(26)

Масса азотной кислоты, требуемая для растворения всего топлива:

Так как в процессе растворения используется 8М , рассчитаем ее объем и объем воды для разбавления.

Концентрация 1 моль составляет 63 г/л. В расчете на 8М, концентрация будет равна:

	(27)

где - концентрация 1М в литре;

8 - количество молей .

Объем рассчитывается по формуле (28):

	(28)

где - масса кислоты, требуемая для растворения всего топли-

ва, г;

- концентрация в одном литре раствора,

Масса азотной кислоты, занимаемая объем , при плотности 1,25 г/см³, составляет:

кг	(29)

где - объем , л;

- плотность , г/см³.

Масса воды для разбавления кислоты вычисляется по формуле (30):

	(30)

где - масса , кг;

- масса кислоты необходимая для растворения топлива, кг.

Расчет массы продуктов реакций аналогичен расчету кислоты в этих реакциях, следовательно, можно составить таблицу со всеми полученными значениями масс продуктов (таблица 2).

Таблица 2 - Массы продуктов реакций и азотной кислоты.

№ реакции	HNO3, кг	соль Ме, кг	NO2, кг	H2O, кг
19	746,7	1167,4	272,6	106,7
21	5,5	10,7	-	0,8
23	0,5	0,9	-	0,1
25	46,7	70,1	-	6,7
				114,3

Рассчитав все массы реагентов и продуктов, сведем значения в таблицу 3 материального баланса для процесса растворения топлива.

Таблица 3 - Материальный баланс для процесса растворения.

Приход	Расход
	кг	%		кг	%
1.Азотная кислота	1982,70	70,33	1. NO2	272,60	9,67
2.Раствор ОЯТ	836,50	29,67	2. H2O	1297,50	46,02
в т.ч. UO2	800,00	28,38	3.UO2(NO3)2	1167,40	41,41
PuO2	6,00	0,21	4.Pu(NO3)4	10,70	0,38
NpO2	0,50	0,02	5. Np(NO3)4	0,90	0,03
ПД	30,00	1,06	6.ПД(NO3)4	70,10	2,49
Итого:	2819,20	100	Итого:	2819,20	100

Объем раствора при плотности 1,1 г/см³ равен:

	(31)

где - масса раствора полученная после растворения, кг;

- плотность раствора, г/см³.

3.2 Расчет материального баланса процесса экстракции.

Объемный расход раствора в день:

	(32)

Начальная концентрация соли определяется по формуле:

	(33)

Для расчета процесса экстракции необходимо рассчитать расход экстрагента в непрерывно действующем противоточном экстракторе типа «смеситель-отстойник». Так как в технологии важны уран, плутоний и нептуний расчет ведем по этим компонентам. Исходные данные для расчета расхода экстрагента представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Исходные данные для урана.

Объемный расход раствора	VВ	м3/ч	0,65
Начальная концентрация в нем соли	xH	г/л	307
Конечная концентрация в нем соли	xK	г/л	0,1
Равновесная концентрация соли в органической фазе		г/л	120
Начальная концентрация соли в органической фазе	yH	г/л	0
Плотность экстрагента	СЭ	кг/м3	828

Для нахождения объемного и массового расхода экстрагента, составим уравнение материального баланса экстракции для урана:

	(34)

Из таблицы 4 подставим данные в уравнение (29).

Получим

Исходя из полученного объемного расхода, можно найти массовый расход экстрагента по формуле (35):

.	(35)

Исходными данными для расчета экстрагента для экстракции плутония представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Исходные данные для плутония.

Объемный расход раствора	VВ	м3/ч	0,65
Начальная концентрация в нем соли	xH	г/л	2,04
Конечная концентрация в нем соли	xK	г/л	0,0015
Равновесная концентрация соли в органической фазе		г/л	5
Начальная концентрация соли в органической фазе	yH	г/л	0
Плотность экстрагента	СЭ	кг/м3	828

Для нахождения объемного и массового расхода экстрагента, составим уравнение материального баланса экстракции для плутония:

	(36)

Из таблицы 5 подставим данные в уравнение (36).

Получим

Исходя из полученного объемного расхода, можно найти массовый расход экстрагента по формуле (37):

.	(37)

Сложив полученные значения определим расход экстрагента для проведения всего процесса экстракции.

м³/ч,

Так как концентрация нептуния не регламентируется объемный и массовый расход экстрагента на него можно не рассчитывать.

Из полученных данных можно сделать вывод, что соотношение объемов водной фазы к органической составляет 1:3.

Процесс экстракции протекает по следующим реакциям.

1 Раствор уранилнитрата экстрагируется трибутилфосфатом (ТБФ) по следующей реакции (38). Молярные массы веществ участвующих в реакции равны: ; ; .

	(38)

Масса ТБФ требуемого для проведения процесса экстракции рассчитывается по формуле (39):

	(39)

2 Раствор нитрата плутония экстрагируется ТБФ по следующей реакции (40). Молярные массы веществ участвующих в реакции равны: ; ;.

	(40)
	(41)

3 Раствор нитрата нептуния экстрагируется ТБФ по следующей реакции (42). Молярные массы веществ участвующих в реакции равны: ;;.

	(42)
	(43)

Массы продуктов реакции рассчитаны по аналогичной схеме нахождения массы ТБФ и полученные данные представлены в таблице 6:

Таблица 6 - Массы ТБФ и продуктов реакций протекающих в процессе экстракции.

№ реакции	Продукт реакции, кг
38	2743,7
40	22,3
42	1,9

Рассчитаем массу необходимого 30% ТБФ в растворителе РЭД-1 по формуле (36):

	(44)

Материальный баланс процесса экстракции представлен в таблице 7.

Таблица 7 - Материальный баланс процесса экстракции.

Приход	Расход
Реагент	кг	%	Продукт	кг	%
Органическая фаза	Органическая фаза
ТБФ в РЭД-1	5296,30	81,79	РЭД-1	3707,40	57,25
Водная фаза
	1167,40	18,03		2743,70	42,37
	10,70	0,17		22,30	0,35
	0,90	0,01		1,90	0,03
Итого:	6475,30	100	Итого:	6475,30	100

3.3 Аппаратурный расчёт экстракционного процесса

3.3.1 Выбор проектируемого аппарата

В ходе анализа экстракционной аппаратуры, был выбран аппарат типа «смеситель-отстойник» ящичного типа. Этот тип экстракционного аппарата широко используется в промышленности и целесообразно использовать его в данном технологическом процессе.

3.3.2 Расчёт экстрактора типа «смеситель-отстойник»

1 Расчет числа ступеней экстракции.

Зная концентрацию урана в водной фазе перед проведение экстракции и после нее, можно определить количество ступеней экстракции. Исходные данные представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Концентрации урана и коэффициент распределения

Начальная концентрация урана в водной фазе	СО	307 г/л
Конечная концентрация урана в водной фазе	СК	0,1 г/л
Коэффициент распределения	D	3

Расчет извлечения урана при экстракции, определяется по формуле (45):

	(45)

где - начальная концентрация урана в водной фазе, г/л;

- конечная концентрация урана в водной фазе, г/л.

Расчет критической величины коэффициента экстракции находится по формуле (46):

.	(46)

Определение оптимального соотношения потоков: Результат округляется до десятых в большую сторону.

	(47)

Определение уточненной величины коэффициента экстракции:

	(48)

Расчет необходимого теоретического числа ступеней экстракции: Результат округляется до целых в большую сторону.

	(49)

2 Расчет габаритных размеров.

Расчет произведен на 90 т/год, процесс экстракции идет непрерывно в течение полугода, далее идет наработка и концентрирование продуктов для товарной продукции. Исходные данные представлены в таблице 9.

Таблица 9 - Исходные данные для расчета габаритных размеров аппарата.

Производительность по водной фазе составляет	Qв	0, 65 м3/ч.
Соотношение фаз	n	3
Время пребывания в смесительной камере	tсм	20 мин
Скорость расслаивания	хот	10 м/ч
Число ступеней контакта	Np	6

Смесительная камера

Объем смесительной камеры V_ск определяется по формуле (50):

Vск = Q·tсм ,	(50)

где Q - производительность по сумме фаз, м³ /ч.

Q = Qв (1+n),	(51)

где Q_в - производительность по водной фазе, м³ /ч;

Q_o - производительность по органической фазе, м³ /ч;

t_см - время пребывания фаз в смесительной камере.

Q=0,65· (1+3) =2,6 м³ /ч.

V_ск =2,6м³.

Как правило, смесительной камере придается форма куба, качественное перемешивание в котором достигается при минимальных затратах.

;	(52)

Принимаются Н_ск =0,96 м, В_ск =0,96 м, L_ск =0,96 м

Отстойная камера.

Площадь отстойной камеры F_ок , м² определяется по формуле (53):

	(53)

где Q - производительность по сумме фаз, м³ /ч;

- скорость расслаивания, м/ч.

Ширина отстойной камеры равна ширине смесительной камеры:

В_ок = В_ск = 0,96 м;

Длина отстойной камеры определяется по формуле (54):

	(54)

Высота отстойной камеры равна высоте смесительной камеры:

Н_ок =Н_ск =0,96 м.

Длина секции L_с определяется по формуле (55):

Lс = Lск + Lок = 0,96 + 0,27 = 1,23 м	(55)

Ширина аппарата В_ап равна длине секции: В_ап =L_с =1,23 м;

Длина аппарата L_ап:

Lап =Вс ·Nр = 0,96·6 =5,76 м;	(56)

Объем секции V_с:

Vс =Lс ·Вс ·Нс =1,23·0,96·0,96 =1,13 м3.	(57)

Объем аппарата V_ап:

Vап =Vс ·Nр =1,13·6 = 6,8 м3.	(58)

Расчет габаритных размеров произведен при помощи источника [12].

3 Расчет мешалки для основного аппарата.

Для смешивания фаз в данном аппарате будет использована четырехлопастная турбинная мешалка закрытого типа. Область применения таких мешалок охватывает такие процессы как растворение жидкостей, суспендирование, перемешивание в процессах экстракции, в процессах растворения газов, перемешивание жидкостей различной плотности. Конструкция турбинной мешалки представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Турбинная мешалка закрытого типа

1 - отверстие для вала; 2 - импеллер; 3 - лопасть.

Таблица 10 - Исходные данные для расчета мешалки:

Высота аппарата	H	0,96 м
Толщина стенки аппарата	l	0,025 м
Диаметр лопасти мешалки	dm	0,5 м
Радиус ступицы	r	0,05 м
Число лопастей на валу	z	3
Толщина лопасти	s	0,01 м
Высота лопасти	b	0,15 м

Площадь поперечного сечения определяется по формуле (59):

	(59)

где - объем аппарата, м³;

- высота аппарата.

Внутренний размер аппарата r = 0,468 м

Внешний размер аппарата R = 0,48

Расчет мешалки

Определяющая частота вращения мешалки при перемешивании эмульсий:

	(60)

где ,, - постоянные величины;

- плотности фаз;

- вязкость перемешивания среды, 132 нс/мг;

D и d_m - внутренний размер аппарата и диаметр лопасти мешалки, м.

Подставим значения в формулу (62):

Примем частоту вращения мешалки с коэффициентом запаса 2,5, тогда n = 65 об/мин.

Критерий Рейнольдса для мешалки определяется по формуле (61):

	(61)

где с - плотность смеси, г/см³;

µ - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с [13].

Мощность, потребляемая мешалкой:

	(62)

где - критерий мощности, справочная величина;

- плотность смеси, г/см³;

n - частота вращения мешалки, ;

Критерий мощности определяется по формуле:

где С и m - постоянные величины C = 14,35 m = 0,31 (Re = 100-5*10⁴).

Тогда мощность потребляемой мешалки определяется по формуле (62):

Лопасти мешалки рассчитывается на изгиб определяется по формуле (63):

	(63)

где R - радиус лопасти, м;

r - радиус ступицы, м.

Крутящий момент определяется по формуле (64):

	(64)

где - мощность, потребляемая мешалкой, Вт;

- частота вращения мешалки.

Величина равнодействующей:

	(65)

где - крутящий момент на валу мешалки, кг/см;

- значение на изгиб лопастей мешалки;

z - число лопастей на валу.

Изгибающий момент у основания лопасти:

	(66)

где - величина равнодействующей, н.

Момент сопротивления для лопасти прямоугольного сечения равен:

	(67)

где b - высота лопасти, м;

s - толщина лопасти, м.

Вал мешалки рассчитывается на кручение:

	(68)

Величину допускаемого напряжения для стальных валов принимают не более [Н] = 45 н/мм² (450 кг/см²) [14].

В результате проведенных расчетов необходим аппарат, который имеет следующие параметры, они представлены в таблице 11:

Таблица 11 - Полученные параметры в ходе расчетов.

Объем смесительной камеры	V	0,88 м3
Высота аппарата	Н	0,96 м
Диаметр лопасти мешалки	dm	0,5 м
Число лопастей	z	3
Диаметр вала	d	0,070 м
Мощность, потребляемая мешалкой	N	1265 Вт

4 Выбор электродвигателя для мешалок

Выбор исполнения и типа электродвигателя зависит не только от его технических данных и требований привода, но и от характеристики окружающих их сред. Для данного вида аппарата и турбинной мешалки, учитывая высокоактивность среды, был выбран асинхронный электродвигатель АО2, закрытый, обдуваемы или продуваемый, с замкнутым циклом вентиляции. Схема асинхронного электродвигателя представлена на рисунке 9 [15].

Рисунок 9 - Асинхронный электродвигатель АО2

Параметры электродвигателя представлены в таблице 12.

Таблица 12 - Параметры АО2

Вес, кг	H	A	B	C	DE	к
190	180	279	241	121	42110	14

5 Выбор привода для мешалки

Выбор привода для мешалки осуществлялся на основании данных предложенных в источнике [16]. В ходе проведенного анализа для турбинной мешалки закрытого типа подойдет нормализованный вертикальный привод с концевой опорой типа I. Номер МН 5855-66. [16, с. 725].

Типоразмер мотора-редуктора составит 18, из этого значения находятся габаритные значения привода, они представлены в таблице 13.

Таблица 13 - Габаритные размеры привода мешалки

Типоразмер мотора-редуктора	D, мм	H, мм	H1, мм	l, мм, не менее	L, мм, не более	Масса, кг	p*, н
18	80	1910	700	70	8700	765	15700

Схема привода представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Привод вертикальный с концевой опорой вала (тип 1) (по МН 5855-66)

3.4 Расчёт остальных аппаратов и ёмкостей

К аппаратам вспомогательных процессов данной технологической схемы можно отнести: агитатор для приготовления азотной кислоты, реактор с мешалкой для приготовления 30 % ТБФ в РЭД-1, аппарат для растворения топлива.

1 Расчет аппарата смешивания экстрагента.

Аппарат для смешивания представляет собой стандартный цилиндрический аппарат с эллиптическим днищем.

Объем органической фазы при массе = 5296,3 кг определяется по формуле (69):

	(69)

где - масса органической фазы необходимая для проведения процесса экстракции, кг;

- плотность, г/см³.

Объем экстрагента занимает 2/3 объема всего аппарата, следовательно, объем аппарата составит 9,5 м³.

Расчет мешалки для аппарата смешивания экстрагента.

В аппарате смешения экстрагента применяется мешалка - турбинная открытого типа. Применяется для перемешивания, растворения жидкостей, суспендирования, эмульгирования, выравнивания температур. Конструкция данного вида мешалки представлена на рисунке 10.

Рисунок 11 - Турбинная мешалка открытого типа

1 - отверстие под вал; 2 лопасть.

Исходные данные для расчета мешалки для аппарата смешивания представлены в таблице14:

Таблица 14 - Исходные данные для расчета мешалки:

Высота аппарата	H	3,0 м
Толщина стенки аппарата	l	0,03 м
Диаметр лопасти мешалки	dm	0,5 м
Радиус ступицы	r	0,05 м
Число лопастей на валу	z	2
Толщина лопасти	s	0,01 м
Высота лопасти	b	0,15 м

Площадь поперечного сечения определяется по формуле (70):

	(70)

где - объем аппарата, м³;

- высота аппарата.

Внутренний радиус аппарата определяется по формуле (71):

	(71)

где - площадь поперечного сечения аппарата, м².

Внешний радиус определяется по формуле (72):

	(72)

где - внутренний радиус аппарата, м;

l - толщина стенки аппарата, м.

Определяющая частота вращения мешалки при перемешивании эмульсий:

	(73)

где ,, - постоянные величины;

- плотности фаз;

- вязкость перемешивания среды, 132 нс/мг;

D и d_m - внутренний диаметр аппарата и диаметр лопасти мешалки, м.

Подставим значения в формулу (73):

Критерий Рейнольдса для мешалки определяется по формуле (74):

	(74)

где с - плотность смеси, г/см³;

µ - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с.

Мощность, потребляемая мешалкой определяется по формуле (75):

	(75)

где - критерий мощности, справочная величина;

- плотность смеси, г/см³;

n - частота вращения мешалки, ;

Критерий мощности определяется по формуле (76):

	(76)

где С и m - постоянные величины C = 14,35 m = 0,31 (Re = 100-5*10⁴)

Тогда подставив полученные значения в формулу (75):

Лопасти мешалки рассчитывается на изгиб определяется по формуле (77):

	(77)

где R - радиус лопасти, м;

r - радиус ступицы, м.

Крутящий момент определяется по формуле (78):

	(78)

где - мощность, потребляемая мешалкой, Вт;

- частота вращения мешалки.

Величина равнодействующей определяется по формуле (79):

	(79)

где - крутящий момент на валу мешалки, кг/см;

- значение на изгиб лопастей мешалки;

z - число лопастей на валу.

Изгибающий момент у основания лопасти:

	(80)

где - величина равнодействующей, н.

Момент сопротивления для лопасти прямоугольного сечения равен:

	(81)

где b - высота лопасти, м;

s - толщина лопасти, м.

Вал мешалки рассчитывается на кручение:

	(82)

Величину допускаемого напряжения для стальных валов принимают не более [Н] = 45 н/мм² (450 кГ/см²) [14].

В результате проведенных расчетов необходим аппарат, который имеет следующие параметры, они представлены в таблице 15:

Таблица 15 - Полученные параметры в ходе расчетов.

Объем аппарата	V	9,5 м3
Высота аппарата	Н	3,0 м
Диаметр лопасти мешалки	dm	0,5 м
Число лопастей	z	2
Диаметр вала	d	0,059 м
Мощность, потребляемая мешалкой	N	1230 Вт

2 Расчет агитатора для приготовления азотной кислоты.

Объем занимаемый жидкостью составляет 1586,1 л или приблизительно 1,6 м³, что составляет 80% от объема всего аппарата. Следовательно, объем аппарата составит:

	(83)

Перемешивание осуществляется при помощи сжатого воздуха подаваемого в аппарат из патрубка, находящегося на крышке аппарата.

3.5 Механический расчёт экстрактора смесителя - отстойника

Конструкция химического оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенных технологий, но обладать также прочностью, высокой надёжностью, быть лёгкой, эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных материалов. Механический расчёт аппарата направлен на определение различных нагрузок, воздействующих на элементы аппарата, и подбор наиболее оптимальных размеров, материалов, форм и исполнений, относительно вышеперечисленных требований. К таким конструкционным элементам данного смесителя-отстойника относятся: корпус, днище, опоры, патрубков.

Наиболее распространённой формой днищ является плоское прямоугольное [16].

3.5.1 Расчёт обечайки аппарата

Сталь для обечайки легированная кислотостойкая 12Х18Н10Т. Предел прочности для этой марки стали равен у_в = 530 МПа, предел текучести

у_в = 235 МПа. Обечайка выполнена литой, с укрепляющими ребрами. Расчет произведен по данным в литературном источнике [16].

Номинальное допускаемое напряжение для этой марки стали по пределу прочности определяется по формуле (84):

	(84)

где - предел прочности, Мпа;

- значение запаса прочности.

Номинальное допускаемое напряжение по пределу текучести определяется по формуле (85):

	(85)

где - предел текучести, Мпа;

- значение запаса прочности.

Последнее как меньшее является расчетным.

Окончательное допускаемое напряжение принимаем по формуле (86):

	(86)

где номинальное допускаемое напряжение по пределу текучести;

- поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата [16,стр. 406].

Произведем расчет прямоугольной плоской стенки.

Отношение длины к ширине отдельных плоских элементов стенки

l/b = 1,3. Считая элемент стенки жестко закрепленным по периметру, найдем величину коэффициента К для l/b =1,3 по графику (рисунок 12) [16].

Рисунок 12 - График для определения коэффициента К

Номинальную расчетную толщину стенки определяем по формуле (87):

	(87)

где - коэффициент зависящий от способа закрепления стенки или ее элемента по периметру, К = 0,4;

b - меньшая сторона прямоугольной стенки или ее элемента, ограниченной ребрами, м.

Толщину стенки, с учетом прибавок, определяется по формуле (88), приняв прибавку на округление размера 3,8 мм.

	(88)

где номинальная расчетная толщина стенки;

- прибавка на коррозию;

- прибавка на округление размера до значения по сортаменту.

Произведем расчет укрепляющих ребер. Считая закрепление ребер на опорах жестким, определим предварительные расчетные моменты сопротивления укрепляющих ребер по формулам (89,90).

Для поперечных ребер

	(89)

где В - ширина аппарата, м;

l - расстояние между центрами укрепляющих поперечных ребер, м;

К - коэффициент, зависящий от способа закрепления ребра на опорах, при жестком закреплении К = 12.

Для продольных ребер

	(90)

где H - высота аппарата, м;

b - расстояние между центрами укрепляющих продольных ребер, м.

Выбираем ребра прямоугольного сечения с отношением толщины к высоте 1:5. Номинальные расчетные толщины ребер определяем по формулам (91,92).

Для поперечных ребер

	(91)

Для продольных ребер

	(92)

Найдем номинальные расчетные площади поперечного сечения ребер.

Для поперечных ребер

	(93)

Для продольных ребер

	(94)

Найдем моменты инерции номинальных расчетных площадей поперечного сечения ребер относительно оси, проходящей через центр тяжести их, параллельно стенке.

Для поперечных ребер

	(95)

Для продольных ребер

	(96)

Найдем площади поперечных сечений части плоской стенки, приходящейся на одно ребро, по формулам (97,98).

Для поперечных ребер

	(97)

Для продольных ребер

	(98)

Найдем моменты инерции площадей относительно оси, проходящей через центр тяжести их, параллельно стенке.

Для поперечных ребер

	(99)

Для продольных ребер

	(100)

Найдем расстояния от стенки до центра тяжести площади составного поперечного сечения по формулам (101,102).

Для поперечных ребер

	(101)

Для продольных ребер

	(102)

Найдем моменты сопротивления составных поперечных сечений ребра с частью стенки, приходящейся на одно ребро, по формулам (103,104).

Для поперечных ребер

	(103)

Для продольных ребер

	(104)

Определим максимальное напряжение на изгиб в укрепляющих ребрах.

В поперечных ребрах

	(105)

В продольных ребрах

	(106)

Максимальное напряжение на изгиб в укрепляющих ребрах должны отвечать следующим условиям.

Для поперечных ребер

	(107)

Для продольных ребер

	(108)

Условие прочности выполняется, следовательно, расчеты верны и обечайка соответствует требованиям.

3.5.2 Подбор днища и крышки

Крышка изготовлена из листа стали марки 12Х18Н10Т. Она. Крепится к корпусу при помощи фланца.

Днище выполнено в виде прямоугольного плоского листа стали марки 12Х18Н10Т. Конструкции плоских прямоугольных днищ для аппаратов, работающих под избыточным давлением (сварных и литых), должна иметь профиль типа плоских круглых днищ с отбортовкой. При этом . Изготовление таких днищ для сварных аппаратов - штамповка [17].

Номинальное допускаемое напряжение для этой марки стали по пределу прочности определяется по формуле (109):

	(109)

где - предел прочности, Мпа;

- значение запаса прочности.

Номинальное допускаемое напряжение по пределу текучести определяется по формуле (110):

	(110)

где - предел текучести, Мпа;

- значение запаса прочности.

Последнее как меньшее является расчетным.

Окончательное допускаемое напряжение принимаем по формуле (111):

	(111)

где номинальное допускаемое напряжение по пределу текучести;

- поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата [16,стр. 406].

Произведем расчет прямоугольного плоского днища.

Отношение длины к ширине отдельных плоских элементов днища

l/b = 1,3. Считая элемент днища жестко закрепленным по периметру, найдем величину коэффициента К для l/b =1,3 по графику (рисунок 11).

Номинальную расчетную толщину днища определяем по формуле (112):

	(112)

где - коэффициент зависящий от способа закрепления днища или ее элемента по периметру, К = 0,4;

b - меньшая сторона прямоугольного днища или его элемента, ограниченного ребрами, м.

Толщину днища, с учетом прибавок, определяется по формуле (113), приняв прибавку на округление размера 3,8 мм.

	(113)

где номинальная расчетная толщина днища;

- прибавка на коррозию;

- прибавка на округление размера до значения по сортаменту.

Произведем расчет укрепляющих ребер. Считая закрепление ребер на опорах жестким, определим предварительные расчетные моменты сопротивления укрепляющих ребер по формулам (114,115).

Для поперечных ребер:

	(114)

где В - ширина аппарата, м;

l - расстояние между центрами укрепляющих поперечных ребер, м;

К - коэффициент, зависящий от способа закрепления ребра на опорах, при жестком закреплении К = 12.

Для продольных ребер

	(115)

где H - высота аппарата, м;

b - расстояние между центрами укрепляющих продольных ребер, м.

Выбираем ребра прямоугольного сечения с отношением толщины к высоте 1:5. Номинальные расчетные толщины ребер определяем по формулам (112,113).

Для поперечных ребер

	(116)

Для продольных ребер

	(117)

Найдем номинальные расчетные площади поперечного сечения ребер.

Для поперечных ребер

	(118)

Для продольных ребер

	(119)

Найдем моменты инерции номинальных расчетных площадей поперечного сечения ребер относительно оси, проходящей через центр тяжести их, параллельно стенке.

Для поперечных ребер

	(120)

Для продольных ребер

	(121)

Найдем площади поперечных сечений части плоской стенки, приходящейся на одно ребро, по формуле (122,123).

Для поперечных ребер

	(122)

Для продольных ребер

	(123)

Найдем моменты инерции площадей относительно оси, проходящей через центр тяжести их, параллельно днищу.

Для поперечных ребер

	(124)

Для продольных ребер

	(125)

Найдем расстояния от стенки до центра тяжести площади составного поперечного сечения по формулам (126,127).

Для поперечных ребер

	(126)

Для продольных ребер

	(127)

Найдем моменты сопротивления составных поперечных сечений ребра с частью днища, приходящейся на одно ребро, по формуле (128,129).

Для поперечных ребер

	(128)

Для продольных ребер

	(129)

Определим максимальное напряжение на изгиб в укрепляющих ребрах.

В поперечных ребрах

	(130)

В продольных ребрах

	(131)

Максимальное напряжение на изгиб в укрепляющих ребрах должны отвечать следующим условиям.

Для поперечных ребер

	(132)

Для продольных ребер

	(133)

Условие прочности выполняется, следовательно, расчеты верны и днище соответствует требованиям.

3.5.3 Расчёт опор

При подборе опор необходимо учитывать всевозможные нагрузки, оказывающие воздействие на аппарат, во избежание аварийных ситуаций. В силу стабильной сейсмической обстановки Урала, и расположения аппарата в помещении цеха, сейсмической и ветровой нагрузки на аппарат наблюдаться не будет. Следовательно, нагрузку будет оказывать лишь сила тяжести экстрактора. Для определения нагрузки на опору необходимо рассчитать максимально возможную массу аппарата, которая будет наблюдаться при максимальном заполнении аппарата. В этом случае масса аппарата будет складываться из масс: корпуса, днища, крышки, креплений, патрубков и жидкости.

Оценив по объёму основных элементов аппарата и плотности стали данной марки, можно предположить массы основных элементов, оценив значения с запасом. Масса корпуса аппарата не будет превышать 9 тонн, внутренние элементы аппарата, в совокупности, имеют массу не более 2 тонн, жидкость, при наибольшей плотности составит не более 2 тонн. Таким образом, масса заполненного экстрактора составит:

m_max(К) = m_пуст.(К) + m_вн.эл. + m_жидк = 9000 + 2000 + 2000 = 13000 кг.

Рассчитаем максимальную нагрузку на аппарат:

Q = m_max(К) • 9,8 = 127400 Н = 0,127 МН.

Подбираем опору, по приведённой нагрузке Q менее 0,25 МН. В качестве опоры было выбрано 4 швеллера серии У с номером 22У [17].

S = 5,4 мм;

h =220 мм;

t =9,5 мм;

b = 82 мм.

Рисунок 12 - Схема швеллера

3.6 Гидравлический расчёт экстрактора

Гидравлический расчёт процесса направлен на определение наиболее оптимального размера трубопроводов, посредствам которых растворы поступают в аппарат и выводятся из него, по завершении процесса. Заданный диаметр, как правило, должен обеспечить необходимую скорость подачи растворов в аппарат, что является важнейшей операцией, и при ошибочном подборе может привести к большим экономическим потерям, по причине неправильного протекания процесса. Оптимальный диаметр трубопровода, при котором суммарные затраты на перемещение жидкости минимальны, следует находить путём технико-экономических расчётов. На практике можно исходить из общепринятых значений скоростей жидкости, для различных систем, обеспечивающих близкий к оптимальному диаметр трубопровода [18].

Внутренний диаметр трубопровода определяют из уравнений (134) и (135)

	(134)
	(135)

где: Q - объёмный расход жидкости, м³/ч;

G - массовый расход жидкости, кг/ч;

щ - скорость потока, м/с;

с - плотность жидкости, кг/м³;

р - константа, равная 3,14 м/с²;

d - внутренний диаметр трубопровода, м.

Отсюда

	(136)

Из этого следует, что нам необходимо знать скорость потока жидкости, её плотность и расход.

1 Расчёт диаметра трубопровода ввода исходного раствора:

Исходный раствор поступает во всасывающий трубопровод и при помощи насоса поступает в смесительную камеру сверху. Следовательно, оптимальная скорость подачи раствора составит 2 м/с [17]. Массовый расход раствора равен 715 кг/ч, что при переводе в единицы СИ составит 0,2 кг/с, плотность раствора 1100 кг/м³. Таким образом, диаметр патрубка ввода исходного раствора будет равен:

	(137)

В качестве условного диаметра принято подбирать ближайшее большее значение из стандартного ряда D_у равно 15 мм.

2 Расчёт диаметра трубопровода ввода экстрагента

Ввод органической фазы и контроль расхода осуществляется также посредством насоса, и подаётся во всасывающий трубопровод в нижний экстрактор из каскада, со средней скоростью 2,2 м/с. Плотность и расход экстрагента составляют 976 кг/м³ и 0,53 кг/с соответственно. Определим диаметр трубопровода по формуле:

	(138)

Ближайшее большее значение из стандартного ряда D_у равно 20 мм.

3 Расчёт диаметра трубопровода вывода экстракта:

Экстракт, после отстаивания через переливной карман самотёком поступает в трубопровод, по которому направляется на реэкстракцию. Оптимальной скоростью для данного раствора будет 0,8 м/с. Плотность и массовый расход равен 906 кг/м³ и 0,725 кг/с соответственно. Рассчитаем диаметр трубопровода:

	(139)

Ближайшее большее значение из стандартного ряда D_у составляет 40 мм.

4 Расчёт диаметра трубопровода вывода рафината:

Рафинат выводится из последнего аппарата каскада и сначала самотёком, а потом с пол=мощью насоса отправляется на передел уменьшения активности, выделение ценных изотопов. Оптимальной скоростью, в данном случае принимается скорость 0,8 м/с. Плотность рафината равна 1002 кг/м³, а массовый расход - 0,665 кг/с. Рассчитаем оптимальный диаметр трубопровода:

	(140)

Ближайшее большее значение из стандартного ряда D_у равно 40 мм.

5 Подбор штуцеров для ввода и вывода реагентов

Для ввода жидкостей принимаются штуцера с тонкостенным патрубком и приварным встык фланцем с соединительным выступом (исполнение 1), на условное давление P_У менее 0,6 МН/м², из стали марки 12Х17 (рисунок 14) [19].

Рисунок 14 - Штуцер

Подбор фланцев ...