Розрахунок цеху виробництва знесолювання води

, (1.2.12)

де - продуктивність системи по перміату, м3/год;

- змочена поверхня елемента (по специфікації), м2.

Далі необхідно задати кількість мембранних елементів в одному корпусі (звичайно 6), і кількість корпусів:

(1.2.13)

Потім необхідно визначити співвідношення числа елементів у ступенях:

, (1.2.14)

де n - число ступеней системи.

Для двоступінчастої (n=2) системи кількість корпусів у першій ступені:

, (1.2.15.)

Кількість корпусів у другій ступені:

(1.2.15)

Попередньо задавшись , знаючи вихід перміата у відсотках і одержуємо необхідну витрату живильної води:

(1.2.16)

8) Робота на продавлювання 1м3 води А, кДж, розраховується за

формулою:

, (1.2.17)

або в кВт·год:

, (1.2.18)

де - перепад тиску на мембрані, кПа,

- об'єм рідини, що продавлюється, м3

1.3 Якість цільового продукту, сировини та допоміжних матеріалів

Сировиною для виробництва знесоленої води є попередньо підгото- влена (пом'якшена) вода, для запобігання утворення корбонатних відкладень на поверхні мембрани та створення максимального ступеня концентрування і відповідної рециркуляції системи. В системі зворотнього осмосу є чотири матеріальні потоки: вихідна, рециркуляційна, зконцентрована та знесолена вода. Склад води, що подається на мембранні елементи наступний:

Таблиця 1.3.1 - Склад пом'якшеної води

Вихідна вода
Йон	Концентрація мг\л	Концентрація мг*екв\л
Ca2+	0.6	0,0
Mg2+	0,2	0,0
Na+	132,6	5,7
K+	30,0	0,8
NH4+	0,5	0,0
CO32-	0,2	0,0
HCO3-	250	4,1
SO42-	50	1,0
Cl-	50	1,4
F-	0,5	0,0
NO3-	5,0	0,1
B	0,0	0,0
SiO2	0,0	0,0
TDS	519,6
pH	7,0

де TDS - загальна мінералізація води

Для порівняння приведемо склад води, що рециркулюється в системі зворотнього осмосу. Мінералізація майже у три рази вища в порівнянні з підготовленною, а для запобігання утворення відкладень на поверхні мембран в систему постійно домішується 25 відсотків пом'якшеної води.

Створення достатньої продуктивності системи створюється саме таким чином, щоб отримати максимальну кількість знесоленої води та мінімальну кількість концентрата. Склад рециркуляційної води приведений нижче.

Таблиця 1.3.2- Склад рециркуляційної води

Йон	Концентрація мг\л	Концентрація мг*екв\л
Ca2+	5.6	0,3
Mg2+	3.4	0.3
Na+	359.8	15.6
K+	82.7	2.1
NH4+	1.4	0.1
CO32-	0.6	0.0
HCO3-	688.8	11.3
SO42-	139.5	2.9
Cl-	138.7	3.9
F-	1.4	0.1
NO3-	13.2	0.2
B	0.0	0.0
SiO2	0.0	0.0
TDS	1434.9
pH	7.4

Наступний матеріальний поток- концентрат, який відводиться від системи, концентрація солей в якому запобігає утворенню відкладень та перевищенню значень добутку розчинності карбонатів кальцію, що присутні в системі.

Перспективи використання концентрата наступні: спочатку, при впровадженні у виробницвво перших промислових апаратів зворотнього осмосу головною їх ціллю було отримання зконцентрованного розчина тієї сполуки,яку в подальшому виділяли чи випарюванням чи, в деяких випадках- виморожуванням. При такому способі виробництва значно зкорочується об'м води, що необхідно видалити для отримання пересиченого розчина, так як ступінь концентрування може сягати до 30.

Вищесказане відноситься для схем, у яких таким чином можна проводити збагачування цінних компонентів, при цьому головногою перевагою методу зворотнього осмоса є те, що процес розділення відбувається при температурах, близьких до нормальних ( 5-30 0С), що виключає можливість розкладання нестійких сполук, що невитримують нагрівання. В останне десятиліття, були отримані більш селективні мембрани, що дозволяли отримувати знесолену воду високої якості (перміат), який має широке коло застосування. В той час в потокі концентрата значно зростає загальна концентрація солей, а особливо у випадку, якщо у воді присутні цінні хімічні елементи, створюється можливість їх селективного вилучення за допомогою йонного обміну з подальшим їх вилученням.

Склад концентрата наведений нижче:

Таблиця 1.3.3 - Склад концентрата

Йон	Концентрація мг\л	Концентрація мг*екв\л
Ca2+	8.0	0.4
Mg2+	4.8	0.4
Na+	512.1	22.3
K+	117.5	3.0
NH4+	2.0	0.1
CO32-	0.8	0.0
HCO3-	979.5	16.1
SO42-	199.1	4.1
Cl-	197.2	5.6
F-	2.0	0.1
NO3-	18.5	0.3
B	0.0	0.0
SiO2	0.0	0.0
TDS	2041.8
pH	7.6

Наступний матеріальний потік цільовий - перміат. Загальна мінералізація перміата становить 10-20 мг\л. Його склад наступний:

Таблиця 1.3.4 - Склад перміата

Йон	Концентрація мг\л	Концентрація мг*екв\л
Ca2+	0.1	0.0
Mg2+	0.0	0.0
Na+	4.4	0.2
K+	1.3	0.0
NH4+	0.0	0.0
CO32-	0.0	0.0
HCO3-	10.6	0.2
SO42-	0.3	0.0
Cl-	1.2	0.0
F-	0.0	0.0
NO3-	0.8	0.0
B	0.0	0.0
SiO2	0.0	0.0
TDS	18.7
pH	5.7

1.4 Вибір і обгрунтування параметрів технологічного режиму

Для розрахунку співвідношення вищезазначених матеріальних потоків була використана програма розрахунку WinFlows, за допомогою якої знайдено оптимальне значення витрат кожного матеріального потока.

За результатами розрахунку витрати матеріальних потоків наступні:

витрати вихідної води 7.1 м3/год.

продуктивність по перміату після першої ступені знесолення 5.4 м3/год

витрати концентрата після першої ступені знесолення 1.7 м3/год

Після першої ступені концентрування потік концентрата подається на другу ступінь концентрування в кількості 1.7 м3/год де за результатами розрахунку програми співвідношення потоків наступне:

продуктивність по перміату після другої ступені знесолення 1.3 м3/год.

витрати концентрата після другої ступені знесолення 0.4 м3/год.

Перміат після двох ступеней знесолення подається у збірний колектор, де об'єднується у один потік загальною продуктивністю 6.7 м3/год а витрати концентрата становлять 0.4 м3/год.

Перевіримо результати розрахунку програми на вірогідність утворення відкладень на поверхні мембран при розрахованному співвідношенні матеріальних потоків. Розрахунок проводимо на вірогідність відкладень осадів CaCO3 та CaSO4 . Розрахунок ведемо по воді, у якій присутня найбільша концентрація солей- концентрату. Склад його приведений у таблиці 1.3.3.

