, которая достигается путем разбрызгивания ее на контактных или вентиляторных градирнях. Это создает благоприятные условия для полного гидролиза Fe(HCO3)2. Гидрат закиси железа Fe(OH)2, соединяясь с кислородом, превращается в коллоидную гидроокись железа Fe(OH)3, которая при коагулировании переходит в окись железа Fe2O3∙3H2O, выпадающую в виде бурых хлопьев. Поэтому после аэрации нужно пропускать воду через контактные резервуары и фильтры.
Если в воде содержится сернокислое железо FeSO4, то при аэрации такой воды не достигается ее обезжелезивание, так как при гидролизе растворенной соли железа образуется угольная кислота, понижающая рН воды до величины, меньшей 6,8, при которой
285
гидролиз почти прекращается. Поэтому из воды СО2 удаляется путем ее известкования согласно уравнению
FeSO4+Ca(OH)2—>Fe(OH)2+CaSO4.
После известкования необходимы отстаивание и фильтрование воды.
Железо, содержащееся в воде в виде коллоида гидроокиси железа Fe(OH)3 или в виде коллоидальных органических соединений (гуматы железа), может быть удалено при помощи коагулирования сернокислым алюминием или железным купоросом с добавкой хлора или извести.
Чтобы установить наиболее экономичный для данной воды способ обезжелезивания, надо произвести пробное удаление железа.
Обезжелезивание воды для хозяйственно-питьевых нужд производят при содержании в исходной воде железа в количестве более 0,3 мг/л, при этом специальные установки предусматриваются только в тех случаях, когда железо не может быть удалено попутно при обработке воды на других очистных сооружениях.
§ 57. Расчет установки для обезжелезивания воды аэрацией
Этот метод обезжелезивания воды может быть применен в следующих случаях: а) при щелочности воды более 2 мг∙экв/л; б) при рН воды после аэрации выше 7; в) при окисляемости воды (перманганатная) менее 0,15 [Fe2+]+3 мг/л О2; г) при содержании аммонийных солей менее 1 мг/л; д) при содержании сероводорода менее 0,2 мг/л.
При аэрации из воды удаляется углекислота, что ускоряет процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное и последующий гидролиз с образованием гидрата окиси железа.
Для осуществления аэрации применяют: а) вентиляторные градирни (дегазаторы); б) контактные градирни с естественной вентиляцией, если производительность обезжелезивающих установок не более 50—75 м3/ч.
Схема установки для обезжелезивания воды аэрацией приведена на рис. 82. Вода направляется на вентиляторную градирню 1, загруженную насадкой из колец Рашига. Вентилятор 2 подает воздух во встречном направлении по отношению к потоку воды. При этом происходит выделение свободной углекислоты, и вода насыщается кислородом. После пропуска через градирню вода стекает в контактный резервуар 5. Отсюда насосом 4 вода подается в напорный (или открытый) фильтр 5, где заканчивается образование хлопьев гидроокиси и их задержание в слое кварцевой загрузки.
Пример. Рассчитать обезжелезивающую установку при заданной производительности Qcyт=9100 м3/сутки, или Qчac=380 м3/ч. Содержание в исходной воде двууглекислого железа составляет 9 мг/л.
286
Для выделения свободной углекислоты применяем аэрацию воды на вентиляторной градирне.
Необходимая площадь вентиляторной градирни
Fгр=Qчас:Ф=380:60=6,33 м2,
где Ф — удельный расход воды на 1 м2 площади вентиляторной градирни, принимаемый при насадке из колец Рашига 60 м3/ч и при деревянной хордовой насадке 40 м3/ч.

Рис. 82. Схема установки для обезжелезивания воды аэрацией
Высота слоя насадки из колец Рашига при щелочности (карбонатной жесткости) исходной воды 6 мг∙экв/л принимается hкр=3 м (табл. 73).
Таблица 73
Рекомендуемая высота слоя насадки вентиляторной градирни для аэрации воды при ее обезжелезивании
Насадка Высота слоя насадки в м при общей щелочности воды в мг∙экв/л
2 3 4 5 6 8 Кольца Рашига размером 25x25x3 мм 1,5 1,75 2 2,5 3 4 Хордовая из деревянных брусков 2 2,5 3 3,5 4 5 287
Производительность вентиляторов градирни
Qвент=Qчас Qо=380∙10=3800 м3/ч,
где Qo — необходимая производительность вентилятора на 1 м3 пропускаемой воды, обычно принимается равной 10 м3.
Напор, развиваемый вентилятором, должен быть
hвент=hкр30=3∙30=90 мм вод. ст.
Емкость контактного резервуара

