Проектирование катионного фильтра

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЦИИ

ФИЛИАЛ  ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МОСКОВСКИЙ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ)"

в г. СМОЛЕНСКЕ

 

КАФЕДРА ПИЩЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовому проекту по дисциплине

"Технологическое оборудование малых и традиционных предприятий"

На тему: "Проектирование катионного фильтра"

 

 

 

Студента  4-го курса, группы ПИ-08    Новикова М.О.

Вариант 9

Преподаватель       Синявский Ю.В.

Кончина Л.В.

 

 

 

 

К защите "_____"  __________ 2012 г.        ____________  Оценка _____

 

 

 

 

 

 

Смоленск, 2012 г. 

КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Специальность: 260602 «ПИЩЕВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ МАЛЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»

Дисциплина: «ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ МАЛЫХ И ТРАДИЦИОННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»

 

 

ЗАДАНИЕ

студент      Новиков М.О.            группа ПИ-08

 

1.Тема: «Проектирование катионного фильтра»

2. Срок представления проекта к защите (14 неделя) «    » _______2012 г.

3.Объем выполнения работы:  6 неделя - 30 %; 12 неделя - 80 %

4.Содержание  расчетно-пояснительной   записки  (перечень  подлежащих разработке вопросов):

1.Технологический расчет фильтра;

1.1. Определение числа фильтроциклов  в сутки;

1.2. Расчет объема аппарата;

1.3. Нахождение внутреннего диаметра  фильтра;

2. Расчет геометрических параметров катионного бака;

2.1. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки;

2.2. Расчет толщины стенки эллиптического днища;

3. Подбор штуцеров и люков;

3.1. Расчет диаметров штуцеров;

3.2. Расчет фланцевого соединения  штуцеров;

3.3. Подбор люков;

3.4. Расчет укрепления корпуса  в местах установки люков и  штуцеров;

4. Расчет опорной арматуры установки;

4.1. Определение массы аппарата;

4.2. Подбор лап (опор);

5. Перечень графического материала:

1. Общий вид фильтра;

2. Фланцевое соединение;

3. Крепление опор;

4. Люк-лаз.

 

Дата выдачи задания:                                             Руководитель:

«     »_______2012 г.                                                   _________________

 

Задание принял к выполнению:                             Студент:

«     »_______2012 г.                                                    _________________ 

Начальные данные

 

Производительность фильтра – 10 м3/ч;

Давление процесса – 0,3 МПа;

Температура – 25°С.

Исходная вода имеет следующие  показатели (табл. 1):

жесткость общая  – 5,35 мг/л

жесткость карбонатная  – 3,22 мг/л

Таблица 1 – ионный состав исходной воды

Содержание в мг/л

Са2+

Сl-

Mg2+

SO42-

Na+

HCO3-

SiO32-

86

62

13

192

21

19.5

8

 

 

Содержание

 

Введение 5

  1. Технологический расчет 7
  2. Расчет толщины стенки аппарата 9
    1. Толщина цилиндрической обечайки 9
    2. Толщина эллиптического днища 12
  3. Расчет штуцеров ввода и вывода воды 13
  4. Подбор люков 14
  5. Укрепление корпуса  15
    1. Эллиптическое днище 15
    2. Цилиндрическая обечайка 17
  6. Расчет фланцев  19
  7. Определение массы аппарата 21
  8. Подбор опор 22

Заключение 23

Список  используемых источников 24

Приложения 25

 

Введение

 

Натрий-катионитные  параллельно-точные фильтры первой ступени (см. рис. 1)  представляют собой вертикальный однокамерный цилиндрический аппарат и состоят из следующих основных элементов: корпуса, верхнего и нижнего распределительных устройств, трубопроводов и запорной арматуры, пробоотборного устройства и фильтрующей загрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Фильтр натрий-катионитовый параллельно-точный 1-ой ступени.

 

Устройство. Стальной цилиндрический корпус с эллиптическим верхним и нижним днищами, днища приварены к цилиндрической обечайке фильтра. Корпус фильтра снабжен верхним люком, предназначенным для загрузки фильтрующего материала и периодического осмотра его поверхности.

В нижней части  обечайки фильтра имеется отверстие  для выгрузки фильтрующего материала  закрытое заглушкой. В центре верхнего днища фильтра проварен фланец, к  которому снаружи присоединен трубопровод, подающий воду на обработку. В центре нижнего днища снаружи приварен патрубок, отводящий отработанную воду.

Фронтовые трубопроводы с запорной арматурой позволяют  осуществлять подвод к фильтру и  отвод из него всех потоков воды и регенерационного раствора в процессе эксплуатации фильтра.

Принцип работы. Исходная вода поступает в фильтр под напором и проходит через слой катионита в направлении сверху вниз. При этом происходит умягчение воды путем обмена ионов кальция и магния на эквивалентное количество ионов натрия-катионитовой загрузки.