Для того, щоб запобігти утворенню осаду CaCO3 , необхідно, щоб карбонат кальцію розчинявся у потокі концентрата. Ця тенденція може бути виражена індексом Ланжельє LSI. Для розрахунку LSI у потокі концентрата необхідні наступні дані:

концентрація йонів кальцію у вихідній воді, мг/л ;

загальна мінералізація живильної води, TDS мг/л ;

лужність живильної води, Alk0, по карбонату кальція, , мг/л ;

рН живильної води;

температура живильної води, Т0, С0 ;

Відновлення зворотньоосмотичної системи (рециркуляція) Y .

Розрахунок концентрації кальцію у потокі концентрата визначимо за формулою:

Ca2+ = Ca20(1-Y), (1.4.1)

де Y- ступінь відновлення системи, відповідно 0.75.

Тоді теоретична концентрація йонів кальцію у потокі концентрата після першої ступені буде становити:

Ca2+=0.61(1-0.75); Ca2+=2.4 мг/л

Після другої ступені, при відновленні системи (Y) у 70 відсотків у відповідності із формулою (1.4.1) концентрація йонів кальцію буде складати 8 мг/л.

Розрахунок загальної солевмісткості концентрата визначимо за формулою:

TDS=TDS01(1-Y), (1.4.2)

де TDS0 - загальна мінералізація живольної води, відповідно 519,6 мг/л. Теоретична солемісткість концентрата буде становити:

TDS=519.61(1-0.75); TDS=2078.4 мг/л

Розрахунок лужності потока концентрата Alk розрахуємо за аналогічним рівнянням:

Alk= Alk01(1-0.75), (1.4.3)

де Alk0- концентрація НСО3- йону у потокі живильної води, відповідно 250 мг/л, в такому випадку лужність потока концентрата буде становити:

Alk=2501(1-0.75), Alk=1000 мг/л

Далі, згідно за графіком відношення лужності Alk до вільної СО2 в потокі концентрата значення рН буде складати 7. Згідно номограми 2 визначаємо необхідні значення коефіцієнтів для знаходження кислотності середовища за рівнянням:

рНс=рСа+рAlk+С, (1.4.4)

де рСа складає 3.5; рAlk складає 2; С складає 2.3.

Визначимо значення рН у якому СаСО3 утворює насичений розчин ( концентрат) за рівнянням (1.3.4).

рНк= 3.5+2+2.3, рНк=7.8

Розрахуємо індекс Ланжельє за формулою:

LSI=рНж-рНк, (1.4.5)

де рНж- кислотність потока живильної води, рівна 7. Тоді маємо :

LSI=7-7.8, LSI=-0.8

Індекс Ланжельє може приймати наступні значення:

0 - вода має тенденцію до розчинення карбоната кальція;

0-1 - у воді досягнута критична концентрація карбоната кальція;

1 - у системі спостерігається утворення відкладень СаСО3

Так як значення LSI=0.2, то робимо висновик, що в системі відкладень карбоната кальція не утворюється.

Розрахунок вірогідності утворення відкладень СаSO4. Спочатку проводимо розрахунок йонної сили потока концентрата Іс за формулою:

Іс=І01(1-Y), (1.4.6)

де І0- значення йонної сили води у потокі живильної води. Для розрахунку йонної сили розчину необхідно концентрації компонентів у живильній воді перерахувати на моль/л, дані зводимо до таблиці, у яку заносимо значення компонентів потока, що впливають на утворення відкладень прямо чи опосередковано.

Таблиця 1.4.1- Концентрація осадкоутворюючих йонів

Йон	Концентрація, мг/л	Концентрація, моль/л
Са2+	0.6	1.5*10-5
Mg2+	0.2	8.3*10-6
Na+	130.2	5.7*10-3
HCO3-	250	4.1*10-3
SO42-	50	5.2*10-4
Cl-	50	1.4*10-3

Йонну силу розчину живильної води розрахуємо за рівнянням:

Іf=0,5 (1.4.7)

Підставивши значення відповідних концентрацій у моль/л отримаємо

Іf= 0.023. Далі використовуючи формулу (1.4.6) знаходимо значення Іс, яке становить 0.094.

Розрахуємо йонний добуток СаSO4 у потокі концентрата за формулою:

Ірс=, (1.4.8)

де Са- концентрація йонів кальція у живильному потокі, відповідно табл. 1.4.1 маємо 1.5*10-5 моль/л, SO4- концентрація сульфат-йонів у живильному потокі, відповідно табл. 1.4.1 маємо 5.2*10-4 моль/л. Підставивши значення у формулу (1.4.8), отримаємо Ірс=4.16*10-7.

Порівнюємо Ірс з добутком розчинності (Кsp) для СаSO4 з урахуванням йонної сили розчину. Згідно по номограмі 2.6 критичне значення (Кsp) при температурі 25С0 складає 1.5*10-4 , з чого робимо висновок, що відкладень сульфата кальція у системі не утворюється. Відповідно розрахунок програми адекватний прийнятим умовам роботи системи.

Подальше концентрування потока концентрата є недоцільним виходячи з того, що по-перше у системі можливі утворення відкладень на поверхні мембран, що які призводять до швидкого виходу її з ладу та потребує прийняття відповідних заходів (постійне дозування в систему антискалантів), по-друге подальше підвищення концентрування значно збільшить величину осмотичного тиску в системі, що не дозволить сполучати мембрани послідовно, так як різко зросте величина гідравлічного опору, по-трете подальше підвищення концентрування не дає змоги створювати відповідну величину відновлення системи Y (рециркуляції), що зменшує ККД мембранних модулей.

1.5 Опис технологічної схеми й елементів нової техніки

Технологічна схема включае в себе наступні головні апарати: механічні фільтри, йоннообмінні протитечні натрій-катіонітові фільтри, солерозчинник, емкості необхідного запаса підготовленної води та мембранні елементи. Принцип роботи схеми: вихідна вода Горводоканала подається у ємкість вихідної води (1), де створюється необхідний запас вихідної води, розрахований на дві години роботи схеми а також на розпушуючу відмивку фільтруючого матеріалу механічних фільтрів. Вихідна вода насосом (12) під тиском 0,6 мПа подається на механічний фільтр, де вода звільняється від зважених часточок розміром до 5 мкм. В схемі міститься два паралельно під'єднані механічні фільтри (2,3), із яких один знаходиться у робочому режимі до виходу на розпушуючу відмивку водою від ємкості (1) насосом (11), після фільтрування заданого об'єму води, а інший фільтр вмикається в схему, що забеспечує безперебійну роботу. Після освітлення вода під тиском 0.6 мПа подається на йонообмінні фільтри (4,5), що також під'єднані паралельно, для створення безперебійної роботи. При проходженні через фільтри вода пом'якшується до заданного значення 0,052 гр*екв/л. В свою чергу, йонообмінні фільтри виходять на регенерацію при проскокі йонів жорсткості на заданному рівні. Цикл регенерації складається із завантаження регенераційного розчину із солерозчинника (7) розчином хлорида натрія з концентрацією 10-12 відсотків. Для регенерації необхідна пом'якшена вода, необхідний запас якої знаходиться у емкості (6). Після проходження регенераційного розчина із ємкості (6) у фільтр подається пом'якшена вода для відмивки йонообмінного матеріала. Останньою стадією регенерації є розпушення шару інертного матеріалу над шаром катіоніта, яка також здійснюється пом'якшеною водою із ємкості (6). Подача всіх матерільних потоків при регенерації здійснюється насосом (3). Пом'якшена вода далі потрапляє на всас насоса високого тиску агрегата зворотнього осмоса (14), де створюється рабочий тиск, значення1,0 мПа. Потік води розділяється на дві рівні частини, паралельно під'єднаних мембранних модулей першої ступені (8) , де під робочим тиском попередньо підготовлена вода проходить крізь напівпроникні мембрани, перміат ( знесолена вода) збирається у цнтральному колекторі і виходить із модуля а зконцентрована частина води виходить із концентратного колектора, звідки під тиском 0,8 мПа подається на другу ступінь концентрування (9), де по аналогічній схемі проходить крізь мембранні модулі. Віповідно після першої ступені утворюється 5.3 м3/год. перміата та 1.8 м3/год концентрата, після другої ступені 1.4 м3/год. перміата та 0.4 м3/год концентрата. Перміат натходить в спільний колектор а далі у ємкість запаса перміата (10), звідти на технологію а концентрат відводиться у промислову каналізацію. Мембрани зворотнього осмоса періодично промиваються антискалантами (реагентами, що розчиняють відкладення на поверхні мембран) при підвищенні перепаду тиску поміж ступенями більм як 0.15мПа від нормального значення.



