Дипломная работа: Совершенствование технологии химической водоочистки на Балаковской атомной электростанции с использованием полимерных ионообменных материалов
Федеральное агентство по образованию
Государственное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Специальность
кафедра естественных наук
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ
РАБОТА
На тему: "Совершенствование
технологии химической водоочистки на Балаковской АЭС с использованием
полимерных ионообменных материалов"
2009
Введение
Потребление
энергии обеспечивает удовлетворение самых разнообразных потребностей человека:
от насущных, связанных с получением и приготовлением пищи, обогрева жилищ, до
духовных запросов (телевидение, радио, кино и т.п.). Однако большая часть
энергии, вырабатываемой из природных энергоресурсов, используется в настоящее
время в промышленности и на транспорте (около 65%). Следовательно, повышение
энергообеспеченности общества является необходимым условием его ускоренного
развития.
В настоящее
время вода широко используется в различных отраслях промышленности в качестве
теплоносителя, в том числе и в атомной энергетике. Но она не может применяться
в теплоэнергетических установках без предварительной обработки, поскольку
современные атомные электростанции (АЭС) в энергетическом цикле используют воду
высокого качества. Оборудование современных АЭС эксплуатируется при высоких
тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях
нагрева по условиям температурного режима их металла в течении рабочей
кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы
электростанции, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого
качества водных теплоносителей АЭС является важнейшей задачей. Использование
водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения
чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов,
турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта.
При
эксплуатации теплосилового оборудования могут произойти нежелательные различные
явления, связанные с качеством воды и пара. Первое явление приводит к выделению
из воды твердых веществ (отложений), оседающих большей частью на поверхности
металла котла, турбины, подогревателей. Второе явление приводит к выделению
взвешенных частиц (шлама), которые с течением времени могут образовывать
отложения на поверхности раздела. Вода и пар при взаимодействии с элементами конструкций
могут частично растворять их, а затем осаждать продукты коррозии. Кроме того,
существуют химические соединения и газы, содержащиеся в воде в микро
концентрациях и поступающие в контур АЭС с водой первичного заполнения, а также
в результате внутриконтурных процессов коррозии. Наиболее распространенными из
них являются растворенные в воде хлориды натрия и калия, сульфаты и карбонаты
кальция, магния, кремниевая кислота, ионы железа, кислород, масла, нефтепродукты
и др.
Таким
образом, качество обработки воды на АЭС тесным образом связано с надежностью и
экономичностью эксплуатации современного высокоинтенсивного котлотурбинного
оборудования, с безопасностью ядерных энергетических установок.
Для
удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при
выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной
физико-химической обработки природной воды. Эта вода является, по существу,
исходным сырьем, которое после надлежащей обработки используется в качестве
исходного сырья на водоподготовительной установке, а также для других целей на
АЭС. Добавочная вода, полученная на водоподготовительной установке после
обработке с применением физико-химических методов очистки, направляется в
контур для восполнения потерь пара и конденсата.
При
эксплуатации современного энергетического оборудования АЭС используются
разнообразные методы обработки воды. Так, приготовление добавочной воды для
различных теплоиспользующих контуров осуществляется обычно в две основные
стадии. На первой из них из природной воды удаляются главным образом взвешенные
примеси, на второй вода подвергается очистки химическим методом (умягчение,
обессоливание). Не эффективная очистка добавочной воды от коллоидных и
грубодисперсных примесей, называемого предочисткой.
Предочистка
осуществляется на основе методов, в результате реализации которых при дозировке
специальных реагентов некоторых примесей выделяются в виде хлопьев. Основными
технологическими процессами предварительной очистки воды являются коагуляция
(укрупнение) коллоидных примесей и известкование, которые обычно совмещаются в
одном аппарате – осветлителе – в целях улучшения суммарного технологического
эффекта и снижения денежных затрат. Дополнительная очистка воды после
осветлителя от грубодисперсных примесей производится фильтрационными методами,
которые также относятся к предочистке воды.
Вода,
прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперсных примесей
в значительной степени освобождена от коллоидных. Однако основная часть
примесей в истинно – растворенном состоянии остается в этой воде и должна быть
удалена из нее. Для этого применяют ионный обмен (обессоливание).
Цель работы в
данном проекте это совершенствование технологии химической водоочистки на
Балаковской АЭС с использованием полимерных ионообменных материалов.
1.
Технологический раздел
1.1
Информационный анализ с обоснованием выбора технического решения
1.1.1
Способы подготовки воды
Наличие
различных примесей в природной воде является причиной приготовления воды для
подпитки и заполнения контуров АЭС на водоподготовительной установке в
несколько стадий. Сначала из воды удаляют грубодисперсные и коллоидные частицы,
а затем – ионизированные примеси.
Природная вода, разделяемая условно на атмосферную, поверхностную,
подземную и морскую, всегда содержит различные примеси. Характер и количество,
имеющихся в воде примесей, определяют качество воды, т.е. характеризует
возможность использования ее для различных целей в промышленности и быту.
Примеси поступают в воду, находящуюся в природном круговороте, из окружающей
среды.
Количественный
и качественный составы примесей, содержащихся в реках и водоемах, зависит от
метеорологических условий и подвержены сезонным колебаниям. Так, весенний
паводковый период, после вскрытия льда, воды содержат минимальное количество
растворимых солей, однако характеризуются максимальным количеством взвешенных
веществ, увлекаемых с поверхности почвы быстрыми потоками талых вод. В зимний
период в результате питания поверхностного водотока подземными водами его
солесодержания достигает максимума. В летнее время состав речной воды
определяется соотношением в питании долей поверхностного и подземного стоков.
Природные воды классифицируют солесодержанию. Различают пресную воду (солесодержание
до 1 г/кг), солоноватую (солесодержание 1–10 г./кг) и соленую (солесодержание
более 10 г./кг). Солесодержание определяется суммарной концентрацией всех
катионов и анионов в воде. Важнейшим показателем, определяющим путь
использования воды в теплоэнергетики, является жесткость воды. По значению
общей жесткости природные воды классифицируются так: воды с малой жесткостью;
воды со средней жесткостью; воды с повышенной жесткостью; воды с высокой
жесткостью и воды с очень высокой жесткостью.
Существуют
следующие виды очистки. Механические методы очистки включают в основном
отстаивание, осветление и фильтрацию. Эти наиболее доступные приемы очистки от
крупнодисперсных взвесей применяются как первая стадия в общей схеме очистке
вод.
Физико-химические
методы применяют для очистки от мелкодисперсных, коллоидных и растворенных
веществ. Это флотация, коагуляция и флокуляция, экстракция растворителями,
дистилляция и ректификация, адсорбция, обратный осмос и др. Принцип
флотационной очистки заключается в образовании комплексов частица – пузырек
воздуха, всплывании пузырьков и удалении образовавшегося слоя насыщенной
примесями пены с поверхности воды.
Для очистки
от растворенных примесей применяют обратный осмос, ультрафильтрацию,
электродиализ, ионный обмен, абсорбцию, экстракцию, радиационно-химический
метод.
Обратным
осмосом или гиперфильтрацией называют процесс разделения истинных растворов
продавливанием их через полунепроницаемые мембраны, которые пропускают воду, но
задерживают гидратированные ионы солей и молекулы органических соединений.
Ультрафильтрация – разделение растворов, содержащих высокомолекулярные
соединения, мембранами, поры которых имеют диаметр 5–200 нм. Гиперфильтрацию
производят с помощью полимерных мембран – ацетат целлюлозных, полиамидных и др.
Электродиализ
заключается в направленном движении ионов под действием постоянного
электрического тока. Для разделения и удаления ионов в установке имеются
специальные катионитные и анионитные мембраны, изготовленные из ионообменных
смол, которые пропускают ионы только одного знака заряда.
Для
технического водоснабжения не требуется вода высокой чистоты, получаемая
дионизацией. Здесь достаточно снижение обратным осмосом ее солесодержание в 15–20
раз по Na+, K+, SO-4, Cl- и в первую очередь удаление солей жесткости в 25–50
раз по Ca2+, Mg2+, что дает значительный эффект. Для водоочистки в этом случае
наиболее оправданы безреагентные методы, при использовании которых не
образуются токсичные отходы. Наиболее широко известный безреагентный метод
упаривания, используемый при переработке жидких отходов, в водоподготовке для
технического водоснабжения не применяется из-за больших энергетических затрат.
Исключение составлявляла АЭС, где с помощью дистилляционной установки опресняли
морскую воду. Более перспективными в этом случае являются мембранные методы, в
частности, обратный осмос, получающий в последние годы все более широкое
распространение для опреснения воды в тепловой и очистки от радионуклидов в
ядерной энергетике. В последнем случае обратный осмос значительно превосходит
по эффективности другой мембранный метод-электродиализ.
Водоподготовка
на обратноосмотических фильтрах не требует в отличие от очистки отходов
получения высокого солесодержания в концентрате и, следовательно, позволяет
использовать низкое давление и более простые аппараты. Концентраты при
водоподготовке содержат только исходные соли природных вод и при сбросе в
окружающую среду не вносят дополнительных загрязнений. После
обратноосмотического опреснения существенно снижается нагрузка на ионообменные
фильтры при получении деинизированной воды для теплоносителей. Кроме того, при
снижении солесодержания технической воды увеличивается ресурс оборудования
системы технического водоснабжения вследствие уменьшения коррозии трубопроводов
и отложений на их внутренних стенках солей жесткости. Главным эффектом является
снижение солевой нагрузки на установки спецводоочистки (установки очистки
жидких отходов). Таким образом, соли извлекаются еще до их попадания в общую
среду с радионуклидами.
На основании
разработанных и использованных в НИТИ им. А.П. Александрова установок
водоподготовки и спецводоочистки можно сделать вывод, что обратноосмотическая
очистка технической воды существенно улучшает условия эксплуатации и снижает
соленость. Дополнительные затраты на предварительное обессоливание технической
воды компенсируются снижением расходов на переработку отходов и в конечном
итоге способствуют сокращению объема твердых отходов вследствие уменьшения
содержания балластных солей, подлежащих захоронению. В технологии переработки
отходов существенным фактором снижения энергозатрат является операция их предварительного
обратноосмотического концентрирования.
Разработанные
модульные мембранно-сорбционные установки, применяемые в настоящее время для
очистки маломинерализованных низко активных отходов, имеют производительность
0,5–2 м3/ч при сравнительно небольших габаритах и массе (размер
обратноосмотического модуля 1050х700х1800 мм, масса нетто 180 кг.) Они
могут обеспечивать в необходимых объемах, как водоподготовку, так и
спецводоочистку (до 4000–15000 м3/год). В первом случае
достаточными являются только мембранные модули.
Ионообменный
способ очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси минерального и
органического происхождения, получает все большее распространение, так как он
позволяет регенерировать ценные вещества и глубоко очищать воду перед ее
повторным использованием в оборотных системах водоснабжения. Ионообмен
целесообразен как завершающая стадия доочистки и корректировки оборотной воды,
а также для полного извлечения и утилизации токсичных веществ.
Адсорбционный
метод – один из наиболее доступных и эффективных способов глубокой очистки от
растворенных органических веществ. Применяя активные сорбенты, можно полностью
очистить воду от органических примесей, даже при весьма малых их концентрациях,
когда другие приемы очистки неэффективны.
Химические
(реагентные) методы применяют главным образом для обезвреживания и удаления
неорганических примесей. К реагентным методам относятся нейтрализация кислот и
щелочей, переведение ионов в малорастворимые соединения, соосаждение
неорганических веществ. Химические методы характеризуются высокими расходными
коэффициентами по реагентам и громоздкой аппаратурой, особенно отстойной.
Помимо небольших экономических показателей недостатком реагентного метода
является образование новых соединений – осадков, которые приходится направлять
в накопители осадков и на шламовые площадки, т.е. дополнительно загрязнять
почву и занимать земельные участки отвалами.
В результате
рассмотренных способов очистки выбираем ионообменную очистку, так как именно
этот способ позволяет более глубоко очищать воду. Сначала из воды удаляют
грубодисперсные и коллоидные частицы, а затем – ионизированные примеси
(химическим обессоливанием воды).
Осветление
воды, называемое предварительной очисткой, осуществляют в основном осаждением,
в результате которого из воды выделяются примеси в виде осадка. К осаждению
относят процессы коагуляции и известкования, проводимые, как правило, в
осветлителе. Из обрабатываемой воды выделяется основная масса осадка,
состоящего из хлопьевидных образований с включенными в них коллоидными и
грубодисперсными примесями. Окончательную очистку воды от осадка производят
фильтрованием, оборудование для которого также относится к предочистке.
Физико-химический процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания,
который завершается выделением вещества в осадок, удаляемый осаждением или
фильтрованием, называется коагуляцией.
Обработку
воды гашеной известью – гидрооксидом кальция – называют известкованием. При
известковании достигают частичного умягчения воды. Коагуляцию и известкование
осуществляют в осветлителях.
Вода,
прошедшая обработку в осветлителях, содержит 10–20 мг/кг грубодисперсных
примесей, которые должны быть удалены перед последующими технологическими
стадиями водообработки. В период весенних и осенних паводков в 1 кг воды
поверхностных водоемов содержание грубодисперсных примесей колеблется от
несколько единиц миллиграммов до нескольких сотен, эти примеси должны быть
удалены при использовании воды для технических целей фильтрованием.
1.1.2
Конструкции фильтров
В реальных
условиях работы механических фильтров, диаметр зерен фильтрующей загрузки
которых составляет примерно 0,5 мм и более (крупнозернистые загрузки),
высота фильтрующего слоя близка к минимальной высоте фильтрующего слоя, хотя
высота слоя в фильтрах составляет иногда около 2 м. Эти фильтры получили
название насыпных фильтров.
При
уменьшении диаметра поровых каналов (диаметра зерен фильтрующей загрузки) можно
создать условия чисто поверхностного фильтрования. В этом случае не требуется
высоких слоев фильтрующего материала. Тонкослойные фильтры с мелкозернистым
фильтрующим слоем (dср ~ 0,05 мм) называют намывными фильтрами. Поскольку реальные
взвеси имеют определенный спектр дисперсности, нижняя граница которого всегда
меньше среднего диаметра поровых каналов загрузки намывных фильтров,
рассмотренный выше механизм имеет место и при работе намывных фильтров. Разница
между намывными и насыпными фильтрами заключается в том, что при работе последних
задерживаемая взвесь скапливается выше верхней границы загрузки только к концу
работы фильтра, а при работе первых – с самого начала, т.е. насыпные фильтры,
работают в основном режиме объемного фильтрования, постепенного переходящего в
поверхностное, а намывные работают, главным образом, в режиме поверхностного
фильтрования, сопровождающегося объемным.
Намывные
механические фильтры получили свое название от процесса загрузки в них
фильтрующего материала, который перед началом фильтрования подается на намывной
фильтр в виде концентрированной суспензии. Твердые частицы этой суспензии
отделяются от ее жидкой фазы на специальной фильтровальной перегородке.
Накапливаясь на последней, частицы суспензии создают слой определенной высоты,
зависящий от концентрации и времени прокачки исходной суспензии. Процесс этот
принято называть намывом. По окончании намыва в фильтр подают очищаемую воду.
Задержание взвешенных в этой воде частиц происходит уже не на фильтровальной
перегородке, а на ранее намытом фильтрующем слое.
Резкое
количественное изменение геометрических характеристик фильтрующих слоев в
намывных механических фильтрах неизбежно влечет за собой качественное изменение
процесса задержания взвешенных в очищаемой воде частиц.
Обычно
максимальный размер частиц, взвешенных в контурных водах АЭС, для очистки
которых чаще всего используют намывные фильтры, не превышает (1,5 – 2).10-6
м. Поэтому при работе намывных фильтров наряду с образованием конгломератов из
задерживаемых на поверхности поровых каналов частиц улавливаемой взвеси
возможно также и образование <<сводиков>> из крупных частиц взвести
(dr > 0,1 dэ) непосредственно на
входе в поровые каналы слоя. Кроме того, из-за малой скорости фильтрования,
применяемой в намывных механических фильтрах, рост конгломератов может
происходить вплоть до полной закупорки порового канала слоя. Следовательно,
начавшийся на высоте 3,2×10-3 мм рост конгломератов приведет к
полной закупорке поровых каналов практически уже в лобовом слое. Из изложенного
вытекает основная особенность задержания взвесей мелкодисперсным слоем: процесс
протекает, главным образом, по механизму поверхностного фильтрования.
Задерживаемые
мелкозернистым фильтрующим слоем частицы образуют на его поверхности
собственный фильтрующий слой, называемый вторичным фильтрующим слоем, который
сразу же становится основным источником гидравлического сопротивления. Темп
рост сопротивления возрастает с ростом скорости фильтрования и концентрации
взвешенных частиц в очищаемой воде. Поэтому при больших концентрациях частиц,
характерных, например, для осветленной после коагуляции или известкования воды,
применение намывных фильтров нецелесообразно из-за слишком быстрого роста
перепада давления, cводящего к минимуму период работы фильтра. Небольшие периоды
работы фильтра неэкономичны не только потому, что требуют для непрерывной очистки
потока воды большого количества резервных площадей фильтрования, подключаемых к
работе в момент смыва и намыва материала на основные фильтры, но также и из-за
увеличенного при этом расхода фильтрующего материала, который на намывных
фильтрах вследствие трудности отделения его от уловленных частиц взвеси
используется однократно. Поэтому-то намывные фильтры и применяются только для
очистки конденсатов и контурных вод, где концентрация твердых продуктов
коррозии железа не превышает в период нормальной работы 100 – 50 мкг/кг.
1.1.3
Ионообменные материалы
Ионообменные
материалы, нашедшие в настоящее время широкое применение в технологии
водоприготовления для нужд АЭС, представляют собой синтетические
высокомолекулярные соединения кислого или основного характера. Материалы эти
получают либо путем поликонденсации исходных мономеров, либо путем их
сополимеризации.
1.2 Патентные
исследования
Задачи
патентных исследований: исследование тенденций развития химической водоочистки
ионообменным способом на Атомной Электростанции с целью обоснования
технико-экономических показателей и уменьшения объема отработанной смолы.
RU (11) 2239605 (13)
С1
(51) 7 С 02 F 1/42 // С 02 F 103:04
(21)
2003129557 // 15 (22) 07.10.2003
(24)
07.10.2003
(72) Зройчиков Н.А.
(RU), Храмчихин А.М. (RU), Чернов Е.Ф. (RU), Никитин И.В. (RU)
(73) Общество
с ограниченной ответственностью фирма «Партнер С.П.» (RU)
Адрес для
переписки: 115569, Москва, ул. Домодедовская, 6, корп. 2, кв. 84, И.В. Никитину
(54) Способ
очистки воды от анионов сильных кислот
(57) Способ
очистки воды от анионов сильных кислот (соляной, серной, азотной) на пористом
анионите смешанной основности, отличающийся тем, что используют анионит, получающийся
последовательными реакциями хлорметилирования и аминирования макропористого
сополимера стирола и дивинилбензола, в котором содержание групп низкой и
высокой основности соответствует соотношению 9–17:1, а значение рН
обрабатываемой воды не должно превышать 5,0.
RU (11) 2241542 (13) С1
(51) 7 В 01 J 49/00, С 02 F 1/42 //C 02 F 103:04
(21)
2003127008/15 (22) 05.09.2003
(24)
05.09.2003
(72) Пантелеев А.А.
(RU), Углов С.А. (RU), Громов С.Л. (RU), Федосеева Е.Б. (RU)
(73) ЗАО
«Научно-производственная компания «Медиана-Фильтр» (RU)
Адрес для
переписки: 193318, Санкт-Петербург, ул. Подвойского, 14, корп. 1, кв. 741,
пат. пов. В.А. Кузнецову
(54) Способ
регенерации ионитов
(54) 1.
Способ регенерации ионитов в фильтрационных процессах типа «UPCORE», включающий в себя
стадию зажатия слоя ионита потоком жидкой среды, направленным снизу вверх,
стадии регенерации, гравитационного осаждения и отмывки ионитов от остатков
регенерирующего раствора, отличающийся тем, что перед стадией зажатия через
фильтр в направлении сверху вниз пропускают обрабатываемую жидкость с линейной
скоростью, превышающей среднее эксплутационное значение на 5–250%.
RU (11) 2220907 (13) C2
(51) 7 C 01 D 7/18, G 05 D 21/00
(21)
2001118473/15 (22) 04.07/2001
(24)
04.07.2001
(72) Молчанов В.И.,
Олесюк В.И., Кухтенков К.М., Баранов А.А., Титов В.М., Воронин А.В.,
Гареев А.Т., Карпов В.Г.
(73)
Государственный научно-исследовательский и проектный институт основной химии,
Открытое акционерное общество «?»
Адрес для
переписки: 61002, г. Харьков-2, ул. Мироносицкая НИОХИМ, зам.
директора В.Ф. Аннопольскому
(54)
Устройство для автоматического контроля и распределения потоков известкового
молока из общего коллектора по параллельно работающим аппаратам
(57)
Устройство для автоматического контроля и распределения потоков известкового
молока из общего коллектора по параллельно работающим аппаратам, содержащее
датчики расхода известкового молока, связанные с регуляторами расхода
известкового молока регулятор значений рН в жидкости из смесителя, отличающееся
тем, что к выходу датчика общего расхода известкового молока формирующие
цепочки подключены регуляторы расхода известкового молока и регулирующие органы
по основному и дополнительному потокам, формирующая цепочка для основного
потока состоит из блока слежения-запоминания и блока суммирования, формирующая
цепочка для дополнительного потока состоит из блока слежения-запоминания, блока
суммирования и блока запоминания, выход которого подключен C 02 F 1/64, 1/42 // (C 02 F 1/42, 101:20), 103:36
(21)
2002100366/15 (22) 08.06.2000
(24)
08.06.2000
(31) 9907790
(32)
15.06.1999 (пп. 1–13)
(33) FR
ко второму
входу сумматора в формирующей цепочке основного потока, второй вход регулятора
расхода известкового молока по основному потоку подключен к сумматору, входы
которого связаны с выходами датчика расхода фильтровой жидкости и регулятора
значений рН в жидкости из смесителя, второй вход регулятора расхода
известкового молока по дополнительному потоку подключен к сумматору, два входа
которого связаны с выходами регулятора концентрации NH3 в парогазовой смеси из
испарителя и формирующей цепочки расхода известкового молока по основному
потоку, входы блоков слежения-запоминания и переключения связаны с выходами
командного блока мультивибратора, управляющего процессом формирования
переменных для регуляторов расхода известкового молока по основному и
дополнительному потокам и переключателя, закрывающего заслонку на
дополнительном потоке.
RU (
