МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» ____________________________________________________________ (институт) ____________________________________________________________ (кафедра) КУРСОВАЯ РАБОТА (КУРСОВОЙ ПРОЕКТ) по учебному курсу «___________________________________» Вариант ____ (при наличии) Студент (И.О. Фамилия) Группа (И.О. Фамилия) Преподаватель (И.О. Фамилия) Тольятти 20__ МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» Институт химии и энергетики (наименование института полностью) Кафедра «Химическая технология и ресурсосбережение» (наименование кафедры полностью) ЗАДАНИЕ на выполнение курсовой работы Студент Крайнов Вадим Александрович___________________________________________ 1.Тема Анализ процессов и расчет аппаратов защиты окружающей среды_______________ 2. Срок сдачи студентом законченной курсовой работы: 11 января 2020 г.______________ 3. Исходные данные к курсовой работе Вариант № 1: циклон (Клинкерно-обжиговая печь): Q = 20 м3/с; ρ = 1,29 кг/м3; μ = 17,3 ∙ 10−6 Па ∙ с; dм = 23 мкм; lg𝛿4 = 0.501; Свх = 30 г/м3; ρч = 2000 кг/м3; η=0,85; Металлический фильтр: Qгаз=150 м3/ч; Свх=5 мг/м3; 𝑑то абс=5 мкм; ΔРкон = 20 кПа; τ=50 ч пористый материал – бронза, форма частиц – сфера; П=0,33; h=1м; скруббер: Qгаз=3000 м3/ч; 𝑄=30 м3/ч; 𝜈=0.5 м/c; ΔРкон = 0.5 МПа; γ=0,85 β=60; отстойник горизонтальный: Q = 500 м3/ч; с0 = 1000; dч = 50 мкм; рч = 1500 кг/м3; горизонтальный. 4. Содержание курсовой работы (перечень подлежащих разработке вопросов, разделов): Введение_____________________________________________________________________ 1 Аппараты сухой механической газоочистки (циклон)_______________________________ 1.1 Принцип работы циклона, их классификация и достоинства и недостатки 1.2 Конструктивный расчет циклона ________________________________________ 2 Аппараты мокрой очистки газов________________________________________________ 2.1 Принцип работы скруббера___________________________________________________ 2.2 Конструктивный расчета скруббера и форсунки__________________________________ 3 Оборудование механической очистки сточных вод_________________________________ 3.1 Принцип работы отстойников_________________________________________________ 3.2 Расчет отстойников__________________________________________________________ 4 Центрифуги_________________________________________________________________ 4.1 Принцип работы центрифуг__________________________________________________ 2 4.2 Конструктивный расчет центрифуги___________________________________________ Заключение___________________________________________________________________ Список используемых источников________________________________________________ 5. Ориентировочный перечень графического и иллюстративного материала (с точным указанием чертежей и форматов их представления): Схемы циклона, скруббера, горизонтального отстойника, центрифуги. 6. Рекомендуемые учебно-методические материалы: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»_______________________________________________________________________ Дата выдачи задания «03 » сентября 2020 г. Руководитель курсовой работы _____________ (подпись) Задание принял к исполнению ______________ (подпись) Ю.Н. Шевченко (И.О. Фамилия) В.А. Крайнов (И.О. Фамилия) 3 СОДЕРЖАНИЕ 1 Циклонные пылеуловители ................................................................................. 5 1.1 Циклонные пылеуловители .............................................................................. 5 1.2 Принцип действия циклонов............................................................................ 7 1.3 Применение, достоинства и недостатки циклонов ........................................ 9 1.4 Конструктивный расчет циклона .................................................................. 10 2 Пористый фильтр ............................................................................................... 18 2.2 Достоинства и недостатки фильтров............................................................. 21 2.3 Эксплуатационные особенности фильтра пористого .................................. 22 2.4 Расчет пористого фильтра .............................................................................. 23 3 Скрубберы: принцип работы, устройство и характеристики ........................ 29 3.1 Типы скрубберов ............................................................................................. 29 3.2 Принцип работы мокрых пылеуловителей................................................... 30 3.3 Назначение и сферы применения скрубберов.............................................. 32 3.4 Типы скрубберов ............................................................................................. 34 3.5 Расчет скруббера и форсунки ........................................................................ 39 4 Горизонтальные отстойники ............................................................................. 43 4.4 Конструктивный расчет горизонтального отстойника ............................... 45 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 47 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................... 48 4 1 Циклонные пылеуловители 1.1 Циклонные пылеуловители Циклонные пылеуловители — самые распространенные аппараты для газоочистки. Одновременно они и самые простые по своему принципу работы, и самые сложные. Циклоны были разработаны еще в СССР и имеют проектную разработанную эффективность. Циклоны представляют собой эффективное пылеулавливающие оборудование, предназначенное для сухой очистки воздуха и газов от пылевидных частиц различного вида, размера и концентрации. Высокая эффективность, простота конструкции и обслуживания сделали устройство основной или первичной ступенью очистки в большинстве аспирационных систем. Циклонные фильтры широко применяются для очистки газов от нагревательных печей, очистки воздуха в пневматических и транспортерных системах подачи, загрузки, выгрузки и перегрузки сыпучих материалов, в технологических процессах по производству и переработке в строительной, древесной, сельскохозяйственной, горнодобывающей, химической, металлургической отраслях промышленности. Для очистки воздуха или газа от загрязнений применяют циклоны различной конструкции и размеров. Расчет циклонов для улавливания пыли происходит на стадии создания проекта аспирации для строящегося объекта или при его реконструкции, при этом учитываются конкретные условия эксплуатации, особенности технологического процесса и интенсивность выбросов от источников загрязнения. 5 Рисунок 1.1 - Циклон Расчет циклона для очистки воздуха и газовых смесей является довольно сложной задачей, аспирационного от выполнения оборудования. которой Получение зависит эффективность неправильного результата существенно снизит степень очистки, повысит предельно-допустимую концентрацию веществ в атмосферных выбросах, создаст вредные или опасные условия для работы технического персонала предприятия. Увеличение количества загрязняющих веществ в выбросах приведет к огромным штрафам, которые наложат на организацию контролирующие органы Росприроднадзора. Основными факторами при расчете циклона для очистки воздуха и газовоздушных смесей являются: 6 - вид загрязняющих веществ; - размер твердых частиц; - величина адгезии к стенкам циклона и степень слипаемости материалов; - физические и химические свойства загрязнений; - количество источников загрязнений; - концентрация твердых частиц в очищаемом воздухе или газе; - интенсивность образования загрязнений; - наличие укрытий и защитных экранов в местах образования пыли; - длина, размер и сложность сети воздуховодов системы аспирации; - скорость движения запыленного потока; - показатель гидравлического сопротивления циклона; - климатические условия эксплуатации объекта и пылеулавливающего устройства. 