Безмембранная пневматическая система пульсации с золотниково-распределительным механизмом

Схема пульсации с золотниково-распределительным механизмом (ЗРМ) (см. рисунок 1.1) обеспечивает надежное генерирование колебаний жидкости в колонне за счет периодического изменения давления воздуха в пульсационной камере, соединенной пульсопроводом с ЗРМ. ЗРМ за каж­дый цикл пульсации соединяет пульсационную камеру то с линией сжато­го воздуха или инертного газа, то с выхлопной магистралью. Воздух от компрессора через ресивер и ЗРМ по пульсопроводу подается при прямом импульсе в пульсокамеру экстрактора и выдавливает жидкость из пульсокамеры через распределитель - гидрозатвор в экстрактор, приводя ее в по­ступательное движение по колонне. При обратном импульсе пульсокамера через ЗРМ соединяется с атмосферой и жидкость в колонне под действием силы тяжести совершает возвратное движение, выдавливая воздух из пульсокамеры. Частота пульсаций определяется скоростью вращения ротора ЗРМ, а амплитуда — давлением воздуха перед ним. Основными частями ЗРМ пневматического пульсатора являются вращающийся ротор - диск с окнами и неподвижное распределительное кольцо с двумя отверстиями для подачи сжатого воздуха и выхлопа газа. При совмещении окна ротора с отверстием происходит подача сжатого воздуха в пульсокамеру. Система пульсации обеспечивает частоту пульсации от 30 до 250 циклов в минуту, а амплитуду от 6 до 25 мм.

 

Данные для расчета

Исходные данные приведены в таблице 2.1

 

Таблица 2.1 – Исходные данные

Параметр	Обозначение	Величина
Производительность по урану, кг/час, (кг/с)		1000 (0.278)
Концентрация исходного раствора по урану, г/л
Концентрация урана в экстракте, г/л
Концентрация урана в рафинате, г/л		0.5
Концентрация ТБФ, %		20%
Концентрация в исходном растворе		0.5М
Примеси в исходном растворе		0.5М

 

 

3 Материальный расчёт

Объёмный расход исходного раствора (тоже что и растворителя)

 

,

 

где - массовая производительность по металлическому урану, ,

 

.

 

Массовый расход по уранил-нитрату

 

,

 

где - молекулярные массы соответствующих веществ, г/моль,

 

.

 

 

Массовый расход исходного раствора

 

,

 

где - плотность раствора, . Принимаем ,

 

.

 

Массовый расход по азотной кислоте

 

,

 

где - концентрация азотной кислоты в исходном растворе;

- молекулярная масса азотной кислоты, г/моль,

 

.

 

Массовый расход по

 

,

 

где - концентрация в исходном растворе;

- молекулярная масса , г/моль,

 

.

 

Объёмный расход экстрагента

 

.

 

 

Массовый расход экстрагента

 

,

 

где - плотность экстрагента, . Принимаем ,

 

.

 

Массовый расход по уранил-нитрату в экстракте

 

.

 

Массовый расход по уранил-нитрату в рафинате

 

.

 

На основании подсчитанных материальных потоков строится таблица материального баланса

 

Таблица 3.1 – Таблица материального баланса

Приход	Расход
Статья прихода		кг/с	Статья расхода		кг/с
Исходный раствор:   1) 2) 3) Растворитель: - -		(1.557)   0.460 0.135     0.035 0.929	Рафинат:   1) 2) 3) Растворитель: - -		(1.1)   0.135     0.035 0.929
Экстрагент:   1) ТБФ, 0.2G 2) Керосин, 0.8G		(3.223)   0.645 2.578	Экстракт:   1) ТБФ 2) Керосин 3)		(3.682)   0.645 2.578 0.459
Итого		4.78	Итого		4.782

 

 

Характеристическая скорость капель

 

,

 

где - плотность сплошной и дисперсной фаз, ;

- вязкость сплошной фазы, . Принимаем ,

 

.

 

Объёмное соотношение фаз

.

Скорость захлёбывания

 

.

 

Рабочая скорость

.

 

4 Конструктивный расчёт

Площадь сечения насадочной части экстрактора

 

.

 

Диаметр насадочной части экстрактора

 

.

 

Высота массообменной зоны

 

.

 

где - высота, эквивалентная теоретической ступени изменения концентрации, м. Для пакетной насадки КРиМЗ обычно принимается =1 м;

- число теоретических тарелок. Определяется как число ступеней между кривой равновесия и рабочей линией экстракции, смотреть рисунок 4.1

 

Рисунок 4.1 – К определению числа теоретических тарелок

 

Из рисунка находим , тогда высота реакционной зоны

 

.

Скорость расслаивания

 

,

 

где - межфазное натяжение, . Принимаем ;

- высота слоя капель на границе раздела фаз, м. Принимаем ;

- диаметр капель, м. Принимаем ,

 

.

 

Диаметр верхней отстойной зоны

 

.

 

Высота верхней отстойной зоны

.

 

где - высота расширителя заполненного сплошной фазой, мм. Принимаем 200 мм;

- слой капель на границе раздела фаз, мм. Принимаем 100 мм;

- слой отстоявшейся органической фазы, мм. Принимаем 500 мм;

- высота воздушника, мм. Принимаем 200 мм,

 

.

 

Диаметр нижней отстойной зоны допускается принимать

 

.

 

Высоту нижней отстойной зоны допускается принимать

 

.

 

Для расчёта диаметров штуцеров зададимся скоростью движения жидкостей в них - для сплошной среды, - для дисперсной фазы, тогда диаметр штуцеров подвода и отвода сплошной фазы (исходный раствор и рафинат)

 

.

 

Диаметр штуцеров подвода и отвода дисперсной фазы (экстрагент и экстракт)

 

.

 

Все диаметры округляются до стандартных значений. Таким образом, окончательно получаем:

- ;

- ;

- ;

- ;

- .

 

5 Прочностной расчёт

Выбор материала

В качестве материала выбираем коррозионно-стойкую сталь 08Х18Н10Т. Допускаемые напряжения и модуль упругости для этой стали [2] и соответственно.

5.2 Расчёт цилиндрических частей корпуса

Расчётная толщина стенки обечайки [2]

 

, (1)

 

где - толщина рассчитываемого элемента, мм;

- избыточное расчётное давление внутри обечайки аппарата, МПа;

- внутренний диаметр аппарата, мм. Для расчёта принимаем ;

- расчётный коэффициент прочности продольного сварного шва, [2]. Сварочный шов выбираем стыковой с двусторонним проваром, контроль качества шва осуществлять по всей длине.

 

Гидростатическое давление столба жидкости внутри обечайки аппарата

 

,

 

где - ориентировочный удельный вес жидкости в аппарате, . Принимаем 0.01 ;

- высота столба жидкости в аппарате, м,

 

 

Тогда с учётом гидростатического давления

 

,

 

где - избыточное рабочее давление внутри обечайки аппарата без учёта гидростатического давления, МПа,

 

 

Тогда толщина стенки цилиндрической обечайки нижней отстойной зоны

 

 

Исполнительная толщина стенки [2]

, (2)

 

где с – суммарная прибавка толщины стенки на коррозию, неточности и округления.

 

Прибавку принимаем из соображения коррозионного износа, [3]

 

 

где - скорость коррозии, мм/год [2]

- срок эксплуатации аппарата, год. Принимаем ;

 

Тогда

 

Исполнительная толщина обечайки нижней отстойной зоны аппарата

 

.

 

Принимаем толщины остальных элементов корпуса колонны (насадочная часть и конические переходы) . Так как цилиндрические части обечаек верхней отстойной зоны и насадочной части находятся в менее нагруженных условиях (меньший диаметр насадочной части и отсутствие гидростатического давления в верхней зоне) то необходимо произвести лишь проверочный расчёт конических переходов.

В качестве исходного материала цилиндрических частей обечайки выбираем стальные горячекатаные листы по ГОСТ 7350-77, размеры листов по желанию заказчика. Допуск на толщину +0.2 мм по ГОСТ 19903-74 что является удовлетворительным.

 

Допускаемое внутреннее избыточное давление внутри цилиндрической обечайки аппарата [2]

 

, (3)

 

 

Допускаемое давление больше рабочего, значит условие прочности выполнено.

 

 

5.3 Расчёт крышек

В качестве крышек выбираем стандартные отбортованные эллиптические днища по ГОСТ 6533-78 – «Днище 2000-6 ГОСТ 6533-78» [4]. Материал крышек 08Х18Н10Т.

 

Радиус кривизны эллиптической крышки [2]

 

 

Крышки присоединяется к обечайке при помощи фланцевых соединений, значит, коэффициент прочности сварного шва принимаем

Допускаемое для эллиптической крышки внутренне избыточное давление [2]

 

,

 

где - толщина стенки крышки, мм,

 

 

Допускаемое давление больше рабочего, значит условие прочности выполнено.

 

5.4 Расчёт конических переходов

Материал конических переходов 08Х18Н10Т. Исполнительную толщину принимаем . Коэффициент прочности сварных швов принимаем .

Определим допускаемое внутреннее избыточное давление, действующее на конический переход [2]

 

,

 

где - толщина стенки конического перехода, мм;

- угол между осью и образующей конуса, град. Принимаем так как конические переходы изготавливаются на основе стандартных отбортованных конических днищ «Днище 60-2000-6 ГОСТ 12619-78» [4].

 

Тогда

 

.

 

 

Допускаемое давление больше рабочего, значит условие прочности выполнено.

 

 

Пробное давление

Пробное давление при гидравлических испытаниях аппарата [4]

 

,

 

где - допускаемые напряжения материала при , МПа. ;

- допускаемые напряжения материала при рабочей температуре стенки, МПа. Так как рабочая температура ,

 

 

Подбор фланцев

В качестве фланцевого соединения крышки и обечайки верхней отстойной зоны принимаем стандартные фланцы с пазом и выступом «Фланец 2-2000-0.6 08Х18Н10Т ГОСТ 28759.2-90» и «Фланец 3-2000-0.6 08Х18Н10Т ГОСТ 28759.2-90» соответственно.

В качестве фланцевого соединения обечайки насадочной центральной зоны и обечаек верхней и нижней отстойных зон принимаем стандартные фланцы с пазом и выступом «Фланец 2-1800-0.6 08Х18Н10Т ГОСТ 28759.2-90» и «Фланец 3-1800-0.6 08Х18Н10Т ГОСТ 28759.2-90» соответственно.

На рисунке 5.1 представлены эскизы фланцев

 

а) исполнение 2; б) исполнение 3

 

Рисунок 5.1 – Конструкция стандартных приварных плоских фланцев

Подбор штуцеров

На базе основных параметров стандартных фланцевых штуцеров «Штуцер 80-6-215-ВСтсп4-08Х18Н10Т» и «Фланец 80-6 ГОСТ 1255-67» [4] изготавливаются штуцера подвода и отвода сплошной среды.

На базе основных стандартных фланцевых штуцеров «Штуцер 100-6-215-ВСтсп4-08Х18Н10Т» и «Фланец 100-6 ГОСТ 1255-67» [4] изготавливаются штуцера подвода и отвода дисперсной среды, штуцер для опорожнения аппарата.

Штуцер – сдувку примем [4] «Штуцер 150-6-215-ВСтсп4-08Х18Н10Т» и «Фланец 150-6 ГОСТ 1255-67»

На базе основных параметров стандартных фланцевых штуцеров «Штуцер 150-6-215-ВСтсп4-08Х18Н10Т» [4] изготавливается пульсационное колено.

Изображение штуцеров смотреть на рисунке 5.2

Основные характеристики штуцеров сведены в таблицу 5.1

Таблица 5.1 – Основные характеристики штуцеров

Назначение	, мм	, мм	, мм	, мм	, МПа
Подвод исходного раствора				-	0.6
Отвод рафината				-	0.6
Подвод экстрагента					0.6
Отвод экстракта				-	0.6
Сдувка					0.6
Опорожнение				-	0.6

 

Рисунок 5.2 – Эскиз стандартного штуцера