ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 61
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1 Введение
Темой курсового проекта является разработка конструкторских документов на установку по конденсации паров тяжёлой воды. Основные требования это: простота конструкции, надёжность, возможность многократного использования, мобильность, т. е. транспортировка данной установки через существующие технологические проёмы, имеющимся в наличие штатным оборудованием (тележки, тали, кран балками). Документация должна быть разработана с учётом нормативных требований, обеспечивающих безопасною, эффективную и надёжную работу установки.
В настоящее время существует необходимость в источниках пополнения реакторной установки "свежей" тяжёлой водой, эта проблема и ставит перед предприятием задачу об экономичном использовании существующих объемов и возможности перерабатывать технологически разливы, пары тяжёлой воды с целью её регенерации и дальнейшего использования в технологическом процессе. Данная установка должна отвечать всем современным требованиям радиационной безопасности необходимых для данного производства.
2 Литературный обзор
2.1 Назначение D2O и требования, предъявляемые к её качеству
В существующем промышленном канальном реакторе ЛФ-2 (завод 23 ФГУП "МАЯК") для отвода тепла от активной зоны в 1 контуре применяется жидкий теплоноситель - D2O.
Средняя энергия нейтронов, испускаемых при делении ядра, равна примерно 2 МэВ. Для более эффективного использования нейтронов, в реакторе на тепловых нейтронах, их энергия должна быть уменьшена посредством столкновения с ядрами замедлителя. Наилучшим жидким теплоносителем является тяжёлая вода в виду её малого атомного веса и незначительного сечения захватов нейтронов дейтерием. Коэффициент замедления – это отношение замедляющей способности к макроскопическому сечению поглощения. Он является наилучшим критерием эффективности замедления. Тяжёлая вода имеет высокий коэффициент замедления и поэтому является самым эффективным идеальным замедлителем. Очень важно, что при хорошей замедляющей способности тяжёлая вода имеет практически нулевое сечение захвата.
Основным недостатком тяжёлой воды является её высокая стоимость. Производится тяжёлая вода методом электролиза, на получение 1 кг тяжёлой воды расходуется более 10
4 кВт/ч электроэнергии. Для сохранения параметров тяжёлой воды, необходимых для качественной работы промышленного реактора, необходимо максимально предотвращать разбавление её лёгкой водой. На установке ЛФ – 2 для этих целей служит непрерывно действующая регенерационная установка (РУ).
2.2 Регенерационная установка
Регенерационная установка РУ предназначена для восстановления концентрации D2O. Концентрация D2O сильно снижается в системе за счёт попадания влаги из окружающего воздуха. Разбавление D2O также происходит и за счёт различного рода работ связанных с отбором проб, промывки аппарата, при различного рода сливов и т.д.
Восстановление концентрации D2O осуществляется способом ректификации под вакуумом в колпачковых ректификационных колоннах. Установка регенерации состоит из четырёх последовательно расположенных колонн. Регенерируемая D2O укрепляется до необходимой концентрации в исчерпывающей колонне. Из испарителя колонны регенерируемая D2O с концентрацией ≥99.7% непрерывно откачивается в систему основного аппарата насосом. За счёт прохождения четырёх последовательно расположенных колонн D2O постепенно обогащается водой и в верхней части последней колонны отбирается отвал концентрацией D2O≤5%. Количество поступающей воды на РУ=5 кг/сут. Колонна используется для переработки сливов слабых концентраций, а также колонна может работать как исчерпывающая перед второй колонной.
2.3 Дистилляционная установка
Разбавление D2O влагой осуществляется за счёт того, что зеркало тяжёлой воды в реакторе контактирует с воздухом. Из которого в D2O переходит азот, ведущий к накоплению азотной и азотистой кислот и вода приобретает слабокислую реакцию (рН =3.7-4.2). Образующаяся свободная кислота будет расходоваться на коррозию алюминия. Также источником поступления азотной и азотистой кислот является дистилляционная установка, которая не удерживает кислоту и по мере накопления нуклидов в осадке азотно-водородной кислоты, образовавшиеся продукты коррозии накапливаются в контуре D2O до уровня, который поддерживается благодаря непрерывной очистке от взвеси путём дистилляции в выпарных установках (ДУ). Продукты коррозии в виде суспензии, D2O выпадая в виде накипной плёнки на поверхности твелов, способствуют их выходу из строя. Поэтому максимально полное удаление суспензии из контура D
2O является актуальной задачей.
ДУ служит для очистки D2O от окиси алюминия и других примесей. Установка ДУ включает в себя четыре перегонных аппарата. Очистка D2O производится путём выпаривания D2O в перегонных аппаратах с последующей конденсацией вторичных паров в конденсаторах. Полученный конденсат сливается самотёком в аппарат. Часть D2O из конденсаторов проходит через ионообменные фильтры и поступает на РУ. Для предотвращения потерь D2O при не плотностях системы ДУ работают под вакуумом.
Для поддержания в системе РУ постоянного вакуума, установлены два вакуумных насоса, производительностью по 50л/мин каждый, при нормальном атмосферном давлении и насос с производительностью 1100л/мин, при нормальном атмосферном давлении. Во избежание попадания масла из вакуумных насосов в вакуумные коммуникации и влаговымораживатели, перед вакуумными насосами и после них установлены масловодоотделители, внутренняя полость которых заполнена кольцами Рашига.
Существует ряд мер для уменьшения и предотвращения образования неизбежных потерь D2O.К ним относится сбор технологических сливов, остатков после дренирования с оборудования тяжёлой воды, содержащих D2O и выделение из них D2O. Такие технологические сливы могут образовываться и в виде протечек D2O из технологического оборудования во время его непрерывного рабочего цикла. Для переработки образующихся паров тяжёлой воды, разделения от посторонней примеси и планируется данная установка.
2.4 Тяжёлая вода
Химическая формула тяжёлой воды (окиси дейтерия) D2O
Относительная распространенность в природе (в вес. %) Н2О и D2O
Н2О>99,98% D2O<0,02%
В таблице приводятся физико-химические свойства тяжёлой воды в соответствии со свойствами обыкновенной воды.
D2O Н2О
Молекулярный вес 20,029 18,016
Температура замерзания (1атм) 3,82°C 0,00°C
Температура кипения (1атм) 101,42°C 100,00°C
Температура максимальной плотности (1атм) 11,6°C 3,98°C
Плотность при 20°C в мл/г 1,1056 0,99820
Удельный объем при 20°C в мл/г 0,9050 1,00177
Скрытая теплота плавления (1атм) 75,5 79,7
Ккал/г-мол 1,51 1,44
Скрытая теплота парообразования при 0°C
Ккал/г-мол 11,51 10,76
Теплота образования жидкой воды из элементов
Ккал/г-мол 70,2 68,4
Вязкость при 20°C (в миллипуазах) 12,60 10,05
Поверхностное натяжение при 20°C в дн/см 68,8 72,53
Показатель преломления n20D 1.32844 1.33300
Диэлектрическая постоянная при 20°C 79 80,1
Давление паров в мм, рт. ст. при 20°C 15,24 17,54
при 100°C 721,6 760
Растворимость NaCL при 25°C
( г соли на 100г воды) 30.56 35.92
Подвижность ионов в водном растворе
H° 213.7 315
K° 54.5 64
CL' 55.3 66.3
Электропроводность 0,01 н
Раствора KCL при 25°C в ом-1*см2 117 141,3
Ионное произведение при 25°C 1,6*10-15 1,27*10-14
Тяжёлая вода замедляет многие реакции, в частности химические процессы протекающие в животных и растительных организмах. Тяжёлую воду применяют в ядерной физике, ядерной технике и др.
Тяжёлокислородная вода – с повышенным содержанием тяжёлых изотопов кислорода: О17 и О18. Применяют в научных исследованиях для получения химических соединений с меченными атомами кислорода.
H и D образуют с О16, О17 и О18 9 разновидностей воды: H2O16; HDO16, D2O16; H2O17 и тд.
Радиоактивный изотоп тритий образует 9 разновидностей воды: HTO16 DTO16; T2O16; HTO17; HTO18; и тд, температура кипения:HTO16 = 100.8°C
T2O16 = 101.6°C;
Содержание D в природной смеси изотопов водорода 0,014-0,015.
2.5 Теплообменники
Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.
По способу передачи тепла теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах обмен теплом рабочих сред происходит через стенки из теплопроводного материала, в смесительных – тепло передаётся при непосредственном перемешивании рабочих сред.
Смесительные теплообменники по конструкции проще поверхностных, тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешивание рабочих сред.
Поверхностные теплообменные аппараты в свою очередь делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменниках теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и тоже направление. В регенеративных теплообменниках теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки попеременно меняется.
Кожухотрубные теплообменники
Основными элементами кожухотрубных теплообменников являются пучки труб (концы которых закреплены в трубных решётках), корпус, крышки, патрубки. Крепление труб осуществляется путём развальцовки, сварки и пайки.
С целью увеличения скорости движения теплоносителей для интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и межтрубном пространствах.
Кожухотрубные теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса и удобства монтажа. В зависимости от величин температурных удлинении трубок и корпуса различают кожухотрубные теплообменники жёсткой, полужёсткой и нежёсткой конструкции.
Аппараты жёсткой конструкции применяют при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб, они отличаются простотой устройства.
В кожухотрубных теплообменниках нежёсткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса, чем устраняются дополнительные напряжения от температурных удлинений. Нежёсткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или на корпусе, пучком U-образных труб и подвижной трубной решёткой закрытого и открытого типа.
В аппаратах полужёсткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе. Полужёсткая конструкция надёжно обеспечивает разгрузку температурных деформаций, если они не превышают 10-15 мм, а условие давления в межтрубном пространстве составляет не более 2,5кг/см2.
Главхиммашем разработаны нормали на типовые конструкции кожухотрубных теплообменников, согласно которым рекомендуются поверхности теплообмена от10 до 800м2.
Виды кожухотрубчатых теплообменников представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Виды кожухотрубчатых теплообменников
а – одноходовой; б – многоходовой; в – пленочный; г – с линзовым компенсатором; д – с плавающей головкой закрытого типа; е – с плавающей головкой открытого типа; ж – с сальниковым компенсатором; з – с U-образными трубами; 1 – кожух; 2 – трубная решетка, 3 – трубы; 4 – входная камера; 5 – выходная камера; 6 – продольная перегородка; 7 – камера; 8 – перегородки в камерах; 9 – линзовый компенсатор; 10 – плавающая головка; 11 – сальник; 12 – U-образные трубы; I,II – теплоносители.