РОССИЙСКИЙ  ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ   УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ  Д.  И.      МЕНДЕЛЕЕВА 

Инженерный  физико-химический  факультет

Кафедра    “Технология изотопов  и водородной энергетики”

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ   ЗАПИСКА

К  курсовому  проекту  на  тему:

“Установка детритизации воды”

 

 

 

Студент   группы  Ф-52       Кожевников А.

Руководитель  проекта      д. х. н., проф.

                                                          Сахаровский Ю.А.

 
 
 
 
 
 

МОСКВА - 2009

Содержание

1. Введение.

2. Расчёт потоков.

3. Выбор оптимальных условий.

      3.1Оптимизация  по температуре при =0,7.

  3.2 Оптимизация  по относительному отбору при  T=50 C.

   4. Принципиальная  схема технологической установки.

5. Описание технологической схемы и работы установки в режиме получения продукта.

   6. Расчёт  теплообменных аппаратов.

     6.1 Обогрев  колонны.

     6.1.1 Высота колонны.

  6.1.2 Толщина  теплоизоляции.

  6.1.3 Определение  потерь тепла с поверхности колонны.

     6.2 Верхний  узел обращения потоков.

     6.3 Холодильник  водорода из нижнего узла обращения потоков.

     6.4 Холодильник кислорода из нижнего узла обращения потоков.

     6.5 Холодильник кислорода перед колонной ФИО.

     6.6 Холодильник  водорода из колонны в ВУОП.

     6.7 Теплообменник после горелки.

     6.8 Подогреватель для исходной жидкости.

     6.9 Холодильник воды из колонны в НУОП.

     6.10 Система очистки кислорода.

     6.10.1 Колонна фазового изотопного обмена.

6.10.2 Осушка на цеолитном фильтре.

     6.11 Избыточный поток кислорода.

     6.12 Холодильник избытка кислорода из ВУОП.

     7. Расчёт  времени выхода на стационар.

     8.1 Расчет энергопотребления.

     8.2 Расчет  металлоемкости.

     8.3 Определение  расходных коэффициентов.

          9. Экономический расчёт.(посчитано не правильно!)

     9.1.1 Расчёт капитальных затрат по проектируемому цеху.

                 9.1.2 Определение стоимости оборудования

     9.2 Вопросы труда и заработной платы.

           9.2.1 Определение баланса времени работы рабочего.

           9.2.2 Определение численности рабочих.

     9.3 Определение годовой потребности в сырье, материалах и энергии.

     9.4 Расчёт амортизационных отчислений.

     9.5 Смета расходов на содержание и эксплуатацию оборудования.

     9.6 Смета цеховых расходов.

     9.7 Калькуляция себестоимости.

     9.8 Структура цеховой себестоимости продукции.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Ведение.

             Тритий – радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,35 лет,  излучающий при распаде мягкое b- излучение. Большое значение трития среди других радионуклидов обусловлено, с одной стороны, сходством его химических свойств с протием, что приводит к тому, что он способен замещать протий в тканях человека,  а с другой стороны тем, что его выбросы в атмосферу и воды рек и морей неуклонно увеличиваются.

            Для решения проблемы очистки  от трития легководных отходов  с целью их сбрасывания в  окружающую среду с одновременным  сокращением объема тритий содержащих отходов за счет получения тритиевого концентрата предполагается использовать установку изотопного обмена в системе вода - водород, состоящей из 5 независимых модулей, каждый из которых рассчитан на очистку 20 литров воды в час. Модуль состоит из 2х колонн, первая колонна работает по закрытой схеме, а вторая по открытой схеме с нижним узлом обращения потоков, в качестве которого используется электролизер. Режим работы такой установки непрерывный.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Расчёт потоков_.

Расчёт потоков осуществим исходя из уравнения материального баланса по колонне:

F=P+B;

F=20 кг/час. При времени работы установки 345 дней в году.

 

Концентрация трития в питающем потоке 10^-4 Ки/кг, в электролизёре первой колонны – 10^-3 Ки/кг, в отвальном потоке первой колонны 10^-7 Ки/кг. Концентрация трития в электролизёре второй колонны – 1 Ки/кг.

Определим неизвестные  значения потоков:

P= 

кг/час;

B=

кг/час.

3. Выбор оптимальных  условий

Оптимальные условия находим исходя из минимальных размеров установки.

  3.1Оптимизация  по относительному отбору при t =333  K

  Формулы, используемые для расчёта:

  для концентрирующей  части колонны:

  отношение потоков:

  1- ,

      ,

     ЧТСР:

   ;

  для исчерпывающей  части колонны:

  отношение потоков:

   ,

      ,

     ЧТСР:

   ;

Высота колонны:

H= ;

Поток воды в исчерпывающей части колонны:

;

Поток водорода:

;

Поток паров воды:

;

Поток газа по колонне:

;

Диаметр колонны:

;

Объём колонны:

.

