Проектирование адиабатной выпарной установки термического обессоливания воды

Проектирование адиабатной выпарной установки термического обессоливания воды

Содержание

Ведение

1. Анализ состояния вопроса и обоснование актуальности темы       

1.1    Обзор существующих методов деминерализации и выбор типа установки для получения обессоленной воды

1.2 Выбор типа выпарной установки и их классификация        

1.3 Анализ действующей схемы получения деминерализованной воды на АО “Акрон” и возможностей применения схемы с адиабатной выпарной установкой

1.4 Выбор схемы установки

2. Расчёт адиабатной выпарной установки

2.1 Выбор эжектора

2.2 Основные характеристики проектируемой адиабатной выпарной установки

2.3 Тепловой расчёт

2.4 Расчёт количества используемого пара

2.5 Расчёт сепарационного устройства и нахождение ожидаемого качества дистиллята

2.6 Очистка воды от растворённых газов

3. Конструкторский расчёт

3.1 Расчёт регенеративных конденсаторов

3.2 Выбор и расчёт переточных устройств и высоты уровней жидкости в камерах испарения

3.3 Компоновка и основные размеры установки

3.4 Расчёт основных параметров пароструйного эжектора

3.5 Выбор насосов

4. Электротехническая часть

4.1 Общая характеристика

4.2 Выбор электродвигателей

4.3 Расчёт электрических нагрузок

4.4 Выбор коммутирующей аппаратуры и сечения кабелей

4.5 Расчёт токов короткого замыкания 

4.6 Проверка выбранного оборудования на действие токов короткого замыкания

4.7 Окончательный выбор коммутирующей аппаратуры, кабелей и проводов

5. Экономическая часть

6. Безопасность жизнедеятельности

7. Экологическая справка

8. Выводы и заключения

Список использованных источников

Приложение А

Введение

Основным направлением экономического и технического развития в настоящее время стал перевод экономики в русло энерго- и ресурсосбережения, включая не только эффективное и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, но и максимальное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР), так как этот путь вдвое–втрое более выгодный, чем дополнительная добыча и транспортировка эквивалентного количества топлива. Вторичные энергетические ресурсы – это энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других.

В свете указанных задач наибольший интерес с точки зрения энерго- и ресурсосбережения вызывают предприятия химического комплекса. Они превосходит средние показатели промышленности (по данным 1985 г.) по энергоёмкости в 3 раза. При этом следует учитывать, что в химических отраслях потребление топливно-энергетических ресурсов на сырьевые нужды определяется условиями протекания реакций и ожидать его существенного снижения не следует.

Вместе с тем, располагая крупным энергетическим хозяйством, отрасли химического комплекса ежегодно расходуют около 23% промышленного потребления топливно-энергетических ресурсов.

С точки зрения энергопотребления предприятия химической промышленности имеют ряд признаков определяющих их энергоёмкость:

-                     органичное включение тепловых процессов в основную технологию;

-                     значительное количество вторичных энергоресурсов, сочетающихся с экологическими загрязнителями;

-                     крупные водоподготовительные комплексы;

-                     несовершенство тепломассообменного оборудования.

В то же время, потери энергии в отраслях химического комплекса связаны с технологией её использования.

Вторичные энергоресурсы с высоким температурным потенциалом (жидкости с температурой более 150 оС и газы с температурой более 300 оС) в большинстве случаев используются. С их помощью производится пар в котлах-утилизаторах, который направляется либо в технологический цикл, либо на привод турбомашин. Низкопотенциальные тепловые потоки используются хуже. Сюда относятся физическая теплота сточных жидкостей, циркулирующих и продукционных потоков, физическая теплота загрязнённого конденсата и отработанного пара, физическая теплота отходящих газов различных технологических печей и агрегатов. Основная причина относительно низкого уровня потребления ВЭР – это малая оснащённость технологических агрегатов освоенным утилизационным оборудованием, отсутствие в ряде случаев технических решений по использованию отдельных видов ВЭР (в основном низко потенциальных), неумение находить потребителей низко потенциальных ВЭР, малоэффективное применение нового и существующего утилизационного оборудования. Например, на агрегатах аммиака большой единичной мощности в атмосферу выбрасывается теплота пара выхлопа приводных турбин и теплота охлаждения газа в процессе его компримирования. Часто низкопотенциальную теплоту несут агрессивные, загрязнённые жидкости и запылённые газы, а её отвод в традиционных теплообменниках затруднён. В целом на предприятиях химического комплекса количество неиспользуемых вторичных энергоресурсов в 1985 году достигало 20 – 25 млн. т. условного топлива (или 580 – 730 млн. ГДж).

С другой стороны важное значение имеет проблема рационального использования водных ресурсов. Острота этой проблемы для предприятий химического комплекса обусловлена не только необходимостью обезвреживания большого количества минерализованных сточных вод и создания малоотходных энерготехнологических циклов с замкнутыми системами водопользования, но и с созданием крупных водоподготовительных комплексов для получения деминерализованных вод. Деминерализованная вода используется в энергетике и промышленности для питания парогенераторов, в различных технологических циклах, умягчённая вода (лишённая солей жесткости) применяется для подпитки теплосетей и водооборотных циклов.

Получение деминерализованных вод может осуществляться на основе любых известных методов деминерализации: физико-химических (электродиализ, обратный осмос, ионный обмен и др.), холодильных (вымораживание на теплопередающей поверхности, под вакуумом, контактное вторичными хладоагентами, кристаллогидратный) и дистилляционных.

В настоящее время обессоленную воду на большинстве крупных предприятий получают с применением метода ионного обмена в специальных ионообменных фильтрах из поверхностных вод, затрачивая при этом большие количества дорогостоящих ионообменных смол и реагентов.

Однако дистилляция, являясь наиболее надёжным и распространённым методом деминерализации, может сегодня рассматриваться как наиболее перспективный способ для получения обессоленной воды. Это объясняется простотой конструктивных решений, высокой производительностью, приемлемой себестоимостью получаемой воды.

Современные дистилляционные опреснительные установки можно разделить на следующие типы: испарительные; мгновенного вскипания (адиабатные); с плёночными аппаратами; с промежуточным теплоносителем; с кипением в псевдоожиженном слое

В аппаратах всех указанных типов можно получать дистиллят высокого качества в необходимом количестве. Однако лишь деминерализация в адиабатных выпарных установках признана наиболее перспективным методом создания крупных деминерализационных установок (с производительностью более 10000 м3/сутки), поскольку характеризуются высокой энергетической эффективностью, повышенной компактностью, хорошими эксплуатационными показателями, возможностью практической реализации больших мощностей в одной установке, малым накипеобразованием, относительно низкой себестоимостью получаемого дистиллята.

Рассматривая эти две проблемы в едином ракурсе, возникает вопрос о возможности применения дистилляционных опреснительных установок, работающих на вторичных энергоресурсах, для получения деминерализованной воды для нужд предприятий химической промышленности.

При подготовке к дипломному проекту была проделана работа по поиску возможностей для применения дистилляционной опреснительной установки, работающей по принципу мгновенного вскипания, на АО “Акрон”. В ходе обследования некоторых производств указанного химического предприятия (в частности “Аммиак-2”, “Аммиак-3”, “Нитроаммофоска”) и имеющегося комплекса подготовки деминерализованной воды (цех “ХВП”) была определёна конкретная цель проекта – рассмотреть возможность получения обессоленной воды в количестве, необходимом для всего предприятия, в установке мгновенного вскипания, работающей на вторичных низкопотенциальных энергоресурсах. Установка должна иметь производительность по дистилляту 750 м3/час и обеспечивать качество воды в соответствии с нормами для получения глубокообессоленной воды (ВГО), имеющимися на предприятии. В качестве источника теплоты предлагается использовать низкопотенциальный водяной пар, отработанный в турбинах привода компрессоров и насосов производств аммиака.

Основные задачи проекта: определить количество пара необходимое, для получения указанного количества деминерализованной воды в адиабатной выпарной установке; определить основные параметры установки и процессов; выбрать компоновку и конструкцию аппаратов, их количество; определить экономические показатели предложенной схемы получения обессоленной воды и целесообразность её применения взамен существующей на АО “Акрон”; рассмотреть возможность внедрения установки в действующее производство.

Основные положения дипломного проекта доложены на четвёртой научной конференции кафедры промышленной теплоэнергетики.

1. Анализ состояния вопроса и обоснование актуальности темы

1.1           Обзор существующих методов деминерализации и выбор типа установки для получения обессоленной воды

Получать деминерализованную воду в настоящее время можно в установках использующих любой из известных методов деминерализации. Различают следующие методы:

физико-химические; (электродиализ, обратный осмос, ионный обмен и др.);

холодильные; (вымораживание на теплопередающей поверхности, под вакуумом, контактное вторичными хладоагентами, кристаллогидратный);

дистилляционные.