Малюнок 1.5.1. Технологічна схема виробництва знесоленої води

Подача необхідних реагентів здійснюється насосом (15) від блока хімічної відмивки (16) Технологічна схема зображена на малюнку 1.5.1.

Серед технологічної схеми можна виділити наступні елементи нової техніки: йонообмінні протитечні натрій-катіонітові фільтри та мембранні зворотньоосмотичні модулі.

Мембранний модуль є головним елементом технологічної схеми, так як свме в ньому проходить процес знесолення води. Він являє собою циліндричний апарат, у якому розміщені спіральні напівпроникні мембрани. Мембранний модуль в порівнянні з іонообмінними фільтрами має значно менші розміри, що дозволяє значно скоротити габарити технологічної схеми та створити більш компактну схему виробництва. Також в останній час матеріалом для виготовлення мембран слугують полімерні матеріали, що значно полегшують масу конструкції та дозволяють економити дорогоцінні конструктивні матеріали.

Розміри мембранного модуля, на відміну від йонообмінних фільтрів складають: довжина мембранних елементів складає незалежно від продуктивності 1 метр, а діаметр поступово збільшується, по мірі зростання продуктивності мембран і складає від 6 см до 40 см.

Однак мембрани також мають свої недоліки, найголовніший з яких це можливість біологічного обростання поверхні мембран, що різко зменшує в подальшому їх продуктивність, що потребує періодично або постійно в необхідній кількості дозувати в поток живильної води консерванти, що попереджують можливість біологічного обростання мембран. Значним недоліком мембран є також хімічна взаємодія матеріалу мембран з вільним хлором у потокі живильної води, що призводить до деструкції мембран, тому при малих продуктивностях мембранних агрегатів використовують вугільні фільтри а при продуктивностях, більших за 10 м3/год. в потік дозують дехлоруючі реагенти.

В загальному вигляді йонообмінний фільтр представляє собою сталеву циліндричну ємкість, у якій знаходяться три розпридільчі системи- верхній, середній та нижній дренажі, за допомогою яких вода та регенераційний розчин рівномірно розприділяються по об'єму фільтра. В об'ємі фільтра на 50 відсотків завантажений йонообмінний матеріал, до середнього дренажа, а над середнім дренажем завантажено шар інертного матеріалу, для захисту йонообмінної смоли від засмічення. Малюнок протитечного натрій-катіонітового фільтра разом із обв'язкою приведений нижче, розділ 2.3; в залежності від технологічної схеми обв'язка може змінюватись.

На відміну від прямоточних йонообмінних фільтрів протитечні фільтри мають значні переваги: продуктивність фільтра на 20-40 відсотків вища в порівнянні з рямоточними, за рахунок вмонтованого середнього дренажного пристрою, який стримує йонообмінний матеріал від виносу його з фільтра, тобто можна створювати більші значення швидкості протоку води крізь фільтр, що значно інтенсифікує роботу фільтра. Також за рахунок високої швидкості протоку води крізь фільтр скорочується час регенерації фільтра а також кількість регенераційного реагента, що значно зменшує кількість потреб води фільтра на власні потреби, і відповідно, скорочується кількість стічних вод. Разом з тим збільщується фільтроцикл та якість обробленої води.

1.6 Розрахунок видаткових коефіцієнтів

У процесах баромембранного розділення немає відповідних хімічних реакцій для стехіометричних розрахунків стехіометричних коефіцієнтів, у даному процесі вихід кінцевого продукта теоретично не залежить від природи розділяючих речовин та матеріала мембрани. Проте осмотичний тиск прямопропорційний концентрації розчинних речовин.

В даному процесі підвищення продуктивності агрегата зворотнього осмоса досягаеться більш ретельною підготовкою живильної води, для зменшення навантаження на мембрани, та застосуванням енергозберігаючих мембран, які мають менший гідравлічний опір.

Для підвищення попередньої підготовки води були прийняті протитечні фільтри, які забеспечують більш глибоке пом'якшення води та зменшують вірогідність утворення відкладень на поверхні мембран, що в свою чергу, дозволяє підвищити ступінь відновлення системи та отримати підвищений вихід перміата та зменшити кількість концентрата.

Узагальнюючи приведений матеріал приведемо у якості прикладу видаткові коефіцієнти по вихідній воді та енерговитратам на базовому та проектованному виробництві.

Базове підприємство.

Загальні витрати вихідної води, віднесені до одиниці кінцевого продукта (1 м3) складають: 1.25 м3 вихідної води/одиницю продукта,

Загальні витрати електроенергії на отримання одиниці кінцевого продукта складають: 30кВт/м3.

На проектованому підприємстві аналогічні витрати складають відповідно:

витрати вихідної води 1.17 м3 вихідної води/одиницю продукта,

загальні витрати електроенергії 25кВт/м3.

Як видно з наведених значень при використанні у якості попередньої підготовки води протитечних фільтрів витрати води скорочуються на 6,4 відсотка а енерговитрати при використанні енергозберігаючих мембран зменшуються на 16,7 відсотка, що свідчить про доцільність запропонованого обладнання.

2. СПЕЦІАЛЬНА ЧАСТИНА

2.1 Обгрунтування прийнятої конструкції основного апарата

Основним апаратом технологічної схеми є мембранні модулі до яких висувають наступні вимоги: зниження вартості мембран, зменшення енерговитрат, підвищення швидкості циркуляції потока води, можливість гідравлічної відмивки поверхні розподілу. В залежності від прийнятих конструктивних рішень найбільше застосування в промисловості знайшли наступні типи зворотньоосмотичних мембран: спіральні, пластинчаті, трубчаті та з полими волокнами.

Саме при знесоленні прісної води найбільше застосування знайшли спіральні модулі, причиною цього вибору є те, що побудована таким чином мембрана має значно менший гідравлічний опір, простота та надійність конструкції, можливість проведення очищення мембрани при ході технологічного процесу (гідравлічна відмивка). Площа поверхні мембрани досягає 53 м2.

На відміну від спіральної конструкції пластинчаті (касетні) модулі мають надто складну конструкцію циркуляційного канала, та відповідно підвищений гідравлічний опір. При використанні таких модулей дуже складно створити рециркуляцію, тому для необхідного ступеня очищення необхідно збільшувати кількість пластин, що зменшеє надійність конструкції, тому основне застосування таких мембран очищення стічних вод з високим вмістом молекулярних домішок за рахунок значної поверхні розподілу - до 120 м2.

Трубчаті мембранні елементи представляють собою делілька десятків трубок, виконаних із напівпроникного матеріалі, що тісно розміщені у спільному корпусі.

Такі модулі мають кращі гідравлічні характеристики, поміж інших модулей, проте їх основними недоліками є великі розміри та надто висока собівартість одиниці площі поверхні розділу. Вони знайшли застосування при розділенні в'язких рідин.

Мембрани з полими волокнами мають дещо схожу конструкцію з трубчатими, різниця полягає в тому, що діаметри полих волокон значно менші в порівнянні з трубками, що створює можливість значного скорочення розмірів мембранних елементів, але потребує більш ретельної попередньої підготовки води, забеспечують можливість проведення гідравлічних промивок в процесі роботи, але мають більший гідравлічний опір. площа поверхні розділення до площа поверхні розділення до 125 м2

Розглянемо конструкцію спірального мембранного модуля. Малюнок мембранного модуля наведено нижче.



Малюнок 2.1.1. Мембранний спіральний модуль

1-накидне кільце, 2-натискувальне кільце, 3-кришка, 4-корпус, 5-антителескопічна решітка, 6-колектор відведення перміата, 7-гумове кільце, 8-спіральна мембрана, 9-гумова манжета, 10-гумове кільце.

Мембранний елемент являє собою корпус 4, що виконаний із нержавіючої сталі Х18Н10Т У якому розміщується рулонний модуль 8. Модуль формується накручуванням мембранних пакетів на колектор відведення перміата 6. Мембранний пакет щільно прилягає до колектора за рахунок за рахунок герметизації кромок для запобігання змішування перміата з основним потоком вихідної води. Для створення необхідного зазора при накручуванні модуля поміж пакетами вкладається сітка-сепаратор з великим розміром чарунок, для створення необхідного протока розділяючої води. Герметизація перміатного колектора забеспечується гумовим кільцем 7. Герметизація корпуса забеспечується за допомогою кришки 3, гумових кілець 10 та натискувального кільця 2, яке розміщується у прорізах накидного кільця 1, привареного до корпуса 4.

Вихідний розчин через штуцер потрапляє у апарат, проходячи накручені мембранні пакети в осьовому напрямку. Послідовно проходячи усі шари мембранного пакета розчин концентрується та видаляється із апарата. Вода, що пройшла крізь мембрани (перміат) натходить у перміатний колектор та виводиться із апарата.

Для запобігання телескопічного ефекта, який виникає при різниці тисків у торців модулей та призводить до зміщення шарів рулонного модуля у осьовому напрямку, у заднього торця модуля встановлюється антителескопічна решітка 5, до якої мембранний пакет притіснюється. Байпас рідини у апараті запобігається гумовою манжетою 9, яка закриває зазор поміж рулонним модулем та внутрішньою стінкою корпуса.

Рух матеріальних потоків у мембрані можна зобразити наступним малюнком

Мембранний модуль

Малюнок 2.1.2. Схема руху матеріальних потоків

Як видно із малюнка потік концентрата рухається у тому ж напрямку, що і потік вихідної води, а перміатний потік, проходячи крізь шари спірального елемента натходить до перміатного колектора та виводиться, як правило, для зручності з протилежного напрямку, але в мембранах невеликої продуктивності напрямки руху перміата і концентрата співпадають. Для підвищення продуктивності мембран по перміату, модулі мембранних елементів розташовують послідовно, від двох до чотирьох, для зменшення спупеня відновлення системи та зменшення вірогідності утворення па поверхні мембран відкладень.

2.2 Технологічний розрахунок апарата

Вихідні дані на проектування: продуктивність агрегата зворотнього осмосу 6,7 м3/год, загальна мінералізація вихідної води 519.6 мг/л, розділення двохступінчате.

2.2.1 Ступінь концентрування зворотнього осмоса

Зворотній осмос використовується вийнятково для концентрування розведених розчинів з концентрацією розчинених речовин до 0.4 моль/л. При підвищенні концентрації вище зазначеної межі значно погіршуються характеристики розділення мембран, стає впливовим зниження питомої продуктивності мембран та починає зменшуватись селективність, яка для розведених розчинів залишається постійною.

Ступінь концентрування в апаратах зворотнього осмоса знаходимо за формулою:

К=, (2.2.1.1)

де Х1к- кінцева мінералізація концентрата, відповідно табл. 1.3.3. складає 2041,8 мг/л, або 0,052 відсотка, Х1н- загальна мінералізація живильної води, відповідно 519,6 мг/л або 0.002 відсотка. Тоді маємо:

К=, К=26

2.2.2 Вибір робочої температури та перепаду тиску

З підвищенням температури розділяючого розчина селективність мембран змінюється мало, а питома продуктивність збільшується оберненопропорційно в'язкості перміата. Однак при підвищенні температури скорочується строк експлуатації мембран. Обраний температурний режим складає 5-20 0С, так як в цьому діапазоні не відбувається значних змів в характеристиках розділення мембран.

З підвищення перепада робочого тиску збільшується рухома сила зворотнього осмоса та підващується продуктивність мембран. Однак при високих значеннях робочого тиску полімерні мембрани ущільнюються, що може нейтралізувати ефект, пов'язаний з підвищенням перепаду тисків. Крім того при підвищеному тиску на поверхні мембрани утворюється щільний осад затриманих часточок, що значно збільшує перепад тисків. Тому приймаємо орієнтовно значення робочого тиску 0.8 мПа, значення перепаду тиску в першому наближенні приймаємо = 0,6 мПа.

2.2.3 Вибір мембрани

При виборі мембрани слід виходити з того, що вона повинна мати максимальну питому продуктивність при селективності, що забеспечеє виконання вимог до якості перміата. Крім того вона повинна характеризуватись високою хімічною стійкістю по відношенню до розчину, що розділяється.

При роботі в нейтральних умовах в останне десятиліття найбільше розповсюдження отримали композитні поліамідні мембрани, що характеризуються відмінними розділяючими властивостями і є хімічно стійкими в діапазоні рН від 2 до 11. Головна умова при експлуатації таких мембран відсутність в воді, що подається вільного хлору, що призводить до деструкції мембран.

Попередньо проводимо підбір мембрани по істиній селективності , від якої переходимо до спостерігаючої з урахуванням концентраційної поляризації.

Істина селективність розраховується за формулою

=(Х3-Х2)/Х3, (2.2.3.1)

Спостерігаюча селективність, в свою чергу розраховується за формулою

=(Х1-Х2)/Х1, (2.2.3.2)

де Х1,Х2,Х3-концентрація солі у довільному перерізі апарата, відповідно в об'ємі розчина, що розділяється та у поверхні мембрани зі сторони розчина, що розділяється.

