Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИИ

Тверской Государственный Технический Университет

Кафедра Технологии полимерных материалов

«Водоподготовка»

Выполнил: Житенёва А.А

Группа: ХТ-1102

Проверил: Смирнов Ю.В.

Тверь 2012

Оглавление

• Введение
• 1. Классификация природных вод и характеристика их примесей
• 2. Промышленная водоподготовка
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей воды и воздуха. Эти виды сырья используются почти всеми химическими производствами для самых разнообразных целей. Современные химические предприятия расходуют до 1 млн. м³ воды в сутки. Вода применяется для получения водорода и кислорода, в качестве растворителя твердых, жидких и газообразных веществ; в качестве реакционной среды, экстрагента или абсорбента, транспортирующего агента; для нагревания и охлаждения веществ и аппаратуры; для образования пульп и суспензий; для промывки разных продуктов; очистки оборудования и т. п. Кроме того, вода широко используется в качестве рабочего тела в гидравлических, тепловых и атомных электростанциях.

Вода является одним из самых распространенных на Земле соединений. Общая масса воды на поверхности Земли оценивается в 1,39 - 10¹⁸ т, большая часть ее содержится в морях и океанах; доступные для использования пресные воды в реках, озерах, каналах и водохранилищах составляют 2 - 10¹⁴ т. Вода содержится в атмосфере, почве, входит в состав многих минералов и горных пород (глины, гипса и др.), является обязательным компонентом всех живых организмов. Основная часть воды находится в вечном кругообороте под действием тепловой энергии Солнца и теплоты подземных недр.

Стационарные запасы пресных вод, пригодных для использования, составляют всего 0,3 % объема гидросферы. Особую роль в народном хозяйстве играют речные воды. Это связано с тем, что воды рек пресные и имеют огромную береговую линию. Исторически сложилось так, что по берегам рек расположено большинство городов и населенных пунктов. Единовременный запас воды во всех реках земного шара составляет примерно 1200 км³, причем этот объем возобновляется в среднем каждые 12 суток. водоподготовка технический промышленный

1. Классификация природных вод и характеристика их примесей

Водные ресурсы земли включают мировой океан, атмосферную влагу, реки, озера, полярные льды и ледники, грунтовые воды, объем которых составляет 1389 млн. км³.

Ежедневно на нужды человечества расходуется до 7 млрд. т воды, что соответствует по массе общему количеству полезных ископаемых, добываемых за год.

Вода -- обязательный компонент практически всех технологических процессов в промышленности и сельском хозяйстве. В промышленности основными потребителями являются химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная отрасли промышленности, черная и цветная металлургия, энергетика.

Первичными источниками водоснабжения промышленных предприятий служат поверхностные и грунтовые воды, которые составляют около 0,01% всей волы в гидросфере.

Превращение воды в один из важнейших элементов химического производства объясняется:

* наличием комплекса ценных свойств (высокая теплоемкость, малая вязкость, низкая температура кипения);

* доступностью и дешевизной (затраты исключительно на извлечение и очистку);

* не токсичностью;

* удобством использования в производстве и транспортировке.

Используемая в производстве техническая вода делится на несколько разновидностей:

1. Охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. Она не соприкасается с материальными потоками.

2. Технологическая вода в свою очередь подразделяется на средообразующую, промывающую и реакционную. Средообразующая вода используется для растворения и образования суспензий при обогащении природных материалов, перемещении продуктов и отходов производства (гидротранспорт); промывающая вода - для промывки газообразных (абсорбция), жидких (экстракция) и твердых продуктов; реакционная в качестве реагента, а также агента при азеотропной отгонке. Технологическая вода непосредственно контактируете материальными потоками.

3. Энергетическая вода используется при получении пара (для питания парогенераторов) и как рабочее тело при передаче теплоты от источника к потребителю (горячая вода).

Следует отметить, что приблизительно 75% поды, используемой в химической промышленности, расходуется на охлаждение технологической аппаратуры. Остальная вода применяется главным образом в качестве химического реагента, экстрагента, абсорбента, растворителя, реакционной среды, транспортирующего агента, питательной воды в котлах-утилизаторах.

Воды морей и океанов - источники сырья для добычи многих химических веществ: из них извлекаются NaС1, МgСl, Br, I и др. продукты. Так например, содержание элементов в водах океана составляет: К-3.8 *10-2%, V- 5*10^-8%, Аu -4*10^-10%, Аg -5*10^-9%. Приняв массу воды на планете-1.4 *10¹⁸, получим соответственно содержание в ней Аu-5.6 * 10⁶т.

Масштабы потребления воды химической промышленностью зависят от типа производства. Так, расходный коэффициент по воде (м³/т продукции) составляет: для азотной кислоты - 200, аммиака- 1500, синтетического каучука-1600. Например, завод капронового волокна расходует такое же количество воды, как город с населением 400тыс. человек. Общее количество воды на Земле составляет 1.386 *10¹⁸м³

Природную воду принято делить на 3 вида, сильно различающихся по наличию примесей:

Атмосферная вода - вода дождевых и снеговых осадков, содержит минимальное количество примесей, главным образом, растворенные газы СО₂, О₂ а в промышленных районах N0х, SОх. Почти не содержит растворенные соли.

Поверхностная вода - речные, озерные, морские, содержат различные минеральные и органические вещества, природа и концентрация которых зависят от климата, геоморфологических и гидротехнических мероприятий.

Подземная вода -- вода артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров. Для них характерно высокое содержание минеральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород и малое содержание органических веществ.

Морская вода представляет многокомпонентный раствор электролитов и содержит все элементы, входящие в состав литосферы.

Качество воды и требования к ней. Природная вода недостаточно чистая и без соответствующей обработки не может быть использована для промышленного водоснабжения. В 1 л пресной воды, как правило, содержится до ) г солей. Кроме того, пресная природная вода содержит сложные природные органические соединения (гумус), твердые взвеси, коллоидные вещества и примеси биологического происхождения (микроорганизмы, водоросли и др.) и растворенные газы, количество которых зависит от водоема (река, озеро, водохранилище, канал, подземные воды). Состав воды влияет на кислотность, например, для рек и озер pH колеблется в пределах 5,0^8,5.

Содержание в природных водах различных примесей, как растворенных, так и находящихся в виде взвеси, является причиной образования отложений накипи и шлама на поверхности теплообменной аппаратуры и парогенераторов, что приводит к их коррозии и ухудшению теплообмена. Например, периодический нагрев и охлаждение воды в теплообменной аппаратуре приводит к потерям диоксида углерода и отложению карбоната кальция.

Требования, предъявляемые к технической воде, связаны с особенностями проводимых процессов и указываются в технологических регламентах конкретных химических производств. Очевидно, что качество волы, выполняющей роль реагента или абсорбента, должно быть значительно выше качества воды, используемой, например, для получения пара.

Качество воды определяется совокупностью физических и химических характеристик, к которым относятся: цвет, прозрачность, запах, общее солесодержание, жесткость, рН, окисляемость. Для промышленных вод важнейшими из этих характеристик являются солесодержание, жесткость, рН, содержание взвешенных веществ.

Жесткостью называется свойство воды, обусловленное присутствием в ней солей Са и Мg. В зависимости от природы анионов различают временную жесткость (устранимую, карбонатную), удаляемую при кипячении - Жв и постоянную (некарбонатную) - Жп. Сумма Жв и Жп называется общей жесткостью воды

Жо = Жв + Жп

Принята следующая классификация по жесткости: мягкая (Са и Мg до 3 мгэкв/л), умеренно- жесткая(3-6 мгэкв/л) и жесткая (более 6 мгэкв/л).

В зависимости от солесодержания природные воды делятся на пресные (с/с менее 1г/кг), солоноватые (с/с от 1 до 10 г/кг) и соленые (с/с более 10г/кг.

Окисляемость воды обусловлена наличием в воде органических примесей и определяется количеством мг перманганата калия, израсходованного при кипячении 1л воды.

РН воды характеризует ее кислотность щелочность.

Масштабы потребления воды химической промышленностью зависят от типа производства. Так, расходный коэффициент по воде (м³/т продукции) составляет: для азотной кислоты - 200, аммиака- 1500, синтетического каучука-1600. Например, завод капронового волокна расходует такое же количество воды, как город с населением 400тыс. человек. Общее количество воды на Земле составляет 1.386 *10¹⁸м³

Природную воду принято делить на 3 вида, сильно различающихся по наличию примесей:

Атмосферная вода - вода дождевых и снеговых осадков, содержит минимальное количество примесей, главным образом, растворенные газы СО₂, О₂ а в промышленных районах N0х, SОх. Почти не содержит растворенные соли.

Поверхностная вода - речные, озерные, морские, содержат различные минеральные и органические вещества, природа и концентрация которых зависят от климата, геоморфологических и гидротехнических мероприятий.

Подземная вода -- вода артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров. Для них характерно высокое содержание минеральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород и малое содержание органических веществ.

Морская вода представляет многокомпонентный раствор электролитов и содержит все элементы, входящие в состав литосферы.

Промышленная водоподготовка представляет собой совокупность физических и химических операций, обеспечивающих очистку воды от механических примесей, растворенных солей и газов. Поскольку характер примесей и требования, предъявляемые к качеству воды, могут быть различными, в производстве существует несколько видов водоочистки, основными из которых являются: очистка от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрацией, умягчение и обессоливание воды, дегазация, обеззараживание.

Отстаивание от крупных частиц осуществляется в непрерывно- действующих отстойниках большой емкости. O r мелких частиц освобождаются фильтрацией. Для удаления коллоидных частиц (мельчайших глинистых частиц и белковых веществ) используется явление коагуляции путем добавления в воду коагулянтов с последующей фильтрацией от выпавшего осадка.

Умягчение и обессоливание воды представляют собой удаление солей кальция, магния и других элементов. Различают физические способы (нагревание, дистилляция, вымораживание) и физико-химические (обратный осмос и ультрафильтрация).

Дегазацию осуществляют химическим (фильтрацией через слой соответствующего адсорбента) или физическим (нагрев) способом.

2. Промышленная водоподготовка

Вредное влияние примесей, содержащихся в промышленной воде, зависит от их химической природы, концентрации, дисперсного состояния, а также технологии конкретного производства использования воды. Все вещества, присутствующие в воде, могут находиться в виде истинного раствора (соли, газы, некоторые органические соединения в коллоидном состоянии) и во взвешенном состоянии (глинистые, песчаные, известковые частицы).

Растворенные в воде вещества образуют при нагревании накипь на стенках аппаратуры и вызывают коррозионное разрушение ее. Коллоидные примеси вызывают загрязнение диафрагмы электролизеров, вспенивание воды. Грубодисперсные взвеси засоряют трубопроводы, снижают их производительность, могут вызвать их закупорку. Все это вызывает необходимость предварительной подготовки воды, поступающей на производство - водоподготовку.

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих очистку воды - удаление из нее вредных примесей, находящихся в молекулярно-растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Основные операции водоподготовки: очистка от взвешенных веществ отстаиванием и фильтрованием, умягчение, в отдельных случаях - обесцвечивание, нейтрализация, дегазация и обеззараживание.

Процесс отстаивания позволяет осветлять воду вследствие удаления из нее грубодисперсных веществ, оседающих под действием силы тяжести на дно отстойника. Отстаивание воды проводится в непрерывно- действующих отстойных бетонированных резервуарах. Для достижения полноты осветления и обесцвечивания декантируемую из отстойника воду подвергают коагуляции с последующим фильтрованием.

Коагуляция - высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности, выделение из воды мельчайших глинистых частиц и белковых веществ. Осуществляют коагуляцию введением в очищаемую воду небольших количеств электролитов Al₂(S0₄)₃> FеS0₄ и др. соединений, называемых коагулянтами. Физико-химическая сущность этого процесса в упрощенном виде состоит в том, что коагулянт в воде превращается в агрегат несущих заряд частиц, которые взаимодействуя с противоположно заряженными частицами примесей, обуславливают выпадение нерастворимого коллоидного осадка. Так, А1₂(Б0₄)₃ в результате гидролиза и взаимодействия с солями кальция и магния, растворенными в воде, образует хлопьевидные положительно заряженные частицы А1(0Н)₃

А1₂ (Б0₄) ₃ +6 Н₂0 = 2А1(0Н) ₃ +3Н₂0 Н₂S0₄ + Са(НС0₃)₂ = СаS0₄ +2Н₂0 +2С0₂

Взаимодействие положительно заряженных частиц гидроокиси алюминия и несущих отрицательный заряд примесей приводит к быстрой коагуляции. Одновременно идет процесс адсорбции на поверхности осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается. Обеззараживание воды обеспечивается ее хлорированием или озонированием. Дегазация -- удаление из воды растворенных газов достигается химическим способом, при котором газы поглощаются химическими реагентами, например, в случае диоксида углерода:

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ +Н₂О,

или физическими способами - термической деаэрацией на воздухе или в вакууме. Одной из основных и обязательных операций водоподготовки технологической воды является ее умягчение.

Схема промышленной водоподготовки

Умягчением называется обработка воды для понижения ее жесткости, т.е. уменьшения концентрации ионов кальция и магния различными физическими, химическими и физико-химическими методами.

При физическом методе воду нагревают до кипения, в результате чего растворимые гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в их карбонаты, выпадающие в осадок:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О +СО₂.

Этим методом удаляется только временная жесткость.

К химическим методам умягчения относятся фосфатный и известково-содовый, заключающийся в обработке тринатрийфосфатом или смесью гидроксида кальция и карбоната натрия. В первом случае протекает реакция образования нерастворимого трикальцийфосфата, выпадающего в осадок:

3СаS0₄ + 2 Na₃Р0₄ = 3Nа₂S0₄ + Са₃ (Р0₄) ₂

Во втором случае протекают две реакции. Бикарбонаты кальция и магния реагируют с гидроксидом кальция, чем устраняется временная жесткость:

Са(НС0₃)₂ + Са(0Н)₂ = 2 СаС0₃ +2 Н₂0 ,

а сульфаты, нитраты и хлориды - с карбонатом натрия, чем устраняется постоянная жесткость:

СаS0₄ + Nа₂С0₃ = Са С0₃ +Nа₂Б0₄.

Обессоливание применяется в тех производствах, где к воде предъявляются особо жесткие требования по чистоте, например, при получении полупроводниковых материалов, химически чистых реактивов, фармацевтических препаратов. Обессоливание воды достигается методом ионного обмена, дистилляцией, электродиализом.

Метод ионного обмена основан на свойстве некоторых твердых тел (ионитов) поглощать из раствора ионы в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака. Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода, а аниониты подвижные ионы гидроксила. В качестве катионитов применяют сульфоугли, алюмосиликаты, искусственные смолы, в качестве анионитов искусственные смолы.

Поскольку процесс ионного обмена обратим, установление равновесия в системе означает прекращение процесса обессоливания. Поглощающая способность ионита характеризуется его обменной емкостью, равной количеству ионов кальция и магния, которое может поглотить единица объема или массы ионита, выраженное грамм-эквивалентах: гэкв/м³ и гэкв/кг. От величины обменной емкости при данном объеме ионита зависит время рабочего цикла ионитовых фильтров. При насыщении ионита он может быть регенерирован промывкой растворами для Н катионитов кислоты, Na катионитов хлорида натрия и для анионитов раствором щелочи. В приведенных выше примерах работы анионитов при этом протекают реакции:

Полное обессоливание воды обеспечивается ее дистилляцией (термическое обессоливание) обычно после того, как вода предварительно очистится с помощью ионитовых фильтров.

Схема обессоливания воды методом ионного обмена

Схема1 ?Схема обессоливания воды методом ионного обмена

Вода последовательно проходит через катионитный и анионитный фильтры и поступает, распыляясь в дегазатор, где из нее удаляются растворенные диоксид углерода, кислород и другие газы. Для регенерации катионита в фильтр периодически подается кислота или раствор хлорида натрия, для регенерации анионита - раствор щелочи.

Электродиализом называется процесс диализа под воздействием электрического поля. При этом выделение солей из диализумого раствора происходит в результате перемещения ионов через пористые мембраны, содержащие катионит у катода и анионит у анода, с последующим их разрядом на электродах.

Водоподготовка в химическом производстве представляет весьма трудоемкий процесс и требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. На современных химических предприятиях доля капитальных затрат на водоподготовку составляет 10-15% общего объема расходов на производство химической продукции.

Современные схемы промышленной водоподготовки включают все основные операции: осветление в грубых и коагуляционных отстойниках, фильтрование через зернистый материал, умягчение методом ионного обмена, дегазацию.

Схема 2?Схема электродиализатора

Водооборотные циклы химических производств. Системы производственного водоснабжения делят на прямоточные, в которых подаваемая от первичного источника вода после ее 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).

В случае прямоточного водоснабжения отработанные воды перед сбросом в водоем необходимо очистить, хотя даже очищенная вода будет отличаться по составу от воды в водоеме и при значительном сбросе изменит среду обитания живых организмов и растений.

В оборотном водоснабжении вода от первичного источника подается только для восполнения безвозвратных потерь в цикле. Одним из преимуществ этой системы является более совершенная организация промышленной водоочистки, что приводит к созданию оптимальных условий для эффективной работы оборудования.

Схема производственною оборотного водоснабжения предприятия включает комплекс сооружений, обеспечивающих прием воды из водоема (водозабор), подачу ее потребителям в необходимом количестве с требуемым давлением (насосная и водопровод), очистку; обработку и охлаждение (очистные сооружения). Системы оборотного водоснабжения бывают замкнутые, полузамкнутые и комбинированные . (Системы оборотного водоснабжения показаны на рисунке 2.5

В замкнутой системе (рис. 2.5, а) охлаждение технологических потоков осуществляется оборотной водой в закрытых теплообменных аппаратах. В свою очередь, оборотная вода охлаждается воздухом в закрытых теплообменных радиаторах (радиаторной градирне).

Рисунок2.1?Системы производственного оборотного водоснабжения: а замкнутая; б полузамкнутая; в - комбинированная: /- контур захоложенной волы; // контур оборотного водоснабжения; отделения: П - производство, К камера приема поды и очистки, НС - насосная станция, ВХ - воздушный холодильник. ИХ -- испарительный холодильник (градирня, брмзгальный бассейн), АХ - аммиачный холодильник; потоки: I - нода после использования, 2 - чистая вода, .? - оборотная иода, I 111 - производственные потери и расход в технологическом процессе, Унос - потери поды на унос из охладителя и сброс (продувка), Доб - вола, добавляемая в систему

В полузамкнутой системе (рис. 2.5, б) технологические потоки охлаждают также в закрытых теплообменниках, но оборотная вода охлаждается в открытом испарительном холодильнике (градирне).

В некоторых производствах по условиям технологического процесса к качеству воды предъявляются особые требования. В этом случае применяют комбинированную систему (рис. 2.5. в), в которой обессоленная иди умягченная вода охлаждается оборотной водой «закрытых теплообменниках, а оборотная вода в открытой градирне.

За счет использования оборотной воды водопотребление химической промышленности снижается на 85 -90%. Тем не менее, расход свежей волы на производство I т продукции составляет 50-130 м^?\ Поэтому одной из задач химической технологии является дальнейшее спи жение водоем кости производств путем внедрения систем оборотного водоснабжения с последующим использованием воды и перехода на водосберегающие (бессточные) технологии.

Заключение

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих очистку воды -- удаление из нее вредных примесей, находящихся в молекулярно-растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Основные операции водоподготовки: очистка от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием, умягчение, а в отдельных случаях -- обессоливание, нейтрализация, дегазация и обеззараживание.

Процесс отстаивания позволяет осветлять воду вследствие удаления из нее грубодисперсных взвешенных примесей, оседающих под действием

силы тяжести на дно отстойника. Отстаивание воды проводят в непрерывно действующих отстойных бетонированных резервуарах. Для достижения полного осветления и обесцвечивания декантируемую из отстойников воду подвергают коагуляции с последующим фильтрованием. Коагуляция -- высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности выделение из воды мельчайших глинистых частиц и белковых веществ. Осуществляют коагуляцию внесением в очищаемую воду небольших количеств электролитов

А1₂ (SО₄)₃, FеSО₄ и некоторых других соединений, называемых коагулянтами. Физико-химическая сущность этого процесса в упрощенном виде состоит в том, что коагулянт, адсорбируясь на поверхности заряженной коллоидной частицы, нейтрализует ее заряд. Это приводит к слипанию отдельных частиц (коагуляции) и образованию осадка. Чем выше заряд иона коагулянта (А1³⁺, Fе³⁺),тем меньше расход электролита на коагуляцию. Для коагуляции глинистых коллоидных частиц (природные воды), имеющих отрицательный заряд, применяют чаще всего соединения алюминия -- сульфаты или алюминиевые квасцы. Одновременно идет процесс адсорбции на поверхности осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается.

Фильтрование воды для очистки от суспензий обычно следует за отстаиванием. Часто применяются фильтры со слоем инертного зернистого фильтрующего материала, например песка.

Умягчение воды состоит в удалении солей кальция и магния, обусловливающих жесткость воды, В промышленности применяют различные методы умягчения, сущность которых заключается в связывании йодов Са²⁺ и Мg²⁺ при помощи реагентов в нерастворимые и легко удаляемые соединения. По применяемым реагентам различают способы: известковый (гашеная известь), содовый (кальцинированная сода), натронный (едкий натр) и фосфатный (три-натрийфосфат). Наиболее экономично из химических методов применение комбинированного способа умягчения, обеспечивающего устранение временной и постоянной жесткости, а также связывание СО₂, удаление ионов железа, коагулирование органических и других примесей.

Список использованных источников

1 Общая химическая технология: Учеб. Для химико-техн. Спец. Вузов. В 2-х т. Т 1: Теоретические основы химической технологии / И.П.Мухленов, А.Я.Авербух, Е.С.Тумаркина и др.; Под ред. И.П. Мухленова. - 4-е изд., прераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 256 с., ил.

Размещено на Allbest.ru