Пульсационная сорбционная колонна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пульсационная сорбционная колонна

Введение

В настоящее время разработано большое количество ионообменных аппаратов, различающихся по принципу устройства и действия. Рассматривая все многообразие аппаратов, применяемых в процессах ионообменной сорбции, можно сделать вывод о том, что в них протекают определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые, диффузионные), с помощью которых создаются оптимальные условия для осуществления собственно ионного обмена (ионообменной реакции).

Ионообменный аппарат содержит типовые конструкционные элементы (перемешивающие и контактные устройства, распределительные и передаточные узлы, приспособления для загрузки и выгрузки взаимодействующих фаз и т.д.), широко применяемые в аппаратах других типов для проведения различных физических процессов химической технологии. В этой связи все ионообменные аппарата можно рассматривать как аппараты комплексные, состоящие из известных конструктивных элементов, большинство из которых используется отдельно для проведения технологических операций, не сопровождающихся реакцией ионного обмена. Количество таких конструктивных сочетаний, а значит и типов аппаратов, очень велико, что объясняется многообразием и сложностью протекающих в них ионообменных процессов. Однако для всех ионообменных аппаратов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата, основными закономерностями и особенностями протекающего в нем процесса ионного обмена.

1. Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химических технологий» и их приложение к конкретному материальному, конструктивному и механическому расчету пульсационной сорбционной колонны типа ПСК-С.

2. Данные для расчета

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные

Производительность по исходному раствору	75 м3/ч
Начальная концентрация урана	35 мг/дм3
Степень извлечения,	98 %
Ионит	АМП
Насыпная плотность ионита	1200 кг/м3
Полная емкость	40-42 г/кг (20-22 г/л)

3. Материальный расчет

Целью материального расчета является определение материальных потоков и составление материального баланса.

Уравнение материального баланса процесса по поглощаемому иону имеет вид:

Gр(x0 - xкон) = Gсмолы(араб-а0)

где Gр - объемная производительность по раствору, м3/ч;

Gсмолы - требуемое количество ионита, т/ч;

х0, xкон -концентрация поглощаемого иона в исходном растворе и в обедненном, кг/м3;

араб - рабочая емкость ионита, кг/т;

а0 - емкость ионита после его регенерации.

Число теоретических ступеней было определено по изотерме сорбции, построенной по данным представленным в таблице 2.

Таблица 2. Данные для построения изотермы

СU в растворе, г/л	0,005	0,01	0,015	0,02	0,025	0,035	0,052
Емкость анионита по U, кг/м3	2,9	8,3	10,4	12,8	15,5	19,8	27,1

Изотерма сорбции урана из сернокислых растворов ионитом АМП, представлена на рисунке 1.



Рисунок 1. Изотерма сорбции урана

Найдем конечную концентрацию урана в растворе через степень поглощения ц=98 %:

Отсюда

хк = хн(1-ц) = 35·(1-0,98) = 0,7 мг/дм3.

Расход ионита определяем из выражения (1):

.

Емкость анионита АМП по урану в соответствии с изотермой сорбции составляет 10 г/кг при заданной концентрации. При степени регенерации урана, равной 98 % получим

арег = 10 - 10·0,98 = 0,2 г/кг.

Количество анионита в потоке будет равно:

кг/ч

При насыпной плотности с = 1200 кг/м3, объем смолы составит

м3/ч.

Массовый расход урана, поступающего на сорбцию:

=Vр-рахн = 75·35 = 2625 = 2,625 кг/ч.

Масса урана в анионите:

=Vр-раyк = 75·34,3 = 2572,5 = 2,5725 кг/ч,

где ук=0,98·хн=0,98·35=34,3.

Масса анионита АМП с адсорбированным на нем ураном:

m = Gсмолы + = 262,5 + 2,5725 = 265,0725 кг/ч.

Масса урана в обедненном растворе:

 =Vр-рахк = 75·0,7 = 52,5 г/ч = 0,0525 кг/ч.

Масса урана в десорбате при заданной степени десорбции =98% (принимают =97-98 %):

=mU = 0,98·2,5725 = 2,52105 кг/ч.

Составим материальный баланс по процессу сорбции (таблица 3).

механический колонна сорбционный

Таблица 3. Материальный баланс по урану процесса сорбции

Приход	Расход
Статьи прихода	кг/ч	%	Статьи расхода	кг/ч	%
1 Масса урана в исходном растворе 2 Масса анионита	2,625 262,5		1 Масса урана в обедненном растворе 2 Масса анионита с ураном	0,0525 265,0725
Итого:	265,125	100	Итого:	265,125	100

4. Конструктивный расчет аппарата

Целью конструктивного расчета является определение основных размеров аппарата, диаметров штуцеров, расчет воздухоподающего устройства.

4.1 Определение основных размеров аппарата

Определим характеристическую скорость движения частиц по закону Стокса [11, c 93]:

,

где сион - плотность ионита, кг/м3;

ср - плотность раствора, кг/м3;

dr - средний диаметр частиц ионита, по рекомендации [4, таблица 26б], dr = 0,35ч1,25 мм. Принимаем dr = 0,8 мм;

мр - коэффициент динамической вязкости раствора (по опыту зарубежных заводов мр?0,46·10-3 Па·с).

Тогда

м/с.

Рассчитаем удельную нагрузку по раствору [12, c 178]

Wp = (0,6ч0,8)

Wp = 0,7·0,114=0,08 м3/(м2·ч).

Диаметр колонны находим по следующей формуле [4, c 198]:

;

м.

Таким образом, принимаем значение в соответствии с ГОСТ 21944-76 равное 1 м.

Высоту рабочей части колонны, в которой проводится массообменный процесс, находим по рекомендации [11, c 178]

Нр = ВЭТС·nт·Км,

где ВЭТС - высота эквивалентной теоретической ступени, принимаем ВЭТС = 1,8 м по рекомендации [4, c 213];

nт - число теоретических ступеней;

Км - коэффициент масштабного перехода (коэффициент моделирования эффективности), Км = 1,2 [4, c 213].

Для определения числа теоретических ступеней использовали изотерму сорбции, представленную на рисунке 1. В результате нами рассчитано необходимое число ступеней, равное 4.

Подставляя все значения в формулу (5), получаем

Нр = 1,8·4·1,2 = 8,64 м.

Принимаем значение равное 9 м.

Диаметр верхней и нижней отстойных зон, предназначенных для разделения смолы и раствора, а также предотвращения уноса мелких фракций ионита, определим по формуле [5, c 193]:

Dв. от = Dн. от = (1,5ч2,0)·1,0 = 1,75·1,0=1,75 ? 1,8 м.

Высоту верхней и нижней отстойных зон принимаем равным

Нв. от = Нн. от = (0,8ч1,2) Dв. от = 1,0·1,8= 1,8 м.

Определим общую высоту колонны

Нк = Нр + Нв. от + Нн. от = 9 + 1,8 + 1,8 = 12,6 м.

4.2 Расчет показателей рабочей зоны колонны

Определим время пребывания ионита в рабочей зоне колонны, учитывая, что применение тарелки Томской в аппарате позволяет провести процесс при ф = 6ч8 ч [7, c 21]. Выберем время нашего процесса фион =7 часов. Рассчитаем время пребывания ионита на 1 метре высоты колонны:

= = 0,777 часа.

Определим соотношение потоков фаз ионита и раствора:

n =

n = = 0,0039.

В интервале соотношений потоков 1,0?n?0,005 нагрузка захлебывания по раствору может быть рассчитана по эмпирическому уравнению:

303,8 м3/(м2·ч).

Рабочую нагрузку по раствору рассчитаем по следующей формуле [5, c 175]:

Wp н = (0,7ч0,8)Wn з = 0,75·303,8 = 227,8 м3/(м2·ч).

Тогда рабочая нагрузка колонны по иониту будет равна [8, c 44]:

n =, (8)

Wион = nWр. н = 0,0039·227,8 = 0,89 м3/(м2·ч).

При расчете сорбционных аппаратов нередко пользуются понятием кажущейся задержки ?, т.е доли объема рабочей части аппарата, занятой сорбентом. в этом случае за объем сорбента принимают весь объем стационарного слоя сорбента, включая раствор, находящийся между зонами.

Задержку ионита в колонне рассчитаем по формуле [4, c 205]:

? = фсорWион = 0,777·0,89=0,69 м. (9)

Определим время пребывания раствора на 1 метре высоты колонны:

фР = = 0,001 часа (10)

Общее время пребывания раствора в рабочей части колонны:

фР.общ = фРНр = 0,001·9 = 0,009 часа. (11)

Определим площадь поперечного сечения колонны [11, c 178]:

Sk = = 0,785 м2. (12)

Рассчитаем объем рабочей зоны колонны [11, c 178]:

Vk = = 0,785·9 = 7,065 м3 (13)

Определим объем ионита в рабочей зоне колонны [11, c 168]:

Vион = ?Vk = 0,69·7,065 = 4,87 м3 (14)

Определим объем раствора в колонне с учетом одновременного нахождения с ионитом:

Vp = Vk - Vион = 7,065 - 4,87 = 2,195 м3 (15)

4.3 Расчет тарелки КРИМЗ

Тарелка представляет собой плоский диск с множеством прямоугольных отверстий. Соотношение сторон 1:2. По коротким сторонам расположены лопатки под углом б?30?, отверстия в тарелке занимают примерно 50% всей площади. Характеристика распределительной насадки КРИМЗ представлена в таблице 4 [5, c 52].

Таблица 4. Характеристика распределительной насадки КРИМЗ

Диаметр колонны, мм	Размер отверстий, мм	Угол наклона лопаток, град	Проходное сечение, %	Рас. между тарелками в колонне, мм
1000	40Ч80	20	24	100 - 200

Расстояние между тарелками принимаем, исходя из диаметра колонны по рекомендации [5, c 193]:

hT?(0,25ч0,3)Dк = 0,25·1,0 = 0,25 м. (16)

Рассчитаем количество тарелок [15, c 119]:

nт = = = 36 шт (17)

Принимаем nт =36 штук.

Определим эквивалентный диаметр отверстий [11, c 139]:

, (18)

где S0 - площадь отверстии, м2;

Р0 - периметр отверстия, м;

Должно выполняться условие ? 0,1Dк; 0,053 < 0,09 - условие выполняется.

Количество отверстий в массообменной тарелке определим по формуле:

Nотв =, (19)

где Fпр=0,5Sк - проходное сечение отверстий, м2;

Nотв = = 99,37 шт (20)

Принимаем Nотв = 100 штук.

Примечание: так как методики для расчета тарелки Томской не существует, поэтому мы можем воспользоваться расчетом тарелки КРИМЗ.

5. Механический расчет

Наибольшее распространение в химической промышленности получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала. Поэтому при конструировании аппаратов рекомендуется применять цилиндрические обечайки, если это не противоречит каким-либо дополнительным требованиям, предъявленным к аппаратам.

Расчет обечаек, работающих под наливом и при атмосферном давлении, сводится к определению толщины стенок, исходя из условий прочности их против гидростатического давления столба жидкости.

Исходя из того, что аппарат не обогревается, принимаем температуру стенки обечайки равной температуре воздуха в помещении, т.е. 20?С [13, c 14].

Определим гидростатическое давление раствора:

рр =, (21)

где ср =1050 кг/м3 - плотность исходного раствора;

Hж - высота столба жидкости в колонне, м. Здесь Hж = Hк = 12,6 м;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Тогда

рр =1050·9,8·12,6 = 129654 Па = 0,130 МПа.

Рассчитаем толщину стенки обечайки, нагруженной внутренним избыточным давление [15, c 103]:

, (22)

S?SR + c, (23)

где Dk - диаметр колонны, м;

[у] - допускаемое напряжение, принимаем по рекомендации [15, c 12];

цш - коэффициент прочности шва, принимаем по рекомендации [20, c 54];

с = с1 + с2 + с3 - расчетные прибавки.

Здесь с1 - прибавка на коррозию, равная 2 мм [15, c 15];

с2 + с3 = 0 - прибавка на эрозию и минусовой допуск, так как их суммарная величина не превышает 5% номинальной толщины листа [13, c 56].

Тогда

мм,

S = 0,45 + 2 = 2,45 мм.

Исходя из конструктивных соображений, принимаем толщину стенки S= 10 мм.

В качестве конструктивного материала колонны выберем сталь 10Х17Н13М2Т, устойчивую в растворах серной кислоты, ГОСТ - 14249-80. Продольный сварной шов обечайки делается ручной электродуговой сваркой стыковкой, односторонний [16, c 315].

Используя уравнения (22) и (23) рассчитаем толщину стенки обечайки верхнего и нижнего отстойников [14, c 8]. Подставив все известные величины, окончательно получаем:

 мм;

S=0,81 + 2 = 2,81 мм.

Принимаем толщину стенки S = 10 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление [p] для аппарата определяем по формуле [15, c.103]:

Тогда для рабочей части аппарата:

МПа.

Так как (2,3 ? 0,130 МПа), то прочность обеспечена.

Для верхней части аппарата и нижней части аппарата:

МПа.

Так как (1,3 ? 0,130 МПа), то прочность обеспечена.

Рассчитаем диаметр штуцера для подачи исходного и слива отработанного раствора по рекомендации [11, c 153]:

, (25)

где хр - скорость принудительной подачи исходного раствора, по рекомендации [11, c 153] принимаем хр= 0,3 м/с;

м.

Принимаем стандартный размер Dp=300 мм [15, c.175]

Рассчитаем диаметр штуцера для подачи и вывода ионита [11, c 153]:

, (26)

где хион - скорость подачи ионита в колонну, по рекомендации [11, c 153] принимаем хион= 0,3 м/с;

м.

Исходя из конструктивных соображений принимаем стандартный размер Dp=100 мм [15, c.175]

Определим диаметр аэрлифта [11, c 153]:

, (27)

где хсм - скорость движения газожидкостной эмульсии, принимаем хсм = 0,2 м/с.

Учитывая, что вместе с ионитом будет транспортироваться захваченная им пульпа в количестве не меньшим, чем объемный расход ионита, нагрузку по смеси рассчитаем по формуле:

Qсм = 2Qион = 2·0,22= 0,44 м3/ч.

м.

Исходя из конструктивных соображений принимаем стандартный размер Dp=100 мм [15, c.175]

Рисунок 2. Конструкция штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с соединительным выступом ОСТ 26-1404-76

Рисунок 3. Конструкция стального плоского приварного фланца с соединительным выступом по ГОСТ 1255-67

В таблице 5 представлены фланцы стальные плоские приварные с соединительным выступом по ГОСТ 1255-67 [15, c.214]

Таблица 5. Фланцы стальные плоские приварные с соединительным выступом по ГОСТ 1255-67

Ру, МПа	Размеры, мм	Число отверстий z	m, кг
	Dy	Dф	Dб	D1	D4	h	h0	d	dб
?0,25
	100	205	170	148	110	11	3	18	М16	4	2,14
	300	435	395	365	357	18	4	23	М20	12	10,5

Тип днища и крышки выберем по зависимости [15, c. 132]

0,002??0,1;

0,002<0,004<0,1.

Данная зависимость выполняется, следовательно, принимаем эллиптическое днище и крышку.

Днище приведено на рисунке 4.

Рисунок 4. Днище эллиптическое отбортованное

Толщину стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним избыточным давлением, рассчитаем по формуле [15, c 132]:

(28)

S=SR + c, (29)

где R =- радиус кривизны в вершине днища.

Для эллиптических днищ с Н = 0,25D

R = Dв.от = 1800 мм,

мм,

Sд= 0,81 + 2 = 2,81 мм.

Толщина днища (крышки) должна быть не менее толщины стенки сопрягаемой с ним обечайки, то принимаем Sд= 10 мм.

Выберем стандартное днище и крышку [15, c 117]: днище 1800-10 ГОСТ 6533-78 (таблица 6).

Таблица 6. Основные размеры эллиптического отбортованного днище

D, мм	Sд, мм	Нд, мм	hц, мм	Fд, м2	Vд, м3	m, кг
1800	10	450	40	3,74	0,8617	138

В соответствии с базовыми диаметрами верхнего и нижнего отстойников выбираем нормализованные фланцы для соединения крышки и днища с обечайками отстойных зон. Выберем стандартный фланец к корпусу [15, c 234] (таблица 7): фланец 1-1800-3-150 ОСТ 26-426-79.

Таблица 7. Основные размеры стального плоского приварного фланца

D, мм	Ру, МПа	Размеры, мм	Число отверстий Z	m, кг
		Dф	DБ	D1	h	S	d	dБ
1800	0,3	1930	1890	1848	40	10	23	М20	64	138

Для обеспечения лучшей герметичности и уменьшения необходимой для этого силы сжатия уплотняемых поверхностей выберем прокладку. Сжатие производится с помощью болтов, среда сернокислая. Следовательно, прокладка должна быть из кислотостойкого материала, подвергающегося сжатию. Таким материалом является фторопласт, следовательно, выберем прокладку из фторопласта [15, c 261].

Определим наружный диаметр прокладки [15, c 264]:

Dп = Dб - е, (30)

где Dб = 1,930 м - диаметр болтовой окружности [15, c 239];

е = 0,030 м - коэффициент, определяемый по рекомендации [15, таблица 13.27];

Dп = 1,930 - 0,030 = 1,9 м.

Рассчитаем средний диаметр прокладки [15, c 264]:

Dп.ср = Dп - bп, (31)

где bп = 0,012 м - ширина прокладки [15, c 262];

Dп.ср = 1,9-0,012= 1,888 м.

Определим эффективную ширину прокладки [15, c 264]:

bЕ = 0,5 bп = 0,5·0,012 = 0,006 м. (32)

Рассчитаем реакцию прокладки в рабочих условиях [15, c 270]:

(33)

где m = 2,5 - коэффициент, принимаемый по рекомендации [15, c 265];

Rп = 2·3,14·1,888·0,006·2,5·0,130 = 0,023 МПа.

После проведения расчетов примем плоскую прокладку из фторопласта-4 по ГОСТ 10007-72 толщиной 3 мм [15, c 265].

Определим диаметр пульсационной камеры по рекомендации [11, c 118]

Dп.к = 0,5 Dк = 0,5·1,0 = 0,5 м (34)

Рассчитаем высоту пульсационной камеры [11, c 126]:

Нп.к = 0,8 Dп.к. (35)

Тогда

Нп.к = 0,8·0,5 = 0,4 м.

Определим амплитуду пульсации в колонне [5, c 173]:

ак = (0,2ч0,8) hт = 0,8·0,25= 0,2 м. (36)

По рекомендации [8, c 173] принимаем частоту пульсации в колонне f = 60 мин-1.

Рассчитаем площадь поперечного сечения пульсационной камеры [11, c 118]:

м2 (37)

Определим амплитуду пульсации в пульсационной камере [11, c 118]:

м. (38)

Рассчитаем высоту воздушной подушки в пульсационной камере:

hп.к ? 4Ап.к = 4·0,785= 3,14 м. (39)

Определим объем воздуха, находящегося в пульсационной камере [11, c 118]:

м3. (40)

Определим высоту уровня жидкости в верхней отстойной зоне [11, c 119]:

Нж.в.от = (0,8ч1,2) Dв.от = 0,8·1,8 = 1,44 м. (41)

Нж.н.от = (0,6ч0,9) Dк = 0,7·1 = 0,7 м. (42)

Рассчитаем высоту статического перепада [11, c 119]:

Нст = Нж.н.от + Нк + Нж.в.от - Н - Ап.к, (43)

где Н - высота колена, определяемая по формуле:

Н = 0,8Dпк = 0,8·0,5=0,4 м; (44)

Нст = 0,7 + 12,6 + 1,44 - 0,4 - 0,785 = 13,55 м.

Определим длину пульсопровода [11, c 119]:

Lп.п = Нст + (3ч4) = 13,55+3,5=17,05 м. (45)

Рассчитаем объем пульсопровода:

Vп.п = Lп.пFп.п. (46)

Так как пульсация производится по трубопроводу с d = 0,05 м, то

м3.

Определим объем импульса [11, c 118]:

Vи = Vп.к + Vп.п + Vп, (47)

где Vп.к - объем пульсационной камеры, заполненной воздухом, который определяется по формуле:

.

В результате получим:

м

Vп = 0,004ч0,006 м3 - объем полости пульсатора [11, c 119];

Окончательно получаем:

Vи = 0,62 + 0,03 + 0,005 = 0,065 м3.

Рассчитаем расход воздуха, используемого на пульсацию [11, c 118]:

, (48)

где рс.в = (0,2ч0,3) МПа - давление сжатого воздуха, поступающего на пульсацию;

ратм = 0,1 МПа - атмосферное давление;

м3/ч.

Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.

Вертикальные аппараты обычно устанавливают или на стойках, когда их размещают внизу в помещении, или на подвесных лапах, когда аппарат размещают между перекрытиями в помещении или на специальных, стальных конструкциях.

Подбор проводим, учитывая, что нагрузка на опору:

Q = M?апg, (49)

где M?ап - масса аппарата.

Рассчитаем массу всего аппарата, если известно, что плотность стали сст=7800 кг/м3, плотность раствора ср=1050 кг/м3.

Объем обечайки верхнего (нижнего) отстойника определим по формуле:

Vот = рR2Hв.от, (50)

где R=- радиус основания, м;

Vот 1 = 3,14·9202·1800 = 47,8·108 мм3

Vот 2 =3,14·9002·1800 = 45,8·108 мм3

Vот =Vот 1 -Vот 2 = (47,8-45,8) ·108 = 2·108 мм3 = 0,2 м3.

Объем обечайки рабочей зоны рассчитаем по формуле

Vк1 = рR2Hр, (51)

Vк1 =3,14·5202·9000 = 76,4·108 мм3

Vк2 =3,14·5002·9000 = 70,6·108 мм3

Vк = Vк1 -Vк2 = (76,4-70,6) ·108 = 5,8·108 мм3 = 0,58 м3.

Определим объем аппарата

Vап = 2Vот + Vк = 2·0,2+0,58 = 0,98 м3

Тогда масса аппарата

Мап = Vапсст; (52)

Мап = 0,98·7800 = 7644 кг.

Масса жидкости в аппарате

Мж = Vапср; (53)

Мж= 0,98·1050 = 1029 кг.

Масса днища и крышки

Мд = 138+138 = 276 кг.

Масса фланцев

Мфл = 0,98·5+10,5·2+2,14+56 = 84,04 кг.

Рассчитаем массу тарелок по рекомендации [13, с 145], предварительно определив площадь одной тарелки

SТ = рr2 = 3,14·0,52 = 0,785 м2.

Тогда масса тарелки приближенно равна МТ = 7,85 кг.

Масса всех тарелок:

МТ = 7,85·36 = 282,6 кг.

Масса всего аппарата с жидкостью:

М?ап = Мап+Мж+Мд+Мфл+Мт;

М?ап = 7644+1029+276+84,04+282,6 = 9315,64 кг.

С учетом проведенных расчетов определим допускаемую нагрузку на опору:

Q= М?апg = 9315,64·9,8 = 91293,3 Н = 0,091 МН.

При данной нагрузке выбираем стандартные опоры для вертикальных аппаратов по ОСТ 26-467-78 [15, с 288] (таблица 8).

Таблица 8. Цилиндрическая опора с местными косынками по ОСТ 26-467-78

Приведенная нагрузка	Размеры, мм
1,6	D	s1	s2	s4	d	d1	Число болтов в ZБ
	1800	10	25	12,5	70	100
	d2	D1	D2	DБ	dБ	Н1
	42	2100	1700	1980	М36	700	16

Подбор проводим, учитывая, что допускаемая нагрузка на одну лапу:

=

С учетом проведенных расчетов определим допускаемую нагрузку на одну лапу

= = 30431,1 Н =30,4 кН.

При данной нагрузке выбираем стандартные лапы для вертикальных аппаратов по ОСТ 26-665-79 [15, с 275] (таблица 9).

Таблица 9. Опоры лапы для вертикальных аппаратов ОСТ 26-665-79

Подъем и перемещение аппаратов при монтаже и демонтаже, осуществляемые различными подъемно-транспортными средствами, производятся с помощью стропки аппаратов канатами, цепями или траверсами.

Для обеспечения надежности и безопасности стропки вертикальных аппаратов на них предусматривают специальные строповые устройства, за которые аппарат подвешивается к подъемно-транспортному средству: крюки, цапфы и монтажные штуцера, размещаемые на боковых стенках. Крюки, цапфы и монтажные штуцера устанавливают по два на вертикальном аппарате.

Подбор проводим, учитывая, что аппарат полностью залит раствором. Тогда допускаемую нагрузку на одну цапфу определим по формуле:

;

МН.

Значения размеров цапфы выбираем при нагрузке на одно строповое устройство Q = 0,046 МН [15, c 315].

Строповые устройства подбираем в соответствии с ГОСТ 13716-73 (таблица 10).

Таблица 10. Крюки сварные по ГОСТ 13716-73

3.1 Материальный расчет

3.1.1 Материальный баланс процесса сорбции

Целью материального расчета является определение материальных потоков и составление материального баланса.

Уравнение материального баланса процесса по поглощаемому иону имеет вид:

Gр(x0 - xкон) = Gсмолы(араб-а0) (3.1)

где Gр - объемная производительность по раствору, м3/ч;

Gсмолы - требуемое количество ионита, т/ч;

х0, xкон -концентрация поглощаемого иона в исходном растворе и в обедненном, кг/м3;

араб - рабочая емкость ионита, кг/т;

а0 - емкость ионита после его регенерации.

Найдем конечную концентрацию урана в растворе через степень поглощения ц=98 %:

Отсюда

хк = хн(1-ц) = 35·(1-0,98) = 0,7 мг/дм3.

Расход ионита определяем из выражения (3.1):

.

Емкость анионита АМП по урану в соответствии с изотермой сорбции составляет 10 г/кг при заданной концентрации. При степени регенерации урана, равной 98 % получим

арег = 10 - 10·0,98 = 0,2 г/кг.

Количество анионита в потоке будет равно:

кг/ч

При насыпной плотности с = 1200 кг/м3, объем смолы составит

м3/ч.

Массовый расход урана, поступающего на сорбцию:

=Vр-рахн = 75·35 = 2625 = 2,625 кг/ч.

Масса урана в анионите:

=Vр-раyк = 75·34,3 = 2572,5 = 2,5725 кг/ч,

где ук=0,98·хн=0,98·35=34,3.

Масса анионита АМП с адсорбированным на нем ураном:

m = Gсмолы + = 262,5 + 2,5725 = 265,0725 кг/ч.

Масса урана в обедненном растворе:

=Vр-рахк = 75·0,7 = 52,5 г/ч = 0,0525 кг/ч.

Масса урана в десорбате при заданной степени десорбции =98% (принимают =97-98 %):

=mU = 0,98·2,5725 = 2,52105 кг/ч.

Составим материальный баланс по процессу сорбции, который представлен в таблице 3.1 .

Таблица 3.1. Материальный баланс по урану процесса сорбции

Приход	Расход
Статьи прихода	кг/ч	Статьи расхода	кг/ч
1 Масса урана в исходном растворе 2 Масса анионита	2,625 262,5	1 Масса урана в обедненном растворе 2 Масса анионита с ураном	0,0525 265,0725
Итого:	265,125	Итого:	265,125

3.1.2 Расчет материальных потоков

Приход с раствором:

- масса урана в продуктивном растворе - 2,625 кг/ч;

- относительная атомная масса урана - 238;

- относительная молекулярная масса - 558.

Тогда массовый расход равен:

.

Расход с раствором:

массовый расход равен:

Приход и расход воды с раствором (приход воды = расходу воды):

,

.

Тогда приход и расход воды равен:

,

где - плотность 0,1 М Н2SO4 , равная ;

- объем жидкой фазы, равный 75 м3/ч.

Тогда

.

Масса серной кислоты:

;

.

Масса воды равна:

Массовый расход и приход примесей:

1) массовый расход и приход Fe2(SO4)3

- содержание железа в 75 м3 раствора равно 89,25 кг;

- относительная атомная масса железа - 56,0;

- относительная молекулярная масса Fe2(SO4)3 - 400.

Тогда массовый расход и приход Fe2(SO4)3 равен:

,

кг/ч.

2) массовый расход и приход Na2SO4

- содержание натрия в 75 м3 раствора равно 134,64 кг;

- относительная атомная масса натрия - 23,0;

- относительная молекулярная масса Na2SO4 - 142.

Тогда массовый расход и приход Na2SO4 равен:

,

кг/ч.

3) массовый расход и приход MgSO4

- содержание магния в 75 м3 раствора равно 32,8 кг;

- относительная атомная масса магния - 24,3;

- относительная молекулярная масса MgSO4 - 120,3.

Тогда массовый расход и приход MgSO4 равен:

,

кг/ч.

4) массовый расход и приход Al2(SO4)3

- содержание алюминия в 75 м3 раствора равно 90,84 кг;

- относительная атомная масса алюминия - 27,0;

- относительная молекулярная масса Al2(SO4)3 - 342.

Тогда массовый расход и приход Al2(SO4)3 равен:

,

кг/ч.

1) массовый расход и приход K2SO4

- содержание калия в 75 м3 раствора равно 80,47 кг;

- относительная атомная масса калия - 39,0;

- относительная молекулярная масса K2SO4 - 174.

Тогда массовый расход и приход K2SO4 равен:

,

кг/ч.

2) массовый расход и приход (VO2)2SO4

- содержание ванадия в 75 м3 раствора равно 2 кг;

- относительная атомная масса ванадия - 51,0;

- относительная молекулярная масса (VO2)2SO4 - 262.

Тогда массовый расход и приход (VO2)2SO4 равен:

,

кг/ч;

3) массовый расход и приход MnSO4

- содержание марганца в 75 м3 раствора равно 1,86 кг;

- относительная атомная масса марганца - 55,0;

- относительная молекулярная масса MnSO4 - 151.

Тогда массовый расход и приход MnSO4 равен:

,

кг/ч;

8) массовый расход и приход хлора равен 33,36 кг при содержании 444,8 мг/дм3 в 75 м3 раствора.

Массовый расход сорбированного :

- масса урана в анионите - 2,5725 кг/ч.

Массовый расход сорбированного равен:

.

Материальный баланс по потокам процесса сорбции представлен в таблице 3.2.

Таблица 3.2 Материальный баланс по потокам процесса сорбции

Статьи прихода	Приход, кг/ч	Статьи расхода	Расход, кг/ч
1 Продуктивный раствор m ([UO2(SO4)3]4-) m (Н2SO4) m (H2O) 2 Примеси m (Na2SO4) m ((VO2)2SO4) m (Fe2SO4) m (MnSO4) m (MgSO4) m (Al2(SO4)3) m (K2SO4) m (Cl-) 3 Анионит: - АМП	6,15 735 79215 415,63 5,14 318,75 5,1 162,38 575,37 179,51 33,36 262,5	1 Отработанный раствор m ([UO2(SO4)3]4-) m (Н2SO4) m (H2O) 2 Примеси m (Na2SO4) m ((VO2)2SO4) m (Fe2SO4) m (MnSO4) m (MgSO4) m (Al2(SO4)3) m (K2SO4) m (Cl-) 3 Насыщенный анионит, в т.ч - АМП	0,12 735 79215 415,63 5,14 318,75 5,1 162,38 575,37 179,51 33,36 262,5 6,03
Итого:	81913,89	Итого:	81913,89

Рассчитаем относительную погрешность материального баланса:

?G = УGприхода - УGрасхода,

д =

д =0%, следовательно, расчеты верны.

3.1.3 Материальный баланс процесса грохочения

Составим материальный баланс по процессу грохочения, который представлен в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Материальный баланс по урану процесса грохочения

Приход	Расход
Статьи прихода	кг/ч	Статьи расхода	кг/ч
1 Масса урана в продуктивном растворе 2 Масса анионита	2,625 262,5	1 Масса анионита с ураном 2 Масса потерь ионита 3 Масса урана на ионите 4 Масса потерь урана	262,24 0,2625 2,6224 0,0026
Итого:	265,125	Итого:	265,125

Поскольку относительная погрешность материального баланса д =0%, следовательно, расчеты верны.

3.1.4 Материальный баланс процесса десорбции

Составим материальный баланс процесса десорбции по урану, который представлен в таблице 3.4.

Таблица 3.4. Материальный баланс процесса десорбции по урану

Приход	Расход
Статьи прихода	кг	Статьи расхода	кг
1 Масса насыщенного ионита, в т.ч.: - масса ионита - масса урана	256,99 254,42 2,5699	1 Масса урана в десорбате 2 Масса ионита 3 Масса ионита (потери) 4 Масса урана на ионите	2,5185 249,33 5,088 0,0535
Итого	256,99	Итого	256,99

Поскольку относительная погрешность материального баланса д =0%, следовательно, расчеты верны.

Размещено на Allbest.ru

...