1.2 Принцип действия циклонов Принцип работы циклонов основан на использовании для разделения газовой и твердой составляющих запыленного потока центробежной и инерционной силы. Конструкция циклонного фильтра состоит из нескольких элементов: - стальной корпус с конусной нижней и цилиндрической средней частью; - входной спиралевидный патрубок; - выходной патрубок в виде стальной трубы и спиральной насадки; - накопительный бункер с шиберным затвором. Расчет эффективности циклона должен происходить с пониманием принципа действия и конструкции пылеулавливающего устройства, 7 предназначенного для очистки газов от загрязнений на конкретном производственном предприятии. Загрязненный воздух через входной патрубок попадает внутрь циклона. Спиральная конструкция патрубка закручивает входящий поток по спирали по часовой или против часовой стрелки. Под действием центробежных сил воздух прижимается к стенкам корпуса и опускается в нижнюю часть циклона. Разделение происходит на уровне выходящего патрубка, в который устремляется воздух в противоположном направлении запыленному потоку, а более тяжелые частицы загрязнений, под действием силы инерции, продолжают опускаться в нижнюю часть корпуса. Очищенный воздух выходит наружу, а пыль оседает в накопительный бункер, из которого в дальнейшем удаляется. Циклоны могут работать как при разряжении, так и при нагнетании давления. Для увеличения производительности пылеулавливающие устройства собирают в группы или батареи. Степень очистки циклона может достигать величины 80-90%. Чтобы добиться максимального показателя необходимо соблюдать баланс между производительностью, скоростью потока и гидравлическим сопротивлением устройства. Точный расчет фильтра циклона достаточно сложен, поэтому очень часто его производят в простом варианте по уровню гидравлического сопротивления и скорости запыленного потока. Оптимальным показателем скорости является значение от 10 до 40 м/с, которое позволяет не оседать пыли в воздуховодах и создать эффективную очистку воздуха. С увеличением скорости потока очистка смещается в сторону улавливания более крупных частиц, мелкие могут попадать в очищенный воздух. С другой стороны, небольшая скорость воздуха приведет к оседанию больших и тяжелых загрязнений в системе воздуховодов. Большое значение для эффективности устройства имеет величина наклона входного патрубка: с уменьшением угла наклона увеличивается степень очистки и снижается производительность. Для повышения производительности увеличивают 8 диаметр цилиндрической части циклона и размеры входного патрубка или аспирационную систему снабжают несколькими циклонами. При наличии в загрязнениях абразивных частиц пыли расчет цилиндрического циклона производят с учетом увеличенной толщины стенки корпуса. 1.3 Применение, достоинства и недостатки циклонов Наибольшее применение в промышленном производстве получили циклоны марки ЦН-15 и ЦН-11. Эти универсальные устройства предназначены для сухой очистки газовоздушной смеси от твердой неслипающейся и волокнистой пыли. Их нельзя применять в условиях взрывоопасной среды. В зависимости от производительности вентилятора одиночные модели ЦН имеют диаметр корпуса от 200 до 1200 мм, организация в группы предполагает наличие двух, четырех, шести и восьми циклонов с диаметром от 300 до 900 мм. Накопитель для пыли имеет пирамидальную форму, порядок очистки циклона предполагает регулярную выгрузку по мере достижения критического уровня (не выше плоскости, расположенной от крышки накопителя на 0,5 диаметра корпуса). Условное обозначение состоит из букв и цифр: Ц – циклон, Н – разработка НИИОГАЗ, 15,11 – угол наклона входного патрубка. Для очистки воздуха от крупных отходов деревообработки в виде щепы, витой стружки, сырых опилок, коры, тяжелой пыли используют модели ОЭКДМ, имеющие наиболее низкое значение коэффициента гидравлического сопротивления. Мелкая стружка, древесная пыль, опилки эффективно улавливаются циклонами ЦДО, УЦ, Ц, которые отличаются высокой производительностью и низким уровнем сопротивления. Очистка газов от частиц сажи, продуктов горения и технического углерода осуществляется с помощью устройств СК-ЦН-34. Такие циклоны часто используются в 9 энергетике (при сжигании топлива), в химической промышленности, при производстве нефтепродуктов способом каталитического крекинга. Широкое применение циклонов в качестве сухой очистки воздуха и газов обеспечили их существенные преимущества: - высокая степень очистки; - высокая производительность; - разнообразие моделей с возможностью подбора для конкретных условий эксплуатации; - высокая энергоэффективность; - низкая стоимость производства фильтров-циклон; - отсутствие подвижных частей; - обеспечение эффективной работы при изменении концентрации пыли; - работа без необходимости подвода энергетических трасс. Использовать циклоны можно в любых климатических зонах, температура эксплуатации составляет от -40°C до +40°C. 1.4 Конструктивный расчет циклона Рассчитать газоочистной аппарат (циклон) для разделения взвешенных частиц от газового потока. В таблице 1.1 приведены исходные данные: 1. Объем очищаемого газа Qм3/с; 2. плотность газа при рабочих условиях p (кг/м3); 3. динамическая вязкость газа при рабочей температуре, μ, Па с; 4. дисперсный состав пыли d50 мкм; 5.dм, мкм – медианный размер частиц пыли, 6. lg 4 – стандартное отклонение размеров частиц пыли, 7. Свх– входная концентрация пыли, 8. ρч– плотность частиц пыли, 10 9. η– требуемая эффективность очистки газа. Исходные данные необходимо взять из таблицы 1.1 по заданному варианту. Начертить схему циклона по результатам расчета. Таблица 1.1 – Исходные данные к заданию 1 N Наименование оборудования Q 1 Клинкернообжиговая печь 20 1,29 10 6 dМ lg 4 CВХ 4 17,3 23 0,501 30 2000 0,85 Таблица 1.2 - Соотношение размеров в долях диаметра D для циклонов Размеры Наименование Тип циклона Обозначение ЦНЦН- ЦНЦН15 15У 24 11 Внутренний диаметр выхлопной d 0,59 Dц для всех типов трубы Внутренний диаметр d1 0,3–0,4 Dц для всех типов пылевыпускного отверстия Ширина входного патрубка в b 0,2 Dц для всех типов циклоне (внутренний размер) Ширина входного патрубка на b1 0,26 Dц для всех типов входе (внутренний размер) Длина входного патрубка 0,6 Dц для всех типов l Диаметр средней линии циклона D 0,8 Dц для всех типов СДКЦН-33 0,334 Dц 0,334 Dц 0,264 Dц – СКЦН-34 0,340 Dц 0,229 Dц 0,214 Dц – 0,6 Dц 0,6 Dц 0,1 Dц 0,1 Dц ср Высота установки фланца hфл Угол наклона крышки и входного патрубка циклона Внутренний диаметр циклона Dц Высота входного патрубка a (внутренний размер) Высота выхлопной трубы h1 15 0 15 0 24 0 110 – – – 0,66 Dц 1,74 Dц 2,26 Dц 2 Dц – 0,48 Dц 1,56 Dц 2,06 Dц 2,0 Dц 0,3 Dц 4,38 Dц – – 0,2– 0,3 Dц – hТ – 1,11 Dц 2,11 Dц 2,11 Dц 1,75 Dц 0,4 Dц 4,26 Dц – – 0,535 Dц – 0,3 Dц 4,56 Dц – – 0,66 Dц 1,5 Dц 1,51 Dц 1,5 Dц 0,3 Dц 3,31 Dц – – – – – Высота цилиндрической части циклона Высота конуса циклона Hц Высота внешней выхлопной трубы Общая высота циклона hв части Высота заглублений выхлопной трубы Радиус улитки входного патрубка 𝜑 0,1 Dц для всех типов Hк H 0,55 Dц 0,515 Dц 2,11 D 3 ц Dц 0,2 – 0,515 0,3 Dц Dц – – 0,535 Dц 𝐷ц + 2 𝜑 𝑏 2𝜋* 1350 0,515 Dц 𝐷ц 2 𝜑 +𝑏 𝜋 1350 11 Расчет циклонов ведут методом последовательных приближений. Таблица 1.3 -Параметры, определяющие эффективность циклонов Параметры ωоп, м/с 𝑇 𝑑50 , мкм lg T Тип циклона ЦН-24 ЦН-15У ЦН-15 ЦН-11 4,5 8,50 0,308 3,5 4,50 0,352 3,5 3,65 0,352 3,5 6,00 0,283 СДК ЦН-33 2,0 2,31 0,364 СКЦН34 1,7 1,95 0,308 СК ЦН 34М 2,0 1,13 0,340 ωоп – скорость движения газа в циклоне, м/с. 𝑇 𝑑50 – оптимальный диаметр частиц, осаждаемых с эффективностью 50 %, мкм. lg 𝛿η𝑇 – стандартное отклонение функции распределения парциальных коэффициентов очистки. Расчет начинают с циклона, для которого диаметр частиц пыли 𝑑𝑀 𝑇 должен быть ориентировочно в 2 раза больше, чем 𝑑50 . dм > 2dт50 , где 𝑑м – медианный размер частиц, то есть такой размер, при котором количество частиц крупнее 𝑑м равно количеству частиц мельче 𝑑м . dм=8 мм, принимаем к расчету циклон ЦН-24. Диаметр циклона вычисляется по формуле: 𝐷=√ 4∙𝑄 𝜋 ∙ 𝜔оп ∙ 𝑁 =√ 4∗20 3,14∗4,5∗1 = 2,38 (1.1) где 𝑄 – количество очищаемого газа, м3/с; 𝑁 – количество циклонов. Полученное значение диаметра 𝐷 округляется до ближайшего типового значения внутреннего диаметра циклона 𝐷ц (табл. 2.4). принимаем 𝐷ц = 2,4 м Типовые значения внутреннего диаметра циклона представлены в таблице 2.4. 12 Таблица 1.4 - Типовые значения внутреннего диаметра циклона 𝐷ц , м 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 По выбранному диаметру циклона находится действительная скорость движения газа в циклоне: 𝜔𝑝 = 4∙𝑄 𝜋 ∙ 𝐷ц2 = 4∗20 3,14∗2,4 2 = 4,42, м/с, (1.2) Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 100 ∙ | 100 ∙ | 𝜔Р −𝜔оп 𝜔оп | ≤ 15 %. 4,42−4,5 4,5 | = 1,8% ≤ 15 %. Параметр 𝑑50 определяют следующим образом. 𝑑50 – диаметр частиц, осаждаемых с эффективностью при рабочих условиях. Величина 𝑑50 определяется по формуле: T 𝑑50 = 𝑑50 √ 𝐷Ц 𝐷Т ∙ 𝜌чТ 𝜌ч ∙ μ μТ ∙ ωТ ωР . (1.3) Значение соответствует следующим типовым параметрам работы циклона: ω Т 3,5 м , с DТ 0.6 м, чт 1930 кг , м3 μ Т 22,2 10 6 Па с. С учетом этих значений формула (3) принимает вид: d 50 d 50Т DЦ 1930 3,5 0,6 ч 22,2 10 6 Р . (1.4) Полученное значение 𝑑50 должно быть меньше 𝑑M (заданного). Если это не выполнятся, то необходимо выбрать другой циклон с меньшим значением 𝑇 𝑑50 . 13 𝑑50 = 8,5√ 2,4 1930 ∙ ∙ 17,3∗10−6 ∙ −6 0,6 2000 22,2∗10 3,5 = 13,12 < 15 – условие выполняется 4,42 Расчет параметра 𝑋 определяют по формуле: lg( d M d 50 ) X где lg 2 δТη – lg 2 T lg 2 ч стандартное , (1.5) отклонение функции распределения парциальных коэффициентов очистки (табл. 1); lg 2 δч – стандартное отклонение размеров частиц пыли (параметр из табл. 7). X lg(23 /13,12) 0, 41 0,09 0, 26 По величине параметра X определяют значение нормальной функции распределения Ф(Х) – полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях: 0,3762 X 0,5 ( X ) 1 1 5,8 X 0,5 0 X 0,6 X 0,6 . (1.6) Ф(Х) = 0,3762 ∗ 0,41 + 0,5 = 0,7 Определятся эффективность очистки газа в циклоне (η): 𝜂= 1 ( X ) 2 1,+0,7 2 . (1.7) = 0,85 Полученное значение сопоставляют с требуемым. Выбранный циклон соответствует заданным параметрам. Определение коэффициента гидравлического сопротивления циклона: 𝜉 = K1 ∙ K 2 ∙ 𝜉500 , (1.8) где K1 – поправочный коэффициент на диаметр циклона (табл. 1.5); K 2 – поправочный коэффициент на запыленность газа (табл. 1.6); 𝜉500 – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм (табл. 1.7). 14 Определение поправочного коэффициента K1 – по таблице 1.5. Таблица 1.5- Определение поправочного коэффициента 𝐊 𝟏 Dц, м ЦН-11 ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24 0,2 0,3 0,4 ≥0,5 0,95 0,96 0,99 1,00 0,90 0,93 1,00 1:00 СДК ЦН-3, СДК ЦН-34, СДК ЦН-34М 1,00 1,00 1,00 1,00 Определение поправочного коэффициента K 2 производим по таблице 1.6. Таблица 1.6 -- Определение поправочного коэффициента 𝐊 𝟐 Тип циклона ЦН-11 ЦН-15 ЦН-15У ЦН-24 СДК ЦН-33 СК ЦН-34 СК ЦН-34М Запыленность на входе, (г/м3) 0 10 20 40 80 120 150 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,90 0,90 0,89 0,90 0,77 0,915 – 0,87 0,87 0,88 0,87 0,76 0,91 – 0,85 0,86 0,87 0,86 0,745 0,90 – 0,96 0,93 0,93 0,95 0,81 0,98 0,99 0,94 0,92 0,92 0,93 0,785 0,947 0,97 0,92 0,91 0.91 0,92 0,78 0,93 0,95 Определение коэффициента гидравлического сопротивления 𝜉500 производим по таблице 1.7. Таблица 1.7 - Определение коэффициента гидравлического сопротивления 𝝃𝟓𝟎𝟎 Тип циклона 𝜉500 ЦН-24 ЦН-15, ЦН-15У 75 155 ЦН11 245 СДК ЦН- СК ЦН-34, 33 СК ЦН-34М 520 1050 𝜉 = 1 ∗ 0,925 ∗ 75 = 69,4 15 Вычисление гидравлического сопротивления (∆𝑃, Па) циклона производят по формуле ∆𝑃 = 𝜉 𝜌∙𝜔р2 2 , (1.9) где 𝜌 – плотность газа, кг/м3; 𝜔р – скорость газа в циклоне, м/с. ∆𝑃 = 69,4 1,29∙4,422 2 = 875 Па Расчет мощности привода подачи газа. Величина гидравлического сопротивления и объемный расход (𝑄 м3/с) очищаемого газа определяют мощность (𝑁, Вт) привода устройства для подачи газа к циклону: N 𝑁= 1.2∗875∗20 0.8∗0.8 K 3 PQ M B , (1.10) = 32813 Вт 32,8 кВт где K 3 – коэффициент запаса мощности (K 3 = 1,2); 𝜂м – КПД передачи мощности от электродвигателя к вентилятору (𝜂м = 0,8); 𝜂в – КПД вентилятора (𝜂в = 0,8). Определение концентрации пыли на выходе из циклона, г/м3: Свых = Свх(1 − 𝜂) . (1.11) Свых = 30(1 − 0,85) = 4,5 г/м3 В ходе расчёта определили основные технологические и конструктивные параметры. Большинство конструктивных параметров у циклонов задается соотношением в долях диаметра. Чтобы не загромождать расчёт, ввиду простоты конструктивных расчётов, представим результаты в таблице 2.8, куда, к тому же, сведём основные технологические параметры. 16 Таблица 1.8 – Основные технологические и конструктивные параметры Наименование Обозначение Соотношение в долях диаметра (для ряда конструктивных параметров) Расход, м3/ч Q 3 Концентрация на входе, г/м Cвх 3 Концентрация на выходе, г/м Cвых Диаметр частиц, осаждаемых при d50 рабочих условиях с эффективностью, равной 50 процентам, мкм Эффективность очистки, процент η Гидравлическое сопротивление ∆P аппарата, Па Мощность привода, Вт N Диаметр аппарата, м Dц Внутренний диаметр выхлопной d 0,334∙ Dц трубы, м Внутренний диаметр d1 0,334∙ Dц пылевыпускного отверстия, м Ширина входного патрубка в циклоне b 0,264∙ Dц (внутренний размер), м Длина входного патрубка, м l 0,6∙ Dц Высота установки фланца, м hфл 0,1∙ Dц Высота входного патрубка a 0,535∙ Dц (внутренний размер), м Высота цилиндрической части Hц 0,55∙ Dц циклона, м Высота конуса циклона, м Hк 3∙ Dц Высота внешней части выхлопной hв 0,3∙ Dц трубы, м Высота заглублений выхлопной hт 0,535∙ Dц трубы, м Общая высота циклона 4,56 Dц H Значение 20 30 4,5 8,5 85 875 32,8 2,4 0,802 0,802 0,634 1,44 0,24 1,284 1,32 7,2 0,8 1,284 10,94 17 2 Пористый фильтр Фильтрование – отделение частиц дисперсной фазы при прохождении смеси через пористую перегородку. Может идти с образованием осадка или закупориванием пор. Оба процесса ведут к увеличению сопротивления фильтрующей поверхности, но первый вариант предпочтительнее ввиду того, что осадок может быть удален с фильтрующей поверхности, тем самым продлевая срок эксплуатации фильтрующего материала. Движущей силой всех гидродинамических процессов является разность давлений, таким образом, процесс интенсифицируется путём нагнетания давления в системе посредством насосов и компрессоров. Рассмотрим основные понятия, кинетику и механизм процесса фильтрования. Скорость фильтрования – объём фильтрата, проходящий через единицу фильтрующей поверхности в единицу времени, согласно формуле: 𝑤ф = 𝑑𝑉 𝐹 ∙ 𝑑𝜏 где wф – скорость фильтрования, м3/(м2∙с); V – объём фильтрата, м3; F – площадь фильтрующей поверхности, м2; Τ – время фильтрования, с. В то же время, скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна силам внутреннего трения, сопротивлениям фильтрующей поверхности и осадка, что отражено в формуле: 𝑤ф = ∆𝑃 𝜇 ∙ (𝑅ф + 𝑅ос ) где ∆P – разность давлений, Па; R ф – сопротивление фильтрующего слоя, м-1; 18 R ос - сопротивление