Глава тринадцатая Расчет механических и ионообменных фильтров

13.1. Расчет механических фильтров

Расчет насыпных механических фильтров заключается в определении количества фильтров, предназначенных для очистки воды, а также в определении времени работы до появления в фильтрате заданной концентрации и заданного расхода воды на собственные нужды.

Для определения площади фильтрования, а также выбора типоразмера фильтра необходимо задать скорость пропуска обрабатываемой воды через свободное сечение механического фильтра, т. е. скорость фильтрования V_an, метров в час. На практике насыпные механические фильтры работают до сравнительно небольших относительных концентраций в фильтрате. Как уже отмечалось, практически во всех случаях система фильтрующий материал - раствор улавливаемой взвеси характеризуется выпуклой изотермой. Приводится уравнение для расчета времени работы насыпного механического фильтра:

(13.1)

Как следует из этого уравнения, время работы фильтра при пёрочих неизменных параметрах зависит от скорости фильтрования. Увеличение скорости фильтрования повышает производительность фильтра, т. е. объем обрабатываемой воды, подаваемой на фильтр в единицу времени. При этом появляется возможность уменьшить количество фильтров, устанавливаемых для очистки. Однако с повышением скорости сокращается время работы фильтра, что вызывает необходимость более часто проводить операции по подготовке фильтра к работе (взрыхление, отмывка). Кроме того, при этом повышается гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя, что отрицательно сказывается на экономических показателях режима работы фильтра. Исходя из опыта эксплуатации, скорость фильтрования на насыпных механических фильтрах, установленных в схемах подготовки добавочной воды для котлов и реакторов выбирают в пределах 5–7 м/ч. Скорость фильтрования на фильтрах, установленных в схемах очистки конденсата турбины, допускается до 80–100 м/ч. Такая скорость допустима, так как концентрация взвешенных частиц в конденсате, подаваемом на механический фильтр (50–80 мкг/дм³), намного меньше концентрации в воде (10⁴ мкг/дм³), подаваемой на фильтр, установленный в схеме очистки добавочной воды.

Исходя из скорости фильтрования V_аn и часового расхода воды Q в кубических метрах, подаваемой на очистку, рассчитывают общую площадь фильтрования, м²:

(13.2)

Выбирают типоразмер стандартного фильтра и, зная площадь свободного сечения фильтра в квадратных метрах f, общую площадь фильтрования F, определяют требуемое количество фильтров:

(13.3)

После этого уточняют скорость фильтрования. При резком отличии скорости от выбранного значения выбирают фильтр другого типоразмера и повторяют расчет.

Определяют время работы фильтра по уравнению (13.1). Далее рассчитывают суточное количество фильтроциклов всех фильтров:

(13.4)

после чего определяют расход воды в кубических метрах на взрыхляющую промывку V_взр одного фильтра:

(13.5)

где i – интенсивность взрыхления (для антрацита принимается равной 10 дм³/(с·м²)); t_взр – время взрыхления (принимается равным 5–10 мин), мин.

Расход воды на отмывку в кубических метрах V_отмрассчитывают по уравнению:

(13.6)

где t_отм – время отмывки (принимается равным 10 мин); – скорость пропуска отмывочной воды (принимается равной 7–10 м/ч).

Суммарный расход воды в кубических метрах на собственные нужды определяют как

.

(13.7)

Часовой расход воды на собственные нужды в кубических метрах рассчитывается как

(13.8)

Общий часовой расход в кубических метрах обрабатываемой воды с учетом собственных нужд Q_бр составит:

.

(13.9)

Намывные механические фильтры отключают при достижении заданного гидравлического сопротивления на фильтрующем слое. Поэтому основным показателем расчета намывного механического фильтра является время, в течение которого на фильтрующем слое возникнет заданный перепад давления. Расчет проводят по уравнению:

(13.10)

где – текущий перепад давления, МПа; а₃, а₁ – насыпная масса задержанной взвеси и фильтрующего материала, т/м³; п – подпитка, т. е. отношение массы фильтрующего материала, подаваемого на подпитку, к массе задержанной взвеси.

Намывные механические фильтры в энергетике применяют в основном для очистки воды различного типа (например, конденсата) от продуктов коррозии. В качестве фильтрующего материала для этой цели чаще всего используют технический перлит. При высоте начального фильтрующего слоя, равной 5 мм, для этого материала показатели А и k, входящие в уравнение (13.10), имеют следующие значения:

А k

фильтрование без подпитки 0,0024 0,9495

фильтрование с подпиткой 0,0055 + 0,0945n 0,9618

Перепад давления на начальном фильтрующем слое при этом составляет 0,01 МПа. Насыпная масса технического перлита а₁ = 0,235 т/м³.

Намывные механические фильтры отключают при достижении перепада давления на фильтрующем слое в интервале от 0.1 до 0,5 МПа. Такой разброс значений перепада давления можно объяснить спецификой условий эксплуатации схемы очистки в каждом конкретном случае.

Произвольный выбор конечного перепада давления на фильтрующем слое не позволяет организовать оптимальный режим работы намывного механического фильтра. При выборе оптимального конечного перепада давления можно пренебречь капитальными и амортизационными затратами. В этом случае в расчет войдут только две составляющие, отнесенные к 1 м³ ­­очищенного конденсата: Е_мат – затраты в рублях на материалы и Е_эл – затраты в рублях на электроэнергию, необходимую для прокачивания через фильтр конденсата до определенного перепада давления .

Затраты на материалы в рублях за кубический метр представляют собой затраты на фильтрующий материал и затраты на захоронение отработавшего фильтрующего материала Е_зах :

(13.11)

Затраты на фильтрующий материал рассчитывают по уравнению

(13.12)

где G' – масса фильтрующего материала, кг; – стоимость фильтрующего материала, руб/кг;v – объем конденсата, очищенного за фильтроцикл, м³.

При расчете затрат на захоронение следует учитывать, что отработавший фильтрующий слой транспортируют из фильтра на место захоронения гидравлическим способом, при этом объем воды или конденсата в 3 раза превышает объем транспортируемой пульпы. С учетом этого уравнение для расчета затрат на захоронение имеет вид:

(13.13)

где – масса пульпы, кг;– стоимость захоронения 1 м³ пульпы, руб/м³; – насыпная масса пульпы, т/м³.

Затраты на электроэнергию рассчитывают по уравнению

(13.14)

где – стоимость электроэнергии, руб/кВт·ч.

Объем очищенного конденсата является произведением часового расхода конденсата через фильтр Q в кубических метрах и времени работы фильтра t в часах до достижения перепада давления . Учитывая это, а также то, что время работы фильтра рассчитывают по уравнению (13.10), выражение для расчета себестоимости очищенного конденсатаS в рублях на кубический метр можно записать в виде

(13.15)

где ;;.

Оптимальный режим работы намывного механического фильтра соответствует условию , отсюда следует

(13.16)