Водоподготовка

Благодаря универсальным свойствам вода широко применяется в химической промышленности в качестве сырья, химического реагента, растворителя, теплоносителя, хладоагента.

Качество воды определяется ее физико-химическими характеристиками, основными из которых являются прозрачность, цвет, запах, температура, солесодержание, жесткость, окисляемость, рН и др. В зависимости от назначения воды к ней предъявляются определенные требования по содержанию примесей, которые регламентируются нормативно-технической документацией (ГОСТ, ТУ). Для большинства производств основным качественным показателем служит жесткость, обусловленная содержанием в воде солей кальция и магния. Она выражается в ммоль × экв ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в 1 л воды. Различают три вида жесткости: временную (карбонатную, либо устранимую), постоянную (неустранимую) и общую (сумму временной и постоянной).

Для производственных целей осуществляют предварительную очистку воды. Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс технологических операций, обеспечивающих очистку воды до необходимых требований. Основными операциями являются: очистка воды от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием, коагуляция, умягчение или обессоливание, дегазация и обеззараживание.

Наиболее широко в промышленных масштабах применяются операции умягчения и обессоливания. Для умягчения воды используют следующие методы: физические (кипячение, выпаривание), химические (реагентные: известковый, содовый, натронный, фосфатный), физико-химические (ионный обмен). Для обессоливания используют физический (дистилляция) и физико-химические (электроосмос, ионный обмен) методы.

Пример. Рассчитать массу извести, содержащей 85 % основного вещества (СаО), и соды, содержащей 98 % основного вещества (Na₂CO₃), для умягчения 1000 м³ воды с общей жесткостью 8,5 ммоль × экв/л, в том числе постоянная (некарбонатная) жесткость – 4,0 ммоль × экв/л.

Решение. В процессе умягчения воды известково-содовым методом известь вводится в процесс в виде водного раствора гидроксида кальция, получаемого путем гашения извести водой по реакции

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂. (1)

В процессе умягчения воды гидроксид кальция реагирует с солями временной жесткости с образованием труднорастворимых соединений по следующим реакциям:

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

Mg(НСО₃)₂ + 2Са(ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + Mg(ОН)₂¯ + 2Н₂О. (3)

Для определения массы извести необходимо знание величины временной (карбонатной) жесткости, которая находится как разность между общей и постоянной жесткостью:

Ж_К = Ж_О - Ж_Н = 8,5 - 4,0 = 4,5 ммоль × экв/л, или 4,5 моль × экв/м³.

Масса Са(ОН)₂, необходимая для устранения временной жесткости в 1 м³ воды, определяется по формуле

m Са(ОН)₂ = Ж_К × M (1/2Са(ОН)₂),

где M (1/2Са(ОН)₂) – молярная масса эквивалента Са(ОН)₂.

m Са(ОН)₂ = 4,0 × (74 / 2) = 148,0 г/м³ (0,148 кг/м³).

Масса Са(ОН)₂, необходимая для умягчения 1000 м³:

m’Са(ОН)₂ = m Са(ОН)₂ × V H₂O,

где V H₂O – объем умягчаемой воды, м³.

m’Са(ОН)₂ = 0,148 × 1000 = 148,0 кг.

Массу оксида кальция, необходимого для получения 148 кг гидроксида кальция, рассчитываем в соответствии с уравнением реакции (1):

m CаO = m’Са(ОН)₂ × М CаO / М Са(ОН)₂,

где М CаO – молярная масса СаО; М Са(ОН)₂ – молярная масса Са(ОН)₂.

m CаO = 148 × 56 / 74 = 112 кг.

Масса технической извести, необходимой для умягчения 1000 м³ воды, определяется следующим образом:

m _ИЗВ = m CаO × 100 / 85,

где 85 – массовая доля СаО в извести, %.

m _ИЗВ = 112 × 100 / 85 = 131,8 кг.

Сода для умягчения воды вводится для устранения солей постоянной жесткости:

CaCl₂ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + 2NaCl;

CaSO₄ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + Na₂SO₄.

Определим массу Na₂CO₃, необходимого для устранения постоянной жесткости в 1 м³ воды:

m Na₂CO₃ = Ж_П × M (1/2 Na₂CO₃),

где M (1/2 Na₂CO₃) – молярная масса эквивалента Na₂CO₃.

m Na₂CO₃ = 4 × (106 / 2) = 212 г/м³ (0,212 кг/м³).

Определяем массу технической соды, необходимой для умягчения 1000 м³ воды:

m _СОДЫ = (m Na₂CO₃ / Х Na₂CO₃) × VH₂O,

где Х Na₂CO₃ – массовая доля Na₂CO₃ в соде; V H₂O – объем умягчаемой воды, м³.

m _СОДЫ = 0,212 / 0,98 × 1000 = 216,3 кг.

Вариант 0

Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава. Определить массу известкового молока и технической соды, необходимых для умягчения воды.

Исходные данные	Номер примера
0, 1	2, 3	4, 5	6, 7	8, 9
1. Массовая концентрация в воде, мг/л:
Са2+
Mg2+
HCO3-
2. Массовая доля Са(ОН)2 в известковом молоке, %					6,5
3. Массовая доля Na2CO3 в технической соде, %	98,0	98,2	99,0	98,4	98,9
4. Объем умягчаемой воды, м3

Вариант 1

Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава, а также массу фосфата натрия (Na₃PO₄ × 12H₂O), необходимого для ее умягчения.

Исходные данные	Номер примера
0, 2	3, 4	5, 6	7, 8	9, 1
1. Массовая концентрация солей кальция, г/л:
СаSO4	0,15	0,18	0,20	0,25	0,35
CaCl2	0,48	0,30	0,18	0,05	0,09
2. Массовая концентрация солей магния, г/л:
MgSO4	0,03	0,02	0,08	0,11	0,05
MgCl2	0,09	0,06	0,10	0,13	0,09
3. Массовая концентрация NaHCO3, г/л	0,50	0,48	0,53	0,55	0,49
4. Объем умягчаемой воды, м3

Вариант 2

Определить продолжительность работы катионитового фильтра без регенерации до исчерпания обменной способности.

Исходные данные	Номер примера
0, 5	1, 6	2, 7	3, 8	4, 9
1. Обменная емкость катионита, моль-экв/м3
2. Объем катионита в фильтре, м3
3. Объемный расход воды, м3/ч
4. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л	4,2	4,8	5,1	4,6	5,8

Вариант 3

Рассчитать массу известкового молока и раствора соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.

Исходные данные	Номер примера
0, 6	1, 7	2, 8	3, 9	4, 5
1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л	10,8	8,6	6,9	8,4	9,3
2. Карбонатная жесткость, ммоль × экв/л	5,4	3,8	2,4	3,2	3,5
3. Массовая концентрация CO2, мг/л
4. Массовая доля Са(ОН)2 в известковом молоке, %	6,0	5,0	8,0	12,0	15,0
5. Массовая доля соды, %	10,0	12,0	9,0	8,0	10,5
6. Объем умягчаемой воды, м3

Вариант 4

Определить массу каустической соды, необходимой для устранения карбонатной жесткости. Определить, на сколько изменится общая жесткость воды после устранения карбонатной жесткости.

Исходные данные	Номер примера
0, 7	1, 8	2, 9	3, 5	4, 6
1. Карбонатная жесткость, ммоль × экв/л	3,5	4,8	2,6	3,1	4,2
2. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л	8,1	9,1	6,2	5,4	7,3
3. Объем умягчаемой воды, м3
4. Массовая доля NaOH в каустической соде, %	99,0	99,5	98,0	99,1	98,5

Вариант 5

Рассчитать объем катионита, необходимого для умягчения воды в течение заданного времени.

Исходные данные	Номер примера
0, 8	1, 9	2, 5	3, 6	4, 7
1. Объемный расход воды, м3/ч
2. Продолжительность работы катионита без регенерации, сутки
3. Обменная емкость катионита, моль × экв/м3
4. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л	6,5	7,0	4,6	5,2	6,1

Вариант 6

Определить массу известкового молока для умягчения воды заданного состава

Исходные данные	Номер примера
0, 9	1, 5	2, 6	3, 7	4, 8
1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л	10,5	12,1	11,8	13,0	9,4
2. Постоянная жесткость воды, ммоль × экв/л	6,1	7,2	6,8	7,4	5,4
3. Массовая доля Са(ОН)2 в известковом молоке, %
4. Массовая концентрация СО2, мг/л	15,1	14,8	13,2	15,5	14,3
5. Объемный расход воды, м3/ч

Вариант 7

Рассчитать массу соляной кислоты, необходимой для перевода карбонатной жесткости в некарбонатную. Чему будет равна после этого некарбонатная жесткость?

Исходные данные	Номер примера
0, 5	1, 6	2, 7	3, 8	4, 9
1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л	10,2	11,8	9,3	9,8	12,0
2. Постоянная жесткость воды, ммоль × экв/л	5,1	4,3	5,9	6,0	7,2
3. Массовая доля HCl, %
4. Объемный расход воды, м3/ч

Вариант 8

После кипячения пробы воды в течение 1 часа ее жесткость уменьшилась на Х ммоль × экв/л. Определить массу гашеной извести и технической соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.

Исходные данные	Номер примера
0, 6	1, 7	2, 8	3, 9	4, 5
1. Общая жесткость воды, ммоль × экв/л	10,8	10,2	11,3	9,2	12,0
2. Изменение (уменьшение) жесткости пробы воды после кипячения (Х), ммоль × экв/л	3,8	4,5	3,3	4,1	4,8
3. Массовая доля Са(ОН)2 в гашеной извести, %
4. Массовая доля Na2CO3 в технической соде, %	98,0	98,5	98,2	98,4	98,6
5. Объемный расход воды, м3/ч

Вариант 9

Для обессоливания воды ее последовательно пропускают через Н-катионит и ОН-анионит. Определить объем Н-катионита, который необходим для удаления из воды имеющихся катионов в течение заданного времени.

Исходные данные	Номер примера
0, 5	1, 6	2, 7	3, 8	4, 9
1. Массовая концентрация катионов в воде, мг/л Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Fe3+ Al3+
2. Объемная емкость катионита, моль × экв/л
3. Объемный расход воды, м3/ч
4. Продолжительность работы катионита без регенерации, ч