 
 
 
 

     Результаты  сведены в таблицу 1.

Таблица оптимизации  для первой колонны

 

Зависимость объёма колонны от относительного отбора для первой колонны приведена на рис. 1

      

                   Рис. 1

 
 

  При этих условиях (t=60⁰С, θ=0,7) параметры первой колонны:

  α=5,218 ;

  L=2454 моль/час=44,18 кг/час - поток жидкости в концентрирующей части;

  G=2345,6 моль/час=4,69 кг/час – поток водорода;

  L_и=957,6 моль/час = 17,24 кг/час  - поток жидкости в исчерпывающей части;

  G(H₂O)=431,3 моль/час=7,76 кг/час – поток воды в виде пара по колонне;

  n_и=7 ступеней

  n_к=2,08 ступеней

  n_Σ=9,08 ступеней

  d=0,34 м

  h_э=0,6 см

  H=5,4 м

  V=0,494 м3

  G(O₂)=35,154 моль/час – поток избыточного кислорода

  Параметры второй колонны:

  α=5,218 ;

  L=138,9 моль/час=2,5 кг/час - поток жидкости в концентрирующей части;

  G=138,7 моль/час=0,28 кг/час – поток водорода;

  G(H₂O)=27,1 моль/час=0,49 кг/час – поток воды в виде пара по колонне;

  n_к=4,9 ступеней

  n_Σ=4,9 ступеней

  d=0,09 м

  h_э=0,6 см

  H=2,94 м

  V=0,019 м3

 
 

  4. Принципиальная  схема технологической установки.

   Принципиальная схема представлена на рис. 2.

5. Описание технологической схемы и работы установки в режиме получения продукта.

      Основными узлами установки являются:

 Колонна изотопного  обмена с концентрирующей и  исчерпывающей частями.

 Колонна изотопного обмена без исчерпывающей части.

 2 Электролизёра – нижний узел обращения потоков.

 Горелка – верхний узел обращения потоков.

 Емкость для  сырья.

 Подогреватель  сырья.

Вентиль регулировки  потока питания.

Емкость для сбора  продукта.

Вентиль регулировки  потока продукта.

Холодильники воды.

Холодильники водородной линии.

Холодильник водорода.

 Холодильник воды.

Подогреватель сконденсированной  воды.

 Жидкостные насосы.

Электролизер для  получения избыточного кислорода.

Холодильники кислородной линии.

 Колонна фазового изотопного обмена.

Емкость для отвала.

 

      Сырьевой поток(поток питания) поступает в емкость Е1, из этой емкости через регулирующий вентиль ВР2 поступает в подогреватель Х4, а затем в концентрирующую часть колонны, где объединяется с потоком воды,приходящим из исчерпывающей части колонны. Пройдя укрепляющую часть колонны вода, пройдя через холодильник Х3, поступает в электролизёр Э1, при этом часть потока отбирается и направляется во вторую колонну для доконцентрирования. Выходящий поток водорода через холодильник Х2, в котором конденсируются пары воды и под действием силы тяжести отделяются капли жидкости, смешивается с потоком водорода из второй колонны и поступает в нижнюю часть колонны изотопного обмена. Пройдя укрепляющую и исчерпывающую части колонны поток водорода направляется через холодильник Х5 на газовую горелку Г сжигания. Вода из горелки охлаждается в холодильнике Х6 до температуры колонны. Сконденсированные пары воды из холодильника Х5 объединяются с потоком воды, орошающим колонну. Для полноты сжигания потока водорода используется кислород из электролизёра Э1, избыточный кислород из электролизёра Э3 и кислород из электролизёра Э2. Поток кислорода из электролизёра Э1 проходит через холодильник Х1, далее проходит через колонну фазового изотопного обмена и, смешиваясь с избыточным кислородом из электролизёра Э3 и электролизёра Э2, поступает в горелку. Избыток дополнительного кислорода пройдя холодильник Х7 сбрасывается в атмосферу. Продукт отбирается в виде воды, которая стекает из горелки, в емкость Е2, откуда уже ее можно удалить в слив канализации. В низу колонны второй колонны тоже осуществляется отбор в емкость Е5. Принципиальная схема технологической установки представлена на рис. 2.

В данной схеме используется рекуперация тепла для экономии энергии и теплоносителя. Холодная вода снимает тепло химической реакции образования воды в ВУОП, направляется в емкость, из которой жидкость подается с помощью насосов на нагрев колонн и нагрев исходной воды. Более подробно тепловая схема представлена в расчётах теплообменных аппаратов.

 
 
 
 

  6. Расчёт теплообменных аппаратов.

  6.1 Обогрев  первой колонны.

        6.1.1 Высота первой колонны.