где t=30—40 мин — время пребывания воды в контактном резервуаре.
Размер (в плане) контактного резервуара объемом 190 м3 при глубине слоя воды, равной 4 м, будет: 6,9X6,9 м.
Напорные вертикальные фильтры для окончания процесса флокуляции гидроокиси железа и удаления ее проектируются в соответствии с указаниями, изложенными в § 32.
Для загрузки фильтров используется песок с крупностью зерен 0,5—1,2 мм при высоте фильтрующего слоя 1200 мм.
При скорости фильтрования 6 м/ч необходимая площадь фильтров ∑f=380:6=63,3 м2.
Принимаем семь рабочих фильтров и один резервный серийного изготовления диаметром D=3,4 м и площадью каждый 9,07 м2. Общая рабочая площадь фильтров 7X9,07=63,49 м2.
При применении напорных фильтров следует предусматривать ввод воздуха в подающий трубопровод в количестве 2 л на 1 г двухвалентного железа.
В АКХ МКХ РСФСР канд. техн. наук А. М. Перлиной проведены исследования по обезжелезиванию воды методом фильтрования с упрощенной системой аэрации.
Обезжелезивание воды с упрощенной аэрацией допустимо при следующих показателях качества исходной воды: а) содержание железа (общего) до 10 мг/л, в том числе двухвалентного не менее 70%; б) рН воды не менее 6,8; в) щелочность воды более мг∙экв/л; г) содержание сероводорода не более 0,5 мг/л; д) перманганатная окисляемость не более 0,15 (Fe2+)+5 мг/л О2.
Если одно из этих условий не выдерживается, нужна предварительная аэрация воды в аэраторах с добавлением в нее в необходимых случаях реагентов (перманганата калия, хлора и др.).
Конструкция фильтров для обезжелезивания воды с упрощенной аэрацией аналогична конструкции фильтров для осветления и обесцвечивания воды, но со следующими расчетными параметрами: диаметр зерен фильтрующего слоя — минимальный 0,8 мм и максимальный 1,8 мм; эквивалентный диаметр 0,9—1 мм; коэффициент неоднородности 1,5—2; высота слоя 1000 мм; скорость фильт
288
рования при нормальном режиме 7 м/ч, а при форсированном 10 м/ч.
Использование более крупной загрузки с диаметром зерен 1— 2 мм, с эквивалентным диаметром 1,2—1,3 мм и коэффициентом неоднородности 1,5—2 при высоте фильтрующего слоя 1200 мм позволяет увеличить скорость фильтрования при нормальном режиме до 10 м/ч, а при форсированном — до 12 м/ч.
Расчетная продолжительность фильтроцикла должна бить не менее 12 ч.
Таким образом, практическое использование нового метода позволяет проводить обезжелезивание воды без устройства аэраторов и контактных резервуаров.
По этому методу построены и работают станции обезжелезивания воды в гг. Гомеле, Бресте, Зеленогорске, Люберцах и др.
§ 58. Расчет установки для реагентного обезжелезивания воды
Рассматриваемая установка (рис. 83) применяется для обезжелезивания воды поверхностных источников. Она включает оборудование реагентного хозяйства (для приготовления и дозирования

Рис. 83. Схема установки для реагентного обезжелезивания воды
раствора коагулянта, известкового молока и хлор-газа), аэратор-смеситель 1 для аэрации воды и смешения ее с реагентами, осветлитель 2 для задержания взвеси и продуктов реакции реагентов, введенных в воду, фильтр 3, который задерживает взвесь, не осевшую в осветлителе.
Пример. Заданная производительность станции обезжелезивания воды Qсут=9100 м3/сутки, или Qчac=380 м3/ч. Карбонатная
289
жесткость исходной воды Жк==5,3 мг∙экв/л; содержание в воде СО2 при рН=6,9 и ее температуре t=10°C составляет 74 мг/л; содержание железа 6,5 мг/л; цветность исходной воды Ц=60°. Необходимая доза извести в пересчете на СаО будет
ДCaO=0,64[СО2]+[Fe2+]+6 мг/л. (197)
В данном примере ДCaO=0,64∙74+6,5+6=59,9≈60 мг/л.
Доза сернокислого алюминия в пересчете на безводный продукт Доза хлора Дхл=0,5[О2]=0,5∙5,9≈3 мг/л (где [O2]—окисляемость воды в мг/л O2, равная 5,9 мг/л).
Нагрузка на аэратор-смеситель должна быть 50—75 м3/ч на 1 м2. Тогда площадь его поперечного сечения будет Fаэр=880:75=5,07 м2.
При расчете осветлителя скорость восходящего потока воды следует принимать по табл. 30. Остальные расчетные параметры принимаются такими, как и при обычном осветлении воды.
После пропуска воды через осветлитель вода поступает на безнапорные скорые фильтры или на фильтры с двухслойной загрузкой. В фильтрах возможно устройство для верхней промывки, которая улучшает отмывку верхних слоев песка от железистых отложений.
При реагентном обезжелезивании воды сооружения для смешения реагентов с водой, отстаивания и фильтрования рекомендуется рассчитывать аналогично сооружениям для осветления и обесцвечивания воды.
Глава XIII
Расчет обесфторивающих и фтораторных установок
§ 59. Очистка воды от фтора
Повышенное содержание фтора (более 1,5 мг/л) бывает, как правило, только в подземных водах. Так как эти воды обычно не требуют осветления, то для очистки их от фтора следует применять метод фильтрования воды через сорбент, поглощающий фтор. Таким сорбентом может служить активированная окись алюминия в виде зерен крупностью 1—3 мм, емкость поглощения которой составляет 900—1000 г фтора на 1 м3 сорбента при его объемном весе 0,5 т/м3.
Очистка от фтора фильтрованием воды через сорбент возможна при содержании в воде взвешенных веществ не более 8 мг/л и при общем солесодержании не выше 1000 мг/л.
При фильтровании воды через сорбент содержание фтора снижается вначале до 0,1—0,3 мг/л, а затем постепенно снова повышается вследствие истощения поглощающей способности сорбента. При увеличении концентрации фтора до 1—1,5 мг/л фильтр надо выключать для регенерации. Поглощающую способность сорбента восстанавливают раствором сернокислого алюминия. По окончании регенерации сорбент отмывают водой. При фильтровании через сорбент воды, содержащей фтор, происходит ионный обмен, в результате которого повышается концентрация ионов SO42–— в очищенной воде.
Поэтому, как указано в ГОСТ 2761—57, содержание сульфатов в питьевой воде не должно быть более 500 мг/л. Исследования последнего времени показали, что это содержание не должно превышать 300—400 мг/л (см. § 1).
Устройства для очистки воды от фтора включают следующие сооружения и оборудование: 1) фильтры типа Н-катионитовых, но загруженные сорбентом, с дренажем из щелевых фарфоровых колпачков; 2) резервуар для воды, взрыхляющей загрузку фильтров; 3) баки для приготовления раствора сернокислого алюминия с концентрацией 8—10%; 4) эжекторы для разбавления 8—10%-ного раствора до концентрации 1 —1,5% и подачи этого регенерационно
291
го раствора на фильтры; 5) воздуходувки для перемешивания раствора сернокислого алюминия в баках; 6) контрольно-измерительные приборы.
Пример. Рассчитать установку для очистки воды от фтора при заданном расходе воды Qчac=200 м3/ч и содержании в ней фтора 5 мг/л.
Площадь одного напорного фильтра с загрузкой сорбентом

где N — количество фильтров;
υ — расчетная скорость фильтрования (допускается при нормальном режиме до 6 м/ч и при выключении одного фильтра на регенерацию до 8 м/ч).
Принимаем шесть фильтров (один из них резервный) диаметром 3 м (см. табл. 47) с площадью фильтрующей поверхности 7,05 м2.
При выключении одного фильтра на регенерацию скорость фильтрования будет

Высоту слоя загрузки в напорном фильтре принимаем Н=2 м при содержании фтора в исходной воде до 5 мг/л и H=3 м при содержании фтора 8—10 мг/л. Над слоем загрузки следует предусмотреть дополнительную высоту, равную 0,6H, так как сорбент при взрыхлении расширяется. Кроме того, ниже сорбента на дренажные колпачки надо уложить слой кварцевого песка толщиной 150 мм с крупностью зерен 2—4 мм.
Таким образом, общая высота фильтра будет Hобщ=2+0,6∙2+0,15=3,35 м.
Потеря напора составляет 0,7 м на 1 м высоты загрузки, т. е. в данном случае 1,4 м (при форсированном режиме 1 м на 1 м загрузки, т. е. 2 м).
Продолжительность работы фильтра между регенерациями следует определять по формуле
(198)
где f — площадь фильтра, равная 7,05 м2;
Н — высота слоя сорбента, равная 2 м;
Eраб — рабочая емкость поглощения сорбента по фтору, равная 900 г/м3;
Qф — производительность одного фильтра, равная: Qчac:N=200:5=40 м3/ч.
Сисх — содержание фтора в исходной воде, равное 5 г/м3;
Сф — средняя концентрация фтора в фильтрате в конце цикла, равная 1 г/м3.
292
Тогда

Дно и внутренняя поверхность фильтров должны иметь изоляционное покрытие, состав которого допустим при подготовке питьевой воды и устойчив против истирания сорбентом.
Перед регенерацией производят взрыхление сорбента с интенсивностью ωвзр=4—5 л/сек на 1 м3. Продолжительность взрыхления tвзp=15—20мин (0,25—0,33 ч).
Расход воды на взрыхление одного фильтра в данном примере по формуле (150)

Емкость Wp растворного или расходного бака
(199)
где Дал — расход сернокислого алюминия в пересчете на Al2(SO4)3, принимаемый равным 40—50 г на 1 г удаленного из воды фтора; для данного примера Дал=(5—4)40=160 г/г;
п — число регенераций, на которое рассчитана емкость бака (n=1 при количестве фильтров N<8 и n=2 при N>8);
b — концентрация раствора сернокислого алюминия, равная 8—10% для растворного бака и 1—1,5% для расходного бака;
γ — объемный вес раствора сернокислого алюминия, равный 1,09 т/м3 для 8— 10%-ного раствора и 1,01 т/м3 для 1 —1,5%-ного раствора.
Следовательно, для данного примера

Интенсивность подачи воздуха для перемешивания раствора в баках принимают 8—10 л/сек на 1 м2 поперечного сечения бака. Для распределения воздуха служат дырчатые трубы из кислотостойких материалов. Скорость движения воздуха в трубах составляет 10—15 м/сек, а при выходе из отверстий диаметром 3—4 мм 20—30 м/сек.
Регенерационный 1—1,5%-ный раствор пропускают через сорбент сверху вниз со скоростью фильтрования υp=2—2,5 м/ч. После регенерации производится отмывка сорбента путем подачи воды в фильтр снизу вверх с интенсивностью ωотм=4—5 л/сек на 1 м2. Расход воды для отмывки принимают 10 м3 на 1 м3 сорбента.
В рассматриваемом примере расход отмывочной воды для одного фильтра qотм=fH∙10=7,05∙2∙10=141 м3.
293
Продолжительность отмывки
(200)
Следовательно,
Рекомендуется первые 70—80% объема регенерационного раствора сбрасывать в сток, а остальные — повторно использовать.
§ 60. Фторирование воды
Фторирование воды хозяйственно-питьевого назначения практикуется для предупреждения кариеса зубов у населения, пользующегося водой с содержанием фтора ниже 0,7 мг/л. Однако избыточное фторсодержание свыше 1,5 мг/л может вызвать флюороз (гипоплазию эмали зубов). Поэтому следует увеличивать содержание фтора в воде только до 0,8 мг/л летом и до 1 мг/л зимой, вводя фторсодержащие реагенты. В СССР с этой целью применяют порошкообразный кремнефтористый натрий Na2SiFe6 (ГОСТ 87—66) или реже фтористый натрий NaF (ГОСТ 2871—67), который значительно дороже.
Кремнефтористо-водородная кислота дешевле других реагентов, но нецелесообразна для применения на установках малой производительности, где необходимо ее разбавлять водой, что ведет к выпадению осадка, отлагающегося в насосах, трубах и арматуре.
Кремнефтористый аммоний (NH4)2SiF6 (ГОСТ 10129—62) но стоимости дешевле фтористого натрия, но даже при недолгом хранении слеживается в крепкие комья, что затрудняет его использование.
Доза любого фторсодержащего реагента определяется по формуле
(201)
где п — коэффициент, принимаемый равным при вводе фтора после очистных сооружений 1, а перед скорыми фильтрами 1,1;
а — содержание фтора в обработанной воде, принимаемое равным зимой 1 мг/л и летом 0,8 мг/л;
К — содержание чистого фтора в веществе, равное для Na2SiF6 60%, для (NH4)2SiF6 79% и для NaF 45%;
Сф — содержание чистого вещества в техническом продукте, равное для Na2SiF6 93—98% в зависимости от сорта;
[F–] —содержание фтора в исходной воде в мг/л.
Тогда при [F–]=0,3 мг/л необходимая доза Na2SiF6 составит

294
В отечественной практике нашли применение два вида фтораторных установок: с растворными баками и сатураторами.
Рис. 84. Фтораторная установка с растворными баками с механической загрузкой реагента
1 — фторопровод; 2 — вакуум-линия; 3 — канализация; 4 — водопровод; 5 — склад реагента; 6 — бочки с реагентом; 7 — роликовая платформа; 8— растворные баки; 9 — опрокидывающаяся кабина; 10 — бункер; 11 —объемный дозатор; 12— насос-дозатор; 13—воздуходувка; 14— площадка обслуживания
Фтораторная установка с растворными баками и механической загрузкой реагента (рис. 84). Схема действия этой установки состоит в следующем: реагент подается в растворные баки 8 из бочек 6, располагаемых на полу склада 5 на специальных подставках. Захватом, укрепленным на кран-балке, бочку 6 ставят на роликовую платформу 7, которую подводят по направляющим к опрокидывающейся кабине 9 с открывающейся вниз дверцей. Содержимое бочки высыпается в бункер 10, обслуживающий оба бака 8. Реагент заполняет секторы двух объемных дозаторов 11 (барабанного типа) и подается поочередно в один или другой бак. Реагент загружают один раз в смену. Для перемешивания раствора в баке служит воздуходувка 13. Готовый раствор забирают насосы-дозаторы 12 марки НД и по фторопроводу 1 подают на очистную станцию к скорым фильтрам. По трубопроводу 4 в бак 8 поступает вода для растворения реагента, а труба 3 служит для сброса осадка в канализацию. Для удобства обслуживания установки имеется площадка 14. Полезный объем растворного бака
(202)
где Qcyт — производительность установки в м3/сутки;
Дф — доза реагента (чистого) в г/м3;
n — число затворений в сутки;
Kр — концентрация раствора в баке, равная для Na2SiF6 2,5—3,5 г/л и для (NH4)2SiF6 30—50 г/л.
При заданном расходе воды Qcyт=50000 m3/сутки

Производительность насоса-дозатора
(203)
295


296


Рис. 85. Фтораторная установка с сатуратором производительностью 5000—12500 м3/сутки
а — разрез по I—I; б — план; в — разрез по II—II; 1 — фтораторная; 2 — склад реагента; 3 — операторная или комната дежурного; 4 — сатуратор; 5 — питатель; 6 — ввод водопровода d =50 мм; 7 — фторопроводы 2d = = 15 мм; 8 — канализация; 9 —ротаметры; 10 — бачок постоянного уровня емкостью 115 л.
297
Тогда для данного случая

Принимаем насос-дозатор марки НД-1200/6и (один рабочий, второй резервный) номинальной производительностью 1200 л/ч с мощностью электродвигателя 1,7 квт (см. табл. 24).
Площадь склада

где m — количество бочек реагента, рассчитанное на 1,5-месяч-ный запас;
f — площадь, занимаемая одной бочкой и равная 0,25 м2;
1,2 — коэффициент для учета проходов.
Кремнефтористый натрий транспортируется в деревянных бочках весом нетто 50 кг; высота одной бочки 660 мм и максимальный диаметр 460 мм; бочки устанавливают по высоте в два ряда. При потребности в реагенте на 1,5 месяца (45 дней)

а количество бочек будет m=3150:50=63 шт.
Тогда площадь склада

Кремнефтористый аммоний транспортируется в мешках весом по 50 кг; площадь, занимаемая одним мешком, 0,4 м2; размеры мешка 80X45 см; допускаемая высота ряда мешков 2 м.
Фтораторная установка с сатуратором. Во всех установках с сатураторами, находящихся в эксплуатации в СССР, в качестве реагента применяют кремнефтористый натрий. Чтобы получить в сатураторе насыщенный раствор реагента с постоянной концентрацией, надо поддерживать постоянную температуру поступающей воды. С этой целью воду пропускают через теплообменник с температурой 20°С.
Фтораторная установка рассматриваемого типа (рис. 85) примыкает к складу реагента 2; рядом располагают комнату дежурного оператора 3. Сатуратор 4 состоит из конической нижней и верхней цилиндрической частей; над последней установлен питатель 5. Внутри сатуратора по его вертикальной оси проходит центральная труба, заканчивающаяся внутри конической части сатуратора расширяющейся книзу воронкой. Центральная труба служит для засыпки реагента и отделения воздуха. Вода подается по трубопроводу 6 в нижнюю часть сатуратора и к небольшой наружной воронке в верхней части сатуратора, в которую поступает раствор реагента. Насыщенный раствор кремнефтористого натрия, образующийся в сатураторе, отводится по фторопроводам 7, на которых установлены ротаметры 9. Для отвода шлама в канализацию слу
298
жит трубопровод 8. Для регулирования подвода воды к сатуратору установлен бачок постоянного уровня 10 емкостью 15 л.
Пример. Рассчитать фтораторную установку с сатураторами. Расход насыщенного раствора реагента (Na2SiFe6)
(204)
где Qчac — расход воды в м3/ч;
Kн — концентрация насыщенного раствора в сатураторе в г/л.
Остальные обозначения — по предыдущему.
При заданном расходе Qсут=50000 м3/сутки, или Qчac=2083 м3/ч, и значениях n=1,1, а=1 мг/л, Kн =4,3 г/л и K=60,6%

Площадь сечения цилиндрической части сатуратора

где υ — скорость движения воды в цилиндрической части, принимаемая равной 0,05—0,1 мм/сек.
Диаметр сатуратора

Высота цилиндрической части сатуратора
Hц=3,6tυ=3,6∙7∙0,1≈2,5 м,
где t — время пребывания воды в сатураторе, равное 7 ч (рекомендуемое t>5 ч).
Объем цилиндрической части сатуратора
Wц=HцFц=2,5∙1,77≈4,42 м3.
Высота нижней конической части сатуратора

Объем нижней конической части сатуратора

Общий объем сатуратора Wc=Wц+ Wк =4,42+0,75=5,17 м3.
Общая высота сатуратора Hс=2,5+1=3,5 м.
Институт ЦНИИЭП инженерного оборудования городов выпустил типовые проекты фтораторных установок с сатураторами производительностью до 40 тыс. м3/сутки.
299
Литература
Абрамов Н. Н. Водоснабжение. Стройиздат, 1967.
Апельцин И. Э., Клячко В. А. Опреснение воды. Стройиздат, 1968.
ВНИИ ВОДГЕО (Клячко В. А., Апельцин И. Э.). Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения. Госстройиздат, 1962.
ВНИИ ВОДГЕО (Шевелев Ф. А.). Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных и пластмассовых водопроводных труб, 4-е изд. Стройиздат, 1970.
Габович Р. Д., Николадзе Г. И., Савельева Н. П. Фторирование и обесфторивание питьевой воды. «Медицина», 1968.
Горин Г.С., Мозжухин П.С. Эксплуатация очистных сооружений. Изд. Наркомхоза, 1940.
Кастальский А. А., Минц Д. М. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. «Высшая школа», 1962.
Кожинов В. Ф. Очистка питьевой и технической воды. Примеры и расчеты, 2-е изд. Стройиздат, 1964.
Кожинов В. Ф. Установки для озонирования воды. Стройиздат, 1968.
Кульский Л. А. Теоретическое обоснование технологии очистки воды. «Наукова думка», Киев, 1968.
Кульский Л. А. Основы физико-химических методов обработки воды. Изд. МКХ РСФСР, 1962.
Кургаев Е. Ф. Основы теории и расчета осветлителей. Госстройиздат, 1962.
Маркизов В. И. Хлорирование воды и сточной жидкости. Изд. МКХ РСФСР, 1953.
Минц Д. М. Теоретические основы технологии очистки воды. Стройиздат, 1964.
Минц Д. М., Шуберт С. А. Фильтры АКХ и расчеты промывки скорых фильтров. Изд. МКХ РСФСР, 1951.
Мозжухин П. В., Сергеев М. П. Специальные установки по хлорированию и дехлорированию воды большими дозами. Изд. МКХ РСФСР, 1943.
Никифоров Г. Н. Сверхскоростные фильтры большой производительности с автоматическим управлением. В сб.: «Научные труды Ленинградского инженерно-строительного института», вып. 9. Изд. ЛИСИ, 1950.
Пискунов П. И. Горизонтальные водопроводные отстойники. Госстройиздат, 1953.
Соколов В. Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами. Изд. МКХ РСФСР, 1954.
Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий. Под общей ред. инж. И. А. Назарова. Стройиздат, 1967.
Строительные нормы и правила. «Водоснабжение. Нормы проектирования» СНиП 11-Г.3-62. Госстройиздат, 1963.
Турчинович В. Т. Улучшение качества воды. Стройиздат, 1940.
Шкроб М.С, Прохоров Ф. Г. Водоподготовка и водный режим паротурбинных электростанций. Госэнергоиздат, 1961.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие 3
Глава I
Требования, предъявляемые к качеству питьевой и технической воды, и ее анализы
§ 2. Требования, предъявляемые к качеству питьевой воды 7
§ 2. Требования, предъявляемые к качеству технической воды 13
§ 3. Требования, предъявляемые к качеству воды для производственных
нужд строительства 17
§ 4. Анализ воды 19
Глава II
Определение состава сооружений для очистки воды и расчеты, связанные с их компоновкой
§ 5. Состав очистных сооружений 21
§ 6. Составление высотной схемы 23
§ 7. Подбор скоростей движения воды в трубах и каналах сооружений 25
§ 8. Определение производительности очистной станции 27
§ 9. Основные положения компоновки станций 28
Глава III
Расчет устройств для приготовления и дозирования раствора реагентов
§ 10. Общие сведения о реагентах 32
§ 11. Применение полиакриламида для интенсификации процессов осветления и обесцвечивания воды 38
§ 12. Установка для растворения коагулянта сжатым воздухом 43
§ 13. Приготовление известкового молока 50
§ 14. Склады реагентов 52
§ 15. Сооружения для мокрого хранения реагентов 53
§ 16. Дозирование растворов реагентов 60
Глава IV
Расчет смесителей и камер хлопьеобразования
§ 17. Смесители 67
§ 18. Камеры хлопьеобразования 74
301
 Стр.
Глава V
Расчет отстойников
§ 19. Краткие сведения о теоретических основах осаждения взвеси 89
§ 20. Отстойники 91
Глава VI
Расчет осветлителей со взвешенным осадком
§ 21. Общие данные об осветлителях со взвешенным осадком 104
§ 22. Расчет коридорного осветлителя с вертикальным осадкоуплотнителем 107
§ 23. Расчет осветлителя с коническим днищем и с поддонным осадкоуплотнителем (системы ВНИИ ВОДГЕО) 116
Глава VII
Расчет скорых фильтров
§ 24. Краткие сведения о фильтрах 124
§ 25. Основные теоретические положения процесса фильтрования 132
§ 26. Скорые безнапорные фильтры с кварцевой и двухслойной загрузкой 136
§ 27. Устройства для верхней промывки фильтров 150
§ 28. Использование воды от промывки фильтров 158
§ 29. Песковое хозяйство 161
§ 30. Скорые двухпоточные фильтры (фильтры АКХ) 162
§ 31. Контактные осветлители 172
§ 32. Напорные фильтры 177
§ 33. Сверхскоростные фильтры системы Г. Н. Никифорова 182
Глава
VIII Расчет установок для обеззараживания воды
§ 34. Основные данные о химизме и методах обеззараживания воды хлором 187
§ 35. Расчет хлораторной установки для дозирования жидкого хлора 196
§ 36. Расчет установки для перелива и розлива жидкого хлора 199
§ 37. Обеззараживание воды бактерицидными лучами 204
§ 38. Расчет установок для обеззараживания воды бактерицидным излучением 210
§ 39. Озонирование воды 213
§ 40. Расчет озонирующей установки 219
Глава IX
Расчет сооружений для умягчения воды
§41. Общие сведения об умягчении воды 227
§ 42. Расчет установки для реагентного умягчения воды 233
§ 43. Расчет установки для реагентного умягчения воды с вихревыми реакторами 240
§ 44. Расчет установок для Na-катионирования воды 242
§ 45. Расчет установки для Н — Na-катионирования воды 251
Глава X
Расчет установок для обессоливания и опреснения воды
§ 46. Основные способы удаления солей из воды 259
§ 47. Выбор способа опреснения и обессоливания воды 259
§ 48. Расчет ионитовой установки 260
302
§ 49. Расчет регенерационного хозяйства ионитовой установки 270
§ 50. Опреснение воды на электродиализной установке 272
§ 51. Расчет электродиализной опреснительной установки 274
§ 52. Опреснение воды гиперфильтрацией 280
§ 53. Обессоливание воды с изменением ее агрегатного состояния 280
Глава XI
Расчет установок для удаления из воды свободной углекислоты
§ 54. Определение содержания в воде свободной углекислоты 282
§ 55. Способы удаления из воды свободной углекислоты 282
Глава XII
Расчет установок для обезжелезивания воды
§ 56. Основные сведения об обезжелезивании воды 285
§ 57. Расчет установки для обезжелезивания воды аэрацией 283
§ 58. Расчет установки для реагентного обезжелезивания воды 289
Глава XIII
Расчет обесфторивающих и фтораторных установок
§ 59. Очистка воды от фтора 291
§ 60. Фторирование воды 294
Литература 300
Учебное пособие

Кожинов Валериан Федорович
Очистка питьевой
и технической воды
Примеры и расчеты

Внешнее оформление Уткин Л. В.
Технический редактор Мочалина 3. С.
Корректоры Стигнеева О. В., Рожкова Л. С.
Подписано в печать 21.07.2008 г. Формат 60x90 '/16.
Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.
Усл. печ. л. 19. Уч.-изд. л. 21,3.
Тираж 2000 экз. Заказ № 0816940.
ООО «БАСТЕТ», 115477, Москва, ул. Кантемировская, д. 53, корп. 1 E-mail: infobast@yandex.ru

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного электронного оригинал-макета в ОАО «Ярославский полиграфкомбинат» 150049, Ярославль, ул. Свободы, 97


Интерактивное оглавление

Предисловие 4
Глава I 8
Требования, предъявляемые к качеству питьевой и технической воды, и ее анализы 8
§ 1. Требования, предъявляемые к качеству питьевой воды 8
§ 2. Требования, предъявляемые к качеству технической воды 14
§ 3. Требования, предъявляемые к качеству воды для производственных нужд строительства 18
§ 4. Анализ воды 20
Глава II 22
Определение состава сооружений для очистки воды и расчеты, связанные с их компоновкой 22
§ 5. Состав очистных сооружений 22
§ 6. Составление высотной схемы 24
§ 7. Подбор скоростей движения воды в трубах и каналах сооружений очистной станции 26
§ 8. Определение производительности очистной станции 28
§ 9. Основные положения компоновки станций 29
Глава III 33
Расчет устройств для приготовления и дозирования раствора реагентов 33
§ 10. Общие сведения о реагентах 33
§ 11. Применение полиакриламида для интенсификации процессов осветления и обесцвечивания воды 39
§ 12. Установка для растворения коагулянта сжатым воздухом 44
§ 13. Приготовление известкового молока 51
§ 14. Склады реагентов 53
§ 15. Сооружения для мокрого хранения реагентов 54
§ 16. Дозирование растворов реагентов 61
Глава IV 68
Расчет смесителей и камер хлопьеобразования 68
§ 17. Смесители 68
§ 18. Камеры хлопьеобразования 75
Глава V 90
Расчет отстойников 90
§ 19. Краткие сведения о теоретических основах осаждения взвеси 90
§ 20. Отстойники 92
Глава VI 105
Расчет осветлителей со взвешенным осадком 105
§ 21. Общие данные об осветлителях со взвешенным осадком 105
§ 22. Расчет коридорного осветлителя с вертикальным осадкоуплотнителем 108
§ 23. Расчет осветлителя с коническим днищем и с поддонным осадкоуплотнителем (системы внии водгео) 117
Глава ViI 125
Расчет скорых фильтров 125
§ 24. Краткие сведения о фильтрах 125
§ 25. Основные теоретические положения процесса фильтрования 133
§ 26. Скорые безнапорные фильтры с кварцевой и двухслойной загрузкой 137
§ 27. Устройства для верхней промывки фильтров 151
§ 28. Использование воды от промывки фильтров 159
§ 29. Песковое хозяйство 162
§ 30. Скорые двухпоточные фильтры (фильтры акх) 163
§ 31. Контактные осветлители 173
§ 32. Напорные фильтры а. Общие сведения 179
§ 33. Сверхскоростные фильтры системы г. Н. Никифорова 184
Глава VIII 189
Расчет установок для обеззараживания воды 189
§ 34. Основные данные о химизме и методах обеззараживания воды хлором 189
§ 35. Расчет хлораторной установки для дозирования жидкого хлора 198
§ 36. Расчет установки для перелива и розлива жидкого хлора 201
§ 37. Обеззараживание воды бактерицидными лучами 206
§ 38 расчет установок для обеззараживания воды бактерицидным излучением 212
§ 39. Озонирование воды 215
§ 40. Расчет озонирующей установки 1 221
Глава IX 229
Расчет сооружении для умягчения воды 229
§ 41. Общие сведения об умягчении воды 229
§ 42. Расчет установки для реагентного умягчения воды 235
§ 43. Расчет установки для реагентного умягчения воды с вихревыми реакторами 242
§ 44. Расчет установок для na-катионирования воды 244
§ 45. Расчет установки для h-na-катионирования воды 253
Глава X 261
Расчет установок для обессоливания и опреснения воды* 261
§ 46. Основные способы удаления солей из воды 261
§ 47. Выбор способа опреснения и обессоливания воды 261
§ 48. Расчет ионитовой установки 262
§ 49. Расчет регенерационного хозяйства ионитовои установки 272
§ 50. Опреснение воды на электродиализнои установке 274
§ 51. Расчет электродиализной опреснительной установки 276
§ 52. Опреснение воды гиперфильтрацией 282
§ 53. Обессоливание воды с изменением ее агрегатного состояния 282
Глава XI 284
Расчет установок для удаления из воды свободной углекислоты 284
§ 54. Определение содержания в воде свободной углекислоты 284
§ 55. Способы удаления из воды свободной углекислоты 284
Глава XiI 287
Расчет установок для обезжелезивания воды 287
§ 56. Основные сведения об обезжелезивании воды 287
§ 57. Расчет установки для обезжелезивания воды аэрацией 288
§ 58. Расчет установки для реагентного обезжелезивания воды 291
Глава XIII 293
Расчет обесфторивающих и фтораторных установок 293
§ 59. Очистка воды от фтора 293
§ 60. Фторирование воды 296
Литература 302

Рис. 3. График для определения дозы безводного сернокислого алюминия в зависимости от мутности воды
1 — для вод с грубодислерсной взвесью; 2 — для вод с мелкодисперсной взвесью; 3 — средняя доза

Рис. 28. Коридорный осветлитель с вертикальным осадкоуплотнителем

Рис. 29. Осветлитель конструкции ВНИИ ВОДГЕО с поддонным осадкоуплотнителем и подводом воды вертикальными трубами (размеры даны в см)

Рис. 2а. Высотная схема водоочистной станции