1/
4.7.5. Thiết bị điện điều khiển
Nguồn điện cấp vào hệ thống cần sự ổn định cho phép dao động ≤ 5% về điện áp cũng như các thơng số khác . Yêu cầu cấp nguồn điện 380V/3Phase/50Hz. Cĩ tác dụng điều khiển & vận hành hệ thống bán tự động.
Hệ thống hoạt động khơng tự động hĩa 100% vì cĩ những hạn chế sau:
− Chi phí đầu tư cho tự động hĩa (Lập trình PLC tồn bộ ) sẽ tốn kinh phí nhiều.
− Một số thao tác cần phải cĩ con người mới thực hiện được mà tự động hĩa khơng thể điều khiển được như vệ sinh lõi lọc tinh, pha trộn hĩa chất tái sinh…
− Hệ thống hồn tồn tự động khi hệ thống báo đầy cạn nước trong các bồn chứa, Tự động tái sinh tại các cột trao đổi ion do sử dụng AUTOVAL 268/440 . đặt điểm của loại autoval này là tự hút hĩa chất ,rửa ngược và rửa xuơi và rửa nhanh, được cài đặt theo thời gian khi hệ thống hoạt động ổn đinh.
CHƯƠNG 5
TÍNH TỐN THIẾT KẾ CÁC CƠNG TRÌNH XỬ LÝ 5.1. THƠNG SỐ CẦN THIẾT ĐỂ THIẾT KẾ
Để đáp ứng được nhu cầu sản xuất của nhà máy với cơng suất nước tinh khiết 3 m3/h thì ta thiết kế hệ thống trước RO với lưu lượng cần xử lý tương ứng Qxl = 5 m3/h, thời gian làm việc trong ngày là t = 16 h.
Các thơng số đầu vào của nước ngầm sau khi xử lý thơ :
• Hàm lượng sắt tổng : < 0.3 mg/l • pH = 6.5-8 • Độ oxy hĩa = 4 mg/l. • Hàm lượng Cl- = 250 mg/l. • H2S = 0, NH4 < 1 mg/l. • Độ kiềm = 1,5 mđlg/l = 1,5 meq/l. • TDS < 275 mg/l
5.2. CỘT TRAO ĐỔI ION5.2.1. Tổng quan về trao đổi ion5.2.1. Tổng quan về trao đổi ion 5.2.1. Tổng quan về trao đổi ion
Trao đổi ion là một quá trình hĩa lý, trong đĩ các ion chuyến đổi từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại. Các ion trong nhĩm chức mang điện tích trên bề mặt pha rắn (liên kết nhờ lực hút tĩnh điện) sẽ trao đổi với các ion cùng dấu trong dung dịch khi tiếp xúc pha rắn giữa các hạt nhựa.
5.2.1.1. Nhiệm vụ
Khử các ion cĩ trong nước, ở đây chủ yếu khử cứng (Ca2+, Mg2+ …) và khử khống nước cấp bởi việc loại gần hết các ion trong nước. Ngồi ra chúng cịn được dung để loại các ion Fe2+, Mn2+, NO3-, SO42-, PO43-, …
5.2.1.2. Nhựa cation (R-H)
R-SO3H R-SO3- + H+
• R - H: HCl hoặc H2SO4
• R – Na: NaCl
Nhựa cation acid yếu
Trao đổi với muối kiềm (HCO3-, CO32-) thành acid yếu tương ứng nhưng khơng trao đổi với muối khơng kiềm (NaCl, CaSO4)
Nhĩm chức carboxylic
Dung dịch hồn nguyên: HCl hoặc H2SO4
Tính lựa chọn ion theo thứ tự
Nhựa cation acid mạnh
Fe2+ > Al3+ >Ra2+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > H+ > Li+
Nhựa cation acid yếu
H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+
− Chọn phương pháp làm mềm nước phải dựa vào chất lượng nước yêu cầu sau xử lý,thành phần muối hịa tan trong nước nguồn. Trong trường hợp trao đổi ion với mục tiêu duy nhất là khử nước thì phương pháp làm mềm nước bằng Na-cationit là rẻ nhất ( vì khơng tạo ra H+ gây pH thấp <4.3 khơng sử dụng được):
2RNa + CaSO4 R2Ca + Na2SO4
2RNa + MgSO4 R2Mg + Na2SO4
Khi lớp nhựa cation hết hiệu lực, người ta tái sinh bằng muối NaCl R2Ca + 2NaCl 2RNa + CaCl2
R2Mg + 2NaCl 2RNa + MgCl2
Để mềm hĩa nước, người ta đem nước cứng cĩ chứa Ca2+ và Mg2+ lien tục dẫn vào cột trao đổi ion RNa hấp thụ Ca2+ trong nước và đồng thời phân ly ra Na2+ làm cho các phản ứng ion dịch chuyển về phía phải, như vậy đã khử Ca2+trong nước.
− Trong xử lý nước thường dung dung tích trao đổi thể tích, nĩ được biểu thị bằng số lượng ion trao đổi (tính bằng gam đương lượng) được hấp thụ trong 1m3 vật liệu ionit (đlg/m3) hoặc mg đương lượng trong 1l (mgđ/l).
− Quá trình làm mềm nước bằng natri-cationit cĩ thể giảm được lượng Ca2+ và Mg2+ trong nước đến một trị số rất bé. Tổng độ kiềm trong nước khơng đổi, ặn sấy khơ tăng lên một ít vì đã thay thế một ion Ca2+ào tan trong nước (cĩ trọng lượng nguyên tử bằng 40.08) bằng 2 ion Na2+ (trọng lượng nguyên tử 2*22.99 = 45.98).
Các yếu tố ảnh hưởng
• Bản chất ion bị trao đổi
• Bản chất của chất trao đổi ion
• Nhiệt độ của nước
• Nồng độ các ion khác cĩ trong nước
• Mức độ tái sinh Trong đĩ:
- Khử cứng (Ca 2+, Mg 2+…) cho nước ăn uống, nước cấp nồi hơi (ảnh hưởng do đĩng cặn) thường sử dụng R-Na (Nhựa cation acid mạnh chu trình Na)
2R – Na + Ca2+ -> 2R – Ca + 2Na+
Tuy nhiên cần phải cân nhắc lượng Na (Na>200mg/l ảnh hưởng sức khỏe sinh ra cĩ ảnh hưởng đến sức khỏe khơng thể quyết định cĩ dùng trao đổi ion để khử cứng khơng.
- Hàm lượng Fe>0.3 mg/l: khơng nên sử dụng trao đổi ion vì trong điều kiện cĩ O2, Fe2+ bị oxi hĩa thành Fe3+ (kết tủa) bám trên bề mặt nhựa làm giảm khả năng trao đổi ion.
- TDS > 1000 mg/l: khơng nên sử dụng trao đổi ion vì hiệu quả trao đổi kém (do phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch) và chi phí hĩa chất cao (do nhựa cĩ dung lượng trao đổi giới hạn -> phải hồn nguyên nhiều).
- Nếu lấy nước từ mạng lưới nước cấp (nước thủy cục) thì trong nước cĩ chứa một lượng Clor dư (là chất oxi hĩa mạnh) sẽ oxi hĩa nhựa, do đĩ cần khử Clor dư rồi mới trao đổi ion.
- Trường hợp nước cĩ vi sinh vật và điều kiện chất dinh dưỡng, vi sinh vật sẽ bám trên bề mặt nhựa làm giảm bề mặt tiếp xúc trao đổi, vì vậy cần phải khử trùng trước bằng tia UV (khơng được sử dụng Clorine).
5.2.2. Tính tốn về thiết bị làm mềm
5.2.2.1. Thơng tin sản phẩm hạt nhựa làm mềm
- S1467 là nhựa trao đổi cation acid mạnh với các hạt cĩ kích thước đồng đều (Monoplus) liên kết các polimer styrene – divinylbenzene. Các hạt monoplus rất ổn định về hố học và cơ học. Động lực học tối ưu dẫn tới tăng cơng suất vận hành so với nhựa trao đổi ion cĩ phân bố kích thước hạt khơng đồng đều
- S1467 ứng dụng đặc biệt cho làm mềm nước uống.
• Nhu cầu nước xả rửa thấp.
• Gradient sụt áp là đường tuyến tính cho tồn bộ chiều cao của lớp resin; vì thế vận hành với lớp resin càng cao càng tốt.
- S1467 tuân theo luật pháp hiện hành của Đức về thực phẩm và được phép tiếp xúc thực phẩm và là hĩa chất tuân theo qui định FDA 21 CFR 173.2S (a).
- S1467 tuân theo quyết định Châu Âu AP (97) – 1, với kiểm tra của Total Oganic Carbon (TOC) ,cĩ giấy chứng nhận tuân theo kiểm tra AFNOR ( Phương pháp T90 – 601).
- Khi sử dụng S1467 để xử lý nước uống và dung dịch nước được liệt kê ở trên, chú ý thơng tin sản phẩm này phải được quan sát từ những chu kỳ đầu của nhựa trao đổi ion
- Các tính chất đặc biệt của nhựa trao đổi ion cĩ thể chỉ sử dụng đầy đủ nếu kỹ thuật và qui trình sử dụng tương ứng với trạng thái kỹ thuật hiện hành. Các thơng tin đi sâu hơn nữa trong vấn đề này cĩ thể nhận được từ Bayer AG, Các sản phẩm đặc biệt, đơn vị thương mại về nhựa trao đổi ion và hĩa chất ngành nước.
Bảng 5.1. Thơng số kỹ thuật nhựa Monoplus S1467-LANXESS
Dạng ion nguyên thủy Na+
Nhĩm chức Sulfonic acid
Mạch cao phân tử Liên kết polystyrene
Cấu trúc Hạt loại gel
Hình thái bên ngồi Màu nâu sáng
Bảng 5.2. Tính chất vật lý và hĩa học của nhựa Monoplus S1467-LANXESS
Kích thước hạt * > 90% mm 0.6 ±
0.05
Kích thước hữu hiệu * AB ±0.05 mm % >80
Dung trọng (± 5%) g/ l 820
Tỷ trọng (xấp xỉ) g/ ml 1.28
Tổng dung lượng (tối thiểu) eq/ l 2.0
Thay đổi thể tích Na+ → H+ % + 8
Độ bền khoảng pH 0 – 14
Khả năng lưu trữ của sản phẩm (tối thiểu) năm 2
Khả năng lưu trữ khoảng nhiệt độ OC -10 ± 40
Kiểu đĩng gĩi 25 lít/
túi PE
Bảng 5.3. Các điều kiện giới hạn cho phép đối với nhựa Monoplus S1467-LANXESS
Nhiệt độ vận hành (tối đa) oC 120
Khoảng pH vận hành 0 – 14
Chiều cao lớp resin (tối thiểu) mm 800
Độ sụt áp trên m/ h ở độ nhớt 1 mPa (xấp xỉ) kPa*h/
m2 1.0
Độ sụt áp cho phép kPa 200
Tốc độ chảy Khi rút khí (tối đa) m/ h -
Tốc độ chảy Khi rửa ngược (20oC
) (xấp xỉ) m/ h 10 – 12
Độ giản nở của resin (20oC, trên m/ h ) (xấp xỉ) % 4 Khoảng trống Theo % thể tích
resin
% 40
Chất tái sinh NaCl
Tái sinh ngược chiều Định lượng g/ l 120
Tái sinh cùng chiều Định lượng g/ l 200
Nồng độ Nồng độ % 8 – 12
Bảng 5.4. Các điều kiện vận hành tham khảo.
Nước rửa Nước uống
Tốc độ dịng m/ h 5
Lượng nước rửa (xấp xỉ) BV 6 - 20
Nhiệt độ nước rửa oC Nhiệt độ vận hành
Tái sinh gấp đơi lượng bình thường Xem điều kiện vận hành Rửa gấp đơi lượng bình thường Xem điều kiện vận hành
5.2.2.2. Tính tốn lượng nhựa làm mềm nước.
- Lưu lượng: Q= 5m3/h
- Độ cứng: C= 120mg/lCaCO3 = 120/50 meq/l = 2.4 eq/m3
- Thời gian làm việc của một chu kỳ: 40 giờ.
- Dung lượng trao đổi của nhựa S1467 – Lanxess = 2eq/l (Bảng 5.2)
- Lượng nước qua một chu kỳ: 5 m3 /h *40h = 200m3
- Tổng dung lượng cần trao đổi: 2.4eq/m3* 200 m3 = 480 eq
- Thể tích nhựa cần: BV =480 240 2 / eq l eq l = nhựa Ta chọn: 250 lít nhựa (25 lít/túi)
5.2.2.3. Kích thước cột trao đổi ion
- Vận tốc nước qua lớp nhựa V=12-45m/h. Ta chọn V=25m/h. - Diện tích bề mặt cột: As= 5 3/ 2 0,2 25 / Q m h m v = m h =
- Đường kính cột trao đổi:
D = 4 4 0.2 0.505 3.14 s A m π × = × = Chọn D=0.5 m
- Diện tích bề mặt cột trao đổi:
As= 2 3,14 0.52 2 0,196 4 4 D m π × = × =
- Vận tốc nước qua lớp nhựa trao đổi:
BV = Tổng dung lượng cần trao đổi
Dung lượng trao đổi của nhựa
V= 2 2 4 4 5 25.5 / 3,14 0,5 b Q m h d π × = × = × × Thỏa mãn V (15-45m/h)
- Chiều cao lớp nhựa trao đổi (hmin>0,8m)
h nhựa= 0,25 1.275 0,196 BV m A = = Chọn hnhựa = 1.3 m
- Độ giãn nở lớp nhựa = 4%. Khoảng trống theo % thể tích của lớp vật liệu nhựa: 40%. (Theo bảng 5.1)
- Chiều cao bảo vệ: Hbv = (4%+40%)*hnhựa = 44%*1.3 = 0.57m Chọn hbv = 0.6 m
- Chiều cao cột trao đổi: H= hd +hnhựa+ hbv
Trong đĩ:
• H: chiều cao tổng cộng bể lọc, m
• hd: Chiều cao lớp sỏi đỡ, hd = 0.2m
• hbv: Chiều cao bảo vệ, hbv = 0.6 m.
• hnhựa: Chiều cao lớp nhựa, hnhựa = 1.3m Vậy: H = 0.0+1.3+0.6 = 2.1 m. Chọn H = 2.1m
5.2.2.4. Hồn nguyên nhựa
Dung dịch hồn nguyên
Chọn: - Dung dịch hồng nguyên: dd NaCl 10% (Bảng 5.1) - Lượng NaCl hồn nguyên = 200 g/l (Bảng 5.1)
Tổng dung lượng trao đổi của muối: luongNaCl 58,5200 3, 42 /
NaCl
eq l M
= =
Dung lượng NaCl hồn nguyên: 3.42 Giả sử tỉ trọng dung dịch NaCl = 1 kg/l
Thể tích dd NaCl 10%: VNaCl=250 200 / 10 3 500 1 0.1 l g l l − × × = ×
Lượng muối NaCl cần để hồn nguyên là: 200 / 250
1000 50
g lx l = kgNaCl
Vận tốc hồn nguyên = 1 – 10 m/h (đủ chậm để tạo đủ thời gian tiếp xúc). Chọn: Vận tốc hồn nguyên = 6 m/h
Thời gian hồn nguyên: t= 500 .10 3 3/ 2( / ) 0.42 25 út
6 / 0.196 l m l mol l h ph m h m − = ≈ ×
Giả sử độ cứng trong nguồn nước là do Ca2+ gây ra và trung bình trong nguồn nước thì [Ca2+] = 50mg/l CaCO3
Hệ thống trao đổi ion này cĩ hiệu quả xử lý là 90% nên nước sau xử lý cĩ hàm lượng Ca2+= 50-90%*50= 5mg/l. Đảm bảo độ an tồn về độ cứng cho nước qua hệ thống xử lý RO.
2R-Na + CaSO4 -> R2Ca = Na2SO4
Để lại 1 ion Ca2+ thì tạo ra 2 ion Na+:
3 2 45 10 ( / ) 40 molCa l − + × < => 45 103 ( / ) 40 x molNa l − + x2 Suy ra nồng độ Na+=45 10 3( / ) 40 mol l − × x2x23=51,75 mg/l
Hệ thống phân phối dung dịch hồn nguyên
- Chọn: Hệ thống tái sinh bằng van tự động (Autoval 268/440 cĩ catalog kèm theo)
- Bồn pha dung dịch hồn nguyên: Bồn nhựa V= 300l. - Ống dẫn dung dịch hồn nguyên: Ống inox ∅ 27. - Bơm hĩa chất hoặc bộ ejector:
Q=240 .10 3 3/ 3 0.725 / 0.331 l m l m h h − =
Lượng nước rửa ngược và rửa xuơi
- Lượng nước rửa = 6x BV= 6x250l = 1500 lít (Bảng 5.1)
- Vận tốc rửa ngược = 10 gpm/ft2 = 29,33 m/h (Tra Fig.2. Backwash Expansion ở 200C)
Thời gian rửa ngược và xuơi: tng =
3 3 2 1500 10 0,26 16 29,33 / 0,196 m h phut m h m − × = × ;
- Thời gian nước rửa ngược và xuơi = 16 phút - Vận tốc rửa nhanh: = 30 m/h
5.2.3. Tính tốn về thiết bị trao đổi cation1 và 25.2.3.1. Thơng tin sản phẩm hạt nhựa khử cation:5.2.3.1. Thơng tin sản phẩm hạt nhựa khử cation: 5.2.3.1. Thơng tin sản phẩm hạt nhựa khử cation:
Thơng tin sản phẩm S100
Lewatit S 100 là resin trao đổi cation, dạng gel, acid mạnh, cĩ phân bố kích thước hạt đồng đều tiêu chuẩn. Nhờ cĩ tổng dung lượng trao đổi ion cao, độ bền cơ học và hĩa học rất tốt nên Lewatit S 100 đặc biệt thích hợp cho những cơng dụng sau
• Khử khống nước để sản xuất hơi nước cơng nghiệp
• Làm sạch nước ngưng tụ
• Làm mềm nước
• Xử lý nước rửa trong cơng nghiệp xi mạ
• Tách kim loại nặng trong quá trình thủy luyện kim loại (khai thác mỏ khống kim loại).
Lewatit S 100 cĩ thể được sử dụng tương hợp với tất cả các quy trình trao đổi ion cơ bản truyền thống. Để áp dụng các quy trình khác, chúng ta sử dụng resin cĩ phân bố kích thước hạt đặc biệt thích hợp (với các quy trình này).
Những đặc tính của sản phẩm này chỉ cĩ thể được khai thác một cách đầy đủ nếu cơng nghệ và quy trình xử lý của của Quý vị được sử dụng tương thích với cơng nghệ tiên tiến hiện nay. Bayer AG, Organic Chemicals Business Group, Marketing/Application Lewatit cĩ thể hổ trợ thêm những hướng dẫn về vấn đề này.
Bảng 5.5. Thơng số kỹ thuật nhựa Monoplus S100-Lanxess
Dạng ion nguyên thủy Na+
Nhĩm chức Acid sulfonic
Mạch cao phân tử Mạng polystyrene
Cấu trúc Hạt dạng gel
Hình thái bên ngồi Nâu nhạt, hơi đục
Bảng 5.6. Tính chất vật lý và hĩa học của nhựa Monoplus S100-Lanxess
Kích thước hạt * > 90% mm 0,58 (+/-0.05) Kích thước hữu hiệu mm 0,58 (± 0,05)
Dung trọng (± 5%) g/l 820
Tỷ trọng xấp xỉ g/ml 1,28
Độ ngậm nước % 42 - 48 Tổng dung lượng * min. eq/l 2,0 Thay đổi thể tích Na+ H+ xấp xỉ % 8 Độ bền ở nhiệt độ oC (-10) - 120
trong khoảng pH 0 - 14
Khả năng lưu trữ của sản phẩm min. năm 2 ở nhiệt độ oC (-10) - 40
Nhiệt độ làm việc max. oC 120
Khoảng pH làm việc 0 - 14
Chiều cao lớp resin min. mm 800 Sụt áp riêng (15oC) xấp xỉ kPa*h/m2 1,0 Sụt áp cho phép tối đa kPa 200 Vận tốc dài khi xử lý max. m/h 40 khi rửa ngược (20oC) xấp xỉ m/h 10 - 12
Độ dãn nở lớp resin (20oC, trên mỗi m/h)
xấp xỉ % 4
Khoảng trống theo % thể tích resin % 40
Dung dịch tái sinh HCl H2SO4 NaCl
Tái sinh ngược chiều liều dùng xấp xỉ g/l 55 80
90
Nồng độ % 4 - 6 1,5/3 8 - 10 **