Водоподготовка в теплоэнергетике

Обратимость процесса обмена ионов является одной из важнейших закономерностей, позволяющих экономично использовать ионообменный материал в технологических схемах. Преимущественное направление реакции ионного обмена определяется согласно закону действующих веществ. При истощении ионита можно, повысив в растворе концентрацию первоначальных обменных ионов, сдвинуть реакцию ионного обмена в направлении восстановления ионита в исходное состояние, т. е. произвести регенерацию ионита.

Способность ионита к преимущественной сорбции одних видов ионов  по сравнению с другими называется селективностью.

Селективность играет очень большую роль в технологии ионного обмена. Физико-химическая сущность селективности при ионном обмене вытекает из закона Кулона.

     Наиболее распространенными катионитами являются: сульфоуголь и ионообменные смолы КУ 1, КУ 2. Наиболее распространенные аниониты: АН-31, АВ-17, АВ-18. В зависимости от качества исходной воды и требований к качеству обработанной воды в практике применяют следующие методы ионного обмена: натрий-катионирование, водород-катионирование, хлор-ионирование, аммоний-катионирование.

Процесс ионного обмена имеет  циклический характер. По истощении ионита требуется восстановление его обменной способности – регенерация, при которой используется обратимость процесса обмена ионов. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты получают названия: Н-катионирование, Н-катионный фильтр; ОН-анионирование, ОН-анионный фильтр и т.п. Соответственно называется и фильтрат, полученный в этих процесах: Н-катионированная вода; ОН-анионированная вода и т.п. Процессы катионирования воды могут иметь вполне самостоятельное значение (для умягчения воды), в то время как процессы анионирования применяются лишь в комплексе с катионированием (в схемах обессоливания воды). Процессы ионирования осуществляют в различных аппаратах, но наибольшее распространение получили насыпные ионитные фильтры.

4.2.Na-катионирование. Этот процесс применяется для умягчения воды и имеет самостоятельное значение при подготовке воды малой щелочности для котлов низкого давления и подпитки воды теплосетей. При Na-катионировании воду пропускают через слой катионита, находящегося в исходном состоянии в Na-форме. При этом процессе происходит удаление из воды ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в обмен на эквивалентное количество ионов Na⁺, согласно следующим реакциям:

2R/Na⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Na⁺;     

2R/Na⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺,     

где R обозначает комплекс матрицы и функциональной группы без обменного иона (его принято считать одновалентным). Из приведенных реакций видно, что анионный состав воды при Na-катионировании остается постоянным, поэтому и суммарная концентрация катионов, участвующих в этом процессе, также остается постоянной. Однако массовая концентрация катионов в растворе несколько возрастает, поскольку эквивалентная масса иона натрия выше эквивалентных масс ионов кальция и магния. Так, при обмене ионов Са²⁺ на ионы Na⁺ солесодержание воды возрастает в 46/40 раз, поскольку вместо одного сорбированного иона Са²⁺ в раствор поступают два иона Na⁺. Тот же пересчет при сорбции ионов магния даст увеличение солесодержания в 46/24 раза.

Таким образом, солесодержание Na-катионированной воды несколько выше солесодержания исходной. Поскольку при Na-катионировании не происходит изменения анионного состава примесей воды, щелочность ее не изменяется. Остаточная жесткость фильтрата определяется условиями регенерации катионита и в лучшем случае составляет не более 5 мкмоль/дм³.

Регенерация истощенного  катионита производится пропуском  через него раствора поваренной соли. Реакцию регенерации катионита раствором NaCl можно записать в следующей форме:

R₂/Ca²⁺ +nNa⁺ 2R/Na⁺ + Ca²⁺ + (n-2)Na⁺;    

R₂/Mg²⁺ + nNa⁺ 2R/Na⁺ + Mg²⁺ + (n-2)Na⁺, 

где n – избыток NaCl против его стехиометрического количества.

 

4.3.Н-катионирование. Назначением Н-катионирования является удаление всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Оно применяется в схемах совместно с другими процессами ионирования.  Принцип работы Н-катионитного фильтра аналогичен работе Na-катионитного фильтра. Регенерация фильтра производится раствором серной кислоты.

Обмен катионов при Н-катиониро-вании протекает согласно реакциям:

2R/Н⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Н⁺;    

2R/Н⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Н⁺;      

R/H⁺ + Na⁺ R/Na⁺ + H⁺.       

