Сорбционная установка для очистки вод от радионуклидов

НК- высота слоя сорбента

 DК- диаметр колонны

V- объем колонны

3. Расчет высоты сорбента

Н = D . 3,5

H = 900 .  3,5 = 3150 мм

 

4. Согласно приложению 8.2 [1 с.289] принимаем следующие параметры анионита АВ-17-8:

- Полная обменная емкость: Х0=4,0 ммоль-экв/г

- удельный объем V0=2,5см3/г

- средний диаметр гранулы 0,9 мм

- насыпная плотность  700 кг/м3

 

4.1. Уравнение изотермы сорбции

Константа равновесия в системе анионит АВ-17-8- ионы урана [2] на основе закона действующих масс:

                                                                                     (1)

 Х0=4,0.235.10-3=0,94кг/кг, Сн=13,6

 Подставим приведенные значения концентраций и константы равновесия в уравнение (1), получим:

 

4.2. Скорость потока жидкости

Фиктивную скорость жидкости в псевдоожиженном слое находят из уравнения, связывающее критерии Re, Ar с порозностью слоя :

                                                                   (2)

Порозность слоя в ионообменных аппаратах с псевдоожиженном слое можно определить из данных эксплуатации промышленных ионообменных установок, согласно которым высота псевдоожиженного слоя в 1,5-2 раза превышает высоту неподвижного слоя. С учетом этих данных, принимая порозность неподвижного слоя , получим интервал изменения порозности . Принимаем порозность слоя в этом интервале:

Найдем плотность частицы набухшего анионита:

                                         (3)

Определяем критерий Архимеда:

                                                                          (4)

Находим критерий Re(2):

Скорость жидкости [1, стр.282]

                                                                                     (5)

, где

размер частицы: d=0,9·10-3 [5, стр.29]

Найдем диаметр аппарата:

                                                                                     (6)

=1,0285 м

Принимаем диаметр 1,1 м

Уточним значение скорости (5) и Re:

ω = 0,00585 м/с

=5,264

Значение порозности, соответствующее уточненному значению Re:

                                                                         (7)

(18.5,264+0,36.5,2642/1191,915)0,21=0,6

 

 

 

4.3. Определение лимитирующего диффузионного сопротивления.

Фазу, в которой сосредоточено лимитирующее диффузионное сопротивление, можно определить по значению критерия Био:

                                                                                              (8)

Коэффициент внешней массоотдачи βc определяем по критериальному уравнению: [1, стр.282]

                                                         (9)

ε – значение порозности;     ε = 0,6

массообменный критерий Нуссельта

 критерий Прандтля

                                                                                            (10)

вязкость жидкости, µy=10-3 [1, стр.281]

плотность жидкости, ρy=1000 [1, стр.281]

Dy – коэффициент диффузии в жидкости, Dy=1,17 · 10-9 м/с [1, стр.281]

Тогда по уравнению (9):

       

Коэффициент внешней массоотдачи: [1, стр.282]

                                       (11)

 коэффициент внешней массоотдачи,

Dy – коэффициент диффузии в жидкости,

d – диаметр частиц сорбента

Найдем Концентрацию по U235  [1, стр.282]                  

Cнач. конц. в р-ре=13,6 Бк/л [3]

Сконеч =0,4 Бк/л [3]

                                            (12)

Cp – средняя концентрация ионов (средняя логарифмическая)

Концентрацию в смоле, находят в равновесии с жидкостью, имеющей концентрацию Ср по уравнению (1):

                                                 

Х* - равновесная концентрация в сорбенте

В области сравнительно низких концентраций равновесная зависимость близка к линейной. Приближенно можно принять изотерму сорбционного обмена линейной с тангенсом угла наклона, равным [1]

Г = 0,0785/3,743 = 0,021                                                   (13)

Определим значение критерия Био согласно уравнению (8):

 кг/м3                                                       (14)

R=d/2=0,9·10-3/2=0,45·10-3 м

массообменный критерий Био

R – радиус частицы, м

βc – коэффициент внешней массоотдачи, м/с

Dэ – эффективный коэффициент диффузии в частице, м2/с

Г – тангенс угла наклона равновесной линии, м3/кг

ρu – плотность ионита, кг/м3

Полученное значение критерия показывает, что процесс ионного обмена протекает во внутри-диффузионной области.

 

4.4. Среднее время пребывания частиц ионита в аппарате

Степень отработки зерна ионита в сферической форме, находящегося в течении времени в жидкой среде концентрацией Cср определяется уравнением:

                                                                                  (15)

Хк- конечная концентрация ионов урана в анионите, кг/кг

Ввиду того, что в цилиндрических аппаратах с псевдоожиженным слоем твердая фаза полностью перемешана, плотность распределения частиц ионита по времени пребывания определяется соотношением:

                                                                                      (16)

Считая, что равновесная концентрация в ионите соответствует средней концентрации в потоке жидкости (Сср), найдем среднюю по всему слою степень отработки ионита:

Конечную концентрацию ионов урана в ионите найдем из материального баланса, определим предварительно минимальный и рабочий расход ионита. Минимальный расход находим из условия равновесия твердой фазы с раствором, покидающим аппарат:

=3203,667 кг/ч                                        (17)

Х*(Ск)=0,0829/(1+0,015.0,4)=0,0824                                                

Рабочий расход сорбента по опытным данным в 1,1-1,3 раза превышает минимальный. Приняв соотношение рабочего и минимального расходов, равное 1,2 получим рабочий расход анионита:

кг/ч                                                                          (18)

Конечная концентрация анионита:

20(13,6-0,4)/3844,4=0,0687кг/кг

Найдем среднее время пребывания частиц анионита:

                                                                        (19)

Подставляем известные значения (19), получаем:

 

4.5. Высота псевдоожиженного слоя ионита

Объемный расход ионита:

                                                                                                (20)

                                         

Объем псевдоожиженного слоя

=1,282.10-3.637,708/(1-0,6)=2,043м3                                               (21)

Высота псевдоожиженного слоя

м                                             (22)

Высота сепарационной зоны должна быть выше предельной, при которой возможно существование псевдоожиженного слоя. Предельная высота псевдоожиженного слоя определяется уносом самых мелких частиц смолы АВ-17-8. Минимальный размер частиц смолы АВ-17-8 составляет 0,4 мм. Скорость уноса определяется уравнением (2):

При d=0,4 мм

=104,64

Скорость уноса найдем из уравнения (5):

=0,0108м/с

Скорость уноса больше рабочей скорости: 0,0108 > 0,00585

Значение Re, рассчитанное при d=0,9 и соответствующее скорости уноса, равно:

Re=0,0108.0,9.10-3.1000/10-3=9,72

Порозность слоя, соответствующая Re=9,72, равна: =0,694

Высота слоя, соответствующая началу уноса:

Ну=2,151.(1-0,6)/(1-0,694)=2,812м

Для достаточной сепарации частиц примем высоту слоя на 30% больше Ну, т.е. Н=1,3. 2,812=3,66 м

Объем псевдоожиженного слоя и его высоту можно также определить интегрированием уравнения массопередачи, записанного для псевдоожиженного слоя  бесконечно малой высоты. Такой подход дает следующую расчетную формулу для объема псевдоожиженного слоя:

                                                                               (23)

-объемный коэффициент массопередачи, с-1

С учетом того, что лимитирующее сопротивление массопредачи сосредоточено в жидкой фазе, получим

28,856.10-6.(1-0,6)6/(0,9.10-3)=0,0769с-1                (24)

Величину С*(Хк)=0,0829/(1+0,015.0,0687)=0,0828 кг/м3

С учетом найденных величин и С*(Хк) получим на основе уравнения массопередачи объем псевдоожиженного слоя ионита(23):

=2,711 м3

Эта величина на 25% превышает найденный ранее объем псевдоожиженного слоя (2,043 м3)

В случае односекционной колонны следует отдать предпочтение первому методу, учитывающему различие времени пребывания частицы ионита в аппарате, хотя и у этого метода есть недостаток, заключающийся в том, что концентрация жидкой фазы принимается средней по всему объему слоя.

 

5) Расчет потери давления в колонне[1]

5.1 Потери давления на смоле[1, стр.283]

Δp=H.(1-ε).( ρ-.ρт)g                                                                                    (25)

Где Δp – потерянное давление в слое, Па

Н - высота слоя, м

ε – доля свободного объема в объеме слоя

ρТ = 1095 кг/м3 - плотность азотнокислого раствора

700 кг/м3 - насыпная плотность

g- ускорение свободного падения

V- полный объем колонны

V0- объем сорбента

Δp= 3,66.(1-0,6).(1095.700).9,81=148820,437Па=0,1488МПа < 0,4 МПа

 

5.2 Потери давления на сетках

Δp=(Q/KV)2 [1,стр.283]                                                                             (26)

Где Δp – потери давления, бар;

Q – расчетный расход потока, проходящий через фильтр, м3/ч;

KV – условная пропускная способность чистого фильтра, м3/ч, приведенная в таблицах технических справочников

KV для сетки №020×0,13 12Х18Н10Т ТУ 14-4-507-99 равна 122,4 м3/ч (согласно техническим условиям ТУ 14-4-507-99)

Q= 10 к.о/ч = 20 м3/ч

Δp=(20/122,4)2 =3.10-3МПа

Т.к сетки две то

Δp=2.3.10-3=0,6.10-2 МПа

 

5.3 Суммарные потери давления равны

Δp=0,1488МПа+0,6.10-2=0,1548 МПа

 

5. Вывод

В результате расчетов получили сорбционную колонну D = 900 мм, Нсорб. слоя = 3150 мм. Колонна предназначена для очистки вод от радионуклидов до сбросных норм. Производительность 20 м3/ч. Скорость пропускания раствора через слой сорбента – 10 КО в час, где сорбент – смола АВ-17 ГОСТ 20301-74; рабочее давление в колонне                        не более 0,4 МПа.

Рассчитали потери давления в колонне 0,1488МПа; потери давления на сетках составили 0,6.10-2МПа; суммарные потери давления равны 0,1548МПа. При изготовлении, испытании и поставке аппарата должны выполняться требования:

1.Сварные соединения по ГОСТ 14771-76.

2. Сварочный материал - присадочная проволока св-01Х19Н9

ГОСТ 2246-70.

3. Контроль качества и приемку  сварных соединений проводить  по          ПБ 03-584-03. Нормы допустимых дефектов для 5а группы сосудов.

4. Сборник испытать:

-на прочность гидравлическим  пробным давлением  0,125 МПа.  Время выдержки не менее 10 минут.

-контроль герметичности провести  при рабочем давлении совместно  с прочностными испытаниями в  течении времени необходимого  для осмотра. Требования по подготовке  поверхностей и контролю герметичности  по ПБ 03-576-03.

5. Крюки испытать на прочность  конструкции и сварных соединений  строповкой отстойника в течении 5 минут с увеличением массы  на 25%. Испытания провести согласно  указанной схемы строповки до  гидравлических испытаний.

6. Табличку маркировать: