Расчет озонирующей установки

Основные расчетные данные. Расчетный расход озонируемой во­ды Q_cyт=48500 м³/сутки, или Q_чac=2020 м³/ч.
Дозы озона: максимальная q_оз^макс=5 г/м³ и средняя годовая q_оз^ср= 2, 6 г/м³.
Максимальный расчетный расход озона
(2.1);

= кг/сутки, или 10, 1 кг/ч.

Продолжительность контакта воды с озоном t=6 мин.
Компоновка и расчет блока озонаторов. Принят озонатор труб­чатой конструкции производительностью G _оз= 5500 г/ч.
Для того чтобы выработать озон в количестве 10, 1 кг/ч, озониру­ющая установка должна быть оборудована 10100/5500=2 рабо­чими озонаторами. Кроме того, необходим один резервный озонатор такой же производительности (5, 5 кг/ч).
Активная мощность разряда озонатора U является функцией на­пряжения и частоты тока и может быть определена по формуле проф. Ю. В. Филиппова
Вт, (2.2);
где u _р — напряжение в разрядном промежутке в В;
— круговая частота тока в Гц;
C_э и C_п —электрическая емкость соответственно электродов и раз­рядного промежутка в Ф;
u_a — рабочее напряжение, подводимое к озонатору, в В.
Для определенного озонатора при установленных рабочих ус­ловиях величины C _э, C _п и u _р имеют постоянные значения независимо от напряжения или частоты тока. Поэтому расход электроэнергии пропорционален частоте тока со и максимальному напряжению то­ка u _а.

Напряжение тока в озонаторе принимается по опытным дан­ным.
Производительность озонатора увеличивается с повышением частоты тока со, но вместе с тем возрастает расход электроэнергии трансформатором и преобразователем частоты.
Значения C _э и C _п определяются по обычным формулам для рас­чета емкости плоского конденсатора; их величины весьма невели­ки и выражаются в микрофарадах.
Для данных условий принимаем: u _а= 20000 В; = 50Гц; C _э= 26, 1 мкФ и C _п= 0, 4 мкФ.

Величина потенциала разряда через разрядный промежуток со­ставляет 2000 В на каждый его линейный миллиметр. Так как в озо­наторе принятого трубчатого типа ширина разрядного промежутка составляет 2, 5 мм, то потенциал разряда будет

u_р=2, 5∙ 2000=5000 В.
Тогда активная мощность разряда озонатора по формуле (2.2);
Вт или 62 кВт
Следует различать активную мощность озонатора U в кВти вольтамперную мощность U _а, выраженную в кВа. Отношение U/U _a= называется емкостным коэффициентом мощности.
При значении _e= 0, 52 мощность трансформатора будет

U _a= U / _e (2.3);

U _a= 62/0, 52=120 кВа.
Основной деталью рассматриваемого озонатора являются стек­лянные диэлектрические трубки, заплавленные с одного конца и имеющие на внутренней поверхности графитовые покрытия. В стальные трубки внутренним диаметром d ₁= 92 мм вставлены стеклянные трубки наружным диаметром d ₂= 87 мм. Концентри­ческий зазор между трубками шириной 2, 5 мм служит разрядным промежутком.
Площадь поперечного сечения кольцевого разрядного проме­жутка
(2.4);

f =
Скорость прохода сухого воздуха через кольцевой разрядный промежуток в целях наибольшей экономии расхода электроэнергии рекомендуется в пределах _в=0, 15 — 0, 2 м/сек.
Тогда расход сухого воздуха через одну трубку озонатора

(2.5);

м³/ч.

Поскольку заданная производительность одного озонатора G _oз=5, 5 кг/ч, то при коэффициенте весовой концентрации озона К _оз= 20 г/м³ количество сухого воздуха, необходимого для элек­тросинтеза, составляет
(2.6);

м³/ч
Следовательно, количество стеклянных диэлектрических трубок в одном озонаторе должно быть

п _тр= Q _в /q _в (2.7);

п _тр = 275/0, 5=550 шт.
Стеклянные трубки длиной по 1, 6 м размещены концентрично в 275 стальных трубках, проходящих через весь цилиндрический корпус озонатора с обоих его концов. Тогда длина корпуса озона­тора будет l = 3, 6 м.
Производительность каждой трубки по озону
(2.8);

q =5500/550=10 г/ч
Энергетический выход озона

(2.9);

кг/кВт*ч

Суммарная площадь поперечных сечений 275 трубок d₁ =0, 092 м составляет f _тр= 275∙ 0, 785∙ 0, 092²=1, 83 м².
Площадь поперечного сечения цилиндрического корпуса озона­тора должна быть больше на 35%, т. е.

F _к=l, 35 f _тр (2.10);

F _к =l, 35∙ 1, 83=2, 47 м ².