осадка, м-1. Сопротивление фильтрующего слоя определяется эмпирически, сопротивление осадка определяется согласно формуле: 𝑅ос = 𝑟0 ∙ 𝑥0 ∙ 𝑉 𝐹 где 𝑟0 – удельное сопротивление осадка, м-2; 𝑥0 – объемная доля дисперсной фазы в системе. Таким образом, дифференциальное уравнение описывающее процесс фильтрования: 𝑑𝑉 ∆𝑃 = 𝐹 ∙ 𝑑𝜏 𝜇 ∙ (𝑅 + 𝑟 ∙ 𝑥 ∙ 𝑉 ) ф 0 0 𝐹 Для перемещения газов используются компрессоры, использование компрессоров и объёмных насосов, в отличии от использования центробежных насосов, позволяет поддерживать постоянную разность давлений и упростить интегрирование выражения. Таким образом, к уменьшению времени фильтрования, а соответственно к увеличению скорости фильтрования, ведёт увеличение разности давлений и площади фильтрования, а также снижение вязкости среды, удаление осадка и подбор фильтрующего материала с меньшим сопротивлением. Выше изучены основные кинетические зависимости фильтрования, теперь кратко рассмотрим механизм фильтрования. Механизм фильтрования сложен и включает ряд самостоятельных механизмов – ситовой эффект, касание, инерционный захват, диффузия, в меньшей степени – термофорез, гравитационное и электростатическое осаждение. Ситовой эффект заключается в том, что частица размером превосходящая размеры поры фильтрующего материала не может проходить сквозь него. Таким образом, уменьшение диаметра пор вед к увеличению степени очистки за счёт улавливания все меньших частиц. С другой стороны, 19 уменьшение размеров пор ведёт к быстрому образованию осадка и закупориванию пор, что снижает способность материала к регенерации. Отдельную группу образуют диффузия, инерционный захват и касание. Касание заключается в том, что при прохождении траектории частицы через неровности, зерна фильтрующей поверхности происходит сближение частицы и поверхности и осаждение частицы. Инерционный захват заключается в том, что при обтекании неровностей поверхности на частицу начинает воздействовать центробежная сила, приводящая к отклонению частицы от траектории основного потока и сближении с поверхностью канала поры или зерна фильтрующего элемента. Диффузия возникает в результате броуновского движения, приводит к движению частиц из области больших концентраций в область меньших, что также приводит в движению частиц к поверхности. Таким образом, действие указанных механизмов возникает в результате действия инерционных сил и градиента концентраций и приводит к отклонению траектории частицы от траектории потока, сближению частицы и поверхности канала поры или зерен фильтра, оседанию частицы. Термофорез – отклонение тепломассопереноса по траектории частиц в результате градиенту температур. Электростатическое и гравитационное осаждение идут в результате действия электростатических сил и сил гравитационного притяжения между частицами. Действие этих механизмов мало ввиду малой разности температур, малой массы частиц и местного возникновения заряда на поверхности [1,13]. В таблице 2.1 приведём схемы основных типов аппаратов. 20 Таблица 2.1 – Схемы основных типов фильтров Тип фильтра Тканевый Схема Волокнистый Зернистый пористый и жёсткий 2.2 Достоинства и недостатки фильтров На данный момент существует множество разновидностей фильтров, их конструктивные особенности, достоинства и недостатки рассмотрим в таблице 1.2 [4,9]. Таблица 2.2 – Сравнительный анализ фильтров разных конструкций Тип Тканевые Конструктивные особенности В целом все аппараты данной группы конструктивно напоминают друг друга и включают – корпус, приёмный и раздаточный бункеры, фильтрующие рукава, коллектор вывода очищенного газа и устройство для выгрузки пыли. Рукав представляет Достоинства Улавливание широкого фракционного диапазона частиц пыли, простота эксплуатации, лёгкость автоматизации, по сравнению с Недостатки Диапазон температур ограничения снизу – точкой росы для компонента смеси, сверху – стойкостью фильтрующего 21 собой каркас, обтянутый тканью из природного (шерсть) или синтетического (нитрон, лавсан) волокна, стекловолокна или нетканого материала (фетра). Очистку проводят встряхиванием, обратной или импульсной продувкой Волокнистые Аппараты представляют собой корпус с расположенными в нём рамами, чередующимися со слоями фильтрующего материала - шлаковой ваты, целлюлозно-асбестовых, кварцевых или полимерных волокон Зернистые Представляет собой аппарат, включающий корпус, содержащий слой зернистого материала, заключающийся между решетками, входной и выходной патрубки, устройство для выгрузки осадка. Насыпной слой – песок, галька, пластмассовые или выполненные из сплавов частицы Жёсткие Конструктивно схожи с пористые зернистыми фильтрами, но в фильтры них вместо насыпного слоя – слой сплошного пористого материала, полученного сплавлением частиц заданного диаметра циклонами меньшее материала. гидравлическое Необходимость сопротивление периодической очистки фильтрующего материала Применяются для очистки слабозагрязнённых газов, обеспечивают значительную площадь фильтрования при малом объёме Возможность применения для очистки высокотемпературных и химически агрессивных сред Маленькие значения скорости фильтрования, применение ограничено системами вентилляции Высокое гидравлическое сопротивление, необходимость очистки и периодической замены фильтрующих элементов Возможность применения для очистки высокотемпературных и химически агрессивных сред Высокое гидравлическое сопротивление, необходимость очистки и периодической замены фильтрующих элементов 2.3 Эксплуатационные особенности фильтра пористого Ввиду того, что пористые фильтры обладают высокой термической и коррозионной стойкостью, но высоким гидравлическим сопротивлением, их целесообразно применять для очистки газов температурой до 500 градусов 22 Цельсия (предел выносливости ряда элементов 1300 градусов Цельсия) при малом расходе газа. Регенерация фильтрующих элементов осуществляется следующими методами – продуванием воздуха в направлении, противоположном течению газа в рабочих условиях; промывкой растворами противотоком рабочему течению; продувкой горячим паром для выжигания смолистых отложений;; простукивание решеток или непосредственно фильтрующих элементов [4,9]. 2.4 Расчет пористого фильтра Рассчитать параметры пористого металлического фильтра для очистки воздуха от пыли глинозема, при нормальном атмосферном давлении (Ратм=100 кПа) и температуры воздуха 20 0С. Начальное сопротивление фильтра Pнач=10 кПа. Плотность частиц загрязнителя ρч=3,9∙103 кг/м3. Пористость осадка По =0,5. Вязкость воздуха при 20 °С: μ=18∙10-6 Па∙с. Другие исходные данные по вариантам представлены в таблице 2.3 расход воздуха Q; концентрация пыли в воздухе c вх; требуемая тонкость очистки dто абс; наибольшее допустимое (конечное) сопротивление фильтра ΔРкон; время непрерывной работы фильтра τ. Таблица 2.3 – Исходные данные к заданию 2 № Q, вар м3/ч 1 150 Свх, dто 3 мг/м абс, мкм 5 5 ΔРкон τ, кПа ч Пористый Форма материал частиц П 20 бронза 0,33 1 50 сфера h, мм Максимальный диаметр пор определяется по формуле 2.1: 𝑑пмах = 3 ∙ 𝑑тоабс (2.1) где dпмах - максимальный диаметр пор, мкм; 23 𝑑тоабс - требуемая тонкость очистки, мкм. Определим максимальный диаметр пор с учётом исходных данных. 𝑑пмах = 3 · 5 = 15 мкм Средний размер пор определяется по формуле 2.2: 𝑑nср = 1,25 ∙ 𝑑𝑛max · ∏0,3 (2.2) где 𝑑nср – средний размер пор, мкм; П – пористость. Произведём расчёт среднего диаметра пор. 𝑑𝑛ср = 1,25 ∙ 15 ∙ 0,330,3 = 13,44 мкм Размер частиц порошка для изготовления фильтрующего элемента определяется по формуле 2.3: 𝑑чср = 𝑑𝑛𝑐𝑝 (2.3) П2 Произведём соответствующий расчёт. 𝑑чср = 13,44 = 123,42 мкм 0,332 Скорость потока в порах определим по формуле 2.4: 𝑤𝑛 = 2 ∆𝑃нач ·𝑑пср (2.4) 208·ℎ·µ 24 где wn – скорость потока в порах, м/с; ∆Pнач – начальное сопротивление фильтра, Па; h - толщина фильтрующего слоя, м. Определим скорость потока в порах с учётом исходных данных. 𝑤𝑛 = 10000·0,000013442 208·0,001·0,000018 = 0,482 м/с Площадь фильтрования определяется по формуле 2.5: F= 𝑄 (2.5) 𝑤𝑛 ·П Рассчитаем площадь фильтрования. F= 150 3600∙0,482·0,33 = 0,262 м2 Определим скорость фильтрования по формуле 2.6: wф = П · wп (2.6) wф = 0,33 · 0,482 = 0,159 м/с Рассчитаем коэффициент B по формуле 2.7: B= (1−П0 )·П (2.7) 𝑤ф где П0 – пористость осадка. B= (1−0,5)·0,33 0,159 = 1,04 с/м 25 Определим объёмную долю частиц пыли в воздухе по формуле 2.8: 𝑞вх = Свх (2.8) 𝑝ч где qвх – объёмная доля частиц пыли в воздухе; Свх – входная концентрация частиц пыли, кг/м3; pч - плотность частиц пыли, кг/м3. Рассчитаем объёмную долю частиц. 𝑞вх = 0,000005 3900 = 10−9 Коэффициент Y определяется по формуле 2.9: 𝑌 = 𝐴 · 𝑞вх · τ (2.9) где А – опытный коэффициент, с-1; Коэффициент X определяется по формуле 2.10: X=A·B·h (2.10) где h – толщина фильтрующего элемента, м. Рассчитаем приведённые выше коэффициенты. Y = 5250 · 10−9 · 50 ∙ 3600 = 0,945 X = 5250·0,1,04·0,001 = 5,46 26 Расчётное конечное сопротивление фильтра определяют по формуле 2.11: ∆𝑃нач ∆𝑃кон.р. = ℎ · [(1 − 𝑒 −Х ) · ( е𝑌 −1 𝐴∙𝐵 (2.11) ) + ℎ] где ∆Pнач – начальное сопротивление фильтра, Па. ∆𝑃кон.р. = 10000 0,001 · [(1 − 𝑒 −5,46 ) · ( е0,945 −1 ) + 0,001] = 12838 Па 5250∙1,04 Ввиду того, что расчётное конечное сопротивление отличается от заданного расчётного сопротивления, рассчитываем максимальное допустимое время работы фильтра по формуле 2.12: τм = τм = 1 𝐴·𝑞вх · ln[1 + 1 5250·10−9 ∆𝑃кон.р ∆𝑃нач · ln [1 + · Х 1−е−Х 12838 10000 · (2.12) ] 5,46 1−е−5,46 ] = 397047 с Рассчитаем коэффициент Z по формуле 2.13: Z=A·qвх·τм (2.13) Z=5250· 10−9 ·397047 = 2,1 Объёмную долю частиц пыли на выходе из аппарата определяют по формуле 2.14: 𝑞вых = 1 𝐴∙𝑡м 𝑒 𝑍 +𝑒 𝑥 −1 · ln ( 𝑒𝑥 ) (2.14) 27 𝑞вых 1 𝑒 2,1 + 𝑒 5,46 − 1 = · ln ( ) = 1,471 ∗ 10−11 5,46 5250 ∙ 397047 𝑒 Эффективность очистки определяют по формуле 2.15: 𝜂 = 𝜂 = 𝑞вх −𝑞вых 𝑞вх (2.15) ∙ 100 1∗10−9 −1,471∗10−11 1∗10−9 ∙ 100 = 98,53% Основные параметры сведём в таблицу 2.3. Размеры стандартизированы. Таблица 2.3 – Основные технологические и конструктивные параметры Наименование Диаметр частиц порошка, мкм Площадь поверхности фильтрования, м2 Скорость фильтрования, м/с Максимальное время работы фильтра, ч Эффективность очистки, процент Диаметр аппарата, м Длина аппарата, м Обозначение dпср F wф τм η D l Значение 123,4 0,26 0,159 110,3 98,53 0,57 0,57 28 3 Скрубберы: принцип работы, устройство и характеристики Промышленные скрубберы — эффективные устройства для мокрой очистки газов. Можно также встретить такое название скрубберов, как газопромыватель, мокрый пылеуловитель. Скрубберы используются в промышленности для очистки дымовых газов от пыли, запахов, серосодержащих соединений, от частиц пыли не органических соединений, от фенола и формальдегида, аэрозолей, паров, смесей кислот и т.д. 3.1 Типы скрубберов К мокрым пылеулавливателям относят такие виды: Полый или форсуночный скруббер широко используется как для очистки газов от достаточно крупных частиц пыли, так и для охлаждения газов. Аппарат представляет собой колонну круглого или прямоугольного сечения, в которой осуществляется контакт между очищаемыми газами и каплями жидкости, распыляемой форсунками. Тарельчатый барботажный или пенный скруббер — сложное устройство мокрой очистки воздуха. Тарельчатые барботажные скрубберные установки могут быть с провальными тарелками и с переливными тарелками. Корпус фильтра обычно разборный. Принцип работы такой: тарелки (щелевые или дырчатые) поливаются жидкостью. Образующаяся на них пена захватывает частицы пыли. Удаление из аппарата происходит в виде шлама. Насадочные газопромыватели — колонны, заполненные насадками различной формы. Эти устройства рекомендуется применять только при улавливании хорошо смачиваемой пыли. Особенно, когда процессы улавливания пыли сопровождаются охлаждением газов или абсорбцией. 29 Скруббер Вентури — газопромыватель состоит из труб, в которые под высоким напором поступают газ и жидкость. Капли жидкости захватывают твердые частицы и вместе с ними оседают в каплеуловитель. Устройство скрубберов Устройство скрубберов будет зависеть от его типа. Но в любом случае конструкция включает в себя следующие элементы: - Корпус скруббера или колонный аппарат, в котором происходит улавливания пыли; - Входной патрубок (1); Трубопровод для подачи жидкости (2); - Выходной патрубок; - Бак накопитель для рециркуляции воды; - Штуцер для вывода шлама. Рисунок 3.1 - Конструкция скруббера 3.2 Принцип работы мокрых пылеуловителей Грязный газ заходит через воздуховод внутрь корпуса скруббера. Далее при помощи аэродинамических сил он закручивается. Очистка происходит при помощи воды (рис. 3.2). Вода подается через насосную станцию, проходит через трубопровод, форсунки и смачивает газ. 30 Частицы воды улавливают пыль и падают вниз. Грязная вода сливается в бак-отстойник или переходит в очищающее оборудование. Рисунок 3.2 - Принцип работы скруббера Технические характеристики Технические характеристики зависят от комплектации. Под каждого клиента производители могут разрабатывать свой скруббер. Определение характеристик делается на основе подробного опроса о производстве и характере пыли. Каждый параметр может меняться по требованию заказчика, производства и здравого смысла. Выбирая фильтр на производство следует обращать внимание на ряд характеристик: 1. Производительность. Подбирается в зависимости от потребностей производства, конкретного процесса или оборудования. Для увеличения производительности могут использоваться фильтровальные комплексы. 2. Степень очистки. Чистота выходящего газа. Может быть от 90 до 99,99%. 3. Мощность одного вентилятора. 31 4. Емкость (бассейн) под циркуляцию воды и растворов (абсорберов). 3.3 Назначение и сферы применения скрубберов Основное назначение скрубберов – промышленная очистка воздуха от пыли (аспирация и вентиляция), но возможность заправки активных абсорбентов в циркуляционный контур устройств также делает возможной (и эффективной) очистку воздуха от газов / сепарацию газов. Использование жидкости в качестве фильтрующей среды по умолчанию делает скрубберные пылегазоуловители наиболее рациональными устройствами для мокрой очистки дымовых газов, в том числе с высоким содержанием механических загрязнителей (пыли, копоти, пепла, сажи, золы). Список улавливаемых химических загрязнителей очень широк: это и оксиды серы, и окислы азота, и хлороводород, и сероводород, аммиак, бромоводород, меркаптаны, тиолы, альдегиды, кислые и щелочные пары, оксиды металлов, галогены и галогениды, спирты, эфиры, алканы и многое другое. В таблице 3.1 приведены области применимости скрубберных и абсорбционных фильтров в современной промышленности. Таблица 3.1 – Отрасли, использующие скрубберы Отрасль и наиболее рациональный тип скруббера Металлургия (Вентури, Пенный, Подвижнонасадочный) Механическая и термическая обработка материалов (Подвижно-насадочный, Вентури) Энергетика (Вентури, Пенный, скруббер с кипящим слоем) Пищевой сектор, кондитерское дело (Вентури) Перечень поллютантов / Назначение Плавильная пыль (металлы и их твердые соединения), дымовые газы после сжигания топлива для печей и плавильных агрегатов, токсичные производные закалочных солей, флюсов, присадок Пыль (полировальная, шлифовальная, шлифовальные пасты, каменная / минеральная, угольная, полимерная взвесь, микроаэрозоли, сварочная и иная металлическая пыль, пылегазодымовые смеси) Комплексные пыледымовые выбросы после сжигания органического топлива (уголь, кокс, мазут, торф, антрацит). На объектах твердотопливной энергетики востребована и очистка воздуха от топливной (коксовой, угольной) пыли Сладкие, клейкие и липкие сиропы, эмульсии, насыщенные испарения варочных котлов, дымовые выбросы 32 Агропром Вентури) (Насадочные, Водоочистные сооружения (Насадочные, Тарельчатые) Добывающая, горная промышленность, производство строительных смесей (С подвижной насадкой) Гальваника, ЦБК (тарельчатый, насадочный) Очистка биогаза от сероводорода, улавливание зерновой шелухи, лузги, мучки, растительных волокон, очистка воздуха на предприятиях по производству удобрений Вентиляция хлораторных, очистка / дегалогенирование после сжигания флотационных шламов Пыль руд / пород, образующаяся в результате перевалки, дробления, грохочения, эскалации, ленточной транспортировки, газодымовые выбросы, (например, из цементных печей) Очистка воздуха / промышленная вентиляция паров кислот и щелочей (травильные ванны), а также других агрессивных аэрозолей и газов Башенные, колонные и горизонтальные скрубберы Что касается ориентации скрубберных фильтров, то они могут быть выполнены как в виде колонн/башен, так и в виде горизонтальных моделей. Прямоугольные или круглые колонные скрубберы могут принадлежать к любому типу (полые, пенные, насадочные и подвижно-насадочные аппараты); горизонтальными скрубберы изготавливаются тогда, когда это необходимо для наделения аппаратов повышенной компактностью, но не в ущерб эффективности, (так, к примеру, отличную результативность газоочистки и дымоочистки показывают горизонтальные абсорберы со стационарной насадкой – при скромных габаритах устройства). Сухой и полусухой скруббинг При скруббинге сухого или полусухого типа абсорбент или влага также играют ключевую роль в задержании нежелательных примесей, но особенность в том, что условия среды (давление, скорость и температура) не позволяют абсорбенту конденсироваться в заметном глазу образования, поэтому визуально кажется, что газоочистка идет на сухом базисе. Данные технологии не нашли широкого применения в промышленности и ограниченно применяются для узких, специфических задач. 33 3.4 Типы скрубберов Рассмотрим подробнее типы скрубберных установок, особенности устройств и базовые принципы их работы. Полый распылительный скруббер (орошаемый циклон с падающей пленкой) Пожалуй, одним из наиболее простых аппаратов пыле- и газоочистки, который можно отнести к мокрым скрубберам, является полый орошаемый циклон вихревого действия. Его устройство и принцип действия в фундаментальных чертах совпадает с сухим циклонным пылеуловителем, но мокрый циклон, вдобавок, оснащен форсуночной секцией, распыляющей внутри рабочей камеры воду или абсорбент. Загрязненная среда подводится по касательной к вертикальной оси устройства, что заставляет ее завихряться, закручиваться внутри аппарата. Форсуночный блок диспергирует абсорбент, который захватывает нежелательные примеси и увлекает их вниз, в шламоприемную секцию. Также поллютанты сорбируются и в непрерывно стекающей по стенкам камеры жидкостной пленке, (поэтому такие воздухоочистители также называют скрубберами с падающей пленкой, «falling film scrubber»). Основное назначение этих жидкостных фильтров – промышленная аспирация и пылеулавливание, но заправка в рабочий контур активного раствора, (например, известкового молока), позволяет проводить процедуры мокрой очистки воздуха от дымовых газов. Впрочем, с дымовыми выбросами лучше справляются другие типы абсорберов. Скруббер Вентури Пылегазоуловитель Вентури – один из наиболее универсальных, а потому – востребованных промышленных воздухоочистителей. 34 Эффективность улавливания нежелательных примесей обусловлена использованием в качестве ключевого элемента аппарата т.н. сопла Вентури – трубы переменного диаметра, представляющей собой сочленение двух конусов, соединенных горловинами (конфузорами). Такая конструкция, по закону Бернулли, обеспечивает значительный разгон среды при ее приближении к наиболее узкой части, а затем – при движении в расширяющемся диффузоре – ее торможение. Именно этот физический закон и лежит в фундаментальном принципе действия скрубберов Вентури: Нагнетаемая в аппарат загрязненная среда, за счет сужения диаметра, разгоняется в трубе Вентури (до десятков и сотен м/с); В горловине сопла установлен распылительный блок, орошающий рабочую камеру абсорбентом или водой; Разогнанная пылегазовая среда разбивает распыляемый аэрозоль в ультрамикродисперсный туман, в частичках которого и происходит сорбция механических и / или газодымовых компонентов; По достижении диффузора скорость среды падает и происходит обратная конденсация микротумана в более объемные капли жидкости (с уже уловленными загрязнителями); Идет естественное осаждение абсорбента или воды и ее отвод в шламоприемник, остаточная часть аэрозоля отсекается туманоуловителем. Энергия потока внутри рабочей зоны скруббера настолько велика, что превосходит энергию сцепления любых веществ, склонных к слипанию / цементации. Именно поэтому газопромыватели Вентури являются наиболее рациональными аппаратами для извлечения из потока липких, клейких, вязких, сиропообразных и маслянистых веществ. Тарельчатые скрубберы Другим типом промышленных жидкостных фильтров, преимущественно относящимся к аппаратам химической газоочистки, золо- и 35 дымоулавливания, является тарельчатый скруббер, (также часто встречаемый в технических публикациях под терминами «барботажный фильтр» и «пенный абсорбер»). Основным фильтрующим функтором в тарельчатом газопромывателе выступает слой пены, который образуется в рабочей камере устройства в результате прохождения загрязнённого газопотока через перфорацию одного или нескольких ярусно расположенных, орошаемых абсорбентом или водой, поддонов-барботеров. Процесс образования пены в тарельчатом газопромывателе является самоподдерживающимся, поскольку процесс газоочистки (барботаж), фактически, обеспечивается нагнетаемым в аппарат потоком, (покуда идет подача жидкости на поддоны). Пенные абсорберы не предназначены для захвата твердой, абразивной пыли, но демонстрируют высочайшую эффективность в нейтрализации дымовых газов, а также в захвате сопутствующих мягких включений – пепла, сажи, копоти, золы. Широко используются барботажные фильтры и в химической отрасли, гальванике, целлюлозной промышленности, типографском деле. Насадочный скруббер со стационарной насадкой Насадочные скрубберы, в отличие от барботажных, никогда не применяются для очистки воздуха от пыли – только от газовых и аэрозольных поллютантов, в том числе, от таковых с экстремальной токсичностью и / или химической активностью. Насадочными такие агрегаты называются потому, что рабочая камера заполнена т.н. насадкой, представляющей собой неподвижный массив тел, обладающих большой поверхностью при малом объеме. Среди наиболее распространенных насадок можно отметить кольца Рашига (и кольца Супер-Рашига), седла Инталлокс, кольца Палля, спирали, хорды, полухорды и другие тела со схожими свойствами. 36 Принцип работы насадочного скруббера (и его эффективность) заключается в создании на поверхности насадки тонкой, химически активной жидкостной пленки, площадь которой может достигать 100-150 и более м2 на каждый кубометр наполнителя. В некоторых случаях насадочные колонны показывают практически 100% КПД даже при использовании обычной воды – например, при улавливании аммиака, хлороводорода, бромоводорода и других соединений, хорошо растворимых в H2O. Форсуночный блок непрерывно орошает стационарный насадочный массив; вместе с этим в газопромыватель подается загрязненная среда, которая вынуждена контактировать с высокоактивной жидкостной пленкой, оставляя в ней нежелательные примеси (на базисе физической или химической сорбции). Поскольку фильтры относятся к химическому типу оборудования, это прямо отражается на используемых при их конструировании материалов, которые должны показывать исключительные свойства инертности как в отношении обрабатываемых сред, так и в отношении циркулирующего внутри скруббера абсорбента. Основными конструкционными материалами для скрубберов насадочного типа являются полипропилен (и его модификации / сополимеры), полиэтилен, стеклопластик (фибергласс), фторопласт, нержавеющая сталь, титан. Выбор материалов зависит от концентрации, температуры и природы загрязнителя. Скруббер с подвижной насадкой Наиболее продвинутыми воздухоочистными агрегатами, способными к одновременному захвату механических, дымовых, газовых и аэрозольных выбросов высоких концентраций, являются скрубберы с подвижной насадкой. В отличие от стационарной насадки, подвижный наполнитель представляет собой массив полых, (обычно – полипропиленовых), шаров, 37 которые способны свободно двигаться внутри рабочей камеры пылегазоуловителя. В условиях сбалансированного равновесия давлений входящего потока и пневмогидравлического сопротивления аппарата массив шаров, обильно орошаемый водой или абсорбентом, входит в псевдоожиженное состояние, начинает «кипеть». Этот кипящий слой представляет собой сложную двухфазную систему, обеспечивающую исключительно активный контакт очищаемой и очищающей сред, вдобавок, непрерывное движение шариков предотвращает цементацию склонных к слипанию компонентов потока, приводя к непрерывному самоочищению рабочей камеры скруббера. Скрубберы с кипящим слоем используются в наиболее тяжелых режимах работы, на участках, генерирующих большие объемы сложных пылевых, пылегазовых и пыледымовых выбросов: энергетика, добыча и переработка ископаемых, АБЗ, ЖБИ, нефтехимия, металлургия. Все мокрые пылеуловители и газопромыватели, изготавливаемые в «НПО «Центр характеристиками. ШВ», обладают Показатели нижеследующими нашего оборудования техническими можно считать предельными для данного класса аппаратов: - Объемы обрабатываемых отходящих газов / пылевых потоков – от десятков единиц до сотен тысяч кубометров среды в час; - Температурный режим – до + 900 градусов Цельсия, (с параллельным охлаждением и увлажнением эмитируемой вовне среды); - Степень очистки / средний КПД ≈ 99% – для таких загрязнителей как механическая пыль (с дисперсностью от 0,5 мкм, окислы серы, азота, хлороводород, сероводород, пары кислот и щелочей, галогениды, кетоны, альдегиды, меркаптаны, спирты, эфиры, другие углеводороды, сложные пыледымовые и газодымовые выбросы, в том числе, включающие липкие и цементирующиеся компоненты); 38 - Низкое сопротивление установок; - Богатая комплектность поставки – не только сам скруббер, но и вспомогательное оборудование (заборные зонты / короба, газоходы, вентилятор / дымосос, насос, буферные емкости, циркуляционные баки, электрокоммутация, система мониторинга, управления и автоматизации работы, обслуживающие конструкции, инструкции, паспорта, документация); - Безотказность, надежность, долговечность и стоимость, доступная даже для промышленных участков среднего и малого поля деятельности, быстрая окупаемость и экономичность работы. 3.5 Расчет скруббера и форсунки Для расчета скруббера и форсунки необходимы следующие исходные данные: - расход очищаемого газа Qгаз(м/с); - скорость потока (м/с); - требуемая производительность форсунки Q (м3/с); - перепад давления ∆Pж (Па); - корневой уголь факела β (град); - свойства жидкости: плотность жидкости pж (кг/м3); вязкость µж – (Па∙с) и поверхностное натяжение σ ; - плотность pг и вязкость µг окружающего газа; - коэффициент расхода γ. Исходные данные представлены в таблице 3.2. Таблица 3.2 – Исходные данные к заданию 4 № вар 1 Qгаз, м3/ч Q, м3/ч v, м/с ∆Pкон ,МПа γ β 3000 30 0,5 0,5 0,85 60 39 3.5.1 Расчет скруббера 1. Определяют сечение скруббера: 𝑆= Qгаз 𝑉 (3.1) где Qгаз – расход очищаемого газа, м3/с; ν – скорость пропускания потока, м/с. 𝑆= 3000/3600 0,5 = 1,67 м 2. Определяют диаметр скруббера: Dск = √ 4∗𝑆 𝜋 (3.2) где S – сечение скруббера, м2. Dск = √ 4∗1,67 = 2,13 м 3,14 3. Определяют высоту скруббера: Нскр=(3÷4)Dск (3.3) где Dск – диаметр скруббера, м. Нскр=3,0*2,13=6,4 м 3.5.2 Расчет центробежно-струйной форсунки 1. Определяют диаметр сопла форсунки, м: dc = √ 4∗𝑄 𝜋∗𝑦∗√ 2∗∆𝑃ж 𝑝ж (3.4) где ρж – плотность для воды 1000 кг/м3. 40 dc = √ 4∗30/3600 6 2∗0,4∗10 3,14∗0,85∗√ = 0,02 м или 20 мм 1000 Далее значения dc переводят в мм. 2. Определяют диаметр вкладыша и равный ему внутренний диаметр корпуса форсунки, мм: D=1.925* dc, (3.5) где dc – диаметр сопла форсунки, м. D=1.925*20=42,5 мм При d с ≤14 мм значения D принимают 27 мм. 3. Определяют высоту вкладыша, мм: h =2,5+2*dc, (3.6) где dc – диаметр сопла форсунки, мм. h =2,5+2*20=42,5 мм 4. Определяют длину соплового канала, мм: l1=(0,5-1,0)dc, (3.7) где dc – диаметр сопла форсунки, мм. l1=1*20=20 мм 5. Определяют высоту камеры смещения, мм: l2 = 𝐷− 𝑑𝑐 2∗𝑡𝑔 𝜃 2 (3.8) где угол конусности камеры θ = 115о. l2 = 42,5−20 2∗𝑡𝑔 115 2 = 7,17 мм 6. Определяют диаметр центрального канала, мм: d0 = dc*√0,676 − 0,024𝑑𝑐 (3.9) 41 где dc – диаметр сопла форсунки, м. d0 = 0,020*√0,676 − 0,024 ∗ 0,020 = 0,0085 м 7. Определяют суммарную площадь закручивающих каналов, мм2: Sк=1,075πd02, (3.10) где d0 – диаметр центрального канала, мм. Sк=1,075*3,14*8,852=264,4 мм2 8. Определяют угол наклона закручивающих каналов: 𝑑2 𝑙𝑔𝛼 = 0,053 ∗ 𝛽 ∗ ( 𝑜2)0,58 + 0,32 𝑑𝑐 (3.11) где β в [рад] (1 рад=57,3 град). Далее находят α =10x, [рад], и переводят в [град], где x=lgα. 𝑙𝑔𝛼 = 0,342 𝛼 = 100,342 = 2,2 рад или 126° 9. Определяют размер закручивающих каналов, мм: α=√ 𝑆𝑘 𝑛∗𝑐𝑜𝑠𝛼 (3.12) 264,4 α =√ = 8,1 мм2 4,04 где n = 4÷ 6 число каналов (если α>90°, то заменить cosα на cos(α-90)). 10. Средний объемно-поверхностный диаметр капель жидкости, мм: dж=0,154∆Рж0,44⋅ dc0,23=0,154 ∗ 0,50,44 ∗ 200,23 = 0,23 мм где ∆PЖ–перепад давления, МПа; dс –диаметр сопла форсунки, мм. 42 4 Горизонтальные отстойники Емкость отстойника может иметь форму прямоугольного или круглого колодца. Протекающие через него стоки текут медленно, что делает возможным выпадение осадка. Его не удаляют до тех пор, пока он не перегниет (полгода, год). Процесс гниения сопровождается брожением и высвобождением газов, которые поднимают тяжелые частицы вверх, образуя корку (иногда толщиной 0,5 м). Типы по характеру работы Существует разновидности отстойников. Они отличаются по характеру работы: - статические, - динамические. Статические представляют собой стандартные железобетонные резервуары. Статический отстойник используется при периодическом поступлении воды и ее незначительном расходе. Для очистки используются краны или сифонные трубки, которые находятся выше уровня примесей. Выгрузка осевших частиц осуществляется вручную или при помощи специальных спускных устройств. К преимуществам данного вида относится многофункциональность. Дополнительно может использоваться в качестве накопительного или буферного резервуара. Динамические Применяются для механического типа очистки воды. Используются при больших расходах сточной жидкости. Действие основано на постоянном движении воды в процессе очистки примесей. 43 Динамический отстойник в зависимости от направления воды делится на три вида: - горизонтальный; - вертикальный; - радиальный. На выбор типа отстойника влияют: - условия местности; - концентрация; - качество нерастворенных примесей в воде; - уровень стояния грунтовых вод. Горизонтальные Наиболее распространенный вид. Отличается прямоугольной формой резервуара. Разделяется на несколько отделений при помощи продольных перегородок. Осевшие частицы в прямоугольном отстойнике удаляются при помощи поперечного лотка или специального скребка, которые устанавливаются на определенном уровне. Рисунок 4.1 – Горизонтальный отстойник с камерой хлопьеобразования 1 – водосборные желоба; 2 – камера хлопьеобразования вихревого типа; 3 – дырчатая перегородка; 4 – илоотводная труба; 5 – сборный канал; 6 – лотки для сбора осветленной воды 44 Если происходит коагуляционное очищение сточных вод, устройство оснащается камерами хлопьеобразования. Сооружение обладает высоким эффектом осветления. К минусам горизонтального вида относится: не дешевая цена на монтажные работы и наличие зон, где застаиваются осадки. 4.4 Конструктивный расчет горизонтального отстойника Выбрать и произвести технологический расчет отстойника согласно исходным данным Таблица 4.1. Таблица 4.1 – Исходные данные для расчета отстойника № Q, вар м3/ч 500 1 с0 , мг/м3 1000 dч, мкм 50 pч, кг/м3 Отстойник 1500 горизонтальный 1. Скорость осаждения частиц в отстойнике, м/с (для мелких частиц сферической формы, осаждающихся в ламинарном режиме и в нестесненных условиях (критерий Архимеда Аr ≤ 3,6)) рассчитали по уравнению Стокса: 𝒗ос = ( 𝝆ч −𝝆ж )·𝒈·𝒅𝟐ч 𝟏𝟖·ϻ (4.1) , где dч – минимальный эквивалентный диаметр частиц, осаждаемых в отстойнике, м; ρч – кажущаяся плотность частиц, кг/м3; ρж – плотность жидкости, примем 1020 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81м/с2; 𝑣ос = ( 1500−1020)·9,81·(50∗10−6 )2ч 18·1000∗10−6 = 0,00065 м/с 2. Рабочий объем отстойника нашли по формуле 4.2: V = Q·τ , (4.2) где Q – расход сточных вод, м3/ч τ – время отстаивания, принимаем 1,5 ч. 45 V = 500*1,5=750 м3 3. Ширину отстойника определили по формуле 4.3: В= 𝑸 𝝂∗𝑯 (4.3) , где Q – расход сточных вод, м3/с; v – скорость движения сточных вод в отстойнике, принимаем равной 0,005 м/с; Н – глубина горизонтального отстойника, принимаем равной 3,2 м. В= 500/3600 0,005∗3,2 = 8,68 м3 4.Определили длину горизонтального отстойника по формуле 4.4: 𝐿 = 𝑉 𝐵𝐻 (4.4) где V – рабочий объём отстойника, м3. 𝐿 = 750 8,68∗3,2 = 27 м 5. Днище отстойника выполняется с уклоном к приямку не менее 0,005; высота нейтрального слоя принимается равной 0,3 м над поверхностью осадка; для вторичных отстойников должна быть учтена глубина слоя ила, равная 0,3– 0,5 м. 46 ЗАКЛЮЧЕНИЕ При выполнении курсовой работы был произведен конструктивный расчёт циклона, фильтра пористого, песколовки и флотатора. Приведены принципы работы указанных аппаратов, рассмотрены основные достоинства и недостатки используемых процессов, приведены сведения об особенностях эксплуатации указанных аппаратов. Выполнены констуктивные схемы аппаратов и спецификации к ним. 47 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Баранов, Д. А. Процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие / Д. А. Баранов. — 3-е изд., стер. — Санкт-Петербург: Лань, 2020. — 408 с. — ISBN 978-5-8114-4984-2. — Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/130186 (дата обращения: 20.01.2021). 2. Процессы и аппараты пищевых производств и биотехнологии: учебное пособие / Д. М. Бородулин, М. Т. Шулбаева, Е. А. Сафонова, Е. А. Вагайцева. — 3-е изд., стер. — Санкт-Петербург: Лань, 2020. — 292 с. — ISBN 978-5-8114-5136-4. — Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/132259 (дата обращения: 23.01.2021). 3. Быков, А. П. Инженерная экология. Охрана атмосферного воздуха: учебное пособие / А. П. Быков. — Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2018. — 154 c. — ISBN 978-57782-3646-2. — Текст: электронный // Электронно-библиотечная система IPR BOOKS : [сайт]. — URL: http://www.iprbookshop.ru/91350.html (дата обращения: 01.02.2021). 4. Ветошкин, А. Г. Технические средства инженерной экологии: учебное пособие / А. Г. Ветошкин. — Санкт-Петербург: Лань, 2018. — 424 с. — ISBN 978-5-8114-2825-0. — Текст: электронный // Лань: электроннобиблиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/107281 (дата обращения: 06.02.2021). 5. Ветошкин, А.Г. Инженерная зашита окружающей среды от вредных выбросов: учеб. пособие / А.Г. Ветошкин. - 2-е изд., испр. и доп. Москва: Инфра-Инженерия, 2019. - 416 с. - ISBN 978-5-9729-0249-1. - Текст: электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/1053370 (дата обращения: 28.01.2021) 48 6. Ветошкин, А. Г. Аппаратурное оформление процессов защиты атмосферы от газовых выбросов: Учебное пособие / Ветошкин А.Г. Вологда:Инфра-Инженерия, 2016. - 244 с.: ISBN 978-5-9729-0126-5. - Текст: электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/759899 (дата обращения: 01.02.2021) 7. Зиганшин, М. Г. Проектирование аппаратов пылегазоочистки: учебное пособие / М. Г. Зиганшин, А. А. Колесник, А. М. Зиганшин. — 2-е изд., перераб. и доп. — Санкт-Петербург: Лань, 2014. — 544 с. — ISBN 978-58114-1681-3. — система. — Текст: URL: электронный // Лань: электронно-библиотечная https://e.lanbook.com/book/53696 (дата обращения: 12.02.2021). 8. Кулагина, Т. А. Теоретические основы защиты окружающей среды: учебное пособие / Т. А. Кулагина, Л. В. Кулагина. — Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2017. — 364 c. — ISBN 978-5-76383678-3. — Текст: электронный // Электронно-библиотечная система IPR BOOKS : [сайт]. — URL: http://www.iprbookshop.ru/84150.html (дата обращения: 26.01.2021). 9. Луканин, А. В. Инженерная экология: процессы и аппараты очистки газовоздушных выбросов: учеб. пособие / А.В. Луканин. — Москва: ИНФРА-М, 2019. — 523 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/24376. - ISBN 978-5-16-105207-5. - Текст: электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/1008975 (дата обращения: 12.02.2021). 10. Пикалов Е.С. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Механические и физические методы очистки промышленных выбросов в атмосферу и гидросферу: учебное пособие – Владимир: изд-во ВлГУ, 2015. – 79 с. 11. Самсонов, В. Т. Обеспыливание воздуха в промышленности: методы и средства: монография / В.Т. Самсонов. — Москва: ИНФРА-М, 2019. 49 — 234 с. — (Научная мысль). — www.dx.doi.org/10.12737/17334. - ISBN 9785-16-103459-0. - Текст: электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/983579 (дата обращения: 05.02.2021). 12. Сотникова, Е. В. Теоретические основы процессов защиты среды обитания: учебное пособие / Е. В. Сотникова, В. П. Дмитренко, В. С. Сотников. — Санкт-Петербург: Лань, 2014. — 576 с. — ISBN 978-5-8114-1624-0. — Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/53691 (дата обращения: 20.01.2021). 13. Стрекалова В.А. Процессы и аппараты защиты атмосферы: Учебное пособие к теоретическому курсу / Стрекалова В. А., Стрекалова Т. А., Егорихина Д. Ю. – СФУ, Красноярск, 2008 – 119 с. 14. Сухая очистка газов от пыли. Примеры расчета аппаратов: учебное пособие / составители М. И. Клюшенкова, Л. В. Суркова, Н. А. Кузнецова, под редакцией М. Г. Беренгартен. — Саратов: Вузовское образование, 2016. — 38 c. — ISBN 2227-8397. — Текст: электронный // Электронно-библиотечная система IPR BOOKS: [сайт]. — URL: http://www.iprbookshop.ru/52013.html (дата обращения: 01.02.2021). 15. Таранцева, К. Р. Процессы и аппараты химической технологии в технике защиты окружающей среды: Учебное пособие / К.Р. Таранцева, К.В. Таранцев. - Москва: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 412 с. (Высшее образование: Бакалавриат). ISBN 978-5-16-009258-4. - Текст: электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/429195 (дата обращения: 24.01.2021). 50 51 52