Остановимся подробнее на каждом из приведённых методов.

Физико-химические способы обработки воды включают в себя следующие методы:

-                     ионообменный метод;

-                     опреснение методом гиперфильтрации (обратный осмос);

-                     электродиализный метод

Ионообменный метод обработки минерализованных вод является на сегодняшний день самым распространенным способом получения технической, питательной и подпиточной воды на предприятиях и энергетических комплексах. Он основан на последовательном осуществлении процессов катионирования и анионирования с использованием зернистых ионообменных материалов. При катионировании, содержащиеся в воде катионы заменяются на ионы H+, Na+, или NH4+, а в процессе анионирования, содержащиеся в воде анионы заменяются на ионы OH- или Cl-. Все процессы протекают последовательно в фильтрах, которые разделяются по типу содержащихся в них ионообменных смол на катионитовые (Na-катионитовые и т.д.), анионитовые (OH-анионитовые и т.д.), и фильтры смешанного действия (ФСД); а также на фильтры первой и второй ступени.

При подготовке добавочной воды основных циклов современных энергетических комплексов и технологических аппаратов наиболее широко используется метод обессоливания воды, основанный на последовательном осуществлении процессов H-катионирования и OH-анионирования. В процессе катионирования содержащиеся в воде катионы заменяются на ионы Н+; в процессе ОН-анионирования содержащиеся в воде анионы заменяются на ионы ОН-. Взаимодействуя друг с другом, ионы H+ и OH- образуют молекулы H2O. Схема H+-OH--ионирования представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема Н-ОН - ионирования

Этот метод в настоящее время применяется для получения деминерализованной воды на АО “Акрон”. Однако кроме описанной выше схемы существует множество других, обеспечивающих необходимое качество обрабатываемой воды, которые образуются соединением в определённой последовательности фильтров различного типа. Кроме того, в схему включают декарбонизатор, обеспечивающий удаление образующейся при обработке углекислоты.

Обессоливание воды методом гиперфильтрации (обратного осмоса) основано на прохождении воды через полупроницаемую мембрану, полностью или частично задерживающую молекулы или ионы растворенных веществ под действием давления, превышающего осмотическое.

Движущая сила обратного осмоса – градиент давления DР:

	(1.1)

 

DР = Р – (П1 – П2),

где Р – рабочее давление обрабатываемой воды;

П1 – осмотическое давление обрабатываемой воды;

П2 – осмотическое давление обработанной воды.

Осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества и его природы.

Применяют мембраны на полимерной (полиамидной) основе. Мембранная пленка – это активный поверхностный слой толщиной 0,25 – 0,5 мкм, нанесенный на инертную подложку толщиной 100 – 200 мкм.

Различают несколько видов аппаратов для осуществления процессов гиперфильтрации. На рисунке 2 представлена схема аппарата с ячейками тубчато-змеевикового типа.

1 – насос; 2 – пористые трубы; 3 – полупроницаемая мембрана;

4 – гидравлическая турбина; 5 – бак.

Рисунок 2 – Схема аппарата Хавенса для осуществления процессов гиперфильтрации

В рассмотренном аппарате полупроницаемая мембрана уложена на внутреннюю поверхность пористых труб из стеклопластика. Осветлённая минерализованная вода прокачивается через секции пористых труб насосом, фильтруется через мембрану и стенку пористой трубы, опресняется и собирается в сборном баке. Рассол, покидающий аппарат, поступает на гидротурбину, где доиспользуется энергия, затрачиваемая на создание начального давления.

Метод электродиализа основан на удалении из воды ионов растворенных солей с помощью электрического поля. Вода, содержащая растворённые соли, является электролитом. Растворы электролитов являются проводниками второго рода – в постоянном электрическом поле катионы раствора движутся к катоду, а анионы – к аноду. В переносе электричества также участвуют образующиеся в результате диссоциации воды ионы Н+ и ОН-. Для предотвращения переноса ионов Н+ и ОН-, образующихся в процессе, электрохимический аппарат (электродиализатор) разделяют на отсеки с помощью специальных селективных катионо- и анионопроницаемых мембран. В крайних камерах помещают катод и анод, изготовленные из инертных материалов. При направленном движении ионов растворённых солей к электродам катионы, встречая на своём пути катионопроницаемую мембрану, свободно проникают через неё. В то же время для анионов эти мембраны представляются практически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов через анионопроницаемую мембрану, препятствующую одновременно переносу катионов.

Электродиализные аппараты конструируются по типу фильтр-пресса и включаются в схему опреснительных установок последовательно или параллельно в зависимости от условий применения. Эти аппараты состоят из чередующихся обессоливающих и рассольных камер, образованных прокладками-рамками из диэлектрика и отделённых друг от друга ионитными мембранами. Катод и анод аппарата с изолированными тоководами монтируются в торцевых плитах. Схема установки деминерализации с применением электродиализных аппаратов представлена на рисунке 3.

1, 2, 3, 4 – электродиализные аппараты; 5 – угольный фильтр;

6 – механические фильтры.

Рисунок 3 - Принципиальная схема установки обессоливания с применением электродиализных аппаратов

Дистилляция – один из самых эффективных методов переработки, позволяющий получить высокий коэффициент очистки раствора и эффективно сконцентрировать нелетучие примеси в продувочной воде. Кроме того, это один из наиболее старых и распространённых способов получения обессоленной воды из минерализованных вод.

При нагревании водных растворов молекул воды вследствие теплового и колебательного движения приобретают энергию, превышающую силы межмолекулярного притяжения, и выносятся в паровое пространство. Когда давление насыщенного пара воды становится равным внешнему давлению, вода начинает кипеть. Ионы и молекулы примесей воды, находясь в гидратированном состоянии, не имеют такого запаса энергии и попадают в пар в результате растворимости в нем в весьма малом количестве.

Существует большое количество типов дистилляционных аппаратов, на рисунке 4 представлена схема наиболее простой одноступенчатой дистилляционной установки.

1                  
– корпус; 2 – сепаратор; 3 – конденсатор; 4 – насос охлаждающей воды; 5 – нагревательный элемент.

Рисунок 4. - Принципиальная схема одноступенчатого дистилляционного аппарата

Дистилляционная установка, изображённая на рисунке, состоит из испарителя включающего нагревательный элемент, в который подводится тепло от внешнего источника (чаще всего пар) для испарения минерализованной воды, и конденсатора, охлаждаемого солёной водой. Солёная вода, отбирая в конденсаторе тепло фазового перехода, нагревается. Часть её идёт на подпитку испарителя, а остальное количество сбрасывается. Образовавшийся при кипении рассола в испарителе пар очищается сепарацией от капельного уноса во встроенном устройстве.

Холодильные методы обессоливания основаны на вымораживании молекул вводы из раствора на теплообменной поверхности, с применением холодильных установок. Однако установки, использующие подобные методы обработки воды не нашли широкого применения для получения деминерализованной воды.

Приведём краткие характеристики основных типов установок получения деминерализованной воды.

Сравнивая имеющиеся характеристики различных методов деминерализации приходим к выводу, что на сегодняшний день наиболее приемлемым методом обессоливания воды является дистилляция, как простой и высокопроизводительный метод. В нашем случае этот метод привлекателен ещё и тем, что в выпарных установках можно использовать вторичные энергоресурсы, идея использования которых и является целью дипломного проекта.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика наиболее распространённых методов деминерализации

1.2 Выбор типа выпарной установки и их классификация

Процесс выпаривания применяется для достижения различных целей – опреснение воды, разделение смесей, концентрирование растворов и т. д. Отсюда наличие большого числа различных типов и модификаций выпарных установок. Остановимся на опреснительных дистилляционных установках, так как именно они применяются для производства обессоленной (деминерализованной) воды.

Дистилляционные опреснительные установки обладают следующими достоинствами:

1)                простотой конструкции;

2)                высокой производительностью;

3)                хорошим качеством получаемого дистиллята;

4)                простотой и высокой надёжностью в эксплуатации;

5)                низкой стоимостью получаемой воды;

6)                возможностью полной автоматизации процессов;

7)                возможностью использования низкопотенциальной теплоты (в том числе и теплоты вторичных энергоресурсов);

8)                возможностью многоцелевого использования, включая переработку рассола.

Отталкиваясь от поставленной задачи, в последние годы уделяется большое внимание созданию новых и совершенствованию существующих схем опреснения дистилляцией. Каждая из них характеризуется своими параметрами, схемой организации выпаривания исходной воды, регенерацией теплоты, кратностью концентрирования, связью с циклом технологической установки, конструктивным исполнением, использованием и рядом других признаков.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10