Вихідні дані (додаткові)

Тиск процесу, атм Р = 32.

Температура суміші на вході в зону конверсії, К T_вх = 1611.

Ступінь використання поверхні каталізатора, частка С = 0,35.

Порозність насадки АN = 0,5. Коефіцієнт запасу К_зап = 4.

Кількість кроків інтегрування n = 50.

Алгоритм розрахунку

1. Ступінь перетворення СН₄ і СО за даними таблиць (1) і (2):

Х=(∙V₁ - С^к_сн4∙V)/( ^.V₁) = 0,954,

Y = (X ^. ∙V₁ + ^.V₁ - б)/(X ∙ ∙V₁ + ^.V₁) = 0,043

(в подальших розрахунках Y залишається постійною величиною при інтегруванні, враховуючи миттєве досягнення рівноваги реакції парової конверсії СО за умовами конверсії).

2. Середня температура Тсер = (Т_вх+Т_вих)/2=1442 К.

3. Коефіцієнт а, що враховує зміну температури .

4. Крок інтегрування Н = dX= Х/n.

5. Ступінь перетворення СН₄ на кожному кроці Xi=X_i-1+H.

6. Температура (адіабатичний режим) .

7. Константа швидкості К₂і = 10^(6,3 - 4720/Тi).

8. Константа рівноваги конверсії метану:

K₁i=10^(-9840/Ti+8,343001∙LOG10(Ti) - 0,002059∙Ti+1,78^.10^(-7)∙Ti^2 - 11,96).

В наступних рівняннях використати концентрації компонентів n^о_і, об‘ємні (молярні) частки, на вході в зону конверсії (вихід із зони горіння) за даними таблиці 4 (вологий газ). При вводі цих значень у відповідну формулу використати абсолютні посилання.

9. X2i = ∙n^о_Н2 + n^о_СН4∙Хі∙(3+Y).

10. X3і = (n^о_co + n^о_CH4∙Xі)∙(1 - Y)∙(n^о_H2 + n^о_CH4∙Xі∙(3+Y))³∙P².

11. X4i=K₁i∙n^о_СН4∙(1 - Хі)∙(n^о_H2O - n^о_CH4∙Xі∙(1+Y)).

12. X5i = X2i/(1 - Xi)/(1 - X3i/X4i).

13. i=H∙Р∙X5i/К₂і.

Значення Xi, Ті, K₁i, X2i, X3і, X4i, X5i та і розрахувати у таблиці і копіювати колонки протягуванням (авто заповненням).

14. Час контакту, c =Σi.

15. Об'єм каталізатора, м³: Vkat=.

Індивідуальна самостійна робота

1. Скласти теплові баланси зон змішування та горіння з метою розрахунку температури на виході кожної зони.

2. Скласти загальний тепловий баланс реактора [2] з метою визначення втрат теплоти.

Контрольні питання

Методи отримання водню, область застосування, переваги і недоліки. Одно- і двоступеневі схеми конверсії природного газу, переваги і недоліки. Каталітичні системи. Конструкції реакторів. Профіль температури по висоті шахтного реактора.

Література

1. Концевой, А.Л. Алгоритмизация расчётов в производстве аммиака: Учеб. пособие/А.Л. Концевой, Н.П. Гамалей. – Киев: УМК ВО, 1991. – 104 с.

2. Лобойко, О.Я. Методи розрахунків у технології неорганічних виробництв (ч.1. Зв´язаний азот). / О.Я. Лобойко, Л.Л. Товажнянський,

І.О. Слабун та ін. – Харків: НТУ «ХПІ», 2001. – 512 с.

Розділ 10. Розрахунок двоступеневої

na-катіонітової установки

Обробка води методами іонного обміну здійснюється шляхом фільтрування води крізь шар іоніту – високомолекулярної синтетичної речовини, яка поглинає з води іони забруднюючих домішок і віддає у розчин еквівалентну кількість інших іонів, введених попередньо у склад іоніту. Реакції іонного обміну перебігають за рівняннями наступного типу:

2RNa + Ca²⁺ ↔ R₂Ca + 2Na⁺

Повний цикл іонообмінного фільтру включає робочий період експлуатації фільтра і період його регенерації, який складається з розпушення, пропускання регенераційного розчину і відмивки. Перша і друга ступінь оброблює об’єм води, необхідної споживачу, плюс власні потреби установки.

Історично склалося, що використання одноступеневого натрій-катіонування не давало необхідного ступеня пом‘якшення води. Сучасні матеріали дають можливість досягнути високого ступеня пом‘якшення води з використанням одноступеневого натрій-катіонування. Тому постає питання доцільності застосування двоступеневого натрій-катіонування, що збільшує капітальні витрати і витрати солі на регенерацію.

З іншої точки зору, до очищеної води ставляться конкретні вимоги щодо її залишкової твердості і в залежності від цих вимог обирається одноступеневе або двоступеневе натрій-катіонування. В свою чергу, тривалість фільтроциклу і витрати солі залежать від твердості, при якій фільтр І ступені вимикається на регенерацію.

Мета роботи: визначення тривалості фільтроциклів і середніх питомих витрат солі на регенерацію фільтрів першої та другої ступені в залежності від твердості, при якій здійснюється відключення катіонітових фільтрів першої ступені на регенерацію.

Вихідні дані

Показник	Пояснення	І ступінь	ІІ ступінь
Стверд, г-екв/ м3	Твердість води, що надходить на катіонування	6,29	0,1
Ероб, г-екв/м3	Робоча ємність катіоніту	600	600
В, кг/м3	Питомі витрати хлориду натрію на регенерацію катіоніту	150	300
Ірозпуш., л/(с*м2)	Інтенсивність розпушування	3	3
τ3, хв	Час розпушування	15	15
Срег.р., %	Концентрація регенераційного розчину	8	8
Кнабряк.	Коефіцієнт набрякання катіоніту	2,06	2,06
ρсух кат , т/м3	Насипна густина катіоніту	0,7	0,7
Авідмив., м3/м3	питома витрата води на відмивання катіоніту	3	6
Wрег., м/год	Швидкість регенераційного розчину	5	5
Wвідмивки, м/год	Швидкість потоку при відмиванні катіоніту	5	5
Dфільтра, м	Діаметр фільтра	3	3
nфільтр	Кількість фільтрів	3	2
hш, м	Висота шару катіоніту	2,5	1,5
ρ8, кг/м3	Густина 8-% розчину NaCl	1055,9	1055,9
ρ26, кг/м3	Густина 26-% розчину NaCl	1197,2	1197,2
Q, м3/год	Потужність установки	250	=Qбрутто1

Алгоритм розрахунку

Перша ступінь фільтрування

Розрахунки звести у таблицю аналогічну таблиці вихідних даних. Добова продуктивність фільтра з урахуванням незадіяного резервного фільтра, м³/добу Q_доб = 24 • Q + 24 • Q / n_фільтр .

Кількість катіоніту, яку необхідно завантажити у фільтри, м³:

V^вол _кат = Q_доб · Стверд / Е _роб,

Об’єм катіоніту в повітряно-сухому стані визначається за формулою, м³ : V^сух _кат = V^вол _кат / К^наб_кат .

Маса повітряно-сухого катіоніту завантаженого у фільтри, т:

М^сух _кат = V^сух _кат• ρ^сух _кат.

Тривалість фільтроциклу (спрощено) визначається за формулою, год.:

τ = f • h_ш • Е_роб • n_фільтр / Q / Стверд ,

де . f –площа фільтрування (площа перерізу фільтра), м² .

Добове число регенерації визначається за формулою, рег/доб. :

m = 24 · n_фільтр / τ

Витрата хлориду натрію для регенерації катіоніту, кг:

σ _NaCl = f • h_ш • В • Е_роб / 1000 .

Для приготування регенераційного розчину використовується технічний хлорид натрію із вмістом NaCl 96,5%. Його витрата на одну регенерацію, кг : σ _NaCl^96,5= σ _NaCl • 100 / 96,5.

Попередньо готують концентрований 26 % розчин, витрати якого на одну регенерацію складають, кг: σ _NaCl²⁶= σ _NaCl^96,5· 100/26 .

Добова витрата концентрованого розчину хлориду натрію визначається за формулою, кг/добу: σ _NaCl^доб= σ _NaCl²⁶ • m.

Регенерацію першої ступені Na-катіонітового фільтра робимо 8 % - ним розчином NaCl. Його кількість на одну регенерацію складає, кг:

σ _NaCl⁸ = σ _NaCl^96,5• 100 / 8 .

Кількість води на приготування 8% розчину, м³ V_H2О = σ _NaCl⁸/ ρ₈ – σ _NaCl²⁶/ ρ₂₆.

Тривалість пропуску регенераційного розчину визначається за формулою, год.: τ₁ = σ _NaCl⁸ / f / Wрег/ ρ₈ .

Кількість води на відмивання, м³: V_відм. = f · h_ш · Авідмив.

Тривалість відмивання, год.: τ₂ = V_відм. / f / Wвідмивки .

Кількість води на розпушування, м³: V_розп = f • τ₃• Ірозпуш. • 60 / 1000 .

Загальна тривалість регенерації, год.: τ_рег = τ₁+ τ₂ + τ₃ /60.

Сумарний обсяг води на регенерацію, м³/год: V_сум. = V_H2О + V_відм.+ V_розп .

Годинна витрата води на власні нестатки, м³/год: q_H2О = V_сум. • m / 24 .

Для задоволення власних нестатків установки вихідної води необхідно, м³/год:

Qбрутто1=Q + q_H2О.

Друга ступінь фільтрування

Розрахунок ІІ ступеня катіонування здійснюється аналогічно розрахункові І ступені з урахуванням того, що вихідна потужність для ІІ ступені, м³/год

Q = Qбрутто1 для І ступені. Далі копіюванням (авто заповненням) заповнюються строки розрахунку 2 ступені.

Визначення питомих витрат

Виконати розрахунок для наступних концентрацій Сі_перех., г-екв/м³: 0,5; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0.

Варіюючи значеннями концентрації іонів твердості на виході з фільтра І ступені, обчислюємо тривалість фільтроциклу І ступені натрій-катіонування за формулою, год.:

Ті_{фільтроц.}^{І ступ.}= f • h_ш • Е_роб / Q /(Стверд – Сі_роб),

де Сі_роб – середня концентрація іонів твердості на вході фільтру ІІ ступені; Сі_роб = (Сі_перех. + 0,1)/2, де Сі_перех. – концентрація, при якій відбувається відключення 1 ступені на регенерацію (при концентрації С_1роб = 0,1 г-екв/м³ фільтрування через ІІ ступінь відсутнє).

Наступним кроком є знаходження тривалості фільтроциклу ІІ ступені фільтрування, год.: Ті_{фільтроц.} ^{ІІ ступ.} = f • h_ш • Е_роб / Q_./ Сі_роб .

Знаючи тривалості фільтроциклів І ступені при різних концентраціях Сі_роб, можна знайти тривалість кожного фільтрування через ІІ ступінь за формулою, год.: Ті_{фільтрування} ^{ІІ ступ.} = Ті_{фільтроц.}^{І ступ} – Т_{1фільтроц.}^{І ступ},

де Т_{1фільтроц.}^{І ступ} – тривалість фільтроциклу І ступені при Сі_перех.=0,1 (розрахувати за межами таблиці).

Тобто, підключення фільтру ІІ ступеня буде здійснено кілька разів до його відключення на регенерацію. При цьому, чим більше концентрація Сі_перех. після фільтру І ступені, тим менше таких підключень та менша загальна тривалість фільтроциклу ІI ступені.

Знаходимо кількість регенерацій І ступені, що припадає на один фільтроцикл ІІ ступені (на одну регенерацію ІІ ступені):

Nі= Ті_{фільтроц.} ^{ІІ ступ}/ Ті_{фільтрування} ^{ІІ ступ.} .

Знайдемо загальну кількість води, що проходить через фільтри, м³:

Qі_заг = Ті_{фільтроц.}^{І ступ} ∙ Q ∙ Nі

Знаходимо середні питомі витрати регенераційного розчину в залежності від того, при якій концентрації відбувається перехід на ІІ ступінь фільтрування, кг/м³: Рі = (В_Іступ. · Nі + В_ІІступ)/(Nі+1).

Всі розрахунки значень (і+1) провести копіюванням і – х розрахунків «протягуванням» (авто заповненням).

Побудувати графічні залежності тривалості фільтроциклу І, ІІ ступені (основна вісь) та середніх питомих витрат регенераційного розчину (допоміжна вісь) від концентрації іонів твердості Сі_перех .

Зробити висновки щодо поставлених задач.

Індивідуальна самостійна робота

Варіюючи значення діаметру фільтра (2,0; 2,6; 3,0 м), виконати розрахунки тривалості фільтроциклу І ступені для всіх значень діаметру і для наступних концентрацій Сі_перех., г-екв/м³: 0,5; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0.

Контрольні питання

Методи знесолення води, область застосування, переваги і недоліки. Іонний обмін: реакції, статика, кінетика, динаміка. Шляхи інтенсифікації іоннообмінних процесів. Конструкції фільтрів, область застосування, переваги і недоліки. Регенерація катіонітів і аніонітів: реакції, обґрунтування концентрації регенераційних розчинів.

Література

1. Лившиц, О. В. Справочник по водоподготовке котельных установок. – М.: Энергия, 1976 с. – 288 с.