водоподготовка

Содержание
Введение 2
1 Принципиальная схема ХВО 3
2 Расчет Na-катионитовых фильтров 4
3 Расчет Na-катионовых фильтров 2-ой ступени 10
4 Расчет и составление материального баланса 12
4.1 Подогреватели воды 12
4.2 Осветлитель 14
4.3 Механический фильтр и вспомогательное оборудование 15
4.4 Сводная таблица материального баланса 16
Заключение 17
Список используемой литературы 18

Тогда потребляемый расход электроэнергии составит

а потери напора в установке

Бактерицидная установка ОВ-АКХ-1 позволяет объединить в одном помещении до шести пятикамерных секций, располагаемых параллельно друг другу. Так как одна секция обычно является резервной, то максимальная суточная рабочая производительность всей установки может достигать Qcyт=180∙5∙24=21600 m3/сутки.
Увеличение количества секций свыше шести делает установку громоздкой и неудобной в эксплуатации. Поэтому в Академии коммунального хозяйства разработаны бактерицидные установки большей производительности, оснащенные ртутно-кварцевыми лампами РКС-2,5. Для этой лампы расчетный бактерицидный поток почти вдвое больше, чем для лампы ПРК-7.
Пример. Рассчитать безнапорную установку типа ОВ-1П-РКС
Обеззараженная вода прошла обработку на водоочистных сооружениях.
Заданный расход воды Qчac=3000 м3/ч. Расчетные параметры: а = 0,3 см–1; Р0=1000; Р=1; k = 2500 мквт∙сек/см2; η=0,9 и η0= =0,9; Fл =75 вт (см. табл. 51).
Расчетный бактерицидный поток по формуле (121)

Потребное число ламп РКС-2,5 будет

Следовательно, установка типа ОВ-1П-РКС должна состоять из девяти кассет, по восемь ламп в каждой. Принимаем девять рабочих кассет и одну резервную, или всего (9+1)8=80 ламп.
Длина рабочей части канала установки

