Politechnika Świętokrzyska semestr 6 Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska studia dzienne IŚ

Katedra Technologii Wody i Ścieków

Projekt nr 1 z przedmiotu

„Gospodarka wodno - ściekowa 1”

Łukasz Cegielski
gr. 301 L_01a

rok akademicki 2005/2006

DANE WYJŚCIOWE:

• dopływ wody na jonity
  

• twardość węglanowa
  

• twardość niewęglanowa
  

• sód
  

• potas
  

• temperatura
  

• kationit słabo kwaśny pracujący w cyklu wodorowym regenerowany będzie za pomocą HCl

Opis techniczny.

Celem projektu jest projekt stacji zmiękczania wody metodą wymiany jonowej. Proces odbywa się przy udziale kolumn wypełnionych jonitem. Zastosowano system kationit słabo kwaśny - kationit silnie kwaśny.

Podczas przepuszczania wody przez kationit słabo kwaśny usuwana jest twardość węglanowa. Produkcja wymagana dla złóż wynosi
przy przyjętym 24-godzinnym czasie między regeneracjami. Objętość potrzebnego jonitu wynosi 1.77 m³. Dobrano 2 kolumny 1300 + 1 zapasową , o objętości 0,9 m³, średnicy D = 1,067 m i wysokości H = 1,981 m. Wypełnienie 1 kolumny wynosi 0,885 m³, co daje wysokość jonitu h_j=0.99 m. Podczas pracy kolumn uzyskuje się 15.37 m³/m³∙h zmiękczonej wody.

Po przebiciu złoża kolumny wyłącza się ją, a następnie poddaje następującym procesom:

- płukanie wsteczne - ma na celu usunięcie cząstek mechanicznych ze złoża oraz jego spulchnienie. Jest to przepłukiwanie złoża wodą wodociągową w kierunku z dołu do góry. Podczas tego procesu następuje podnoszenie się wysokości jonitu o wartość ekspansji. Zależy od temperatury wody i prędkości płukania wstecznego. Wynosi ona 40 %, co powoduje podniesienie się poziomu złoża o 0,396 m.

- regeneracja - ma na celu przywrócenie zdolności jonowymiennej kationitu, odbywa się przy użyciu kwasu solnego w postaci roztworu przygotowywanego z produktu technicznego. Produktem technicznym jest 33% - owy roztwór kwasu solnego, a złoża będą regenerowane 3% - owym roztworem kwasu solnego. Dobowe zapotrzebowanie na produkt techniczny wynosi 0,37 m³. Każda kolumna będzie regenerowana 1 raz na dobę, zatem roztwór kwasu solnego będzie przygotowywany 2 razy w ciągu doby. Dobowe zapotrzebowanie na roboczy roztwór kwasu wynosi 4.65 m³. Produkt techniczny będzie magazynowany w zbiorniku kwasoodpornym, a roztwór regeneracyjny będzie przygotowywany w mieszalniku (produkt techniczny + woda).

- płukanie końcowe - ma na celu usunięcie pozostałego czynnika regeneracyjnego. Przeprowadza się je przy użyciu wody wodociągowej z zastosowaniem najpierw płukania wolnego, a następnie szybkiego.

Po przeprowadzeniu wyżej przedstawionych procesów przywrócona jest pierwotna zdolność jonowymienna złoża i kationit może nadal pracować.

Podczas przepuszczania wody przez kationit silnie kwaśny usuwane są twardość niewęglanowa i jony potasu K⁺. Produkcja wymagana dla złóż wynosi
przy przyjętym 24-godzinnym czasie między regeneracjami. Objętość potrzebnego jonitu wynosi 1,409 m³. Dobrano 2 kolumny 1300 + 1 zapasową , o objętości 0,9 m³, średnicy D = 1,067 m i wysokości H = 1,981 m. Wypełnienie 1 kolumny wynosi 0,705 m³, co daje wysokość jonitu h_j=0.789 m. Podczas pracy kolumn uzyskuje się 18,75 m³/m³∙h zmiękczonej wody.

W celu odświeżenia złóż stosuje się takie same procesy jak przy kationicie słabo kwaśnym:

- płukanie wsteczne - podnoszenie się wysokości jonitu o wartość ekspansji, która wynosi 39%, co powoduje podniesienie się poziomu złoża o 0,31 m.

- regeneracja - odbywa się przy użyciu chlorku sodu w postaci roztworu przygotowywanego z produktu technicznego. Produktem technicznym jest granulowany chlorek sodu o stężeniu 98%, a złoża będą regenerowane 14% - owym roztworem chlorku sodu. Dobowe zapotrzebowanie na produkt techniczny wynosi 230.09 kg. Każda kolumna będzie regenerowana 1 raz na dobę, zatem roztwór chlorku sodu będzie przygotowywany 2 razy w ciągu doby. Dobowe zapotrzebowanie na roboczy roztwór chlorku sodu wynosi 1,463 m³. Produkt techniczny będzie magazynowany w zbiorniku , a roztwór regeneracyjny będzie przygotowywany w mieszalniku (produkt techniczny + woda).

- płukanie końcowe - podobnie jak przy kationicie słabo kwaśnym stosuje się najpierw płukanie wolne, a następnie szybkie.

Po przeprowadzeniu wyżej przedstawionych procesów przywrócona jest pierwotna zdolność jonowymienna złoża i kationit może nadal pracować.

Stacja zmiękczania wykorzystuje na swoje potrzeby wodę wodociągowa w ilości 39.55 m³ w ciągu doby. Ta ilość wody stanowi 6,06 % wody dopływającej na jonity w ciągu doby. Jest to woda wykorzystywana do płukania wstecznego, przygotowania reagentów (czynniki regeneracyjne - roztwory kwasu solnego i chlorku sodu) oraz do płukania końcowego.

Kationit słabo kwaśny.

Obliczenia przybliżone, dobór jonitu.

1. Produkcja wymagana P_w

gdzie:

- natężenie przepływu wody;

t = 24 h - czas trwania cyklu; czas trwania złoża między regeneracjami;

2. Wielkość wymiany W_w

gdzie:

P_w = 653 m³ - produkcja wymagana;

- twardość węglanowa;

3. Objętość jonitu V_j

gdzie:

W_w = 3722,1 val - wielkość wymiany;

Z_r - robocza zdolność jonowymienna; liczona wg wzoru:

gdzie:

0,9 - współczynnik bezpieczeństwa;

C_b = 3,3 val/l - wartość podstawowa zdolności jonowymiennej

(twardość całkowita = twardość węglanowa + twardość niewęglanowa;

zasadowość całkowita = twardość węglanowa) - wartość odczytana z rys.1

C₁ = 0,92 - współczynnik korekcyjny jako funkcja temperatury - wartość

odczytana z rys.2

C₂ = 0,77 - współczynnik korekcyjny jako funkcja obciążenia jonitu (przyjęto
) -wartość odczytana z rys.3

Dobrano n = 2 kolumny 1300 + 1 zapasowa:

D = 1,067 m ; H = 1,981 m

- wypełnienie 1 kolumny

- pole przekroju 1 kolumny

- wysokość wypelnienia w 1 kolumnie

Obliczenia sprawdzające.

1. Użyteczna praca jonitu
   

gdzie:

- natężenie przepływu wody;

- objętość jonitu;

2. Płukanie wsteczne

» prędkość płukania

gdzie:

Q_w - natężenie wody; liczona wg wzoru:

gdzie:

- objętość wody zużyta do płukania; przyjęto

t = 5
20 minut - czas płukania ; przyjęto t = 15 minut

- powierzchnia przekroju 1 kolumny;

n = 2 - ilość kolumn;

Dla
i
odczytano z rys.5 ekspansję złoża przy płukaniu wstecznym E = 40 %.

» wysokość kolumny H

gdzie:

h₁ = 0,99 m - wysokość 1 kolumny;

E = 40% = 0,40 - ekspansja złoża przy płukaniu wstecznym;

h₃ = 0,3 m
0,5 m - wysokość bezpieczeństwa; przyjęto h₃ = 0,4 m ;

H = 1,981 m - wysokość kolumny z katalogu;

3. Regeneracja kolumny.

Złoża regenerowane będą roztworem kwasu solnego HCl (3 - 4%).

» zapotrzebowanie na techniczny kwas solny V_HCl

gdzie:

M = 70
90
- dawka produktu technicznego; przyjęto M = 80
;

- objętość jonitu;

C_tech.= 33% = 0,33 - stężenie kwasu dostępnego w sprzedaży;

ρ = 1167,5
- gęstość kwasu solnego o stężeniu 33%

- zapas kwasu solnego na 15 dni.

» zapotrzebowanie na roboczy roztwór kwasu solnego do regeneracji V_{r HCl}

gdzie:

M = 70
90
- dawka produktu technicznego; przyjęto M = 80
;

- objętość jonitu;

C_r = 3 % = 0,03 - stężenie kwasu dostępnego w sprzedaży;

ρ_r = 1014,3
- gęstość kwasu solnego o stężeniu 3%

Roztwór ma być przygotowywany 2 razy na dobę ( po 1 raz dla każdej z kolumn).

» zapotrzebowanie na wodę w celu przygotowania roztworu kwasu solnego V_w

gdzie:

V_{r HCl} = 4,65 m³ - zapotrzebowanie na roboczy roztwór kwasu solnego;

V_HCl = 0,37 m³ - zapotrzebowanie na techniczny kwas solny;

» obciążenie złoża podczas regeneracji

gdzie:

Q_HCl - natężenie kwasu solnego; liczona wg wzoru:

gdzie:

- zapotrzebowanie na roboczy roztwór kwasu solnego;

t = 20
40 minut - czas płukania ; przyjęto t = 40 minut;

V_j = 1,77 m³ - objętość jonitu;

4. Płukanie końcowe

» płukanie wolne

gdzie:

Q_w - natężenie wody; liczona wg wzoru:

gdzie:

- objętość wody zużyta do płukania; przyjęto

t = 20
40 minut - czas płukania ; przyjęto t = 40 minut;

V_j = 1,77 m³ - objętość jonitu;

» płukanie szybkie

gdzie:

Q_w - natężenie wody; liczona wg wzoru:

gdzie:

- objętość wody zużyta do płukania; przyjęto

t = 10
30 minut - czas płukania ; przyjęto t = 10 minut;

V_j = 1,77 m³ - objętość jonitu;

Kationit silnie kwaśny.

Obliczenia przybliżone, dobór jonitu.

1. Produkcja wymagana P_w

gdzie:

- natężenie przepływu wody;

t = 24 h - czas trwania cyklu; czas trwania złoża między regeneracjami;

2. Wielkość wymiany W_w

gdzie:

P_w = 653 m³ - produkcja wymagana;

- twardość niewęglanowa;

3. Objętość jonitu V_j

gdzie:

W_w = 1817.95 val - wielkość wymiany;

Z_r - robocza zdolność jonowymienna; liczona wg wzoru:

gdzie:

0,9 - współczynnik bezpieczeństwa;

C_b = 1,45 val/l - wartość podstawowa zdolności jonowymiennej (zależy od dawki regeneranta; dozwolona dawka regeneranta NaCl wynosi 60
; przyjęto
) - wartość odczytana z rys.3

C₁ - współczynnik korekcyjny jako funkcja substancji rozpuszczonych i obciążenia złoża (CZSR); wartość CZSR jest liczona następująco:

gdzie:

- twardość niewęglanowa;

C₁ = 0,99 (przyjęto
) -wartość odczytana z rys.4

Dobrano n = 2 kolumny 1300 + 1 zapasowa:

D = 1,067 m ; H = 1,981 m

- wypełnienie 1 kolumny

- pole przekroju 1 kolumny

- wysokość 1 kolumny

Obliczenia sprawdzające.

