Разработка системы газоочистки для технологии переработки жидких САО методом СВЧ-нагрева

1 – обмотка; 2 – якорь; 3 – шток; 4 – упор.

Рисунок 3 – Ударное устройство

 

Данная конструкция, состоящая из обмотки электромагнита 1, якоря 2 и штока 3. При создании в обмотке импульса электрического тока якорь втягивается внутрь обмотки и ударяется об упор, 4 , жёстко закреплённый на штоке, который передает усилие на пакет фильтрующих элементов. В результате удара якоря об упор фильтрующий материал «встряхивается» и пыль за счёт сил инерции отделяется от металлоткани.

В фильтрах БАРК объем, в котором происходит процесс фильтрации, на порядок меньше, чем в фильтрах, регенерирующихся с помощью отдувки сжатым воздухом. Компактность фильтров БАРК позволила устанавливать их в технологических камерах и там же производись выгрузку уловленной пыли, сборку и разборку фильтров с помощью рабочих перчаток.

Разработанный опытно – промышленный образец БАРК, имеет следующую техническую характеристику:

• производительность фильтра – 150-200 м³/ч;
• площадь фильтрации – 1,2 м²;
• фильтрующий материал – сетка тканая № 450,ТУ-14-4698-76;
• температура на входе в фильтр – до 773 К;
• аэродинамическое сопротивление -0,6-2,5 кПа;
• габаритные размеры рабочего объёма фильтра – 840х450х36 мм.

Для отделения твердой фазы при работе установки СВЧ  в качестве газоочистного аппарата выбираем фильтр БАРК с производительностью ≈200 м³/ч.

При расходе  очищаемого воздуха 60м³/ч и площадью фильтрации МТФ 1,2 м³ линейная скорость фильтрации составит 1,4 см/с.

Из литературных данных известно, что эффективность очистки газа от пыли фильтром БАРК при такой скорости фильтрации составляет величину не менее 99,9%(К_оч= 1000).

Ранее проведёнными расчётами показано, что концентрация поступающей на МТФ твёрдой фазы равна 0,15г/м³. Таким образом, можно сделать вывод, что концентрация твёрдой фазы на выходе после МТФ будет не существенной.

При улавливании МТФ твёрдой  фазы на металлосетке образуется автофильтрующий  слой с увеличением, которого возрастает эффективность очистки. В свою очередь с ростом автофильтрующего слоя будет возрастать эффективность улавливания тонкодисперсных альфа-активных аэрозолей. Таким образом на основании опыта эксплуатации (на заводе 235) МТФ коэффициент очистки альфа-активных аэрозолей можно принять равным 10.

 

3.6 Барботёр-холодильник

Для очистки отходящих газов  от тонкодисперсных аэрозолей на волокнистых фильтрах необходимо предварительно сконденсировать пар и охладить газ до температуры около 35^оС. Это можно осуществить с помощью различных аппаратов-холодильников. На заводе 235 ФГУП «ПО «Маяк» для охлаждения газовой фазы с печи остекловывания ВАО успешно используется специальный аппарат – барботёр-холодильник. В связи с тем, что температура и расход отходящих газов с установки  
СВЧ-нагрева ниже, чем на печи остекловывания, в разделе 4 выполнены тепловой и контруктивные расчеты и произведен выбор наиболее подходящей для данного случая конструкции барботера-холодильника приложение В.

Барботер-холодильник представляет собой цилиндрический аппарат, в  котором газ охлаждается с помощью рубашки.

Парогазовая смесь поступает в  аппарат через трубу для входа  газа 1 в середину кубовой части  под распределительную решетку 6. Затем дробясь в отверстиях решетки, она проходит через слой жидкости в кубовой части аппарата, где происходит ее охлаждение и конденсация водного пара. Тепло отводится с помощью охлаждающей воды, поступающей в охлаждающую рубашку через штуцер 7 и выходящей через штуцер 8.

Аппарат имеет также штуцер 4 для  подачи воды при заполнении его в  начальный момент, а в дальнейшем и для подачи десорбирующего раствора. Объем жидкости в аппарате во время работы происходит за счет конденсата, образующегося при конденсации пара из парогазовой смеси. Слив сконденсировавшейся жидкости осуществляется через фонарь 9. Для контроля за работой аппарата имеются штуцера 3,6 для установки датчиков замера температуры. Температура газа измеряется над кубовой частью и на выходе его из барботера-холодильника. Кроме того имеется сигнализатор рабочего уровня жидкости 5 и труба для опорожнения аппарата 10.

Кроме охлаждения парогазовой фазы в барботёре-холодильнике происходит частичное улавливание оксидов  азота. Поглощение диоксидов азота  тёплой водой осуществляется по реакции:

3NO₂ + Н₂О → 2HNO₃ + NO

Плохо растворимый в воде NO, соединяясь с кислородом воздуха, образует NO₂ [17].

2NO + О₂ → 2NO₂

При прохождении через барботер-холодильник  радиоактивных горячих парогазовых  смесей, наряду с охлаждением газа и поглощением оксидов азота, в нем также происходит частичное  улавливание альфа-активных аэрозолей. Исходя из опыта эксплуатации барботера-холодильника в системе очистки отходящих газов электропечи цеха остекловывания ВАО завода 235, его эффективность очистки по радиоактивным аэрозолям составляет около 80% (К_оч=5).

3.7 Фильтр тонкой очистки

Среди  рассмотренных в литературном обзоре фильтров тонкой очистки наиболее простыми по конструктивному изготовлению, а так же установке их в технологической схеме системы газоочистки являются стеклобумажные фильтры. Кроме того, согласно НП-021-2000 «Обращение с газообразными отходами» аэрозольные фильтры и материалы, используемые при их изготовлении, не должны поддерживать горения. В настоящее время на ФГУП ПО «Маяк» используются  стеклобумажные фильтры основным элементом, в которых являются стеклобумажные модули, встроенные в корпуса фильтров Петрянова. Для нового производства возможно применение корпуса типа диффузор-конфузор. В таком корпусе возможно снаряжение фильтра модулями на основе стеклобумаги. Эти модули выпускаются ЗАО «Фильтр» различных размеров и класса. При расчёте суммарной эффективности системы газоочистки для установки СВЧ было показано, что она должна составлять величину 99,98%(К_оч=3∙10⁵). Следовательно коэффициент очистки стеклобумажного фильтра должна быть 6∙10³( =99,983).

 отсюда

при

В соответствии с ГОСТ Р51251-99 такой  коэффициент очистки могут обеспечить фильтры высокой эффективности  класса Н14 ( =99,995) ЗАО «Фильтр» выпускает модули такого класса различных размеров, а соответственно и производительность.

3.8 Технологическая схема

На основании литературного обзора и пунктов 3.1-3.3 предлагается аппаратурно-технологическая схема узла газоочистки, представленная в приложении А.

Схема газоочистки парогазовой смеси для высокотемпературного СВЧ-процесса состоит из двух фильтров МТФ (основного и резервного), барботера-холодильника, ловушки и фильтра тонкой очистки на основе стеклобумаги. Побудителем расхода воздуха является эжектор. Избыточный конденсат из барботера-холодильника и ловушки через гидрозатвор собирается в приемной емкости.

Парогазовая смесь, поступающая с установки СВЧ, попадает на МТФ, где происходит очистка  от крупнодисперсных частиц твердой  фазы. Далее газ поступает в  барботер-холодильник, в котором  происходит его охлаждение и конденсация  содержащейся в нем влаги. Кроме того, при барботаже в конденсате барботера-холодильника будут частично улавливаться оксиды азота. Капельная влага, уносимая с газовым потоком из барботера-холодильника, отделяется в ловушке. Конденсат из ловушки и барботера-холодильника через  гидрозатвор сливается в приемную емкость. Окончательная очистка газовоздушной смеси происходит на стеклобумажном фильтре.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Тепловой расчёт

Исходные данные для расчета:

Объем отходящих газов при н.у., V_S     60м³/ч

Начальная температура парогазовой смеси,t_вх   400 °С

Конечная температура газа, t_вых      35 °С

Общее давление парогазовой смеси, p    0,9кгс/см²

1. Отходящие газы с установки  СВЧ-нагрева согласно данным таблицы 2 имеют следующий состав: N₂ (59 % об.); NO₂ (4 % об.);  
O₂ (7 % об.); CO₂ (11,7 % об.)

Объёмная доля каждого компонента смеси вычисляется по формуле:

где    – объём данного газа;

          –    исходный объём пылегазовой смеси;

           –       объёмная доля.