где l — расстояние между кассетами, равное 0,4 м;
N — общее количество кассет.
§ 39. Озонирование воды
Общие сведения. Первые попытки применения озона для обеззараживания воды были предприняты в Западной Европе в конце XIX в., но практически озонирование осуществлено лишь в начале XX столетия.
213
Проблемы использования озона рассматривались на русских водопроводных съездах в 1901 и 1907 гг. Постановления, принятые съездами — прогрессивной общественно-технической организацией, способствовали устройству в Петербурге фильтроозонной станции.
В 1911 г. состоялся пуск этой станции в действие; в то время она являлась первой, самой крупной озонирующей установкой в мире и обеспечивала обработку 50 тыс. м3/сутки питьевой воды. Однако начавшаяся вскоре мировая война 1914—1918 гг., а затем иностранная интервенция против Советской России не позволили обеспечить поддержание станции на необходимом техническом уровне. Для обеззараживания воды стали применять хлорирование.
В настоящее время озонирование воды широко используется во Франции. Здесь в постоянной эксплуатации находятся сотни озонирующих установок, обрабатывающих суммарно свыше 1,7 млн. м3/сутки питевой воды, что составляет более 35% всего расхода воды, подаваемой централизованными водопроводами.
Рост числа озонирующих установок объясняется заметным улучшением их технико-экономических показателей.
В СССР за последние годы выполнены исследования по применению озона для обработки воды рек Невы, Волги, Днепра и др. Пущены в эксплуатацию озонирующие установки в Донбассе (в гг.Часов Яре и Горловке), в г. Горьком (Слудинская станция и в поселке ГРЭС); проектируются мощные установки озонирования на Восточной водопроводной станции Москвы, на Днепровской станции г. Киева и ряд других.
Свойства озона. Озон обладает свойством быстро разлагаться в воздухе и, особенно, в воде. Растворимость озона в воде находится под заметным влиянием величины рН и количества веществ, растворенных в воде; небольшое содержание кислот и нейтральных солей усиливает растворимость озона, а наличие щелочей снижает ее.
Вследствие высокого окислительного потенциала бактерицидное действие озона, введенного в воду, сильнее, чем у других химических агентов. Поэтому озон вполне обеспечивает обеззараживание воды от бактерий, если вода предварительно осветлена или если мутность природной воды ниже 3 мг/л. Это условие не является характерной чертой озонирования, так как предварительная очистка мутных вод обязательна при любых методах обеззараживания (при хлорировании, бактерицидном облучении и т. д.).
Следует отметить различия в действии озона на бактерии, содержащиеся в воде, по сравнению с действием хлора, С повышением интенсивности хлорирования постепенно увеличивается число отмирающих бактерий. Между тем озонирование вызывает внезапное резкое и полное бактерицидное действие, соответствующее определенной критической дозе озона.
Озон действует не только на окислительно-восстановительную систему бактерий, но и непосредственно на протоплазму, тогда как хлор — только на ферменты микробиальной клетки. Поэтому озон
214
значительно активнее хлора по отношению к вирусам, поскольку последние не имеют, или почти не имеют, ферментных систем.
Вирус полиомиелита погибает при величине остаточного озона 0,45 мг/л через 2 мин, а при дозе хлора 1 мг/л— только через 3 ч. Озон обладает высокой эффективностью также в уничтожении споровых бактерий, цист1 и многих других патогенных микроорганизмов. Действие озона на споровые бактерии в 300—600 раз сильнее, чем хлора. Озон адсорбирует и окисляет гуминовые кислоты, вызывающие цветность воды. Исследования показали, что с увеличением степени обесцвечивания повышается удельная доза озона на 1° цветности воды. Опыты в Москве показали, что для получения равного эффекта обесцвечивания нужно в 2,5 раза меньше озона, чем хлора. Озон действует в 15—30 раз быстрее хлора. Если вода поступает из водохранилища с несколько повышенной цветностью, вызванной развитием водорослей и фитопланктона, целесообразно применять двухступенчатую обработку воды: на микрофильтрах с последующим озонированием фильтрата.
После обработки хлором вода имеет зеленовато-желтую окраску. Озонирование придает воде отчетливый голубой оттенок. Следовательно, обработка воды озоном снижает окраску в гамме желтого цвета, но несколько усиливает ее в гамме синего цвета.
Озон может быть применен для удаления из воды железа и марганца в тех случаях, когда обезжелезивание и деманганация воды обычным способом не удаются. Это наблюдается, если железо или марганец содержатся в воде в виде органических комплексных соединений или коллоидальных частиц. Озонирование воды вызывает окисление этих соединений и осаждение железа и марганца. При этом требуется 1 вес. ч. озона на 1 вес. ч. железа и марганца.
Запахи и привкусы воды хорошо устраняются при озонировании. К ним относятся запахи, выделяемые некоторыми водорослями, органическими субстанциями и микроорганизмами.
Хлор также оставляет в воде специфический запах, особенно, если вода мало минерализована. При озонировании возрастает содержание растворенного кислорода, что способствует возврату очищенной озоном воде свежести, характерной для чистых природных источников.
Иногда озонирование применяют с главной целью — для устранения привкусов и запахов воды, так как озон действует на соединения, которые не поддаются действию других химических реагентов. Например, на Восточной водопроводной станции (Москва) хлорирование воды усиливало болотно-тинистый запах волжской воды. После озонирования дозами 0,5—1 мг/л эти запахи интенсивностью 4 балла полностью исчезали.
Особенно эффективен озон при очистке воды, загрязненной фенолами, сероводородом, сернистыми и цианистыми соединениями
1 Цисты — плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов (например, жгутиковых, корненожек) при их размножении, а также в неблагоприятных для них условиях (пересыхание водоемов и т. п.).
215
и другими веществами, способными вызвать плохой запах воды. Между тем хлорирование воды, содержащей фенолы даже в ничтожных количествах, сообщает ей весьма неприятный хлор-фенольный привкус.
Озонирование представляет собой единственный современный метод обработки воды, который действительно универсален, так как проявляет свое действие одновременно в бактериологическом, физическом и органолептическом отношении. С химической точки зрения минеральные вещества, растворенные в воде и определяющие ее качественный состав, после озонирования не изменяются.
Вместе с тем при обработке озоном в воду не вносится никаких дополнительных посторонних веществ, что происходит, например, при хлорировании воды.
Технологическая схема озонирующей установки. Как известно, улучшение качества воды по общепринятой схеме, помимо ее осветления, обеспечивается тремя процессами: обесцвечиванию способствует коагулирование, обеззараживание осуществляется хлором, улучшение вкусовых качеств достигается аммонизацией или при помощи активированного угля.
Рис. 69. Принципиальная технологическая схема установки для озонирования воды
Необходимость выполнения трех различных процессов усложняет технологию обработки воды. Между тем озонирование позволяет одновременно достичь всех этих целей благодаря весьма высокой окисляющей способности озона.
Принципиальная технологическая схема установки для озонирования воды представлена на рис.69. Атмосферный воздух пропускается через фильтр 1 для очистки от пыли, после чего воздушным компрессором 2 нагнетается на охлаждающие устройства 3, откуда поступает в устройства для осушки воздуха 4. Охладителем служит вода, подаваемая в змеевик 5. Охлажденный и осушенный воздух направляется в генераторы озона 6 (озонаторы). Под действием «тихого» электрического разряда получается озон, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в этой озоно-воздушной смеси колеблется для озонаторов различных типов в пределах от 10 до 20 г/м3 (или от 0,85 до 1,7% по весу при температуре 25°С).
Так как тихий электрический разряд сопровождается Тепловы
216
делением, предусматривается охлаждение электродов озонатора водой, поступающей по трубопроводу 7. Напряжение подается на озонатор от повышающего трансформатора 8 по высоковольтному кабелю.
Заключительным этапом технологического процесса является быстрое и полное смешение воды с озонированным воздухом в специальной контактной колонне 9. Диффузия озона в виде мельчайших пузырьков в толще воды осуществляется через сеть пористых трубок 10, размещенных в основании контактной колонны. Вода входит самотеком по трубе 11. Следовательно, вода и озонированный воздух циркулируют во встречных направлениях, что ускоряет процесс растворения озона. Вода выпускается через отверстия в стенке бокового кармана 12, примыкающего к корпусу колонны. Озонированная вода поднимается по этому карману, после чего направляется в резервуар чистой воды по трубопроводу 13. Благодаря рациональным условиям контакта воды с озоном воздух, выходящий в вытяжную трубу 14, содержит только следы озона и может быть выведен наружу без всякой опасности для населения окружающих районов.
Доза озона для обработки воды колеблется обычно от 0,6 до 3,5 мг/л в зависимости от качественных показателей исходной воды.
На рис. 70 представлена установка, оборудованная озонаторами и другими устройствами.

