敞开式循环水处理工艺的设计毕业论文文档格式.docx
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6微生物的控制………………………………………………………………15
6.1微生物引起的危害………………………………………………………………………15
6.2微生物的控制指标………………………………………………………………………15
6.3微生物的控制……………………………………………………………………………15
7日常处理工作…………………………………………………………………………20
8结束语…………………………………………………………………………21
参考文献………………………………………………………………………22
致谢………………………………………………………………………………23
1引言
在20世纪初,随着工业的迅速发展,工业用水愈来愈多,但是,几乎没有一家工厂使用循环水。
到了四十年代,人们生活用水、农田用水和工业用水之间出现了争夺,直流水系统已经受到了水资源的限制,于是另觅用水的出路而发展了循环水系统。
例如一套水用量约20000t/h左右的装置,如采用循环水系统,每小时补充四五百吨新鲜水就够了,节约的水量非常可观。
我国淡水资源并不丰富,且分配甚不均衡,北方缺雨少水,更显水源紧张。
如华北地区和京津一带已连年闹水荒,严重影响工农业的发展和人们的生活用水,节约用水日益迫切。
在水源上得天独厚的长江流域和江南水乡,由于不注意排水的处理,江河湖泊受到不同程度的污染,影响人们用水的质量和鱼类的生存。
为保护生态环境不被破坏,环保部门对排出水的温度、PH值及其它污染物都有规定。
为使有害成份达到排放标准,只有减少污水的流量才能适合处理,才能降低污水处理的费用。
因此,无论从节约水源还是从经济观点和保护环境的观点出发,都应设法减少取水量,降低冷却水排污量,限制使用直流水系统,尽可能推广采用敞开式循环冷却水系统。
循环水比起直流水,除了节约新鲜水量、减少排污水量之外,还可以防止热污染。
循环水还因控制换热器的污垢热阻而提高传热效果和生产效率,减少设备体积,节约钢材。
循环水有效的控制了系统中设备的腐蚀,从而提高设备的使用寿命。
化学工业、石油工业、冶金工业及建筑的空调系统中常需要将热工艺介质进行冷却,水的特性很适合用作冷却介质。
工业冷却水通过换热器(或称热交换器、水冷却器、水冷器)与工艺介质间接换热。
热的工艺介质在热交换中降低温度,冷却水被加热温度升高。
工业冷却水的用量往往很大,在化学工业许多企业中占到工业用水总量的90%~95%以上。
2循环水系统及控制指标
2.1循环水系统的特征
冷却水系统是用水来作为工业冷却介质的系统,它分为直排冷却水系统和循环冷却水系统。
直排冷却水系统因其消耗水量大、加药处理费用过高,已经被淘汰。
循环冷却水系统中的冷却水流经换热器时,和工艺介质进行热交换,热介质通过冷却水冷却到需要的温度,冷却水温度升高,成为热水。
热水基本不排放,经过冷却后仍返回系统重复使用。
即冷却水被加热成热水,热水被冷却成冷水,冷水再加热,热水再冷却,循环不止,因而大大节约了用水。
这就是循环冷却水系统与直排冷却水系统不同之处。
循环冷却水系统又可分为密闭式和敞开式两种,其区别在于敞开式系统中的热水是经过冷却塔(又称凉水塔)或冷却池与空气直接接触被冷却为冷水,再返回系统循环使用的,而密闭式系统中水不与大气接触,密闭循环,水的冷却主要依靠冷水机等手段来完成,水不浓缩,也基本上不消耗。
2.2敞开式循环水系统
在敞开式循环冷却水系统中,冷却水用过后也不是立即排放掉,而是收回循环再用。
水的再冷却是通过冷却塔来进行的,因此冷却水在循环水过程中要与空气接触,部分水在通过冷却塔时还会不断被蒸发损失掉,因而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。
为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一个定值上,必须对系统补充一定量的冷却水,通常称作补充水;
并排出一定量的浓缩水,通称排污水。
这种敞开式循环冷却水系统要损失一部分水,但与直流冷却水系统相比,可以节约大量的冷却水,且排污水也相应减少。
因此,不论从节约水资源,还是从经济和保护环境的观点出发,都应设法降低各类工厂的冷却水用量,尽可能使用敞开式循环冷却水系统。
2.3循环水系统产生的问题
冷却水通过换热器后水温提高成为热水,热水经冷却塔曝气与空气接触,由于水的蒸发散热和接触散热使水温降低,冷却后的水再循环使用。
敞开式冷却水系统又叫冷却塔系统,因为它常用冷却塔作为水的冷却设备,这种系统在工厂得到广泛使用。
如图2-1所示。
这种敞开式循环冷却水系统,由于在循环过程中要蒸发掉一部分水,还要排出一定的浓缩水,故要补充一定的新鲜水,以维持循环水中的含盐量或某一离子含量在一定值上。
比较起来,循环水的补充水量是很有限的,一般只是直流水的四十分之一左右。
冷却水在循环使用过程中,容易带来以下三个问题:
1、水在冷却塔内和空气充分接触,使水中的溶解氧得到补充,所以循环水中的溶解氧总是饱和的。
水中溶解氧是造成金属电化学腐蚀的主要原因。
加上水浓缩后含盐量增加,电导率上升,也增加了腐蚀倾向;
图2-1敞开式循环冷却水系统
2、水浓缩之后成垢离子成倍增加。
特别由于碳酸氢盐是很不稳定的盐类,它在换热器表面会分解成为碳酸盐和二氧化碳。
碳酸钙的溶解度很低,使传热面上结碳酸钙水垢的倾向增加;
3、冷却水和空气接触,吸收了空气中的大量灰尘、泥沙、微生物及其孢子,使系统的污泥增加。
冷却塔内的光照、适宜的温度、充足的氧和养分都有利于细菌和藻类的生长,从而使系统黏泥增加,在换热器内沉积下来,增加了黏泥的危害。
2.4循环水使用中的控制指标
要搞好循环取得良好的效果,对于循环水和补充水和各种杂质应当有限制性的要求,这种限制性的控制指标就是水质控制的边界条件,如果超出控制指标,就会给循环水处理带来危害。
表2-1是循环水系统中各种离子或杂质的允许含量:
表2-1循环水中各种离子或杂质的允许含量
名称
允许含量
过高或过低时的危害
浑浊度
一般要求≦20mg/L,使用板式,翅片式和螺旋式换热器时宜≦10mg/L
污垢沉积
含盐量
投加缓蚀阻垢剂时,一般不宜>
3000μs/cm
腐蚀或结垢
钙离子(以CaCO3计)
根据碳酸钙稳定指数和磷酸钙饱和指数进行控制,大致要求≧50mg/L,≦500mg/L
过高结水垢,过低则腐蚀
总碱度(以CaCO3计)
根据碳酸钙稳定指数选定PH指标,总碱度根据PH值自然平衡,大致要求≧50mg/L,≦500mg/L
钙离子加总碱度(以CaCO3计)
采用全有机配方时,大致要求二者之和≦1000mg/L
过高可能结水垢
铁和锰(总铁量)
≦0.5mg/L
过高表明系统有腐蚀,可形成黏性污垢,导致局部腐蚀
铜离子
对碳钢换热,要求Cu+≦≦0.1mg/L
过高产生点蚀
氯离子
根据换热器的材质、壳程和管程、结构、应力及药剂、配方情况决定,一般碳钢换热器系统≦1000mg/L,不锈钢换热器较多的系统≦的300mg/L
过高促进局部腐蚀,对碳钢主要是点蚀,对不锈钢是应力腐蚀开裂
3循环水水质处理技术的作用及其重要性
化学水处理技术能够很好地解决循环冷却水所带来的危害。
它在国外应用已有半个多世纪以上;
在我国也日益广泛应用,大量推广已有二十多年的历史。
其综合处理效果令人满意,处理费用也能为用户接受,是普通使用的好方法。
在循环冷却水中应用水处理技术,既可改善水质,减少对设备的腐蚀和结垢,延长设备寿命,保证生产长周期均衡平稳地运行,又能节约用水,减少排污,对生态环境大为有利,从而获得良好的经济效益和社会效益。
评价化学水处理的经济效益需要从处理费用上和生产上全面评价。
化学处理费用经济合理,占循环水成本中的比例极低,而且带给系统的好处很多,有很好的经济效益。
据我了解,许多厂在这方面都深有体验,特别是有的厂初期投产时循环水未进行化学处理,运行一段时间后才发现“水患成灾”,后来采用化学处理,“对症下药”,使水质得到明显改善。
科学技术是第一生产力,循环水化学处理技术在节能降耗,高产稳产,提高效益等方面发挥着非常重要和关键的作用,具体表现在:
1、保证换热设备的高效运行。
通过化学处理,减缓设备和管道的腐蚀和结垢,提高换热效率,改善工艺条件,延长设备及管道的使用寿命。
2、稳定生产。
没有沉积物附着、腐蚀穿孔和粘泥堵塞等危害,冷却水系统中的换热器就可以始终在良好的环境中工作,除计划中的检修外,意外的停产检修事故就会减少,为生产的长周期安全运行提供保证,从而降低生产过程中因设备维修造成的时间延误。
3、节约水资源。
冷却水使用水处理剂后,可以提高循环水的浓缩倍数,这对工业节水有着重要的作用。
与支流冷却水相比,即便循环水的浓缩倍数比较低,例如仅为1.5倍,但此时补充水即可节约94.8%。
由此可见,提高浓缩倍数,使用水处理技术,改善和净化水质,对节约水资源有着至关重要的作用。
4、减少环境污染。
由于浓缩倍数的提高,循环冷却水系统比起直排冷却水系统来,大大减少了冷却污水的排放量,也就减少了对环境的污染。
5、经济效益显著。
采用水稳技术后,循环冷却水系统处于良性循环,换热效率和冷却效果良好,同时减少原材料的消耗,降低生产成本,实现生产的满负荷运行,生产能力提高,产品质量改善,产量增加,经济效益突出。
4循环冷却水的腐蚀
4.1循环冷却水腐蚀的成因
由于和周围介质相互作用,使材料(通常是金属)遭受破坏或使材料性能恶化的过程称为腐蚀。
腐蚀是一种电化学过程,通过腐蚀,一种金属可以恢复到它原来自然的状态。
例如:
铁的腐蚀过程即是铁回复到赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)的状态。
此外,还有一种特殊的腐蚀叫做微生物腐蚀,这是由于微生物的直接或间接地参加了腐蚀过程所起的金属毁坏作用。
微生物一般不单独存在,往往总是和电化学腐蚀同时发生的,两者很难截然分开。
引起腐蚀的微生物一般为细菌及真菌,但也有藻类及原生动物等,在大多数场合下都可看作是各种细菌共同作用而造成危害的。
金属在溶液中的电化学反应是这样的过程:
首先是在溶液中的金属释放自由电子(通常把释放自由电子的氧化反应称为阳极反应);
自由电子传递到阴极(接受电子的还原反应称为阴极反应);
电子再由阴极传递到溶液中被其它物质吸收。
因此腐蚀是一个发生在金属和溶液界面上的多相界面反应,同时也是一个多步骤的反应。
由以上叙述中可以看出,一个腐蚀过程至少由一个阳极(氧化)反应和一个阴极(还原)反应组成。
碳钢在冷却水中的的腐蚀是一个电化学过程。
由于碳钢组织表面的不均一性,因此,当它浸入水中时,在其表面就会形成许多微小的腐蚀电池。
阳极区域Fe不断失去电子,变成Fe2+进入溶液,也即铁不断被溶解腐蚀,留下的电子,通过金属本体移动到阴极渗碳体的表面,与水和溶解在水中的O2起反应生成OH-离子。
在水中,阴、阳极反应生成的Fe2+溶与OH-即生成不溶性的白色的Fe(OH)2堆积在阴极部位,铁的表面不再和水直接接触,这就抑制了阳极过程的进行。
担当水中有溶解氧时,阴极部位的反应还要进行下去,因Fe(OH)2极(Fe2O3)这种物质极易被氧化为Fe(OH)3,即铁锈。
由于铁锈基本不溶于水,所以只要水中不断有O2溶入,这种腐蚀电池的共轭反应就不断进行。
换言之,也就是碳钢的腐蚀会不断地进行下去。
4.2循环冷却水中腐蚀的影响因素
①PH值:
如该金属氧化物溶于酸性水溶液而不溶于碱性水溶液(镍、铁、镁等),则该金属PH↘,腐蚀率↘;
如氧化物即溶于碱性又溶于酸性水溶液,则为两性金属(铝、锌、铅等),则PH居中最好。
②阴离子:
水中不同的阴离子在增加金属腐蚀速度方面有以下顺序:
NO3-﹤CH3COO-﹤SO42-﹤CL-﹤CLO4-,而CL-等活性离子能破坏碳钢、不锈钢和铝等金属或合金表面钝化。
铬酸根、亚硝酸根、硅酸根和磷酸根则对钢有缓蚀作用。
③络合剂:
如NH3、CN-、EDTA和ATMP等
④硬度:
垢下腐蚀。
⑤金属离子:
Cu、Ag等有害,Zn可以缓蚀等。
⑥溶解气体:
O2、SO2、CO2、NH3、H2S、CL2含量增加,则加速腐蚀。
⑦悬浮固体:
生成沉积物,引起垢下腐蚀。
⑧温度流速:
越高则腐蚀增加。
4.3循环冷却水腐蚀的抑制
控制腐蚀的途径有三种:
①除去水中会引起腐蚀的成分;
②在金属表面造成保护膜;
③采用阳极保护。
循环水中,主要是用投加缓蚀剂形成保护膜的方法来控制腐蚀,也有用涂料覆盖的办法来隔绝金属与水的直接接触来控制腐蚀的。
4.3.1投加缓蚀剂
缓蚀剂是抑制不稳定水腐蚀过程的药剂。
可分为有机和无机两大类。
根据缓蚀剂成膜的类型可以将其分为:
氧化膜型缓蚀剂、沉淀膜型缓蚀剂、吸附膜型缓蚀剂。
根据缓蚀剂对电化学腐蚀的控制部位不同可分为:
阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂和混合型缓蚀剂。
阳极缓蚀剂的作用是在阳极与金属离子作用,生成氧化物或氢氧化物,沉积覆盖在阳极上形成保护膜。
有时还降低阳极金属的电极电位,这样就抑制了金属向水中的溶解。
阴极缓蚀剂是抑制原电池阴极反应的化学药剂。
阴极缓蚀剂通常用的较多有聚磷酸盐和锌盐。
聚磷酸盐作为缓蚀剂,其作用是与水中阳离子(Ca2+、Fe2+)络合形成带正电的胶体,胶体颗粒向阴极沉积成膜,随着膜的增厚阴极释放电子的反应被阻止。
锌盐作为缓蚀剂,它在阴极部位产生Zn(OH)2沉淀,起保护膜作用。
混合型缓蚀剂,既能在阳极成膜,也能在阴极成膜,其成膜作用是靠极性基团的吸附。
当缓蚀剂在阳极部位形成致密保护膜,以致金属离子不同志溶解于水(即不再起阳极作用)时,这种缓蚀剂又叫钝化剂。
把两种以上的缓蚀剂组合成复合剂使用,往往起到增效作用,因此目前很少采用单一缓蚀剂。
4.3.2防腐蚀涂料覆盖法
这种方法是在碳钢换热器的传热表面上涂上防腐涂料,形成一层连续的牢固附着的薄膜,使金属与冷却水隔绝,避免受到腐蚀。
涂料的品种很多,与一般的金属防腐涂料相比,冷却水防腐涂料应满足以下要求。
①有良好的屏蔽作性和化学稳定性。
由于冷却水防腐涂料长期浸泡在水中,这就要求它在冷却水中的化学性能稳定,能够阻止水分子、溶解氧和其它腐蚀性物质透过涂层与碳钢基体接触而发生腐蚀。
②与基体金属有良好的结合力,不易脱落。
冷却水防腐涂料若有脱落将使碳钢换热器的金属表面暴露在水中而被腐蚀。
同时,脱落下的涂层碎片也可能堵塞冷却水的管道而影响换热。
③涂覆后不应显著地降低换热器的换热效率。
④能防止微生物的附着和微生物的破坏。
⑤能耐受较高的温度而不被破坏。
冷却水防腐涂料的主要成分有:
基料、防腐颜料、填料、溶剂以及其它涂料助剂。
5循环冷却水系统中的沉积物及其控制
5.1沉积物分类
循环冷却水系统在运行过程中,会有各种物质沉积在换热器的传热管表面。
这些物质统称为沉积物。
它们主要是由水垢(scale)、淤泥(sludge)、腐蚀产物(corrosionproducts)和生物沉积物(biologicaldeposits)构成。
通常人们把淤泥、腐蚀产物和生物沉积物统称为污泥(fouling)。
各类沉积物的组成大致如下:
1、水垢 又称硬垢或无机垢。
为补充水中带入的确难溶或微溶盐在案循环水中条件变化时所形成的垢。
常见的有碳酸盐、碳酸钙或磷灰石、硫酸钙、氢氧化镁、硅酸镁等。
2、污泥 相对水垢而言较疏松,又称软垢。
常含有泥渣、粉尘、砂粒、腐蚀产物、天然有机物、微生物菌落和分泌物、氧化铝、磷酸铝、磷酸铁、一般碎屑等。
3、淤泥 以泥砂为主的软垢。
4、粘泥 又称生物沉积。
由微生物及其分泌物和残骸组成,具有滑腻感的胶状粘泥或粘液。
5、腐蚀产物 由于设备腐蚀而产生的金属氧化物,主要为氧化铁、氧化铜等。
5.1.1沉积物来源
1、来自补充水 未经预处理或处理不量的补充水会使泥砂、悬浮物、微生物带入系统,即使澄清、过虑、消毒良好的补充水也会有一定浑浊度并带有少量的微生物。
澄清过程中还可能将混凝剂的水解产物,铝或铁离子,留在补充水中。
另外,不管是否经过预处理,补充水中的溶解盐都会带入循环水系统。
2、来自空气 泥砂、粉尘、微生物及其孢子苔随空气带入循环系统。
有时侯昆虫(如甲壳虫)也会大量带入系统,引起换热器堵塞。
当冷却塔周围环境受到污染时,硫化氢、二氧化硫、氨等腐蚀性气体有可能随空气进入循环水中造成沉积。
3、来自工艺介质泄漏 换热器泄漏,特别是漏油或某些有机物导致污泥沉积。
4、来自化学处理药剂 如在循环水中加锌盐或聚磷酸盐缓蚀剂,则有结锌垢或磷酸盐垢的可能性。
5、来自系统腐蚀所形成的腐蚀产物。
5.2水垢的控制技术
5.2.1循环冷却水结垢的成因
在循环冷却水系统中,水垢是由过饱和的水溶性组分形成的。
水中溶解有各种盐类,如碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等,其中以溶解的碳酸氢盐如Ca(HCO)3、Mg(HCO)3最不稳定,极易分解生成碳酸盐。
因此,当冷却水中溶解的碳酸氢盐较多时,水流通过换热器表面,特别是温度较高的表面,就会受热分解,其反应式如下:
Ca(HCO)2=CaCO3+H2O+CO2
(3-1)
当循环水通过冷却塔,溶解在水中的CO2会逸出,水的PH值升高,此时,碳酸氢盐在碱性条件下也会发生如下反应:
Ca(HCO)2+2OH
=CaCO3+2H2O+CO2
(3-2)
如水中溶有适量的磷酸盐与钙离子时,也将产生磷酸盐的沉淀。
上述一系列反应生成的Ca(CO)3和Ca(PO4)2等均属难溶性盐。
它们的溶解度比起Ca(HCO)3来要小得多。
同时,它们的溶解度与一般的盐类还不同,其溶解度不是随着温度的升高而加大,而是随着温度的升高而降低。
因此,在换热器传热表面上,这些难溶性盐很容易达到过多饱和状态而从中结晶析出,尤其当水流速度小或传热面较粗糙时,这些结晶沉淀物就会沉积在传热器表面上,形成了通常所说的水垢。
由于这些水垢结晶致密,比较坚硬,又称之为硬垢。
常见的水垢成份为:
碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、镁盐、硅酸盐。
准确判断水质的结垢或腐蚀程度应该根据各种试验结果。
在试验之前往往称根据水质及某些运行条件进行计算,作出对结垢或腐蚀倾向的初步判断,以便考虑试验方案。
目前的计算方法都是根据水中某种盐类的溶解平衡关系提出的,也就是说水中某种盐达到能够析出的数量,即有结水垢的倾向。
如果该盐类在水中能全部溶解,则在金属表面上完全没有水垢作保护层,即有腐蚀倾向。
循环冷却水中最易成垢的是碳酸钙,如使用磷系配方的常有磷酸钙垢,某些水质还可能产生硫酸钙、硅酸镁等到水垢,故常以这几种盐类分别判断结垢或腐蚀倾向。
通常以经验饱和指数来判断碳酸盐的结垢倾向,即根据循环水中氢离子浓度与达到平衡时的氢离子浓度的比较,来判断循环水中是否达到平衡,也就是饱和指数:
IL=PH0—PHS(3-3)
式中:
IL——饱和指数;
PH0——循环冷却水在实际使用温度下的实际PH值;
PHS——在循环冷却水使用温度下,式(3-3)达到平衡时的PH值;
IL=0时,Ca(CO)3刚好达到饱和,此时水不会产生水垢,也不会发生腐蚀;
IL>
0时,水中Ca(CO)3处于过饱和状态有析出水垢的倾向;
IL<
0时,Ca(CO)3未饱和,有过量的CO2存在,会出现消溶循环水系统中水垢的倾向,即存在腐蚀的可能。
考虑控制水垢方案时,要结合循环水量大小、要求如何、药剂来源等,因地制宜地选择控制方案。
控制水垢析出的方法大致有以下几类:
5.2.2从冷却水中除去成垢的钙离子
冷却水中如无过量的PO43-或SiO2,则磷酸钙和硅酸钙是不容易生成的。
循环冷却水中最易生成的水垢是碳酸钙垢,因此谈到
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