ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДОРОЖ ОЛЬГА АНАТОЛІЇВНА

УДК 621.039.325

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОСНОВ ОЦІНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ФУНКЦІОНУВАННЯ катіонІТнИХ ФіЛЬТРіВ для ОБРОБки ТЕПЛОНОСІЇВ ЕНЕРГОУСТАНОВОК

05.14.14 – Теплові та ядерні енергоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Кишневський Віктор Панасович,

Одеський національний політехнічний університет,
завідувач кафедрою технології води та палива на ТЕС та АЕС

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор

Грабовський Петро Олександрович,

Одеська державна академія будівництва і архітектури,
професор кафедри водопостачання та раціонального використання водних ресурсів

кандидат технічних наук,

Бондаренко Володимир Миколайович,

Рiвненська атомна електрична станцiя, ВП НАЕК “Енергоатом” України, заступник директора

Провідна організація: Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, м.Київ, Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться "_17__"_квітня_ 2003 р. о _14_ год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий "__14__"_березня__ 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н. В.П.Кравченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Раціональне використання водних ресурсів в енергетичній галузі є складною науково-технічною та економічною проблемою. Комплексне її вирішення за рахунок впровадження нових та удосконалення існуючих технологій, використання нових матеріалів зменшує витрати реагентів і води на власні потреби та веде до економії паливно-енергетичних ресурсів.

У зв'язку з необхідністю продовження терміну експлуатації енергетичного обладнання та дотримання екологічних вимог стають більш жорсткими нормативи якості теплоносія. Ефективність іонного обміну як методу обробки додаткової, стічної та радіоактивної води на теплових та атомних електричних станціях (ТЕС та АЕС) залежить від солевого складу та умов попередньої очистки води, типу та властивостей іонітів, організації процесу в фільтрах.

Напрямки раціональної організації та проведення процесу іонного обміну полягають в удосконаленні існуючих та створенні нових економічних систем обробки теплоносіїв з високою екологічною ефективністю та маневровістю, розробці розрахункових методів визначення основних характеристик функціонування іонообмінних фільтрів, дослідженні властивостей іонітів.

Фізико-хімічні та технологічні властивості сильнокислотних та слабкокислотних катіонітів визначають можливість: вибору та обгрунтування нових систем обробки теплоносіїв; обробки радіоактивних розчинів в намивних іонообмінних фільтрах (НІФ) систем спецводоочисток (СВО) АЕС; використання нових для вітчизняної енергетики двошарових іонообмінних фільтрів.

В зв'язку з зазначеними обставинами актуальним багатоплановим завданням є визначення властивостей катіонітів, розробка методів оцінки найбільш важливих характеристик функціонування іонообмінних фільтрів, підвищення ефективності систем обробки теплоносіїв ТЕС та АЕС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Цільова спрямованість дисертаційної роботи пов'язана з виконанням госпдоговірних робіт за темами: “Розробка нормативного документу “Регламент експлуатаційного контролю іонообмінних матеріалів” для НАЕК “Енергоатом” України (2001-2002 рр.), “Розробка та метрологічна атестація галузевих методик хімічного контролю іонообмінних матеріалів” для Міненерго України (1999-2001 рр.), “Дослідження фізико-хімічних властивостей іонообмінних матеріалів” (1993-2002 рр.) для ТЕС та АЕС України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка технологічних основ оцінки характеристик функціонування катіонітних фільтрів та обгрунтування ефективних систем обробки теплоносіїв енергоустановок, що забезпечує скорочення витрат реагентів і води на власні потреби та зменшення кількості скидів в навколишнє середовище.

Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі вирішені наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

Об'єкт дослідження — системи обробки теплоносіїв енергоустановок.

Предмет дослідження — солевий склад теплоносіїв, що обробляються катіонітними фільтрами.

Методи дослідження — теоретично-експериментальні дослідження процесу обміну на катіонітах; модифікований метод “тонкого шару”. Обробка результатів досліджень базується на концепції розподілення часу перебування часток потоку в апараті. Контроль за показниками досліджуваних робочих та регенераційних розчинів проведено стандартними фізико-хімічними методами. Достовірність та обгрунтованість отриманих експериментальних і розрахункових результатів, наукових висновків забезпечено застосуванням сучасних методик досліджень з необхідною точністю та відтворюваністю.

Наукова новизна одержаних результатів

1.

2.

3.

Практичне значення одержаних результатів

1.

2.

3.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці, практичній реалізації дослідження, аналізі та узагальненні результатів.

Автором проведено теоретичне обгрунтування технологічних основ оцінки характеристик функціонування катіонітних фільтрів, які сприяють підвищенню ефективності систем обробки теплоносіїв; удосконаленню методів розрахунку іонообмінних процесів. Отримано нові дані про кінетичні характеристики катіонітів та властивості фільтруючого шару. Удосконалено методику визначення часу виснаження та РОЄ; запропоновано методику розрахунків робочого процесу катіонітних НІФ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися: на III Всеукраїнській науково-методичній конференції з міжнародною участю “Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій”. Дніпродзержинськ, 2000; VIII Всеросійській конференції “Физико-химические основы и практическое применение ионообменных процессов”. Воронеж, 1996; науково-практичному семінарі “Проблемы химических технологий в энергетике и их влияние на экономичность и безопасность ТЭС и АЭС”. Одеса, 2002; щорічних наукових конференціях ОНПУ. Одеса, I993-2002 рр.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 7 публікацій, у тому числі: в 3 наукових працях [1-3] у виданнях, що входять до переліків ВАК України, 2 статтях в періодичних наукових журналах [4, 5] та 2 тезах доповідей на конференціях [6, 7].

Структура дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу,
4 розділів, списку використаних джерел і 5 додатків. Загальний обcяг дисертації становить 97 сторінок, 18 рисунків, 14 таблиць. Список використаних джерел містить 138 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи. Сформульовано мету та задачі дослідження, відображено наукову новизну і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію, публікації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан іонообмінної обробки теплоносіїв на ТЕС та АЕС, проведено аналіз існуючих рішень в області удосконалення процесу катіонування сильнокислотними та слабкокислотними катіонітами в різних технологічних режимах. Показано, що вибір та оцінка значень характеристик функціонування катіонітних фільтрів (швидкості обміну, ширини та швидкості пересування сорбційного фронту, часу виснаження та РОЄ) потребують аналізу та обгрунтування.

Визначено основні напрямки та проблеми розрахунків процесу іонування в катіонітних фільтрах. Показано необхідність достовірного визначення кінетичного механізму іонного обміну, перевагам та недолікам використання для цього відомих кінетичних критеріїв.

Підтверджено, що найбільш надійною для розрахунку іонообмінного фільтру слід вважати модель Шилова при наявності достатніх відомостей про ширину сорбційного фронту та швидкість його пересування.

Показана необхідність проведення лабораторного дослідження на найбільш поширених в енергетиці сильнокислотному катіоніті КУ-2-8 та слабкокислотному катіоніті КБ-4 в режимах Н- та Na-катіонування; виявлення кінетичних характеристик катіонітів, властивостей фільтруючого шару в іонообмінному фільтрі; розробки або удосконалення та апробації методик розрахунку виробничих фільтрів з нерухомим та намитим шаром, які поєднують можливість врахування робочих умов з простотою застосування.

Обгрунтовано можливість підвищення ефективності технологічних систем обробки теплоносіїв енергоустановок.

У другому розділі наведено опис експериментальних установок для проведення дослідів в лабораторних умовах, програми та методи досліджень. Установки складались з лабораторного фільтру (для досліджень властивостей фільтруючого шару використана колонка з додатковими відборами), ємкостей робочих розчинів, комплексу регулюючої та контрольно-вимірювальної апаратури (рис.1).

Рис. 1 Схеми експериментальних установок

а) 1-Регулятор рівня; 2,11-дренаж; 3-реометр; 4-ємкість; 5,12-трьохходовий кран; 6-фільтрувальна колонка; 7-насос; 8-реле; 9-термостат; 10-термометр; 12-відбір проб; 13-набір ємкостей для проб;14-аналітично-вимірювальний комплекс. | б) 1-Ємкість витрати води; 2,6-насос; 3,15-трьохходовий кран; 4-перепуск; 5-ємкість витратна; 7-термометр; 8-термостат; 9-реле; 10-фільтр; 11-повітрявідвідний патрубок; 12-відбір проб; 13-аналітично-вимірювальний комплекс; 14-набір ємкостей для проб; 16-дренаж.

За результатами обробки результатів визначення кінетичних характеристик катіоніту КУ-2-8, проведених за методикою модифікованого “тонкого шару”, вивчено вплив складу розчину, швидкості його фільтрування, виду обмінних іонів на швидкість процесу обміну та прийнято рішення про віднесення останнього до певного кінетичного механізму.

Показана можливість перевести розраховану розмірну швидкість обміну в безрозмірну форму і пов'язати з ступенем заповнення іоніту апроксимуючою функцією з використанням відомих критеріїв Фур'є та Біо.

Проведено розрахунки і узагальнення швидкості процесу іонного обміну, з визначенням для всіх дослідів кінетичних характеристик катіоніту КУ-2-8: приведеної швидкості обміну, ступеня заповнення іоніту сорбованим іоном, коефіцієнтів дифузії іонів в іоніті. Проведено аналіз відповідності отриманих експериментальних результатів існуючим теоретичним уявленням.

Виконано дослідження властивостей фільтруючого шару на лабораторному фільтрі та в режимі пасивного експерименту на виробничих фільтрах з катіонітом КУ-2-8 та катіонітом КБ-4. Діапазони досліджених концентрацій та швидкостей фільтрування розчинів обрано таким чином, щоб вони відповідали тим, які використовують в практиці обробки теплоносіїв енергоустановок.

Обробка експериментальних даних, яка базується на концепції розподілення часу перебування часток потоку в апараті, дозволила отримати кількісні відповідності тривалості утримування катіонів в процесах зм'якшення та знесолення як параметри сорбційного фронту.

Проведено перевірку адекватності дослідів з катіонітами КУ-2-8 та КБ-4 на лабораторному фільтрі. Вона забезпечена ідентичними гідравлічними умовами (розмір зерен іоніту, швидкість фільтрування). Зіставлення вихідних кривих з параметрами у приведеній формі для лабораторного і виробничого фільтрів (рис. 2) дозволяє стверджувати, що обмінні процеси в обох випадках мають подібний характер, різниця часових показників пропорційна геометричним співвідношенням фільтрів.

Розраховано похибки вимірювання всіх параметрів, які змінювались. Коефіцієнти надійності вимірювань дорівнюють 0,95.

У третьому розділі наведено аналіз результатів визначення характеристик функціонування катіонітних фільтрів за результатами досліджень зм'якшення та знесолення розчинів.

Аналіз експериментального визначення швидкості обміну на катіоніті КУ-2-8 виконано в залежності від вигляду пари обмінних іонів в розчині та в іоніті, при різних швидкостях фільтрування, концентраціях і температурах розчинів. Залежність ступеня заповнення іоніту від часу обміну використана для з'ясування переважаючого кінетичного механізму обміну та розрахунку коєфіцієнтів дифузії в фазі іоніту.

Застосування моделі змішанодифузійної кінетики дозволило отримати залежність приведеної швидкості обміну від ступеня заповнення іоніту у вигляді показникової функції (рис.3), де q — приведена швидкість обміну;
U — ступінь заповнення іоніту; А — множник до показникової залежності q від U; m — показник степеня до показникової залежності q від U. Виявлено, що показник степеня та множник змінюються залежно від вигляду пари обмінних іонів (одно-одно-, одно-двох-, двох-одно-, двох-двовалентні іони) і не виявляють однозначного зв'язку зі зміною концентрації або швидкості фільтрування. Результати розрахунку констант залежності приведеної швидкості обміну від ступеня заповнення для катіоніту КУ-2-8, а також коефіцієнтів дифузії в зерні іоніту в досліджених умовах наведено в табл.1.

Дослідження властивостей фільтруючого шару в лабораторному фільтрі з катіонітом КУ-2-8 та катіонітом КБ-4 показали, що визначальними режимними показниками є швидкість фільтрування та початкова концентрація вихідного розчину.

Вихідні криві різних компонентів розглянуто як інтегральні криві розподілення часу перебування домішок у фільтруючому шарі. Після їхнього диференціювання отримано: середній час проходження сорбційним фронтом контрольного перерізу фільтра; ширину та швидкість пересування сорбційного фронту.

Рис.2 Вихідні криві загальної жорсткості лабораторного та виробничого фільтрів

Сі/Со - приведена концентрація, ti/tср - приведений час

Рис.3 Залежність приведеної швидкості обміну від ступеня заповнення іоніту

q - приведена швидкість обміну, U - ступінь заповнення іоніту

Таблиця 1

Значення констант для розрахунку приведеної швидкості обміну на катіоніті КУ-2-8 для різних типів обміну іонів

Тип обміну іонів, технологічний процес | Іон в іоніті | Іон в розчині | Контрольований іон | Значення констант залежності приведеної швидкості обміну від ступеня заповнення іоніту | Коефіцієнти дифузії в іоніті, м2/с1012
при 298 К

A | m

Одно-одновалентний

(знесолення) | [Na+] | [H+] | 5,114 | -1,279 | 1,2ч7,8

[H+] | [H+] | 3,56 | -1,622 | 1,2ч7,8

Двох-одновалентний (регенерація) | [H+] | [H+] | 1,834 | -1,809 | 1,2ч7,8

[H+] | [Са2+] | 1,695 | -1,779 | 2,6ч3,9

[H+] | [Mg2+] | 2,268 | -1,664 | 2,2ч6,5

Одно-двовалентний (знесолення, зм'якшення) | [Са2+] | [Са2+] | 6,933 | -1,096 | 1,1ч5,8

[Са2+] | [Са2+] | 6,439 | -1,155 | 1,3ч7,8

[Mg2+] | [Mg2+] | 6,226 | -1,129 | 1,4ч4,8

[Mg2+] | [Mg2+] | 7,188 | -1,125 | 1,4ч7,4

[Mg2+] | [H+] | 6,733 | -1,14 | 1,2ч7,8

Двох-двовалентний (зм'якшення з проскоком) | [Mg2+] | [Са2+] | 5,701 | -1,169 | 1,2ч7,8

[Са2+] | [Са2+] | 4,489 | -1,272 | 1,2ч7,8

Отримані результати оброблено в узагальненій формі двовимірної кореляційної функції:

,

де z —узагальнена змінна функція;

В — узагальнений множник;

Re — критерій Рейнольдса, Re=wd/н;

w — швидкість фільтрування, м/с;

d — діаметр зерен іоніту, м;

н — кінематична в'язкість, м2/с;

k — узагальнений показник степеня при Re;

Свідн — відносна концентрація;

n — узагальнений показник степеня при Свідн.

В якості функції, що визначається, виступають ширина або швидкість пересування сорбційного фронту. В якості незалежних змінних використані безрозмірні змінні: 1) умовний критерій Рейнольдса, який пов’язує швидкість фільтрування, віднесену до повного перерізу фільтруючого шару; середній діаметр зерен іоніту, взятий в якості характерного розміру системи; кінематичну в'язкість води; 2) відносна концентрація компоненту, яка являє собою відношення поточної концентрації компоненту до його вихідної концентрації. Множник В має розмірність відповідно ширини або швидкості пересування сорбційного фронту.

У четвертому розділі розглянуто можливість підвищення ефективності систем обробки теплоносіїв енергоустановок.

Обгрунтовано технологічну схему повного знесолення теплоносіїв з передвключеними натрій-катіонітними фільтрами. Проведені дослідження кінетики обміну на катіоніті КУ-2-8 показали, що швидкість обміну одно-одновалентних іонів на 30-60 % більша, ніж для обміну одно-двовалентних іонів. Це на практиці виражається в тому, що РОЄ Н-катіонітних фільтрів при обробці тільки натрієвих солей збільшується на 15-20 % в порівнянні з обробкою вихідної природної води при однакових надлишках реагентів на регенерацію.

Така схема характеризується скороченими витратами реагентів та мінімальними скидами; крім того, відпрацьовані регенераційні розчини після Н- та ОН-іонообмінних фільтрів є за хімічним складом уніфікованими, являють собою нейтральні солі натрію. Вони легко піддаються подальшому концентруванню без відкладень на мембранах і теплообмінних поверхнях в установках зворотнього осмосу та випарювання до товарного продукту, який можна використати в межах схеми для регенерації передвключених натрій-катіонітних фільтрів.

У випадку обробки вихідних вод з бікарбонатною лужністю, яка дорівнює кальцієвій жорсткості, та вмістом хлоридів і сульфатів меньше загальної лужності, доцільно в якості передвключених використовувати фільтри з слабкокислотним катіонітом.

