Спосіб двоступеневої деаерації води та установка для його здійснення

1. Спосіб двоступеневої деаерації води, що включає десорбцію корозійно-активних газів спочатку шляхом термічної обробки води з частковим відведенням після термічної обробки корозійноактивних газів на першому ступені та хімічного поглинання на фільтрі, заповненому іонообмінним матеріалом, на другому ступені здійснюють десорбцію шляхом хімічного поглинання розчиненого у воді кисню перехідними металами, який відрізняється тим, що на першому ступені деаерації води використовують аніоніт в змішаній основносульфітній чи в основно-тіосульфітній формі, на 2 (19) 1 3 Винахід стосується теплоенергетичної галузі, наприклад, теплоенергетичного обладнання від корозії шляхом деаерації та знекиснення води, для яких суттєвою характеристикою є комбінація двох ступенів обробки. Більшість способів знекиснення води включають стадії термічної деаерації води та вилучення кисню на пористих носіях, які містять сполуки перехідних металів. Так, в роботі (заявка на винахід Росії № 2002135791/15, МПК C02F 1/20, дата публікації заявки 2006.05.06) описано спосіб, за яким десорбцію розчинених корозійно-активних газів здійснюють спочатку у вакуумному деаераторі; деаеровану воду відводять у бак-акумулятор деаератора підвищеного тиску при підвищених температурах. Недоліком способу є застосування вакуумної установки, значних затрат енергії при термічній деаерації води. Крім того в даному випадку необхідно застосовувати обладнання великих габаритів. В іншому випадку спосіб деаерації води (патент Росії №2240986, МПК C02F 3/100, дата публікації заявки 27.11.2004), воду пропускають через пористий носій, який містить перехідний метал, подають в ємність миттєвої дегазації, а отриману частково деаеровану воду обробляють озоном. В даному способі як перехідний метал застосовують паладій. Це суттєво підвищує вартість установки. Крім того спосіб не забезпечує високий ступінь деаерації води, а застосування озону призводить до значного підвищення корозійної агресивності води. Іншій спосіб - конструкція установки з деаерації [див. а.с. СРСР №1384802, МПК F01K 17/02, дата публікації 1988] передбачає застосування деаератора з ежектором з живленням від паровідбору з турбіни. При цьому на лінії подачі води з деаератора розміщено проміжний збірник води, з якого насосом вода подається через киснепоглинаючий фільтр у систему. Недоліком способу є використання термічного деаератора, який працює при високих температурах, що свідчить про значні витрати енергії на підігрів води. Застосування проміжного збірника води призводить до збільшення габаритів установки та вторинного розчинення газів у воді при накопиченні у збірнику. В установці не передбачено обладнання для регенерації киснепоглинаючого фільтра без заміни фільтруючого завантаження. Іншій спосіб - конструкція установки з деаерації води [див. а.с. СРСР № 1254178, МПК F01K 17/02, 1986] передбачає використання на лінії подачі води в деаератор теплообмінника з використанням води з підігрівом від паровідводу з турбіни, застосування в конструкції деаератора ежектора з живленням від паровідводу з турбіни та подачею попередньо деаерованої води на другій стадії на киснепоглинаючий фільтр. Головні недоліки даної установки такі ж, як і у попередньому варіанті. А саме - висока енергоємність, значні габарити, розчинення газів у воді, що накопичується у проміжному резервуарі деаерованої води, неможливість регенерації киснепогли 96963 4 наючого фільтра без зміни фільтруючого завантаження. Найбільш близьким по технічній суті до винаходу є спосіб отримання фільтруючого матеріалу та деаерації води (патент України №18984, дата публікації 15.11.2006) та установка (патент України №18985, дата публікації 15.11.2006). В даному випадку після традиційної термічної дегазації води залишковий кисень видаляють за рахунок хімічного зв'язування при пропусканні води через фільтруючий матеріал, отриманий нанесенням на полімерний матеріал, катіоніт КУ-2-8, іонів заліза 2+ (Fe ), з подальшим їх гідролізом при обробці іоніту розчином лугу. Другий ступінь деаерації води здійснюється циклічно. Після досягнення в обробленій воді концентрації кисню на рівні понад 50 мкг/дм установку хімічної деаерації відключають для заміни в іоніті сполук заліза (ІІІ) на сполуки заліза (II). Після цього установка хімічного знекиснення води включається у подальшу роботу. Недоліком описаного способу та установки деаерації води, які обумовлені вибраним способом отримання фільтруючого матеріалу є те, що гідроксид заліза (II) має досить значну розчинність при рН 67, а іони заліза (II) легко десорбуються з катіоніту КУ-2-8 в присутності в воді іонів жорсткості. Тобто дану установку та спосіб знекиснення води можна використовувати лише для процесів знекиснення знесоленої або пом'якшеної води при відносно невисоких температурах води. Це пов'язано з тим, що при підвищенні температури та вмісту іонів жорсткості відбувається вимивання іонів заліза із фільтруючого матеріалу, що призводить до зниження ефективності його роботи, зменшення тривалості фільтроциклу та забруднення води сполуками заліза. Другим значним недоліком даного фільтруючого матеріалу, а значить і способу знекиснення води та запропонованої установки, є те, що відновлення заліза (III) в гідролізованому стані до заліза (II) при рН > 7 практично не відбувається, а при нижчих рН відбувається його розчинення та вимивання з іоніту. В цілому переведення сполук заліза (III) в сполуки заліза (II), які здатні зв'язувати кисень вимагає тривалої багатостадійної обробки іоніту розчином кислоти, сульфату заліза, відновника (Na2S2О3 або Nа2SO3), лугу. При цьому утворюються великі об'єми відходів, що потребують утилізації, що є складною проблемою. Крім того запропоновані спосіб та установка знекиснення води не дозволяють вилучити з неї вуглекислий газ, який стимулює вуглекислотну корозію. В основу винаходу поставлена задача створення нового способу та установки деаерації води та вилучення з неї корозійно-агресивних газів шляхом застосування при хімічному знекисненні води фільтруючого матеріалу на основі аніоніту в змішаній основно-сульфітній чи основно2+ тіосульфітній формі та катіоніту в Fe формі. При цьому в установці застосовується послідовне використання аніонообмінного та катіонообмінного фільтра з відповідно модифікованими фільтруючими матеріалами. 5 Поставлена задача вирішується тим, що в установці використовують двоступеневу обробку води на фільтрах з модифікованими матеріалами. На першому ступені використовують аніонообмінний фільтр заповнений фільтруючим матеріалом в основно-сульфітній формі або основнотіосульфітній формі, на другій стадії як фільтруючий матеріал використовують сильно кислотний 2+ катіоніт в Fe формі. Фільтруючий матеріал для фільтрів першого ступеню отримують наступним чином. В фільтр завантажують високоосновний аніоніт. З допомогою лужного розчину його переводять в основну форму, а потім обробляють бісульфітом, сульфітом або тіосульфітом натрію. Склад розчину вибирають так, щоб перевести аніоніт в змішану основно-сольову форму. Фільтруючий матеріал для фільтрів другого ступеня отримують на основі сильнокислотного катіоніту. Катіоніт з допомогою розчину лугу переводять в сольову форму, а потім розчином суль2+ фату заліза (II) переводять в Fe форму. При використанні таких фільтрів можна проводити дегазацію як знесоленої або пом'якшеної води, так і технічної води з високим рівнем жорсткості в діапазоні температур від 0,1 до 100,0 °C. При цьому забезпечується ефективне вилучення з води кисню, вуглекислого газу та створюються умови, за яких не відбувається вимивання сполук заліза із фільтруючого матеріалу та не допускається забруднення води сполуками заліза. Застосування аніонообмінного фільтра в основно-сольовій формі та катіонообмінного фільтра 2+ в Fe формі дозволяє не лише знижувати вміст 3 кисню до значень, менших 40 мкг/дм , та вуглеки3 слого газу, нижчих 1 мг/дм , але й контролювати рН води в допустимому діапазоні для технічної води, що використовується в парових та водогрійних котлах, системах опалення та охолодження. Спосіб знекиснення води реалізують наступним чином. Воду з температурою до 100 °C подають в резервуар, який відіграє роль усереднювача, а при підвищених температурах - усереднювача та дегазатора. З резервуару воду подають на двоступеневе фільтрування через аніонообмінний фільтр в основно-сольовій формі та через катіоно2+ обмінний фільтр в Fe формі. На першій стадії з води вилучається вуглекислий газ та кисень, залишки кисню зв'язуються на катіонообмінному фі2+ 3+ льтрі при окисленні заліза з (Fe до Fe ). Цьому сприяє рівень рН середовища, який тримається в межах 8,5-9,5 - оптимальних для окислення заліза (II) та зв'язування кисню. Повністю дегазовану воду подають до споживача. В разі, коли ємність фільтрів по кисню вичерпується, що видно по залишковому вмісту кисню, фільтри відключають на регенерацію. Фільтр першого ступеня регенеру 96963 6 ють, пропускаючи через нього розчин лугу а потім розчин сульфіту, або бісульфіту чи тіосульфату натрію. Фільтр 2-го ступеня регенерують, пропускаючи через нього розчин сульфату заліза (II). Даний спосіб забезпечує зниження концентрації кисню до 3 значень, менших 40 мкг/дм , а вуглекислого газу 3 нижчих 1 мг/дм . Принципова схема запропонованої установки представлена на кресленні. Установка містить лінію 1 живлення водою, з'єднаною насосом 2 з резервуаром 3, який містить лінію відведення виділених газів 4, а також регенераційні баки 5, 6, 7, які зв'язані через насоси 12, 13, 14 з фільтрами 8, 9, а вихід фільтрів киснепоглинання зв'язаний з нейтралізатором 11, який з'єднаний з лінією скидання відходів з установки 15; фільтр 9 містить лінію 10 подачі води до споживача. Установка працює наступним чином: Воду по лінії (1) з допомогою насосу (2) подають в резервуар (3), в якому відбувається усереднення температури та складу води, а в разі, коли її температура > 50 °C відбувається часткова дегазація. Виділені гази через лінію (4) скидають в атмосферу. Далі вода проходить послідовно два фільтри для зв'язування корозійно-агресивних 2газів. На першому фільтрі (8) (аніоніт в ОН -SO3 2або S2O3 формі) відбувається зв'язування кисню 2+ та СО2, на другому фільтрі (9) (катіоніт в Fe формі), відбувається зв'язування залишкового кисню. Повністю дегазовану, знекиснену воду по лінії 10 подають до споживача. Після підвищення в ній 3 концентрації кисню > 40 мкг/дм фільтри відключають на регенерацію. Регенерація фільтру 1-го ступеня здійснюється при пропусканні через нього послідовно розчину лугу з баку (5) насосом (12) та сульфіту або бісульфіту, чи тіосульфіту натрію з баку (6) насосом (13). Фільтр 2-го ступеня регенерується розчином сульфату заліза (II), який з баку (7) насосом (14) подається на фільтр (9). Регенераційні розчини направляють в нейтралізатор (11). З нейтралізатора розчин направляють в каналізацію. Спосіб знекиснення води ілюструється прикладом його здійснення: Високоосновний аніоніт в іонообмінному фільтрі послідовно обробляють розчином лугу та бісульфіту натрію. Сильнокислотний катіоніт переводять розчином лугу в сольову форму, а потім обробляють розчином сульфату заліза (II). Після промивання фільтрів через них пропускають воду. В експерименті використовують як знесолену, так і 3 технічну воду з жорсткістю 5,4 мгекв/дм . Отримані результати приведені в таблиці. 7 96963 8 Таблиця Залежність залишкової концентрації кисню, заліза, вільної вуглекислоти та рН обробленої води від складу фільтруючого завантаження, складу та об'єму обробленої води № п/п Жорсткість во3 ди, мгекв/дм 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2 0,0 0,0 0,0 5,4 5,4 5,4 0,0 0,0 0,0 5,4 5,4 5,4 Об'єм пропущеної води, 3 дм 3 10 20 30 10 20 30 10 20 30 10 20 30 3 Об'єм каті3 оніту, см Об'єм аніоніту 4 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 5 25 25 25 25 25 25 Застосування такої схеми знекиснення води дозволяє суттєво підвищити ефективність процесу знекиснення води та її дегазації за рахунок зв'язування корозійно-агресивних газів, різко знизити енерговитрати на підготовку води, значно збільшити термін між регенераційного фільтроциклу, спростити умови експлуатації установки, умови Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Концентрація, мг/дм Концентрація 3 кисню, мкг/дм заліза вуглекислоти 6 0 0 9 3 19 28 0 0 15 3 19 7 0,0 0,2 0,3 5,0 39,0 67,0 0,0 0,0 0,3 0,1 0,3 0,4 8 4,0 7,5 8,4 8,3 7,4 9,1 0,0 0,1 0,3 0,2 0,1 0,0 рН 9 7,53 7,39 7,32 7,70 7,48 7,54 7,85 7,91 8,00 10,1 9,52 8,90 регенерації фільтрів, різко знизити об'єми відходів при регенерації фільтрів, забезпечити високу ефективність роботи установки в широкому діапазоні температур знесоленої та технічної води без вимивання сполук заліза із фільтруючого матеріалу та забруднення ними обробленої води. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601