Расчёт процессов и аппаратов для ВПУ (водоподготовительной установки) паровых котлов среднего давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Кафедра ХХТЭ

Курсовая работа на тему:

«Расчёт процессов и аппаратов для ВПУ паровых котлов среднего давления»

Выполнила: студентка гр. III-3^{х х}

Зайцева Ю.С.

Проверил: Ларин А.Б.

Иваново 2013

Расчет показателей качества воды для установки обратного осмоса

Исходная вода

Исходной обычно служит природная вода, примерный химический состав примесей которой приведен в табл. 4. В качестве примера взята вода поступающая на химводоочистку расходом 300 м³/ч.

вода осмос осветление катионитный

Таблица 4. Химический состав примесей воды

Показатель	Жесткость, мг-экв/л	Концентрация ионов, мг/л	Що, мг-экв/л	Ок, мгО/л
	Жо	ЖСа	Na++K+	SO42-	Cl-	NO3-	SiO22-	ГДП
Численное значение	6,48	5,1	6,9	93,2	25,5	-	-	-	4,34	8,5

Проверка анализа исходной воды выполняется по уравнению электронейтральности:

,

6,48 + 6,9/23=4,43 + 93,2/48 +7,1/35,5

6,78?6,48.

Ошибка химического анализа должна быть не более 2 % и в данном случае составляет:

=4,4 % > 2 %

Так как сумма катионов больше суммы анионов, то корректируем

Ж_о + [Na⁺] = Щ_о + [ + [Cl^-]

6,48 + 6,9/23 = 4,34 + 107,52/48 + 7,1/35,5

Ош==0%<2%

Ж_Ca²⁺=[Сa²⁺]

Ж_о=[Сa²⁺]+[Mg²⁺]= Ж_Ca²⁺+ Ж_Mg²⁺ => [Mg²⁺]= Ж_Mg²⁺ = Ж_о- Ж_Ca²⁺=1,38 мг(экв)/л

[HCO₃^- ]=Щ_о= Ж_к=4,34 мг(экв)/л

Ж_о=Ж_к+Ж_нк => Ж_нк= Ж_о- Ж_к=2,14 мг(экв)/л

Для дальнейших расчетов данные табл. 4 следует переписать с пересчетом концентраций ионов в мг-экв/л и моль/л (см. табл. 5).

Расчет характеристики «стабильность» воды производится сравнением равновесной и фактической концентрации углекислоты в воде. Поскольку значения рН исходной воды не задано, принимаем рН=7. Для определения активностей ионов в воде найдем ионную силу (м) и коэффициенты активности г_I и г_II.

=0,5(С_i z_i²)=0,5([Ca²⁺](Z _Ca²⁺)²+ [Mg²⁺](Z _Mg²⁺)²+[Na⁺](Z _Na⁺)²+[SO₄^2-](Z _SO^2-)²+[Cl^-](Z _Cl^-)² +[HCO₃^-](Z _HCO^-)²)=0,5(2,55Ч2²+0,69Ч2²+0,3Ч1²+0,97Ч2²+0,2Ч1²+4,34Ч1²)=10,84Ч10^-3

,

где, С_i - концентрации ионов, моль/л; z - заряд i-го иона.

Для нашего случая м=47,149Ч10^-3; г_I=0,897; г_II=0,648. Равновесная концентрация углекислоты определяется равновесием следующих химических реакций:

Н₂СО₃ НСО₃- + Н⁺,

НСО₃- СО₃^2- + Н⁺,

СО₃^2- + Ca²⁺ CaСО₃ v(тв).

,

pH=7; а_н⁺=10^-7

Равновесная концентрация углекислоты равна:

моль/л

где К_I и К_II - константы диссоциации углекислоты по I и II ступеням; - произведение растворимости СaCO₃; , - концентрации ионов кальция и бикарбонатов, моль/л.