Для розрахунків приймаємо поліамідну мембрану мембрану виробника Hydranautics ESPA 3 для якої значення істиної селективності складає 0,98. Прийнявши в першому наближенні, що спостерігаюча селективність рівна істиній визначимо середню концентрацію розчинної речовини у перміаті за рівнянням:

=Х1н*(1-К-(1-)/)/(1-К-1/), (2.2.3.3)

де Х1н- вихідна концентрація солей у перміаті, рівна у масових долях 0,00002.

=0,00002*(1-26-(1-0,98)/0,98)/(1-26-1/0,98), =1.33*10-6кг солі/кг розчина.

Витрати перміата Lп знаходимо за формулою:

Lп= Lн*(1-К-1/), (2.2.3.4)

де Lн- витрати вихідного розчину, рівні 1,97 кг/сек. Тоді маємо

Lп=1,97*(1-26-1/0,98), Lп=1,89 кг/сек.

Витрати солі з розчином будуть складати:

Lн*Х1н=1,97*0,00002=3,9*10-5 кг солі/сек

Витрати солі з перміатом складуть:

Lп*= 1,89*1.33*10-6=2,51*10-6 кг/сек.

Втрати солі у відсотках від кількості, що міститься у потокі живильної води складуть: 2,51*10-6/3,9*10-5 =6,4 відсотка, що менше максимальної допустимої похибки, що складає 10 відсотків і тому розрахунки ведемо по попередньо вибраній мембрані.

2.2.4 Приблизний розрахунок робочої поверхні мембрани

Питома продуктивність мембран по воді Gв, при розділенні зворотнім осмосом водних розчинів електролітів визначається співвідношенням:

Gв=свАв/п, (2.2.4.1)

де св- доля вільної води в розчині, що розділяється, А-константа для обраної мембрани у вибраному діапазоні температур та концентрацій,

п- в'язкість перміата, -перепад робочого тиску крізі мембрану,

-осмотичний тиск розчина, що розділяється у поверхні мембрани,

-осмотичний тиск перміата.

У першому наближенні прийняті наступні допущення: так як питома концентрайія солей менше 0,4 моль/л, то можна вважати питому продуктивність по воді рівною питомій продуктивності по перміату G, не беремо до уваги вплив концентраційної поляризації, приймаючи, що осмотичний тиск на поверхні мембрани рівний осмотичному тиску у об'ємі розчина, що розділяється, тобто , приймаємо також осмотичний тиск перміата рівним нулю, . В такому випадку співвідношення (2.2.4.1) буде мати вигляд:

G=G0*(1-) (2.2.4.2)

Для подальших розрахунків необхідно знати залежність осмотичного тиску від сумарної концентрації розчинених речовин, що визначається як аддитивна функція, згідно емпіричних даних по прісній воді [14] значення осмотичного тиску для потока живильної води буде складати 0,02 мПа а для потока концентрата осмотичний тиск складає 0,2 м Па.

Питома продуктивність розчина, що розділяється на вході в апарат зворотнього осмоса розрахуємо за формулою:

Gн=G0, (2.2.4.3)

де G0-питома продуктивність одиниці площі поверхні мембрани, для обраної мембрани складає12,5*10-3 кг/м2*сек, осмотичний тиск потока живильної води, рівний 0,02 мПа, прийнятий перепад тиску для мембранного модуля, рівний 0,6 мПа. Тоді:

Gн=12,5*(1-0,02/0,6) , Gн=12.1*10-3 кг/м2*сек.

Питому продуктивність на виході мембранного модуля розрахуємо за формулою:

Gк= G0, (2.2.4.4)

де- значення осмотичного тиску для потока концентрата, відповідно 0,6 мПа. Тоді:

Gк=12,5*(1-0,6/0,6) , Gк=12,5*10-3 кг/м2*сек.

В першому наближенні приймаємо,що середня питома продуктивність мембран може бути виражена, як середня величина поміж Gн та Gк. В такому випадку вона складе:

G=(12.1*10-3+12,5*10-3)/2, G=12,4*10-3 кг/м2*сек.

Тоді робочу поверхню мембрани розрахуємо за формулою:

F= Lп/G (2.2.4.5)

F=1,89/12,4*10-3, F=151 м2

2.2.5 Вибір апарата та визначення його основних характеристик

Детальний розгляд мембранного елемента та принцип його роботи розглядались у пункті 2.1, в даному розділі приведемо основні розміри мембранного модуля та його робочі характеристики. Обраний мембранний елемент BW ESPA-8040, основні характеристики:

довжина рулонного модуля 1,00 м;

довжина мембранного пакета 1,05 м;

ширина мембранного пакета бп 0,83 м;

висота напорного канала, що дорівнює товщині

сітки-сепаратора 5*10-4 м;

товщина дренажної сітки 3*10-4 м;

товщина підкладки 1*10-4 м;

товщина зворотньоосмотичної мембрани 1*10-4 м;

матеріал корпуса сталь Х12Н10Т;

діаметр корпуса 200*5 мм;

товщина кришки 2,5*10-2 м;

діаметр кришки 0,194 м.

Визначимо кількість мембранних елементів, необхідних для розділення. Робоча поверхня мембрани за даними виробника складає 37,2 м2, тоді загальна кількість мембранних модулів у мембранному агрегаті буде становити:

n= 151/37,2 n=4 шт.

Приймаємо кількість мембранних модулей для першої ступені розділення 4 шт.

Так як розділення проходить у дві ступені, як зазначалось у пункті 1.4. то застосовуючи вищеприведену методологію розрахунку отримаємо для другої ступені кількість мембранних модулей, необхідних для розділення рівну 2 шт.

Секціонування мембранних апаратів у агрегаті зворотнього осмоса

проведемо на наступних засадах: при паралельному розміщенні елементів значний вплив на характеристики мембран створює концентраційна поляризація а при послідовному розміщенні модулей різко зростає гідравлічний опір потока розділяючого розчина, тому, щоб створити необхідну рециркуляцію 75 відсотків та запобігти підвищенню тиску 1,0 мПа, щоб обмежитись одним циркуляційним насосом на весь агрегат зворотнього осмоса приймаємо наступне розміщення мембранних моделей: для першої ступені приймаємо по-два мембранних модуля розміщених паралельно, де у кожному модулі розміщено послідовно два мембранних елемента. Для другої ступені приймаємо два мембранні елементи, розміщені послідовно, для створення необхідної рециркуляції в системі та зменшенню вірогідності утворення на поверхні мембран відкладень.

2.2.6 Розрахунок спостерігаючої селективності

Спостерігаючу селективність розрахуємо за формулою:

lg+, (2.2.6.1)

де U- швидкість руху розчина в напрямку мембрани, що викликана відведення мерміата, - коефіцієнт масовіддачі розчиненої речовини від поверхні мембрани до ядра потока.

Коефіцієнт масовіддачі визначимо із дифузійного критерія Нуссельта . При розрахунках будемо вважати канал, по якому рухається попік живильної води порожнім, при цьому знехтуємо впливом на масообмін сепаруючої сітки. При цьому ми вносимо деяку погрішність у бік заниження спостерігаючої селективності, що забеспечує деякий запас селективності на можливі дефекти у мембрані.

Розрахунок виконуємо для середніх значень робочих параметрів агрегата зворотнього осмоса.

Середня питома продуктивність G=12,4*10-3 кг/м2*сек, середня концентрація буде складати у відповідності з наступним рівнянням:

= (2.2.6.2)

=(0,052+0,00002), =0,052 масових відсотків.

