Расчёт процессов и аппаратов для ВПУ паровых котлов среднего давления

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: 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 м 3/ч.

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	4,3	3,0	2,8	13,5	25,5	-	10	-	3,3	8,3

Проверка анализа исходной воды выполняется по уравнению электронейтральности:

,

4,3 + 2,8/23=3,3 + 13,5/48 + 25,5/35,5

4,42?4,3.

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

=2,71 % > 2 %

Так как сумма катионов больше суммы анионов, то корректируем

[= - Що - [Cl-] - [

Жо + [Na+] = Що + [ + [Cl-]

4,3 + 2,8/23 = 3,3 + 0,4 + 25,5/35,5

[ = 4,42 - 3,3 - 25,5/35,5 = 0,4 мг(экв)/л

Ош==0%<2%

ЖCa2+=[Сa2+] Жо=[Сa2+]+[Mg2+]= ЖCa2++ ЖMg2+ => [Mg2+]= ЖMg2+ = Жо- ЖCa2+=1,3 мг(экв)/л

[HCO3- ]=Що= Жк=3,3 мг(экв)/л

Жо=Жк+Жнк => Жнк= Жо- Жк=1,0 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 гI и гII.

=0,5(Сi zi2)=0,5([Ca2+](Z Ca2+)2+ [Mg2+](Z Mg2+)2+[Na+](Z Na+)2+[SO42-](Z SO2-)2+[Cl-](Z Cl-)2 +[HCO3-](Z HCO-)2)=0,5(1,5Ч22+0,65Ч22+0,122Ч12+0,141Ч22+0,718Ч12+3,3Ч12)=13,304Ч10-3

,

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

Для нашего случая м=13,304Ч10-3; гI=0,888; гII=0,621. Равновесная концентрация углекислоты определяется равновесием следующих химических реакций:

Н 2СО 3 НСО 3- + Н+,

НСО 3- СО 32- + Н+,

СО 32- + Ca2+ CaСО 3 v(тв).

,

pH=7; ан+=10-7

Равновесная концентрация углекислоты равна:

моль/л

где КI и КII - 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: Н 2СО 3 НСО 3- + 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	3,0 1,5	1,3 0,65	0,122 0,122	0,281 0,141	0,718 0,718	3,3 3,3	0,333 0,167

Для нашего случая: = 1,8моль/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. вода электропроводность углекислота

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

Ом-1·см-1·экв-1;

Ом-1·см 1·экв-1;

Ом-1·см-1·экв-1;

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

Кt = 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 ЩО > 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 Дк=0,07•Ок=0,07•8,3=0,6 мг-экв/л показатели качества осветленной воды будут следующими:

- окисляемость - Окосв=0,6•8,3=4,98 мгО/л;

- щелочность: общая ЩО=0,8 мг-экв/л;

гидратная ЩГ=0,2 мг-экв/л;

карбонатная ЩК=0,6 мг-экв/л;

- жесткость общая Жоосв=Щоосв+ЖНКисх+ДК=0,8+0,74+0,72=2,26 мг-экв/л;

- сульфаты [SO42-]осв=[SO42-]исх + ДК=0,281+0,6=0,881 мг-экв/л;

- взвешенные вещества - 2 мг/л;

- рН - 10 ед.рН;

- натрий - 0,122мг-экв/л;

- хлориды - 0,718 мг-экв/л;

-ЖоОсв = ЩоОсв + Жнк + Дк = 0,8+1,0+0,6=2,4 мг-экв/л

- Ж Са 2+осв = Жоосв+ Ж Mg2+осв =2,4 - 0,65=1,75 мг-экв/л;

- Ж Mg2+осв =0,5•Ж Mg2+исх=0,5•1,3=0,65 мг-экв/л.

Проверка ионного состава примесей по уравнению электронейтральности дает ошибку:

Расчетная (требуемая) величина дозы извести, вводимой в обрабатываемую воду (Дитр, мг-экв/л), определяется по уравнению

при выражении всех концентраций в мг-экв/л.

При этом избыток извести (iи) можно принять равным гидратной щелочности осветленной воды (Щг): iи= Щг=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; [Са 2+]исх, [Са 2+]осв - концентрация катионов кальция в исходной и в осветленной воде, мг/л;

- фактическая доза извести, мг-экв/л,

мг-экв/л,

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

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

Qисх - расход воды через осветлитель, м 3/ч.

Основной характеристикой химического состава шлама, показывающей отношение Mg(OH)2/СаСО 3, 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 СаСО 3 в известковом молоке, мг/л; можно принять с/а=0,05).

=0,09952.

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 - ЖoNa=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:

Жo=0,1 мг-экв/л; [Na+]=0,122+2,4=2,522 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	4,3 2,4 2,4 0,1	0,122 0,122 0,122 2,122	0,281 0,881 0,881 0.881	0,718 0,718 0,718 0,718	3,3 0,8 0,8 0,8	7 10 10 10	10 2 <1 <1	8.3 4,98 4,98 4,98

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/(м 2·с)	i	1013
Время взрыхления, мин	фвзр.	57
Удельная грязеёмкость, кг/м 3	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 Wфдоп - 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:

м 3/ч,

где Vзагр - объем загрузки фильтрующего материала в одном фильтре;

Г - удельная грязеемкость загрузки, кг/м 3 (по табл. 7.);

Q - расход обрабатываемой воды на все фильтры, м 3/ч;

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

Т - время работы фильтра между промывками, ч;

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

Wф - фактическая скорость фильтрования воды, м/ч;

d - диаметр установленных механических фильтров, м;

i - интенсивность взрыхления, л/(м 2?с).

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

Так, для рассматриваемого примера, если принять n=3, а Wф=Wфдоп=10м/ч, то при Q=300 м 3/ч

получим d=6,2 м, что значительно больше максимального диаметра из стандартного ряда (dmax=3,4 м). Увеличивая число фильтров получим при n=7; d=2,8 м. Тогда принимаем диаметр ближайший больший из стандартного ряда, а именно d=3 м, получим фактическую скорость фильтрования:

м/ч.

м 3/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, м 3;

- 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=ЖоОсв-ЖоNa=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; Wф ? Wфдоп; d - из стандартного ряда, желательно большего диаметра.

Так, для рассматриваемого примера, если принять n=3, а Wф=Wфдоп=20 м/ч, то при Q=300 м 3/ч

получим d=4,4 м, что значительно больше максимального диаметра из стандартного ряда (dmax=3,4 м). Увеличивая число фильтров получим при n=6; d=2,2 м. Тогда принимаем диаметр ближайший больший из стандартного ряда, а именно d=2,6 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, Жо - общая жесткость осветленной воды, поступающей на Na-катионитный фильтр, мг-экв/л;

Eр - рабочая обменная емкость катионита по катионам жесткости, г-экв/м 3;

qNaCl - 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 Ж 0 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, м 3/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: Qосв=0,8*Qуст=0,8*300=240м 3/ч. Нам подходят два осветлителя: 3 осветлителя ВТИ-63и или 2 осветлителя ВТИ-100и. Выбираем 3 осветлителя ВТИ-63и с производительностью 63 м 3/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	7	6
d, м	4,25	3	2,6
h, м	10,2	1	1
Ep, мг(экв)/л	-	-	1100
Г, г/м 3	-	3	-

Размещено на Allbest.ru