Найдём высоту колонны. Высота насадочной части- 5.4 м. Заполняем колонну катализатором и насадкой послойно. Слой катализатора-2 мм, слой насадки-8мм. Высота насадки в концентрирующей части- 1.248м, соответственно исчерпывающей-4.152м. Колонна состоит из царг, 1-концентрирующая часть, 2-исчерпывающая. Полная высота колонны составит ( )=6 м. В концентрирующей царге верх заполняется 10 см СПН, а низ 30 см СПН. А в царгах, создающих исчерпывающую часть, верх заполняем 15 см СПН и низ 15 см СПН.

        6.1.2 Толщина теплоизоляции первой колонны.

Толщину тепловой изоляции находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

  

,

где -коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/( ); -температура изоляции со стороны аппарата; -температура окружающей среды; -коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/( );  -температуру изоляции со стороны окружающей среды примем 35⁰С, т. к. колонна работает в закрытом помещении.

     Рассчитаем  толщину тепловой изоляции: Вт/( ).

В качестве материала  для тепловой изоляции выберем совелит. =0.09 Вт/( ). Тогда получим

 м.

  6.1.3 Определение  потерь тепла с поверхности первой колонны через теплоизоляцию.

Площадь теплопередачи:

Количество потерянного  тепла:

Вода, подающаяся в  рубашку, понизиться до температуры 60 ˚С. Расход нагревающей воды находим из уравнения теплового баланса:

  

  6.2 Верхний  узел обращения потоков.

        В верхнем узле обращения потоков  происходит химическая реакция:

  

  и потом пары полученной воды конденсируются. Т. о. тепловой эффект данного процесса складывается из теплового эффекта химической реакции образования воды при 100⁰С, конденсации этих паров при 100⁰С и охлаждения воды от 100 до .

    моль/час.

   -286 кДж/моль,

    кВт,

    кВт,

    Вт,

    кВт.

  Снимаем это  тепло водой 7⁰С до 70⁰С. Поток этой воды:

   кг/с=2922 кг/час,

  Весь этот поток направляем в емкость Е4, откуда она уже с помощью насосов подается на обогрев колонны и на обогрев исходной жидкости.

   ,

   ⁰C,

  Площадь теплообмена  находим по уравнению теплопередачи:

   ,

  K=2000 (газ-жидкость),

    м².

  6.3 Холодильник  водорода из нижнего узла обращения  потоков (1).

  В этом холодильнике водород охлаждаются от 70⁰С до температуры колонны (60⁰С) и конденсируются пары воды.

  Количество воды в парах водорода при 60⁰С:

    кг/сек,

  при 90⁰С:

,

т. о. в теплообменнике конденсируется   =2*10^-3 кг/с .

Тепло, выделившееся при конденсации этого количества воды при t_ср=65⁰С:

 кВт.

Тепло, которое надо отвести при охлаждении водорода:

 Вт.

 кВт.

  Снимаем это  тепло водой 7⁰С до 40⁰С. Поток этой воды:

  

   ,

   ⁰C,

  Площадь теплообмена  находим по уравнению теплопередачи:

   ,

  K=30 (газ-жидкость),

    м².

 

  6.4 Холодильник  кислорода из нижнего узла  обращения потоков(1).

  В этом холодильнике кислород охлаждаются от 70⁰С до 25⁰С и конденсируются пары воды.

  Количество воды в парах водорода при 70⁰С:

    кг/час,

  при 25⁰С:

   ,

  т. о. в теплообменнике конденсируется = 2,13*10^{-3 кг}/с .

  Тепло, выделившееся при конденсации этого количества воды при t_ср=48⁰С:

    кВт.

  Тепло, которое  надо отвести при охлаждении кислорода:

    Вт.

    кВт.

  Снимаем это  тепло водой 7⁰С до 40⁰С. Поток этой воды:

  

   ,

   ⁰C,

  Площадь теплообмена находим по уравнению теплопередачи:

   ,

  K=30 (газ-жидкость),

    м².

  6.5 Холодильник водорода, выходящего из колонны.

  В этом холодильнике водород охлаждаются от 60⁰С до 13⁰С и конденсируются пары воды.

  Количество  воды в парах водорода при 60⁰С:

    кг/сек,

  при 13⁰С:

   ,

  т. о. в теплообменнике конденсируется =2,4*10^{-3  кг}/с .

  Тепло, выделившееся при конденсации этого количества воды при t_ср=35⁰С:

    кВт.

  Тепло, которое  надо отвести при охлаждении водорода:

    Вт.

  Тепло, которое  надо отвести при охлаждении воды:

    Вт.

    кВт.

  Снимаем это  тепло водой 7⁰С до 40⁰С. Поток этой воды:

  

   ,

   ⁰C,

  Площадь теплообмена  находим по уравнению теплопередачи:

   ,

  K=30 (газ-жидкость),

    м².

