Установки умягчения

Умягчение воды — это метод ионного обмена который основан на замене катионов жёсткости, а именно солей кальция (Са²⁺) и магния (Mg²⁺), на ионы натрия (Nа⁺), который не образует накипь на нагревающихся поверхностях и не вредит здоровью человека при допустимой концентрации. Самым распространённым методом ионного обмена является натрий-катионирование, по причине того, что при регенерации фильтрующего материала (смолы) используется недорогая и общедоступная поваренная соль (NaCl). Наибольшее применение фильтры для умягчения воды нашли в хозяйственно-питьевом водоснабжении и в системах химводоочистки (химводоподготовки) для водогрейных и паровых котельных.

Натрий-катионирование показало себя наиболее оптимальным решением ввиду своей простоты монтажа и эксплуатации в тоже время сохраняя не высокую стоимость капитальных и эксплуатационных затрат.

Принцип работы системы умягчения воды

При подборе системы для умягчения воды основными параметрами являются производительность, качество очищенной воды, обменная емкость (периодичность регенерации) и её режим работы.

Производительность и качество умягченной воды
В установках с прямоточной технологией регенерации эти два параметра плотно связаны между собой, для получения стабильного качества умягченной воды необходимо соблюдать установленную скорость фильтрации. Так например при превышении нормы скорости фильтрации ионный обмен не будет успевать происходить в полной мере, вследствие чего будет наблюдаться «проскок жесткости». Обратный случай тоже будет являться отклонением, при скорости менее 1,0 м/ч будет наблюдаться неравномерное распространение сырой воды по диаметру фильтра, что исключает использования катионита находящегося по краям корпуса в качестве рабочего слоя, и как следствие перерасхода соли и неравномерности использования фильтрующего материала. Производительность катионитового фильтра определяется по формуле:

V = ʋ * (πr²)  

       где:        V – Объём получаемой умягченной воды, м³/ч;
                      ʋ – Скорость фильтрации (принимается в диапазоне от 5,0 до 40,0 м/ч);
                      r – Радиус окружности корпуса фильтра.

При наиболее распространенном одноступенчатом умягчении жесткость чистой воды составит 0,1 мг-экв/литр при скорости фильтрации < 20,0 м/ч. Такой уровень жесткости прекрасно подходит для использования в водогрейных котлах, системах отопления и горячего водоснабжения, и не удобен в хозяйственно-бытовом водоснабжении. При умягчении воды для хозяйственно-питьевых нужд обрабатывают лишь ее некоторую часть с последующим смешением с исходной водой, при этом количество умягчаемой воды Q_y в процентном соотношение от объёма исходной воды определяется по формуле:

       где:        Q_y – Объём умягчаемой воды, %;
                      Ж_исх. – Значение жесткости исходной воды;
                      Ж_треб. – Требуемое значение жесткости поступающей в сеть;
                      Ж_умяг. – Жесткость умягченной воды;

Отдельные виды производств к технологической воде предъявляют требования глубокого умягчения, т. е. до 0,05 ... 0,01 мг-экв/л, например при водоподготовке для паровой котельной. Для получения глубоко умягченной воды требуется установка дополнительной ступени натрий-катионирования, которая по технологической схеме монтируется последовательно, после первой ступени, и может быть как периодического так и непрерывного действия. Так как вторая ступень предназначена для финишного умягчения воды то скорость фильтрации можно принимать до 40,0 м/ч, а периодичность промывки фильтров составляет около двух недель.

Ионообменная емкость фильтра
Вода попадая в фильтр двигается сверху вниз через слой сильнокислотного катионита (ионообменной смолы) за счёт которого происходит умягчение воды, заканчивающееся на некоторой глубине. Слой ионообменной смолы, умягчающий воду, называется рабочим слоем или зоной умягчения. При дальнейшем прохождении воды верхний слой смолы истощается и теряет свою ионообменную способность. В процесс ионного обмена вступают следующие по ходу движения воды, нижние слои смолы и зона умягчения постепенно опускается. По прошествию времени наблюдаются три зоны: истощённого, работающего и свежего катионита. При соблюдении установленной скорости фильтрации жесткость очищенной воды остаётся постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с последним нижним слоем катионита. В момент их совмещения начинает наблюдаться «проскок» катионов Са²⁺ и Mg²⁺ и увеличение остаточной жесткости, пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита. После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать.

Для регенерации смолы используется поваренная соль (NaCl), таблетированная - в частных и коммерческих системах, сыпучая (для которой требуется специальное солевое хозяйство) - в больших котельных и промышленном применении. Для регенерации свойств ионообменной смолы требуется от 70 до 150 грамм соли / 1 литр смолы на одну регенерацию. Для полного восстановления свойств (обменной емкости) требуется 150 грамм/литр, однако это существенно увеличивает эксплуатационные расходы, так как часть солевого раствора уходит в дренаж не отработав. Оптимальной концентрацией считается расход соли в 120 грамм/литр, являющийся серединой между эффективностью регенерации и эксплуатационными расходами. Кроме этого при расчётах учитывается предел растворения соли равный 300 грамм / литр воды, такую концентрацию имеет готовый солевой раствор в реагентном баке.

Устройство установки умягчения воды

Система умягчения воды состоит из одного или нескольких натрий катионитовых фильтров. Два и более корпуса фильтра устанавливаются при необходимости обеспечения непрерывной работы системы. Например, установки серии TWIN предполагают собой два корпуса фильтра и один общий блок управления. При такой конфигурации осуществляется режим по типу "качели", при котором одна колонна находится в рабочем режиме а вторая в режиме ожидания. При выработке ресурса ионообменной смолы одного фильтра клапан переключает подачу воды через вторую колонну, одновременно переводя первую в режим промывки а затем режим ожидания.

Модельный ряд стандартных установок

Модельный ряд систем умягчения воды очень широк ввиду многообразия их применения, необходимой производительности, ионообменной емкости и режима работы (с остановкой на промывку и непрерывный). Серийно выпускаются установки FORWATEC типа SINGLE, TWIN, DUPLEX, и TRIPLEX.