Фактическая концентрация углекислоты определяется из уравнения диссоциации по первой ступени: Н₂СО₃ НСО₃- + Н⁺ по закону действующих масс в формуле (1), откуда

моль/л(1)

Таблица 5. Пересчет концентраций ионных примесей воды по табл.4

Показатель	Концентрация ионов, мг-экв/л
	Ca2+	Mg2+	Na++K+	SO42-	Cl-	HCO3-	SiO22-
Концентрации: а) мг-экв/л; б) моль/л	5,1 2,55	1,38 0,65	0,3 0,3	1,94 0,97	0,2 0,2	3,3 3,3	4,34 4,34

Для нашего случая: = 5,565моль/л;

= моль/л.

Таким образом, исходная вода - агрессивная, т.к. < .

Расчет удельной электропроводности исходной воды может быть выполнен по методике, приведенной в книге Чебанова С.Н., Ларина Б.М. «Водоподготовка и водный режим тепловых электростанций», гл. 20, с. 321 - 322.

В данном случае могут быть использованы следующие выражения для расчета средних значений эквивалентных электропроводностей:

Ом^-1·см^-1·экв^-1;

Ом^-1·см¹·экв^-1;

Ом^-1·см^-1·экв^-1;

где М=УKt=УAn=4,42 - минерализация воды, мг-экв/л;

К_t = 1+0,024(t-18 °С)=1+0,024•(25?18)=1,168 - температурный коэффициент электропроводности при температуре раствора t єС.

Тогда удельная электропроводность (ч, мкСм/см) определяется так:

Где и - концентрации хлоридов и сульфатов, мг-экв/л.

В рассматриваемом примере имеем:

; Ом^-1·см^-1·экв^-1; Ом^-1·см^-1·экв^-1;

Ом^-1·см^-1·экв^-1.

Удельная электропроводность воды:

мкСм/см.

Осветленная и умягченная вода

Принципиальная схема предочистки и умягчения воды может быть представлена по рис. 8

Рис. 8. Принципиальная схема осветления и умягчения воды: 1 - подогреватель сырой (исходной) воды; 2 - осветлитель; 3 - бак осветленной воды; 4 - насос подачи осветленной воды на механические фильтры; 5 - механические фильтры; 6 - Na-катионитные фильтры

В подогревателе 1 исходная вода подогревается до температуры 30ч50 єС для ускорения химических реакций. В осветлителе производится коагуляция коллоидных (органических) примесей и удаление шлама и грубодисперсных (взвешенных) примесей. Обычно при Щ_О > 2 мг-экв/л рекомендуется наряду с коагуляцией производить известкование воды в осветлителе 2 в целях снижения щелочности (или всех форм углекислоты) в воде. Обычно при этом уменьшается общая жесткость и кремнесодержание воды. Переливом вода из осветлителя поступает в бак осветленной воды 3, откуда насосом 4 прокачивается через механические 5 и Na-катионитные фильтры 6. При этом из воды удаляется «проскочивший» из осветлителя шлам и удаляются катионы накипеобразователи (Ca²⁺, Mg²⁺) в обмен на Na⁺из катионита. Умягченная вода накапливается в баке и расходуется на технологические нужды, в том числе, на питание установок обратного осмоса в целях обессоливания.

В рассматриваемом примере щелочность природной воды по табл. 4 равна 2,6 мг-экв/л, т.е. более 2 мг-экв/л, и в этом случае рекомендуется совмещение коагуляции воды с ее известкованием в осветлителе. Принципиальная схема осветлителя для коагуляции с известкованием приведена на рис. 9.

Рис. 9. Схема осветлителя типа ВТИ для известкования и коагуляции воды: 1 - подача обрабатываемой воды; 2 - воздухоотделитель; 3 - распределительная система; 4 - опускная труба; 5 - тангенциальный ввод воды; 6 - смеситель; 7 - подача раствора ИМ; 8 - подача раствора коагулянта; 9 - шламоприемные окна; 10 - шламоуплотнитель; 11 - слой контактной среды; 12 - водозаборное устройство; 13 - сборный желоб с отверстиями; 14 - выход осветленной воды; 15 - зона осветления; 16 - зона контактной среды; 17 - периодическая продувка; 18 - непрерывная продувка

В качестве коагулянта используется обычно сульфат железа (II), кристаллогидрат которого имеет химическую формулу FeSO₄?7H₂O. Известь вводится в виде известкового молока - суспензии Ca(OH)₂ в воде. В ряде случаев используется насыщенный раствор Ca(OH)₂, чтобы избежать процесса растворения твердого Ca(OH)₂ и ускорить химические реакции.

Химические реакции, протекающие в воде при известковании, изложены в книге Чебанова С.Н. и Ларина Б.М. «Водоподготовка и водный режим тепловых электростанций», гл. 5, с. 81 - 89. Там же на с. 322 - 324 приведены расчетные уравнения для определения требуемой дозы извести и коагулянта, количества и качества образующегося щлама. Показатели качества осветленной воды при разных схемах осветления воды могут быть определены по табл. 6.

Таблица 6. Показатели качества осветленной воды после разных схем предочистки

Показатель	-М-	-К-М-	-К-И-М-	-К-И-С-М-
Остаток коагулянта, мг/л	-	<0,2	<0,1	<0,1
Снижение окисляемости, %	0	50-75	40-50	40-50
Снижение содержания кремниевой кислоты, %	0	10-20	30-40	30-40
Свободная углекислота, мг/л		+Dк	0	0
Щелочность общая, мг-экв/л: гидратная карбонатная бикарбонатная	0 0	-Dк 0 0 -Dк	0,7-1,3 0,1-0,2 0,6-1,2 0	1-1,5 0,1-0,2 0,8-1,4 0
Жесткость общая, мг-экв/л, в т.ч. Жнк ЖMg			+Dк 0 (1-0,2)·	1-1,5 0 (1-0,2)
Сульфаты, мг-экв/л		+ Dк	+ Dк	+ Dк
Взвешенные в-ва, мг/л	2	2	2	2
Прозрачность "шрифт", см	40	40	40	40
рН	рНисх	рНисх-(0,1ч0,5)	9,5-10,5	9,5-10,5
Солесодержание, мг/л	Sисх	Sисх +ЭкDк	Sисх-Эк·Dк-50·Що-3,5·Ок
Примечание. исх - соответствует концентрации такого показателя в исходной воде; ос - соответствующий концентрации такого показателя в осветленной воде; Эк - эквивалент коагулянта; Дк - доза коагулянта, мг-экв/л; Ок - окисляемость исходной воды, гО/л

1. В рассматриваемом здесь примере при дозе коагулянта Д_к=0,07•О_к=0,07•8,3=0,6 мг-экв/л показатели качества осветленной воды будут следующими:

- окисляемость - Ок^осв=0,5•8,5=4,25 мгО/л;

- щелочность: общая Щ_О=0,8 мг-экв/л;

гидратная Щ_Г=0,2 мг-экв/л;

карбонатная Щ_К=0,6 мг-экв/л;

- жесткость общая

Ж_о^осв=Щ_о^осв+Ж_НК^исх+Д_К=0,8+2,14+0,5=3,44 мг-экв/л;

- сульфаты

[SO₄^2-]^осв=[SO₄^2-]^исх + Д_К=1,94+0,5=2,44 мг-экв/л;

- взвешенные вещества - 2 мг/л;

- рН - 10 ед.рН;

- натрий - 0,3мг-экв/л;

- хлориды - 0,2 мг-экв/л;

-Ж_о^Осв = Щ_о^Осв + Ж_нк + Д_к = 0,8+???+0,5=2,4 мг-экв/л

- Ж _Са^2+осв = Ж_о^осв- Ж _Mg^2+осв =3,44 - 0,69=2,75 мг-экв/л;

- Ж _Mg^2+осв =0,5•Ж _Mg^2+исх=0,5•1,38=0,69 мг-экв/л.

Проверка ионного состава примесей по уравнению электронейтральности дает ошибку:

Расчетная (требуемая) величина дозы извести, вводимой в обрабатываемую воду (Д_и^тр,

мг-экв/л), определяется по уравнению

при выражении всех концентраций в мг-экв/л.

При этом избыток извести (i_и) можно принять равным гидратной щелочности осветленной

воды (Щ_г): i_и= Щ_г=0,2 мг-экв/л.

Величину =0,8• мг-экв/л.

Количество образующегося в осветлителе осадка, мг/л

где _СаО - содержание окиси кальция в технической извести, % от общей массы; М - содержание механических примесей, мг/л; _к - содержание коагулянта FeSO₄ в техническом продукте, % от общей массы; [Са²⁺]^исх, [Са²⁺]^осв - концентрация катионов кальция в исходной и в осветленной воде, мг/л;

- фактическая доза извести, мг-экв/л,

мг-экв/л,

Здесь К_и - концентрация извести в баках-мерниках, г-экв/л;

q_и - расход рабочего раствора известкового молока в осветлителе, л/ч;

Q_исх - расход воды через осветлитель, м³/ч.

Основной характеристикой химического состава шлама, показывающей отношение Mg(OH)₂/СаСО₃, является _м. Оптимальные значения _м составляют от 0,050,1 до 0,20,25.

Расчетом параметр _м определяется как:

,

где (а - масса Са(ОН)₂ в известковом молоке, мг/л; с - количество СаСО₃ в известковом молоке, мг/л; можно принять с/а=0,05).

Пропуск осветленной воды через механический фильтр снижает концентрацию взвешенных веществ (шлама) до 1 мг/л и предупреждает случайные забросы шлама из осветлителя. После Na-катионитных фильтров уменьшается общая жесткость воды до величины остаточной жесткости - Ж_o^Na=0,1 мг-экв/л. При этом в воду поступает эквивалентное удаленному количество Na⁺, мг-экв, согласно уравнению химической реакции ионного обмена:

2NaR+Ca²⁺ CaR₂+2Na⁺.

Таким образом для нашего случая в фильтрате Na-катио-нитного фильтра имеем:

Ж_o=0,1 мг-экв/л; [Na⁺]=0,3+2,75=3,05 мг-экв/л.

Концентрации других ионных примесей остаются неизменными. Если требуется более глубокое удаление из воды катионов кальция и магния, то применяют 2-ю ступень умягчения воды на Na-катионитных фильтрах, что позволяет снизить общую жесткость воды до 0,01 мг-экв/л. Концентрации примесей в воде при ее осветлении и умягчении приведены в табл. 7.

Таблица 7. Показатели качества воды по стадиям обработки

Стадия обработки	Жо, мг-экв/л	Концентрация ионов, мг-экв/л	Що, мг-экв/л	рН	Взв. в-ва, мг/л	Ок, мгО/л
		Na+	SO42-	Cl-
1. Исходная вода 2. Осветленная 3. После МФ 4. Na-катиони- рованная	6,48 3,44 3,44 0,1	0,3 0,3 0,3 3,05	1,94 1,94 1,94 1,94	0,2 0,2 0,2 0,2	4,34 0,8 0,8 0,8	7 10 10 10	10 2 <1 <1	8.5 4,25 4,25 4,25

Технологический расчет механических и Nа-катионитных фильтров

Принципиальная схема однокамерного однопоточного механического фильтра показана на рис. 10.

Рис. 10. Принципиальная схема однопоточного механического фильтра: I - фильтрующий материал (дробленый антрацит); II - распределительное устройство; III, IV - люки для осмотра и проведения ремонта фильтра; 1 - подача обрабатываемой воды; 2 - выход осветленной воды; 3 - промывочная вода; 4 - выход промывочной воды; 5 - сброс воды в дренаж; 6 - подача сжатого воздуха

Фильтроцикл работы механического фильтра предусматривает рабочий период - фильтрацию воды сверху - вниз через зернистую загрузку (обычно - дробленный антрацит) и взрыхляющую промывку снизу - вверх водой и воздухом с удалением накопившейся грязи. Технологические показатели работы механического фильтра приведены в табл. 8.

Технологический расчет механических фильтров состоит в определении времени работы одного фильтра между взрыхляющими промывками, необходимом количестве МФ для обработки всего потока воды, необходимом объеме фильтрующего материала, скорости фильтрования воды и необходимом расходе воды на взрыхляющую промывку. При этом ряд параметров процесса принимается на основании опыта эксплуатации, отраженного в руководящих технических материалах.

Таблица 8. Технологические показатели механических фильтров

Показатели	Обозначение	Величины
Скорость фильтрования, м/ч	W	56
Интенсивность взрыхления, л/(м2·с)	i	1013
Время взрыхления, мин	фвзр.	57
Удельная грязеёмкость, кг/м3	ЗГР	2,03,0
Высота загрузки фильтрующего материала, м	h	0,91,0

Такими нормативными параметрами являются:

- допустимая высота загрузки h - не более 1м;

- допустимая скорость фильтрования W_ф^доп - менее 10 м/ч;

- минимальное количество МФ n - 3 шт;

- диаметр фильтра - из стандартного ряда d - 2,0м; 2,6; 3,0м; 3,4м;

Для расчета технологических характеристик используются следующие базовые уравнения:

- уравнение материального баланса:

;

- уравнение фильтрации:

м/ч;

- уравнение расхода взрыхляющей воды:

м³/ч,

где V_загр - объем загрузки фильтрующего материала в одном фильтре;

Г - удельная грязеемкость загрузки, кг/м³ (по табл. 7.);

Q - расход обрабатываемой воды на все фильтры, м³/ч;

n - количество установленных фильтров с учетом одного резервного, шт.;

Т - время работы фильтра между промывками, ч;

C_взв.в. - концентрация взвешенных веществ, удаляемых из воды, мг/л;

W_ф - фактическая скорость фильтрования воды, м/ч;

d - диаметр установленных механических фильтров, м;

i - интенсивность взрыхления, л/(м²?с).

Перед расчетом необходимо выбрать количество и диаметр устанавливаемых фильтров. Для этого используется уравнение фильтрации в предположении, что n?3; W_ф ? W_ф^доп; d - из стандартного ряда, желательно большего диаметра.

Так, для рассматриваемого примера, если принять n=3, а W_ф=W_ф^доп=10м/ч, то при Q=200 м³/ч

получим d=5,05 м, что значительно больше максимального диаметра из стандартного ряда (d_max=3,4 м). Увеличивая число фильтров получим при n=7; d=2,9 м. Тогда принимаем диаметр ближайший больший из стандартного ряда, а именно d=2,6 м, получим фактическую скорость фильтрования:

м/ч.

м³/ч

Такую скорость фильтрования можно принять в качестве проектной, имея в виду, что один из установленных фильтров находится в резерве, а один фильтр выведен из работы на взрыхляющую промывку. В практических условиях скорость фильтрования часто снижается до 6 м/ч, чтобы обеспечить требуемую глубину удаления взвешенных веществ (см. табл.7).

После нахождения числа и диаметра механических фильтров можно рассчитать технологические характеристики:

- грязеемкость одного фильтра, кг;

- время работы фильтра, ч;

- объем фильтрующего материала в одном и во всех n фильтрах, м³;

- расход и объем воды на одну взрыхляющую промывку

Дальнейшая обработка осветленной воды производится на
Na-катионитных фильтрах.

Принципиальная схема Na-катионитного фильтра приведена на рис. 11.

Рис. 11. Принципиальная схема однопоточного прямоточного катионитного фильтра: 1 - вход обрабатываемой воды; 2 - выход обработанной воды; 3 - подача взрыхляющей воды; 4 - сброс промывочной воды; 5 - подача регенерационного раствора; 6 - сброс регенерационного раствора и отмывочной воды; 7 - нижнее распределительное устройство; 8 - верхнее распределительное устройство; 9 - люк для ревизии и ремонта фильтра; 10 - смотровой люк

Рабочий процесс фильтрования воды производится так же, как на механическом фильтре: сверху - вниз. Процесс восстановления рабочей способности катионита - регенерация - складывается из трех стадий: взрыхления, собственно регенерации и отмывки катионита от продуктов регенерации. Так же как и в расчете механических фильтров, здесь необходимо опираться на опытные (или нормативные) параметры технологического процесса, основные из которых приведены в табл. 9.

В расчете технологических характеристик Na-катионитных фильтров используются следующие базовые уравнения:

- уравнение материального баланса ионов:

,

ДЖ=Ж_о^Осв-Ж_о^Na=2,4-0,1=2,3мг-экв/л

- уравнение фильтрации:

Перед расчетом необходимо выбрать количество и диаметр устанавливаемых фильтров. Для этого используется уравнение фильтрации в предположении, что n?3; W_ф ? W_ф^доп; d - из стандартного ряда, желательно большего диаметра.

Так, для рассматриваемого примера, если принять n=3, а W_ф=W_ф^доп=20 м/ч, то при Q=200 м³/ч

получим d= 3,56м, что значительно больше максимального диаметра из стандартного ряда (d_max=3,4 м). Увеличивая число фильтров получим при n=6; d=3,18 м. Тогда принимаем диаметр ближайший больший из стандартного ряда, а именно d=3,4 м, получим фактическую скорость фильтрования:

м/ч,

- уравнение регенерации (расхода 100% - го реагента NaCl):

,

- уравнение стоков Na-катионитного фильтра:

расход соли NaCl в сток:

,

расход солей жесткости (CaCl₂ и MgCl₂) в сток:

,

где, Ж_о - общая жесткость осветленной воды, поступающей на Na-катионитный фильтр, мг-экв/л;

E_р - рабочая обменная емкость катионита по катионам жесткости, г-экв/м³;

q_NaCl - удельный расход соли на регенерацию, г/г-экв;

58,5 - эквивалент соли NaCl.

Таблица 9. Основные технологические показатели для Na-катионитных фильтров

Показатели	Обозначение	Величины
		Na1	Na2
Скорость фильтрования при Ж0 до 5,0 мг-экв/л, м/ч	WФ	1015	2530
Интенсивность взрыхления, л/(мІ·с)	i	4	4
Линейная скорость взрыхления, м/ч	WВЗР	14	14
Продолжительность взрыхления, мин	фВЗР	15	15
Скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч	WРР	34	35
Скорость пропуска отмывочной воды, м/ч	WОТ	68	68
Удельный расход отмывочной воды, мі/мі	qОТ	4	4
Концентрация регенерационного раствора, %	СNaCl	68	812
Удельный расход поваренной соли на регенерацию, г/г-экв	dNaCl	170230	350400

Выбор осветлителя

Таблица 10. Характеристики осветлителя

Тип ВТИ	ВТИ-63и	ВТИ-100и	ВТИ-160и	ВТИ-250и	ВТИ-400и
Производительность,м3/ч	63	100	160	250	400
Диаметр, м	4,25	5,5	7	9	11
Общая высота	10,2	10,7	12,2	13,6	14,9

Осветлитель выбираем по производительности: Q_осв=0,8*Q_уст=0,8*200=160м³/ч. Нам подходят два осветлителя: 3 осветлителя ВТИ-63и или 2 осветлителя ВТИ-100и. Выбираем 3 осветлителя ВТИ-63и с производительностью 63 м³/ч, диаметром 4,25 м, общей высотой 10,2 м.

Основные характеристики выбранного оборудования

Наименование	Осветлитель ВТИ-63и	Механический фильтр	Натрикатионитный фильтр
Количество, шт.	3	6	4
d, м	4,25	2,6	3,4
h, м	10,2	4,16	5,1
Ep, мг(экв)/л	-	-	1100
Г, г/м3	-	3	-

Размещено на Allbest.ru

...