Отсюда внутренний диаметр корпуса озонатора будет

(2.11);

м

Необходимо иметь в виду, что 85—90% электроэнергии, потреб­ляемой для производства озона, затрачивается на тепловыделение. В связи с этим надо обеспечить охлаждение электродов озонатора. Расход воды для охлаждения составляет 35 л/ч на одну трубку или суммарно
Q _охл= 550∙ 35=19250 л/ч, или 5, 35 л/сек.
Средняя скорость движения охлаждающей воды составит
(2.12);

м/ч, или 8, 3 мм/сек
Температура охлаждающей воды t=10 С.
Для электросинтеза озона нужно подавать 275 м³/ч сухого воз­духа на один озонатор принятой производительности. Кроме того, надо учесть расход воздуха на регенерацию адсорберов, составля­ющий 360 м³/ч для серийно выпускаемой установки АГ-50.
Общий расход охлаждаемого воздуха
V _о.в =2∙ 275+360=910 м ³ /ч, или 15, 2 м ³ /мин.
Для подачи воздуха принимаем водокольцевые воздуходувки ВК-12 производительностью 10 м ³ /мин. Тогда необходимо устано­вить

15, 2/10=1, 52 т.е. 2 рабочие воздуходувки и одну резервную с электродвигателями А-82-6 мощностью 40 кВт каждая.
На всасывающем трубопроводе каждой воздуходувки устанав­ливают висциновый фильтр производительностью до 50 м³/мин, что удовлетворяет расчетным условиям.

Первая ступень осушки воздухаосуществляется при помощи фреонового холодильного агрегата. Атмосферный воздух охлаж­дается с 26 до 6°С вследствие испарения фреона-12 (при темпера­туре -15°С).
Количество холода, необходимого для охлаждения воздуха,

(2.13);
где V _о.в — количество охлаждаемого воздуха в м ³ /ч;
c —теплоемкость воды, равная 0, 241 ккал/кг∙ град;

t —перепад температуры, принимаемый обычно 20°;
— вес 1 м ³воздуха, равный 1, 293 кг.
Следовательно, в данном случае
Q _о.в = 910∙ 1, 293∙ 0, 241(26-6)=5670 ккал /ч.
Объем воздуха V в общем виде вычисляют по формуле

(2.14);
Тогда при рабочих параметрах воздуха, поступающего в тепло­обменник с t ₁= 26 °С и P_раб=2 ат и выходящего из него с t₂= 6° C и P_раб=2 ат, по формуле (4.14):
м ³ /ч
м ³ /ч
Количество влаги в воздухе q в общем виде определяют по формуле
q=aV, (2.15);
где а — влагосодержание в воздухе при данной температуре
При t ₁=26°С величина а ₁=0, 02686 кг/м ³, а при t ₂=6°С а ₂ =0, 007474 кг/м ³. Тогда
q ₁=0, 02686∙ 514, 8 = 13, 8 кг/ч;
q₂=0, 007474∙ 480, 2=3, 6 кг/ч.
Количество влаги, выделяющейся ваппарате холодильной ус­тановки, q _ап= q ₁– q ₂ (2.16);

q _ап = 13, 8–3, 6=10, 2 кг/ч.

Количество холода, необходимого для охлаждения паров вла­ги в аппарате, считая от средней температуры

t _ср =(26+6)/2=16 ° С до конечной i₂=6°С, составит

q_о.вл=10, 2∙ 1(16-6)=102 кКал/ч.
Количество холода для конденсации влаги, задержанной в хо­лодильнике: q_конд = q_апL_к (2.17);

q_конд =10, 2∙ 595=6069 ккал/ч (где L_к=595 ккал/ч — теплота конденсации водяных паров).
Общее количество холода для всех операций с учетом 15% на потери: Q _хол= 1, 15 (Q _о.в+ q _о.вл+ q _кон)

Q _хол = 1, 15(5670+102+6069)=13620 Ккал/ч.
Принимаем к установке фреоновые холодильные агрегаты мар­ки АК-ФВ-30/15 холодопроизводительностыо 7000 кКал/ч (при тем­пературе испарения фреона — 15°С) при мощности электродвига­теля 4, 5 кВт и n=480 об/мин.
Количество таких агрегатов должно быть

n=13620/7000=2 шт.

Принимаем два рабочих и один резервный агрегат той же марки.
Вторая ступень осушки воздуха — адсорбирующая установка.
После охлаждения и осушки во фреоновом холодильнике воз­дух поступает на окончательную досушку в адсорберы автомати­ческого действия марки АГ-50.
Количество осушаемого воздуха для двух рабочих озонато­ров составляет Q_о.в=2∙ 275=550 м³/ч.
Продолжительность рабочего цикла адсорбции принимаем 10ч.
Вес адсорбента р _ад при равной высоте двух слоев загрузки — алюмогелем и силикагелем — должен быть:
(2.18);
где k — коэффициент для учета материала загрузки адсорбера;
q ₃ — количество влаги на выходе из адсорбера, при t ₃= –50°С равное 0, 05 г/м³
s — влагопоглощаемость адсорбента в % к его весу.
Тогда вес алюмогеля р _али силикагеля p_сил будет: кг

кг
Суммарный вес загрузки составит p_ад=420+301=721 кг. При указанном выше насыпном весе адсорбера и при высоте каждого слоя h = 400 мм в одну башню АГ-50 можно загрузить: алюмогеля (нижний слой)

кг
силикагеля (верхний слой)

кг
Суммарная загрузка башни

p_б=267+188=455 кг.
Следовательно, для досушки воздуха нужно иметь установок АГ-50 в количестве

n = p _ад/ p _б (2.19);

n = 721/455=2 шт. (две рабочих и одну резервную).
Расчет контактной камеры для смешения озоно-воздушной сме­си с водой. Необходимая площадь поперечного сечения контактной камеры в плане
(2.20);
где Q _чac — расход озонируемой воды в м³/ч;
Т - продолжительность контакта озона с водой;

принима­ется в пределах 5-10 мин;
п — количество контактных камер;
Н — глубина слоя воды в контактной камере в м;

прини­мается обычно 4, 5-5 м.
При Q _чac=2020 м ³ /ч, T =0, 1 ч, n=2 и H =5 м
м²

Для равномерного распыления озонированного воздуха у дна контактной камеры размещают перфорированные трубы (рис. 4.1).

Принимаем керамические пористые трубы.
Каркасом служит труба из нержавеющей стали (наружный диа­метр 57 мм) с отверстиями диаметром 4—6 мм (рис. 4.2). На нее надевается фильтросная труба — керамический блок длиной l=500 мм, внутренним диаметром 64 мм и наружным 92 мм. Активная поверхность блока, т. е. площадь всех пор размером по 100 мк на керамической трубе, занимает 25% внутренней по­верхности трубы, тогда

(2.21)

м²
При вводе озона в контакт с водой способом барботажа коли­чество подаваемого воздуха не находится в жесткой зависимости от количества обрабатываемой воды. Это позволяет регулировать подачу воздуха. Производительность воздуходувок обычно подби­рают так, чтобы, включая в действие одну, две или три воздуходув­ки, можно было изменять отношение объема газо­вой смеси к объему обра­батываемой воды.
Величины этого отно­шения а обычно принима­ют равными 0, 27; 0, 5 или 1. В данном случае

а=Q _о.в/ Q _чac (2.22);

а=550/2020=0, 27
Тогда количество озо­нированного воздуха, по­даваемого по распредели­тельным трубам, соста­вит

q _оз.в =2020∙ 0, 27 = 550 м³/ч, или 9, 17 м³/мин, или 0, 158 м /сек.

(Рис 4.1) Размещение перфорированных труб у дна контактной камеры
1 — коллекторы; 2 — перфорированные трубы

Площадь поперечного се­чения магистральной (кар­кас­ной) распределительной тру­бы внутрен­ним диамет­ром d=49 мм равна: f _тp=0, 00188 м²= 18, 8 см².
Принимаем в каждой контактной (камере по четыре магистральных

распределительных трубы, уложенных на взаимных расстояниях (между осями) по 0, 9 м. Каждая труба со­стоит из восьми керамических блоков. При таком размещении труб принимаем размеры контактной камеры в плане 3, 7X5, 4 м.

(Рис. 4.2) Детали фильтросных труб
1 — каркас-труба из нержавеющей стали; 2 — отверстия d =4 — 6 мм; 3 — фильтросная труба (керамический блок); 4 — прижимное устройство; 5 — привар­ной фланец; 6 — прокладки; 7 — резьба

Расход озонированного воздуха, приходящегося на живое сече­ние каждой из четырех труб в двух камерах, будет
(2.23);
а скорость движения воздуха в трубопроводе равна
= q _тp/ f _тр (2.24);

=0, 02/0, 00188=10, 7 м/сек
(рекомендуемая скорость 10—15 м/сек).
Суммарная активная площадь пор всех керамических труб, уло­женных в одной камере,

f _п= mf _п (2.25);

f _п =4∙ 8∙ 0, 0251=0, 8 м ² (где 4 — количество магистралей; 8 — количество керамических труб).
Расход озонированного воздуха, поступающего в воду через по­ристую поверхность всех труб одной камеры:

(2.26);

Общее давление, которое должно быть на входе в распредели­тельную систему озоно-воздушной смеси, определяется по формуле Ю. Б. Багоцкого
м.вод.ст. (2.27);

где H _гидр — гидростатическое давление в м вод. ст. (равное высоте слоя воды в камере);
_в — плотность воздуха

(2.28);

K = S*S_o/A — конструктивное отношение (рекомендуется прини­мать равным примерно 0, 5);

_o — площадь одного отверстия на каркасной трубе в м ²;
S — площадь сечения распределительной каркасной грубы в м ²;
А — коэффициент, зависящий от условного диаметра пор на керамической трубе d =100 мк и равный
условного диаметра пор на керамической трубе d =100 мк и равный
(2.29);

0, 3 — избыточное давление.
В данном примере при диаметре одного отверстия 0, 005 м S _o=0, 0000196 м ², при 50 отверстиях на 1 пог. м; S _o=0, 00096 м ², а f _тр=0, 00188 м ². Следовательно, K =0, 00096/0, 00188=0, 52.
Таким образом

м.вод.ст