Химическая подготовка воды

Химическая подготовка воды

Химическая подготовка воды — одно из важнейших условий бесперебойной работы котла. Она позволяет избежать преждевременного износа оборудования и уменьшает расходы на его эксплуатацию.

В грамотной химводоподготовке нуждаются и паровые, и водогрейные котлы. В первую очередь химически подготовленная вода важна для паровых котлов, в которые, даже если сделан возврат конденсата, поступает много воды извне, взамен использованной на пар.

Кроме того, в паровой котельной необходимо наличие собственной химлаборатории (если котельная большая), или специалиста-химика в штате, который должен регулярно следить за качеством котловой воды, вести журнал по водно-химическому режиму, проводить профилактические мероприятия.

В некоторых случаях и водогрейным котлам также требуется химическая подготовка воды.

Как правило, оборудование для  химической подготовки воды покупается отдельно: оно подбирается индивидуально, в зависимости от рабочих нагрузок и состояния воды, определённого по результатам анализов.

Благодаря универсальным  свойствам вода находит в народном хозяйстве разнообразное применение как сырье, в качестве химического  реагента, как растворитель, тепло- и хладоноситель. Например, из воды получают водород различными способами, водяной пар в тепловой и атомной энергетике; вода служит реагентом в производстве минеральных кислот, щелочей и оснований, в производстве органических продуктов — спиртов, уксусного альдегида, фенола и других многочисленных реакциях гидратации и гидролиза. Воду широко применяют в промышленности как дешевый, доступный, неогнеопасный растворитель твердых, жидких и газообразных веществ (очистка газов, получение растворов и т.п.). Исключительно большую роль играет вода ,в текстильном производстве: при получении различных волокон - натуральных,- искусственных и синтетических, в процессах отделки и крашения пряжи, суровых тканей и др.

Как теплоноситель вода используется в различных системах теплообмена — в экзотермических  и эндотермических процессах. Теплота  фазового перехода Ж — Г воды значительно выше, чем для других веществ, вследствие чего конденсирующийся водяной пар является самым распространенным теплоносителем. Водяной пар и горячая вода имеют значительные преимущества перед другими теплоносителями — высокую теплоемкость, простоту регулирования температуры в зависимости от давления, высокую термическую стойкость и пр., вследствие чего являются уникальными теплоносителями при высоких температурах. Воду используют также как хладагент для отвода теплоты в экзотермических реакциях, для охлаждения атомных реакторов. В целях экономии расхода воды применяют так называемую оборотную воду, т.е. использованную и возвращенную в производственный цикл.

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.

Отстаивание воды проводят в непрерывно действующих отстойных бетонированных резервуарах. Для достижения полного осветления и обесцвечивания декантируемую из отстойников воду подвергают коагуляции. Коагуляция — высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности выделения из воды коллоидно-дисперсных частиц глины, кварцевого песка, карбонатных и других пород, а также веществ органического происхождения, например белков. Суть процесса коагуляции сводится к введению в обрабатываемую воду коагулянтов, обычно различных электролитов. Ион-коагулянт, имеющий заряд, противоположный заряду коллоидной частицы, адсорбируется на поверхности. При этом нейтрализуется заряд частицы и сжимаются сольватные (гид-ратные) оболочки вокруг коллоидных частиц, которые могут объединяться друг с другом и седиментировать.

Часто, особенно когда в  воде находятся не коллоидно-дисперсные вещества, а тонкодисперсные взвеси (т. е. более грубые по размерам частицы), которые, как правило, имеют очень  слабый заряд, для водоподготовки используют процесс флокуляции. Вещества, вызывающие флокуляцию, называют флокулянтами. Флокулянты представляют собой растворимые в воде высокомолекулярные соединения (карбоксиметилцеллюлоза - КМЦ, полиакриламид - ПАА; полиоксиэтилен - ПОЭ; крахмал и др.). Они образуют мостиковые соединения между отдельными частицами дисперсной фазы, после чего эти тяжелые агрегаты седйментируют. Флокуляция происходит обычно очень быстро, а расход флокулянтов весьма незначительный; это делает рентабельным использование такого процесса, несмотря на достаточно высокую стоимость флокулянтов. Образующийся при коагуляции или флокуляции осадок удаляется из воды отстаиванием или фильтрованием.

Фильтрование - наиболее универсальный метод разделения неоднородных систем. В технике фильтрования наибольшее значение имеет развитая поверхность фильтрующего материала.

Умягчение и обессоливание  воды состоит в удалении солей кальция, магния и других металлов. В промышленности применяют различные методы умягчения, сущность которых заключается в связывании ионов Са²⁺ и Mg²⁺ реагентами в нерастворимые и легко удаляемые соединения. По применяемым реагентам различают способы: известковый (гашеная известь), содовый (кальцинированная сода), натронный (гидроксид натрия) и фосфатный (тринатрийфосфат). Наиболее экономично применение комбинированного способа умягчения, обеспечивающего устранение временной и постоянной жесткости, а также связывание СО₂, удаление ионов железа, коагулирование органических и других примесей. Одним из таких способов является известково-содовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывается на следующих реакциях:

1. Обработка гашеной известью для устранения временной жесткости, удаления ионов железа и связывания СО₂:

Са(НСОз)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + 2Н₂О

Mg(НСО₃)₂ + 2Са(ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + Mg (ОН)₂¯ + 2Н₂О

FeSO₄ + Са (ОН)₂ = Fe (OH)₂¯ + CaSO₄¯

4Fe (OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe (ОН)₃¯

СО₂ + Са (ОН)₂ = СаСО₃¯ + Н₂О

2. Обработка кальцинированной содой для устранения постоянной жесткости:

 

MgSO₄ MgСО₃¯ + Na₂SO₄

MgCl₂ + Na₂CO₃ MgСО₃¯ + NaCl

CaSO₄ СаСО₃¯ + Na₂SO₄

3. Обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са²⁺ и Mg²⁺:

ЗСа (НСО₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Са₃ (РО₄)₂¯ + 6NaHCO₃

3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃ (РО₄)¯ + 6NaCl

Растворимость фосфатов кальция  и магния ничтожно мала; это обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

Значительный экономический  эффект дает сочетание химического  метода умягчения с физико-химическим, т.е. ионообменным способом. Сущность ионообменного  способа умягчения состоит в  удалении из воды ионов кальция и  магния при помощи, ионитов, способных  обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в воде. Различают процессы катионного и анионного обмена; соответственно иониты называют катионитами и анионитами.

В основе катионного процесса умягчения лежит реакция обмена ионов натрия и водорода катионитов на ионы Са²⁺ и Mg²⁺. Обмен ионов натрия называется Na-катионированием, а ионов водорода— Н-катионированием:

Na₂ [Кат] + Са (НСО₃)₂ « Са [Кат] + 2NaHCO₃

Na₂ [Кат] + MgSO₄ « Mg [Кат] + Na₂SO₄

H₂ [Кат] + MgCI₂ « Mg [Кат] + 2HCI

Н [Кат] + NaCl « Na [Кат] + НС1

Приведенные реакции показывают, что ионообменный способ может обеспечить как умягчение воды, так и обессоливание, т. е. полное удаление солей из воды.

Реакции ионообмена обратимы, и для восстановления обменной способности ионитов проводят процесс регенерации. Регенерацию Na-катионитов осуществляют при помощи растворов поваренной соли, а Н-катионитов - введением растворов минеральных кислот. Уравнения регенерации катионитов:

Са [Кат] + 2NаС1 « Na₂ [Кат] + СаС1₂

Na [Кат] + НС1 « Н [Кат] + NaCl

Примером анионного обмена может служить реакция обмена анионов ОН^- по уравнению

[Ан] ОН + HCl « [Ан] Cl + Н₂О

Регенерацию анионита проводят при помощи растворов щелочей:

[ Ан] Cl + NaOH « [Ан] ОН + NaCl

Значительный экономический  эффект дает современный способ обессоливания  воды, в основе которого лежит последовательное проведение процессов Н-катионирования и ОН-анионирования. Образующиеся в результате этих процессов ионы Н⁺ и ОН^- взаимодействуют друг с другом с образованием молекул воды.

Повышение технико-экономического эффекта водоподготовки связано  с применением комбинирования нескольких технологических процессов, например коагуляции, умягчения и осветления с помощью современных методов ионного обмена, сорбции, электрокоагуляции и др.

Для современной промышленной водоподготовки значительный интерес  представляет возможность применения электрохимических методов, в частности электрокоагуляции. Электрокоагуляция - способ очистки воды в электролизерах с растворимыми электродами - основана на электрохимическом получении гидроксида алюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям. Перенос электричества при внесении электродов в воду и пропускании тока осуществляют в основном ионы, находящиеся в природной воде (Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, С1^-, НСО₃^-, SO₄^2- и др.).

На растворимом алюминиевом  аноде происходят два процесса - анодное и химическое (не связанное  с протеканием электрического тока) растворение алюминия с последующим  образованием А1 (ОН) ₃:

Al - 3e ® Al³⁺

Аl³⁺ +ЗОН^- ® А1(ОН)₃

На катоде происходит выделение  пузырьков газа - водорода (водородная поляризация), поднимающих частицы веществ на поверхность воды.

К достоинствам метода электрокоагуляции  относятся: высокая сорбционная  способность электрохимического А1(ОН)₃, возможность механизации и автоматизации процесса, малые габариты очистных сооружений.

Для очистки главным образом  кислых оборотных вод применяется  нейтрализация — обработка воды оксидом или гидроксидом кальция.

Важной частью водоподготовки является удаление из воды растворенных агрессивных газов (СО₂, О₂) с целью уменьшения коррозии. Удаление газов осуществляют методом десорбции (термической деаэрации) путем нагревания паром. Термическую деаэрацию проводят в аппаратах, называемых деаэраторами (вакуумные, атмосферные, повышенного давления).

Воду, используемую для бытовых  нужд, обязательно подвергают обеззараживанию - уничтожению болезнетворных бактерий и окислению органических примесей, в основном хлорированием при помощи газообразного хлора, а также хлорной извести и гипохлорита кальция.

 

2. Гомогенные  некаталитические процессы, протекающие  в жидкой и газовой фазах.  Их закономерности и способы  интенсификации

 

Гомогенными называют химические процессы, протекающие в однородной среде, т.е. в жидких или газообразных смесях, не имеющих поверхностей раздела, отделяющих части систем друг от друга. Гетерогенными называют химико-технологические процессы, в которых реагенты находятся в разных фазах. Поскольку чисто гомогенную среду, не содержащую примесей и включений другой фазы, получить трудно, то лишь условно относят к гомогенным те промышленные химические процессы, которые протекают в газовой или жидкой фазе. По размеру частиц, составляющих систему, границей между гомогенными и гетерогенными системами считают коллоиды и тонкие аэрозоли с величиной частиц более 0,1 мкм, называемые микрогетерогенными системами.

Большинство промышленных химико-технологических  процессов относится к гетерогенным, но гетерогенные процессы часто включают в качестве одной из стадий гомогенный химический процесс в газовой или жидкой фазе. В гомогенных средах, особенно в жидкой фазе, химические реакции происходят быстрее, чем в гетерогенных, аппаратурное оформление гомогенных процессов проще и управление ими легче. Поэтому в промышленности широко используют прием гомогенизации системы для проведения химического процесса в однородной среде; чаще всего применяют поглощение газов жидкостью или конденсацию паров, растворение или плавление твердых веществ для получения жидкой реакционной среды.

Гомогенные процессы в  газовой фазе особенно характерны для  органической технологии и в ряде случаев реализуются испарением органических веществ с последующей обработкой паров газообразными реагентами - хлором, кислородом, диоксидом серы, оксидами азота; соответственно происходят химические реакции хлорирования, окисления, сульфирования, нитрования и т.д. Часто применяют парофазный пиролиз, т.е. нагревание паров органических веществ без доступа воздуха с целью получения новых продуктов; при пиролизе происходит расщепление сложных молекул с образованием свободных радикалов, предельных и непредельных углеводородов, которые вступают в реакции полимеризации, конденсации, изомеризации и др. Пиролиз жидких и газообразных веществ называется также крекингом. Примером промышленных газофазных процессов может служить термическое и фотохимическое хлорирование углеводородов для получения органических растворителей, ядохимикатов и других продуктов органического синтеза.

Парофазный пиролиз углеводородов - метана (природного газа), нефтепродуктов, каменноугольной смолы - происходит по радикально-цепному механизму. Сперва молекулы расщепляются, образуя свободные радикалы, которые затем продолжают цепь, заимствуя атомы водорода и образуя новые радикалы. Заданный состав продуктов реакции можно получить, изменяя температуру время пребывания продуктов расщепления в реакционной зоне.