Слабкокислотні катіоніти характеризуються високою селективністю до двовалентних іонів та інертністю до одновалентних, тому в їхньому фільтраті відсутні іони кальцію та магнію, а відносний вміст натрію складає біля 100 % за рахунок вихідного вмісту натрію. Крім того, в фільтраті відсутня бікарбонатна лужність, тобто відбувається зниження лужності води, яке звичайно протікає в процесі вапнування. Таким чином, враховуючи результати досліджень та відомості про властивості слабкокислотних катіонітів, для певного класу вод можна відмовитись від вапнування.

Запропоновані зміни в технологічних схемах знесолення теплоносіїв, перевірені розрахунками, дозволяють: збільшити тривалість робочого періоду; уніфікувати відпрацьовані регенераційні розчини; зменшити витрати на власні потреби фільтрів; утилізувати скиди та зменшити негативний вплив на навколишнє середовище завдяки практично замкненій системі обробки теплоносіїв; зменшити собівартість фільтрату.

За результатами експериментальних досліджень удосконалено методику визначення часу виснаження та РОЄ катіонітних фільтрів.

В основу розрахунку робочого процесу іонообмінного фільтру покладено рівність обмінної здатності фільтру та його іонного навантаження. Іонне навантаження фільтру дорівнює:

,

де I – іонне навантаження, г-екв;

Q — продуктивність фільтру, м3/год;

роб. —тривалість робочого процесу фільтру до “проскоку”, год;

(Споч-Скінц) — різниця концентрацій, г-екв/м3;

Обмінна здатність фільтру дорівнює:

,

де Vк — об'єм шару катіоніту, м3;

Ероб — робоча обмінна ємність катіоніту, г-екв/м3.

Сорбційний фронт, досягаючи нижньої межі фільтру, починає виконувати функцію захисного шару, який попереджає проскок іону, що вилучається, в фільтрат. Тому ширина сорбційного фронту фактично є висотою захисного шару.

В роботі внаслідок обробки вихідних кривих отримані співвідношення для ширини та швидкості пересування сорбційного фронту у вигляді кореляційних рівнянь:

,

де hзш — ширина сорбційного фронту, м/год.;

Взш, kзш, nзш — множник та показники степенів незалежних змінних для розрахунку ширини сорбційного фронту;

wфр — швидкість пересування сорбційного фронту, м/год.;

Вфр, kфр, nфр — множник та показники степенів незалежних змінних для розрахунку швидкості пересування сорбційного фронту,

Вони дозволяють для будь-яких швидкостей фільтрування та початкових концентрацій визначити реальну тривалість робочого процесу фільтру до “проскоку” (час виснаження) при відомій висоті завантаження фільтру іонітом так:

,

де Hк — висота завантаження іоніту, м.

Розраховані значення множників і показників степенів незалежних змінних кореляційних рівнянь для катіонітів КУ-2-8 та КБ-4 наведено в табл.2.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів кореляційних рівнянь для катіонітів КУ-2-8 та КБ-4

Компонент | Ширина фронту | Швидкість фронту

Взш | kзш | nзш | Вфр | kфр | nфр

Знесолення катіонітом КУ-2-8

Показник рH | 0,925 | -0,782 | 0,188 | 0,413 | 0,210 | 0,818

Питома електропровідність | 2,386 | -0,301 | 1,759 | 0,963 | 0,435 | 1,952

Жорсткість загальна | 0,076 | 0,191 | -0,230 | 0,097 | 0,558 | 0,237

Жорсткість кальцієва | 0,116 | -0,219 | -0,228 | 0,093 | 0,463 | 0,249

Жорсткість магнієва | 0,272 | -0,007 | 0,127 | 0,262 | 0,886 | 1,937

Зм'якшення катіонітом КУ-2-8

Жорсткість загальна | 0,138 | 0,090 | 0,008 | 0,133 | 0,300 | 0,556

Жорсткість кальцієва | 0,094 | 0,349 | 0,109 | 0,058 | 0,448 | 0,072

Жорсткість магнієва | 0,076 | 0,129 | -0,410 | 0,095 | 0,175 | -0,095

Знесолення катіонітом КБ-4

Показник рH | 0,965 | -0,286 | 1,760 | 2,973 | -0,924 | 5,543

Жорсткість загальна | 0,901 | -0,337 | 1,701 | 1,403 | -0,870 | 4,093

Лужність загальна | 0,959 | -0,176 | 1,769 | 2,247 | -0,801 | 4,928

Для обчислення РОЄ (при рекомендованій питомій витраті регенераційного розчину та заданому складі вихідної води) застосовано відому формулу з використанням реальної, розрахованої за результатами дослідження, величини часу виснаження фільтру:

,

Порівняння узагальнюючих показників роботи фільтрів з катіонітом КУ-2-8 в режимах зм?якшення і знесолення та катіонітом КБ-4 в режимі знесолення показує (табл. 3), що час виснаження та РОЄ, розраховані за існуючою та удосконаленою методиками з використанням емпіричних формул, збільшуються до 4%. Це призводить до незначного збільшення тривалості регенерації близько 3 %. Разом з тим зменшуються витрати реагентів на один кубічний метр фільтрату до 5 % и витрати води на власні потреби до 3%.

Таблиця 3

Порівняння узагальнюючих показників роботи фільтрів, розрахованих з використанням існуючої та удосконаленої методиками визначення часу виснаження та РОЄ катіонітних фільтрів

Розрахункові показники | Одиниця вимірю-вання | Значення показників для КУ-2-8 в режимі зм'якшення | Значення показників для КУ2-8 в режимі знесолення | Значення показників для КБ-4 в режимі знесолення

Існуюча методика | Удосконалена методика | Різниця відносна | Існуюча методика | Удосконалена методика | Різниця відносна | Існуюча методика | Удосконалена методика | Різниця відносна

Тривалість виснаження фільтруючого шару | год. | 108,84 | 113,10 | 3,91 | 104,62 | 107,55 | 2,80 | 225,07 | 233,78 | 3,87

Робоча обмінна ємність | г-екв/м3 | 1098,41 | 1128,46 | 2,74 | 1014,43 | 1042,84 | 2,80 | 1611,15 | 1673,51 | 3,87

Витрата води на власні потреби | м3/добу | 29,41 | 28,54 | -2,94 | 83,12 | 82,55 | -0,69 | 47,98 | 47,62 | -0,76

Тривалість регенерації | год | 0,92 | 0,95 | 2,74 | 5,97 | 6,13 | 2,80 | 7,90 | 8,20 | 3,87

Витрата регенераційного реагенту | кг/добу | 782,17 | 744,18 | -4,86 | 781,70 | 760,41 | -2,72 | 223,55 | 215,23 | -3,73

Витрата регенераційного реагенту на один м3 фільтрату | кг/м3 | 0,0901 | 0,0859 | -4,75 | 0,1174 | 0,1153 | -1,74 | 0,0380 | 0,0373 | -1,68

Питома витрата регенераційного реагенту на регенерацію | кг/г-екв | 0,0288 | 0,0274 | -4,86 | 0,1480 | 0,1440 | -2,72 | 0,0573 | 0,0552 | -3,73

При застосуванні в атомній енергетиці для обробки радіоактивно забруднених розчинів з одноразовим використанням іонітів використовують НІФ, методика розрахунку параметрів робочого режиму якого розроблена за результатами досліджень на катіоніті КУ-2-8. Метою розрахунку є визначення необхідної товщини шару іоніту в НІФ для забезпечення необхідної тривалості роботи при обраній швидкості фільтрування, відомих властивостях іоніту та розчинів.

Товщина шару іоніту з врахуванням отриманого в роботі співвідношення для швидкості іонного обміну, як функції концентрацій іону в розчині та іоніті, дорівнює:

,

де HНІФ — висота намитого шару іоніту, м;

wНІФ — швидкість фільтрування розчину в НІФ, м/год;

НІФ — тривалість роботи НІФ, год;

y — швидкість обміну, г-екв/(м3·год);

С — різниця концентрацій на вході та виході з НІФ, г-екв/м3;

Еп — повна обмінна ємність іоніту, г-екв/м3;

— коефіцієнт дифузії в іоніті, см2/c;

д – ?овщина дифузійної плівки, мм;

— індекс форми зерна іоніту (2—для сфери).

Dеф — ефективний коефіцієнт дифузії в розчині;

в = (1 + н)·Dеф/(d·д) — коефіцієнт зовнішнього масопереносу;

— концентрація іону, що сорбується, в іоніті, рівноважна до концентрації його в розчині, г-екв/м3;

С0 — початкова концентрація іону, що сорбується, у фазі розчину, г-екв/м3.

Тривалість роботи НІФ з наведеного виразу така:

Промислову апробацію роботи реалізовано шляхом застосування удосконаленої методики визначення часу виснаження та РОЄ для розрахунків режимних параметрів фільтроциклу установок зм'якшення для котлів БКЗ 75/40 продуктивністю 3500000 м3/рік та для живлення теплових мереж продуктивністю 650000 м3/рік.

ВИСНОВКИ

1.

Існуючі оцінки характеристик функціонування фільтрів базуються на неузагальнених показниках властивостей іонітів, що обумовлює значні витрати реагентів і води на власні потреби, викликає економічні втрати при експлуатації енергоустановок і техногенне забруднення навколишнього середовища. На відміну від існуючих оцінок окремих характеристик функціонування, розроблена система оцінок, заснована на використанні природніх показників (швидкості обміну, ширини та швидкості пересування сорбційного фронту, часу виснаження та РОЄ), які можна беспосередньо визначити при дослідженнях кінетичних характеристик катіонітів, структури та властивостей фільтруючого шару катіонітних фільтрів та застосовувати на практиці.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЇ

Дорож О.А РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОСНОВ ОЦІНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ФУНКЦІОНУВАННЯ катіонІТнИХ ФіЛЬТРіВ для ОБРОБки ТЕПЛОНОСІЇВ ЕНЕРГОУСТАНОВОК. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14 — Теплові та ядерні енергоустановки. — Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.

Дисертаційну роботу присвячено розробці технологічних основ оцінки характеристик функціонування катіонітних. Експериментально досліджено процес іонного обміну на катіоніті КУ-2-8 та отримано кінетичне рівняння в безрозмірній формі з єдиним аргументом. Проведено дослідження структури та властивостей фільтруючого шару іонітів КУ-2-8 та КБ-4, за результатами якого отримані залежності для визначення ширини та швидкості пересування сорбційного фронту. Обгрунтовано можливість підвищення ефективності систем обробки теплоносіїв. Удосконалено методику розрахунку часу виснаження та РОЄ катіонітних фільтрів. Запропоновано методику розрахунків параметрів робочого режиму катіонітних НІФ. Промислову апробацію роботи реалізовано шляхом застосування удосконаленої методики визначення часу виснаження та РОЄ катіонітних фільтрів для розрахунку режимних параметрів фільтроциклу установок зм'якшення.

Ключові слова: теплоносій, характеристики функціонування, катіонітний фільтр, сильнокислотний та слабкокислотний катіоніти, швидкість іонного обміну, ступінь заповнення іоніту, час виснаження, робоча обмінна ємність, ширина та швидкість пересування сорбційного фронту.

Dorogh O.A. DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL BASES OF ESTIMATION OF CHARACTERISTICS OF FUNCTIONING CATIONITE FILTERS FOR TREATMENT OF POWER INSTALLATIONS HEAT CARRIERS - Manuscript.

Dissertation submitted for candidate of sciences (engineering) degree in speciality 05.14.14 — Heat and nuclear power installations — Odessa national polytechnic university, Odesa, 2003.

Dissertation is devoted to development of technological bases of an estimation of characteristics of functioning cationite filters for treatmeant of power installations heat carriers. The rate of ion exchange process on cation exchanger KU-2-8 is investigated experimentally. The equation of rate of ion-exchange process in a dimensionless aspect with a single argument is obtained. The research of structure and properties of filter bed of ion exchangers KU-2-8 and
KB-4 is carried out. As a result of it the dependences for definition of width and rate of motion of sorption front are obtained. The possibility of raising the treatment systems efficiency of heat carriers is grounded. The technique of exhaustion timing and working exchange capacity (WEC) of cationite filters is improved. The technique of calculation of parameters of cationite inwash ionite filter (IIF) hot conditions is proposed.

Industrial approbation of research is implemented by means of application of improved technique of exhausting timing and WEC of cationite filters for calculation of hot conditions parametres of softening installations filter cycle.

Key words: heat carrier, characteristics of functioning, cationite filter, acid and subacid cationite exchangers, ion-exchange rate, exhausting time, working exchange capacity, width and rate of motion of sorption front.

Дорож О.А. РаЗРаБотКА ТЕХНОЛОГиЧескИХ ОСНОВ ОЦеНКи ХАРАКТЕРИСТИК ФУКЦИОНИРОВАНИЯ катиониТныХ ФиЛЬТРоВ для ОБРабОтки ТЕПЛОНОСителей эНЕРГОУСТАНОВОК – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 — Тепловые и ядерные энергоустановки. — Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке технологических основ оценки характеристик функционирования катионитных фильтров для обработки теплоносителей энергоустановок, повышению эффективности технологических схем обработки теплоносителей, усовершенствованию методов расчета ионообменных процессов, получению новых сведений про кинетические характеристики катионитов, структуру и свойства фильтрующего слоя фильтров.

Экспериментально исследовано зависимости скорости ионного обмена на катионите КУ-2-8 от скорости фильтрования и начальной концентрации растворов. Показано, что результаты отвечают смешаннодифузионной модели кинетики, использование которой позволило получить скорость обмена в безразмерном виде и выразить зависимость приведеной скорости обмена от степени заполнения ионита в виде показательной функции.

Выявлено, что показатель степени и множитель изменяются в зависимости от вида пары обменных ионов. Показано применимость такого кинетического уравнения для дальнейших расчетов. Рассчитано коэффициенты диффузии ионов внутри зерна ионита при 298 К. Проведено исследование структуры и свойств фильтрующего слоя ионита в фильтре, которое позволило определять ширину и скорость передвижения сорбционного фронта для процессов умягчения и обессоливания растворов катионитом КУ-2-8 и обессоливания катионитом КБ-4. Определено время прохождения сорбционным фронтом фильтрующего слоя ионита.

Результаты исследований обработано с позиции теории распределения случайных событий. Выходные кривые разных компонентов рассмотрено как интегральные кривые распределения времени пребывания примесей в фильтрующем слое катионита, при дифференцировании которых получено: среднее время прохождения сорбционным фронтом контрольного сечения фильтра; ширину и скорость передвижения сорбционного фронта. Полученные результаты обработано в обобщенной форме двухмерной корреляционной функции ширины или скорости передвижения сорбционного фронта от значения критерия Рейнольдса и приведеной концентрации. Усовершенствовано методику экспериментального определения времени истощения и РОЕ катионитных фильтров и проведено расчеты параметров ионирования. В основу расчета рабочего процесса фильтра положено равенство обменной способности фильтра и его ионной нагрузки. При обработке выходных кривых получены соотношения для ширины и скорости передвижения сорбционного фронта. С их помощью для разных скоростей фильтрования и начальных концентраций определено реальную продолжительность рабочего процесса фильтра до “проскока” при известной высоте загрузки ионита. Для расчета РОЕ (при рекомендованном удельном расходе регенерационного раствора и заданном составе исходной воды) использовано известную формулу с подстановкой рассчитанной реальной продолжительности работы фильтра до “проскока”. Вследствие этого РОЕ из расчетной величины, которая ненадежно определялась, превращается в реальный критерий оценки совершенства ионообменного процесса.

Обосновано возможность повышения эффективности систем обработки теплоносителей ТЭС и АЭС путем расширения технологической схемы полного обессоливания предварительным включением натрий-катионитных фильтров или фильтров со слабокислотным катионитом. По результатам исследований скорости ионного обмена на катионите КУ-2-8 предложена методика расчета главных параметров рабочего режима намывного ионитного фильтра (НИФ): толщины намытого слоя катионита и продолжительности эффективной работы фильтра при выбранной скорости фильтрования, известных свойств ионита и обрабатываемого раствора.

Промышленную аппробацию работы реализовано путем применения усовершенствованной методики определения времени истощения и РОЕ для расчета режимных параметров фильтроцикла. Ожидаемое снижение себестоимости составляет для установок умягчения 0,08 и 0,10 грн/м3 фильтрата за счет снижения годовых материальных затрат.

Ключевые слова: теплоноситель, характеристики функционирования, катионитный фильтр, сильнокислотный и слабокислотный катиониты, скорость ионного обмена, степень заполнения ионита, время истощения, рабочая обменная емкость, ширина и скорость передвижения сорбционного фронта.