Рис. 70. Озонирующая установка
1 — озонаторы; 2 — воздуходувки; 3 — блок осушки воздуха; 4 — вентиляционная камера; 5 — приточная труба; 6 — помещение КиП
Конструкция озонатора. Генератор озона состоит из двух электропроводных поверхностей—электродов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Конструктивно электроды выполняются либо в виде двух параллельных пластин, либо в виде двух концентрично размещенных трубок разного диаметра (наружная — стальная, внутренняя — стеклянная).
Принятый в СССР генератор озона имеет трубчатую конструкцию, т. е. состоит из пакета трубчатых элементов, размещенных параллельно друг другу в общем цилиндрическом корпусе (рис.71),
217
Количество трубок принимается от 80 до 275 в зависимости от размеров озонатора1. Электродами низкого напряжения являются цилиндры 1 из нержавеющей стали, омываемые охлаждающей водой.
Рис. 71. Схема трубчатого озонатора
Внутри каждого цилиндра находится стеклянная трубка 2; электродами высокого напряжения 3 служат покрытия из графита или алюминия, нанесенные на внутреннюю поверхность стеклянных трубок. Слой такого материала является диэлектрическим барьером; он исключает образование разрядов искровой или дуговой формы и обусловливает равномерную структуру «тихого» разряда. Одновременно диэлектрик выполняет роль реактивного буферного сопротивления, ограничивающего ток в цепи раз-ряда. Присутствие в электрической цепи диэлектрического сопротивления вызывает необходимость обязательного питания озонатора только переменным током.
Рабочее напряжение тока составляет 20000 в с частотой 50 циклов в 1 сек. Источником такого напряжения служит повышающий трансформатор 8. Если присоединить электроды к этому источнику тока, в промежуточном пространстве возникает лиловый свет, представляющий собой видимое проявление «тихого» электрического разряда. Если через разрядные щели пропускать воздух (или кислород), то начнется образование озона. Ширина разрядной щели 9 и толщина стеклянной трубки равны ~2,5 мм каждая.
Впуск в озонатор кондиционированного воздуха производится через трубопровод 4, примыкающий к торцовой плоскости корпуса озонатора. Полученный озон выпускается через трубопровод 5 с противоположного конца корпуса.
Разряд характеризуется двумя температурами —электронной и молекулярной. Поскольку движение электронов более быстрое, чем молекул, то и соответствующая ему температура достигает 10000— 20000°С. Это создает условия для интенсивной бомбардировки молекул кислорода, в результате которой и создаются молекулы озона. Так как молекулярная температура разряда находится в пределах лишь нескольких десятков градусов, то образовавшиеся молекулы озона сохраняют устойчивость.
1 В больших озонаторах нового конструктивного типа трубки размещены с обеих сторон цилиндрического корпуса (таким образом число трубок удваивается).
218
Так как «тихий» разряд сопровождается тепловыделением, необходимо охлаждать электроды. С этой целью подают охлаждающую воду; она входит через трубу 6 и выходит через трубу 7.
Производительность одного озонатора в зависимости от его размеров и конструкции колеблется от 0,4 до 8 кг озона в 1 ч.
Техника безопасности. Реакция превращения озона в кислород является экзотермической, чем объясняется взрывчатость озона. Однако никакого взрыва не происходит, если концентрация озона в озоно-воздушной смеси не превышает 10% по весу. Практически приходится иметь дело с весьма низкими концентрациями — от 0,85 до 1,7% по весу. Такие смеси абсолютно безопасны даже при давлении в несколько атмосфер и при любых воздействиях (т. е. нагревании, ударе и др.).
Озон является отравляющим веществом раздражающего действия. Свойственный ему острый запах является лучшим индикатором его присутствия. Для безопасности обслуживающего персонала содержание озона в помещении должно быть не более 0,0001 мг/л. При концентрации озона в воздухе 0,001 мг/л может быть допущено только кратковременное пребывание человека в помещении. Доза озона 0,018 мг/л вызывает удушье.
Поэтому при устройстве озонирующей установки важно обеспечить: 1) сокращение пути движения смеси озона с воздухом от генератора к контактной колонне; 2) газонепроницаемость трубопроводов, подводящих озон.
Кроме того, выпуск воздуха из контактной колонны после сепарации его от озона надо производить через специальную вытяжную трубу с соблюдением условий, которые приведены на схеме (см. рис. 69).
Автоматизация озонирующих установок. Озонирующие установки могут быть оборудованы как полуавтоматическим управлением, так и полной автоматизацией. Единственная ручная операция заключается в чистке электродов, которая производится только один раз в год. Все контрольно-измерительные приборы автоматической системы управления широко известны в практике. Исключение составляют приборы для измерения остаточного озона в обрабатываемой воде и концентрации озона в воздухе. Действие этих приборов основывается либо на электролитическом, либо на фотометрическом принципе.
Действие первого прибора основано на поляризации электродов озоном, содержащимся в контролируемой воде. Действие второго прибора основано на измерении при помощи фотоэлемента световых волн, длина которых отвечает спектральным линиям озона.
§ 40. Расчет озонирующей установки 1
Основные расчетные данные. Расчетный расход озонируемой воды Qcyт=48500 м3/сутки, или Qчac=2020 м3/ч.
1 Выполнен канд. техн. наук И. В. Кожиновым.
219
Дозы озона: максимальная qозмакс=5 г/м3 и средняя годовая qозср=2,6 г/м3.
Максимальный расчетный расход озона

Продолжительность контакта воды с озоном t=6 мин.
Компоновка и расчет блока озонаторов. Принят озонатор трубчатой конструкции производительностью Gоз=5500 г/ч.
Для того чтобы выработать озон в количестве 10,1 кг/ч, озонирующая установка должна быть оборудована 10100:5500=2 рабочими озонаторами. Кроме того, необходим один резервный озонатор такой же производительности (5,5 кг/ч).
Активная мощность разряда озонатора U является функцией напряжения и частоты тока и может быть определена по формуле проф. Ю. В. Филиппова
(124)
где uр — напряжение в разрядном промежутке в в;
ω — круговая частота тока в гц;
Cэ и Cп—электрическая емкость соответственно электродов и разрядного промежутка в ф;
ua — рабочее напряжение, подводимое к озонатору, в в.
Для определенного озонатора при установленных рабочих условиях величины Cэ, Cп и uр имеют постоянные значения независимо от напряжения или частоты тока. Поэтому расход электроэнергии пропорционален частоте тока со и максимальному напряжению тока uа.
Напряжение тока в озонаторе принимается по опытным данным.
Производительность озонатора увеличивается с повышением частоты тока со, но вместе с тем возрастает расход электроэнергии трансформатором и преобразователем частоты.
Значения Cэ и Cп определяются по обычным формулам для расчета емкости плоского конденсатора; их величины весьма невелики и выражаются в микрофарадах.
Для данных условий принимаем: uа=20000 в; ω=50 гц; Cэ=26,1 мкф и Cп=0,4 мкф.
Величина потенциала разряда через разрядный промежуток составляет 2000 в на каждый его линейный миллиметр. Так как в озонаторе принятого трубчатого типа ширина разрядного промежутка составляет 2,5 мм, то потенциал разряда будет uр=2,5∙2000=5000 в.
Тогда активная мощность разряда озонатора по формуле (124)

220
Следует различать активную мощность озонатора U в квт и вольтамперную мощность Uа, выраженную в ква. Отношение U/Ua=ηe называется емкостным коэффициентом мощности.
При значении ηe=0,52 мощность трансформатора будет Ua=U:ηe=62:0,52=120 ква.
Основной деталью рассматриваемого озонатора являются стеклянные диэлектрические трубки, заплавленные с одного конца и имеющие на внутренней поверхности графитовые покрытия. В стальные трубки внутренним диаметром d1=92 мм вставлены стеклянные трубки наружным диаметром d2=87 мм. Концентрический зазор между трубками шириной 2,5 мм служит разрядным промежутком.
Площадь поперечного сечения кольцевого разрядного промежутка

Скорость прохода сухого воздуха через кольцевой разрядный промежуток в целях наибольшей экономии расхода электроэнергии рекомендуется в пределах υв=0,15 — 0,2 м/сек.
Тогда расход сухого воздуха через одну трубку озонатора

Поскольку заданная производительность одного озонатора Goз=5,5 кг/ч, то при коэффициенте весовой концентрации озона Коз=20 г/м3 количество сухого воздуха, необходимого для электросинтеза, составляет

Следовательно, количество стеклянных диэлектрических трубок в одном озонаторе должно быть птр=Qв:qв=275:0,5=550 шт.
Стеклянные трубки длиной по 1,6 м размещены концентрично в 275 стальных трубках, проходящих через весь цилиндрический корпус озонатора с обоих его концов. Тогда длина корпуса озонатора будет l=3,6 м.
Производительность каждой трубки по озону

Энергетический выход озона

Суммарная площадь поперечных сечений 275 трубок d1 = =0,092 м составляет ∑fтр=275∙0,785∙0,0922≈1,83 м2.
Площадь поперечного сечения цилиндрического корпуса озонатора должна быть больше на 35%, т. е. Fк=l,35∑fтр=l,35∙1,83=2,47м2.
Отсюда внутренний диаметр корпуса озонатора будет

221
Необходимо иметь в виду, что 85—90% электроэнергии, потребляемой для производства озона, затрачивается на тепловыделение. В связи с этим надо обеспечить охлаждение электродов озонатора. Расход воды для охлаждения составляет 35 л/ч на одну трубку или суммарно
Qохл=550∙35=19 250 л/ч, или 5,35 л/сек.
Средняя скорость движения охлаждающей воды составит

Температура охлаждающей воды t=10 С.
Для электросинтеза озона нужно подавать 275 м3/ч сухого воздуха на один озонатор принятой производительности. Кроме того, надо учесть расход воздуха на регенерацию адсорберов, составляющий 360 м3/ч для серийно выпускаемой установки АГ-50.
Общий расход охлаждаемого воздуха
Vо.в=2∙275+360=910 м3/ч, или 15,2 м3/мин.
Для подачи воздуха принимаем водокольцевые воздуходувки ВК-12 производительностью 10 м3/мин. Тогда необходимо установить 15,2:10—1,52≈2 рабочие воздуходувки и одну резервную с электродвигателями А-82-6 мощностью 40 квт каждая.
На всасывающем трубопроводе каждой воздуходувки устанавливают висциновый фильтр производительностью до 50 м3/мин, что удовлетворяет расчетным условиям.
Первая ступень осушки воздуха осуществляется при помощи фреонового холодильного агрегата. Атмосферный воздух охлаждается с 26 до 6°С вследствие испарения фреона-12 (при температуре -15°С).
Количество холода, необходимого для охлаждения воздуха,
(125)
где Vо.в — количество охлаждаемого воздуха в м3/ч;
c —теплоемкость воды, равная 0,241 ккал/кг∙град;
Δt —перепад температуры, принимаемый обычно 20°;
Γ — вес 1 м3 воздуха, равный 1,293 кг.
Следовательно, в данном случае
Qо.в = 910∙1,293∙0,241(26-6)≈5670 ккал/ч.
Объем воздуха V в общем виде вычисляют по формуле
(126)
Тогда при рабочих параметрах воздуха, поступающего в теплообменник с t1=26°С и Pраб=2 ат и выходящего из него с t2=6°C и Pраб=2 ат, по формуле (126):

222

Количество влаги в воздухе q в общем виде определяют по формуле
q=aV, (127)
где а— влагосодержание в воздухе при данной температуре
При t1=26°С величина а1=0,02686 кг/м3, а при t2=6°С а2=0,007474 кг/м3. Тогда
q1=0,02686∙514,8≈13,8 кг/ч;
q2=0,007474∙480,2≈3,6 кг/ч.
Количество влаги, выделяющейся в аппарате холодильной установки, qап=q1–q2==13,8–3,6=10,2 кг/ч.
Количество холода, необходимого для охлаждения паров влаги в аппарате, считая от средней температуры tср=(26+6):2=16°С до конечной i2=6°С, составит qо.вл=10,2∙1(16-6)=102 ккал/ч.
Количество холода для конденсации влаги, задержанной в холодильнике: qконд=qапηк=10,2∙595=6069 ккал/ч (где ηк=595 ккал/ч — теплота конденсации водяных паров).
Общее количество холода для всех операций с учетом 15% на потери: Qхол=1,15(Qо.в+qо.вл+qкон)=1,15(5670+102+6069)≈13620 ккал/ч.
Принимаем к установке фреоновые холодильные агрегаты марки АК-ФВ-30/15 холодопроизводительностыо 7000 ккал/ч (при температуре испарения фреона — 15°С) при мощности электродвигателя 4,5 квт и n=480 об/мин.
Количество таких агрегатов должно быть n=13620:7000≈2 шт. Принимаем два рабочих и один резервный агрегат той же марки.
Вторая ступень осушки воздуха — адсорбирующая установка.
После охлаждения и осушки во фреоновом холодильнике воздух поступает на окончательную досушку в адсорберы автоматического действия марки АГ-50.
Количество осушаемого воздуха для двух рабочих озонаторов составляет Qо.в=2∙275=550 м3/ч.
Продолжительность рабочего цикла адсорбции принимаем τ=10ч.
Вес адсорбента рад при равной высоте двух слоев загрузки — алюмогелем и силикагелем — должен быть:

где k — коэффициент для учета материала загрузки адсорбера;
q3 — количество влаги на выходе из адсорбера, при t3= –50°С равное 0,05 г/м3;
s — влагопоглощаемость адсорбента в % к его весу.
223
Тогда вес алюмогеля рал и силикагеля pсил будет:

Суммарный вес загрузки составит pад=420+301=721 кг. При указанном выше насыпном весе адсорбера и при высоте каждого слоя h=400 мм в одну башню АГ-50 можно загрузить: алюмогеля (нижний слой)

силикагеля (верхний слой)

Суммарная загрузка башни pб=267+188=455 кг.
Следовательно, для досушки воздуха нужно иметь установок АГ-50 в количестве n=pад:pб=721:455≈2 шт. (две рабочих и одну резервную).
Расчет контактной камеры для смешения озоно-воздушной смеси с водой. Необходимая площадь поперечного сечения контактной камеры в плане
(128)
где Qчac — расход озонируемой воды в м3/ч;
Т — продолжительность контакта озона с водой; принимается в пределах 5—10 мин;
п — количество контактных камер;
Н — глубина слоя воды в контактной камере в м; принимается обычно 4,5—5 м.
При Qчac=2020 м3/ч, T=0,1 ч, n=2 и H=5 м

Для равномерного распыления озонированного воздуха у дна контактной камеры размещают перфорированные трубы (рис. 72). Принимаем керамические пористые трубы.
Каркасом служит труба из нержавеющей стали (наружный диаметр 57 мм) с отверстиями диаметром 4—6 мм (рис. 73). На нее надевается фильтросная труба — керамический блок длиной l=500 мм, внутренним диаметром 64 мм и наружным 92 мм.
Активная поверхность блока, т. е. площадь всех пор размером по 100 мк на керамической трубе, занимает 25% внутренней поверхности трубы, тогда

224
При вводе озона в контакт с водой способом барботажа количество подаваемого воздуха не находится в жесткой зависимости от количества обрабатываемой воды. Это позволяет регулировать подачу воздуха. Производительность воздуходувок обычно подбирают так, чтобы, включая в действие одну, две или три воздуходувки, можно было изменять отношение объема газовой смеси к объему обрабатываемой воды.
Величины этого отношения а обычно принимают равными 0,27; 0,5 или 1. В данном случае а=Qо.в:Qчac=550:2020≈0,27.
Тогда количество озонированного воздуха, подаваемого по распределительным трубам, составит qоз.в=2020∙0,27≈550 м3/ч, или 9,17 м3/мин, или 0,158 м3/сек.
Рис. 72. Размещение перфорированных труб у дна контактной камеры
1 — коллекторы; 2 — перфорированные трубы
Площадь поперечного сечения магистральной (каркасной) распределительной трубы внутренним диаметром d=49 мм равна: fтp=0,00188 м2=18,8 см2.
Принимаем в каждой контактной (камере по четыре магистральных распределительных трубы, уложенных на взаимных расстояниях (между осями) по 0,9 м. Каждая труба состоит из восьми керамических блоков. При таком размещении труб принимаем размеры контактной камеры в плане 3,7X5,4 м.

Рис. 73. Детали фильтросных труб
1 — каркас-труба из нержавеющей стали; 2 — отверстия d =4 — 6 мм; 3 — фильтросная труба (керамический блок); 4 — прижимное устройство; 5 — приварной фланец; 6 — прокладки; 7 — резьба
225
Расход озонированного воздуха, приходящегося на живое сечение каждой из четырех труб в двух камерах, будет

а скорость движения воздуха в трубопроводе равна
υ=qтp:fтр=0,02:0,00188≈10,7 м/сек
(рекомендуемая скорость 10—15 м/сек).
Суммарная активная площадь пор всех керамических труб, уложенных в одной камере, ∑fп=mfп=4∙8∙0,0251=0,8 м2 (где 4 — количество магистралей; 8 — количество керамических труб).
Расход озонированного воздуха, поступающего в воду через пористую поверхность всех труб одной камеры:

Общее давление, которое должно быть на входе в распределительную систему озоно-воздушной смеси, определяется по формуле Ю. Б. Багоцкого
(129)
где Hгидр — гидростатическое давление в м вод. ст. (равное высоте слоя воды в камере);
γв — плотность воздуха;
(130)
Kω=∑ωo/ω) — конструктивное отношение (рекомендуется принимать равным примерно 0,5);
ωo — площадь одного отверстия на каркасной трубе в м2;
ω — площадь сечения распределительной каркасной грубы в м2;
А — коэффициент, зависящий от условного диаметра пор на керамической трубе d=100 мк и равный
(131)
0,3 — избыточное давление.
В данном примере при диаметре одного отверстия 0,005 м ωo=0,0000196 м2, при 50 отверстиях на 1 пог. м ∑ωo=0,00096 м2, а ω=fтр=0,00188 м2. Следовательно, Kω=0,00096:0,00188≈0,52.
Таким образом,

226
Глава IX
Расчет сооружении для умягчения воды
§ 41. Общие сведения об умягчении воды
Умягчение воды может быть осуществлено следующими основными способами: 1) реагентным; 2) катионитовым; 3) термическим.
Нередко представляется целесообразным комбинировать эти способы, удаляя часть солей жесткости реагентным способом, а остаток их — катионированием, либо применять реагентный способ в комбинации с термическим способом умягчения воды.
Условия наиболее эффективного применения различных способов умягчения воды с краткой характеристикой происходящих процессов приведены в табл. 52*.
Из реагентных способов умягчения наиболее распространен известково-содовый способ. Сущность его состоит в переводе растворенных в воде солей Са2+ и Mg2+ в малорастворимые СаСОз и Mg(OH)2, выпадающие в осадок.
После введения Са(ОН)2 в воду находящаяся в ней растворенная СО2 связывается в карбонат-ион СО32–, который соединяется с растворенным в воде Са2+:

При вводе извести в количестве, большем, чем необходимо для: перевода бикарбонат-ионов в карбонат-ион

происходит ускорение гидролиза магнезиальных солеи; при этом Mg2+ связывается в гидроокись магния:

* Подготовка воды для котельных установок здесь не рассматривается. Умягчение воды для хозяйственно-питьевых нужд применяется, когда жесткость воды более 7 мг∙экв/л (ГОСТ 2874—54).
227
Tаблица 52
Краткая характеристика различных способов умягчения воды и условия их применения
Способы умягчения воды Характер процесса умягчения Назначение способа умягчения Условия эффективного применения способа умягчения воды


мутность исходной воды в мг/л общая жесткость исходной воды в мг∙экв/л предел возможного снижения жесткости в мг∙экв/л температура исходной воды в °С 1 2 3 4 5 6 7 Реагентный (известково-содовый) В воду вводятся реагенты: известь — для устранения карбонатной и магнезиальной жесткости; сода—для устранения некарбонатной жесткости Для неглубокого умягчения при необходимости одновременного осветления мутных вод поверхностных источников До 400—500 5—35 1) Без подогрева воды 0,5—1;
2) с подогревом воды 0,2—0,4 мг Желательно не менее 10—20 То же, 80—90 Катионитовый
Na-катиони-рование одноступенчатое Умягчаемая вода пропускается через Na-катионитовые фильтры Для глубокого умягчения воды с незначительным содержанием взвешенных веществ и цветностью не более 30° Не более 5-8 До 15 0,03-0,05 При загрузке фильтров сульфоуглем: 30—40 для слабощелочной воды и 60 для нейтральной и слабокислой воды Na-катиони-рование двухступенчатое Умягчаемая вода пропускается сначала через Na-катионитовые фильтры I ступени, где жесткость снижается на 70—75%, а затем через Na-катионитовые фильтры II ступени Для весьма глубокого умягчения воды с незначительным содержанием взвешенных веществ и цветностью не более 30° 5—8 От 8—10
до 14 До 0,01 То же 229
Продолжение табл. 52
Способы умягчения воды Характер процесса умягчения Назначение способа умягчения Условия эффективного применения способа умягчения воды


мутность исходной воды в мг/л общая жесткость исходной воды в мг∙экв/л предел возможного снижения жесткости в мг∙экв/л температура исходной воды в °С 1 2 3 4 5 6 7 Н—Na-катионирование Умягчаемая вода пропускается через Н-и Na - катионитовые фильтры, а затем оба потока смешиваются См. табл. 53 5-8 До 14 См. табл. 53 При загрузке фильтров сульфоуглем 30—40 Термический Вода нагревается выше 100°С, что устраняет всю карбонатную и часть некарбонатной жесткости в воде в виде гипса CaSO4 Для умягчения воды, содержащей преимущественнно карбонатную жесткость, для питания котлов низкого и среднего давления Не более 50 Карбонатная жесткость с преобладанием солей Са(НСО3)2 Карбонатной жесткости до 0,035 мг∙экв/л, гипса до 1200 мг/л 105—120



Некарбонатная жесткость только в виде гипса То же, гипса до 40—50 мг/л 200—270 Для выделения солей некарбонатной жесткости, например MgSO4, применяют кальцинированную соду Na2СО3, которая вводится в воду вместе с известью. Ход реакций следующий:

Если надо выделить CaSO4, то нужно ввести карбонат-ион в виде соды:

Скорость реакции с образованием осадков СаСO3 и Mg(OH)2 увеличивается при повышении температуры воды и при введении в нее избытка реагентов.
Катионитовый способ умягчения воды заключается в фильтровании жесткой воды через мелкозернистую загрузку некоторых веществ (сульфоуголь, искусственные смолы). Эти вещества обладают способностью обменивать катионы содержащегося в них натрия Na+ или водорода Н+ на катионы кальция Са2+ или магния Mg2+ солей жесткости, растворенных в воде. Таким образом, различают процесс Na-катионирования и Н-катионирования.
Когда обменная способность катионитового фильтра исчерпана, производят регенерацию катионитовой загрузки. Na-катионитовые фильтры регенерируются раствором поваренной соли NaCl, а Н-катионитовые — растворами серной H2SO4 или соляной HCl кислот.
Вода после Na-катионитовых фильтров обычно имеет повышенную щелочность (рН>7), а после Н-катионитовых — повышенную кислотность (рН<7). В первом случае можно дополнительно подкислить воду, во втором — применить подщелачивание. В настоящее «время для этой цели, т. е. для достижения оптимальной щелочности умягченной воды, применяют Н — Na-катионирование, которое заключается в фильтровании воды как через Н-катиониты, так и через Na-катиониты. При этом возможно применение одной из трех схем Н — Na-катионирования, которые следует .выбирать согласно данным табл. 53.
Обменная способность катионита выражается в г∙экв/м3, т. е. в грамм-эквивалентах задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в разбухшем состоянии (после пребывания в воде). Различают полную и рабочую обменную способность катионита.
Рабочая обменная способность — это количество г∙экв Са2+ и Mg2+, которое задерживает 1 м3 катионита до момента проскока в фильтрат некоторой жесткости.
Обменная способность, отнесенная ко всему объему катионитовой загрузки фильтра, называется емкостью поглощения данного катионитового фильтра и выражается также в г∙экв/м3.
Обменная способность и другие технологические характеристики катионитов указаны в табл. 54.
230
Таблица 53
Условия применения схем Н—Na-катионирования
231
Схемы H—Naкатиоиирования Технологический процесс Условия наиболее эффективного применения схем

Жк:Жо при определенном значении Жн* остаточная щелочность умягченной воды остаточная жесткость умягченной воды содержание в исходной воде в мг экв/л

в мг∙экв/л SO42– + Cl– Na+ 1 2 3 4 5 6 7 Параллельное Часть воды пропускается через Na-катионитовый фильтр, другая часть — через Н-катионитовый, после чего оба фильтрата (щелочный и кислый) смешиваются и происходит их взаимная нейтрализация. Затем вся вода поступает в дегазатор для удаления свободной углекислоты ≥0,5 при Жн<3,5 мг∙экв/л 0,3—0,4 0,03 ≤3—4 Не более 1—2 Последовательное Часть исходной воды проходит через Н-катионитовый фильтр, смешивается с остальной для нейтрализации кислотности фильтрата и пропускается через дегазатор для удаления свободной углекислоты. Затем вся вода пропускается через Na-катионитовый фильтр ≤0,5 при Жн>3,5 0,3—0,7 Жо снижается на величину, равную Жк. Величина Жк остается неизменной 3—4 Совместное Вся вода пропускается через катионитовый фильтр, отгенерированный так, что верхние слои катионита содержат обменные катионы водорода, а нижние—катионы натрия >1 при Жо < 6 мг∙экв/л 1—1,8 0,1—0,3 ≤2—3 Не более 1 * Ж к — карбонатная жесткость; Жо — общая жесткость; Жн — некарбонатная жесткость в мг∙экв/л. Таблица 54
Технологические характеристики некоторых катионитов
232
Название катионита Сырье, применяемое для изготовления Насыпной вес в т/м3 Коэффициент набухания Размер зерен в мм Полная обменная способность в г∙экв/м3 Допустимая температура умягчаемой воды t в °С

воздушно-сухого набухшего



Сульфоуголь: Каменный уголь, серная кислота При слабощелочной воде до 30—40, при нейтральной и слабокислой воде до 60 крупный I сорта
0,65—0,7 0,55 1,2—1,25 0,3—1,5 550
» II »
0,65—0,7 0,55 1,2—1,25 0,3—1,5 500
мелкий I »
0,65—0,7 0,55 1,2—1,25 0,3—1,5 500
КУ-1 сильнокислотный Формальдегид, п-фенолсульфокислота 0,74 0,44 1,6 0,3—2 600—500 Стоек в кислой среде, нестоек в сильнощелочной среде КУ-2-8 сильнокислотный Стир