Цикл работы фильтра состоит из следующих  операций: умягчение, взрыхление, регенерация, отмывка.

Рабочий цикл фильтра заканчивается, когда жесткость  фильтра начнет превышать 0,1 мг-экв/л. Продолжительность взрыхления 15-30 минут  при интенсивности 3-4 л/м2. Взрыхление предназначено для устранения уплотнения катионита. Регенерация катионита проводится с целью обогащения его ионами натрия и производится 5-8%-ным раствором NaCl. После регенерации в направлении сверху вниз ионообменный материал отмывается от регенерационного раствора и продуктов регенерации.

 

 

  1. Технологический расчет

 

В качестве активного вещества, загружаемого в фильтр, выбираем катионит КУ-2-8.

  1. Рассчитаем суммарную концентрацию катионов, задерживаемых катионитом:

 

где - концентрация катионов в исходной воде (мг/л);

- молярная масса эквивалента  катиона (г/моль);

Исходными катионами  являются ионы кальция, магния и натрия.

 

  1. Определим число фильтроциклов в сутки:

 

где - продолжительность работы установки в течение суток, (две 8-ми часовые смены);

- полезная продолжительность фильтроциклов,  принимаем ;

- продолжительность операций, связанных с регенерацией фильтра,  принимаем .

 

принимаем .

  1. Рассчитаем обменную способность ионообменного фильтра:

 

где - коэффициент эффективности регенерации, в зависимости от удельного расхода серной кислоты на регенерацию катионита, принимаем [4, рис. XIV-17];

- полная обменная способность  катионита, согласно справочным  данным для КУ-2-8 [4, табл. XIV-2];

- удельный расход отмывочной  воды, принимаем .

 

  1. Найдем объем установки:

Исходя из определения числа фильтроциклов

 

где - расход Н-катионированной и частично обессоленной воды на собственные нужды от полезной;

- расход воды за 2 смены;

 

  1. Определим диаметр установки:

Высота слоя катионита, достаточная для предотвращения проскока солей жесткости в фильтрат до окончания заданного рабочего цикла умягчения принимаем согласно рекомендациям [4, стр. 458] . Тогда необходимая площадь рабочих фильтров будет равна:

 

Соответствующий диаметр аппарата:

 

Принимаем внутренний диаметр аппарата в соответствии со стандартными сортаментами: .

 

  1. Расчет толщины стенки аппарата

 

    1. Толщина цилиндрической обечайки

 

Задачей  расчета  является  определение  толщины  стенки  корпуса.  Схема  к расчету приведена на рисунке 2. В качестве исходных данных к расчету  выступают  рассчитанное  допускаемое  напряжение,  определенный  диаметр  обечайки  и давление.

Рисунок 2 – Схема к расчету толщины стенки цилиндрической обечайки

 

Определим исполнительную толщину стенки цилиндрической обечайки:

 

где - расчетная толщина стенки;

- общее значение конструктивной  прибавки;

  1. Найдем расчетную толщину стенки обечайки:

 

где –избыточное давление внутри аппарата;

- внутренний диаметр обечайки;

- коэффициент прочности сварного  шва, при стыковой сварке, с  двухсторонним проваром, выполняемым  автоматической или полуавтоматической  сваркой .

- допускаемое напряжение;

  1. Определим допускаемое напряжение из равенства:

 

где - номинальный предел прочности. Для нержавеющей стали 12Х18Н10Т при работе в интервале температур , ;

 – поправочный множитель,  для сварных стальных изделий  ;

- коэффициент запаса прочности,  для рабочих условий по нижним  критическим напряжениям принимается  .

 

 

  1. Найдем значение конструктивной прибавки:

 

где - поправка на коррозию и эрозию, при проницаемости менее 0,05 мм в год при стойкости к заданной среде (для нержавеющей стали) ;

- прибавка на минусовое  значение предельного отклонения  по толщине листа, из которого  изготавливается аппарат;

- прибавка, учитывающая  уменьшение толщины листа при  гибки, вытяжке.

Так как сумма  и не превышает 5% от расчетной толщины элемента, то влияние деформации изготовления не учитывается.

Окончательно  получим:

 

, примем

Расчетное давление на стенки аппарата:

 

 

    1. Толщина эллиптического днища

 

Выполним  расчет  толщины  стенки  стандартного  эллиптического  днища. Схема к расчету изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема к  расчету толщины стенки эллиптического днища

 

Толщина стенки днища определяется по формуле:

 

где - расчетная толщина стенки

 

где – радиус кривизны в вершине днища, для эллиптического днища с радиус

 

 

 

  1. Расчет штуцеров ввода и вывода воды
Проектирование катионного фильтра