Середня лінійна швидкість руху розділяючого розчина в каналах мембранних елементів визначимо формулою:

/2=[Lн/(+Lк(], (2.2.6.2)

де Lн- витрати концентрата, відповідно 0,47 кг/сек, Sc-площа перетину по якому проходить розчин, що розділяється, її знайдемо за наступним рівнянням:

Sc= nе, (2.2.6.3)

де nе- кількість елементів в модулі, відповідно 4 шт, ln- довжина мембранного пакета, рівна 1,05 м, - товщина сітки-сепаратора 5*10-4м.

Sc=4*5*10-4*(1,05-0,05), Sc=2*10-3 м2.

n1-кількість мембранних елементів на першій ступені розділення, 4шт, nk-кількість елементів на другій ступені розділення, 2шт, Lк-потік концентрата, рівний різниці між оптоком вихідної води та потоком перміата, відповідно: 1,97-1,89=0,11 м/сек, щільності потока живильної води та потока концентрата складають відповідно 1000 кг/м3 та1001 кг/м3. Тоді:

1,97/(1000*2*10-3*4)+0,11/(1001*2*10-3*2), 0,274 м/сек.

Визначимо режим руху розчина. Еквівалентний діаметр кільцевого канала складає величину: dє=2, dє=2*5*10-4, dє=1*10-3 м.

Критерій Рейнольдса визначимо за формулою:

, (2.2.6.3)

де -кінематична в'язкість концентрата, рівна 0,860*10-6 м2/сек.

Re= 0,274*1*10-3/0,860*10-6, Re=319. Таким чином в апаратах ламінарний режим руху потока рідини, що розділяється.

Для знаходження середнього по довжині канала значення критерія у випадку ламінарного потока у щільових та кільцевих каналах можна використати критеріальне рівняння:

=1,67*Re0,34*()0,33*()0,3, (2.2.6.4)

де = -дифузійний критерій Прандтля, l-довжина канала, рівна ширині мембранного пакета, відповідно 0,83 м. Тоді значення критерія Прандтля складе:

=0,860*10-6/1,281*10-9, =671,

де 1,281*10-9 -кофіцієнт дифузії в потокі концентрата. Тоді маємо:

=1,67*3190,34*6710,33*(1*10-3/0,83)0,3, =13,5

Коефіцієнт масовіддачі розрахуємо за рівнянням:

, (2.2.6.5)

13,5*1,281*10-9/1*10-3, 1,73*10-5 м/сек.

Поперечний потік визначимо за рівнянням:

(2.2.6.6)

12,4*10-3/1001, 1,24*10-6 м/сек.

Далі розраховуємо спостерігаючу селективність за рівнянням (2.2.6.1)

lg+lg, 0,98.

З чого можна зробити висновок, що відхилень від істиної селективності не спостерігається.

2.2.7 Уточнений розрахунок поверхні мембран

Розрахуємо питому продуктивність мембран по формулі:

, (2.2.7.1)

де число мембран в секції, число секцій.

з урахуванням осмотичного тиску потока живильної води у поверхні мембрани та перміата. Необхідні для розрахунку концентрації х3 та х2 знайдемо наступним шляхом. Згідно визначення, істиної та спостерігаючої селективності (2.2.3.1) та (2.2.3.2) для кожного поперечного перерізу можна записати:

; Х3=Х2/(1-).

Розглянемо два крайніх переріза. Переріз на вході першої ступені розділення:

Х2н=(1-)Х1н=(1-0,98)*0,00052; Х2н= 1,04*10-5 кг солей/кг розчина,

Х3н=Х2н/(1-)=1,04*10-5/(1-0,98) ; Х3н=5*10-4 кг солей/кг розчина.

Відповідно осмотичні тиски для даних концентрацій згідно [14] будуть мати значення Х3н=0,06 мПа, Х2н=0,02 мПа. Тоді:

н=А;

н=12,5*10-3*[1-(0,06-0,02)0,6] ; н=11,6*10-3 кг/м2*сек.

Перетин на виході із апаратів останньої ступені:

Х2к=(1-)Х1к=(1-0,98)0,002; Х2к=4,0*10-5 кг солей/кг розчина,

Х3к=Х2к(1-)=4,0*10-5/(1-0,98)=2*10-3 кг солей/кг розчина.

Значення осмотичних тисків відповідно складуть =0,06 мПа та = 0,01 мПа. Тоді далі маємо:

12,5*10-3*[1-(0,06-0,01)0,6] ; 8,75*10-3 кг/м2*сек.

Виразимо питому продуктивність у вигляді функції від концентрації солей у воді за рівнянням:

, (2.2.7.2)

де с - константа для данної системи. Знаходимо значення с для граничних перетинів, для першої ступені:

Сн=( ); Сн=(12,5-11,6)*10-3/0,00052; Сн=1,8.

Для другої ступені:

Ск=( )Х1к ; Ск=(12,5-8,75)*10-3/0.002; Ск=1,88.

Різниця між отриманими значеннями мала, яка у відсотках складає:

( Ск+Сн)2 ; (1,88-1,8) 2=1,84. Тоді питому продуктивність можна виразити функцією:

, (2.2.7.3)

Робочу поверхню мембран можна визначити за формулою:

(2.2.7.4)

Так як селективність має значення 0,9 то аналітичне рішення має вигляд:

(2.2.7.5)

Підставляємо отримамі значення:

;

F=138 м2

Різниця зі значенням, отриманим у першому наближенні складає:

(150-138)138=8,6 відсотка.

Отримана різниця не перевищує 10 відсотків, тому остаточно приймаємо робочу поверхню мембран 138 м2.

2.2.8 Розрахунок гідравлічного опору

Гідравлічний опір необхідно розраховувати для визначення фактичного тиску у апаратах зворотнього осмоса, величина якого необхідна при механічних розрахунках та вибора насоса необхідної продуктивності та потужності.

Тиск, що розвиває насос витрачається на створення необхідного перепада тиску крізь мембрану , подолання гідравлічного опору потока живильної води, що натходить у апарат , та потока перміата в дренаж , а також на компенсацію втрат тиску на тертя і місцеві опори у трубопроводах і арматурі і підйом води на задану висоту .

У загальному вигляді вищесказане можна представити як суму:

=++++ (2.2.8.1)

Останньою складовою в агрегаті зворотнього осмоса можна знехтувати, у зв'язку з малою геометричною висотою, втрати на тертя та місцеві опори у трубопроводах та арматурі залежать від компонування мембранних апаратів та використовуємої арматури. Для практичних потреб практично приймають, що складає 10 відсотків від . Таким чином вираз (2.2.8.1) можна представити у вигляді:

=+++0,1 (2.2.8.2)

Гідравлічний опір при перебігу рідини в каналах утворених сітками-сепараторами та дренажним шаром можна визначити за формулами:

=; (2.2.8.3)

= , (2.2.8.4)

де - гідравлічний опір каналів, ,- коефійієнти, що залежать від виду сепаратора і дренажного матеріала, для спіральних модулей =5,6; =100.

Значення визначають на основі загального виразу:

= (2.2.8.5)

При ламінарному перебігу рідіни в кільцевих та щільових каналах , в такому випадку можна використати формулу:

=96 (2.2.8.6)

Визначення . Поток живильної води перетікає від першої до останньої секції в каналах кільцевого перетину у напрямку осі апаратів. Загальна довжина канала дорівнює добутку числа ступеней і довжини шляху в модулі, що дорівнює ширині мембранного пакета:

0,83; 3,32 м

Оскільки швидкість, щільність, в'язкість розділяючої води майже не змінюється поміж секціями беремо їх середне значення. Тоді:

=48; =11322 Па. Тоді значення

=11322Па.

Визначення . Перміат проходить по каналам, утвореним дренажним шаром, його швидкість змінюється від нуля на зовнішній поверхні до максимального значення при вході у перміатний колектор, загальна довжина канала дорівнює довжині пакета а ширина- ширині мембранного пакета за вирахуванням частин, що використовуються для склеювання.

Оскільки дренажний матеріал характеризується значно більшими порами, ніж матеріал підкладки, його опір в багато разів менший і можна вважати, що перміат рухається тільки по каналу, утвореному дренажною сіткою ( м).

Еквівалентний діаметр, у перерахунку на порожній канал рівний:

м.

Перепад тиску у довільному перерізі на ділянці бескінечно малої довжини для порожнього канала визначиться формулою:

(2.2.8.7)

Швидкість у довільному перерізі пов'язана з довжиною канала наступним чином:

, (2.2.8.8)

де bп - 20,05 -ширина канала, що являє собою ширину мембранного пакета, за вирахуванням частини пакета, що використовується для склеювання; робоча поверхня мембрани від зовнішньої поверхні спіралі до довільного перерізу на відстані ; вираз -площа поперечного перерізу канала. Підставивши вираз (2.2.8.8) у вираз (2.2.8.7) отримаємо:

.

Враховуючи, що , отримаємо:

.

Проінтегруємо ліву частину від 0 до , а праву від 0 до :

;

=. (2.2.8.9)

Проведемо розрахунок по формулі (2.2.8.9), використовуючи середньоарифметичне значення питомої продуктивності мембран:

; кг/м2*сек. Тоді:

=96; =3899 Па.

Приймаємо = 100, тоді:

=1003899; =389900Па.

Визначимо тиск, який повинен розвивати насос по формулі (2.2.8.2):

=; =Па.

Напор насоса, при щільності потока живильної води визначиться за формулою:

, (2.2.8.10)

де g - прискорення вільного падіння 9,81 м/сек2 , тоді:

; м.

Вибір насоса. Коефіцієнт корисної дії багатоступінчатих центробіжних насосів складає 0,5-0,8; тому геометрична висота підйому води має складати не менше 150 м. Обираємо насос Lowara 814 F75T. Номінальна продуктивність Qном складає 7,5 кВт; геометрична висота підйому рідини 160 м; потужність електродвигуна N=7,5 кВт; максимальний тиск Pmax=1,6 мПа.

2.2.9 Розрахунок гідравлічного опору нагнітального трубопровода

Вихідні дані: максимальний робочий тиск 1,2 мПа; витрати живильної води 7,1 м3/год. або 1,97*10-3 м3/сек; швидкість руху води у трубопроводі приймаємо 2 м/сек.

Визначаємо внутрішній діаметр трубопровода за формулою:

, (2.2.9.1)

де витрати живильної води, рівні 1,97*10-3 м3/сек; швидкість протока воду у трубопроводі, рівна 2 м/сек. Тоді:

; м.

Визначимо втрати на тертя та місцеві опори. Розрахуємо критерій Рейнольдса за формулою:

, (2.2.9.2)

де щільність потока живильної води, рівна 1000 кг/м3; динамічний коефійієнт в'язкості потока живильної води, відповідно 1,005*10-3 Па*сек. Далі підставляємо числові значення:

; . З чого видно, що у трубопроводі режим течіння стійкий турбулентний. Приймаємо коефіцієнт шороховатості , тоді абсолютний коефіцієнт шороховатості визначимо наступним чином: ; ; .

Далі маємо: 1; ; . Таким чином у трубопроводі має місце змішане тертя і розрахунок коефіцієнта тертя визначаємо за формулою:

(2.2.9.3)

; .

Визначимо суму коефіцієнтів місцевих опорів:

1 вхід в трубопровід, приймаємо з гострими кромками ;

2 прямоточний вентиль, м, враховуючи поправочний

коефіцієнт, маємо 0,25*0,925=0,23; ;

3 коліно з кутом нахилу 900 , відповідно .

Сума коефіцієнтів місцевих опорів на нагнітальній лінії становить:

; .

Втрачений напор на нагнітальній лінії визначимо за формулою:

, (2.2.9.4)

де довжина нагнітального трубопровода, рівна 2 м; прискорення вільного падіння, 9,81 м2/сек. Тоді:

; м.

2.2.10 Механічний розрахунок мембранного модуля

Проведемо розрахунок обичайки, нагнітального трубопровода, фланця та сварного сполучення каркаса апарата зворотнього осмоса.

Розрахунок обичайки, вихідні дані: діаметр корпуса мембранного модуля 0,2 м; матеріал корпусу сталь Х12Н10Т; максимальний тиск 1,2 мПа; максимальна робоча температура 250С.

Товщину гладкої циліндричної обичайки, що працює під надлишковим тиском розрахуємо за формулою:

, (2.2.10.1)

де товщина гладкої циліндричної обичайки, м; внутрішній діаметр корпуса мембранного модуля, рівний 0,2 м; допустиме напруження, для сталі Х12Н18Т складає 160 мПа; коефіцієнт міцності сварного шва, тавровий з двохстороннім проваром, рівний 1; С - запас на корозію, відповідно 0,002 м. Підставивши дані, отримаємо:

; м.

Приймаємо товщину обичайки рівну 0,003 м.

Розрахуємо на міцність нагнітальний трубопровід, розрахунок проводимо за формулою:

, (2.2.10.2)

де зовнішній діаметр трубопровода, рівний 0,045 м,

допустиме напруження для труб, рівне 60 мПа, коефіцієнт міцності сварного шва, рівний для одностороннього проварювання 0,9. Тоді товщина стінки нагнітального трубопровода буде складати:

; мм.

Розрахуємо фланцеве сполучення поміж насосом високого тиску та нагнітальним трубопроводом. Вихідні дані: максимальний робочий тиск 1,2 мПа, прокладка пароніт, товщина прокладки 12мм, внутрішній діаметр труби 0,035 м.

Діаметр болтової окружності розрахуємо за формулою:

, (2.2.10.3)

де внутрішній діаметр трубопровода, рівний 0,035 м; діаметр болтів, рівний 0,01 м. Тоді діаметр болтової окружності буде складати:

; 0,071 м, приймаємо діаметр болтової окружності кратний 5, тобто 0,10 м.

Знайдемо наружній діаметр фланця за формулою:

, (2.2.10.4)

де а - діаметр обраних болтів М101,5 складає 0,008 м. Тоді наружній діаметр фланця буде складати:

; 0,12 м.

Середній діаметр прокладки знайдемо за формулою:

, (2.2.10.5)

де е - діаметр болтів, рівний 0,008 м. Тоді діаметр прокладки буде складати:

; м.

Орієнтовану товщину фланця знайдемо за формулою:

, (2.2.10.6)

де параметр плаского накидного фланця, рівний, згідно [20] 0,04; внутрішній діаметр трубопровода, рівний 0,035 м; для неметалічних фланців, рівний 2. Орієнтована товщина фланця складе:

; м.

Визначимо кількість болтів за формулою:

, (2.2.10.7)

де крок болтів, для робочого тиску рівний 3,2; внутрішній діаметр трубопровода, відповідно 0,035 м. Кількість болтів складе:

; ; остаточно приймаємо кількість

болтів, рівну 4 шт.

Розрахуємо довжину болта за формулою:

, (2.2.10.8)

де довжина болта, поміж опорами поверхні головки болта, рівна 0,04 м. Тоді довжина болтів буде складати:

; 0,042 м.

Розрахуємо опору агрегата зворотнього осмоса, в якості опори виступає зварений каркас на якому розміщуються 6 мембронних модулей та ємкості для зберігання перміата і приготування промивних розчинів. Перевіримо міцність зварного шва рпи сумарному навантаженні ка каркас 600 кг.

Зварювання виконане тавровим одностороннім. Міцність зварювання перевіримо по формулі:

, (2.2.10.9)

де Р - діюче зусилля на каркас, равне: 6009,81=5,9 кН, Ке - довжина катета шва, рівна 0,008 м, , S - товщина з'єднувальних елементів, рівна 0,005 м, - довжина сварного шва, рівна 0,1 м. Тоді маємо:

; 527<11800, тобто міцність гарантована.

2.3 Обгрунтування прийнятої конструкції другого апарата

Обгрунтування конструкції другого апарата, іонообмінного фільтра, проводимо за наступнимт критеріями: фільтр повинен забеспечувати пеобхідне пом'якшення вихідної води до заданного значення, по-можливості необхідно скоротити кількість йонообмінних фільтрів, необхідно також скоротити кількість регенераційного рознина, що дозволить суттево зменшити кількість стічних вод. Перерахованим вище вимогам задовільняє протитечний натрій-катіонітовий фільтр. Розглянемо більш детально принцип його роботи.

Робота фільтра характеризується двома етапами: перший-фільтрування води, коли вода подається у верхній дренажний пристрій (11), фільтрується крізь шар іоніта, збирається нижнім дренажним пристроєм та виводиться із фільтра. Другий етап-регенерація, відбувається у протилежному напрямку, на відміну від прямоточних фільтрів, чим досягається значно ефективніша регенерація йонообмінного матеріала. Регенерація складається із наступних стадій: розпушення інертного шару матеріала, цим шаром також може слугувати надлишок йонообмінного матеріала за допомогою середньої дренажно-розпридільчої системи (12), проходження регенераційного розчину крізь шар йонообмінного матеріала у напрямку протилежному напряку напрямку руху вихідної води, для затиснення шару іоніта 30-40 відсотків розчина регенеранта подається через верхній дренаж. Відмивка (витіснення) регенераційного розчина відбувається проходженням пом'якшеної води крізь нижню дренажно-розпридільчу систему (13), аналогічно як і у випадку завантаження регенераційного розчина. Вода після відмивки відводиться через верхній дренаж (11) в промислову систему каналізації.



Малюнок 1.5.2. Схема протитечного натрій- катіонітового фільтра

1- підведення вихідної та блокуючої води; 2-відведення пом'якшеної води; 3-підведення регенераційного розчина; 4-відведення регенераційного розчина із середньої дренажної системи; 5-підведення розпушуючої води крізь середню дренажну систему; 6-відведення розпушуючої та промивної води із верхньої дренажної системи; 7-підведення розпушуючої та відмивної води крізь нижню дренажну систему; 8-гідрозавантаження йонообмінного матеріала; 9-гідророзвантаження йонообмінного матеріала; 10-скидання відмивної води; 11-верхня дренажно-розпридільча система; 12-середня дренажно-розпридільча система; 13- нижня дренажно-розпридільча система.

2.3.1 Технологічний розрахунок другого апарата

Вихідні дані: загальна жорсткість вихідної води 6,3 мг*екв/л ; фільтр повинен забеспечити пом'якшення вихідної води, витратами 7,1 м3/год, загальна жорсткість пом'якшеної води повинна бути не більше 0,3 мг*екв/л. Проведемо розрахунок прямоточного та протитечного йонообмінних фільтрів та порівняємо отримані результати. Склад вихідної води, що подається на фільтри наступний:

Таблиця 2.3.1.1 - Склад вихідної води

Йон	Концентрація мг/л	Концентрація мг*екв/л
Ca2+	86,00	4,30
Mg2+	25,20	2,10
Na+	9,87	0,43
K+	6,24	0,16
CO2-3	0,20	0,00
НСО3-	288,48	4,80
SO2+4	50,00	1,02
Cl-	50,00	1,40
NO-3	5,00	0,08
TDS	520,99
рН	6,9

Розрахунок прямоточного фільтра. Для пом'якшення вихідної води до необхідного значення необхідно застосовувати двохступінчату схему натрій-катіонування, так як практично неможливо отримати залишкову жорсткість 0,05-0,07 мг*екв/л, на що видно на малюнку 5,2 згідно [16], так як кількість регенеранта нескінченно збільшується, щоб отримати пом'якшену воду з необхідною жорсткістю. Тому необхідно застосовувати двохступінчату систему натрій-катіонування.



Малюнок 2.3.1.1 Залежність жорсткості обробленної води від витрат солі.

Як видно із малюнка при збільшенні концентрації солі зменшується жорсткість обробленої води, криві побудовані для для наступних концентрацій солей жорсткості у вихідній воді, верхня крива характеризує вміст солей жорсткості у вихідній воді, рівний 20 мг*екв\л, рухаючись вниз по кривим будемо мати відповідно криві для 15, 10, 7, 5 мг*екв\л.

Розрахунок натрій-катіонітового фільтра починаємо з підбора діаметра фільтра по швидкості фільтрування, яку визначимо із наступних рівнянь; нормальна швидкість розраховується за формулою:

; (2.3.1.1)

Максимальна швидкість:

, (2.3.1.2)

де , - відповідно нормальна і максимальна швидкості фільтрування, м/год; приймаються в залежності від жорсткості вихідної води по таблиці 5.4 [16], відповідно номінальна швидкість складає не більше 15 м/год, та 25 м/год, продуктивність натрій-катіонітових фільтрів, що являє собою суму продуктивності фільтра та кількість води на власні потреби, що складає 8 відсотків від продуктивності фільтра, тобто 7,1+7,1*8/100=7,8 м3/год, площа фільтрування натрій-катіонітового фільтра, вибирається по таблиці 5,3 [16], 0,76 м2; а - кількість працюючих фільтрів, приймаємо 2 шт. В такому випадку нормальна швидкість фільтрування складе:

; м/год;

В свою чергу максимальна швидкість фільтрування буде складати:

; 10,2 м/год.

Приймаємо до установки два фільтра, один робочий фільтр і один резервний на кожній із двох ступеней пом'якшення. Діаметр фільтра вибираємо згідно таблиці 5.3 [16], рівний 1000 мм.

Кількість солей жорсткості А, г*екв/л, що видаляється на натрій-катіонітових фільтрах визначається за формулою:

, (2.3.1.3)

де Жз - загальна жорсткість води, що подається на натрій-катіонітовий фільтр, відповідно 6,4 мг*екв/л. Підставивши цифри, маємо: