анализ изменения состава регенерационных растворов в

Труды Одесского политехнического университета, 2007, вып. 2(28)
76
В.А. Кишневский, канд. техн. наук, проф.,
Е.В. Кишневский, инженер,
Одес. нац. политехн. ун-т
УДК 621.187.12
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ
РАСТВОРОВ В ПРОЦЕССЕ РЕГЕНЕРАЦИИ ИОНИТОВ
В.П. Кишневський, Є.В. Кишневський. Аналіз
змін складу регенераційних розчинів в процесі
регенерації іонітів. Подано аналіз та схеми розрахунків складу регенераційних розчинів для відновлення катіонітів та аніонітів.
V.P. Kishnevsky, E.V. Kishnevsky. Analysis of
composition in regeneration solutions in the
process of ion-exchangers regeneration. The
analysis and the calculation charts of regeneration
solutions composition for reduction of cation- and
anion-exchangers are presented.
Во избежание выпадения труднорастворимых солей на ионитах в процессе регенерации
необходимо оценивать гипотетический состав использованных регенерационных растворов, а
также возможность их использования или нейтрализации, обезвоживания и утилизации [1, 2].
В процессе регенерации фильтра растворами кислоты с заданным удельным расходом q
( мг/г-экв ), коэффициентом избытка α ( мг-экв/мг-экв ) и концентрацией С (мг-экв/дм3) в регенерационный раствор из ионита выводятся ионы пропорционально уровню их поглощения на
+
в
рабочей стадии. Кислотность раствора после фильтра определяется избытком кислоты Низб
регенерационном растворе.
Коэффициент избытка регенерационного раствора определяется как отношение удельного
количества регенерационного раствора в мг-экв на дм 3 ионита к суммарному количеству ионов, поглощенных ионитом в мг-экв/дм 3 .
При одноступенчатом ионировании коэффициент избытка реагента
α1 =
Н +р исх
ΔKtН1
,
где Н +р исх – заданное количество ионов Н+, необходимое для регенерации единицы объема
ионита до определенного уровня;
ΔKtH1 — количество катионов, сорбированных единицей объема ионита в фильтре Н первой ступени.
При двухступенчатом ионировании с противоступенчатой регенерацией по ступеням и
прямотоке в фильтрах на вторую ступень с сильнокислотным катионитом (СКК) подается чистый раствор реагента, рассчитанный для обоих фильтров с заданным коэффициентом избытка
α ∑1,2 . На следующий по ходу регенерации фильтр поступает раствор, истощенный по Н+ на
величину катионов, выведенных из Н-фильтра второй ступени.
Количество ионов Н+ в регенерационном растворе на оба фильтра определяется из выражения
β ∑ I,II = α ∑ I,II ΔKtН I,II , мг-экв,
где ΔKtН I,II - сумма катионов, сорбированных фильтрами двухступенчатой установки;
α ∑ I,II — коэффициент избытка реагента.
Количество реагентов, необходимых для регенерации ионитовых фильтров, рассчитывается как
GH2SO4 = QαΔKtН I,II ЭH2SO4 , GNaOH = QαΔAn OHI,II Э NaOH , кг,
Труды Одесского политехнического университета, 2007, вып. 2(28)
77
GH2SO4 = QdH2SO4 , GNaOH = Qd NaOH , кг,
где Q – количество воды, подлежащей обработке, м3;
d H2SO4 , d NaOH — расход кислоты или щелочи на 1 м3 обрабатываемой воды, кг.
Для расчета ионного состава регенерационных растворов после завершения процесса регенерации в каждом фильтре необходимо уточнить коэффициенты избытка ионов Н+ в исходβ ∑ I,II
β
− ΔKtНII
ном регенерационном растворе для каждого фильтра как α II =
, α I = ∑ I,II
, и изΔKtНII
ΔKtНI
бытки ионов водорода в регенерационном растворе, подаваемом на фильтры, составят:
CНизбII =
α −1
α II − 1
(СH2SO4 − ΔKtрІІ ) , мг-экв/дм3.
СH2SO4 , CНизбI = I
αI
α II
В предыдущем выражении
СН 2 SO4 = p106 ρк / Эк ,
где Эк — эквивалент кислоты;
ρк — плотность кислоты, кг/дм3;
р — концентрация кислоты, %.
ΔKtрІІ — количество катионов, выводимых в регенерационный раствор после Нкатионитного фильтра второй ступени.
Для 4 % раствора H2SO4 CH SO = 837 мг-экв/дм3.
2
4
Тогда изменение ионного состава регенерационного раствора в процессе регенерации Нфильтра второй ступени можно представить в виде схемы 1.
Схема 1
Истощенный
катионит
фильтра второй
ступени
⎡Са 2+ ⎤
⎢
⎥
⎢ Mg 2+ ⎥
R ІІ− ⎢ + ⎥
⎢ Na ⎥
⎢
⎥
+
⎢ H ост
⎥
⎣
⎦
Чистый
раствор
кислоты
–
–
–
+
Н
Отработанный
регенерационный
раствор после
фильтра
Отрегенерированный катионит
R ІІ−
=
+
р.исх
2+
⎡ Са ост
⎤
⎢
⎥
2+
⎢ Mg ⎥
ост
⎢
⎥
+
⎢ Na ост
⎥
⎢
⎥
⎢H + ⎥
⎣
⎦
+
Ca 2рІІ+ ⎫
⎪⎪
Mg2рІІ+ ⎬ ΔKtрII
+ ⎪
Na рІІ
⎪⎭
+
Низб_рІI
∑ Kt
∑ Kt
SO24р− исх
SO
∑ An
∑ An
pII
2−
4pII
pII
+
pH = −lgfHизбрII
Концентрации выведенных в регенерационный раствор ионов Ca 2pII+ , Mg 2pII+ и Na +pII рассчитываются как отношение содержания их в фильтрате после НI ступени ко всему количеству катионов ΔKt , поглощенных на рабочей стадии фильтра НII ступени [2]:
Ca pII = (CH2SO4исх − CH+ )
избII
ΔСa 2НII+
ΔKtII
, мг-экв/дм 3 ,
Труды Одесского политехнического университета, 2007, вып. 2(28)
78
Mg pII = (CH2SO4исх − CH+ )
избII
Na pII = (C H2SO4исх − C H+ )
избII
ΔMg 2НII+
ΔKtII
ΔNa +НII
ΔKtII
, мг-экв/дм3,
, мг-экв/дм3.
При расчете ионного состава регенерационного раствора после НI ступени концентрации
Ca pI , Mg 2рІ+ и Na +pI рассчитывают как отношение поглощенных катионов ΔСа 2НІ+ , ΔMg 2НІ+ и
2+
ΔNа +НІ ко всему количеству катионов ΔKt 1 , поглощенных на рабочей стадии фильтра НI ступени. Вместо величины C H 2SO 4 исх следует подставлять текущие концентрации использованного
регенерационного раствора фильтра второй ступени C Hт 2SO4pII .
Использованный регенерационный раствор Н-катионитового фильтра второй ступени (НII)
является исходным для Н-катионитного фильтра первой ступени (НI). Как видно из схемы 1 в
результате регенерации в этот раствор из ионита переходят противоионы Ca2+, Mg2+ и Na+,
суммарная концентрация которых стехиометрически равна убыли ионов Н+ из исходного регенерационного раствора.
В начальный период регенерации концентрация выведенных катионов максимальна соответствует 0,8 ΔKtНІІ , а концентрация ионов Н+ (кислотность) в первых порциях регенерационного раствора, покидающих фильтр НII ступени, близка к нулевой. Текущие значения:
′ =0.
CHн 2SO4 pII = CH2SO4 исх − 0,8ΔKtрІІ
По изменению кислотности регенерационного раствора можно оценить концентрации
противоионов в процессе регенерации.
При завершении процесса регенерации Н II фильтра концентрация противоионов во всем
объеме регенерационного раствора снижается, приближаясь к расчетной за весь цикл регенерации. Кислотность регенерационного раствора в конце процесса примет расчетные значения:
′ =0.
CHн 2SO4 pII = CH2SO4 исх − 0,8ΔKtрІІ
Для увеличения эффективности регенерации следующего по ходу НI фильтра первые порции нейтральных регенерационных растворов (сульфаты кальция, магния и натрия) дренируют
вплоть до появления кислотности. Величина дренажа при αII ≥ 5…3,5 соответствует 0,5...0,7
объема ионита в фильтре (по данным авторов).
При сбросе в дренаж первых порций регенерационного раствора концентрация Н+ противоионов можно значительно уменьшить.
Соответственно
СH′ 2SO4 рІІ = СH2SO4исх − 0, 2ΔKtНІІрасч .
С учетом этих рассуждений для определения ионного состава регенерационного раствора
после НI действительны выражения
Са 2pI+ = (СH2SO4 рІІ − СН +
изб1
)
ΔСа 2+
HI
ΔKtI
,
Mg 2рІ+ …, Na +pI …..
Изменение ионного состава регенерационного состава Н-катионитного фильтра первой
ступени показано на схеме 2.
Коэффициент избытка регенерационного раствора будет снижаться от слоя к слою, приближаясь к 1 на выходе из фильтра, что повлечет ухудшение полноты регенерации СКК и
практически не повлияет на регенерацию СлКК.
Труды Одесского политехнического университета, 2007, вып. 2(28)
79
Схема 2
Отработанный
регенерационный раствор
фильтра второй
ступени
Истощенный
катионит фильтра
первой ступени
⎡Са2+ ⎤
⎢
⎥
⎢Mg2+ ⎥
R−І ⎢ + ⎥
⎢Na ⎥
⎢
⎥
+
⎢Hост
⎥
⎣
⎦
Отрегенерированный
катионит
фильтра
первой ступени
⎡Са 2+ ⎤
⎢
⎥
⎢Mg 2+ ⎥
⎥
R −ІІ ⎢
⎢ + ⎥
⎢ Na ⎥
⎢ + ⎥
⎣H
⎦
Ca2рІІ+
Mg2рІІ+
+
NaрІІ
+
Низб_рІІ
+
∑Kt
рІІ
SO24pI−
=
Отработанный
регенерационный раствор
фильтра первой ступени
2+
⎫
Ca 2рІІ+ + Ca рІ
⎪
2+ ⎪
Mg 2рІІ+ + Mg рІ
⎬ Δ Kt рII + Δ Kt рI
⎪
+
+
Na рІІ + Na рІ ⎪⎭
+
+
= Н изб_рІI
−
Н изб_рІ
− (Ca 2рІ+ + Mg 2рІ+ + Na +рІ )
∑ Kt
+
∑An
−
SO 24исх
∑ An
+
pH = −lgfHизб
+
pH = − lgfH изб
рІІ
Ионит фильтра второй ступени ионирования регенерируется более чистым регенерационным раствором с коэффициентом избытка α НII >> α НI , что обеспечивает полную регенерацию
слоев ионита и соответственно хорошее качество фильтрата при использовании СКК.
Исходя из приведенного можно заключить, что при использовании двухступенчатой схемы ВПУ с противоточной ступенчатой регенерацией и прямотоке в фильтрах, можно получить
фильтрат, по качеству не уступающий фильтрату ВПУ с противоточной регенерацией в фильтре, но с более высокими расходами воды на собственные нужды.
Порядок расчета гипотетического состава регенерационного раствора щелочи при анионировании аналогичен приведенному для катионирования.
При необходимости оценки гипотетического состава регенерационных растворов катионита и анионита фильтра смешанного действия, рассматривается трехступенчатая схема ионирования с использованием видоизмененных для этой схемы ранее приведенных уравнений и схем.
Полученные значения рН использованных регенерационных растворов после Нкатионитного фильтра и ОН-анионитного фильтра первой ступени дают возможность выбрать
оптимальные коэффициенты избытка кислоты и щелочи в исходных регенерационных растворах. Это позволяет получать при смешивании отработанных регенерационных растворов нейтральные стоки операции нейтрализации отработанных регенерационных растворов.
Расчетное значение концентрации ионов Са 2+ в регенерационном растворе дает возможность выбирать оптимальную концентрацию ионов SO 24− , т.е. процентное содержание серной
кислоты в исходном растворе во избежание кристаллизации CaSO4 на ионите.
Приведенные в статье данные легко трансформируются в программный продукт для расчета режимных показателей эксплуатации ВПУ.
Литература
1. Кишневский В.А. Современные методы обработки воды в энергетике: Учеб. пособие. — Одесса:
ОГПУ, 1999. — 196 с.
2. Кишневский В.А. Анализ изменения состава обрабатываемой воды в процессе многоступенчатого ионирования // Тр. Одес. политехн. ун-та. — Одесса, 2007. — Вып. 1(22). — С. 71 — 77.
80
Труды Одесского политехнического университета, 2007, вып. 2(28)
Поступила в редакцию 20 марта 2007 г.