Назначение и принцип действия ионообменных фильтров. Как
отмечено выше, для заполнения контуров ЯЭУ требуется вода высокой чистоты (общее солесодержание 0,5—1 мг/л, содержание хлоридов —не более 0,02 мг/л). Эта вода приготавливается на борту судна из забортной путем дистилляции в испарительных установках с последующей фильтрацией в ионообменных фильтрах. В испарительных установках стремятся достигнуть достаточно глубокого обессоливания воды (до 0,5—1 мг/л), что позволяет экономить дорогостоящие ионообменные смолы.
Вследствие возрастания концентраций примесей в контурах в процессе работы ЯЭУ для поддержания заданного водного режима проводится постоянная очистка теплоносителя. Из-за невозможности установки фильтров на полный расход теплоносителя их обычно монтируют на байпасной линии, через которую прокачивается до 2% общего расхода.
Нагрузка на фильтры в основном определяется скоростью общей коррозии поверхностей контура, которая зависит от свойств материалов, чистоты воды, значения pH, времени работы контура и других факторов. Аустенитные нержавеющие стали дают в сутки от 25 до 800 мп продуктов коррозии с 1м2. поверхности [33].
Часть образующихся примесей растворима в воде, т. е. находится в ней в ионно-дисперсной фазе, и поэтому обычными механическими фильтрами удалена быть не может. Для удаления растворенных в воде примесей используются ионообменные фильтры, в которых вода очищается в результате пропускания через ионообменные смолы.
Ионообменными веществами (ионитами) называются такие материалы, которые могут поглощать из растворов электролитов (солей, кислот и щелочей) положительные или отрицательные ионы (катионы или анионы), выделяя в раствор взамен поглощенных эквивалентное количество других ионов, имеющих заряд того же знака. Ионообменными свойствами обладают многие природные вещества, однако практическое применение находят только искусственные (синтетические) ионообменные смолы, представляющие собой высокомолекулярные соединения с очень большой молекулярной массой и обладающие чрезвычайно развитой поверхностью вследствие многочисленных пор и каналов. На поверхности пор и каналов закреплены активные группы, которые при погружении в воду диссоциируют и превращаются в совокупность положительных или отрицательных поливалентных ионов, окруженных ионами противоположного знака — обменными ионами.
По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на аниониты и катиониты. Название смолы определяется наименованием обменных ионов, например Н-катионит, Li-катионит, Na- катионит, МН4-катионит, ОН-анионит и др. Катиониты проявляют кислотные свойства, аниониты — основные. Если иониты способны обменивать и катионы, и анионы, их называют амфотерными.
Процесс обмена ионами происходит, если в водном растворе имеются ионы, способные вытеснить обменные ионы из ионита и занять в нем их места. Например, водородные ионы могут быть вытеснены из Н-катионита катионами Na+, NH4+, К+, Mg2+, Са2+ Гидроксильная группа ОН из ОН-анионита вытесняется анионами NO3-, CI“, SO42-. В судовых ЯЭУ, как правило, находят применение Н-катиониты, ЫН4-катиониты (аммоний-катиониты) и ОН- аниониты. .
Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, которая характеризуется так называемой обменной емкостью. Статическая обменная емкость выражается максимальным числом ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионитов в условиях равновесия с раствором электролита в течение 24—48 ч. Динамическая (рабочая) обменная емкость выражается максимальным числом ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита в условиях фильтрации раствора при прокачивании с предельной скоростью через слой ионитов до проскоков ионов в фильтрат. Динамическая обменная емкость всегда меньше статической, ее значения для большинства ионитов лежат в пределах 2—10 мг-экв/г.
Рабочая емкость ионитов уменьшается с увеличением скорости фильтрования. После исчерпания рабочей емкости производится регенерация истощенного ионита.
Кроме высокой обменной емкости к ионитам предъявляют требования механической прочности (главным образом на истирание), термической и химической стойкости и ограниченного набухания.
При водород-катионировании обменным ионом является катион водорода Н+. Обозначая для удобства Н-катионит H+R-, процесс Н-катионирования представим следующими реакциями:
Из этих реакций видно, что при Н-катионировании щелочность обрабатываемой воды полностью удаляется, вследствие чего снижается ее сухой остаток. Соли кальция, магния, натрия и других катионов переходят в свободные кислоты, поскольку все катионы заменяются катионом водорода. Поэтому Н-катионированная вода является кислой и непригодной для использования в ЯЭУ. В связи с этим Н-катионирование в системе водоподготовки и водоочистки применяется в сочетании с другими процессами. Достоинством Н-катионировайия является то, что оно позволяет снижать щелочность исходной воды.
При аммоний-катионировании катионы металлов в воде заменяются катионами аммония NH4+. Это может быть представлено следующими реакциями:
Таким образом, в умягченной воде присутствуют главным образом соли аммония, которые при высокой температуре распадаются с образованием газообразного аммиака и кислот:
Поэтому аммоний-катионированная вода является потенциально кислой. Процесс МН4-катионирования применяется для умягчения воды и снижения ее щелочности в сочетании с процессами, приводящими к нейтрализации кислот щелочными соединениями (например, в сочетании с Н -катионированием).
Обессоливание воды по методу ионного обмена наряду с рассмотренными процессами катионирования связано с использованием ОН-анионирования. Анионирование наиболее эффективно происходит в кислой среде, когда в воде присутствуют только ионы водорода. Поэтому для достижения глубокого удаления анионов обрабатываемую воду обычно вначале фильтруют через Н-катионит, а затем через анионит, где анион кислот замещается обменным анионом:
В результате ОН-анионирования происходит почти полное удаление из воды анионов сильных и слабых кислот и образование слабо диссоциирующей воды. Благодаря этому приведенные реакции необратимы и идут в одну сторону. Это — важное свойство процесса анионирования, отличающего его от процесса катионирования.
Из рассмотрения ионообменных процессов следует, что для химического обессолив а ния воду необходимо подвергнуть вначале катионированию, а затем анионированию; именно по такому принципу, как правило, строятся системы очистки воды первого и второго контуров ЯЭУ (рис. 6.4 и 6.5), При этом возможно использование либо последовательно включенных катионитового и анионитового фильтров (рис. 6.4), либо применение в фильтрах смешанной загрузки из равномерно перемешанных анионита и катионита (рис. 6.5).
Рис. 6.4. Принципиальная схема системы очистки первого контура:
1 — реактор; 2 —ПГ; 3 — циркуляционный насос; 4 — механический фильтр; 5 — ионообменный фильтр; 6 — охладитель воды; 7 — катионитовый фильтр; 8— ОН-аииоиитовый фильтр; 5 — подпиточная емкость; 10 — компенсатор объема
Рис. 6.5. Принципиальная схема системы очистки второго контура:
1 —ПГ; 2 — турбина; 3 — конденсатор; 4 — конденсатный насос; 5 —деаэратор; 6. 7 — бустерно-питательный насос; 8 — механический фильтр; 9— катионитовый фильтр; 10+- ОН* внионитовый фильтр
Система очистки включает в себя также механические фильтры, предназначенные для удаления взвешенных частиц. Нормальная длительная работа ионообменных смол возможна при температурах не более 60 °С, поэтому обязательным элементом системы очистки является специальный холодильник, в котором теплоноситель предварительно охлаждается.
Отбор теплоносителя первого контура и питательной воды второго контура в систему очистки проводится из напорной линии насосов, а возврат — во всасывающую линию (рис. 6.4 и 6.5). Поэтому система очистки не имеет своих насосов и расход воды через нее обеспечивается перепадом давления между выбранными точками контуров.
Ионообменные смолы с течением времени слеживаются, уплотняются, что приводит к росту гидравлического сопротивления и ухудшению их кинетических свойств. Поэтому слежавшиеся с течением времени сорбенты должны периодически взрыхляться, что осуществляется обратным током воды через фильтр.
После исчерпания обменной емкости ионитов они теряют способность к поглощению ионов из обрабатываемой воды. Для восстановления рабочей обменной емкости необходимо удержанные смолой ионы удалить из нее и заменить исходным обменным ионом. Регенерация ионитов проводится фильтрованием через них растворов специальных реагентов, подбираемых отдельно для каждого типа смолы. Смешанная загрузка требует перед регенерацией предварительного разделения.
Обескислороживание воды.
Как показано в § 6.3, условия ограничения интенсивности коррозионных процессов определяют жесткие требования к кислородосодержанию воды первого и второго контуров ЯЭУ, которое не должно превосходить 0,02 мг/л. В то же время в воде, находящейся в открытых емкостях при атмосферном давлении, содержится 6—10 мг/л растворенного кислорода. Удаление кислорода из воды может проводиться химическим или термическим способом.
Термический способ основан на уменьшении растворимости в воде газов с понижением их парциальных давлений в пространстве над водой, для чего ее доводят до температуры кипения при данном давлении. При этом кроме кислорода из воды выделяются и другие газы, поэтому термический процесс удаления растворенных газов называется деаэрацией.
Рис. 6.6. Конструкционная схема деаэратора смесительного типа: 1 - деаэрационная колонка; 2 — бак-аккумулятор; 3 — перфорированные тарелки; 4 — охладитель выпара
Химическое обескислороживание воды реагентным способом основано на связывании растворенного в ней кислорода веществами, способными вступать с ним в интенсивное химическое взаимодействие в условиях водного раствора, .
Деаэрация воды осуществляется в аппаратах, называемых деаэраторами. В зависимости от давления в аппарате различают вакуумные деаэраторы
, атмосферные [р= (1,2ч-1,7) * 10+5 Па] и повышенного давления [р=(1,7--7)Х 10+5 Па].
Кроме классификации по рабочему давлению деаэраторы принято также подразделять по способу разделения деаэрируемой воды в паре на струйные, капельные и пленочные.
На рис. 6.6 представлена схема атмосферного деаэратора смешивающего типа. Он состоит из деаэрационной колонки 1 и бака-аккумулятора 5, служащего емкостью для деаэрированной воды. В колонке размещаются тарелки 3, в плоском днище которых имеются отверстия, сквозь которые вода вытекает в виде струек и падает с первой тарелки на вторую, со второй на третью и т. д. В пространстве между тарелками тонкие струйки воды образуют равномерную дождевую завесу. Греющий пар подается в нижнюю часть колонки и, постепенно поднимаясь вверх, пересекает струи, падающие с тарелок Выделяющиеся из воды газы вместе с неоконденсировавшимся паром удаляются из колонки через охладитель выпара 4, в котором пар конденсируется, отдавая тепло поступающей в деаэратор воде, и далее направляется в дренажный бак.
Для более глубокого удаления газов применяют продувание воды в баке-аккумуляторе паром, получившее название барботажной деаэрации. Интенсивно перемешивая воду и поддерживая ее в состоянии кипения, барботаж способствует более полному удалению растворенных в ней газов.
Эффективным вакуумным деаэратором в ЯЭУ являются конденсаторы турбин, которые способны понизить кислородосодержание конденсата до 0,1—0,015 мг/л. При использовании в конструкциях конденсаторов специальных барботажных устройств кислородосодержание может быть снижено до 0,05 мг/л. Дальнейшее снижение кислородосодержания питательной воды до 0,02 мг/л осуществляется в выносных деаэраторах.
При пуске, а также в период бездействия установки, когда нет пара, необходимого для работы деаэраторов, обескислороживание воды проводится химическим способом. К числу реагентов, используемых для химического обескислороживания, относятся сульфит натрия Na2SO3 и гидразин N2H4. Вследствие того что сульфатирование увеличивает сухой остаток питательной воды примерно на 12 мг на 1 мг растворенного кислорода, в судовых ЯЭУ этот процесс не нашел практического применения.
Гидразин выпускается в виде гидразингидрата N2H2-H20 и гидразинсульфата N2H4*H2SO4. В судовых ЯЭУ применяется гидразингидрат, представляющий собой бесцветную токсичную жидкость, обладающую слабощелочными свойствами. Гидразин связывает растворенный в воде кцслород по реакции
которая идет с заметной скоростью только при температурах, больших 100 °С. Скорость реакции повышается также с увеличением значения pH: при рН»9 и температуре около 110°С для полного связывания О2 требуется около 2—3 с, а при комнатной температуре — около 3 ч.
Для подавления кислорода, образующегося в результате радиолиза воды в первом контуре, иногда проводится специальная водородная подпитка теплоносителя. Под влиянием у-излучения при высоких давлениях водород и кислород рекомбинируют с образованием воды. Полное связывание кислорода достигается при избытке водорода около 10 мг/л [37].
