20789

Подготовка воды для заполнения и подпитки контуров

Лекция

Физика

Целевая установка: В результате изучения материала лекции студенты должны: а знать: технологию предварительной очистки природных вод; основные методы опреснения и обессоливания воды; использование очистки воды методом дистилляции на АЭС; принципы ионного обмена между смолами и водными растворами; основные показатели качества ионитов; основные методы очистки воды от растворенных газов применяемых на АЭС;...

Русский

2013-08-01

302 KB

6 чел.

Лекция №2

Тема: Подготовка воды для заполнения и подпитки контуров.

Целевая установка: В результате изучения материала лекции студенты должны:

а) знать:

   - технологию предварительной очистки природных вод;                                                                              

             - основные методы опреснения и обессоливания воды;           

             - использование очистки воды методом дистилляции на АЭС;

   - принципы ионного обмена между смолами и водными растворами;

   - основные показатели качества ионитов;

   - основные методы очистки воды от растворенных газов, применяемых на АЭС;

   - показатели качества « чистого» конденсата и ХОВ для подпики 1 контура и подпитки и заполнения 2 контура.

б) уметь:

   - обосновывать основные методы очистки воды с физико-химической точки зрения;

   - написать основные уравнения взаимодействия катионитов, анионитов и гидразин гидрата с водными растворами.

в) быть ознакомленными:

   - с очисткой воды методами вымораживания, электрорадиолиза, обратного осмоса, аэрации.

План лекции

     Введение.

1. Предварительная очистка воды методами коагуляции, осаждения и фильтрования.

2. Методы опреснения и обессоливания воды.

3. Очистка воды от растворенных газов.

              Выводы.

Литература:

1.Маргулова Т. Х., Мартынова О. И. Водные режимы тепловых и атомных электростанций. М. Высшая школа 1987.

2.Хоршева М.И. Водоподготовка, спецхимочистка и химический контроль на атомных станциях. Севастополь СИЯЭ и П 2000г.

    3.Акимов А.М.,Кулибов А.В.,Кузьмин А.А. Системы и оборудование      химических цехов АЭС. Севастополь СИЯЭ и П 2002г.

    4.Инструкции по ведению водно-химического режима  1 и 2 контуров (ЮУ АЭС, ЗАЭС, РАЭС, ХАЭС).

Задание на самостоятельную подготовку:

- выучить основные показатели качества ионитов;

- выучить показатели качества « чистого» конденсата и ХОВ для подпики 1 контура и подпитки и заполнения 2 контура.

 

Введение

          Воду для заполнения и подпитки контуров АЭС готовят из природных вод забираемых из рек и водохранилищ расположенных вблизи АЭС. Примеси в этих природных водах зависят от времени года, почвы с которых поступают стоки и находится сам водоем, от загрязнения вод промышленными и сельскохозяйственными стоками и т.д.

    По степени дисперсности примеси природных вод могут быть разделены на грубодисперсные, коллоидно-дисперсные и истинно растворенные. Грубодисперсные примеси (размер частиц более 100 нм) образуют с водой гетерогенную систему. Обычно они состоят из глинистых веществ, песка и органических веществ.

Коллоидно-дисперсные примеси (размер 1.100 нм) образуют с водой гетерогенную систему. В коллоидном состоянии обычно находятся различные формы кремнекислоты, соединения алюминия и железа, а также различные органические вещества.

Истинно растворенные примеси представлены в воде в виде отдельных ионов молекул или комплексов, состоящих из нескольких молекул (частицы таких примесей имеют размер менее 1 нм). Такие примеси не имеют поверхности раздела и с водой составляют гомогенную систему.

   По химическому характеру примеси разделяются на газовые, минеральные и органические. Газовые примеси в природных водах составляют газы , растворенные в воде из-за ее контакта с атмосферой (О2, СО2, N2), и газы, образующиеся в результате биохимических процессов (H2S, SO2, NH3).

Минеральные примеси представляют собой растворенные минеральные соли.

Органические вещества в природных водах представлены в основном гумусовыми веществам. В зависимости от рН и концентрации солей степень дисперсности (ассоциации) гумусовых веществ может меняться от молекулярной до коллоидной. При увеличении рН и уменьшении ионной силы дисперсность частиц возрастает.

     Информация о химическом составе примесей водоисточников необходима для обоснованного выбора технологического режима водоочистных установок. 

          Непосредственное использование природных вод для промышленных и бытовых нужд является в большинстве случаев неприемлемым. Особенно высокие требования к потребляемой воде предъявляет теплоэнергетическое производство. На АЭС вода используется как рабочее тело и как теплоноситель. Эффективность передачи тепловой энергии и последующего ее превращения в механическую энергию определяется чистотой контактирующих с водой и паром поверхностей металла. Образование отложений различных веществ на теплопередающих поверхностях приводит к ухудшению теплопередачи. Для повышения эффективности работы основного оборудования необходимо максимально снижать концентрации в питательной воде и добавочной воде растворенных и взвешенных веществ, а также агрессивных агентов, вызывающих коррозию металла.

1. Предварительная очистка воды методами коагуляции, осаждения и фильтрования.

          При выборе методов очистки природных вод необходимо учитывать фазово-дисперсное состояние и солесодержание очищаемых вод. Как правило, при очистке вод применяется последовательное использование методов очистки: сначала удаляются грубодисперсные примеси, затем коллоидно-дисперсные примеси и на последней стадии удаляются истинно растворенные вещества.

     Природные воды кроме растворенных веществ часто содержат примеси в виде более или менее размельченных частиц, различных минералов и органических остатков. Грубодисперсные частицы не могут находиться в воде в устойчивом состоянии: они или всплывают при их плотности, меньшей плотности воды, или осаждаются. Например, песчинки, имеющие степень дисперсности 10 (размером О,1 мм), оседают в спокойной воде со скоростью 100 мм/с.

Как крупные, так и мелкие частицы, находящиеся в воде, обычно приобретают электрический заряд. Обусловлено это различными причинами. Например, поверхность твердого вещества может избирательно адсорбировать те или другие ионы, присутствующие в воде. Концентрируя эти ионы, поверхность приобретает определенный заряд или вещество отдаст в раствор ионы и при этом заряжается. Заряд частицы определяется ее поверхностью, которая приобретает тем большее значение, чем меньше размеры частицы.

Взвешенные вещества создают ряд осложнений как при умягчении и обессоливании воды, так и при дальнейшем ее использовании:

- при попадании на ионообменную шихту снижают ее обменную емкость;

- при попадании на теплопередающие поверхности снижают эффективность

их работы.

Вследствие этого освобождение от грубодисперсных и коллоидных примесей является первоначальной стадией для почти всех водоподготовительных установок. Эту стадию очистки принято называть осветлением.

Осветление можно условно разделить на два метода: осаждение и умягчение.

       Осаждение - способ удаления механических примесей за счет снижения скорости движения воды в большой площади, в результате чего частицы оседают на дно под действием силы тяжести.

       Умягчением называется захват примесей осадком макрокомпонентов. Существует два способа умягчения:

-  объемная коагуляция, основанная на укрупнении коллоидных и грубодисперсных частиц в результате их слияния под действием молекулярных сил сцепления;

-  известкование, направленное на снижение общей щелочности и жесткости воды.

         КОАГУЛЯЦИЯ:

Коагуляция - процесс, при котором происходит понижение степени дисперсности коллоидно-растворенных примесей в результате агломерации их частиц с образованием макрофазы. ( Иными словами, коагуляция – физико-химический процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил притяжения.)

Если частицы грубых суспензий могут быть осаждены под действием силы тяжести, то коллоидные и тонкодисперсные частицы самопроизвольно осаждаться не будут. Этому препятствует электрический заряд, которым обладают такие частицы. Снятие или уменьшение заряда дисперсных частиц осуществляется созданием в обрабатываемой воде также дисперсных частиц, но с противоположным по знаку зарядом. Обычно для этого используют соединения железа или алюминия. Такой процесс носит название коагуляции, а сернокислое железо FeSO4 - коагулянта. При дозировании сернокислого железа в щелочной среде, обусловленной наличием в воде гидроокиси кальция, происходит следующая реакция:

             FeSO4 + Ca(OH)2  Fe(OH)2 + CaSO4.

Образующийся гидрат закиси железа в дальнейшем, при наличии в воде кислорода, окисляется в менее растворимый гидрат его окиси:

            4Fe(OH)2  +  О2 + Н2О  4Fe(OH)3

Fe(OH)3 первоначально образует коллоидную систему, частицы которой коагулируют коллоидные примеси исходной воды. Именно на этом этапе коагуляции исходная вода в основном очищается от коллоидных примесей. На втором этапе процесса коагуляции образуются крупные хлопья (флокулы) размером 1...3 мм. Обладая высокой сорбционной способностью, флокулы дополнительно очищают воду от примесей различной степени дисперсности и различной природы.

   При низких температурах и слабом перемешивании среды происходит вялая коагуляция, причинами которой являются замедленное тепловое движение молекул и повышенная вязкость среды, уменьшение числа взаимных столкновений, одгезионных сил и прочности хлопьев. Оптимальной температурой при использовании сульфата железа является температура равная 30-350С.

        ИЗВЕСТКОВАНИЕ:

Добавление к природной воде извести сопровождается протеканием ряда реакций. В результате диссоциации молекул извести по уравнению:

                      Са(ОН)2    Са2+ + 2ОН-

в растворе повышается концентрация ионов гидроксила. Существовавшее в природной воде углекислотное равновесие смещается вправо, поскольку увеличение концентрации ионов гидроксила приводит к связыванию ионов Н+ в мало диссоциированные молекулы воды:

                                СО22О Н2СО3;

                                Н2СО3 Н+ + НС ;

                                НС Н+ + С.

Введение ионов гидроксила в стехиометрическом количестве приводит к тому, что вся свободная углекислота и бикарбонат-ионы переводятся в карбонат-ионы. Увеличение в растворе концентрации карбонат-ионов' вызывает реакцию образования труднорастворимого карбоната кальция:

                                  Са2+ + С    СаСО3 .

Добавление к воде извести в количестве, большем, чем это необходимо для превращения СО2 и ионов НС в карбонат-ионы, вызывает дальнейшее повышение в растворе концентрации гидроксила. Присутствующие в природной воде ионы Mg2* образуют с ионами ОН- малорастворимое соединение - гидроокись магния Mg(OH)2:

                                   Mg2+ + 2OH-      Mg(OH)2.

В результате известкования происходит снижение щелочности и жесткости. Общее солесодержание воды в результате снижения жесткости и щелочности при известковании всегда уменьшается.

   На АЭС применено совмещение стадий известкования и коагуляции. Это совмещение приводит к снижению общей жесткости и щелочности природной воды, снижению степени дисперсности примесей в обрабатываемой воде.

Основным аппаратом для умягчения воды и осаждения является осветлитель. Обработка воды методом коагуляции и известкования является достаточно эффективным методом удаления грубодисперсных примесей. К недостаткам метода следует отнести:

            -  большой расход реагентов;

            -  сложность процесса, связанную с точной дозировкой реагентов и необходимостью поддержания в узком диапазоне температуры обрабатываемой воды и величины рН;

             -  образование большого количества шлама и сложности с его

захоронением.

               Осветление воды фильтрованием. Завершающим этапом осветления воды от взвешенных веществ природного происхождения и образующихся при ее очистке является фильтрование. Фильтровальные сооружения применяются в качестве второй ступени осветления по схеме с отстойниками или осветлителями и как самостоятельные сооружения. Процесс фильтрования осуществляется путем пропускания воды через слой мелкозернистого фильтрующего материала определенной высоты в специальных сооружениях - фильтрах.

      Очистка воды фильтрацией обусловлена, с одной стороны, адгезией взвешенных частиц на поверхности материала зернистого слоя, а с другой - механическим задержанием взвеси в порах, образованных зернами

фильтрующего материала.

Адгезия характеризует взаимное притяжение частиц различных тел в области их соприкосновения (на поверхности раздела), обусловленное силами межмолекулярного взаимодействия между этими телами. Адгезией объясняется слипание различных тел, а также смачивание.

Чтобы произошла адгезия, необходимо сближение частиц. В сближении частиц взвеси с зернами фильтрующего материала участвуют гравитационные силы и силы инерции. При малой скорости фильтрации наибольшую роль играют силы тяжести. При увеличении скорости движения жидкости по каналам между зернами частицы взвеси, двигаясь по инерции, отклоняются от направления движения жидкости и подходят к зернам фильтрующего материала. Если взвешенные частицы и фильтрующий материал имеют заряды разных знаков, то в процессе сближения участвуют и электростатические силы.

Разделяют два режима фильтрации: быстрый и медленный. На АЭС принят метод быстрой фильтрации, который заключается в пропуске воды под напором, создаваемым внешним источником (насосом), через слой

крупнозернистого фильтрующего материала. Быстрая фильтрация используется чаще всего совместно с коагуляцией в качестве предварительной очистки.

Для более эффективной очистки воды фильтрующий материал должен иметь максимально высокое сродство к продуктам коррозии и высокую пористость. Так как частицы продуктов коррозии имеют, как правило, отрицательный заряд, в качестве фильтрующего материала должны использоваться катиониты, причем предпочтение должно отдаваться материалам с развитой поверхностью, например сульфоуглю или дробленому антрациту.

Фильтрацию осуществляют на механических фильтрах. В процессе улавливания взвешенных частиц фильтрующий материал загрязняется, в результате чего возрастает его гидравлическое сопротивление или наблюдается проскок взвешенных частиц в фильтрат.

Для удаления загрязнений фильтрующий материал промывают током воды снизу вверх с расходом, обеспечивающим расширение загрузки примерно в 1,5 раза, что позволяет зернам фильтрующего материала свободно перемещаться в потоке воды. Отмывающиеся с поверхности зерен частицы загрязнений и измельченные частицы фильтрующего материала удаляются вместе с водой. Для повышения эффективности промывки и снижения расхода промывочной воды производится взрыхление фильтрующего материала сжатым воздухом.

    На водоподготовительных установках АЭС предварительную очистку осуществляют при совмещении процессов осаждения, коагуляции и известкования, как правило, в одном аппарате – осветлителе, а окончательное очищение от осадка осуществляется при помощи процесса фильтрования.

    Рассмотрим функциональную схему установки для предварительной очистки воды:

     

      Где:  I - исходная вода;  2 - теплообменный подогреватель;   3 - осветлитель; 4 - ввод извести;      5 ввод коагулянта;        6 - бак осветленной воды; 7 - перекачивающий насос;     8 – осветлительный фильтр;   9  - вода на ионитные фильтры или на потребление;  10 - сброс осадка с продувочной водой;  11 - греющий пар;   12 - конденсат греющего пара.

   В подогретую до температуры около 30 °С обрабатываемую воду дозируют в виде суспензии (молока) гашеную известь Са(ОН)2 и 5%-ный раствор FeSO4, а образующийся осадок сбрасывают. Осветленная вода из осветлителя сливается в бак осветленной воды, откуда перекачивающим насосом подается на фильтр для второй ступени осветления. После фильтра вода подается на установки окончательной очистки воды.

2. Методы опреснения и обессоливания воды.

    Методы опреснения и обессоливания воды подразделяются на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния. К первой группе относятся дистилляция, замораживание и др. методы, ко второй - ионообмен, электродиализ, обратный осмос (гиперфильтрация) и др. На АЭС находят применение дистилляция, ионный обмен, электродиализ и другие.

    Выбор метода обуславливается качеством исходной воды, требованием к качеству очищенной воды, производительностью установки и технико-экономическими соображениями.

     Очистка воды методом дистилляции. Дистилляция - процесс подогрева водного раствора до кипения, отбора образующегося водяного, пара и его конденсации. Полученный конденсат водяного пара называют дистиллятом (дистиллированной водой). Если процесс дистилляции повторить, то получим бидистиллят.

Дистилляция - традиционный и самый распространенный способ опреснения воды, этим методом получают 96 % всей опресняемой в мире волы. Моряками он применяется еще со времен древней Греции и в настоящее время продолжает оставаться основным источником пресной воды на морских кораблях.

Дистилляция используется для очистки воды от любых загрязнений (взвешенных и растворенных), кроме летучих и газообразных. Этот метод используется для опреснения воды с большой степенью минерализации (морская вода) и для воды загрязненной вредными веществами, которую нельзя сбрасывать в естественные источники.

На АЭС испарительные установки в основном применяют в установках спецводоочистки: СВО-3, СВО-6, СВО-7.

Для производства воды заполнения контуров ЯЭУ и их подпитки из природной воды на отечественных АЭС испарительные установки не применяют исходя из технико-экономических соображений.

    Очистка воды методом вымораживания. Вымораживание - метод опреснения воды, заключающийся в охлаждении соленой воды ниже температуры замерзания, отделении образовавшегося льда и последующем его плавлении. Концентрация растворенных веществ в воде при этом значительно снижается, однако существующие методы нагрева и разработанные на их основе конструкции дистилляторов значительно экономичнее рефрижераторных установок и опреснителей на их основе. Поэтому метод вымораживания не нашел широкого применения и используется в основном там, где есть естественные источники холода. Этим методом получают всего 0,1 % мирового производства опресненной воды.

   Электродиализ. Электродиализ - процесс удаления из растворов (проводников второго рода) ионизированных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. В такой системе возникает направленное движение ионов Н+ и ОН- , причем катионы движутся к катоду, а анионы - к аноду, при этом электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран, катионопроницаемые и анионопроницаемые мембраны. При этом катионопроницаемые мембраны  пропускают катионы и не пропускают анионы, а анионопроницаемые мембраны наоборот пропускают анионы и не пропускают катионы.

      Принцип работы виден из функциональной схемы электродиализатора:

                      Обессоленная вода

Ионитные мембраны для процессов электродиализа должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью, химической стойкостью, хорошей электрической проводимостью, высокой механической прочностью, определяющей продолжительный срок службы в промышленных условиях.

Внедрение электродиализа началось более 20 лет назад, но широкое использование его тормозится необходимостью предварительной очистки воды от взвешенных и коллоидных частиц, которые могут осаждаться на мембранах и ухудшать их проницаемость. Возможно "отравление" мембран органическими примесями, что ухудшает их работу и приводит к "образованию кальциевых и магниевых отложений. Сдерживают применение электродиализа также сложность аппаратуры и высокие эксплуатационные расходы по замене мембран.

Электродиализ выгодно использовать для опреснения соленых вод, так как удельные затраты на удаление солей снижаются с ростом минерализации исходной воды. В настоящее время этим методом получается около 3 % всей опресняемой воды.

     Метод обратного осмоса. Метод деминерализации воды обратным осмосом (гиперфильтрация) основан на прохождении чистого растворителя через полупроницаемую мембрану при давлении, превышающем осмотическое. Движущей силой этого процесса является разность между приложенным и осмотическим давлениями:

                                          

Где: р - избыточное давление над исходным раствором;

      - осмотическое давление соответственно исходного раствора и раствора, прошедшего через мембрану.

Эффективность процессов обратного осмоса в значительной степени определяется свойствами применяемых мембран, которые должны отвечать следующим требованиям: высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной проницаемостью, устойчивостью к воздействию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью.

 Обратным осмосом сейчас получают всего 1 % всей опресняемой воды в мире, хотя считается, что это один из наиболее перспективных и экономичных способов опреснения. Сдерживает широкое применение этого метода отсутствие долговечных мембран.

    Метод ионного обмена. Основан на явлении обмена ионов при контакте некоторых твердых веществ с растворами. В настоящее время на практике используется большое число как природных ионообменных веществ, так и искусственных ионитов различного состава.

Иониты - это нерастворимые в воде органические или неорганические вещества, содержащие активные группы с подвижными ионами и способные обменивать эти ионы на ионы растворов при контакте с ними.

Активные группы в ионитах - это функциональные группы кислотного или основного характера, которые присоединены к высокомолекулярному каркасу или матрице, причем иониты с однотипными функциональными группами называют монофункциональными, а с обменными группами различной природы - полифункциональными.

      Используют органические иониты (крахмал, мелатин, целлюлозу, торф, древесину, наиболее широко - синтетические ионообменные смолы и сульфированные угли) и неорганические иониты - гидроксиды алюминия, железа бария, цеолиты, пермутиты.

     На АЭС наиболее широко используют синтетические ионообменные смолы.

   Наиболее часто в качестве катионита применяют катионит марки КУ-2-8 (катионит универсальный). Если после цифры 8 стоит буква ч – чистый, если чс – химически чистый ( 1 и 2 сорт ). Катионит марки КУ-2-8 стоек к разбавленным кислотам и щелочам, обладает высокой механической прочностью, термостойкостью ( до 1200С в Н-форме ). Его селективность очень высока к ионам Са2+ , Fe3+ , Ni2+ , Zn2+. Выпускается в виде сферических зерен размером 0,315 – 1,25 мм, цвет от желтого до темнокоричневого в Н+ форме.

  Из анионитов наиболее широко применяется для очистки воды анионит АВ-17-8 (анионит высокоосновной), также как и катионит может быть особо чистым. Выпускается в виде сферических зерен размером 0,315 – 1,25 мм, цвет от желтого до темнокоричневого в ОН- форме. Термически устойчив до 600С.

Обработка воды методом ионного обмена экономически выгодна при солесодержании воды, не превышающем 1 г/кг. В противном случае ионообменные смолы быстро истощаются. Замена фильтрующего материала ввиду большой стоимости ионитов обходится дорого, а регенерация приводит к появлению большого количества вод, требующих нейтрализации.

При написании химических реакций иониты обозначаются в виде RH+ и ROH-, где R – сложный органический радикал катионита или анионита.

Процесс обработки воды с помощью катионитов называют катионированием, с помощью анионитов – анионированием. Обработка воды может производиться как при раздельной загрузке ионитов в корпуса фильтров, так и при совместной ( ФСД ).

При раздельной загрузке ионитов первым этапом очистки является катионирование. При этом реакции ионного обмена протекают по уравнениям типа:

    а) катионирование -           RH+ + Na+Cl-   R Na+ + H+ Cl-

    б) анионирование -            ROH- + H+ Cl-   R Cl- + Н2О

Таким образом, при последовательном катионировании и анионировании получается вода с очень малым содержанием солей.

  Если процесс обессоливания воды на ионитных фильтрах длится достаточно долго, то иониты насыщаются и перестают поглощать ионы из растворов. В фильтрате появляются посторонние ионы, Этот момент называется проскоком ионов через фильтр, при чем в первую очередь будут проскакивать ионы стоящие в конце ряда интенсивности поглощений ионов. Интенсивность поглощений катионов зависит от их природы, ее можно представить следующим рядом:

                      Са+  Мg2+   К+  NH4+  Na+  H+ 

Каждый предыдущий ион в этом ряду будет вытеснять последующий, если они присутствуют в воде в сопоставимых концентрациях.

Интенсивность поглощений анионов можно представить в следующем виде:

                     SO4-2    Cl-   NO3-  HCO3-  OH-

    В системах обессоливания природных вод Н-катионитные фильтры отключаются на регенерацию по проскоку натрия и регенерируются обычно 1-5% раствором Н2SO4. Процесс регенерации завершается отмывкой фильтра,

Необходимой для удаления из межзерного пространства слоя остатков регенерационного раствора и продуктов регенерации.

     Аонитные фильтры, как правило, выводятся на регенерацию по проскоку хлоридов и регенерируются щелочью NаОН.

     При длительной работе фильтров также увеличивается гидравлическое сопротивление их загрузки. Поэтому при увеличении перепада давления на фильтре до предельных значений фильтр должен быть выведен на регенерацию.

    В некоторых очистительных установках ЯЭУ ( БОУ ) используют смешанную загрузку фильтров при соотношении катионита и анионита от 1:1 до 3:1. Смешанная загрузка ионитных фильтров обладает рядом преемуществ перед раздельной загрузкой фильтров: - процессы поглощения ионов протекают практически одновременно, что приводит к ускорению обмена; - при смешивании иониты занимают объем значительно превосходящий суммарный объем ингредиентов смеси, и образуют более проницаемый слой, что позволяет вести процесс с большей эффективностью при скоростях в 2-3 раза больших, чем скорость, чем скорость при раздельном ионировании.

     К основным показателям качества ионитов относят:

Полная обменная емкость - это общее число всех ионообменных групп в единице объема ионита, выражающееся в мг-экв/л. Полная обменная емкость постоянна для данного ионита и зависит только от термического, химического и ионизирующего воздействия. Из-за необходимости многократной регенерации ионитов их обменная емкость используется лишь частично. В таком случае вводится понятие рабочей обменной емкости ионитов, которая зависит от условий сорбции и регенерации ионитов. Для катионитов обменные емкости определяют по катионам, для анионитов - по анионам.

Сорбционная способность - это способность к избирательной сорбции ионов. Для оценки избирательной сорбционной способности ионитов определяют обменный коэффициент распределения К. При очистке раствора от ионов во время достижения равновесия эти ионы распределяются между ионитом и раствором. Отношение концентрации сорбируемого вещества в ионите к концентрации его в растворе при достижении равновесия и называется обменным коэффициентом распределения К. При К < 1 ионит обеднен по сравнению с раствором, а при К >1 обогащен ионами.

Коэффициент селективности определяет избирательность ионитов к тому или иному иону при прочих равных условиях. При этих условиях для определенных ионитов устанавливаются ряды селективности. Так, селективность катионита КУ-2 очень высока к ионам Са2+, Fe3+, Ni2+, Zn2+, что успешно используется в процессах водоподготовки.

Динамическая обменная емкость ДОЕ - количество ионов, которое может поглотить ионит до момента проскока поглощаемого компонента в динамических условиях. ДОЕ выражается в мг-экв поглощенного иона на 1 л ионита (мг-экв/л).

ДОЕ определяется по формуле:

                               ДОЕ =

где С - концентрация ионов (катионов для катионита или анионов для

анионита) в воде, мг-экв/л;

V - количество воды, пропущенной через фильтр до проскока поглощаемого иона, л;

V1 - объем ионита, л.

ДОЕ является величиной переменной зависящей от ряда факторов:

-  природы поглощаемого иона (например, емкость катионита по иону Na* меньше, чем по ионам Са2+ и Mg +);

-  концентрации поглощаемого иона и рН раствора (с уменьшением концентрации ДОЕ снижается);

-  скорости фильтрации (с увеличением скорости ДОЕ уменьшается);

-  температуры фильтруемой воды.

Химическая стойкость - нерастворимость и способность ионита и сохранять обменную емкость в воде и растворах кислот, щелочей и солей

Термическая стойкость - нерастворимость и способность ионита при заданных температурах сохранять обменную емкость.

При повышении температуры фильтруемой воды некоторые иониты частично разлагаются и ДОЕ уменьшается. Продукты разложения анионита, содержащие аминогруппы и обладающие поэтому слабощелочными свойствами, могут поглощаться катионитом. В результате этого ДОЕ смеси катионита и анионита с повышением температуры воды понижается. При повышении температуры выше допустимых значений может происходить разрушение ионитов с полной потерей ДОЕ и загрязнением воды продуктами paзложения.( Для анионитов предельная температура – 600С, а для катионитов - 1200С.)

Радиационная стойкость - способность сохранять ДОЕ под воздействием радиации.

С увеличением радиации ДОЕ уменьшается за счет образования дополнительных сшивок. Кроме того, может происходить и разрушение (деструкция) полимерной основы ионитов. Аниониты менее радиационио стойки, чем катиониты.

Механическая прочность - способность сохранять свой гранулометрический состав (зернение) при эксплуатации (не истираться, не растрескиваться, не образовывать измельченной смеси в процессе работы).

Набухаемость - способность ионита увеличивать свой объем при контакте с водой.

3. Очистка воды от растворенных газов

     

        Для предотвращения коррозии оборудования, работающего в контакте с водой или паром, из воды удаляют растворенные в ней агрессивные газы. При этом достигается также некоторое повышение КПД энергоблока вследствие снижения в паре неконденсирующихся газов, ухудшающих теплопередачу, а также за счет некоторого увеличения вакуума в ГК.

     В контурах ЯЭУ АЭС могут быть растворены различные газы – кислород, углекислота, азот, аммиак и др. В воду контуров эти газы попадают в основном из-за контакта с атмосферным воздухом, с подпиточной водой, из-за радиолиза воды, при введении в контуры различных реагентов. Коррозионно-агрессивными являются кислород и углекислота. Азот практически нейтрален, а аммиак в определенных условиях даже может быть полезен. Коррозионная активность аммиака проявляется в основном в отношении медных сплавов и только при наличии в воде определенного количества кислорода.

      Методы удаления из воды агрессивных газов подразделяется на физические и химические.

К физическим методам удаления из воды агрессивных газов (О2 и СО 2) относят дегазацию с помощью аэрации и деаэрации и десорбционного обескислороживания.

Химическое обескислороживание воды осуществляется путем связывания растворенного в воде кислорода различными реагентами и применяется преимущественно для устранения “проскоков” кислорода, возникающих в результате отклонений от нормального режима работы термических деаэраторов или попадания кислорода извне через неплотности тракта.

      Дегазации подвергаются питательная вода, подпиточная вода, конденсат пара, охлаждающая вода конденсаторов турбин и др. В зависимости от степени насыщения воды растворенными газами, ее температуры и давления в системе концентрация кислорода и диоксида углерода в воде может изменяться от сотых долей до десятков миллиграммов в одном литре.

Низкие концентрации этих газов (100...200 мкг/л) удаляют химическими методами: кислород - восстановителями (гидразином, сульфитом и др.), диоксид - нейтрализацией (аммиаком, морфолином и др.).

        Рассмотрим  суть этих методов.

Из физических методов на АЭС используют, в основном, термическую деаэрацию. Термическая деаэрация сочетает процессы подогрева воды до температуры насыщения и удаления диоксида углерода и кислорода из воды в паровую среду. Дегазация происходит за счет двух факторов: образования и удаления пузырьков газа и его диффузии через поверхность контакта фаз. С пузырьками удаляется до 90...95 % растворенного в воде газа. Термические деаэраторы, удаляя из очищаемой воды любые растворенные газы, не вносят дополнительных примесей в воды контуров. Основной тепловой процесс в деаэраторах сводится к созданию условий, при которых из воды практически полностью удаляются растворенные в ней газы.

Концентрация любого газа в жидкости пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью ( закона Генри-Дальтона ).

    Применение этого закона дает возможность определить концентрацию газа при том условии, что в паровом пространстве над водой находится лишь рассматриваемый газ и отсутствуют другие газы. Концентрация растворенного в воде газа выражается уравнением:

Сг = кРг,

где  Сг - концентрация газа в воде;

Рг - парциальное давление газа над водой;

к - коэффициент пропорциональности (коэффициент абсорбции).

Так как над водой находятся не только газы воздуха, но и пары воды, парциальное давление газов

Рг = Р – Рн2о.

где   Р - суммарное давление над уровнем воды;

рн2о - парциальное давление водяных паров.

   Тогда

Сг = к(Р - Рн2о).

Из этого следует, что для удаления из воды растворенных газов (Сг = 0) необходимо, чтобы Р - Рн2о  = 0 , т.е. чтобы парциальное давление

водяных паров было равно суммарному давлению над уровнем воды Р = Рн2о

Это достигается при кипении воды.

На эффект дегазации существенно влияет повышение температуры воды. Это обусловлено тем, что с повышением температуры уменьшается коэффициент абсорбции газа водой.

Аэрация. Удаление из воды углекислоты может осуществляется методом аэрации. Сущность метода аэрации заключается в продувании через воду свободного от углекислоты воздуха. Так же как и при термической деаэрации воды, над поверхностью обрабатываемой воды создается атмосфера, в которой парциальное давление углекислоты ничтожно мало по сравнению с парциальным давлением углекислоты в воде. Данный метод на АЭС не применяется.

Химическое обескислороживание воды. В основе химических методов лежат окислительно-восстановительные процессы, в результате которых свободный кислород восстанавливается и переходит в состав устойчивых соединений за счет окисления специальных материалов. Этими материалами могут быть растворимые реагенты, добавляемые в воду (например, гидразин, газообразный водород и специальные твёрдые вещества, называемые  электроноионообменниками.)

    В настоящее время для химического обескислороживания воды на АЭС, в основном, применяют гидразин. Товарный гидразин выпускают в виде жидкого гидразингидрата N2H4 • Н2О или твёрдого гидразинсульфата в виде N2H4 . H2SO4. Растворы гидразина токсичны, поэтому при работе с ними требуется соблюдение правил техники безопасности. Водный раствор гидразина концентрацией 64 % и выше может воспламеняться. Ввиду токсичности гидразина его применение запрещено при снабжении паром предприятий пищевой промышленности.

Гидразин взаимодействует с кислородом по реакции

N2H4 + О2  N2 + 2Н2О

При наличии на поверхности оборудования и трубопроводов рыхлых продуктов коррозии с наибольшей вероятностью идут реакции

N2H4 + 2Fe2O3    4FeO + N2 + 2H2O

N2H4 + 2CuO   2Cu + N2 + 2H2O

N2H4 + 2Cu2O  4Cu + N2 + 2H2O

Пpи низких температурах скорость реакции между гидразином и кислородом в водной среде незначительна. Необходимый эффект связывания достигается при 1000С и выше. Для удаления кислорода из питательной воды при 103... 1050С, рН 9,0…9,5 и избытке гидразина (20 мкг/кг) требуется 2-3 с. Однако анализ эксплуатационных данных свидетельствует о невозможности снизить концентрацию кислорода в питательной воде ниже 10 мкг/кг даже при увеличении содержания гидразина до 500 мкг/кг: Максимальная скорость окисления гидразина обеспечивается при значениях рН -8,7... 11,0.

С учетом того, что восстановители, вводимые в конденсатно-питательный тракт, взаимодействует не только с кислородом, но и с окислами металлов, расход гидразингидрата Gгг мкг/кг рассчитывают по формуле:

Gгг =   3C1 + O,3C2 + 0,15С3

где С1, С2, С3 - концентрация в питательной воде соответственно кислорода, оксидов железа и меди, мг/кг.

Для совместного обескислороживания и обессоливания применяют другие электроноионообменники на основе Н-катионитов, содержащие металлы в нулевой степени окисления. На ионит на стадии синтеза наносится тонкодиспергированный металл, способный легко окисляться растворенным кислородом. Чаще всего используются медьсодержащие электронионообменники, например ЭИ-5.

На практике обескислороживание воды с помощью электроноионообменников осуществляют фильтрованием воды через фильтры со слоем электроноионообменника или со смешанной загрузкой ионитов и электроноионообменников. Данный метод на АЭС не нашел применения.

Выводы.

 1. Освобождение природных вод от грубодисперсных и коллоидных примесей является первоначальной стадией для почти всех водоподготовительных установок. Эту стадию очистки принято называть осветлением.

 2. Осветление можно условно разделить на два метода: осаждение и умягчение.  Осаждение - способ удаления механических примесей за счет снижения скорости движения воды в большой площади, в результате чего частицы оседают на дно под действием силы тяжести. Умягчением называется захват примесей осадком макрокомпонентов.

 3. Методы опреснения и обессоливания воды подразделяются на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния. К первой группе относятся дистилляция, замораживание и др. методы, ко второй - ионообмен, электродиализ, обратный осмос (гиперфильтрация) и др. На АЭС находят применение дистилляция, ионный обмен, электродиализ и другие.

 4. Дистилляция - процесс подогрева водного раствора до кипения, отбора образующегося водяного, пара и его конденсации. Полученный конденсат водяного пара называют дистиллятом (дистиллированной водой). Если процесс дистилляции повторить, то получим бидистиллят.

 5. Метод ионного обмена основан на явлении обмена ионов при контакте некоторых твердых веществ с растворами. В настоящее время на практике используется большое число как природных ионообменных веществ, так и искусственных ионитов различного состава.

 6. Реакции ионного обмена протекают по уравнениям типа:

    а) катионирование -           RH+ + Na+Cl-   R Na+ + H+ Cl-

    б) анионирование -            ROH- + H+ Cl-   R Cl- + Н2О

 7. Методы удаления из воды агрессивных газов подразделяется на физические и химические. К физическим методам удаления из воды агрессивных газов (О2 и СО 2) относят дегазацию с помощью аэрации и деаэрации и десорбционного обескислороживания.Химическое обескислороживание воды осуществляется путем связывания растворенного в воде кислорода различными реагентами и применяется преимущественно для устранения “проскоков” кислорода, возникающих в результате отклонений от нормального режима работы термических деаэраторов или попадания кислорода извне через неплотности тракта.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6947. Философия. Ответы на экзаменационные билеты 860 KB
  Мировоззрение и его структура. Миф, религия и философия как исторические типы мировоззрения. Мировоззрение - совокупность взглядов, оценок, принципов, определяющих самое общее видение, понимание мира, места в нем человека, а также - жизненные поз...
6948. Шпаргалка по философии. Предмет и методы философского знания 837.5 KB
  Предмет философии. Предмет философии не соответствует обыденному пониманию этого слова. В обыденном смысле философия - рассуждения проводимые на досуге за чашкой чая, или стаканом (обязательно граненым) водки о предметах составляющих объе...
6949. Предмет философии и ее функции 28 KB
  Предмет философии и ее функции Философия - общая теория мира и человека в нем. Философия и мировоззрение органично связаны друг с другом. Мировоззрение - это система взглядов на объективный мир и место человека в нем. В формировании мировоззрения ос...
6950. Философия Платона: сущность объективного идеализма, учение о государстве 69 KB
  Философия Платона: сущность объективного идеализма, учение о государстве Платон - великое явление в истории мировой культуры. И хотя он жил в древнегреческом обществе, как деятель - философ, ученый, писатель - принадлежит всему челове...
6951. Учение Аристотеля 119.5 KB
  Аристотель понимал, что без изучения движения не может быть познания естественных процессов, не может быть понята природа в ее жизни и стремлении. Так как природа есть начало движения и изменения, - писал он, - а предметом нашего...
6952. Учение Блаженного Августина 51.5 KB
  Учение о бытии Августина близко к неоплатонизму. По Августину, все сущее, поскольку оно существует и именно потому, что оно существует, есть благо. Зло не субстанция, а недостаток, порча субстанции, порок и повреждение формы, небытие. Напротив, благ...
6953. Синтез богословия, философии и науки в трудах св. Августина и Фомы Аквинского 40.5 KB
  Синтез богословия, философии и науки в трудах св. Августина и Фомы Аквинского Для древних народов, как известно, было характерно единство двух путей познания окружающего мира - пути сердца и пути разума, которое исключало  расчлененность богосл...
6954. Бэкон и его индуктивный метод 113 KB
  Бэкон и его индуктивный метод Введение Имя Фрэнсиса Бэкона - из числа тех имен в истории человечества, которые не принадлежат безраздельно какой-то одной отрасли знания, культуры или политики, как не принадлежат они одной эпохе или одной стране. Он ...
6955. Рационалистическая философия Декарта. Учение о субстанции 96 KB
  Рационалистическая философия Декарта. Учение о субстанции Декарт - основоположник рационализма, значение его философии. Основоположником рационализма считается Рене Декарт (1596 – 1650) - видный французский философ и ученый математик....