книги / Оборотное водоснабжение химических предприятий
..pdfУМ ЯГЧЕНИЕ ВОДЫ ИЗВЕСТКОВАНИЕМ
Для устранения временной жесткости в воду вводит ся щелочь или известь в дозах, обеспечивающих нейтрализацию
ионов НСОз- в воде и доведение ее pH до 8,2— 8,5, при котором
начинается кристаллизация карбоната |
кальция: |
|
|
НС03- + ОН Н20 + |
СО2- ; |
|
|
Са2+ + |
СО2- -* СаС03. |
(101) |
|
Уменьшение временной |
жесткости |
воды при |
известковании |
обусловлено низкой величиной растворимости СаСОз. Снижение магниевой жесткости ограничивается растворимостью Mg (ОН) 2. Растворимость СаСОз при 0°С равна 0,15 мг-экв/л, с нагревани ем воды она уменьшается и при 80°С составляет 0,03 мг-экв/л. Растворимость M g(OH ) 2 в воде при 0°С равна 0,4 мг-экв/л, а при 80°С — 0,2 мг-экв/л.
Практически равновесия концентраций насыщенного раствора СаСОз и Mg(OH)2 в воде достигаются очень медленно и остаточ ная карбонатная жесткость воды, умягченной известкованием, равна 0,5— 1 мг-экв/л.
Обычно источником ОН- - ионов является гашеная известь, вводимая в воду в виде 5— 10-процентной суспензии — известко вого молока. Если известкование воды с целью ее умягчения проводят вместе с введением коагулянта для осветления и обес
цвечивания воды, то этим коагулянтом должны |
быть сульфат |
железа (FeS0 4 -7 H20 — железный купорос) или |
растворы хло |
рированного сульфата железа, примерно отвечающие составу со ли FeS04Cl, но не сульфат алюминия, так как в щелочной среде часть ионов алюминия перейдет в растворимые в воде ионы алю
мината АЮГПри использовании нестабильной воды на стенках трубопро
водов и на зернистой загрузке фильтров образуются отложения карбоната кальция. Однако, быстрое осаждение СаСОз и Mg (ОН) 2 протекает только при некотором избытке извести.
Наименьшая остаточная временная жесткость достигается при дозах извести, обеспечивающих pH равновесного насыщения раствора карбоната кальция [3]. При удалении некарбонатной жесткости pH обработанной воды должен превышать эту вели чину на 0,5— 1. В большинстве случаев pH, при котором осаж дение взвеси СаС03 и M g(O H ) 2 протекает с наибольшей ско-
ростью, оказывается ниже значения pH, обеспечивающего мак симальную глубину умягчения. Оптимальные условия осаждения СаС03 при умягчении воды, обладающей карбонатной жестко стью, соответствуют pH 8,3— 9,5. Со скоростью, равной или пре вышающей 1,2 мм/сек, осаждается около 30% взвеси, со скоро стью около 0,4 мм/сек — около 58%.
При реагентном умягчении вод, обладающих постоянной жест костью, оптимальное значение pH для осаждения образовавших ся кристаллов лежит в пределах 8,3— 8,4; с повышением pH ско рость осаждения взвеси резко падает.
При умягчении воды, содержащей значительное количество солей магния, оптимальный pH осаждения находится в преде лах 9,5— 10. В более щелочной среде скорость осаждения взвеси, образовавшейся при умягчении воды, снижается, хотя полнота выделения M g(OH ) 2 возрастает. Эти недостатки метода умяг чения воды известкованием в значительной степени устраняют ся, если вода после известкования проходит через слой зерни стой контактной массы, на поверхности которой отлагаются СаС0 3 и Mg (ОН) 2. Равновесие достигается достаточно быстро,
ивыходящая из реактора вода Еполне стабильна.