1) Użyteczna praca jonitu

gdzie:

- natężenie przepływu wody;

- objętość jonitu;

2. Płukanie wsteczne

» prędkość płukania

gdzie:

Q_w - natężenie wody; liczone wg wzoru:

gdzie:

- objętość wody zużyta do płukania; przyjęto

t = 5
20 minut - czas płukania ; przyjęto t = 15 minut;

- powierzchnia przekroju 1 kolumny;

n = 2 - ilość kolumn;

Dla
i
odczytano z rys.2 ekspansję złoża przy płukaniu wstecznym

E = 39 %.

» wysokość kolumny H

gdzie:

h₁ = 0.789 m - wysokość 1 kolumny;

E = 39 % = 0,39 - ekspansja złoża przy płukaniu wstecznym;

h₃ = 0,3 m
0,5 m - wysokość bezpieczeństwa; przyjęto h₃ = 0,4 m

H = 1,981 m - wysokość kolumny z katalogu;

3. Regeneracja kolumny.

Złoża regenerowane będą roztworem chlorku sodu NaCl przygotowanym z produktu technicznego.

» zapotrzebowanie na roboczy roztwór chlorku sodu NaCl do regeneracji V_{r NaCl}

gdzie:

M = 160
- dawka produktu technicznego;

- objętość jonitu;

C_r = 14 % = 0,14 - przyjęte stężenie chlorku sodu;

ρ_r = 1100,9
- gęstość chlorku sodu o stężeniu 14 %;

Roztwór ma być przygotowywany 2 razy na dobę ( po 1 raz dla każdej z kolumn).

» zapotrzebowanie na techniczny chlorek sodu V_NaCl

gdzie:

V_{r NaCl} = 1,463 m³ - zapotrzebowanie na roboczy roztwór NaCl;

C_r = 14 % = 0,14 - przyjęte stężenie chlorku sodu;

ρ_r = 1100,9
- gęstość chlorku sodu o stężeniu 14 %;

C_tech.= 98 % = 0,98 - stężenie produktu technicznego;

- zapas chlorku sodu na 15 dni.

» zapotrzebowanie na wodę w celu przygotowania roztworu chlorku sodu V_w

gdzie:

M_{r NaCl} - zapotrzebowanie na roboczy roztwór chlorku sodu; liczony wg wzoru:

gdzie:

V_{r NaCl} = 1,463 m³ - zapotrzebowanie na roboczy roztwór NaCl;

ρ_r = 1100,9
- gęstość chlorku sodu o stężeniu 14 %;

M_{tech NaCl} = 230.09 kg - zapotrzebowanie na techniczny chlorek sodu;

ρ_w = 999,244
- gęstość wody o temperaturze T = 14°C;

» obciążenie złoża podczas regeneracji

gdzie:

Q_NaCl - natężenie chlorku sodu; liczona wg wzoru:

gdzie:

- zapotrzebowanie na roboczy roztwór chlorku sodu;

t = 20
40 minut - czas płukania ; przyjęto t = 20 minut;

V_j = 1,409 m³ - objętość jonitu;

4. Płukanie końcowe

» płukanie wolne

gdzie:

Q_w - natężenie wody; liczona wg wzoru:

gdzie:

- objętość wody zużyta do płukania; przyjęto

t = 30 minut = 0,5h - czas płukania ;

V_j = 1,409 m³ - objętość jonitu;

» płukanie szybkie

gdzie:

Q_w - natężenie wody; liczona wg wzoru:

gdzie:

- objętość wody zużyta do płukania; przyjęto

t = 30 minut = 0,5 h - czas płukania;

V_j = 1,409 m³ - objętość jonitu;

Ilość wody na potrzeby własne stacji zmiękczania.

• kationit słabo kwaśny

- płukanie wsteczne V_w = 3.54 m³

- przygotowanie reagentów V_w = 4.28 m³

- płukanie końcowe

› wolne V_w = 3.54 m³

› szybkie V_w = 7.08 m³

• kationit silnie kwaśny

- płukanie wsteczne V_w = 2.818 m³

- przygotowanie reagentów V_w = 1.382 m³

- płukanie końcowe

› wolne V_w = 2.818 m³

› szybkie V_w = 14.09 m³

» procent, jaki stanowi woda na potrzeby własne stacji zmiękczania do wody dopływającej na jonity

---