Водооборотные циклы химических производств.

Деаэрация или дегазация

Обессоливание

Механизм действия ионитов

Na⁺-катиониты используют для превращения содержащихся в воде солей кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺) в соли натрия (Na⁺):

Na₂(Кат) + CaSO₄ = Ca(Кат) + Na₂SO₄ (пост.)

Na₂(Кат) + Ca(HCO₃)₂ = Ca(Кат) + 2NaHCO₃ (врем.)

1) Умягчение воды проводят фильтрованием через слой катионита, который представляет собой зёрна диаметром 0,3-1,5 мм. Толщина слоя катионита составляет 2-3 м.

2) Фильтрацию ведут до тех пор, пока не будет исчерпан весь запас катионов Na.

3) Затем производят регенерацию катионита путём промывания концентрированным раствором хлористого натрия. При этом происходит замена ионов кальция (Ca²⁺) магния (Mg²⁺) на ионы натрия (Na⁺):

Ca(Кат) + 2NaCl = Na₂(Кат) + CaCl₂

!!! Для полного удаления всех ионов воду подвергают обессоливанию.

Для этого воду последовательно пропускают через фильтры, содержащие Н-катионит и ОН-анионит:

2H(Кат) + CaSO₄ = Ca(Кат)₂ +

H(Кат) + NaCl = Na(Кат) + HCl

2(Ан)OH + H₂SO₄ = (Ан)₂SO₄ + 2H₂O

(Ан)OH + HCl = (Ан)Cl + H₂O

!!! Катиониты регенерирую кислотой, а аниониты - щёлочью.

Na[K] + НС1 ó H[K] + NaCl.

[А]С1 + NaOH ó [A]OH + NaCl.

Деаэрация или дегазация, т.е. удаление кислорода и двуокиси углерода, растворённых в воде, для того, чтобы предотвратить коррозию.

С этой целью используются как физические, так и химические методы.

В качестве физического метода используют кипячение - увеличивают давление паров до атмосферного.

Химический метод дегазации заключается в добавлении веществ, которые связывают кислород и двуокись углерода.

Для удаления кислорода используют сильные восстановители гидразин (N₂H₄) и сульфит натрия (Na₂SO₃):

N₂H₄ + O₂ = N₂ + 2H₂O

2Na₂SO₃ +O₂ = 2Na₂SO₄

Системы производственного водоснабжения делят на прямоточные, в которых подаваемая от первичного источника вода после однократного использования отводится за пределы предприятия, и оборотные, в которых отработанная вода подвергается охлаждению, очистке и возвращается для последующего использования в этом же производстве, т. е. замыкается в цикле (обороте).

Существенный недостаток прямоточного водоснабжения - необходимость сброса отработанных вод в водоемы. Эти системы используются только на старых предприятиях.

В оборотном водоснабжении вода от первичного источника подается только для восполнения безвозвратных потерь в цикле (в результате испарения, при очистке). Эта система позволяет целесообразно решать задачи очистки и обработки воды, улучшать ее качество и таким образом обеспечивает оптимальные условия для эффективной работы оборудования.

Рис. 2.5. Замкнутая система оборотного водоснабжения: 1 - чистая вода; 2- вода после первичного использования; НС - насосная станция; П - производство; К - камера приема добавочной воды или сброса воды; ВХ - воздушный холодильник; Qo - количество отработанной (сточной) воды; Qn - количество воды, подаваемой на производство; Qnn - количество воды, потерянной в производстве.

Схема производственного оборотного водоснабжения предприятия включает в себя комплекс сооружений, обеспечивающих прием воды из водоема (водозабор), подачу ее потребителям в необходимом количестве под требуемым давлением (насосная и водопровод), очистку, обработку и охлаждение (очистные сооружения).

Системы оборотного водоснабжения подразделяются на замкнутые, полузамкнутые и комбинированные.

В замкнутой системе (рис. 2.5) охлаждение технологических потоков осуществляется оборотной водой в закрытых теплообменных аппаратах. Оборотная вода охлаждается воздухом в закрытых оребренных радиаторах (радиаторной градирне).

В полузамкнутой системе (рис. 2.6) технологические потоки охлаждают также в закрытых теплообменниках, но оборотная вода охлаждается в градирне.

В некоторых производствах по условиям технологического процесса требуется обессоленная или умягченная вода. В этом случае применяют комбинированную систему (рис. 4.9), в которой обессоленная или умягченная вода охлаждается оборотной водой в закрытых теплообменниках, а оборотная вода - в градирне.

Рис. 2.6. Полузамкнутая система производственного водоснабжения: 1 - чистая вода; 2 - вода после первичного использования: О - охладитель воды; К - камера приема добавочной воды или сброса воды; П - производство; НС - насосная станция;

Q_n - количество воды, подаваемой на производство; Q_nn - потеря воды в производстве; Q_о - количество отработанной (сточной) воды; q_ун - потери воды на унос из охладителя; q_исп - потери воды на испарение в охладителе (градирня, брызгальный бассейн); q_сбр - количество воды, сбрасываемой из системы для освежения (продувка); Q_доб - количество воды, добавляемой в систему; Q_B - введение реагента для обработки воды.

Снижение температуры оборотной воды в градирне происходит за счет ее контакта с воздухом, перемещаемым вентилятором. Теоретически возможный предел охлаждения воды в градирне - температура мокрого термометра (/м), которая зависит от температуры окружающего воздуха и его относительной влажности. Существуют диаграммы для определения значения. Например, при температуре окружающего воздуха 30 °С и его относительной влажности 60% предельная температура охлаждения воды 24 °С. В современных вентиляторных градирнях перепад температур нагретой и охлажденной воды достигает 6 -7 °С.

Рис. 2.7. Комбинированная система производственного водоснабжения: 1 - контур захоложенной воды с температурой 4-15 °С; II - контур оборотного водоснабжения;

АХ - цех аммиачных холодильников; О - охладитель оборотной воды контура II. П - производство; НС - насосная станция; К - камера приема добавочной воды или сброса воды, С_о - количество отработанной сточной воды; Q_об - количество оборотной производственной воды; С_ах - количество оборотной воды, подаваемой в цех аммиачных холодильников; Q_п - количество воды, подаваемой на производство; Q_доб - количество воды, добавляемой в систему; q_исп - потери воды на испарение в охладителе (градирня, брызгальный бассейн); q_yн - потери воды на унос из охладителя.

В химической промышленности даже при повторном использовании воды расход свежей воды велик и составляет в среднем на 1 т продукции 50-130 м³, а в целлюлозно-бумажной промышленности - 150-500 м³. Поэтому одной из главных задач химической технологии является дальнейшее снижение кости производств путем внедрения систем оборотного и последующего использования воды, переход на водосберегающие (бессточные) технологии.

Бессточные химические производства. К бессточным относятся производства, в которых функционируют замкнутые системы водоснабжения без сброса сточных вод в водоемы, с коэффициентом использования свежей воды, равным единице.

При создании замкнутых систем водоснабжения на химических предприятиях необходимо использовать следующие основные положения:

1) водоснабжение и канализация предприятия должны рассматриваться как единая подсистема, включающая водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод, обеспечивающую их повторное использование;

2) в системе водоснабжения основным источником воды должны быть очищенные сточные воды, а свежая вода из водоочистников должна использоваться только для особых целей и восполнения потерь в локальных системах;

3) очистка сточных вод должна сводиться к регенерацииотработанных технологических растворов и воды в локальных системах технологического водоснабжения с целью их повторного использования в производстве;

4) должны использоваться такие методы регенерации технологических растворов и воды, которые обеспечивают одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся отходов до товарного продукта или до вторичного сырья при минимальных материальных и энергетических затратах.

При внутритехнологическом цикле вода вступает в непосредственный контакт с перерабатываемыми продуктами. Очистка циркулирующей воды осуществляется в локальных очистительных сооружениях, которые являются продолжением технологических установок. На локальных установках очищаются сточные воды, которые без очистки не могут быть направлены в системы повторного или оборотного водоснабжения или на общезаводские очистные сооружения. На этих установках, как правило, из сточных вод извлекаются ценные примеси с использованием регенерационных методов очистки: отстаивания, флотации, экстракции, ректификации, дистилляции, адсорбции, ионного обмена, обратного осмоса и др. В ряде случаев на локальных установках осуществляется термическое обезвреживание сточных вод.

Система внутритехнологического водооборота требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат. Однако эти затраты окупаются за счет снижения общих расходов на подготовку и извлечения ценных компонентов.