Наиболее эффективно для интенсификации умягчения воды
известкованием применять в качестве аппарата с развитой по верхностью контакта конические вихревые реакторы (за рубе-
Рис. 48. Вихревой реактор (спирактор):
/ — дренажная |
труба; |
2 — продувка |
крупных |
час |
||
тиц контактной |
массы; |
3 — ввод известкового |
мо |
|||
лока; |
4 — трубки |
с контрольными |
кранами |
для |
||
продувки шлама; |
5 — вода на фильтры; 6 ~ вы |
|||||
пуск |
воздуха; |
7 — газ; |
8 — сборная |
воронка; |
9 — |
|
уровень контактной массы |
при обработке поверх |
ностных вод; 10— корпус; |
/ / — уровень контакт |
ной массы при обработке |
подземных вод; 12 — |
еопло; 13 — ввод сырой воды.
жом такие аппараты получили название спиракторов), загру женные ранее выпавшим осадком или мелким песком (рис. 48). Для получения хороших результатов умягчения необходима по стоянная подача воды, температура которой должна быть 8— 10°С. Содержание органических примесей в большом колнче-
ст^е нежелательно. Скорость движения воды в плоскости водо
сборного устройства |
10— 20 м/ч. Угол конусности аппарата 15— |
20Q Аппараты этого |
типа рекомендуются преимущественно для |
в°^, в которых при умягчении не преследуется цель полного осуждения гидрата окиси магния.
Использование аппаратов, заполненных контактной массой с развитой поверхностью, основано на том, что на твердых поверх ностях кристаллизуется первоначально формирующаяся из пе ренасыщенных растворов зародышевая форма кристаллов СаСОз, которые затем переходят в равновесную ромбоэдричес кую форму (кальцит). Ромбоэдрические кристаллы СаС03 уже не обладают способностью сращиваться с поверхностью контак та, но сами могут быть использованы для осаждения на них пер вичных форм кристаллов карбоната кальция.
В СНиП П-Г 3— 70 рекомендуется применять вихревые реак торы для умягчения воды известкованием, если концентрация Са2+ в мг-экв/л больше карбонатной жесткости воды, а в слу чае умягчения воды содово-известковым способом — при содер жании Mg2+ в умягченной воде не более 15 мг/л.
Вихревые реакторы с контактной массой проектируются как напорные, так и самотечные. Известь дозируется в нижнюю часть реактора в виде известкового молока. Коагулянт в реактор не добавляют, чтобы избежать разрушения хлопьев гидроокиси пе ремешивающимися зернами загрузки. По мере отложения СаС03 на зернах контактной массы (песка) размер зерен увеличивает ся. Инкрустированные карбонатом кальция зерна размером 1,5— 2 мм осаждаются в нижнюю часть конуса и выводятся; загрузка реактора пополняется свежими мелкими зернами контакта.
Из всего осажденного в реакторе карбоната кальция до 96% кристаллизуется на поверхности зерен контактной массы. Избы ток извести, приводящий к появлению гидратной щелочности в умягченной воде, вызывает объемную кристаллизацию карбона та кальция, и доля СаСОз, осажденного на зернах загрузки ре актора, снижается до 30%. В результате с умягченной водой СаС03 выносится в виде взвеси. В этом случае вода нуждается в дополнительном фильтровании. Фильтрование воды после ви хревых реакторов необходимо и при большом содержании в ней
M g(O H )2. |
грязеемкости 1— |
При обычной для песчаных фильтров |
|
1,5 кг/м3 и промывке через 6 ч допустимое |
количество гидрата |
окиси магния составляет 25—35 г/м3, а содержание магния в об рабатываемой воде не должно превышать 10— 15 е/л*3. При не соблюдении этих условий вихревые реакторы следует применять в сочетании с осветлителями.
После умягчения воды известью в аппаратах без контактной массы целесообразно стабилизировать воду добавками гекса метафосфата натрия в дозах, не превышающих 1 мг/л (в пере счете на Р2О5) .
Повышение температуры воды, перемешивание реакционной смеси увеличивают скорость возникновения зародышей кристал лов СаС03 и их роста и потому положительно влияют на про цесс умягчения воды.
Увеличение пересыщения раствора дает аналогичный эффект и, чем больше временная жесткость воды, тем интенсивнее про текает ее умягчение при смешивании с известью. Избыток в воде ионов, одноименных с ионами, входящими в состав твердой фа зы, замедляет рост кристаллов СаС03 и излишний избыток из вести при умягчении воды является вредным, так как приводит к образованию мелких, медленно осаждающихся кристаллов карбоната кальция. Тормозит выпадение кристаллов также из
быток ионов S 0 4~, вследствие чего при умягчении воды не сле дует вводить в нее больших доз коагулянта. Дозы коагулянта 20—40 мг/л FeS04 или A12(S 0 4)3 обычно вполне достаточно.
Органические вещества природных вод, обуславливающие их цветность и окисляемость, адсорбируясь на кристаллических зародышах, препятствуют росту кристаллов. Остаточная жест кость умягченной известкованием воды при высокой цветности ее больше остаточной жесткости слабо окрашенных вод на 20— 50% при прочих равных условиях. Поэтому в таких случаях це лесообразна предварительная обработка воды коагулянтом.
При декарбонизации (устранении временной кальциевой жесткости) и известково-содовом умягчении воды известь при меняется в виде известкового молока. Однако при суточном расходе извести менее 0,2 т(в пересчете на СаО) известь можно вводить в умягчаемую воду также в виде насыщенного известко вого раствора, получаемого в сатураторах.
Дозы извести для декарбонизации воды следует определять по формулам:
при соотношении (Са2+ ) больше Ж к |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Д и = 28 |
(С02) + |
Ж к ± |
+ |
0,5 |
1 |
мг/л; |
(102) |
||
|
|
|
22 |
|
*к |
|
|
J |
|
|
|
при соотношении |
Са2+ менее Ж к |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Д и |
= |
(СОг) + 2ЖК- |
(Са2-1) |
+ _Дк |
+ |
|
1 |
мг/л, |
(103) |
||
|
28 ^ 22 |
|
20 |
|
ек |
|
|
||||
где Дн — доза извести в расчете на СаО, мг/л\ (С 02) — концен трация в воде свободной углекислоты, мг/л\ (Са2+) — содержа ние в воде кальция, мг/л\ Жк — карбонатная жесткость воды, мг-экв/л; Д к — доза коагулянта FeCl3 и FeS04 в расчете на без водные продукты, мг/л; ек — эквивалентный вес активного веще ства коагулянта, мг/мг-экв (для FeCl3 — 54, для FeS04 — 76).
Если коагулянт вводится в воду ранее извести, величина Дк.
принимается со знаком минус.
134
В качестве коагулянта при умягчении воды известью или из вестью и содой следует применять хлорное железо или желез ный купорос.
Ориентировочные дозы коагулянта определяются по формуле
ДК= З^С7 |
(104) |
где Дк — доза коагулянта в расчете на безводный |
продукт |
FeCl3 или FeSO^, мг/л; С — количество образующейся при умяг чении взвеси в расчете на сухое вещество, мг/л.
Величина С при известковом способе умягчения определяется по формуле
С = М . + 50 Г№ 1 + 2ж к+ 2 9 ^ ^ |
+ Ди( 10° |
m-\ , (105) |
||
[ 2 2 |
к |
12 |
и V 100 |
У |
где Л1исх — содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/л; Ж к — карбонатная жесткость воды, мг-экв/л; Д„ — доза извести в расчете на СаО, мг/л; т — содержание в товарном продукте СаО, проц.
Если процесс умягчения осуществляется не в вихревом реак торе, а в обычном смесителе, то отделение взвеси должно про изводиться в осветлителях, которые являются основными соору жениями для выделения осадка при реагентном умягчении воды.
ИЗВЕСТКОВО-СОДОВЫЙ МЕТОД у м я г ч е н и я в о д ы
Для устранения не только временной, но и постоянной жесткости воды необходимо наряду с ОН- -ионами вводить та
кое количество ионов СОз~, которое позволило бы все находя щиеся в воде ионы Са2+ перевести в осадок в виде СаСОз. Из вестково-содовый способ умягчения воды позволяет решить эту задачу. При этом способе наряду с известью дозируют также кальцинированную соду Ыа2СОэ.
