Значение водоподготовки тепловых электростанций

Значение водоподготовки тепловых электростанций Возможность длительной бесперебойной эксплуатации ТЭС в значительной̆ степени определяется интенсивностью протекания физико- химических процессов накипеобразования на поверхности нагрева парогенераторов, уноса солей, кремниевой̆ кислоты и окислов металлов паром из испаряемой (котловой) воды и образования отложений их в проточной̆ части паровых турбин, а также коррозии металла энергетического оборудования и трубопроводов. Интенсивность протекания всех этих процессов зависит от качества пара, питательной̆ и котловой̆ воды. Оборудование современных ТЭС и АЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева, омываемых водой или паром. Повышенная чувствительность турбин высокого давления к загрязнению их проточной части не допускает даже небольшие отложения, поскольку они могут существенно снизить тепловую экономичность турбины. Опасность загрязнения питательной воды для прямоточных котлов сверхкритического давления возрастает в результате интенсификации коррозионных процессов с ростом температуры. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает получение чистого пара, снижает скорости коррозии конструктивных материалов теплосилового оборудования. Таким образом, надежная и экономичная эксплуатация котлотурбинного оборудования и безопасность ядерных энергетических установок тесно связано с качеством обработки воды Методы обработки воды на тепловых электростанциях В настоящее время выработка электроэнергии в основном производится на электростанциях, работающих на органическом топливе (уголь, газ, мазут). Современные паротурбинные электростанции требуют значительного расхода воды, как технической, большая часть которой идет на конденсацию пара в конденсаторах, так и сырой для заполнения и подпитки пароводяного контура. В атомной энергетике также применяются паротурбинные агрегаты, работающие на водяном паре. Поэтому подготовка воды на ТЭС является весьма ответственной задачей, так как от качества ее зависит надежность и экономичность эксплуатации оборудования. Вода на ТЭС используется для заполнения контура котлов и компенсации потерь пара и конденсата во время работы, подпитки тепловых сетей, а также для отвода теплоты в конденсаторах турбин и вспомогательных теплообменниках. Наиболее высокие требования предъявляются к качеству воды, служащей для заполнения контура паротурбинной установки и подпитки его в процессе эксплуатации. На ТЭС применяются различные методы обработки воды, которые можно разделить на безреагентные (физические) или методы, в которых используются различные препараты. Выбор метода обработки воды зависит от состава исходных вод, типа ТЭС, ее параметров, применяемого основного оборудования (котлов, турбин), системы теплофикации и горячего водоснабжения. Влияние качества исходной воды на выбор метода ее обработки обусловлено ее щелочностью, жесткостью, содержанием кремниевой кислоты, нитритов, нитратов и т. д. Типы тепловых электростанций Основным назначением ТЭС является снабжение предприятий и коммунального хозяйства электрической энергией, паром и горячей водой. По виду отпускаемой энергии различают конденсационные электростанции (КЭС) – с паровыми конденсационными турбоагрегатами, отпускающие электрическую энергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), отпускающие внешним потребителям электрическую энергию и тепловую энергию с паром или горячей водой. На электростанциях, предназначенных только для производства электроэнергии, устанавливаются паровые турбины с глубоким вакуумом, так как чем ниже давление пара на выходе из турбины, тем большая часть энергии рабочей среды превращается в электрическую. При этом основной поток пара конденсируется в конденсаторе и большая часть энергии, содержащейся в паре, теряется с охлаждающей водой. ТЭЦ по характеру теплового потребления можно классифицировать следующим образом: промышленного типа, с отпуском предприятиям пара для технологических процессов; отопительного типа, с отпуском тепла обычно с горячей водой для отопления и вентиляции зданий и для бытовых нужд населения; промышленно-отопительного типа, с отпуском пара и горячей воды для технологических и отопительных нужд. По типу двигателей различают ТЭС паротурбинные (ПТУ) и газотурбинные (ГТУ). Типичная схема обращения воды в рабочих циклах конденсационных электростанций (КЭС) приведена на рис. 1.1. Рис. 1.1. Принципиальная схема обращения воды в тракте КЭС: 1 – котел, кипящий реактор; 2 – конденсационная турбина; 3 – электрогенератор; 4 – водоподготовительная установка (ВПУ); 5 – конденсатор турбины; 6 – конденсатный насос; 7 – конденсатоочистка (БОУ - блочные обессоливающие установки); 8 – ПНД (подогреватели низкого давления) ; 9 – деаэратор; 10 – питательный насос; 11 – ПВД DИСХ.В. – исходная вода. DД.В. – добавочная вода направляется в контур для восполнения потерь пара и конденсата после обработки с применением физико-химических методов очистки. DО.В. – охлаждающая или циркуляционная вода, используется в конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара. DТ.К. – турбинный конденсат, содержит небольшое количество растворенных и взвешенных примесей - основная составляющая питательной воды. DВ.К. – возвратный конденсат от внешних потребителей пара, используется после очистки в установке очистки обратного конденсата (7) от внесенных загрязнений. Является составной частью питательной воды. Dп.в. – питательная вода, подается в котлы, парогенераторы или реакторы для замещения испарившейся воды в этих агрегатах. Представляет собой смесь DT.K, DД.В., DВ.К. и конденсируется в элементах указанных агрегатов. Тепловая схема конденсационной электростанции состоит из: • парового котла, предназначенного для производства пара; • турбины и электрогенератора, служащих для превращения механической энергии вращения турбины паром в электрическую; • конденсатора, для превращения пара в воду; • конденсатного насоса, предназначенного для подачи конденсата через регенеративные подогреватели в деаэраторы. Деаэратор служит для удаления из воды растворенных в ней газов. Деаэрированная вода питательным насосом через подогреватели подается в экономайзер парового котла. Газы, образующиеся при горении в топочной камере, проходят через газоходы котла, где в пароперегревателе и водяном экономайзере отдают теплоту рабочему телу и воздуху. Воздух, необходимый для горения, подается в воздухоподогреватель дутьевым вентилятором. Потери пара и конденсата восполняются химически обессоленной водой, которая подается в линию конденсата за конденсатором турбины. Охлаждающая вода подается из источника водоснабжения циркуляционными насосами. Выработанная электроэнергия отводится от генератора к потребителям через повышающие трансформаторы. Типичная схема обращения воды в рабочих циклах теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) приведена на рис. 1.2. ТЭЦ могут иметь турбины с противодавлением (Р) или с конденсацией и регулируемыми отборами. Имеются установки с одним регулируемым отбором (Т), двумя отборами (ПТ), из которых один является теплофикационным, другой – производственным, или же установки с одним производственным и двумя теплофикационными отборами. Рис. 1.2. Принципиальная схема обращения воды в цикле ТЭЦ: 1 – котел; 2 – турбина с отборами пара для нужд производства и теплофикации; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – установка очистки возвратного загрязненного производственного конденсата; 7 – деаэратор; 8 – питательный насос; 9 – подогреватель добавочной воды; 10 – ВПУ; 11 – насосы возвратного конденсата; 12 – баки возвратного конденсата; 13 – теплофикационный потребитель пара; 14 – производственный потребитель пара; 15 – водоподготовка подпитки теплосети. DПР – продувочная вода - выводится из котла, парогенератора или реактора на очистку или в дренаж для поддержания в испаряемой (котловой) воде заданных концентраций примесей. Состав и концентрация примесей в котловой и продувочной воде одинаковы. DО.В. – охлаждающая или циркуляционная вода, используется в конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара. DВ.П. – подпиточная вода тепловой сети, для восполнения потерь. Потери пара и конденсата На всех ТЭС в процессе эксплуатации часть пара и конденсата теряется, что связано с протечками в арматуре, предохранительных клапанах и фланцевых соединениях, необходимостью дренирования воды и пара при пуске и останове оборудования, прогреве трубопроводов, с использованием пара и горячей воды на санитарные и технические нужды (разогрев мазута, мазутные форсунки, промывку некоторых аппаратов и т.д.), а на ТЭС с барабанными котлами применяется непрерывная продувка котловой воды. Внутренние потери регламентируются и не должны превышать 1 % на ТЭЦ с отопительной нагрузкой и 1,6 % на ТЭЦ с промышленной и промышленно-отопительной нагрузкой. Внешние потери особенно велики при отпуске потребителю пара по открытой схеме, когда потребитель возвращает не весь конденсат. Также потери сетевой воды при открытом водозаборе в присоединённой к ТЭС теплосети. Потери теплоносителя на ТЭС восполняются водой, прошедшей очистку химическим или термическим методом. При химическом методе очистки добавочная вода подается обычно в деаэратор или конденсатор. Термическая подготовка воды происходит в испарителях при нагревании паром отборов. Вторичный пар затем конденсируется в конденсаторе испарителя, образуя добавок к рабочему телу ТЭС. Выбор водоисточника и производительности водоподготовительной установки (ВПУ) Необходимо учитывать не только нужды ВПУ, но и водопотребление станции в целом. Так, если водоисточником является артезианская вода, в которой практически отсутствуют грубодисперсные примеси и органические вещества, то отпадает необходимость в предварительной ее коагуляции. Однако такая вода обычно содержит большое количество ионов двухвалентного железа, что приводит к необходимости его удаления перед последующей обработкой. При заборе воды из поверхностного источника следует учитывать, что качество воды в нем меняется не только по сезонам, но и по годам. Так, весной и осенью в такой воде возрастают концентрации грубодисперсных примесей и органических веществ и уменьшается солесодержание, в летние и зимние месяцы наоборот. Производительность ВПУ должна быть достаточной для покрытия потерь воды и пара в схеме ТЭС, а также для расхода воды и пара на различные технологические нужды. Исходя из суммы потерь для ГРЭС и отопительных ТЭЦ устанавливается расчетная производительность ВПУ равная 3% суммарной номинальной паропроизводительности установленных котлов. Кроме того, предусматривается увеличение производительности ВПУ или дополнительная обессоливающая установка. При использовании пара на разогрев мазута производительность ВПУ увеличивается из расчета 0,15 т на каждую тонну сжигаемого мазута. На ТЭЦ с производственной нагрузкой нужно учитывать восполнение потерь пара и конденсата с 25 %-ным запасом на не возвращаемый объем конденсата. Также нужно учитывать и потери с продувкой котлов и испарителей (0,5-2 % их паропроизводительности). При термической схеме обессоливания производительность ВПУ принимается с коэффициентом 1,4 для конденсационной электростанции и 1,2 для теплоэлектроцентрали от расчётной потребности в обессоленной воде. При проектировании ВПУ для подпитки тепловых сетей в закрытых сетях теплоснабжения учитывают часовые потери теплоносителя, которые составляют 0,75 % объема воды в тепловых сетях, а в случае развитых транспортных магистралей 0,5 %. Для открытых систем теплоснабжения к вышеперечисленным потерям добавляется расход воды на горячее водоснабжение, который составляет примерно 43 м3 на 1 МВт тепла в случае развитой транспортной магистрали и 56 м3 на 1 МВт отборного тепла при ее отсутствии. Примеси природных вод В соответствии с отдельными этапами большого кругооборота воды различают атмосферную (дождь, туман, снег), поверхностную (реки, озера, пруды, болота), подземную (артезианские скважины, шахтные колодцы) и соленую воду (моря, океаны). Атмосферная вода, выпадающая на земную поверхность в виде осадков, содержит газы, поглощаемые из воздуха, кислород, азот, углекислоту, органические и неорганические вещества. В промышленных районах и больших населенных пунктах атмосферные осадки содержат оксиды серы, частицы пыли и сажи. Суммарное солесодержание атмосферных осадков 10-50 мг/кг. Попадая на поверхность земли и просачиваясь через грунт, атмосферная вода встречается с минеральными солями (CaCO3, NaCl, Na2SO4 , MgSO4), газами и органическими веществами. Часть органических веществ при помощи бактерий реагируют с растворенным в воде кислородом, образуя минеральные кислоты (серную, азотную и др.). В подпочвенных водах легче всего растворяются, NaCl, Na2SO4, MgSO4. Труднорастворимые карбонаты кальция, магния и железа в присутствии свободной углекислоты, образуют бикарбонаты, диссоциирующие на катионы Ca2+, Mg2+, Fe2+ и анионы HCO3-. Наиболее распространенными в природных водах являются бикарбонаты кальция и магния. Подземные воды отличаются большим разнообразием химического состава. Степень их минерализации колеблется в пределах от 100/мг/кг до нескольких граммов на 1 кг. Наиболее минерализованными являются воды океанов и открытых морей. Их солесодержание составляет приблизительно 7,5-35 г/кг. Летом и зимой питание водотоков осуществляется в основном за счет подземного стока и, следовательно, концентрация растворенных солей в это время года возрастает. Весенние паводковые воды характеризуются очень низким солесодержанием воды, но при этом резко возрастает концентрация грубодисперсных и коллоидных примесей за счет смыва их с поверхности талыми водами. Таким образом, при планировании места водозабора необходимо учитывать не только географическое расположение и характер почв и грунтов, но и сезонные изменения состава природных вод (по показаниям последних нескольких лет). Наряду с природным существует производственно-бытовой круговорот воды, создаваемый в результате потребления ее для различных целей (охлаждение, коммунальное водоснабжение и т. п.). Бытовые примеси относятся к классу органических веществ, которые окисляются под воздействием кислорода и микроорганизмов. Производственные стоки определяются типом предприятия и могут содержать кислоты, щелочи, органические соединения и т. д. Сбрасываемые в водоемы сточные воды отличаются большим разнообразием содержащихся в них примесей. В настоящее время определены предельно допустимые концентрации (ПДК) для основных вредных веществ, сбрасываемых в водоемы (табл. 3.1). Таблица 3.1 Нормативы предельно допустимых концентраций вредных химических веществ в питьевой воде Показатель ПДК Водородный показатель рН 6-9 Жесткость общая, мг-экв/дм3 Al3+ 0,5 Fe 0,3 Mn 0,1 Cu 1,0 Ni 0,1 NO3- 45 Hg 0,0005 Pb 0,03 SO42- 500 F- 1,2 Cl- 350 PO43- 3,5 Cr6+ 0,05 Zn2+ 5,0 Na 200 Общая минерализация, мг/дм3 3000 Окисляемость перманганатная, мг О2/дм3 5,0 Нефтепродукты, мг/дм3 0,1 Cl остаточный свободный 0,3-0,5 Полиакриламид, мг/дм3 2,0 Гидразин, мг/дм3 0,01 Бенз(а)пирен, мг/дм3 0,005 Кислота малеиновая, мг/дм3 1,0 Кислота ОЭДФ, мг/дм3 0,6 Цветность, град 20 Общая α-радиоактивность, Бк/дм3 0,1 Общая β-радиоактивность, Бк/дм3 1,1 Характеристика примесей природных вод По степени дисперсности примеси могут быть разделены на: грубодисперсные (размеры частиц - более 100 нм), коллоидно-дисперсные (имеют малые размеры от 1 до 100 нм) и истинно-растворенные (представлены в виде отдельных ионов или молекул или комплексов, состоящих из нескольких молекул). Грубодисперсные примеси воды (песок, глина и т. д.), называемые также суспензиями или взвешенными веществами, длительно оставаясь во взвешенном состоянии, обуславливают мутность воды. В природных водах грубодисперсные примеси присутствуют в виде песка, ила, планктона, в технологических водах – в виде продуктов коррозии, шлама, нефтепродуктов. Чем больше размер частиц грубодисперсных примесей, тем быстрее устанавливается седиментационное равновесие и тем легче выделяются они из воды при отстаивании и фильтрации. Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами. В природных водах в коллоидно-дисперсном состоянии находятся различные производные кремниевой кислоты и железа, органические гуминовые вещества, вымываемые из почв. К ионно- или молекулярно-дисперсным веществам относятся растворенные в воде соли, кислоты, щелочи в виде ионов, Ca2+, Mg2+, N+, К+, SO42-, Cl-, NO3-, NO2-, HCO3-, HSiO3-, и молекулы растворенных газов O2, СО2, N2 и т.д. Ионный состав примесей характеризуется присутствием в ней соответствующих катионов и анионов. Ионы натрия и калия с анионами природных вод не образуют труднорастворимых простых солей, практически не подвергаются гидролизу, поэтому их относят к группе устойчивых примесей. Ионы кальция и магния образуют труднорастворимые соединения с некоторыми находящимися в воде анионами. При использовании природной воды и связанном с этим изменении исходных концентраций катионов и анионов, например при упаривании или снижении растворимости с ростом температуры, происходит выделение труднорастворимых солей кальция и магния на теплопередающих поверхностях в виде твердой фазы. В технологических процессах подготовки воды для снижения концентрации кальция и магния часто используется образование их труднорастворимых соединений, выводимых из воды до поступления ее в водопаровой тракт. Ионы железа характеризуются поливалентностью и могут находиться в различных формах. В глубинных водах ионы железа находятся в основном в виде Fe2+ , которые с большинством ионов не образуют труднорастворимых солей. В водах поверхностных источников, где концентрация растворенного кислорода значительно выше, ионы Fe2+ окисляются до ионов Fe3+ , которые в процессе гидролиза образуют труднорастворимый Fe(OH)3. В поверхностных водах железо может входить также в состав органических комплексных соединений. Присутствие в воде соединений железа в повышенных концентрациях создает условия для развития железобактерий, образующих бугристые колонии на стенках трубопроводов. Концентрация железа в исходной воде может увеличиваться в процессе транспортирования ее по стальным и чугунным трубам вследствие загрязнения продуктами коррозии. Анионы угольной кислоты HCO3- и CO32- – являются важнейшей составной частью солевых компонентов воды, поскольку определяют поведение различных примесей в ней. В природных водах кроме HCO3- и CO32- содержится также «свободная» углекислота, находящаяся в виде растворенного в воде газа CO2 и его гидрата – молекул H2СО3. Хлорид-ионы (Cl-) с катионами, обычно находящимися в природных водах, не образуют труднорастворимых солей и при температуре около 25оС не подвергаются гидролизу или окислению. Сульфат-ионы (SO42-) в поверхностных водах, не загрязненных поверхностными веществами, достаточно устойчивы, как анионы сильной̆ кислоты они не подвергаются гидролизу и образуют относительно труднорастворимую соль только с одним из катионов природных вод – Ca2+. Однако растворимость сульфата кальция при обычной температуре достаточно высока, и в природных водах, как правило, не происходит выделения твердой фазы CaSO4. В присутствии большого количества органических примесей и при дефиците кислорода ионы SO42-могут легко восстанавливаться до H2S или S, которые при изменении кислородного режима легко окисляются снова до SO42-. По химическому характеру: примеси разделяются на газовые (газы N2, O2, СО2,СН4, Н2S ), минеральные (растворенные минеральные соли) и органические (гумусовые вещества, танины, белки, жиры, эфирные масла). Природные воды по солесодержанию разделяются на пресные (до 1 г/кг), солоноватые (1–10 г/кг) и соленые По химическому характеру (более 10 г/кг). В свою очередь пресные воды можно подразделить на маломинерализованные (менее 0,2 г/кг), средней минерализованности (0,2–0,5 г/кг) и повышенной минерализации (0,5–1 г/кг). По значению общей жесткости природные воды классифицируются таким образом: Ж менее 1,5 – воды с малой жесткостью, Ж = 1,5–3 со средней жесткостью, Ж = 3–6 – воды с повышенной жесткостью, Ж = 6–12 – воды с высокой жесткостью, Ж более 12 – воды с очень высокой жесткостью. Все природные воды подразделяются по характеру преобладающего в воде аниона на три класса: гидрокарбонатные (анион НСО3), сульфатные (SО4), хлоридные (хлор ион). Свыше 80% всех рек России характеризуются водами гидрокарбонатного класса. По степени загрязненности органическими веществами природные воды можно разделить на четыре группы: меньше 5-малая, 5–10-средняя, 10–20 повышенная, свыше 20-сильная. Показатели качества воды Важнейшими показателями качества воды являются: • концентрация грубодисперсных веществ • ионный состав • концентрация коррозионно-активных газов • концентрация ионов водорода • технологические показатели, в которые входят сухой остаток, прокаленный остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнесодержание, удельная электропроводимость и т.д. Сухой остаток позволяет косвенно судить о солесодержании воды, т.е. о сумме всех анионов и катионов (кроме Н+ и ОН- ) в воде. В сухой остаток входят также органические и коллоидные примеси. Он определяется путем выпаривания предварительно профильтрованной пробы воды и высушивания остатка при температуре 110оС. Окисляемость определяет концентрацию органических примесей и представляет собой расход какого-либо сильного окислителя (например, перманганата калия или бихромата калия), необходимого для окисления в определенных условиях органических примесей, содержащихся в 1 л воды. Жесткость – это один из важнейших показателей качества воды, используемой на тепловых электрических станциях. Общей жесткостью называют суммарную концентрация ионов кальция и магния, выраженную в мг-экв/кг. Общую жесткость подразделяют на кальциевую и магниевую, а также на карбонатную и некарбонатную. Карбонатная жесткость воды обуславливается присутствием в воде бикарбонатов кальция Са(НСО3)2 и магния Mg(HCO3)2. В том случае, когда концентрация ионов HCO3- меньше общей жесткости воды, величина карбонатной жесткости определяется концентрацией HCO3-. Разность между общей и карбонатной жесткостью называется некарбонатной жесткостью. Процесс выделения из воды ионов кальция и магния называется умягчением воды. Общей щелочностью называется суммарная концентрация всех анионов слабых кислот и ионов гидроксила за вычетом концентрации ионов водорода: В зависимости от анионов, обуславливающих щелочность, различают щелочность бикарбонатную – Щб (HCO3-) , карбонатную – Щк (CO32-), силикатную – Щс (НSiО3-, SiO32- ), гидратную – Щг (ОН-) , фосфатную – Щф (Н2РО4-, НРО42-, РО43-): Обычно в природных водах преобладает бикарбонатная щелочность, поэтому ее значение можно применять как общую щелочность воды. Удельная электропроводимость воды, См/см, характеризуется электрической проводимостью слоя воды, находящегося между двумя противоположными гранями куба с ребром, равным 10-2 м. Она косвенно связана с солесодержанием, поскольку перенос зарядов осуществляется различными ионами. В чистой воде, не содержащей примеси, перенос зарядов осуществляется лишь ионами Н+ и ОН-. В действительности связь между электропроводимостью и содержанием различных ионов зависит от температуры, от степени диссоциации и вида ионов, что значительно затрудняет измерение электропроводимости воды. Концентрация растворенных газов в воде зависит от множества факторов: природы газа, температуры воды, степени минерализации воды, парциального давления газа над водой, рН воды и т.п. Так, например, содержание кислорода зависит от глубины залегания воды, содержания в воде органических веществ и температуры. Система водоподготовки энергопредприятий включает несколько этапов очистки от загрязнений. Типы системы водоподготовки для энергопредприятий Этап водоподготовки Используемое оборудование Удаление Проблемы, возникающие без очистки Предочистка Осветление воды Отстойники и механические фильтры с добавлением коагулянтов и флокулянтов Крупно- и мелкодисперсных примесей и коллоидных загрязнений (песок, ил, ржавчина и т.д.) Механические взвеси усиливают абразивную нагрузку на оборудование ТЭЦ, способствуют увеличению гидравлического сопротивления в трубопроводах за счет формирования твердых отложений на их внутренних стенках. Обеззараживание Озонирование, хлорирование Бактерий и вирусов Умягчение воды Реагентное отстаивание, катионные фильтры Ионов кальция и магния При нагреве образуют нерастворимые соединения, накапливающиеся в системе, так же как и механические взвеси. Обессоливание воды Анионные фильтры, декарбонизатор, электродиадизатор, обратный осмос, испарители Солей Деаэрация воды Термические деаэраторы, вакуумные деаэраторы, атмосферные деаэраторы Растворенных газов (кислород, водород, углекислые газы) Способствуют интенсивной коррозии металлов Продувка котла Промывные фильтры Промывка пара Специальные реагенты-обессоливатели Этапы водоочистки более подробно. Для подпиточной воды 1. Первый этап – осветление. На этом этапе находят применение отстойники и механические фильтры. Принцип работы отстойников в том, что твердые примеси опускаются книзу. Фильтры состоят из нержавеющих решеток и имеют разные размеры. Первыми улавливаются крупные примеси, далее идут решетки среднего размера. Последними улавливаются самые мелкие примеси. Также важным является применение коагулянтов и флокулянтов, с помощью которых уничтожаются разного рода бактерии. Благодаря промывке чистой водой такие фильтры могут быть готовы к следующему использованию. 2. Второй этап – это дезинфекция и обеззараживание воды. На данной стадии применяется ультрафиолетовая лампа, обеспечивающая полное облучение всего объема воды. Благодаря ультрафиолету гибнут все болезнетворные микроорганизмы. Второй этап также включает в себя дезинфекцию, в процессе которой используют хлорку или же безвредный озон. 3. Третий этап – смягчение воды. Для него характерно применение ионообменных систем. Популярным является реагентное отстаивание, недостатком которого является формирование отложений. Эти нерастворимые примеси в дальнейшем очень сложно удалить. 4. Четвертый этап – обессоливание воды. На этом этапе применяются анионные фильтры: декарбонизаторы, электродиадизаторы, обратный осмос и нанофильтрация. Процесс обессоливания возможен любым из вышеперечисленных стандартных способов. 5. Пятый этап – это деаэрация. Это обязательный этап, который следует после тонкой очистки. Системы для очистки от газовых примесей бывают вакуумного типа, а также атмосферные и термические. В результате действия деаэраторов происходит устранение растворенных газов. Предварительная очистка воды Предварительная очистка воды для восполнения потерь пара и конденсата на ТЭС включает в себя удаление грубодисперсных и коллоидных примесей, являющихся причиной образования вторичной накипи на поверхностях нагрева и ухудшения качества пара. Начальный этап очистки воды – предочистка – необходим для улучшения технико-экономических показателей последующих этапов очистки воды. При отсутствии предочистки применение многих методов на последующих ступенях очистки встречает значительные затруднения. Так наличие в воде органических примесей приводит к старению анионитов, а, следовательно, и резкому (в 4–8 раз) снижению срока службы. Присутствие в воде ионов железа свыше 50 мкг/кг вызывает «отравление» мембран при очистке на установке обратного осмоса. К процессам осаждения, применяемым в настоящее время, относятся коагуляция, известкование и магнезиальное обескремнивание. Эти процессы совмещаются и проводятся одновременно в одном аппарате – осветлителе. При совмещении процессов коагуляции и известкования в большей степени удаляются взвешенные и органические вещества, соединения кремния и железа. Первичное осветление воды производится в осветлителе, а окончательная очистка от осадка осуществляется при помощи процесса фильтрования в осветлительных фильтрах, которые обеспечивают содержание грубодисперсных примесей в воде менее 1 мг/дм3. Методы предварительной обработки исходной воды в зависимости от ее качества приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Методы предочистки Качество исходной воды Метод обработки Основное оборудование Содержание взвешенных веществ до 50 мг/дм3, окисляемость менее 15 мг/дм3 О2 Фильтрование Осветлительные (механические) фильтры с загрузкой антрацитом или кварцевым песком, высота слоя загрузки Нсл 1 м Содержание взвешенных веществ до 100 мг/дм3, окисляемость менее 15 мг/дм3 О2 Фильтрование Механические фильтры с двухслойной загрузкой: 1) кварцевый песок (dз = 0,5 – 1,2 мм; Нсл = 0,7 – 0,8 м); 2) дробленый антрацит (dз = 0,8 – 1,8 мм; Нсл = 0,4 – 0,5 м) Содержание взвешенных веществ более 100 мг/дм3, окисляемость более 15 мг/дм3 О2, Жк > мг- экв/дм3 Коагуляция в осветлителе, фильтрование Осветлитель для коагуляции с последующим фильтрованием на однослойных осветлительных фильтрах Содержание взвешенных веществ более 100 мг/дм3, окисляемость более 15 мг/дм3 О2, Жк > мг- экв/дм3 Совмещение известкования с коагуляцией в осветлителе, фильтрование Осветлитель для коагуляции с последующим фильтрованием на однослойных осветлительных фильтрах Коагуляция коллоидных примесей Если очистка воды от тяжелых грубодисперсных примесей может быть осуществлена обычным отстаиванием, то выделение коллоидно-дисперсных веществ из воды требует применения процесса коагуляции. Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипания коллоидных частиц и образования грубодисперсной макрофазы (флокул) с последующим ее выделением из воды. Коллоидные частицы, находящиеся в природных водах (песок, глины, гуминовые кислоты), в основном приобретают заряд за счет диссоциации поверхностных молекул. Для повышения возможности сцепления частиц необходимо снизить силу отталкивания путем уменьшения потенциала. Экспериментально установлено, что при снижении потенциала начинается процесс сцепления частиц, т.е. процесс коагуляции. Однако такой процесс возможен лишь при низких рН, что вызывает неудобства на практике, связанные с защитой оборудования от коррозии и приводит к повышению солесодержания воды. Поэтому при подготовке добавочной воды применяется процесс, основанный на взаимной коагуляции коллоидов, для чего в воду вводятся реагенты, образующие в ней коллоидный раствор с положительно заряженными частицами. Происходит сложный комплекс процессов очистки воды от коллоидных примесей: взаимная коагуляция разноименно заряженных коллоидов при взаимодействии дестабилизированными участками поверхности, электролитная коагуляция. В дальнейшем микрохлопья сцепляются, захватывая грубодисперсные примеси и воду и образуя коагуляционную структуру в виде хлопьев (флоккул) размером 0,5–3 мм (рис. 4.1). Как происходит процесс коагуляции? Между коллоидными частицами, содержащимися в воде, действуют силы взаимного притяжения и отталкивания, что объясняется наличием электрических зарядов. Коллоидная частица, обладая значительной адсорбционной способностью, адсорбирует из раствора ионы электролитов одного знака, которые образуют на ее поверхности адсорбционный слой. Коллоидная частица вместе с адсорбционным слоем называется гранулой. Электрический заряд гранулы концентрирует вокруг нее противоионы, т.е. ионы с зарядами противоположного знака. Противоионы не связаны прочно с гранулой и сохраняют способность к диффузии в окружающий раствор, образуя вокруг гранулы диффузный слой. Гранула вместе с диффузным слоем называется мицеллой (рис. 4.2). Рис. 4.1. Схема коагуляционной структуры: 1 – частицы коллоидно-дисперсной фазы; 2 – дестабилизированные участки поверхности; 3 – участки поверхности, сохранившие устойчивость; 4 – полости, заполненные водой; 5 – грубодисперсная примесь Рис. 4.2. Мицелла Раствор, в котором находится коллоидная система, теряет адсорбированные потенциалообразующие ионы и обогащается противоионами. Таким образом, возникает двойной электрический слой, обуславливающий разность потенциалов на межфазной поверхности. В неподвижном состоянии мицелла является электронейтральной. При броуновском движении вместе с коллоидной частицей движется двойной электрический слой, состоящий из ионов адсорбционного слоя и части противоионов диффузного слоя, содержащихся в оболочке воды, окружающей частицу. Остальные противоионы, расположенные вокруг двойного электрического слоя, отрываются от движущейся частицы. Благодаря этому последняя, потеряв часть противоионов, приобретает некоторый заряд, одинаковый по знаку с зарядом гранулы, но меньший по величине. Граница между двойным слоем и остальной частью диффузного слоя называется поверхностью скольжения коллоидной частицы в растворе. Так как все однородные частицы имеют на поверхности скольжения заряды одного знака, то между ними действуют силы взаимного отталкивания, которые, также, как и силы взаимного притяжения, уменьшаются с увеличением расстояния между частицами. Зависимость взаимодействия сил притяжения и отталкивания графически изображена на рис. 4.3. Рис. 4.3. Зависимость взаимодействия сил отталкивания и притяжения от расстояния между коллоидными частицами 1 – энергияпритяжения; 2 – энергия отталкивания; 3 – результирующая кривая При уменьшении расстояния между частицами сначала действует результирующая сила взаимного отталкивания, возрастающая до своей максимальной величины, после которой она уменьшается до нуля, а затем результирующая сила взаимного притяжения, возрастающая до своей наибольшей величины при расстоянии между частицами, равном нулю. Для взаимного притяжения частиц и их слипания они должны преодолеть «силовой барьер», т.е. максимальную результирующую силу отталкивания. Чем меньше сила взаимного отталкивания, зависящая от величины зарядов частиц, тем ниже «силовой барьер». Снизить «силовой барьер» можно увеличив концентрацию противоионов путем добавления к раствору соответствующих электролитов. На электрических станциях обычно применяют метод коагуляции с вводом реагентов. В качестве реагентов, называемых коагулянтами, обычно применяют сульфат алюминия Al2(SO4)3 18Н2О или сульфат двухвалентного железа FeSO4 7Н2О, причем последний реагент используют при совмещении процессов коагуляции и известкования в осветлителях. Для завершения процесса коагуляции требуется некоторое время, в течение которого маленькие частица соединяются в большие комплексы. Большое влияние на процесс коагуляции оказывает температура. При повышении температуры увеличиваются скорость и глубина гидролиза, скорость формирования и отделения твёрдой фазы, что в конечном случае ускоряет и углубляет коагуляцию примесей. Оптимальной температурой для процесса коагуляции является 30 – 40 оС . Большое значение имеет также значение рН среды. Так, например, применяя в качестве коагулянта сернокислый алюминий, оптимальное значение рН среды находится в пределах 5,5 – 7,5. Доза коагулянта подбирается экспериментально в зависимости от источника водоснабжения. И составляет от 0,3 – 1,2 мг-экв/дм3. При содержании в исходной воде грубодисперсных примесей и коллоидных веществ свыше 100 мг/кг коагуляция производится в осветлителях, а при меньшей концентрации экономичнее ее организовать непосредственно на насыпных фильтрах, так называемая контактная коагуляция. При контактной коагуляции процесс отделения хлопьев происходит в фильтрующем слое. Для интенсификации процесс коагуляции в обрабатываемую воду вводят специальные вещества – флокулянты. Сущность процесса флокуляции состоит в том, что агрегация коллоидных частиц происходит не только непосредственно, но и через молекулы флокулянта (рис. 4.4). В качестве флокулянтов используются неорганические или органические высокомолекулярные соединения: активная кремнекислота, полиакриамид, праестол и др. Рис. 4.4. Адсорбция микрочастиц флокулянтами: а) вытянутая молекула; б) свернутая молекула; 1 – адсорбирующая группа; 2 – микрочастица; 3 – внутримолекулярная связь В настоящее время на ТЭС используются осветлители для коагуляции типа ЦНИИ и для известкования типа ВТИ. Осветлители имеют диапазон производительности от 63 до 1000м3/час. Осветлители (рис. 4.5) выполнены в виде стальных сварных сосудов, установленных вертикально. Вода, поступающая в осветлитель, проходит через воздухоотделитель и затем по опускной трубе через сопловое устройство попадает в нижнюю часть осветлителя – смеситель. Туда же вводятся реагенты: известковое молоко и коагулянт. Несколько выше смесителя вводится флокулянт. В процессе перемешивания в смесителе реагенты взаимодействуют с примесями воды и образуется твердая фаза. Затем поток воды, поднимаясь вверх, проходит через успокоительную систему для уменьшения вращательного движения и поступает в цилиндрическую часть осветлителя. На определённой высоте этой зоны формируется взвешенный слой. Для отвода части шлама из слоя предусмотрены выносные шламоприемные окна, через которые шлам попадает в шламоуплотнитель. Уплотнённый шлам выводится из осветлителя с продувочной водой, а осветленная вода направляется в распределительное устройство. Рис. 4.5. Схема осветлителя для коагуляции типа ЦНИИ-2 1 – вход воды; 2 – воздухоотделитель; 3 – распределительная труба; 4 – сопло; 5 – вертикальная перфорированная перегородка; 6 – шламоприемное окно; 7 – шламоуловитель; 8 – «стакан»; 9 – верхняя распределительная решетка8 10 – сборный кольцевой желоб; 11 – задвижка отсечки; 12 – трубопровод отсечки; 13 – распределительное устройство с успокоительной перегородкой; 14 – выход обработанной воды; 15 – ввод коагулянта; 16 – линия непрерывной продувки; 17 – линия периодической продувки; 18 – задвижка на линии опорожнения осветлителя; 19 – дренажная задвижка; 20 – кран с сервоприводом; 21 – воронка; 22 – пробоотборные точки Основной поток осветлённой воды проходит через взвешенный слой, собирается кольцевым желобом и также направляется в распределительное устройство, а затем в промежуточный бак. Часть грубодисперсных веществ, поступивших вместе с исходной водой, а также крупные кристаллы образовавшегося осадка осаждаются в нижней части смесителя, выполняющей функцию грязевика, и отводятся из него. Фильтрование воды Для очистки воды от грубодисперсных примесей или после осветлителя от тонкодисперсного шлама вода направляется на дальнейшую очистку фильтрованием через пористую среду. Эффективность процесса фильтрования зависит как от физико-химических свойств воды и пористой среды, так и от гидродинамических факторов. В схемах ВПУ чаще применяют адгезионное фильтрование (в объеме слоя). Пористую среду организуют в виде фильтрующего слоя, размещаемого в фильтре. Прилипающие частицы заполняют поры между зернами слоя, при этом сужается сечение для прохода воды и повышается гидравлическое сопротивление слоя, что приводит к росту перепада давления и увеличению срыва уловленных частиц. Постепенно процесс насыщения распространяется в глубь слоя и концентрация примесей начинает в определённый момент увеличиваться. Время работы фильтра от начала пропуска воды до момента проскока примеси называется фильтроциклом. Количество удержанных за это время примесей, отнесенное к объему слоя, составляет его рабочую емкость. Емкость фильтрующего слоя зависит от крупности зерен слоя, их формы, природы материала, скорости потока воды, начальной концентрации примеси в воде, высоты слоя и других факторов. Так с ростом высоты слоя увеличивается рабочая емкость и степень очистки. Однако при этом возрастает гидравлическое сопротивление слоя. Обычно оптимальная высота слоя составляет 1 метр. В качестве фильтрующих материалов на ТЭС в основном используют кварцевый песок, дроблёный антрацит, сульфоуголь, целлюлозу, перлит и др. В настоящее время разработаны новые фильтрующие материалы, обладающие повышенной емкостью поглощения и эффективностью очистки: керамзит, вспененный полистирол, газонаполненных гранул керамзита. В нашей системе широко применяется дроблёный антрацит. Особое внимание должно уделяться правильному подбору и рассеву фракций фильтрующего материала. Фракция зерен антрацита, загруженного в фильтры, должна составлять 0,6 - 1,4 мм при однослойном фильтровании. Осветлительные фильтры можно классифицировать по следующим признакам: фракционному составу фильтрующего материала – насыпные или намывные, давлению – открытые и напорные, количеству слоев – однослойные и многослойные, числу параллельно-работающих камер – однокамерные и многокамерные, способу фильтрования – однопоточные и двухпоточные. В схемах ВПУ ТЭС применяются в основном насыпные напорные однопоточные однокамерные фильтры с числом фильтрующих слоев от одного до двух, а также напорные двухкамерные фильтры. Применение последних позволяет существенно сократить расход металла и площадь, необходимую для установки фильтров. Напорный однопоточный фильтр (рис. 5.1) состоит из цилиндрического сосуда с приваренными к нему сферическими днищами. Внутри фильтра расположены слой фильтрующего материала и дренажно- распределительные устройства, необходимые для равномерного распределения и сбора воды по всей площади поперечного сечения фильтра. Верхнее дренажное устройство выполняется в виде отбойного щитка или стакана с отверстиями, а нижнее расположено на слое кислотоупорного бетона или так называемое “ложное днище” и выполнено в виде трубной системы, состоящей из коллектора с боковыми ответвлениями, снабженными для отвода воды специальными колпачками или щелевыми устройствами. Рис. 5.1. Принципиальная схема осветлительного фильтра насыпного типа: А – подвод исходной воды; Б – отвод обработанной воды; В – подвод промывочной воды; Г- отвод промывочной воды; Д – сброс первого фильтрата; Е – люк для загрузки (штуцер для гидрозагрузки); Ж – гидровыгрузка; И – подвод сжатого воздуха; К – бак промывочной воды; К1 – бак повторного использования промывочной воды Фильтр загружается не полностью, часть полости фильтра остается свободной, для выравнивания эпюры скоростей воды, поступающей на фильтрующий слой и для возможности расширения слоя при его взрыхлении. Режим эксплуатации механических фильтров заключается в обеспечении необходимой степени очистки воды при постоянстве ее расхода, своевременном отключении фильтра на промывку и промывке. Скорость воды при работе фильтра должна составлять 4 – 6 м/ч. Накопление отложений в фильтрующем слое приводит к росту перепада давлений воды и к падению расхода. Чтобы не допустить большого перепада давления воды (0,1 – 0,12 МПа), для интенсификации процесса промывки под слой подают сжатый воздух, что позволяет ускорять процесс промывки и сокращать расход промывочной воды. Промывку механических фильтров проводят осветлённой водой. Обработка воды методом ионного обмена Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперсных примесей и в значительной степени освобождена от коллоидных. Однако основная часть примесей в истинно-растворенном состоянии остается в воде и должна быть удалена из нее. В настоящее время для этого применяют ионный обмен, а также мембранные и термический методы. Сущность ионного метода заключается в использовании способности некоторых материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав примесей воды. При ионном обмене сорбция из раствора ионов одного вида обязательно сопровождается переходом ранее сорбированных ионов другого вида в раствор. Таким образом, при ионном обмене ионы одного вида заменяются ионами другого. Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твёрдой основы (матрицы), на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, т.е. возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твёрдой фазы создается диффузный слой из противоположно заряженных ионов (противоионы). Таким образом, ионит можно представить как твёрдый электролит, неподвижная часть которого представляет одну его подвижную часть, а подвижные противоионы – другую. Следовательно, реакции ионного обмена подчиняются правилам, характерным для реакций обратимость процесса обмена ионов является одной из важных закономерностей, позволяющих экономично использовать ионообменный материал в технологических схемах. При истощении ионита можно, повысив в растворе концентрацию первоначальных обменных ионов, сдвинуть реакцию восстановления ионита в исходное состояние, т.е. произвести регенерацию ионита. Селективность играет очень большую роль в технологии ионного обмена. Физико-химическая сущность селективности при ионном обмене вытекает из закона Кулона. Ясно, что с увеличением заряда иона возрастает и сила притяжения к иониту. При осуществлении ионного обмена путем фильтрования воды через слой в последнем можно выделить три участка: отработавший (а), рабочий (в) и еще не работавший (с) (рис. 6.1). Рис. 6.1. Схема ионообменного процесса в ионитном фильтре: • ионит, насыщенный ионами А; – ионит, насыщенный ионами В Протекая через ионит, насыщенный ионами А, обрабатываемый раствор, содержащий ионы В, будет постоянно контактировать с новыми слоями ионита. Со временем верхние слои ионита отдадут все ионы А и потеряют свою ионообменную способность (а). Вследствие этого переходная зона, в которой происходит ионный обмен (в), будет перемещаться вниз по слою до достижения стационарной ширины. Распределение концентраций обменивающихся ионов в этой зоне называется фронтом фильтрования. В нижних слоях (с) ионит еще полностью насыщен ионами А. На границе между первым и вторым участками располагается зона исходной концентрации ионов, а на границе между вторым и третьим участками располагается зона нулевой концентрации ионов. В определённый момент времени зона нулевой концентрации достигает нижней границы слоя и происходит проскок ионов в фильтрат. Это обычно служит сигналом для отключения фильтра на регенерацию. К этому времени обменная емкость фильтра использована не полностью и, очевидно, что на степень ее использования будет влиять ширина рабочего участка, т.е. область между исходной и нулевой концентрациями удаляемых ионов. Распределение концентраций на этом участке носит название фронта фильтрования. В зависимости от коэффициента селективности обменивающихся ионов может сформироваться острый фронт фильтрования, который переносится параллельно, или размытый (диффузный), расширяющийся при движении по высоте слоя ионита. Ионообменные материалы и их характеристики Ионообменные материалы характеризуются рядом показателей их качества, из которых основными являются: рабочая емкость поглощения, фракционный состав (размер зерен), насыпной вес и коэффициент набухания. Рабочая емкость является наиболее важным показателем качества и зависит о некоторых свойств ионообменного материала и условий его эксплуатации. Все известные ионообменные материалы по химическому составу можно разделить на две групп: минеральные и органические. Минеральные практически не применяются на ТЭС из-за малой емкости поглощения и способности к разложению в кислой среде с выделением кремниевой кислоты. В настоящее время на ТЭС находят применение лишь специально синтезированные иониты органического происхождения. При синтезе создается матрица и в нее вводятся функциональные группы. Имеется несколько путей для этого, но в основном это осуществляется введением функциональных групп в молекулы какого-либо имеющегося нерастворимого в воде органического вещества с последующим введением в его молекулу функциональных групп. По первому пути синтеза получают различные марки сульфоуглей. Для этого фракционированный уголь обрабатывают серной кислотой. Рабочая емкость поглощения сульфоугля при водород-катионировании зависит главным образом от состава исходной воды. В этом случае рабочая емкость сульфоугля увеличивается с ростом удельного содержания иона HCO3- в исходной воде. Величина рабочей емкости поглощения зависит также от концентрации в умягчаемой воде катионов, одноименных обменному, которые называются противоионами. Увеличение концентрации противоионов обуславливает снижение рабочей емкости. Но основное направление синтеза состоит в получении ионитов на основе искусственных смол. Матрица такого ионита представляет собой пространственную сетчатую структуру из углеводородных цепей, которая может быть получена поликонденсацией или полимеризацией. В последние годы все чаще используют полимеризационные смолы, полученные на основе стирола. При полимеризации стирола образуется линейный полимер, который – сшивается‖ с молекулами дивинилбензола с образованием трёхмерной структуры. Функциональные группы, которые придают материалу смолы ионообменные свойства, присоединяются к бензольным ядрам, замещая в них атомы водорода. Группы, придающие ионитам свойства катионитов: сульфогруппа, карбоксильная, фенольная. При контакте с водой функциональные группы катионитов диссоциируют с отщеплением ионов водорода, которые образуют диффузный слой. Монофункциональные катиониты, содержащие сульфогруппы, являются сильнокислотными, а содержащие карбоксильные группы – слабокислотными. Имеются катиониты, содержащие обе группы, например сульфоуголь. Функциональными группами, придающими материалу смолы анионообменные свойства, являются различные аминогруппы (–N, –NH, – NH2) и группы четырехзамещенного аммония (NR3OH). При присоединении первых трех групп образуются слабоосновные аниониты, а последняя группа придает аниониту сильноосновный характер. Аминогруппы сорбируют ионы водорода с образованием комплексов NH3, и последующим образованием диффузного слоя. Группа NR3OH диссоциирует с переходом иона ОН в диффузный слой. Слабоосновные аниониты успешно осуществляют ионный обмен лишь в кислых средах, тогда как у высокоосновных обмен происходит в широкой области значений рН. Качество ионитов определяется рядом физико-химических и технологических свойств, важнейшими из которых являются фракционный состав, насыпная масса, химическая стойкость, механическая прочность, обменная емкость, кислотность или основность. В технологии ионного обмена применяются иониты с диаметром зерен 0,3 – 1,5 мм. Во влажном состоянии иониты набухают и увеличивают свой объем, что надо учитывать при заполнении фильтров. Степень набухания зависит от материала ионита, ионной формы, рН и других факторов и составляет 1,05 – 2. Химическая стойкость ионитов выражается в их способности противостоять растворяющему действию воды и ее примесей. Под действием среды может происходить пептизация ионитов, т.е. переход в коллоидный раствор. Химическая стойкость ионитов зависит от рН среды, природы и концентрации растворенных в ней ионов, от температуры, с повышением которой стойкость снижается. Это обстоятельство является основным препятствием, не позволяющим повышать температуру на фильтрах более 50°С. При нормальных условиях срок службы ионитов может достигать 10 лет и более без ухудшения их химических свойств. Механическая прочность ионитов – истираемость ионитов, которая влияет на потери материала в течение нескольких лет. Годовой износ отечественных ионитов, используемых в различных установках для очистки природных вод и конденсатов, колеблется от 10 до 35 %. В результате периодически требуется досыпать материалы в фильтры и заменять иониты. Обменная емкость является важнейшей технологической характеристикой ионитов. Она выражается количеством ионов, поглощенных единицей массы или единицей объема ионита. Обменная емкость, определенная в момент выравнивания концентрации поглощаемого иона в воде и фильтрате, называется полной. В эксплуатации фильтрование часто прекращается в момент, когда концентрация определенного поглощаемого иона в фильтрате составляет некоторое весьма малое значение – это рабочая емкость. Обменная емкость зависит от условий регенерации, ионной формы, природы поглощаемых ионов, рН среды, скорости потока среды, геометрических характеристик слоя. Процесс ионного обмена циклический. По истощении ионита требуется восстановление его обменной способности – регенерации, при которой используется обратимость процесса обмена ионов. Технология ионного обмена В технологии воды для удаления определенных ионов из воды применяют два процесса: катионирование – удаление катионов и анионирование – удаление анионов. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты получают названия: Н-катионирование, ОН- анионорование и т.п. Соответственно называется и фильтрат, Н- катионированная вода, ОН-анионированная вода. Процесс Na-катионирования используется для умягчения воды, а процессы Н- и ОН-ионирования реализуются совместно в схемах обессоливания воды. Н-катионирование может осуществляться в схемах Н-Na- катионирования воды. Процессы ионирования воды на водоподготовительных установках реализуются в насыпных ионитных фильтрах раздельного и смешанного действий. Натрий-катионирование широко применяется для умягчения воды, т.е. удаления из нее катионов Ca2+ и Mg2+ и имеет самостоятельное значение при подготовке воды малой щелочности для котлов низкого давления и подпитки теплосети. Катионит в данном случае находится в исходном состоянии в натриевой форме. При этом происходит удаление из воды ионов кальция и магния в обмен на эквивалентное количество ионов натрия. 2RNa + Ca2+ R2Ca + 2Na+ 2RNa + Mg 2+ R2Mg + 2Na+ где R – матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной. Анионный состав при натрий-катионировании остается постоянным. Солесодержание воды при обмене ионов кальция на ионы натрия возрастает в 46–40 раз, поскольку вместо одного сорбированного иона кальция в раствор поступают 2 иона натрия. Тот же пересчет при сорбции ионов магния даст увеличение солесодержания в 46–24 раза. Таким образом, солесодержание натрий-катионированной воды несколько выше солесодержания исходной. Поскольку при этом не происходит изменения анионного состава примесей воды щелочность ее не изменяется. Процесс умягчения при натрий-катионировании заканчивается при допустимом значении жесткости фильтрата (5-10 мг-экв/дм3 ) или после замещения всех обменных катионов натрия кальцием и магнием. Для повышения качества умягчения применяют двухступенчатую схему натрий-катионирования (рис. 6.2), т.е. последовательное включение двух фильтров. При этом регенерацию их проводят раздельно прямотоком. Двухступенчатая схема позволяет экономить соль при лучшем качестве фильтрата и снизить расход воды на собственные нужды. Рис. 6.2. Принципиальная схема двухступенчатого Nа-катионирования: Na1 , Na2 – соответственно Nа-катионитные фильтры 1-й и 2-й ступеней Н-катионирование. Процесс Н-катионирования занимает важное место в технологии обработки воды. Назначением Н-катионирования является удаление всех катионов (кальция, магния, натрия) из воды с заменой их на ионы водорода. В кислом фильтрате ионы НСО3- нейтрализуются и трансформируются в молекулы СО2, удаляемого в декарбонизаторе. Все катионы, поступающие вместе с водой на фильтрующий слой, сорбируются в начале процесса в верхних участках этого слоя. Однако по мере срабатывания части слоя катионы, обладающие большей селективностью. Вытесняют сорбированные на этом участке катионы, обладающие меньшей сорбционной способностью и последние сорбируются на последующих по ходу воды участках фильтрующего слоя. Ближе к нижней границе слоя располагается зона поглощения ионов натрия. Таким образом, при Н- катионировании одновременно с основным процессом происходит разрушение бикарбонатной щелочности воды, фильтрат приобретает кислотность. Второй период характеризуется временем после проскока ионов натрия в воду. Серьезным ограничением при регенерации серной кислотой является возможное загипсовывание катионита в результате образования СаSО4. Это обстоятельство заставляет ограничивать крепость регенерационного раствора или осуществлять двухступенчатую регенерацию. В этом случае регенерация производится сначала 0,75% -ным раствором кислоты, а затем, когда основная масса ионов уже вытеснена, 5 – 6 % раствором кислоты. Однако такая схема регенерации создает неудобства при эксплуатации. Другим мероприятием для предотвращения выпадения гипса является ограничение времени контакта регенерационного раствора с катионитом. При противоточной схеме регенерации Н-катионитных фильтров верхняя часть слоя не подвергается регенерации и не участвует в процессе ионного обмена. Ее роль сводится только к удержанию той небольшой части грубодисперсных веществ, которые могут попасть на Н-катионитовый фильтр с осветлённой водой. Анионирование воды производится с целью удаления из нее анионов, при сочетании анионирования с катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов, т.е. химическое обессоливание воды. При фильтровании через слой анионита происходит сорбция анионов, ионы хлора, угольной кислоты и кремниевой кислоты задерживаются в слое фильтрующего материала, а ион ОН- переходит в воду, что повышает рН воды. Согласно ряду селективности для анионов в анионитовом фильтре при использовании низкоосновных анионитов впереди идущей является зона ионов хлора и они первыми проскакивают в фильтрат. Это дает возможность определять время выхода анионитового фильтра на регенерацию по концентрации хлоридов. При использовании высокоосновных анионитов впереди идущей является зона наименее сорбируемой кремниевой кислоты, при достижении которой фронта сорбции кремниевой кислоты нижней границы анионита начинается проскок ее и это соответствует моменту отключения фильтра на регенерацию. Регенерация анионитных фильтров производится 4%-ным раствором едкого натра. Основной задачей при использовании ОН-анионитных фильтров с высокоосновным анионитом в схемах обессоливания является удаление кремниевой кислоты из воды, поэтому важно для повышения емкости анионита по кремниевой кислоте уменьшать содержание более селективного бикарбонат-иона в воде, поступающей на ионирование. В схемах ВПУ это осуществляется путем десорбции СО2 из кислой Н- катионированной воды в деаэраторах или декарбонизаторах. Технологические схемы ионирования Оборудование ионообменной части ВПУ Ионный обмен на ВПУ ТЭС производится в ионообменных фильтрах, которые по крупности используемой фракции разделяют на насыпные и намывные, причем последние в схемах ВПУ не используют. Их применение более эффективно в схемах БОУ для очистки конденсата. Ионитные фильтры насыпного типа различают по технологическому предназначению и способу выполнения технологических схем: 1. ФИПа I – фильтры ионитные прямоточные первой ступени; 2. ФИПа II – фильтры ионитные прямоточные второй ступени; 3. ФИПр – фильтры ионитные противоточные; 4. ФИПр-2П – фильтры ионитные двухпоточно-противоточные; 5. ФИСДНр – фильтры ионитные смешанного действия с наружной (выносной) регенерацией; 6. ФИСДВр – фильтры ионитные смешанного действия с внутренней регенерацией; 7. ФР – фильтры-регенераторы для ФИСД с наружной регенерацией. Насыпные фильтры подразделяются на фильтры 1,2 и 3 ступени. Эти фильтры различаются сортами засыпаемого в них ионита и конструктивными особенностями. В условных обозначениях типоразмеров фильтров первое число после буквенных обозначений указывает на диаметр фильтра, м (1,0; 1,4; 2,0; 2,6; 3,0; 3,4), второе – на условное давление, МПа (0,6 или 1,0). Конструктивные особенности фильтров первой и второй ступеней связаны с расчетными скоростями фильтрования, составляющими соответственно 10-25 и 40-50 м/ч. На рис. 8.1. показаны типовые конструкции Н-катионитных фильтров I, II и III ступеней. Рис. 8.1. Н-катионитные фильтры: а – Н-катионитный фильтр I ступени; б – Н-катионитный фильтр II и III ступеней 1 – подвод обрабатываемой воды; 2 – выход обработанной воды; 3 – подвод взрыхляющей воды; 4 – спуск взрыхляющей воды; 5 – спуск первых порций фильтрата; 6 – подвод регенерационного раствора при последовательной регенерации; 7 – подвод регенерационного раствора при обычной регенерации; 8 – расходомерная шайба; 9 – линия к манометру на входе воды; 10 – линия манометра на выходе воды; 11 – воздушник; 12 – верхний люк; 13 – нижний люк; 14 – люк для гидроперегрузки; 15 – катионит; 16 – верхнее распределительное устройство; 17 – дренажное устройство Фильтр состоит из корпуса, верхнего и нижнего распределительных устройств, трубопроводов с арматурой и контрольно-измерительный прибор. Нижняя распределительная система, служащая для удержания ионита и отвода фильтрата или заделывается в специальный бетон или образуется “ложное днище”. Верхняя распределительная система служит для равномерного распределения воды и регенерационного раствора по слою ионита. Система трубопроводов, подключенных к фильтру, обеспечивает проведение всех необходимых технологических операций при его эксплуатации. Фильтры 1-й ступени отличаются большей высотой и двойным верхним распределительным устройством, одно из которых предназначено для распределения воды, а другое – для регенерационного раствора. Необходимость двойного устройства вызвана резким различием скоростей потоков воды и регенерационного раствора через слой ионита. Нижнее распределительное устройство состоит из коллектора, к которому присоединены распределительные трубы с заглушенными верхними концами, имеющие по всей длине отверстия, перекрытые сверху общим щелевым желобком. Ширина щелей в желобках составляет 0,4±0,1 мм. Противоточный ионитный фильтр отличается от прямоточного наличием средней дренажной системы, расположенной в верхней части фильтра таким образом, чтобы при загрузке ионитом высота его слоя над средней дренажной системой составляла около 0,2 м. Эта система рассчитывается лишь на отвод регенерационного раствора при регенерации фильтра. Ступенчато-противоточные фильтры в настоящее время изготовляется из двух корпусов, причем один надстраивается над другим. Оба корпуса связываются между собой трубопроводами, которые вместе с запорной и измерительной арматурой образуют фронт фильтра. Технологии очистки воды от растворенных газов методами дистилляции. Технологии обработки воды. Десорбция газов из воды Вода, используемая в технологических процессах на ТЭС содержит различные растворенные в ней газы. Наличие газов объясняется их сорбцией и протеканием химических реакций в процессе образования примесей в природной воде, так и появлением их в процессе очистки, а также вследствие присосов в конденсаторах турбин и насосах. Растворенные в воде газы можно разделить на химически не взаимодействующие и химически взаимодействующие с водой и ее примесями. Эти газы можно разделить также на коррозионно-активные и инертные. Растворенные в воде газы (кислород и углекислота) вызывают коррозию оборудования ВПУ. Кроме того, в схемах ВПУ вода, содержащая кислород вызывает “старение" анионитов, а наличие в ней углекислоты приводит к нецелесообразному уменьшению емкости высокоосновных анионитов по ионам кремниевой кислоты. Концентрация газов в воде зависит от многих факторов, основные из них следующие: физическая природа газов, степень насыщения, давление в системе и температура воды. Растворимость каждого газа в воде будет зависеть от парциального давления его в смеси. Основным условием процесса удаления данного газа из воды путем десорбции является снижение его парциального давления над водой. Осуществить его можно как снижением общего давления смеси газов над водой, так и уменьшением парциального давления данного газа без снижения общего давления газовой смеси. На практике в последнем случае снижение давления данного газа достигается увеличением парциального давления водяных паров над поверхностью воды. Этот способ универсален, так как при его использовании из воды удаляются в той или иной степени все растворенные газы, и часто применяется на практике в виде термической деаэрации, когда десорбция газов производится при одновременном нагреве воды до температуры кипения при данном давлении, что существенно интенсифицирует процесс. При подготовке добавочной воды в схемах ВПУ удаление газов после Н-катионирования должно осуществляться с очень малым подогревом воды. В этом случае возможно применении деаэрации воды при давлении в деаэраторах ниже атмосферного. При этом снижение общего давления в деаэраторах приводит к понижению парциальных давлений всех газов, растворенных в воде и, следовательно, к их десорбции. Этот процесс осуществляется в вакуумных деаэраторах. Если задача состоит в том, чтобы удалить из воды какой-либо один газ, то можно, не снижая общего давления, понизить парциальное давление данного газа, продувая воду газом, не содержащим десорбируемого газа (десорбционное обескислороживание, декарбонизация воды). К недостаткам вакуумных деаэраторов следует отнести необходимость иметь устройство для создания вакуума и отвода выпара, большую металлоемкость, дополнительные затраты на создание вакуума. Преимуществами их являются сокращение затрат на подогрев воды и возможность деаэрации при температуре 313-343 К. Эффект деаэрации зависит от конструктивного решения деаэратора и от режима его работы. При барботаже пара через воду происходит достаточно глубокое удаление газов из деаэрированной воды и достаточно хороший нагрев. Однако для барботажа требуется пар повышенного давления. Объясняется это развитой поверхностью соприкосновения пара и воды. В струйных деаэраторах выделение газов из воды и ее нагрев происходят с меньшей эффективностью, но они имеют меньшее гидравлическое сопротивление. Поэтому часто конструкция деаэратора предусматривает комплексное применение обоих методов, причем барботаж пара организуется как в деаэрирующей колонке, так и в аккумуляторном баке. Основными режимными параметрами при работе деаэраторов являются температура воды в деаэраторе и удельный расход отводимого пара (выпар). Недогрев воды в деаэраторе даже на 1К до температуры насыщения значительно снижает эффект десорбции газов. Схема вакуумного струйно-барботажного деаэратора представлена на рис. 9.1. Вода, направляемая на деаэрацию, попадает на верхнюю перфорированную тарелку и затем струями стекает на нижерасположенную тарелку и т.д. Пар подводится в свободный объем деаэратора под нижнюю тарелку и, двигаясь вверх, поперечно обтекает струи воды. Часть пара подается в нижний объем деаэратора, заполненный водой. Этот пар барботирует через воду и также проходит через объем деаэратора. Выходящий пар (выпар), обогащенный газами, попадает в охладитель выпара и затем отводится из деаэратора. Деаэрированная вода отводится из нижней части деаэратора. Деаэраторы типа ДСВ удаляют кислород и углекислоту из воды значительно более эффективно, чем струйные деаэраторы. Рис. 9.1. Конструктивная схема деаэрационной колонки струйно-барботажного типа: 1 – подвод воды; 2 – смесительное устройство; 3 – переливное устройство; 4 – дырчатая тарелка; 5 – пароперепускная тарелка; 6 – сливной канал; 7 – барботажная тарелка; 8 – переливной порог; 9, 15 – гидрозатворы; 10 – корпус; 11 – водослив; 12 – бак-аккумулятор; 13 – подвод пара; 14 – пароперепускная труба; 16 – барботажный слой; 17 – отвод выпара. Как известно, можно не только десорбировать из воды одновременно все газы, растворенные в ней, но также и осуществлять избирательную десорбцию какого-либо газа. Это достигается согласно закону Генри снижением парциального газа над водой без снижения общего давления и подогрева воды, что позволяет снизить энергетические потери процесса десорбции. Практически это осуществляется продувкой воды смесью газов, в составе которой адсорбируемый газ или отсутствует или, что чаще, его концентрация низка. В схемах ХВО, чтобы повысить обменную емкость высокоосновных анионитов, необходимо удалить из воды углекислоту. Осуществляется это в специальных аппаратах – декарбонизаторах – путем продувки воды воздухом. По способу распределения воды и воздуха декарбонизаторы разделяются на пленочные и барботажные. Пленочные декарбонизаторы более экономичны, так как имеют низкое гидравлическое сопротивление, что позволяет применять вентиляторы с напором воздуха 210-3 МПа. Рис. 9.2. Принципиальная схема декарбонизатора: 1 – цилиндрический стальной бак; 2 – насадка (кольца Рашига); 3 – патрубок для выхода воздуха с углекислотой; 4 – патрубок для подачи воды; 5 – распределительные сопла; 6 – щит; 7 – патрубок для подачи воздуха вентилятором; 8 – патрубок для очищенной воды Плёночный декарбонизатор (рис. 9.2) представляет собой колонку, заполненную насадкой (кольца Рашига) для увеличения поверхности соприкосновения воды и воздуха. Вода подается в декарбонизатор сверху и растекается тонкой плёнкой по насадке. Воздух, нагнетаемый вентилятором, движется в насадке навстречу потоку воды и затем вместе с отделившимися газами выводится через верхний патрубок. В барботажном декарбонизаторе воздух вводится через распределительное устройство, расположенное в нижней части колонки и барботирует через слой воды. Эти декарбонизаторы применяются редко, так как для них требуется более высокое давление воздуха, а, следовательно, и установка компрессоров. Расход воздуха в пленочном декарбонизаторе принимается равным 20 м3/м3 воды, а в барботажном 10 м3/м3 воды. Кроме физико-химических факторов большое влияние на эффективность процесс декарбонизации оказывает величина рН, которая регулирует соотношение форм угольной кислоты в воде. С уменьшением рН в воде увеличивается концентрация СО2 за счет разложения НСО3 и СО3 и возрастает эффективность процесса декарбонизации, при рН более 10 углекислота переходит в ионную форму и вода начинает поглощать углекислоту из воздуха. Химические методы удаления газов из воды Как следует из закона Генри, применение физических методов позволяет удалять газ из воды лишь до известного предела, но не всегда имеется возможность и необходимость устанавливать достаточно сложные аппараты для удаления газов из воды. Поэтому на ТЭС повсеместно используются химические методы обработки питательной и подпиточной воды, которые можно подразделить на две группы: методы связывания газов путем пропуска воды через материалы, реагирующие с газами и методы связывания газов путем ввода сильных восстановителей. Связывание газов различными материалами проводится в процессах фильтрования воды. Так при пропускании воды через слой стальных стружек кислород связывается металлом. Для полного обескислороживания воды при 333-343 К достаточно 5-6 минут ее контакта с металлом. Если использовать в качестве фильтрующей среды крошку мраморную или магномассу, то пропуская через них воду, можно перевести свободнорастворенный СО2 в целях защиты оборудования от коррозии. При удалении из питательной воды путем деаэрации остаточные концентрации его в питательной воде в зависимости от типа деаэратора составляют 10-50 мкг/кг. Этот остаточный кислород удаляют введением в воду сильных восстановителей. Для обескислороживания питательной воды барабанных котлов низкого и среднего давления применяют сульфит натрия, при введении которого кислород связывается с образованием хорошо растворимого и неопасного в коррозионном отношении сульфата натрия. При сульфитировании увеличивается солесодержание питательной воды, поэтому его нельзя применять как метод обработки питательной воды прямо-точных котлов. В этом случае применяют гидразин в виде гидразингидрата, который при взаимодействии с кислородом окисляется до безвредных веществ без повышения солесодержания воды. Гидразин вводится в воду с избытком против стехиометрического с учетом того, что часть его расходуется на восстановление высших окислов железа и меди из отложений на трубах. Следует иметь в виду, что соединения гидразина высокотоксичны, а гидразингидрат при концентрации выше 40 % горюч. Поэтому при работе с гидразином на ТЭС должны приниматься специальные меры безопасности. Метод термического обессоливания воды. Термическое обессоливание в испарителях кипящего типа На многих ТЭС восполнение потерь пара и конденсата производится дистиллятом, получаемым в испарительных установках. Такой метод подготовки воды называется термическим обессоливанием. При термическом обессоливании из воды, содержащей различные растворенные в ней вещества, получают пар, который затем конденсируют. В тепловых режимах, при которых работают испарители, с паром уносится лишь очень небольшое количество капель, содержащих эти вещества. Устройства по очистке пара позволяют и этот унос многократно уменьшить. Поэтому получаемый на испарительных установках дистиллят пригоден для использования в качестве добавочной воды для любых современных паровых котлов. Вводимые в испаритель с водой растворенные в ней вещества выводятся из аппарата с продувкой. В настоящее время в основном дистиллят производят из воды, предварительно умягченной на ионитных фильтрах. Однако имеются испарительные установки, для питания которых применяется вода, прошедшая упрощенную обработку, а также испарители, работающие на сырой воде. При работе испарителя к нему непрерывно подводятся пар и вода, подлежащая обработке. Если парообразование происходит на поверхностях греющих элементов испарителя, то для того чтобы исключить возможность образования накипи на них, поступающая в испаритель вода должна быть умягчена. Обычно в испарителях такого типа пресная вода умягчается одним из следующих методов: • двухступенчатое Na-катионирование с предварительным известкованием и коагуляцией. • Н-Nа-катионирование. • Cl-Nа-катионирование. Умягчение морской воды такими методами не ведется, так как это потребовало бы громадного расхода реагентов. Морская вода может быть умягчена термохимическим методом с предварительным известкованием. Подготовка воды для испарителей указанными методами требует сравнительно больших затрат. Кроме того, при восстановлении ионитов и нейтрализации промывочных вод фильтров расходуются реагенты, которые затем попадают в сбросные воды, увеличивая их солесодержание. В последние годы разработаны испарительные установки, которые могут работать на питательной воде, не прошедшей обработку ионированием. При применении таких установок химические реагенты в процессе подготовки добавочной воды на ТЭС не используются или используются в ограниченных количествах. Существуют одно- и многоступенчатые испарительные установки. В настоящее время в России наибольшее распространение получили испарители с греющими элементами погруженными в жидкость. Такие испарители называются испарителями поверхностного типа для паротурбинных электростанций. Основными элементами испарителя являются вертикальный цилиндрический корпус, греющая секция и устройства по промывке и очистки пара. Греющая секция состоит из обечайки и двух приваренных к ней трубных досок, в которые ввальцованы стальные трубки. В корпусе испарителя секция закрепляется на лапах, приваренных к верхней части ее. Центральная часть греющей секции трубками не заполнена и в нее по трубе подается греющий пар. При работе испарителя нижняя часть корпуса заполнена водой, уровень которой поддерживается регулятором над греющей секцией. Греющий пар конденсируется на наружных поверхностях трубок и отдает теплоту находящейся в них воде. Перегородки разделяют паровой объем греющей секции на несколько частей и обеспечивают движение пара перпендикулярно осям кипятильных трубок от оси греющей секции к периферии в первой и третьей частях и от периферии к оси во второй и четвертой. Обратный осмос и ультрафильтрация Методы обратного осмоса и ультрафильтрации заключаются в фильтровании растворов через специальные полупроницаемые мембраны. При этом либо мембрана пропускает только молекулы растворителя (воды), либо частично с растворителем проходят ионы и молекулы задерживаемых веществ. При обратном осмосе осуществляется отделение частиц (молекул, гидратированных ионов), размеры которых сопоставимы с размерами молекул растворителя, тогда как при ультрафильтрации минимальные размеры задерживаемых частиц на порядок больше, причем максимальные их размеры не должны превышать 0,5 мкм. Если частицы имеют размеры более 0,5мкм, для их отделения необходимо применять собственно фильтрование. Иногда нижний предел частиц, удаляемых ультрафильтрацией, характеризуют их молекулярной массой, равной 500. Рис. 13.1. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса: а – начало осмотического переноса; б – равновесное состояние; в – обратный осмос; 1 – пресная вода; 2 – соленая вода; 3 – мембрана В основу процесса обратного осмоса (рис. 13.1) положено явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через специальную полупроницаемую перегородку в раствор. Если какую-либо ячейку разделить мембраной и залить левую часть чистой водой, а правую раствором, то будет наблюдаться самопроизвольный переход молекул воды из левой части в правую. Движущей силой процесса при этом является разность концентраций воды в левой и правой частях ячейки. При этом уровень воды в левой части ячейки будет понижаться, а в правой – повышаться. Вследствие возникновения гидравлического напора за счет разности уровней воды в обеих частях ячейки вода будет переходить из правой части ячейки в левую, причем скорость перехода воды слева направо будет падать вследствие убывания разности концентраций примесей по обе стороны мембраны (разбавление раствора в правой части ячейки), а скорость перехода воды справа налево будет возрастать из-за увеличения разности уровней по обе стороны мембраны. Естественно, что при определенном гидростатическом давлении наступит равновесие такой системы, когда уровни в обеих частях ячейки не будут изменяться. Гидростатическое давление, соответствующее равновесному состоянию такой системы, называется осмотическим давлением. Если со стороны раствора приложить внешнее давление, превышающее осмотическое, то скорость перехода воды из раствора будет большей, чем воды в раствор. Таким образом, движущая сила процесса обратного осмоса с учетом того, что мембраны обычно пропускают некоторое количество ионов вместе с водой и фильтрат представляет собой раствор, но значительно менее концентрированный, чем исходный. Осмотическое давление зависит от химической природы растворенного вещества и его концентрации. При разделении воды и растворенных в ней примесей требуются затраты энергии не менее определенного ее количества, равного необходимому для обратимого отделения воды. Минимальная энергия, требующаяся для обратимого переноса 1 моля воды через мембрану, например при разделении морской воды, оценивается в 45,2 Дж/моль. Это значение получено термодинамическим расчетом и поэтому справедливо для любых процессов разделения морской воды. Поскольку в реальных процессах производительность установок должна быть технологически приемлемой, то и рабочее давление в них должно значительно превосходить осмотическое. Обычно рабочее давление поддерживается в интервале 5-8 МПа. В растворах, содержащих высокомолекулярные вещества с максимальным диаметром частиц 0,5 мкм, осмотическое давление пренебрежимо мало. Для их разделения применяют процесс ультрафильтрации на специальных мембранах, пропускающих лишь воду, ионы и молекулы низкомолекулярных соединений. В этом случае рабочее давление в аппарате не превышает 0,5 МПа. Обратный осмос и ультрафильтрация принципиально отличны от процессов фильтрования, так как при их осуществлении образуется не осадок, как при фильтровании, а лишь два раствора с разными концентрациями примесей. Образование же осадка на мембранах недопустимо во избежании их засорения и снижения эффективности работы. Несмотря на кажущуюся простоту процесса обратного осмоса и ультрафильтрации до настоящего времени нет единого взгляда на механизм перехода воды через мембраны. Существует несколько гипотез, объясняющих процесс отделения воды от солей при фильтровании воды через мембрану: гиперфильтрационная, сорбционная, диффузионная, электростатическая и др. Среди них наибольшее применение имеют две первые гипотезы. Согласно сорбционной модели механизм перехода воды через мембрану заключается в адсорбировании на поверхности мембраны и в ее порах молекул воды. В результате чего образуется слой пресной воды. Считается, что вода в этом слое обладает аномальными свойствами: почти полной потерей растворяющей способности, пониженной подвижностью. При диаметре пор мембраны диаметром менее 2 длин через них будет проходить только воды, а растворенные вещества будут задерживаться. Большинство советских исследователей придерживаются гиперфильтрационной гипотезы, согласно которой в полупроницаемой мембране имеются поры с диаметром, достаточным чтобы пропускать молекулы воды, но малые для прохождения гидратированных ионов и молекул растворенных веществ. Однако в реальных мембранах невозможно практически создать поры одинакового размера и поэтому всегда имеются крупные поры, через которые могут проходить кроме молекул воды также и гидратированные ионы, что и объясняет явление селективности. Таким образом, если мембрана разделяет чистую воду и раствор, то в какой-то момент времени растворенная в воде частица может перекрыть полностью пору в мембране для прохода воды, но в другой момент времени частица скачком откроет пору для молекулы воды. Эффективность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации в значительной степени определяется свойствами применяемых мембран, которые должны отвечать следующим требованиям: он должен обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной проницаемостью, устойчивостью к действию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, иметь низкую стоимость. Проницаемость зависит от состава раствора, внешнего давления и типа мембраны. При эксплуатации под влиянием высокого давления воды и засорения мембран их проницаемость снижается. Селективность разделения зависит как от свойств мембраны, так и от свойств разделяемых веществ, в частности от диаметров ионов в гидратированном состоянии. Она увеличивается с возрастанием этих диаметров. Установлено, что селективность мембраны улучшается с увеличением заряда ионов. При движении раствора над мембраной происходит непрерывный отток воды через нее и концентрация примесей в потоке возрастает. При этом максимальная концентрация наблюдается у поверхности мембраны. Повышение концентрации солей у поверхности мембраны приводит к увеличению осмотического давления и возможности образования осадка на мембране. Рис. 13.2. структура ацетилцеллюлозной мембраны: 1 – активный слой; 2 – поддерживающий слой Наибольшее распространение получили в настоящее время пористые синтетические мембраны, которые получаются введением в полимер добавок с последующей операцией вымывания или удаления растворителей из растворов полимеров в условиях, препятствующих усадке каркасной структуры полимера. Наибольшее распространение получили анизотропные ацетилцеллюлозные мембраны (рис. 13.2), получаемые коагуляционным путем. Хорошие свойства таких мембран объясняются высокой способностью ацетата целлюлозы к пленкообразованию, высокой проницаемостью для воды и низкой для большинства водорастворимых соединений. Для ультрафильтрации применяются в основном полиэлектролитные мембраны. По структуре они аналогичны ацетилцеллюлозным, но имеют относительно большой диаметр пор. В последнее время в промышленности применяются следующие аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации с плоскими мембранами, с трубчатыми мембранами, которые укладываются внутри перфорированных трубок, со спиралевидными (рулонными) мембранами, с мембранами в виде полых волокон. Разнообразие фильтрующих элементов и аппаратов объясняется, прежде всего, стремлением упаковать в единицу объема аппарата как можно большую фильтрующую поверхность, чтобы снизить его габариты, а также желанием учесть эксплуатационные возможности для проведения процесса обратного осмоса. В настоящее время аппараты для очистки воды методом обратного осмоса используются как в схемах ВПУ, так и для очистки сточных вод. При использовании многоступенчатых установок можно получить фильтрат с содержанием солей, близким к фильтрату Н-ОН-ионитных фильтров, что позволит на доочистки такого фильтрата иметь лишь ФСД. При такой схеме подготовки воды потребление реагентов на ВПУ будет резко ограничено. Метод обратного осмоса используется без ионитных фильтров при подготовке добавочной воды для котлов с давлением до 4Мпа. Обратный осмос используется также для очистки бытовых стоков и продувочных вод градирен с использованием фильтрата в цикле ТЭС.