Все катионы, поступающие  вместе с водой на фильтрующий  слой, сорбируются в начале процесса в верхних участках этого слоя. Однако по мере срабатывания части слоя катионы, обладающие большей селективностью, вытесняют сорбированные на этом участке катионы, обладающие меньшей сорбционной способностью, и последние сорбируются на последующих по ходу воды участках фильтрующего слоя. Таким образом, образуются зоны поглощения катионов. Ближе к нижней границе слоя располагается зона поглощения ионов Na⁺, над ней – смешанная зона поглощения Mg²⁺ и Na⁺, а еще выше – зона поглощения Са²⁺, Mg²⁺ и Na⁺.

При работе Н-катионитного фильтра наблюдаются два периода. В первом периоде происходит полное поглощение всех катионов до момента достижения зоной поглощения ионов Na⁺ нижней границы слоя катионита (до проскока Na⁺). До этого момента на каждый эквивалент поглощенных из раствора ионов Са²⁺, Mg²⁺ и Nа⁺ в раствор поступает один эквивалент ионов H⁺. Выделяющиеся в воду ионы водорода реагируют с бикарбонат-ионом:

. 

Таким образом, при Н-катионировании одновременно с основным процессом происходит разрушение бикарбонатной щелочности воды. Фильтрат приобретает кислотность, равную остаточной концентрации ионов Н⁺.

        Различают следующие схемы Н-Na-катионирования:

• Н-Na-катионирование с «голодной» регенерацией фильтров;
• параллельное Н-Na-катионирование;
• последовательное Н-Na-катионирование;
• совместное Н-Na-катионирование.

4.4.Анионирование воды производится с целью удаления из нее анионов; при сочетании анионирования с катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов, т. е. химическое обессоливание воды.

При фильтровании через слой анионита происходит сорбция анионов  согласно следующим реакциям:

;      

+ .     

Переход в воду ионов ОН^- приводит к повышению ее рН, что в свою очередь сопровождается диссоциацией слабых кислот Н₂СО₃ и Н₂Si₃ и переводу их в ионное состояние. Следовательно, они также могут участвовать в реакциях обмена, но лишь при использовании высокоосновных анионитов:

;     

.     

Если высокоосновный анионит  находится в Cl-форме, то из воды сорбируются  ионы и бикарбонат-ионы:

;      

;      

       .  

Регенерация анионитных фильтров производится обычно 4-процентным раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:

;    

;   

;   

;   

;      

. 

Основной задачей при  использовании ОН-анионитных фильтров с высокоосновным анионитом в схемах обессоливания является удаление кремниевой кислоты из воды, поэтому чрезвычайно важно для повышения емкости анионита по кремниевой кислоте уменьшать содержание более селективного бикарбонат-иона в воде, поступающей на ионирование. В схемах ВПУ это осуществляется путем десорбции СО₂ из кислой Н-катионированной воды в деаэраторах или декарбонизаторах.

5 Термический метод очистки воды

5.1Метод дистилляции

Обработка высокоминерализованных вод  и растворов может осуществляться, во-первых, удалением из воды растворенных примесей, что реализуется, как правило, без фазовых переходов растворителя (воды) в парообразное или твердое состояние; во-вторых, методом извлечения из раствора молекул Н₂О, основанным на изменении их агрегатного состояния (методом дистилляции).

Организовав процесс кипения водных растворов, можно разделить растворитель (воду) и содержащиеся в ней примеси. Дистилляция (термическое обессоливание) реализуется в испарительных установках в которых вода за счет получения теплоты от подводимого в нагревательную систему первичного пара превращается во вторичный пар, который затем конденсируется. Первичный пар обычно отбирается от паровой турбины. Вещества, загрязняющие воду, остаются в объеме испаряемой воды и удаляются из испарителя с отводимой (продувочной) водой. Дистиллят – конденсат вторичного пара – содержит лишь незначительное количество нелетучих примесей, поступающих в него за счет капельного уноса испаряемой воды (концентрата).

Многоступенчатые испарительные  установки обычно используются на ТЭЦ  с большими общими и внешними потерями пара и конденсата. Одноступенчатые  испарительные установки применяются  на КЭС при небольших потерях (1–3 %) и включаются в схемы переработки  сточных вод ВПУ при запрещенных  сбросах.

Первичный пар обычно отбирается от паровой турбины. Вещества, загрязняющие воду, остаются в объеме испаряемой воды и удаляются из испарителя с  отводимой (продувочной) водой. Дистиллят – конденсат вторичного пара – содержит лишь незначительное количество нелетучих примесей, поступающих в него за счет капельного уноса испаряемой воды (концентрата).

Принципиальная  схема испарительной    установки:

1 – линия подвода  первичного пара;

2 – греющая секция;

3 – корпус испарителя;

4 – линия отводаобразующегося (вторичного) пара;

5 – конденсатор;

6 – линия отвода  конденсата первичного пара;

7 – линия подвода  питательной воды;

8 – линия продувки;

9 – линия опорожнения;

10 – линия отвода  дистиллята

 

    

 

Опыт эксплуатации испарителей  при питании солоноватыми или  солеными водами показывает на серьезные  затруднения, возникающие из-за быстрого образования накипи на теплопередающих поверхностях, снижения коэффициента теплопередачи и уменьшения эффективности работы испарителей.

Предотвращение накипеобразования в испарительных установках осуществляется

• физическими методами
• химическими,
• конструктивными
• технологическими методами

6 Безреагентные методы. 

Они основаны на том, что энергия образования кристаллов на нерастворенных частицах примеси меньше, чем энергия самопроизвольного возникновения центров кристаллизации. Кристаллизация на веществе-стабилизаторе протекает при меньшем пересыщении раствора. За счет множества центров кристаллизации происходит осаждение избыточного сверх растворимости количества накипеобразователей. В качестве стабилизатора применяют дробленые материалы: известняк, мрамор, естественную накипь и песок, через фильтрующий слой которых циркулирует испаряемая вода. Высота фильтра должна составлять 1,8–2 м, скорость подъема рассола во избежание уноса стабилизирующего материала не должна превышать 35 м/ч. Применение контактной стабилизации позволяет уменьшить количество накипи в испарителе на 80–90 %, но конструкционное воплощение этого процесса достаточно сложно. Метод кристаллизационной затравки является частным случаем контактной стабилизации и основан на добавлении в испаряемую воду тонкодисперсных порошков.

Недостаток метода – неизбежное прикипание затравки и накипи к теплопередающей поверхности, работающей в режиме кипения, поэтому этот метод можно применять главным образом в некипящих испарителях.

6.1 Магнитная обработка морской воды заключается в прокачивании ее через аппарат, в котором создается магнитное поле. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки (шлам) удаляют при продувке. Известно, что магнитными аппаратами оснащены некоторые установки, которые в тех случаях, когда солесодержащая вода нестабильна, т. е. пересыщена по СаСО₃, работают эффективно. Содержащиеся в природных водах, которые транспортируются по стальным трубам, ферромагнитные продукты коррозии и коллоидные частицы, обладающие электрическим зарядом и магнитным моментом, накапливаются в магнитном поле, создаваемом магнитным аппаратом. Увеличение концентрации твердой микрофазы в зазоре магнитного аппарата способствует кристаллизации карбоната кальция из нестабильной воды в ее объеме, в результате чего уменьшается скорость образования накипи, но увеличивается концентрация шлама при дальнейшем нагреве и испарении воды, подвергнутой магнитной обработке. Так как химический и дисперсный составы примесей природной воды меняются по сезонам и районам, а степень пересыщения воды по СаСО₃ зависит также от температуры, то эффективность магнитной обработки может изменяться в широких пределах вплоть до нулевых значений, в зависимости oт совпадения факторов, влияющих на процесс. Это подтверждается противоречивыми результатами, полученными при эксплуатации магнитных аппаратов в схемах тепловых сетей и котельных. В сравнении с умягчением воды основными преимуществами ее магнитной обработки являются простота, дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных расходов.

       Магнитный аппарат монтируется к трубопроводам в вертикальном или горизонтальном положении с помощью переходных муфт. Скорость движения воды в зазоре не должна превышать 1 м/с. Процесс работы аппаратов может сопровождаться загрязнением проходного зазора механическими главным образом ферромагнитными примесями. Поэтому аппараты с постоянными магнитами необходимо периодически разбирать и чистить. Оксиды железа из аппаратов с электромагнитными удаляют, отключив их от сети.

6.2 Ультразвуковая обработка при испарении воды может создавать за счет упругих механических колебаний среды условия значительных энергий, приводящие к нарушению кинетики кристаллизации в пристенном слое. Действие ультразвуковых волн на поверхность нагрева может возбуждать на границе кристаллических связей с поверхностью знакопеременные изгибные усилия, вызывающие в конечном счете отслаивание накипи. Механизм воздействия ультразвука на накипеобразование окончательно не установлен.