При известково-содовом умягчении основные химические про цессы представлены следующими уравнениями:
С 0 2 + 2 0 Н - -> СО2- + |
Н20 ; |
|
НС03 + О Н - = |
СО2" + |
HtO; |
Са2+ + СО2- -* СаС03; |
||
Mg2+ + 2 0 Н - |
Mg (ОН),. |
|
Теоретическая остаточная жесткость воды определяется урав нением
=(CaSt)~ +<Mg!+)” - |
[ д а т + |
+ T O H -F T 9*’ '1 ’ м г ' э к в 1л > |
О06) |
|
IOH J0 / i |
J |
|
где fi и ft — коэффициенты активности ионов соединений СаС03 и M g(O H )2; ПРсасОа и ПРмВ(он),— произведения растворимости
СаС03 и M g(O H )2; [СОз~|ои |
[ОН- ] 0 — концентрации ионов в |
обрабатываемой воде, мг-экв/л. |
|
Остаточная щелочность |
|
Щост= [СОз ]0 + |
[О Н -]0, мг-экв/л. |
Для достижения более глубокой степени умягчения принимают избыток извести 0,2—0,35 мг-экв/л и соды до 1 мг-экв/л при по догреве воды до 70— 80°С. Это снижает остаточную жесткость
воды до 0,3—0,4 мг ■же/л. |
|
|
для известково-содового |
||||||
Необходимые дозы извести и соды |
|||||||||
умягчения воды могут быть рассчитаны по формулам |
|
||||||||
Д и = |
28 |
|
|
НСО^- |
Mg2+ |
+ |
Дк |
(107) |
|
|
|
61 |
+ |
12 |
Н~ 0,5 |
||||
|
|
|
|
|
*к |
|
|||
|
|
Са2+ |
|
2+ |
|
нсо; |
|
Дк |
|
Дс = |
53 |
+ |
Mg! |
|
|
(108) |
|||
20 |
12 |
|
61 |
|
+ |
||||
|
|
|
|
|
е к * ' ) - г |
|
|||
где Си — содержание |
активного |
СаО |
в технической |
извести, |
|||||
проц; Сс— содержание Ыа2СОз в технической соде, проц.
Если сумму кальциевой и магниевой жесткости заменить об-
„ |
w |
Са2+ |
Mg2+ |
|
щей жесткостью Ж о = ——— I— т^— и при этом концентрацию |
||||
|
|
20 |
12 |
|
представить как карбонатную жесткость, то формула |
примет |
|||
выражение: |
|
|
|
|
|
Дс = 5 3 ^ Ж нк + -^ - + 1 | -1^ - , |
(109) |
||
где Ж НК — некарбонатная |
жесткость воды, мг-экв/л. |
|
||
Если в исходной воде |
|
|
||
|
[Са*+ ]исх = |
[СО, ]исх + 2 [НСОз~]я« - Ис, |
(110) |
|
где Ис — избыток гидроксильных ионов, то ее можно обрабаты вать одним едким натром (NaOH), что эффективнее обработки воды известью.
Доза едкого натра при этом равна: |
|
|
Дс.н = [С02 ]исх + [НСОз ]исх [Mg- ]„cx + |
Д к + И„, мг-экв/л, |
|
где И„ — избыток извести, мг-экв/л. |
|
( 111) |
|
|
|
Если количество образующихся |
ионов |
СОз~ недостаточно |
для осаждения всех ионов Са2+, т. е. когда |
|
|
[С02 ]исх + 2 [НСОз“ ] - |
Ис < |
[Са2+]нсх, |
следует применять обработку воды едким натром и содой. Доза соды в этом случае определяется из соотношения:
Дс = [Са2+]исх-I- Ис - [С02]нсх- 2 [Н С 0 з"]„сх, мг-экв/л. (112)
Если образуется |
избыток ионов С О з |
в сравнении с |
необхо |
|
димыми для осаждения [Са2+]|1сх, т. е., когда |
|
|||
[С02 ]исх + 2 [НСОПисх > [Са2+]исх + Ис, |
|
|||
рекомендуется обрабатывать воду едким |
натром* и известью. |
|||
Необходимая доза извести |
|
|
|
|
Д н = [С 0 |
2 ]„ех + |
2[Н С 03- ] исх- И |
о мг-экв/я, |
(113), |
едкого натра |
|
|
|
|
Де.н = Ж исх — |
[И С О з |
]нсх + Д к + И и + |
И с, мг -экв/л. |
( 114) |
Если при содово-известковом способе предусматривается вве
дение в воду коагулянта, то доза его определяется |
по формуле* |
||||
с = М исх + |
50 |
Ж 0 + Ж к + |
[СО, ] |
+ 0,5 |
+ |
— |
|||||
|
|
[ |
22 |
|
|
+ |
29 |
[М^ +] + Д и ( |
100— т |
|
(И5> |
100 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
Обозначения см. в формуле (105).
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГАШЕНИЯ ИЗВЕСТИ И ПРИГОТОВЛЕНИЯ ИЗВЕСТКОВОГО МОЛОКА
ИРАСТВОРА
Всостав станции реагентного умягчения воды входят: склад реагентов; устройства для приготовления известкового* раствора или известкового молока, раствора соды; водоподогреватели (при наличии оборотных циклов); дозаторы реагентов;, вихревые реакторы (осветлители), фильтры, емкости для приема умягченной воды и реагентов.
Комовая известь-кипелка гасится и превращается в известко вую суспензию — известковое молоко. При гашении извести про исходит ее гидратация с выделением тепла:
СаО + Н20 = Са (ОН)2 + 16 ккал.
Применение растворов Са(О Н )2 вместо суспензии на крупных станциях водоподготовки нецелесообразно, так как раствори мость извести в воде при 25°С составляет всего 1,23 г/л [8]. На малых станциях (при расходе до 0,25 т/сут) можно применять насыщенный раствор Са(О Н )2. Для этого применяют специаль ные сатураторы. Сатуратор (рис. 49) представляет собой двухъярусный цилиндрический резервуар с коническим днищем. Гашеная известь из бака загружается в верхнюю часть сатура тора при закрытом шаровом клапане. Оставшаяся в верхней ча сти неполностью растворенная известь пропускается в нижнюю
* Умягчение едким натром применяется редко из-за высокой стоимости реа гента.
часть сатуратора через шаровой клапан. Удаление нераствори мого остатка в отвал осуществляется через задвижку. Насыще ние воды известью выполняется при делении всей воды на три потока, а в случае применения коагулянтов — на четыре потока. Одна часть по трубе поступает в нижнюю часть сатуратора,
Вода от делителя
Рис. 49. Схема сатуратора:
1 — |
верхняя часть сатуратора; |
2 — ф ильтр из |
мелкой древесной |
||||||
стр уж ки; 3 — тр у б а |
дл я |
отвода известковой |
воды; |
4 — в о зд у ш |
|||||
ная |
труба; 5 — |
тр у б а |
д л я |
взм учивания известкового |
теста и н а |
||||
сы щ ения воды |
известью; |
6 — ш аровой |
клап ан |
для общ ения час |
|||||
тей |
сатуратора; |
7 — |
н и ж н я я |
часть |
сатур атора; 8 — зад в и ж к а |
||||
для отклю чения |
истощ ивш ейся |
части. |
|
|
|
||||
взмучивает известковое тесто и насыщается гидратом окиси кальция. Насыщенная известью вода поднимается вверх, осво бождаясь от нерастворившихся частиц, и поступает по трубе в верхнее отделение сатуратора, где проходит через фильтр из мелкой древесной стружки, осветляется и с концентрацией около 46 мг-экв/л по трубе поступает в смеситель.
Для приготовления известкового молока известь доставляется в негашеном виде к известегасилкам.
Концентрированное известковое молоко из известегасилки разбавляется до 5-процентного содержания Са(ОН)г в раствор ном баке.
Чтобы предотвратить осаждение твердых частиц извести, раз бавление концентрированного известкового молока производится при непрерывном перемешивании гидравлическим способом с помощью насоса, барботирования сжатым воздухом от воздухо дувок (компрессоров) либо перемешиванием в баках лопастны ми мешалками, вращающимися вокруг вертикальной оси.
Емкость бака для приготовления известкового молока опреде ляется по формуле
w = Q-асПДи мз
IOOOOVTH
где Q4ac — расход воды, м3/ч; п — время, на которое заготовля ется известковое молоко (6— 12 <0; Д и — доза извести, необхо димая для подщелачивания воды, мг/л\ Ьн— концентрация из весткового молока (не более 5% ); У» — объемный вес известко вого молока (1 т/мг) .
Для дозирования растворов извести и реагентов используют дозаторы постоянной дозы и дозаторы пропорциональной дозы, при помощи которых достигается автоматическое изменение до зы реагента при изменениях расхода и химического состава об рабатываемой воды.
Для приготовления известкового молока применяют известь строительную комовую (ГОСТ 9179— 70) с размерами кусков 200 мм.
Наиболее распространенной технологической схемой получе ния известкового молока является сухое дробление и помол ко мовой извести, гашение ее в различных аппаратах водой с по следующим приготовлением в расходных баках известкового мо лока заданной концентрации. За рубежом получают известковое молоко из готовой дробленой извести (извести-кипелки).
По патенту ФРГ № 1201739 предусматривается способ отделе ния мельчайших непогасившихся частиц из известкового молока путем применения нескольких последовательных отделителей (гидроциклонов) для грубой и тонкой очистки. Известь при этом используется полностью, так как полученное в отделителях момоко направляется в ближайшую ступень обработки. О приме нении в СССР предварительно дробленной извести для получе ния известкового молока свидетельствуют технические решения, содержащиеся в авторских свидетельствах.
Наибольший интерес представляют следующие схемы полу чения известкового молока: в известегасилках, в шаровых мель ницах и при помощи известегасильного комбайна. Разработа на также технологическая схема получения извести-кипелки из карьерного известняка в циклонно-вихревых печах. Такая из весть используется для сухого дозирования.
При приготовлении известкового молока в известегасилках (рис. 50) товарная известь направляется на установку авто транспортом и выгружается в емкости мокрого хранения извест кового теста, объем которых должен обеспечивать 15— 20-днев ное хранение последнего. Загруженные емкости заполняются водой. Из емкостей готовое известковое тесто выгружается грей ферным краном в бункер, оборудованный вибролотком, при по мощи которого известь подается в.известегасилку, где осущест вляется ее догашивание, разжижение известкового теста и получение известкового молока 15-процентной концентрации. Инертные включения (недожог, пережог и другие примеси) вы гружаются в тележку для известкового шлама и вывозятся. Из известегасилки 15-процентное известковое молоко сливается в промежуточную емкость (2 бака), откуда периодически насосами
перекачивается в расходные баки, оборудованные гидромешал ками, и разбавляется до 5-процентной концентрации.
Баки 15-процентного известкового молока, рассчитанные на его суточное потребление, оборудованы воздушными барбатерами периодического действия, которые включаются в работу пе ред перекачиванием известкового молока в расходные баки, на протяжение всего времени перекачивания.
Рис. 50. Приготовление известкового молока в известегасилке (техноло гическая схема):
/ — кран подвесной (H-2-7-6il 2-220,380); |
2 — грейфер моторный двухчелюстной ем |
|
костью 0,5 ж3; 3 — бункер приемный с |
вибролотком; |
4 — известегасилка СМ-1247 |
Q =3 т/ч; 5 — дозатор типа ДИМБА-10; |
6 — гидравлическая мешалка М-8; 7 — на |
|
сос 5Ф-6 производительностью 120 м31ч напором 47 м\ |
8 — насос НП-ШЭ произво |
|
дительностью 7,2 м3/ч напором 12 м; 9 — тележка. |
|
|
Из расходных баков 5-процентное известковое молоко отби рается при помощи поплавкового устройства и подается насо сами в дозатор типа «ДИМБА-10».
При получении известкового молока в шаровых мельницах (рис. 51) товарная комовая известь доставляется на станцию приготовления известкового молока железнодорожным или ав томобильным транспортом. Выгрузка вагонов производится с помощью самоходного разгрузчика ЦНИИ МПС в прирельсо вую емкость, объем которой рассчитан на одновременный прием одного вагона товарной извести весом 60 тили двух автомашин. Прирельсовая емкость выполняется в виде усеченной пирамиды и разделена на две секции. Внизу каждой секции устраивается маятниковый питатель, через который известь подается на лен точный транспортер, а по нему — в шаровую мельницу. Подача товарной извести в шаровую мельницу предусматривается без предварительного дробления, т. к. загрузочная горловина шаро вой мельницы имеет размер 400 мм в диаметре. Одновременно с известью в шаровую мельницу подается вода из технического