Находим объемы каждого газа в смеси:

 

Объем кислорода О₂:

Объем азота N₂:

Объем диоксида азота NO₂:

Объем углекислого газа СО₂:

Находим массу каждого компонента смеси, исходя из молярной массы и  объема, который занимает 1 моль газа при н.у. (22,4 л):

Масса кислорода:

32 г/моль – 22,4 л/моль

     г/ч – 4200 л/ч

 

Масса азота:

28 г/моль – 22,4 л/моль

      г/ч – 35400 л/ч

 

Масса диоксида азота:

46 г/моль – 22,4 л/моль

   г/ч –2400 л/ч

 

Масса углекислого газа:

44г/моль – 22,4 л/моль

   г/ч –7020 л/ч

 

Масса неконденсирующихся газов:

 

Средняя весовая теплоёмкость неконденсирующихся газов при температуре:

 

  теплоёмкости газов при [18]

Количество тепла, выделяемое при  охлаждении неконденсирующихся газов  с 400^оС (673 К) до 35^оС (308 К): 

 

2 .Количество тепла, выделяемое при конденсации водяного пара и охлаждении его конденсата до 35^оС:

,

где G_П - количество водяного пара, поступающего в барботер-холодильник, кг/ч;

С_П - теплоемкость пара при температуре  , кДж/кг·К

 t_кон - температура конденсации пара,100^оС;

i₁ - теплосодержание пара при 100 °С, 2671 кДж/кг [18];

i₂ - теплосодержание пара при 35 °С, 2562 кДж/кг [18];

m₁ - количество конденсирующего пара, кг/ч;

r₁ - теплота конденсации пара при 35 °С, 2416 кДж/кг [18].

Для дальнейших расчетов необходимо знать количество конденсирующегося  пара (m₁). Поскольку, по данным, полученным для лабораторной СВЧ-установки, с 1 л исходного раствора испаряется 900 г Н₂О, то при расходе исходного раствора 15 л/ч количество испарившейся влаги составит 13,5 кг/ч (G_п).

где X₃₅ - влагосодержание газа при 35 ^оС.

где   - парциальное давление водяного пара в газе при 35 ^оС, 0,056 кгс/см² [18];

р  - общее давление парогазовой смеси, 0,9 кгс/см²;

М_П, М_г - молекулярные веса пара и газа;

М_П = 18 г/моль.

Следовательно

 кг/кг сухого газа

Тогда

 

3. Суммарное количество тепла,  выделяемое при охлаждении парогазовой  смеси с 400 ^оС до 35 ^оС.

4. Поверхность теплообмена рассчитывается по формуле:

где   - количество тепла, отдаваемого парогазовой смесью при охлаждении, 81242 кДж/ч;

- средняя разность температур, ^оС;

   - коэффициент теплопередачи в барботажном слое, 
4180 кДж/м²×ч×°С [19].

Средняя разность температур вычисляется по формуле:

       Схема противотока:

          где числа          

         

 

 

5. Необходимое количество воды для охлаждения рассчитываем по формуле:

 

где    – общее количество тепла, 81242 кДж/ч;

 – теплоемкость воды, 4,18 кДж/кг×°С;

 – температура охлаждающей воды на входе в барботер, 25 °С;

 – температура охлаждающей воды на выходе из барботера, 35 °С.

4.2 Конструктивный расчет

1. Расчет диаметра барботера-холодильника.

Объём парогазовой смеси на входе  в барботёр – холодильник:

где   - исходный объём парогазовой смеси при н. у. (p_о = 1,033 кгс/см², 
t_о = 273 К)., м³/ч;

t_вх - температура парогазовой смеси на входе в барботер, К;

р - давление парогазовой смеси в барботере, кгс/см².

Принятая скорость газа в барботёре-холодильнике - 1м/с, ,тогда

 

2. Расчет количества отверстий в распределительной решетке.

Принимаем, что парогазовая смесь  перед распределительной решёткой в барботёре-холодильнике охлаждается до равновесной температуры. Тепло, выделившееся при охлаждении парогазовой смеси от t = 400^oC до равновесной температуры, идёт на испарение Н₂О.

Начальное влагосодержание газа перед  барботёром-холодильником:

При данном влагосодержании парциальное  давление пара:

По таблице [19] такому парциальному давлению соответствует t_р = 65^оC.

Количество тепла, выделившегося  при охлаждённой парогазовой  смеси:

где    – масса неконденсирующихся газов,69кг/ч;

       – количество водяного пара поступающего в барботёр холодильник 13,5кг/ч;

       - средняя весовая теплоёмкость 1,08 кДж/кг·К;

       - теплоёмкость пара при t_ср, 1,92 кДж/кг·К;

        t_p – равновесная температура 65^оС.

Количество пара, образованного  за счёт охлаждения парогазовой смеси:

где  [19].

Влагосодержание газа под распределительной  решёткой:

Парциальное давление паров воды под  распределительной решёткой:

Такому парциальному давлению соответствует  температура t_p = 75^оС [19].

Суммарный парогазовый поток под  распределительной решёткой:

Объём парогазовой смеси при  t_р =75^оС:

Принимаем скорость в отверстиях распределительной  решётки: