ТЕХНОЛОГІЯ ІОННОГО ОБМІНУ

Na-катіонування.Цей процес застосовується для зм'якшування води і має самостійне значення при підготовці води малої лужності для котлів низького тиску і підживлення води тепломереж. При Na-катіонуванні воду пропускають через шар катіоніту, що знаходиться в початковому стані в Na-формі. При цьому процесі відбувається видалення з води іонів Са²⁺ і Mg²⁺ в обмін на еквівалентну кількість іонів Na⁺ згідно наступним реакціям:

2R/Na⁺ + Ca²⁺ ⇄R₂/Ca²⁺+ 2Na⁺;	(3.26)
2R/Na⁺ + Mg²⁺ ⇄R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺,	(3.27)

де R позначає комплекс матриці і функціональної групи без обмінного іона (його прийнято вважати одновалентним).

З наведених реакцій видно, що аніонний склад води при Na-катіонуванні залишається постійним, тому і сумарна концентрація катіонів, що беруть участь в цьому процесі, також залишається постійною. Проте масова концентрація катіонів в розчині декілька зростає, оскільки еквівалентна маса іона натрію вища за еквівалентні маси іонів кальцію і магнію. Так, при обміні іонів Са²⁺ на іони Na⁺ солевміст води зростає у 46/40 разів, оскільки замість одного сорбованого іона Са²⁺ в розчин поступають два іони Na⁺. Той же перерахунок при сорбції іонів магнію дасть збільшення солевмісту у 46/24 разів.

Рис. 3.5. Вихідна крива Na-катіонітного фільтру

Таким чином, солевміст Na-катіонованої води декілька вище за солевміст початкової. Оскільки при Na-катіонуванні не відбувається зміни аніонного складу домішок води, лужність її не змінюється. Залишкова жорсткість фільтрату визначається умовам регенерації катіоніту і в кращому разі складає не більше 5 мкг-екв/кг. Процес зм'якшування при Na-катіонуванні закінчується при допустимому значенні жорсткості фільтрату або при настанні проскакування жорсткості. Характер зміни якості фільтрату показаний на рис. 3.5, з якого видно, що площа, обмежена вихідною кривою, початковою жорсткістю і кількістю води Q_раб за робочий цикл, виражає робочу обмінну ємність всього об'єму катіоніту V_кат,що знаходиться у фільтрі. Робочу обмінну ємність Е_р, г-екв/м³, катіоніту можна визначити (при Ж_ост = 0) так:

(3.28)

2R/Сa²⁺ + nNa⁺ ⇄2R/Na⁺ + Ca²⁺ + (n – 2)Na⁺;	(3.29)
2R/Mg²⁺ + nNa⁺ ⇄2R/Na⁺ + Mg²⁺ + (n – 2)Na⁺,	(3.30)

де n – надлишок NaCl проти його стехіометричної кількості.

Оскільки для регенерації використовують технічні реагенти, що містять сторонні домішки (у нашому випадку Са²⁺і Mg²⁺), то добре відрегенерувати фільтр не удається. Крім того, якість регенерації істотно залежить від прояву так званого протиіонного ефекту. При обмеженій витраті солі на регенерацію краще будуть відрегенеровані ділянки шару катіоніту, що зустрічаються зі свіжим розчином. У міру проходження розчину вглиб шару умови регенерації погіршуватимуться внаслідок підвищення концентрації іонів Са²⁺ і Mg²⁺ в регенераційному розчині і його збіднення за іонами Na^+. Це явище носить назву протиіонного ефекту. Такий ефект виникає і в процесі зм'якшування початкової води. Регенерацію іоніту можна проводити декількома способами, які відрізняються один від одного поєднанням напряму потоку регенераційного розчину і води.

Якщо регенераційний розчин минає шар іоніту в тому ж напрямі, що і потік води, то це прямотічна регенерація. Така регенерація створює невигідні умови для процесу зм'якшування, оскільки при цьому особливо добре регенерується перша по ходу води верхня ділянка шару і погано нижній шар іоніту (рис. 3.6, а), тому на виході з шару катіоніту зм'якшувана вода, в якій різко знижена концентрація іонів жорсткості, проходить через ділянки погано відрегенерованого катіоніту і, отже, не може глибоко зм'якшуватися. Більш того, ця обставина може привести на початку циклу навіть до переходу деякої частини іонів жорсткості з катіоніту у воду.|направленню|

Рис 3.6. Характер зміни залишкових концентрації іонів Са²⁺ і Mg²⁺ в шарі катіоніту і залишковій жорсткості фільтрату при прямотічній (а) і протитічній (б) регенерації

При протитічній регенерації регенераційний розчин подається в напрямі|направленні|, протилежному напряму потоку води (рис. 3.6,б). При цьому свіжий регенераційний розчин добре регенерує нижній шар іоніту, що дозволяє, з одного боку, зберігати постійне значення залишкової концентрації іонів у фільтраті, а з|із| іншого, отримувати|одержувати| фільтрат вищої якості. Крім того, застосування протитічної регенерації дозволяє економити реагенти. Проте|однак| цей вид регенерації пов'язаний з ускладненням конструкції фільтрів.

Н-катіонування.Призначенням Н-катіонування є видалення всіх катіонів з води із заміною їх на іони водню. Воно застосовується в схемах спільно з іншими процесами іонування. Обмін катіонів при Н-катіонуванні протікає згідно реакціям

2R/Н⁺ + Ca²⁺ ⇄R₂/Ca²⁺+ 2Н⁺;	(3.31)
2R/Н⁺ + Mg²⁺ ⇄R₂/Mg²⁺ + 2Н⁺;	(3.32)
R/Н⁺ + Na⁺ ⇄R/Na⁺ + Н⁺,	(3.33)

Всі катіони, що поступають разом з водою на фільтруючий шар, сорбуються на початку процесу у верхніх ділянках цього шару. Проте у міру спрацьовування частини шару катіони, що володіють більшою селективністю, витісняють сорбовані на цій ділянці катіони, що володіють меншою сорбціонною здатністю, і останні сорбуються на подальших по ходу води ділянках фільтруючого шару. Таким чином, утворюються зони поглинання катіонів. Ближче до нижньої межі шару розташовується зона поглинання іонів Na⁺, над нею – змішана зона поглинання Mg²⁺ і Na⁺, а ще вище – зона поглинання Са²⁺, Mg²⁺ і Na⁺. Сумарна ширина цих зон визначає висоту робочої зони катіоніту. Над нею розташовується зона виснаженого катіоніту, а під нею – свіжого катіоніту. При роботі Н-катіонітного фільтру спостерігаються два періоди (рис. 3.7). У першому періоді відбувається повне

Рис. 3.7. Зміна якості фільтрату при Н-катіонуванні:

1– проскакування Na; 2 – проскакуванняжорсткості

поглинання всіх катіонів до моменту досягнення зоною поглинання іонів Na⁺ нижньої межі шару катіоніту (до проскакування Na⁺). До цього моменту на кожен еквівалент поглинених з розчину іонів Са²⁺, Mg²⁺ і Na⁺ в розчин поступає один еквівалент іонів Н⁺. Іони водню, що виділяються у воду, реагують з бікарбонат-іоном:

Н⁺ + НСО₃^– ⇄ Н₂СО₃⇄СО₂ + Н₂О.

(3.34)

Таким чином, при Н-катіонуванні одночасно з основним процесом відбувається руйнування бікарбонатної лужності води. Фільтрат набуває кислотності, рівної залишковій концентрації іонів Н⁺.

Другий період характеризується часом після проскакування іонів Na⁺ у воду. У цей період Н-катіонування поступово припиняється і починається витіснення іонами жорсткості раніше поглинених іонів Na⁺ у воду, тобто процес Н-катіонування переходить в Na-катіонування. У міру зростання концентрації іонів Na⁺ у фільтраті зростає лужність води і у момент досягнення концентрації іонів Na⁺ у фільтраті, рівної початковій, лужність відновлюється повністю. Концентрація іонів Na⁺ у фільтраті потім стає більше початкової, оскільки його іони, що витісняються, приєднуються до іонів Na⁺ в початковій воді, і потім поступово наближається до початкової концентрації іонів Na⁺ у міру наближення проскакування іонів жорсткості (Mg²⁺). Таким чином, при Н-катіонуванні спостерігаються два проскакування іонів, що супроводжуються різкою зміною лужності і кислотності води.

Робота фільтру до проскакування іонів Na⁺ або іонів жорсткості залежить від технологічної схеми його використання. Відповідно змінюється і робоча обмінна ємність катіоніту при роботі до проскакування того або іншого іона.

R₂/Ca²⁺+ nН⁺ ⇄2R/Н⁺ + Ca²⁺ + (n – 2)H⁺;	(3.35)
R₂/Mg²⁺ + nН⁺ ⇄2R/Н⁺ + Mg²⁺ + (n – 2)H⁺;	(3.36)
R/Na⁺ + nН⁺ ⇄R/Н⁺ + Na⁺ + (n – 1)H⁺,	(3.37)

Серйозним обмеженням при регенерації сірчаною кислотою є можливе загипсовывание катіоніту в результаті утворення CaSO₄. Ця обставина примушує обмежувати міцність регенераційного розчину або здійснювати двохступінчасту регенерацію. В цьому випадку регенерація проводиться спочатку 0,75 %-им розчином кислоти, а потім, коли основна маса іонів вже витиснена, 5 – 6 %-им розчином кислоти. Проте така схема регенерації створює відомі незручності при експлуатації. Іншим заходом для запобігання випаданню гіпсу є обмеження часу контакту регенераційного розчину з катіонітом.

Протиіонний ефект помітно виявляється при Н-катіонуванні вод із значним вмістом іонів SO₄ і Сl. Більш того, при Н-катіонуванні таких вод на слабокислотних катіонітах унаслідок різкого пониження значення рН

Рис. 3.8. Технологічна схема протитічної регенерації Н-катіонітних фільтрів:

I – пропускання розчину кислоти; II – відмивання; III – розпушування верхнього шару; IV – робочий цикл

знижується обмінна ємність цих катіонітів за рахунок придушення дисоціації таких груп, як –СООН і –ОН.

Конструктивні труднощі в здійсненні чисто протитічної регенерації привела до створення|створіння| схеми ступінчасто-протитічної| регенерації фільтрів, яка є|з'являється| проміжним варіантом між прямотічною| і протитічною регенераціями. Згідно|згідно з| цієї схемі розчин реагенту пропускається послідовно через два окремі відсіки, завантажених різною кількістю іоніту, як це робиться|чинить| при прямотічній| регенерації. При цьому, природно, іоніт у верхньому відсіку регенерується краще, ніж в нижньому|. Пропуск же води здійснюється спочатку через нижній відсік, а потім через верхній. Ця система регенерації дозволяє отримати|одержувати| якісніше очищення при скороченні на 30 – 40% кількостей реагенту на регенерацію. Більш ефективна| регенерація при застосуванні двухпоточно-протитічних| фільтрів з|із| середньою дренажною системою. При цьому частина|частина| регенераційного розчину подається знизу протитечією, а одночасно інша частина|частина| розчину подається зверху прямотоком|. Відведення регенераційного розчину проводиться|виробляє| через середню дренажну систему (рис. 3.9). Розпушування всього шару в такому

Рис. 3.9. Принципова схема двухпоточно-протитічного фільтру:

1—підведення оброблюваної води; 2 – відведення фільтрату; 3 – підведення регенераційного розчину; 4 – відведення регенераційного розчину; 5 – підведення води для розпушування; 6 – відведення води для розпушування

(3.38)

де τ – час фільтрування, год.;

υ_ф – швидкість фільтрування, м/год.;

d_з – діаметр зерен катіоніту, мм;

х – висота шару катіоніту, м;

φ = С_х/С_о; h = C_о/q_о;

С_о і С_х – концентрації іона відповідно початкова і у фільтраті;

q_о – концентрація даного іона, сорбованого катіонітом.

Аніонування водипроводиться з метою видалення з неї аніонів; при поєднанні аніонування з катіонуванням відбувається видалення з води як аніонів, так і катіонів, тобто хімічне знесолення води. При фільтруванні через шар аніоніту відбувається сорбція аніонів згідно наступним реакціям:

R/ОН + Cl^– ⇄R/Cl^– + OH^–;	(3.39)
2R/OH + SO₄^2– ⇄R₂/SO₄^2– + OH^–.	(3.40)

Перехід у воду іонів ОН^– приводить до підвищення її рН, що у свою чергу супроводжується дисоціацією слабких кислот Н₂СО₃ і H₂SiО₃ і перекладу їх в іонний стан. Отже, вони також можуть брати участь в реакціях обміну, але лише при використанні високоосновних аніонітів:

R/ОН^– + Н⁺ + НСО₃^– ⇄R/НСО₃^– + Н₂О;	(3.41)
R/ОН^– + Н⁺ + НSiО₃^– ⇄R/НSiО₃^– + Н₂О.	(3.42)

Слід зауважити, що при аніонуванні кислої води можливість|спроможність| підвищення концентрації іонів ОН^– у воді виключається, оскільки|тому що| ці іони при переході у воду зв’язуються іонами водню.

R/Cl^– + НСО₃^– ⇄R/НСО₃^– + Cl^–;	(3.43)
2R/Cl^– + SО₄²^– ⇄R/SО₄²^– + 2Cl^–;	(3.44)
R/Cl^– + NО₃^– ⇄R/NО₃^– + Cl^–.	(3.45)

R/Cl^– + nOH^– ⇄R/OH^– + Cl^– + (n – 1)OH^–;	(3.46)
R₂/SO₄²^– + nOH^– ⇄2R/OH^– + SО₄²^– + (n – 2)OH^–;	(3.47)
R/НСО₃^– + nOH^– ⇄R/OH^– + НСО₃^– + (n – 1)OH^–;	(3.48)
R/HSiO₃^– + nOH^– ⇄R/OH^– + HSiO₃^– + (n – 1)OH^–;	(3.49)
НСО₃^– + OH^– ⇄СО₃²^– + H₂O;	(3.50)
HSiO₃^– + OH^– ⇄SiO₃²^– + H₂O.	(3.51)

Рис. 3.10. Технологічна схема ступінчасто-протитічної| регенерації:

І – розпушування; ІІ – пропускання регенераційного розчину; ІІІ – відмивання; IV – робочий цикл

Основним завданням при використанні ОН-аніонітних фільтрів з високоосновним аніонітом в схемах знесолення є видалення кремнієвої кислоти з води, тому надзвичайно важливо для підвищення ємкості аніоніту по кремнієвій кислоті зменшувати вміст більш селективного бікарбонат-іону у воді, що поступає на іонування. У схемах ВПУ це здійснюється шляхом десорбції СО₂ з кислої Н-катіонованої води в деаераторах або декарбонізаторах.

Розрахункове рівняння вихідної кривої аніонітного фільтру (аніоніт АВ-17) по кремнієвій кислоті має вигляд

(3.52)

При використанні цього рівняння значення С_о[див. (3.38)] визначається як сумарна концентрація всіх аніонів у воді, що поступають на фільтр.

3.4. УСТАТКУВАННЯ|обладнання| ІОНООБМІННОЇ ЧАСТИНИ|частини| ВПУ

Іонний обмін на ВПУ ТЕС проводиться|виробляє| в іонообмінних фільтрах, які за розміром фракції, що використовується, розділяють на насипні і намивні, причому останні в схемах ВПУ поки не використовують. Їх застосування ефективніше в блокових|блочних| знесолювальних установках (БЗУ) для очищення конденсату.

Насипні фільтри з|із| однаковим по характеру іонообмінним матеріалом (катіоніт|, аніоніт|) підрозділяють також на фільтри I і II ступенів|рівнів|. Ці фільтри розрізняються сортами|гатунками| іоніту, що засипається в них, і конструктивними особливостями. На рис. 3.11 представлений|уявляти| загальний вид вертикального прямотічного| іонітного фільтру. Фільтр складається з корпусу, верхнього і нижнього| розподільних пристроїв|устроїв|, трубопроводів з|із| арматурою| і контрольно-вимірювальними приладами. Нижня розподільна система, що служить для утримання іоніту і відведення фільтрату, закладається в спеціальний бетон – утворюється ложное днище. Верхня розподільна система служить для рівномірного розподілу води і регенераційного розчину по шару іоніту. Система трубопроводів, підключених до фільтру, забезпечує проведення всіх необхідних технологічних| операцій при його експлуатації. Фільтри II ступеня|рівня| відрізняються більшою висотою і подвійним верхнім розподільним пристроєм|устроєм|, один з яких призначений для розподілу води, а інший – для| регенераційного розчину. Необхідність подвійного пристрою|устрою| викликана|спричиняти| різкою відмінністю швидкостей потоків води і регенераційного розчину через шар іоніту. Нижній розподільний пристрій|устрій| (рис. 3.12) складається з колектора, до якого приєднані розподільні труби із|із| заглушеними зовнішніми кінцями, що мають по всій довжині отвори, перекриті зверху спільним|загальним| щілистим жолобком. Ширина щілин в жолобках складає 0,4 ± 0,1 мм.

Рис. 3.11. Вертикальний прямотічний| іонітний фільтр:

1 – корпус; 2, 3 – верхня і нижня розподільні системи; 4 – підведення води, що обробляється; 5 – підведення регенераційного розчину; 6 – вихід фільтрату; 7 – спускання промивальної води; 8 – підведення води для розпушування

Рис. 3.12. Частина нижнього розподільного пристрою:

1 – щілини; 2 – отвори в розподільній трубі; 3 – колектор

Протитічний іонітний фільтр (рис. 3.13) відрізняється від прямотічного| наявністю середньої дренажної системи|, яка розташована|схильною| у верхній частині|частині| фільтру так, щоб при завантаженні|загрузці| іонітом висота його шару над середньою дренажною системою складала близько 0,2 м. Ця система розраховується лише на відведення регенераційного розчину при регенерації фільтру.

Рис. 3.13. Загальний вигляд (а) і принципова схема (б) протитічного іонітного фільтру:

1 – підведення оброблюваної води; 2 – підведення води для розпушування верхнього шару; 3 – відведення регенераційного розчину; 4 – вихід фільтрату; 5 – підведення відмивної води; 6 – підведення регенераційного розчину; 7 – спускання в дренаж; 8 – спускання води при розпушуванні шару

Ступінчасто-протитічні фільтри в наш час|нині| виготовляються з|із| двох корпусів (окремих фільтрів), причому один (менший) надбудовується над іншим. Кожен корпус обладнаний як окремий фільтр. Обидва корпуси зв'язуються між собою трубопроводами, які разом із запорной і вимірювальною апаратурою утворюють фронт фільтру. Двохпотоково-протитічний фільтр виконується однокорпусним і має середню дренажну систему, що розташована так, щоб шар іоніту над нею складав 0,4 – 0,5 м.

Найкраща якість води виходить в схемах ВПУ, де остаточне очищення води проводиться у фільтрах змішаної дії – ФЗД. При цьому потік води проходить через шар перемішаних зерен сильнокислого катіоніту в Н-формі і високоосновного аніоніту в ОН-формі. Перехідні в процесі іонітного обміну у воду іони Н ⁺і ОН^– утворюють воду, сприяючи цим поглибленню ступеня очищення води.

Рис. 3.14. Загальний вигляд (а) і принципова схема (б) фільтру змішаної дії з внутрішньою регенерацією:

1 – підведення оброблюваної води; 2 – підведення регенераційного розчину лугу; 3 – підведення знесоленої води; 4 – спуск в дренаж; 5 – вихід фільтрату; 6 – підведення регенераційного розчину кислоти; 7 – підведення стислого повітря; 8 – середня дренажна система; 9, 10 – верхня і нижня дренажні системи

фільтрі,причому після закінчення розділення|поділу| аніоніт розташовується у верхньому| шарі, а катіоніт в нижньому|. Загальна|загальна| висота шару у ФСД зазвичай|звично| складає 1 м, причому співвідношення висоти шарів аніоніту і катіоніту складає 1:2. Це пояснюється|тлумачить| тим, що обидва іоніти повинні виснажуватися одночасно, а обмінна|змінна| ємкість|місткість| аніоніту менша, ніж обмінна|змінна| ємкість|місткість| катіоніту |. Тому положення|становище| середньої дренажної системи вибирається таким, щоб|аби| в кінці|наприкінці| розділення|поділу| суміші вона розташовувалася на межі між шарами катіоніту і аніоніту. Тоді регенерація проводиться подачею розчину лугу зверху, а кислоти знизу з одночасним відведенням регенераційних розчинів через середню дренажну систему. Таке точне розділення шару на практиці здійснити важко, і тому регенерація в такому фільтрі проходить дещо гірше, ніж у ФЗД з виносною регенерацією. Часу також витрачається більше. Проте в цілому установка ФЗД виявляється в цьому випадку набагато більш простою. У ФЗД з внутрішньою регенерацією, щоб уникнути поломки середньої дренажної системи, не допускається швидкість води понад 50 м/год., а у ФЗД з виносною регенерацією – до 100 м/год. Стандартні діаметри насипних фільтрів 1; 1,5; 2; 2,6; 3 і 3,4 м.

Рис. 3.15. Схема регенерації іонітного фільтру з|із| насосами-дозаторами міцного реагенту:

1 – іонітний фільтр; 2 – насос-дозатор; 3 – мірник міцного реагенту; 4 – насос, що перекачує міцний реагент; 5 – бак-ячейка для міцного реагенту; 6 – насос, що перекачує воду з баків повторного використання; 7, 8 – баки повторного використання відповідно регенераційних і промивальних вод

3.5. СХЕМИ ІОНООБМІННОЇ ЧАСТИНИ|частини| ВПУ

Схеми 1 – 7застосовуються для зм'якшування води при підживленні котлів низького і середнього тиску, а деякі з них, зокрема Na-катіонування, – і для підживлення теплових мереж.

Na-катіонування може застосовуватися лише для зм'якшування природних вод з малою (до 0,5 мг-екв/кг) карбонатною лужністю. При малому додаванні води в котли низького і середнього тиску Na-катіонуванню можна піддавати воду і з більшою карбонатною лужністю. У схемі 2 передбачається часткове руйнування лужності шляхом введення кислоти в Na-катіоновану воду. При цьому протікає наступна реакція:

2NaHCO₃ + H₂SO₄ ⇄Na₂SO₄ + CO₂ + H₂O.

(3.53)

СО₂, що виділяється, перед подачею води на Na-катіонітний фільтр II ступеня відділяється в декарбонизаторі.

Рис. 3.16. Основні принципові схеми іонообмінних установок приготування| додаткової води для котлів:

Na₁ і Na₂ – натрій-катіонітні фільтри I і II ступенів; H₁ і Н₂ – воднево-катіонітні фільтри I і II ступенів; A₁ і А₂ – аніонітні фільтри I і II ступенів; Сl – аніонітний фільтр у Cl-формі; Н_гол – воднево-катіонітний фільтр з голодною регенерацією; ФЗД – фільтр змішаної дії; Дк – декарбонізатор; ПБ – проміжний бак; а – підведення освітленої води; б – вихід фільтрату; в – повітря в декарбонизатор; г – вихід вуглекислого газу; д – проміжний насос

Паралельне Н–Na-катіонування(схема 4)може застосовуватися за умови, що в початковій воді Ж_к > 0,5Ж_о, і сумарній концентрації аніонів сильних кислот більше 2 мг-екв/кг. За цією схемою частина потоку подається на Н-катіонітний фільтр, а інша частина – на Na-катіонітний. Потім кисла Н-катіонована вода і лужна Na-катіонована вода змішуються, при цьому відбувається часткове руйнування лужності (до заданого значення Л_ост з виділенням СО₂). Для його видалення вода пропускається через декарбонізатор і потім доумягчается на Na-катіонітному фільтрі II ступеня. Необхідну частину води х, яку треба пропускати через Н-катіонітний фільтр, можна підрахувати, виходячи з наступного співвідношення:

(3.54)

тоді частина води, що направляється на Na-катіонітний фільтр, буде рівна 1 – х.

При послідовному Н–Na-катіонуванні (схема 5) через Н-катіонітний фільтр пропускається частина води, а решта частина підмішується до кислого фільтрату. При цьому відбувається часткова нейтралізація сильних кислот бікарбонат-іонами, що знаходяться в початковій воді, з утворенням СО₂. Цей газ видаляється в декарбонізаторі, і вода пропускається для повного зм'якшування через Na-катіонітний фільтр. Реакції нейтралізації в молекулярній формі наступні:

Ca(HCO₃)₂ + H₂SO₄ ⇄CaSO₄ + 2H₂O + 2CO₂;	(3.55)
Mg(HCO₃)₂ + H₂SO₄ ⇄MgSO₄ + 2H₂O + 2CO₂.	(3.56)

(3.57)

Ця схема застосовується для очищення початкової води з солевмістом вище 1000 мг/кг при Ж_к < 0,5Ж_о і при сумі концентрацій аніонів сильних кислот менше 2 мг-екв/кг.

Основним недоліком схем 4 і 5 є необхідність перерозподілу потоків води під час фільтроциклу. Це пояснюється тим, що відключення Н-катіонітного фільтру на регенерацію для економії кислоти проводиться за проскакуванням іонів жорсткості, і, отже, фільтрат має спочатку кислу реакцію, а потім, починаючи з проскакування іонів Na^+,ця реакція переходить в лужну.

Схема спільного Н–Na-катіонування(схема 6)відрізняється тим, що потік води не ділиться на частини, як в схемах 4 і 5, а пропускається весь через фільтр з катіонітом, який знаходиться в двох початкових формах. Для цього регенерація катіоніту проводиться в два етапи – спочатку пропускають розчин сірчаної кислоти в кількості, необхідній для часткового витіснення сорбованих іонів Са²⁺ і Mg²⁺, а потім розчин NaCl. При цьому у верхніх шарах катіоніту домінує його Н-форма, а в нижніх – Na-форма. При зм'якшуванні вода спочатку стикається з верхніми шарами і обмінює катіони Са²⁺, Mg²⁺ і Na⁺ на катіони Н⁺, які реагують з іонами HCO₃^–, переводячи їх в СО₂. Потім вода вступає в контакт з нижніми шарами, де відбуваються реакції

R/Na⁺+ H⁺ +Cl ⇄R/H⁺ + Na⁺+ Cl;	(3.58)
2R/Na⁺ + 2H⁺ + SO₄^2– ⇄2R/H⁺ + 2Na⁺ + SO₄^2–.	(3.59)

Унаслідок сорбції іонів Н⁺ значення рН води зростає і збільшується дисоціація вугільної кислоти, іони водню якої також беруть участь в реакціях іонного обміну. Ці реакції протікають не повністю, і концентрація бікарбонат-іону залишається меншою, ніж початкова його концентрація. Тому фільтрат має невелику лужність. Проте величина цієї лужності змінюється під час фільтрування. Спочатку спостерігається її пониження, а до кінця фільтроциклу вона знов збільшується.

Значно менша зміна лужності спостерігається в процесі катіонування з голодною регенерацієюН-катіонітних фільтрів (схема 3). Регенерація катіоніту в цьому випадку проводиться в режимі нестачі кислоти, при цьому в Н-форму переводиться тільки верхня частина катіоніту. Нижні шари катіоніту залишаються у формах R₂/Ca²⁺, i R₂/Mg²⁺, R/Na⁺ . Кількість сірчаної кислоти ( на регенерацію визначають за формулою

(3.60)

де – теоретична питома витрата кислоти; – кількість грам-еквівалентів іона HCO₃^–, що руйнується одиницею об'єму катіоніту за робочий цикл фільтру за умови отримання фільтрату з мінімальною лужністю, г-екв/м³; V_кат – об'єм катіоніта у фільтрі, м³.

При пропусканні води відбувається|походить| її часткове зм'якшування і руйнування лужності|. Внаслідок цього в схемі потрібна установка декарбонізатора| і Na-катіонітних| фільтрів. Вода, оброблена за цією схемою, має залишкову лужність близько 0,2 – 0,3 мг-екв/кг і залишкову жорсткість менше 5 мкг/кг.

В наш час широкого поширення набула схема Na–Cl-іонування води(схема 7), що застосовується для котлів з тиском менше 4 МПа. Ця схема має ту перевагу, що для регенерації використовується лише один вид реагенту, а це значною мірою знижує кількість солей, що скидаються, при регенерації. У цій схемі вода послідовно подається через Na-катіонітний фільтр для зм'якшування, а потім через аніонітний фільтр, що містить високоосновний аніоніт у Сl-формі. При аніонуванні води сорбуються всі аніони сильних кислот (окрім Сl^–) і аніон HCO₃^–. Внаслідок цього в схемі не потрібна установка декарбонізатора. Регенерація проводиться 6 – 8%-им розчином NaCl, причому цей розчин пропускається спочатку через аніоніт, а потім через катіоніт. Питома витрата реагенту на регенерацію складає близько 75 кг/м³ аніоніту. За цією схемою можна отримати залишкову лужність у фільтраті в досить широких межах (0,1 – 1 мг-екв/кг). При установці бар'єрного Na-катіонітного фільтру жорсткість фільтрату складає приблизно 5 мкг-екв/кг. За цією схемою можна готувати воду для живлення випарників поверхневого типу.

Для підготовки знесоленої води застосовується послідовне здійснення процесів Н-катіонування і ОН-аніонування.За ступенем видалення іонів при очищенні води розрізняють часткове (схема 8), глибоке (схема 9) і повне (схема 10) хімічне знесолення води. При частковому знесоленні досягається повне видалення всіх катіонів і часткове видалення іонів HCO₃^– і Cl^–. Н-катіонітні фільтри відмикаються в цій схемі по проскакуванню жорсткості. Поява іонів HCO₃^– в знесоленій воді пояснюється неповною десорбцією СО₂ у декарбонізаторі і переході його назад у форму HCO₃^– при підвищенні рН води при аніонуванні. У ОН-аніонітному фільтрі вони не затримуються, оскільки в схемі застосовується низькоосновний аніоніт. Лужність фільтрату, отриманого за цією схемою очищення води, складає 0,2 – 1,2 мг-екв/кг. При глибокому хімічному знесоленні поряд з двома ступенями Н-катіонування застосовуються два ступені аніонування, причому перший ступінь – низькоосновний, а другий – високоосновний аніоніт. Н-катіонітні фільтри відключаються по проскакуванню іонів Na⁺ . На I ступені аніонування відбувається видалення аніонів сильних кислот, а на II – HCO₃^– і HSiO₃. Відключення аніонітних фільтрів I ступеня здійснюється по проскакуванню іонів Cl^–, а II ступеня – по проскакуванню іонів кремнієвої кислоти. При роботі за цією схемою в знесолену воду можуть потрапляти кремнієва кислота, а також продукти регенерації при неповному відмиванні Н-катіонітного фільтру і ОН-аніонітного фільтру других ступенів. Ця схема застосовується для підготовки води для барабанних котлів високого тиску.

Найбільш ретельна підготовка води досягається за схемою 10 (повне хімічне знесолення), де на останньому етапі очищення застосовується ФЗД. У ФЗД здійснюється процес спільного Н–ОН-іонування води шляхом її фільтрування через шар перемішаних зерен катіоніту і аніоніту відповідно в Н- і ОН-формі. У ФЗД досягається глибоке видалення всіх іонів (застосовуються сильнокислі катіоніти і високоосновні аніоніти). Регенерація ФЗД здійснюється двома способами: або розділенням суміші на два шари усередині фільтру і їх регенерацією (внутрішня регенерація), або розділенням цієї суміші з подальшим переводом катіоніту і аніоніту в спеціальні регенератори і регенерацією в них (виносна регенерація). Відрегенеровані іоніти потім переводяться у ФЗД і перемішуються. Якість знесоленої води, отриманої по схемі 10, оцінюється залишковою концентрацією натрію не більше 5 мкг/кг і залишковою концентрацією кремнієвої кислоти менше 10 мкг/кг. Ця схема застосовується для підготовки додаткової води прямотічних котлів.

Рис. 3.17. Схема іонітного знесолення води після|потім| попереднього содовапнування|:

1 – двохпотоково-протитічний МН-фільтр; 2 – декарбонізатор; 3 – бак декарбонізованої води; 4 – насос декарбонізованої води; 5 – предвключенный аніонітний фільтр; 6 – двохпотоково-протитічний катіонітний фільтр; 7, 8 – двохпотоково-ступінчасто-протитічні аніонітні фільтри I і II ступенів; 9 – бак відпрацьованого лужного розчину; 10 – бак скидних вод; 11 – насос відпрацьованого розчину; 12 – бак збору взрыхляющих(розпушуваних) і регенераційних вод МН-фільтрів; 13 – содоизвесткованная вода; 14 – знесолена вода; 15 – взрыхляющие води; 16 – скидання в освітлювач; 17 – розчин кислоти; 18 – розчин лугу; 19 – скидні води у випарник

Одна з таких схем представлена на рис. 3.17. Згідно з цією схемою на передочищенні проводиться вапнування, содування і коагуляція води. При цьому величина залишкової жорсткості в содоизвесткованной воді не перевищує 1 мг-екв/л. Ця вода потім подається на двохпотоково-протитічний передвключений Н-катіонітовий фільтр, який одночасно виконує функцію механічного фільтру (МН-фільтр). Потім вода подається на декарбонізатор і далі на аніонітний передвключений фільтр з низькоосновним аніонітом, звідки вона прямує послідовно на двохпотоково-протитічні катіонітний і два ступеня аніонітних завантажених високоосновним аніонітом фільтрів. Регенерація МН-фільтру проводиться стехіометричною кількістю кислоти зі скиданням розчину в освітлювач. Таким чином, на основний катіонітний фільтр поступають з водою головним чином катіони Na^+,що дозволяє використовувати меншу кількість реагенту, різко збільшити ступінь регенерації і час його роботи. Регенерація аніонітних фільтрів проводиться послідовно зі скиданням регенераційних розчинів в баки і повторним їх використанням|. В результаті|внаслідок| використання такої схеми виходять тверді відходи від освітлювача і скидні|скидові| води з|із| іонообмінної частини|частини|, які доупариваются| у випаровувачі|випарювачі|.

Рис. 3.18. Схеми з'єднання іонообмінних фільтрів:

а – секційна; б – блокова

В якості приклад приведемо розрахунок ВПУ за схемою М – Н₁ – А₁ – Н₂ – Д – А₂для води р. Чорної. В якості початкової (див. табл. 3.2) прийнятий склад цієї води, що пройшла стадію коагуляції. У табл. 3.2 показана також зміна якості води по ступенях обробки. Методика і результати розрахунку ВПУ по цій схемі приведені в таблиці. 3.3.

Таблиця 3.2. Приклад|зразок| зміни якості води по ступенях|рівнях| обробки

Показник	Почат-кова вода	Якість води після позначеного фільтру
М	Н₁	А₁	Н₂	Д	А₂
Ca²⁺ + Mg²⁺, мг-екв/л Na⁺, мг-екв/л НСО₃^–, мг-екв/л SO₄^2–, мг-екв/л Cl^–, мг-екв/л NO₃^–, мг-екв/л СО₂, мг/л SіО₃^2–, мг/л ГДП, мг/л	1,54 0,052 0,62 0,855 0,079 0,013 18,7 2,16 5,0	1,54 0,052 0,62 0,855 0,079 0,013 18,7 2,16 1,0	0,02 0,2 – 0,855 0,079 0,012 24,5 2,16 –	0,02 0,2 – – 0,03 – 24,5 2,16 –	– 0,01 – – 0,03 – 24,5 2,16 –	– 0,01 – – 0,03 – 4,0 2,16 –	– 0,01 – – – – – 0,01 –

Таблиця 3.3. Приклад технологічного розрахунку фільтрів