  6.6 Теплообменник после горелки.

    кВт.

  Снимаем это  тепло водой 7⁰С до 20⁰С. Поток этой воды:

  

   ⁰С.

  K=350 (жидкость-жидкость),

    м².

  6.7 Подогреватель для исходной воды.

  Исходную воду нагреваем до 60⁰С и направляем в колонну. Тепло, необходимое на нагрев:

    кВт.

  Нагреваем водой 70⁰С до 40⁰С.

  

   ⁰С.

  K=350 (жидкость-жидкость),

    м².

  6.8 Холодильник воды в НУОП(1).

Воду охлаждаем  до 20⁰С и направляем в НУОП. Тепло, необходимое на нагрев:

    кВт.

  Снимаем это  тепло водой 7⁰С до 20⁰С. Поток этой воды:

  

   ⁰С.

  K=350 (жидкость-жидкость),

    м².

 

  6.9 Холодильник избытка кислорода из ВУОП.

  В этом холодильнике пары кислорода охлаждаются от 80⁰С до 13⁰С  и конденсируются пары воды.

  Количество  воды в парах кислорода при  13⁰С:

   ,

  при 80⁰С:

   ,

  т. о. в теплообменнике конденсируется =1,17*10^-4 кг/сек.

  Тепло, выделившееся при конденсации этого количества воды при t_ср=50⁰С:

    Вт.

  Тепло, которое  надо отвести при охлаждении кислорода:

   Вт.

    Вт.

  Пусть охлаждающая  вода нагревается с 7⁰С до 10⁰С. Расход этой воды:

    кг/с=78,8 кг/ч.

   ⁰C,

  K=30 (газ-жидкость),

    м².

  6.12 Избыточный поток кислорода.

  В ВУОП водород  должен гореть в избытке кислорода, поэтому ставим дополнительный электролизёр. В электролизер подаем воду природного состава. Примем избыток кислорода 3%. Тогда

   моль/сек,

  Количество  воды, которое надо подавать на электролизёр:

   моль/сек=70,3моль/час.

  Производительность  электролизера по водороду

  G(H₂)=1574 л/час

 
 
 

        6.13.1 Высота второй колонны.

Найдём высоту колонны. Высота насадочной части-  2,94 м. Заполняем колонну катализатором и насадкой послойно. Слой катализатора-2 мм, слой насадки-8мм. Полная высота колонны составит ( )=3 м. В концентрирующей царге верх заполняется 10 см СПН, а низ 30 см СПН.

        6.13.2 Толщина теплоизоляции.

Толщину тепловой изоляции находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

  

,

где -коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/( ); -температура изоляции со стороны аппарата; -температура окружающей среды; -коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/( );  -температуру изоляции со стороны окружающей среды примем 35⁰С, т. к. колонна работает в закрытом помещении.

     Рассчитаем  толщину тепловой изоляции: Вт/( ).

В качестве материала  для тепловой изоляции выберем совелит. =0.09 Вт/( ). Тогда получим

 м.

  6.13.3 Определение потерь тепла с поверхности первой колонны через теплоизоляцию.

Площадь теплопередачи:

Количество потерянного  тепла:

Вода, подающаяся в  рубашку, понизиться до температуры  60 ˚С. Расход нагревающей воды находим из уравнения теплового баланса:

  

 

  6.14 Холодильник водорода из нижнего узла обращения потоков(2).

  В этом холодильнике водород охлаждаются от 70⁰С до температуры колонны (60⁰С) и конденсируются пары воды.

  Количество  воды в парах водорода при 60⁰С:

    кг/сек,

  при 70⁰С:

,

т. о. в теплообменнике конденсируется   =0,11*10^-3 кг/с .

Тепло, выделившееся при конденсации этого количества воды при t_ср=65⁰С:

 Вт.

Тепло, которое надо отвести при охлаждении водорода:

 Вт.

 Вт.

  Снимаем это  тепло водой 7⁰С до 40⁰С. Поток этой воды:

  

   ,

   ⁰C,

  Площадь теплообмена находим по уравнению теплопередачи:

   ,

  K=30 (газ-жидкость),

    м².

 

  6.15 Холодильник кислорода из нижнего узла обращения потоков(2).

  В этом холодильнике кислород охлаждаются от 70⁰С до 25⁰С  и конденсируются пары воды.

  Количество  воды в парах водорода при 70⁰С:

    кг/сек,

  при 25⁰С:

   ,

  т. о. в теплообменнике конденсируется = 0,12*10^{-3 кг}/с .

  Тепло, выделившееся при конденсации этого количества воды при t_ср=48⁰С:

    Вт.

  Тепло, которое  надо отвести при охлаждении кислорода: