МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» К а ф е д р а “Химическая технология и промышленная экология” ПРИМЕРЫ И ЗАДАНИЯ ПО КУРСУ «ПЕРЕРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ» Методические указания Самара Самарский государственный технический университет 2012 1 Печатается по решению методического совета НТФ УДК 66.02 (658.657) Примеры и задания по курсу «Переработка промышленных и бытовых отходов»: метод. указ./ Н.Е. Чернышова, В.Д. Измайлов. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. – 64 с., ил. Рассмотрены конструкции и расчет оборудования для измельчения твердых материалов и для разделения суспензий. Приведены примеры расчета параметров режима пневмосепарации и гидравлической классификации зернистых материалов, а также балансовых расчетов узла термического обезвреживания органоминеральных отходов. Представлены справочные материалы, необходимые для выполнения расчетов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» профилю "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" очной и заочной форм обучения. Рецензент канд. тех. наук Н.Г. Кац УДК 66.02 (658.657) © Н.Е. Чернышова, В.Д. Измайлов, составление, 2012 © Самарский государственный технический университет, 2012 2 Введение В соответствии с рабочим учебным планом по дисциплине «Переработка промышленных и бытовых отходов» предусматриваются групповые практические занятия, поскольку важным фактором освоения дисциплины является выполнение студентами большой индивидуальной работы, связанной с осмыслением теоретических положений, умением использовать теоретические знания при решении практических расчетных заданий. На практических занятиях рассматриваются вопросы определения дисперсности твердых частиц, расчет параметров пневмосепарации и гидравлической классификации зернистых материалов. Приводится алгоритм и примеры расчета оборудования для измельчения твердых материалов, разделения суспензии и термического обезвреживания органоминеральных отходов. Получаемые на практических занятиях навыки инженерных расчетов окажутся полезными при выполнении курсовых и дипломных проектов и будут способствовать выработке у студентов умения пользоваться справочной литературой. Настоящие методические указания призваны обеспечить равномерность и систематичность самостоятельной работы по дисциплине. 3 ЗАНЯТИЕ №1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В СЛОЕ МАТЕРИАЛА Дисперсный состав материала – это характеристика состава дисперсной фазы по размерам или скоростям осаждения частиц. Она показывает какую долю по массе, объему, поверхности или числу частиц составляют частицы в любом диапазоне их размеров или скоростей осаждения. Дисперсный состав может быть представлен в виде таблиц, графиков и функций распределения [1]. Для построения интегральных кривых распределения частиц «прохода» (D) и «остатка» (R) используют результаты ситового анализа: «проход» - материал, прошедший через сито, «остаток» оставшийся на сите. С помощью кривых распределения можно определить такие характеристики дисперсных систем, как средний модальный и медианный диаметры, а также коэффициент отклонения. Модальный диаметр (dm) распределения соответствует значению максимума на дифференциальной кривой распределения. Медианный диаметр (d50) соответствует диаметру, по которому масса всех частиц делится на две равные части. Медианный диаметр находят по интегральной кривой распределения остатка. Коэффициент отклонения (Rо) служит характеристикой однородности состава дисперсного материала и определяется по формуле d d Rо 84 16 100%; 2 d50 (1.1) чем меньше Ro, тем однороднее материал. В инженерных расчетах часто используется эквивалентный диаметр частиц полидисперсного материала. 4 Эквивалентный размер (dэ) частиц полидисперсного материала выражается либо через средневзвешенный диаметр d э xi di , (1.2) либо через диаметр, основанный на равенстве суммарной поверхности частиц слоя и сферических частиц диаметром dэ 1 dэ , n (1.3) xi d 1 i где xi – массовое содержание отдельных фракций; di – эквивалентный диаметр отдельных фракций, определяемый как среднее арифметическое размеров сита, через которое прошел материал, и сита, на котором материал остался; n – число фракций [2]. Эквивалентный диаметр, рассчитанный по последней формуле, имеет более низкое значение, чем средневзвешенный диаметр диаметр. Рекомендуется пользоваться последней формулой, как более точной. Удельная площадь поверхности Fуд (м2/м3), представляющая отношение поверхности частицы к ее объему, определяется для материала измельченного в шаровой мельнице соотношением 41,4 d ном 106 Fуд lg , (1.4) d ном 5,47 где dном – номинальный размер частицы (м), отвечающий условию R(dном)=0,05 [3]. Задание №1. По результатам ситового анализа материала, измельченного в шаровой мельнице, построить интегральные кривые распределения частиц D(d) и R(d); определить по графикам медианный и модальный диаметры частиц; рассчитать эквивалентный диа5 метр частиц полидисперсного слоя и коэффициент отклонения Ro, а также удельную площадь поверхности материала Fуд. Пример выполнения задания. И с х о д н ы е д а н н ы е. Масса измельченного материала 0,1 кг. Массы остатков на каждом сите в зависимости от диаметров отверстия приведены ниже. Таблица 1.1 Результаты ситового анализа Диаметр отвер0,005 0,002 0,001 0,0005 0,0002 0,0001 стия сита, м Масса остатка, кг 0 0,01 0,02 0,035 0,02 0,009 Р е ш е н и е . Следуя определению и считая диаметр отверстия сита граничным размером частиц, найдем значение функции R(d) для каждого граничного размера: 0 R(0,005) 0; 0,1 R(0,002) R(0,001) R(0,0005) R(0,0002) R(0,0001) 0 0,01 0,1; 0,1 0 0,01 0,02 0,3; 0,1 0 0,01 0,02 0,035 0,65; 0,1 0 0,01 0,02 0,035 0,02 0,85; 0,1 0 0,01 0,02 0,035 0,02 0,009 0,94. 0,1 Значения D рассчитываем из соотношения D+R=1. По значениям строим график функции R(d) и D(d) (рис.1.1). 6 Медианный диаметр определяем по графику: через точку на оси ординат, соответствующей 50% частиц, проводят линию параллельно оси абсцисс до пересечения с кривыми распределения; из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс; точка пересечения с осью абсцисс – искомая величина d50=0,68 мм. Рис.1.1. Интегральные кривые распределения частиц D(d) и R(d). Коэффициент отклонения рассчитываем по уравнению (1.1) следующим образом: из размера отверстий сита d84, отвечающего массовой доле 84% на интегральной кривой остатков, вычитают размер отверстий d16, соответствующий массовой доле 16% на этой же кривой; полученную разность делят на удвоенный медианный диаметр и выражают в %. Т.о., при определении Rо из общей массы анализируемого материала отбрасывают 16% наиболее мелких и наиболее крупных 7 фракций. В расчет принимают только оставшиеся две трети материала. d d 0,2 1,5 Rо 84 16 100 95,59%. 2 d50 2 0,68 Для расчета Fуд по графику на рис 1.1 определяем номинальный размер частиц из условия R(dном)=0,05, он равен dном= 3·10-3м. Тогда по уравнению (1.4) 2 3 103 106 41,4 dном 106 41,4 5 м Fуд lg lg 0,38 10 . 3 3 d ном 5,47 3 10 5,47 м Для определения модального диаметра частиц (dm) необходимо построить дифференциальную кривую распределения частиц (рис.1.2): на оси абсцисс откладываем эквивалентный диаметр i-той фракции частиц, а по оси ординат – ее массовую долю. Таблица 1.2 Фракционный состав частиц полидисперсного материала Эквивалентный диаметр частиц 3,5 1,5 0,75 0,35 0,15 0,05 фракции, мм Массовая доля частиц фрак0,1 0,2 0,35 0,2 0,09 0,06 ции Из верхней точки на дифференциальной кривой опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Точка пересечения с осью даст искомую величину модального диаметра dm=0,75 мм. Средневзвешенный эквивалентный диаметр частиц определяем по уравнению (1.2): dэ=3,5·0,1+1,5·0,2+0,75·0,35+0,35·0,2+0,15·0,09+0,05·0,06= =0,35+0,3+0,2625+0,07+0,0135+0,003=0,999 мм≈1,0 мм; 8 а эквивалентный диаметр частиц, основанный на равенстве поверхностей, по уравнению (1.3): 1 dэ 0,1 0,2 0,35 0,2 0,09 0,06 3,5 1,5 0,75 0,35 0,15 0,05 1 1 0,33 мм. 0,0286 0,1333 0,4667 0,5714 0,6 1,2 3,0 Рис.1.2. Дифференциальная кривая распределения частиц полидисперсного материала Таким образом, выполнена оценка дисперсности сыпучего материала. Исходные данные для самостоятельного выполнения задания №1 приведены в табл.1.3. Задание №2. В бункер-усреднитель двумя транспортами с производительностями G1=45 т/ч и G2=105 т/ч загружается измельченный материал с разными дисперсионными характе9 ристиками R1(d) и R2(d) (рис.1.3а,б). Требуется найти дисперсионную характеристику R3(d) для материала, выходящего из бункера. Р е ш е н и е. За час непрерывной работы массы материалов, подаваемых транспортами m1 и m2 и выходящего из бункера m3, составят соответственно 45 и 105 т; m3=m1+m2=150 т. Этим величинам соответствуют значения функций: R1(0)=1; R2(0)=1; R3(0)=1. Определим значения тех же величин для частиц, размер которых –больше 5·10-3м: m1=45·0,73=32,8; m2=105·0,59=62; m3=32,8+62,0=94,8; R3(5·10-3)=94,8/150=0,63. -больше 10·10-3м: m1=45·0,25=11,2; m2=105·0,3=31,5; m3=11,2+31,5=42,7; R3(10·10-3)=42,7/150=0,28; -больше 12·10-3м – m1=0; m2=105·0,22=23,1; m3=0+23,1=23,1; R3(12·10-3)=23,1/150=0,15; -больше15·10-3м – m1=0; m2=105·0,12=12,6; m3=0+12,6=12,6; R3(15·10-3)=12,6/150=0,084. По расчетным величинам строим график R3(d) рис.1.3в. 10 а) б) в) Рис.1.3. Функция распределения R3(d) при смешении продуктов, имеющих дисперсионные характеристики R1(d) и R2(d) 11 Задание №3. Определить массу материала с размером частиц меньшим 0,005 м, содержащуюся в 100 т щебня, если известна его дисперсионная характеристика, заданная в виде функции R(d) (см. рис.1.4). Рис.1.4. Функция распределения массы частиц по размерам R(d) Р е ш е н и е. По графику (рис.1.4) R(0,005) =0,56. Тогда D(0,005)=1-0,56=0,44, а искомая величина составит m=100·0,44=44 т. 12 Таблица 1.3 Исходные данные для самостоятельной работы Масса остатков на сите (г) при размере ячеек сита (мм) № вар. Масса навески, г 0 0,1 0,2 0,5 1 2 3 5 7 10 15 20 30 40 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 100 150 200 250 300 100 150 200 250 100 150 200 300 100 150 12 19 24 30 38 1 2 2 3 4 6 8 12 3 5 12 18 24 30 36 - 20 30 40 50 60 4 6 8 10 - 24 36 48 60 72 19 28 38 47 16 24 32 48 - 27 40 54 68 80 42 63 84 105 40 60 80 120 11 16 5 7 10 12 14 20 30 40 50 18 27 36 54 21 32 0 0 0 0 0 14 21 28 35 20 30 40 60 30 45 0 0 0 0 2 3 4 6 19 28 0 0 0 0 12 18 4 6 0 0 - - - - 11 Продолжение таблицы 1.3 Масса остатков на сите (г) при размере ячеек сита (мм) № вар. Масса навески, г 0 0,1 0,2 0,5 1 2 3 5 7 10 15 20 30 40 50 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 200 300 500 800 1200 2000 1000 1500 2000 3000 6 10 20 32 48 80 20 30 40 60 - - - 22 32 - 42 64 30 48 72 120 - 60 90 90 144 216 360 40 60 80 120 38 56 70 112 168 280 80 120 160 240 24 36 100 160 240 400 140 210 280 420 8 12 120 192 288 480 180 270 360 540 0 0 60 96 144 240 160 240 320 480 10 16 24 40 240 360 480 720 0 0 0 0 120 180 240 360 20 30 40 60 0 0 0 0 11 ЗАНЯТИЕ №2. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Выбор шаровой барабанной мельницы [3] осуществляется по мощности шаровой загрузки Nш.з(кВт), необходимой для измельчения (табл. 2.1), N ш.з G Эуд , (2.1) где G – заданная производительность, кг/с; Эуд – удельная энергия измельчения данного материала, Дж/кг. Величину Эуд определим из графика рис.2.1. Для этого необходимо Рис.2.1. Зависимость прироста удельной поверхности Fуд от удельного расхода энергии Эуд материалов: 1-апатит, гипс, известняк средней плотности и пористый; 2-известняк высокой плотности, мергель; 3-гранит высокой плотности; 4-каменный уголь (антрацит) 13 Таблица 2.1 Помол Мокрый Основные параметры шаровых барабанных мельниц сухого (ГОСТ 6795-74) и мокрого (ГОСТ 10141-69) помола Размеры помольной камеры, мм Частота вращения Масса загруТип мельницы барабана жаемых шаров D L n, с-1 mш, т МШР-900Х900 830 830 0,56-0,66 1,0 МШР-1200Х1200 1100 1100 0,50-0,58 2,2 МШР-1500Х1600 1400 1500 0,43-0,52 4,8 МШР2100Х1500 2000 1400 0,36-0,43 10,0 МШР-2100Х2200 2000 2100 0,36-0,43 15,0 МШР-2100Х3000 2000 3900 0,36-0,43 20,0 МШР-2700Х2700 2580 2580 0,32-0,38 31,0 МШР-2700Х3600 2680 3480 0,32-0,38 42,0 МШР-3200Х3100 3080 2980 0,30-0,35 52,0 МШР-3600Х4000 3480 3880 0,28-0,33 82,0 МШР-3600Х5000 3480 4880 0,28-0,33 100,0 МШР-4000Х5000 3860 4860 0,26-0,32 120,0 МШР-4500Х5000 4360 4860 0,25-0,30 150,0 14 Мощность эл.двигателя Nдв, кВт 15 30 55 132 160 200 315 400 630 1000 1250 2000 2500 Продолжение таблицы 2.1 Размеры помольной камеры, мм Помол Сухой Тип мельницы ШБМ-207/265 ШБМ-220/330 ШБМ-250/390 ШБМ-287/410 ШБМ-287/470 ШБМ-320/510 ШБМ-320/570 ШБМ-340/650 ШБМ-370/850 D L 2070 2200 2500 2870 2870 3200 3200 3400 3700 2650 3300 3900 4100 4700 5100 5700 6500 8500 15 Частота вращения барабана n, с-1 0,38 0,36 0,33 0,31 0,31 0,30 0,30 0,28 0,29 Масса загружаемых шаров mш, т 10,0 14,0 25,0 30,0 35,0 54,0 100,0 Мощность эл.двигателя Nдв, кВт 105 150 265 350 410 700 1400 знать удельную площадь поверхности материала на входе в мельницу Fуд.н и на выходе из мельницы Fуд.к. Если материал поступает в мельницу после измельчения в дробилках, то принимают Fуд.н = 0. Fуд.к находят по уравнению (1.4). Подбирают мельницу в соответствии с мощностью электродвигателя по величине (1,3÷1,5)Nш.з. Уточненный расчет заключается в окончательном выборе мельницы, в определении массы мелющих тел и частоты вращения барабана. Масса мелющих тел определяется по уравнению mш π R 2 L ρн.ш , (2.2) где υ – коэффициент заполнения барабана; R – внутренний радиус барабана, м; L – внутренняя длина барабана мельницы, м; ρн.ш – насыпная плотность шаровой загрузки (для стальных шаров ρн.ш = 4100 кг/м3, для керамических ρн.ш = 1260 кг/м3); Величину υ находят из рис. 2.2 по частоте вращения барабана n, его внутреннему радиусу R и величине коэффициента мощности шаровой загрузки KN, рассчитываемого по уравнению KN 60 N ш.з ρ н.ш R 2,5 L g . (2.3) Скорость падения шара вычисляется из уравнения 2 2 ωш 16 g Rн 2n Rн3 2n 5 , (2.4) где Rн – наименьший радиус шаровой загрузки, м. Rн зависит от υ и n и находится из графика (рис.2.3). Диаметр шара dш (м) определяется из условия равенства кинетической энергии шара и энергии, необходимой для разрушения частицы с начальным размером dн max, т.е. 16 dш 3 2 18 σ сж 2 ρ ш πEωш d н max , (2.5) где ρш – плотность материала шара (для стали ρш=7800 кг/м3, для керамики ρш=2440 кг/м3); ωш – скорость падения шара, м/с; σсж – предел прочности при сжатии, МПа; Е – модуль упругости, Па. Рис.2.2. Зависимость коэффициента мощности шаровой загрузки от коэффициента заполнения барабана при различных значениях n 2 R : 1-0,42; 2-0,45; 3-0,47; 40,50; 5-0,53; 6-0,57; 7-0,62 17 Рис.2.3. Зависимость коэффициента заполнения от наименьшего радиуса шаровой загрузки при различных значениях n 2 R : 1-0,62; 2-0,57; 3-0,53; 4-0,50; 5-0,47; 6-0,45; 7-0,42 Окончательный диаметр dш (мм) выбирается из ряда, утвержденного ГОСТ 7524-64: 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 125, по ближайшему максимальному размеру. Расчет мощности двигателя шаровой мельницы позволяет оценить величину ее запаса и дать рекомендации для уменьшения мощности электродвигателя. Мощность мельницы рассчитывается по уравнению N дв K N ρ н.з R 2 , 5 Lg , 60ηп (2.6) где ρн.з – насыпная плотность загрузки (шаров и материала), кг/м3; ηп – к.п.д. механической передачи (ηп=0,9). Для определения ρн.з используется уравнение 18 ρ ρн.з ρн.ш 1,151 н.ш ρн , (2.7) ρш где ρн – насыпная плотность материала, кг/м3. В данном уравнении коэффициент 1,15 означает, что измельчаемый материал занимает 15% объема пустот между шарами. Задание. Подобрать машину для измельчения твердого материала из вариантов, представленных в табл.2.2. Пример расчета машины для измельчения материала. И с х о д н ы е д а н н ы е: Измельчаемый материал - известняк высокой плотности - с начальным размером частицы dн max=6·10-3м, пределом прочности при сжатии σсж=200 МПа, модулем упругости E=5·1010 Па и насыпной плотностью ρн=1800 кг/м3. Материал подается на измельчение с производительностью G=30 т/ч и далее используется для производства цемента мокрым способом. Конечный размер частиц должен быть меньше 0,15·10-3м. Р е ш е н и е. Согласно исходным данным, выбираем шаровую барабанную мельницу мокрого помола. Для определения типа мельницы рассчитаем мощность шаровой загрузки, предварительно определив величину Эуд из графика рис.2.1, и Fуд.к - по уравнению (1.4) 2 150 10 6 106 6 м Fуд.к lg 0,396 10 . 3 5,47 150 10 6 м 41,4 Тогда, приняв Fуд.н=0, получим Эуд=33 кДж/кг. Подставляя полученные значения в уравнение (2.1) получим 1000 Nш.з 30 33 103 275 103 Вт 275 кВт. 3600 19 По величине (1,3÷1,5)Nш.з=358÷412 кВт из табл. 2.1 выбираем шаровую мельницу мокрого помола МШР-2700х3600. Поверочный расчет. Определим коэффициент мощности шаровой загрузки по уравнению (2.3) KN 60 275 103 4100 1,34 2,5 3,48 9,81 56,7 а также комплекс n 2R 0,38 2,68 0,62; приняв частоту вращения барабана n=0,38 с-1 (см. табл.2.1). Тогда по рис.2.2 определим коэффициент заполнения барабана φ=0,39. Массу загружаемых шаров определим по уравнению (2.2) mш 0,39 3,14 1,342 3,48 4100 31374 кг. Расчетная величина mш не превышает величины, указанной табл.2.1 [3]. Для определения диаметра шара вычисляют сначала скорость его падения. Из рис.2.3 при φ=0,39 и n 2R 0,62 получим Rн=0,71·1,34=0,95 м. Тогда по уравнению (2.4) м2 52 2 3 ωш 16 9,81 0,95 2 0,38 0,95 2 0,38 39,9 . 2 с Следовательно, диаметр шара по уравнению (2.5) dш 3 18 200 106 2 7800 3,14 5 1010 39,9 6 103 14,7 103 м. Окончательно выбираем шар с dш=15 мм. Мощность двигателя мельницы найдем из уравнения (2.6) 56,7 5082 1,342,5 3,48 9,81 N дв 378910 Вт 379 кВт, 60 0,9 20 что не превышает величины, указанной в табл.2.1. По уравнению (2.7) определяют ρн.з: 4100 3 ρн.з 4100 1,151 1800 5082 кг/м . 7800 Варианты заданий для самостоятельной работы приведены в табл.2.2 и на рис.2.4. Расчет ведется с одним из указанных значений R. Рис.2.4. Варианты функций R(d) для самостоятельного задания 21 Таблица 2.2 R dк max·106, м 3 3 7 6 4 0,7 0,7 100 80 50 150 100 50 150 0,3 0,8 0,8 1,0 1,2 0,5 0,5 1,2,3, 1,2,3, 1,2,3, 1,2,3, 1,2,3, 1,2,3, 1,2,3 150 70 Мокрый 80 70 100 150 Сухой 150 22 Помол dн max·103, м 1500 80 1350 70 2000 350 1800 250 1500 100 850 25 850 25 G, т/ч 2800 2690 3300 3000 2800 1600 1600 E·10-10, Па σсж·10-6, Па Апатит Гипс Гранит Известняк Мергель Уголь Уголь ρн, кг/м3 Материал 1 2 3 4 5 6 7 ρм, кг/м3 № варианта Исходные данные для расчета Занятие №3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ПНЕВМОСЕПАРАЦИИ СМЕСИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Вынос твердого материала из псевдоожиженного слоя существенно зависит от скорости ожижающего агента. Ее влияние сказывается не только на интенсивности уноса, но и на гранулометрическом составе уносимой из слоя мелочи. В идеальном случае должны выноситься частицы, скорость витания которых меньше скорости ожижающего агента [4,5]. Скорость уноса может быть определена по формуле Ar Reу , (3.1) 18 0,61 Ar Re у где ω у d ρc μc , (3.2) d э3 ρ c ρ ч ρ c g Ar . 2 μc (3.3) μс Ar . d ρ c 18 0,61 Ar (3.4) Скорость уноса ωу Для частиц неправильной формы скорость можно определить с учетом фактора формы (Ф): S Ф 0,207 , (3.5) 23 V где V – объем частицы, м3; S – поверхность частицы, м2. При этом принимается, что эквивалентный диаметр dэ (м) равен: d э Ф dш , (3.6) 23 где dш – диаметр шара (м), объем которого равен объему частицы d ш 1,24 3 V . (3.7) Задание. Оцените возможность извлечения меди из измельченного кабельного ворса пневмосепарацией. Кабельный ворс – отход, состоящий из меди и ПВХ, образуется на Самарской кабельной кампании при производстве кабелей связи. Ситовой состав отхода приведен в таблице 3.1. Таблица 3.1 Гранулометрический состав измельченного кабельного ворса Фракция, мм -2,0÷1,5 -1,5÷1,0 -1,0÷0,5 -0,5÷0,25 Содержание, 43 28 17 12 % масс. ПВХ Сu Плотность ПВХ ρПВХ=1320 кг/м3; плотность меди ρCu=8800 кг/м3. Среда – воздух; температура воздуха tв=20оС; вязкость воздуха при 20оС μв=0,018·10-3Па·с. Частица меди представляет собой цилиндр диаметром 0,3мм. Частица ПВХ представляет собой полый цилиндр, внутренний диаметр которого равен 0,3мм, внешний диаметр 0,5 мм. Т.к. частицы имеют неправильную форму, то для расчета скорости уноса частиц необходимо рассчитать их эквивалентные диаметры. Определим по формуле (3.7) эквивалентные диаметры частиц меди для граничных условий фракции, т.е. высоту частиц примем соответственно 0,5 и 0,25 мм. Объемы частиц меди: V1 0,785 d 2 h1 0,785 (0,3 103 ) 2 0,5 103 0,035 109 м3 , V2 0,785 (0,3 103 )2 0,25 103 0,018 109 м3. 24 Тогда dш1 1,24 3 V1 1,24 3 0,035 109 0,406 103 м, dш 2 1,24 3 0,018 109 0,325 103 м. Поверхность частиц меди: πd 2 S1 π d h1 2 3,14 0,3 10 3 0,5 10 3 2 0,785 (0,3 103 ) 2 4 0,612 10 6 м 2 , 2 πd 2 S 2 π d h2 2 3,14 0,3 103 0,25 10 3 2 0,785 0,3 10 3 4 0,377 10 6 м 2 . Фактор формы частиц меди определим по уравнению (3.4): 0,612 10 6 Ф1 0,207 1,184; 9 2 3 0,035 10 0,377 10 6 Ф 2 0,207 1,131. 2 3 9 0,018 10 Эквивалентные диаметры частиц: d э1 Ф1 dш1 1,184 0,406 10-3 0,48 103 м; d э 2 Ф2 dш2 1,131 0,325 10-3 0,368 103 м. Далее рассчитаем критерий Архимеда по формуле (3.3): 3 0,48 10 3 1,2 8800 1,2 9,81 Ar1 35355 3 2 0,018 10 ρс – плотность среды (воздуха) при 20оС, кг/м3; 25 ρс ρо P To 101,3 273 1,293 1,2 кг/м3 ; Po T 101,3 273 20 ρо – плотность воздуха при н.у. ρо=1,293 кг/м3. 3 0,368 103 1,2 8800 1,2 9,81 Ar2 15932. 3 2 0,018 10 Критерий Рейнольдса для режима уноса по уравнению (3.2): 35355 Re у1 266,4; 18 0,61 35355 Re у2 15932 167,7. 18 0,61 15932 Тогда скорость уноса частиц меди по уравнению (3.4): 0,018 103 35355 8,3 м/c ; -3 0,48 10 1,2 18 0,61 35355 ω у1 ω у2 0,018 103 15932 6,8 м/c . -3 18 0 , 61 15932 0,368 10 1,2 Т.о., диапазон скоростей уноса частиц меди составляет 6,8÷8,3 м/с. Аналогично определяем скорость уноса частиц ПВХ наименьшего и наибольшего размеров, соответствующих номерам сит 0,5 и 2,0 соответственно. Объем частицы ПВХ определяем как объем полого цилиндра по разнице внутреннего и внешнего объемов: 2 2 V1ПВХ 0,785 h D 2 d 2 0,785 0,5 103 0,5 10 3 0,3 103 0,063 10 9 м3 , 26 2 V2 ПВХ 0,785 h D 2 d 2 0,785 2,0 103 0,5 103 0,3 10 3 0,251 10 9 м3. Тогда по уравнению (3.7) dш1ПВХ 1,24 3 0,063 109 0,49 103 м, dш 2 ПВХ 1,24 3 0,251 109 0,78 103 м. Поверхность частиц ПВХ: S1ПВХ π h d D 2 dD b 2bh 2 3,14 0,5 10 3 0,3 10 3 0,5 10 3 0,3 10 3 0,5 10 3 2 0,1 10 3 2 0,1 10 3 0,5 10 3 2 1,436 10 6 м 2 , S 2 ПВХ 3,14 2,0 10 3 0,3 10 3 0,5 10 3 0,3 10 3 0,5 10 3 2 0,1 10 3 2 2 0,1 10 3 2,0 10 3 5,504 10 6 м 2 , где b – толщина изоляции (ПВХ), м. Фактор формы: 6 1 , 436 10 1,88; Ф1ПВХ 0,207 2 3 9 0,063 10 27 2 6 5 , 504 10 2,86. Ф 2 ПВХ 0,207 2 3 9 0,251 10 Эквивалентный диаметр частиц ПВХ рассчитаем по уравнению (3.6): d э1ПВХ 1,88 0,49 10-3 0,92 103 м, d э 2ПВХ 2,86 0,78 10-3 2,23 103 м. Значения критерия Архимеда: 3 0,92 103 1,2 1320 1,2 9,81 Ar1ПВХ 37312; 2 0,018 103 3 2,23 103 1,2 1320 1,2 9,81 Ar2ПВХ 531372. 3 2 0,018 10 Значения критерия Рейнольдса: Re у1ПВХ Re у2ПВХ 37312 274,7; 18 0,61 37312 531372 1148,5. 18 0,61 531372 Скорость газа, при которой начинается унос частиц: ω у1ПВХ 0,018 10 3 37312 4,4 м/с . 3 18 0 , 61 37312 0,92 10 1,2 28 ω у2ПВХ 0,018 10 3 531372 9,3 м/с . 3 2,23 10 1,2 18 0,61 531372 Диапазон скоростей уноса частиц ПВХ для граничных условий составляет 4,4÷9,3 м/с. Ранее рассчитанный диапазон скоростей уноса частиц меди составляет 6,8÷8,3 м/с. Т.к. скорости уноса частиц ПВХ и меди лежат в одном диапазоне, то данная смесь не может быть разделена пневмосепарацией и следует использовать, например, гидравлическую классификацию. Исходные данные для самостоятельной работы приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2 Гранулометрический состав полимерно-металлической крошки Состав, % масс. Вар. 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 <0,25 мм мм мм мм мм мм 1 0,539 16,053 77,016 5,158 0,170 1,064 2 0,523 16,061 77,740 5,166 0,128 0,382 3 1,642 15,406 26,032 4,615 3,144 49,161 4 0,055 0,846 30,104 40,817 25,480 2,698 5 30,378 44,130 17,174 0,471 2,748 5,099 6 0,309 7,631 86,153 4,865 0,304 0,738 7 0,212 26,721 65,043 2,219 0,910 4,895 8 0,063 3,802 68,810 23,466 0,889 2,970 9 1,535 13,515 69,492 7,768 5,371 2,319 10 0,158 13,318 75,104 8,889 1,057 1,474 11 0,244 15,943 71,971 7,936 0,309 3,515 12 2,330 33,980 60,540 2,600 0,020 0,530 13 0,370 17,310 68,970 11,220 0,190 1,940 29 Вар. 14 15 16 17 18 19 20 5-3 мм 2,958 отс. 0,548 0,748 0,384 20,784 0,523 3-2 мм 30,555 0,705 14,191 20,318 21,849 53,069 16,061 Продолжение таблицы 3.2 Состав, % масс. 2-1 1-0,5 0,5-0,25 <0,25 мм мм мм мм 59,605 2,668 0,482 3,732 44,840 34,099 9,617 10,739 70,801 11,309 1,095 2,056 71,692 4,406 0,230 2,606 64,116 2,924 0,772 9,955 15,194 1,381 0,320 9,252 77,740 5,166 0,128 0,382 30 Занятие №4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ СМЕСИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Задание. Предложите и обоснуйте способ разделения отхода Самарской кабельной кампании – полимерно-медной крошки – на медную и полимерную фракции с целью их дальнейшей переработки. Гранулометрический состав отхода приведен в табл.4.1. Таблица 4.1 Гранулометрический состав полимерно-медной крошки Диаметр отверстий сита, мм 5,0 3,0 2,0 1,0 0,5 0,25 Содержание фракции ПВХ, 0 0,5 16,1 63,9 14,5 3,0 % масс. Медная фракция в количестве 2,0 % масс. имеет размер частиц менее 0,25 мм. Обоснование выбора разделяющей жидкости расчетным методом Основным условием выбора разделяющей жидкости при фракционировании полимерных отходов, содержащих металлическую медь, является плотность жидкости, которая должна быть выше плотности поливинилхлорида. Плотность ПВХ составляет 1320÷1350 кг/м3 ГОСТ 5960-72 «Пластикат поливинилхлоридный для изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей», ТУ 6-01-1262-81 «Пластикат поливинилхлоридный марки «Нева» для неразъемных вилок и оболочек электробытовых шнуров». 31 В качестве таких жидкостей могут быть рассмотрены 40% масс. водный раствор поташа, 50% масс. водный раствор едкого натрия или едкого калия и 40% масс. водный раствор хлористого кальция. Основные физические свойства жидкостей приведены в таблице 4.2. Таблица 4.2 № 1 2 3 4 Основные физические свойства жидкостей Концентрация и Температура, Плотность, Вязкость, используемое вещество оС кг/м3 Па·с 40% раствор K2СО3 20 1414 4,5·10-3 50% раствор NaOH 20 1525 70·10-3 50% раствор KOH 20 1538 3,76·10-3 40% раствор CaCl2 40 1382 4,93·10-3 Плотность меди принята 8800 кг/м3 [2]. Превалирующий размер частиц металлической меди определен с помощью ситового анализа и для частиц неправильной формы по формуле (3.7) в виде: d э 1,24 3 M , ρ где М – средняя масса частицы, кг; ρ – плотность, кг/м3. В нашем случае частицы меди имеют размер менее 0,25 мм, поэтому зададимся (dэ) в интервале от 10 до 250 мкм. Расчет проводится по следующей схеме [4,5]: определяется значение критерия Архимеда по формуле (3.3) определение скорости осаждения из критерия Лященко (Ly) невозможно в связи с низкими значениями критерия Архимеда в предположении того, что частицы не являются шарообразными; определяется скорость осаждения по уравнению Стокса 32 d э2 ρ м ρ р g ωос ; 18 μ р (4.1) определяется значение критерия Рейнольдса по уравнению (3.2) определяется время осаждения частицы τ ос H ω'ос , (4.2) где H – минимальная высота слоя жидкости в экспериментальных условиях, H=0,2 м; ω'ос 0,5 ωос (4.3) время осаждения, принятое с учетом отличия реальных условий осаждения от теоретических (стесненность осаждения, форма частиц, движение среды). В том случае, когда Re>0,2 и Ar>3,6, т.е. режим движения частицы становится не ламинарным, а переходным, после критерия Архимеда определяют величину критерия Рейнольдса по рис.4.1, а затем рассчитывают скорость осаждения. Вид расчетных уравнений для определения критерия Архимеда при осаждении в используемых растворах (с подстановкой dэ в мкм): р-р K2CO3 р-р NaOH р-р KOH Ar d э3 8800 1414 1414 9,81 Ar d э3 8800 1525 1525 9,81 Ar d э3 8800 1538 1538 9,81 4,5 10-3 2 70 10-3 2 3,76 10-3 2 33 d э3 5,054 10 6 ; d э3 0,022 106 ; d э3 7,742 10 6 ; р-р CaCl2 Ar d э3 8800 1382 1382 9,81 4,93 10 -3 2 d э3 4,136 10 6. Рис.4.1 Зависимость критериев Re и Ly от критерия Ar при осаждении одиночной частицы в неподвижной среде: 1 и 6 – шарообразные частицы; 2 – округленные; 3 – угловатые; 4 – продолговатые; 5 - пластинчатые Расчетные уравнения для определения скорости осаждения имеют следующий вид (с подстановкой dэ в мкм): 34 р-р K2CO3 d э2 8800 1414 9,81 ωос 18 4,5 10 3 р-р NaOH ωос р-р KOH ωос р-р CaCl2 d э2 0,8936 10 6 ; d э2 8800 1525 9,81 18 70 103 d э2 8800 1538 9,81 18 3,76 10 3 ωос d э2 1,0515 10 6 ; d э2 8800 1382 9,81 18 4,93 10 3 d э2 0,057 106 ; d э2 0,819 10 6. Вид расчетных уравнений для определения критерия Рейнольдса: р-р K2CO3 ω d 1414 Re ос э 0,314 d э ωос ; 3 4,5 10 ωос d э 1525 Re 0,0218 d э ωос ; р-р NaOH 3 70 10 ωос d э 1538 Re 0,409 d э ωос ; р-р KOH 3 3,76 10 р-р CaCl2 ω d 1382 Re ос э 0,2803 d э ωос . 3 4,93 10 Рассчитанные характеристики процесса осаждения представлены в таблице 4.3. Зависимость времени осаждения от размера частиц меди и используемой разделяющей среды представлены на рис.4.1 и таблице 4.4. 35 dэ·106 м 10 30 50 70 100 150 200 250 Таблица 4.3 Зависимость характеристик осаждения от размера частиц меди и типа разделяющей жидкости Раствор, используемый для разделения полимера и меди 40% раствор K2CO3 50% раствор NaOH 50% раствор KOH 40% раствор CaCl2 Ar·103 ωос·104, Re·104 Ar·103 ωос·104, Re·104 Ar·103 ωос·104, Re·104 Ar·103 ωос·104, Re·104 м/с м/с м/с м/с 5 0,9 2,8 0,022 0,06 0,013 7,7 1,05 4,3 4,14 0,82 2,3 136 8 75 0,60 0,5 0,327 210 9,46 116 111,7 7,4 62 630 22 345 2,78 1,4 1,53 968 26,2 536,2 517 20,5 287 1730 44 967 7,61 2,8 4,3 2655 51,5 1474,4 1419 40,1 787 5050 89 2795 22,2 5,7 12,4 7742 105,1 4298,6 4136 81,9 2300 17060 201 9470 74,9 12,7 41,5 26129 236,4 14503 13959 184 7736 40430 357 22420 176 23 100,3 61936 420,6 34405 33088 328 18390 78970 559 43882 343,8 35,6 194 120969 657,2 67199 64625 512 35878 36 Таблица 4.4 Время осаждения частиц меди в зависимости от размера и разделяющей жидкости при высоте слоя жидкости H=0,2 м Эквивалентный Время осаждения, с диаметр частиц 40% раствор 50% раствор 50% раствор 40% раствор меди K2CO3 NaOH KOH CaCl2 6 dэ·10 , м 10 4444 66666 3806 4878 30 500 8000 423 540 50 182 2857 153 195 70 91 1429 78 100 100 45 702 38 49 150 20 315 17 22 200 11 174 10 12 250 7 112 6 8 Рис. 4.1.Зависимость времени осаждения частиц меди от размера и используемой среды - K2CO3 - NaOH - KOH Х - CaCl2 37 Расчеты выявили преимущество использования солевых растворов, а раствор CaCl2 имеет дополнительные преимущества из соображений технологической и экономической целесообразности, а также экологической безопасности. Полученные зависимости могут иметь оценочные значения при использовании следующей схемы расчетов: dэ Ar Re (по критериальному уравнению) ωос ωос’ τос (для любой высоты отстойника) размеры отстойника. Расчеты показывают, что все частицы размером более 30 мкм легко осаждаются в слое высотой 0,2 м за время менее 10 мин. При использовании раствора CaCl2. Задания для самостоятельной работы приведены в табл.1.3. 38 Занятие №5. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ При расчете отстойных центрифуг встречаются две задачи. Первая заключается в том, что для выбранного типоразмера центрифуги определяется ее производительность по суспензии Vс, обеспечивающая заданную крупность разделения dк; вторая состоит в определении для выбранного типоразмера центрифуги ее производительности по суспензии, обеспечивающей значения относительного уноса твердой фазы не более xун [3,5]. В первом случае производительность (расход суспензии) отстойной центрифуги по подаваемой суспензии Vс (м3/с) рассчитывается по уравнению Vc π Dср l w o Frср ηэ , (5.1) где Dср - средний диаметр потока жидкости в барабане центрифуги, м; l – длина пути осаждения, м; Frср – фактор разделения, рассчитанный по среднему диаметру; ηэ – коэффициент эффективности разделения (ηэ=0,35÷0,45 – для центрифуг периодического действия; ηэ=0,2÷0,25 – для центрифуг непрерывного действия типа ОГШ); wo – скорость свободного гравитационного осаждения твердых частиц с размером, равным заданной крупности разделения dк. Средний диаметр потока жидкости в барабане центрифуги определяется из выражения Dср Dв Dб , 2 (5.2) где Dв – внутренний диаметр барабана центрифуги, м; Dб – диаметр слива жидкости, м. Для центрифуг типа ОГШ, имеющих цилиндро-конический барабан, за длину пути осаждения принимают длину цилиндрической 39 части барабана l=lц; для центрифуг типа ОМ, ОП, ОГ – длину барабана L. Фактор разделения, соответствующий среднему диаметру, определяется по зависимости ω2 Dср 2π 2 n 2 Dср Frср , (5.3) g 2g где n – частота вращения ротора центрифуги, с-1; ω - угловая скорость вращения барабана (с-1), равная ω 2 π n. (5.4) Скорость свободного осаждения может быть найдена с помощью графической зависимости Ly=f(Ar), представленной на рис. 4.1. Критерий Архимеда для заданной крупности разделения рассчитывается по уравнению (3.3). Скорость осаждения wo рассчитывается из выражения для критерия Лященко w 3o ρ 2ж Ly . μ ρ т ρ ж g (5.5) Для практических расчетов при значении Ar<30 скорость осаждения может быть вычислена по формуле Стокса (4.1). Заключительным этапом расчета центрифуги типа ОГШ является проверка ее пропускной способности по осадку. Максимальная пропускная способность по твердой фазе Gт max приводится в табл. 5.1 [3]. Производительность осадительной центрифуги по твердой фазе равна Gт Vс ρс xт , (5.6) где Vс – расчетная производительность центрифуги по суспензии, м3/с; xт – массовая концентрация твердой фазы, доли; ρс – плотность суспензии, кг/м3. 40 ОГШ-35 ОГШ-63 ОГШ-35 ОГШ-50 ОГШ-80 ОГШ-32 ОГШ-80 Диаметр барабана D, мм Отношение L/D Максимальная частота вращения ротора, с-1 Фактор разделения Fr Расчетная производительность по твердой фазе (осадку) Gт, кг/ч ОГШ-20 Таблица 5.1 Техническая характеристика базовых моделей центрифуг типа ОГШ Центрифуги Осветляющие Универсальные ОбезвожиПараметр вающие 200 350 630 350 500 800 320 800 3 2,86 3,76 1,8 1,8 2 1,66 1,63 100 70,8 43,3 66,6 44,7 27,5 58,3 27,5 4000 3540 2400 3140 2000 1220 2200 1220 100 500 500 3000 1000 2000 5000 5000 Плотность суспензии определяется по формуле: ρс ρ т ρж . ρ т ρ т ρ ж xт (5.7) Рабочая производительность по твердой фазе Gт.р в зависимости от ее плотности должна лежать в пределах Gт.р 0,5 0,8Gт. max . Если Gт>Gт.р, то производительность центрифуги по суспензии определяется исходя из рабочей производительности по осадку: 41 Vс Gт.р ρ с xт . (5.8) Средняя производительность отстойной центрифуги периодического действия по суспензии рассчитывается согласно формуле vр v Vс.ср c K п Kп , τц x1 τц (5.9) где vс – объем суспензии, отфильтрованной за цикл, м3; vр – рабочий объем барабана центрифуги, м3; x1 – отношение объема образовавшегося осадка к объему отфильтрованной суспензии, определяемое экспериментально; υ – коэффициент заполнения барабана центрифуги осадком; τц – время полного цикла обработки суспензии в центрифуге; Кп – коэффициент, учитывающий возрастание сопротивления фильтрующей перегородки при многократном ее использовании (Кп=0,8). Коэффициент заполнения барабана осадком для осадительных центрифуг принимают равным υ=0,5÷0,6. Время полного цикла обработки суспензии в отстойной центрифуге периодического действия τц τ з τот τв , (5.10) где τз – время подачи суспензии в центрифугу, с; τот – время отсоса жидкости, оставшейся над осадком, с; τв – время затрачиваемое на вспомогательные операции, с. Для центрифуг типа ОГШ τот=60÷120 с, τв=120÷240с. Время подачи суспензии определяется из зависимости τз vр Vс x1 , где vр – рабочий объем барабана, равный vр (5.11) π 2 Dв Dб2 L. 4 42 (5.12) В случае определения производительности центрифуги по заданному значению относительного уноса твердой фазы xун задача решается методом моделирования по результатам разделения суспензии на модельной машине. По данным опытов на модельной машине, проведенных при значении фактора разделения, равном значению фактора разделения у промышленной центрифуги, находится зависимость относительного уноса твердой фазы xун от числа осветления Bм Bм Vс.м , π Dв l м Fr (5.13) где Vс.м – расход суспензии, подаваемой в модельную машину, м/с; Fr – фактор разделения, рассчитанный по внутреннему диаметру барабана Dв; l – длина пути осаждения, м. По зависимости xун=f(Bм) находится число осветления Bм, обеспечивающее заданное значение xун. Производительность промышленной центрифуги по подаваемой суспензии находится по формуле V с.п π Dв.п lп Fr Bм . (5.14) Задание. Выбрать центрифугу и рассчитать ее производительность. Пример расчета. И с х о д н ы е д а н н ы е: Основной продукт – твердая фаза. Фугат подается на очистку. Требуемая производительность по суспензии Vсп=2,24 м3/ч; по твердому осадку Gт=560 кг/ч. Массовая концентрация твердой фазы xт=25%, объемная xv=19,3%. Вязкость жидкой фазы μ=0,9·10-3Па·с. Плотность твердой фазы ρт=1390 кг/м3; плотность жидкой ρж=1000 кг/м3. Гранулометрический состав твердой фазы: 0,2 мм -5%; от 0,2 43 до 0,1 мм – 80%; от 0,1 до 0,04 мм – 9%; 0,04 мм – 6%. Твердая фаза нерастворима, среднеабразивна. Среда слабокислая. Температура суспензии 35оС. Промывки осадка не требуется, влажность осадка минимальная. Крупность разделения dк=0,01 мм. Осадок рыхлый, измельчение твердой фазы ограничено. Суспензия нетоксична, огне- и взрывобезопасна. Категорийность помещения по СНИП-ПМ2-72-Б; по ПУЭ-В-Па. Длительность работы в течение суток 24 ч. На основании данных приведенных в табл.5.2-5.4 выбираем центрифугу типа ОГШ [3]. Ориентировочный размер барабана центрифуги подбираем по значению заданной производительности 350 мм. Конструктивная модификация центрифуги ОГШ-35, согласно исходным данным, должна иметь взрывозащищенное электрооборудование (см. категорийность помещения): быть выполненной из кислотостойкой стали, корпус и шнек должны быть защищены от абразивного износа. Исходя из указанных требований, окончательно выбираем универсальную осадительную центрифугу ОГШ-352К-6 по рис.5.1. Для расчета производительности центрифуги выбираем из табл.5.1 ее основные параметры. Дополнительные данные: диаметр сливного борта Dб=260 мм; длина цилиндрической части барабана Lц=375 мм. Для определения скорости осаждения частицы диаметром dк=0,01 мм рассчитаем критерий Архимеда по уравнению (3.3): Ar 0,013 109 1390 1000 1000 9,81 (0,9 103 )2 4,7 103. Режим осаждения ламинарный (Ar<3,6), поэтому скорость осаждения рассчитываем по формуле Стокса (4.1) wo 0,012 106 1390 1000 9,81 18 0,9 103 44 0,236 10 4 м/с. Средний диаметр потока жидкости в барабане равен Dср Dв Dб 350 260 305 мм. 2 2 Фактор разделения на среднем диаметре составит по формуле (5.3) 2 3,142 66,62 0,305 Frср 2710. 9,81 Производительность центрифуги по суспензии определяется по уравнению (5.1), приняв ηэ=0,2: Vс 3,14 0,305 0,375 0,236 104 2710 0,20 0,0046 м3/с 16,5 м3/ч. Плотность суспензии вычисляем по формуле (5.7): ρс 1390 1000 1075 кг/м3. 1390 1390 1000 0,25 Производительность центрифуги по твердому осадку при Vс=16,5 м3/ч определяем по формуле (5.6): Gт 16,5 1075 0,25 4430 кг/ч. Полученное значение производительности по осадку Gт=4430 кг/ч > Gт max=1000 кг/ч. Примем рабочую производительность по осадку равной Gт р 0,6Gт max 0,6 1000 600 кг/ч. Тогда максимальная производительность по суспензии будет равна (5.8) 45 Таблица 5.2 Влияние свойств суспензии и осадка на выбор типа центрифуги 30 + + + + 10-40 15-50 15-50 20-50 + нерастворимая 10 + + + плохая >5 + - хорошая >50 >200 >50 Растворимость твердой фазы тексотропный 2-50 >10 2-50 уплотняющийся, мажущий Δр, кг/м3 1 5 1 зернистый, рыхлый Скорость осаждения wо·103, мм/с 5-30 1-40 5-30 Не регламентируется Минимальный размер частиц d, мкм ОМД ОГШ* ОГН ФМБ** ФМД ФПД ФМН ФГН ФГШ ФВШ ФГП Концентрация суспензии, x,% Тип центрифуги Осадок СПЕЦ. + - 150 + СПЕЦ. *Для осветления суспензий с концентрацией менее 5% используются центрифуги ОГШ с отношением длины ротора к диаметру L/D>2,2 **Центрифуги ФМБ могут быть использованы для осветления суспензий с концентрацией менее 5% 46 Таблица 5.3 Влияние заданной производительности на выбор типоразмера центрифуги Производительность Индекс центрифуги по суспензии, по осадку, м3/ч т/ч 1-5 0,15-0,5 ОМД-80; ОГШ-35; ФГН-63; ФГН-90; ФМД-80; ФМБ-80; ФМБ-120; ФМД-120; ФПН-100; ФПД-120 5-15 0,5-3,0 ОГШ-35; ОГШ-50; ОГН-180; ФГН-90; ОГН-90; ФГН-125; ФВШ-35; 1/2ФГП-40; ½ ФГП-63 15-25 3-6 ОГШ-5; 20ГН-220; ФГШ-35; ФГШ-40; ФГН-180; 1/2ФГП-80 >25 >6 ОГШ-63; ОГШ-80; ФГН-200; 1/2ФГП-120 47 Таблица 5.4 Факторы, влияющие на выбор конструктивной модификации центрифуги Фактор Характеристика фактора Индекс центрифуги Интенсивная ФГН, ФМН, ФПД, Необходимость ФМД, ФМБ промывки осадка в Средняя Те же и ФГП, ФГШ роторе Не требуется Все типы Допустимо Все типы Измельчение твер- Ограничено Все типы, кроме ФГН дой фазы Не допустимо Немеханизированные Слабоабразивная (твердость по шкале Мооса Абразивные свой- Нм≤2,5) ства твердой фазы Среднеабразивная (2,5<Нм≤5,0) Сильноабразивная Суспензия: Нет Все типы ОГШ, ОМД, ФМБ, ФМД, ФМН,ФПД ОМД, ФПД, ФМД, спец.ОГШ Помещение: Взрывоопасность Нет Все типы суспензии и кате1и2 горийность помеНет Да Все типы щения 2 Да Да Все типы 3, 4, 7 Необходимость Не требуется Все типы обогрева или охла- Требуется Все типы о ждения (>80 С) 5и6 48 в исполнении в исполнении в исполнении в исполнении Цифра ОГШ353К-2 1 2 и т.д. Буква У Л К Т П Г Порядковый номер модели, определяющий специфику ее назначения Первая модель Вторая модель Материалы основных деталей, соприкасающихся с продуктом Углеродистая конструкционная сталь Легированная сталь Коррозионная сталь Титан и его сплавы Пластмассовые покрытия Гуммированные покрытия Цифра Исполнение центрифуги 1 Негерметизированное, не взрывозащищенное 2 Негерметизированное со взрывозащищенным электрооборудованием 3 Герметизированное, взрывозащищенное 4 Герметизированное для работы под давлением 5 С обогревом или охлаждением, негерметизированное 6 С обогревом и взрывозащищенным электрооборудованием 7 Капсулированное 9 Специальное Цифра Размер ротора Цифра Внутренний диаметр, см. Рис.5.1 Условные обозначения конструктивной модификации центрифуг 49 Vс 600 2,24 м3/ч. 1075 0,25 Требуемое количество центрифуг z 2,24 1 шт. 2,24 Таким образом, для установки принимаем одну центрифугу ОГШ-352К-6. Варианты заданий для самостоятельного расчета производительности центрифуги типа ОГШ по заданной крупности разделения dк приведены в табл.5.5, техническая характеристика центрифуг ОГШ – в табл5.1. Таблица 5.5 Исходные данные к самостоятельной работе № Тип ρт, ρж, μ·103 xт, l, dк, L вар. центрифуги кг/м3 кг/м3 Па·с % мм мкм D 1 ОГШ-32 1,66 1700 990 0,86 18 215 6 2 ОГШ-35 1,80 1070 1000 1,00 20 375 5 3 ОГШ-35 1,80 1170 1000 1,00 23 375 5 4 ОГШ-50 1,80 1400 980 0,90 25 450 10 5 ОГШ-50 1,80 1460 980 0,90 28 450 10 6 ОГШ-80 2,00 2340 1000 1,00 16 650 2 7 ОГШ-50 1,80 1390 995 0,85 30 450 8 8 ОГШ-20 3,00 1470 985 0,90 4 360 2 9 ОГШ-20 3,00 1500 985 0,90 8 360 2 10 ОГШ-63 3,76 1560 870 0,76 5 1500 3 11 ОГШ-35 2,86 1260 1000 0,98 3,5 600 3 12 ОГШ-80 1,63 1300 1000 1,00 27 520 7 13 ОГШ-80 1,63 1250 1000 1,00 22 520 7 14 ОГШ-32 1,66 1350 980 0,90 35 215 5 50 Dб, мм 230 260 260 380 380 640 380 150 150 450 260 620 620 230 № Тип вар. центрифуги 15 ОГШ-35 16 ОГШ-35 17 ОГШ-50 18 ОГШ-80 19 ОГШ-35 20 ОГШ-20 L D 1,80 1,80 1,80 2,00 2,86 3,00 ρт, ρж, кг/м3 кг/м3 1160 890 1190 890 1050 980 1710 1000 1210 980 980 760 51 μ·103 Па·с 0,82 0,82 0,95 1,00 3,00 0,74 Продолжение таблицы 5.5 xт, l, dк, Dб, % мм мкм мм 23 375 6 260 28 375 6 260 30 450 10 360 20 650 5 640 3 375 2 260 2,5 360 1 150 Занятие №6-7. БАЛАНСОВЫЕ РАСЧЕТЫ УЗЛА ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ Задание. Рассчитать материальный баланс узла термического обезвреживания нефтешлама следующего фазового состава, % масс.: вода – 74,0; минеральные примеси – 1,0; углеводороды – 25,0. Элементный состав углеводородной фазы шлама приведен в табл.6.1 Химический состав минеральной части шлама, % масс.: SiO2 -100,0. Расход нефтешлама – 20 кг/с. Технологическое топливо – природный газ. Состав и свойства технологического топлива приведены в табл.6.2 Расход газа – 1,0 нм3/с. Таблица 6.1 Сг 87,4 CH4c 94,0 Состав горючей массы нефтешлама, % масс. Нг Ог Nг Sг 11,2 0,5 0,4 0,5 Сумма 100,0 Таблица 6.2 Состав технологического топлива (сухого), % об. C2H6c C3H8c C4H10c C5H12c CO2c N2c Сумма 1,2 0,7 0,4 0,2 0,2 3,3 100,0 Принципиальная схема процесса и ее описание приведено в «Альбоме оборудования для переработки промышленных и бытовых отходов». Схема материальных потоков приведена на рис. 6.1. 1 2 3 4 5 Рис.6.1. 1-газ, 2-воздух, 3-нефтешлам, 4-дымовые газы, 5-зола 52 Расчет горения технологического топлива Газ сжигается с коэффициентом расхода воздуха α=1,2. Воздух на горение поступает не подогретым. Примем содержание влаги в газе 1,0% об. Пересчитаем состав сухого газа на влажный рабочий газ по формулам [6,7]: c СH вл 4 CH 4 100 H 2O 94,0 0,99 93,0%. 100 (6.1) Другие составляющие газа остаются без изменений. Таблица 6.3 вл CH4 93,0 C2H6 1,2 вл C3H8 0,7 вл Состав влажного газа, % об. C4H10вл C5H12вл CO2вл N2вл 0,4 0,2 0,2 3,3 H2Овл 1,0 Сумма 100,0 Теоретически необходимое количество сухого воздуха [6]: Lo 0,0476(2CH 4 3,5C2H6 5C3H8 6,5C4H10 8C5H12 ) нм 3воздуха (6.2) 0,0476(2 93 3,5 1,2 5 0,7 6,5 0,4 8 0,2) 9,42 . 3 нм газа Примем влагосодержание атмосферного воздуха d=10 г/кг сухого воздуха, в пересчете она составит 0,016 м3/м3 cухого воздуха. Определим теоретически необходимое количество атмосферного воздуха с учетом его влажности: L'о (1 0,0016d ) Lo 1,016 Lo . (6.3) 3 3 сухого воздуха Lα αLo 1,2 9,42 11,30 нм / нм ; (6.4) ' 3 3 атмосферного воздуха Lα 1,2 9,57 11,48 нм / нм . (6.5) 1,016 9,42 9,57нм 3воздуха/нм 3газа Действительное количество воздуха при =1,2: Количество и состав продуктов горения при =1,2: 53 VCO 2 0,01(CO 2 CH 4 2C 2 H 6 3C3H8 4C 4 H10 5C5H12 ) (6.6) 0,01(0,2 93,0 2 1,2 3 0,7 4 0,4 5 0,2) 1,00 нм 3 / нм 3 ; VН 2 O 0,01(2CH 4 3C 2 H 6 4C3H8 5C 4 H10 6C5 H12 H 2 O 0,16 d Lα ) 0,01(2 93.0 3 1,2 4 0,7 5 0,4 6 0,2 1,0 (6.7) 0,16 10 11,3) 2,15 нм 3 / нм 3 ; VN 2 0,79Lα 0,01N 2 0,79 11,3 0,01 3,3 8,96 нм 3/ нм 3 ; (6.8) VO 2 0,21(α 1) Lo 0,21(1,2 1) 9,42 0,40 нм 3/ нм 3 . (6.9) Общее количество продуктов горения составляет: Vα 1,00 2,15 8,96 0,40 12,51нм 3 /н м3. (6.10) Определяем состав продуктов горения, % об: СО 2 1,00 100 8,00; 12,51 Н 2О 2,15 100 17,19; 12,51 (6.11) (6.12) N2 8,96 100 71,61; 12,51 (6.13) О2 0,40 100 3,20. 12,51 (6.14) Всего: 100,0%. Расчет горения углеводородной части нефтешлама Содержание золы Ар=0,2%, содержание влаги принимаем Wр=0%. Коэффициент расхода воздуха =1,2. Определяем состав рабочего топлива: р С С р р г 100 ( А W ) 100 54 87,4 0,998 87,22%; (6.15) р Н Н р р г 100 ( А W ) 100 11,2 0,998 11,18%. (6.16) Таблица 6.4 Ср 87,22 Состав влажной органической фазы шлама, % Нр Ор Nр Sр Ар Wр 11,18 0,5 0,4 0,5 0,2 0,0 Сумма 100,0 Теоретический расход сухого воздуха на горение: Lo 0,0889Cp 0,265H p 0,0333(O p Sp ) 0,0889 87,22 0,265 11,18 10,72 нм 3 / кг. (6.17) Влагосодержание воздуха d=10 г/кг. Теоретический расход влажного воздуха на горение по формуле (6.3): L'o 1,016 10,72 10,89 нм3/кг Действительное количество воздуха при =1,2 по формулам (6.4) и (6.5): 3 сухого Lα 10,72 1,2 12,86 нм / кг; ' 3 атмосферного Lα 10,89 1,2 13,07 нм / кг. Количество и состав продуктов горения при =1,2 VCO2 0,01855Cфр 0,01855 87,22 1,62 нм 3/ кг; (6.18) VSO2 0,007Sфр 0,007 0,5 0,0035 нм 3/ кг; (6.19) VН 2 О 0,112Н р 0,0124(W р 100wпар ) 0,0016dLα 0,112 11,18 0,0016 10 12,86 1,46 нм 3/ кг; (6.20) VN 2 0,79L 0,008N р 0,79 12,86 0,008 0,4 10,2 нм 3/ кг; (6.21) 55 По формуле (6.9): VO 2 0,21(α 1) Lo 0,21 0,2 10,72 0,45 нм 3/ кг . Общее количество продуктов горения при =1,2: V =1,62+0,0035+1,46+10,2+0,45=13,73 нм3/кг. По формулам (6.11)-(6.14) рассчитаем состав продуктов горения при =1,2, % об.: 1,62 100 СО 2 11,80; 13,73 Н 2О N2 10,2 100 74,26; 13,73 О2 SО2 1,46 100 10,63; 13,73 0,45 100 3,28; 13,73 0,0035 100 0,03. 13,73 Всего: 100%. Минеральная часть шлама, представленная SiO2, химическим превращениям не подвергается. Расчет потоков - поток 1: массовый расход технологического топлива (G) G V ρг 1,0 0,763 0,763кг/с, (6.22) где V – объемный расход технологического топлива, нм3/с; ρг – плотность влажного технологического газа, кг/нм3; ρг ρi yi 0,93 0,714 0,012 1,339 0,007 1,964 0,004 2,589 0,002 3,214 0,002 1,964 0,033 1,25 3 0,01 0,804 0,763 кг / м ; где yi – объемные доли; 56 (6.22) ρi – плотности веществ при н.у, кг/м3: метан – 0,714; этан – 1,339; пропан – 1,964; бутан – 2,589; пентан – 3,214; диоксид углерода – 1,964; азот – 1,25; вода (пар) – 0,804. - поток 2: объемный расход воздуха на горение технологического топлива 11,48нм3/нм3·1,0нм3/c=11,48 нм3/с и на горение углеводородной части нефтешлама 13,07нм3/кг·20кг/с·0,25=65,35 нм3/с; тогда массовый расход воздуха на горение составит (11,48нм3/с+65,35нм3/с)·1,285кг/м3=98,73 кг/с; где 1, 285 кг/м3 – плотность влажного атмосферного воздуха при н.у. ρатм.в ха ρi yi 1,293 0,984 0,804 0,016 1,285 кг/м3; - поток 3: массовый расход нефтешлама 20 кг/с, в т.ч. воды - 14,8 кг/с; углеводородов – 5,0 кг/с; минеральных примесей – 0,2 кг/с. - поток 4: массовый расход дымовых газов представляет собой сумму продуктов сгорания и воды, испарившейся из нефтешлама в количестве 14,8 кг/с и составляет 104,36 кг/с+14,8 кг/с=119,16 кг/с (табл.6.5). - поток 5: массовый расход золы складывается из расхода минеральных примесей, содержащихся в нефтешламе, 20кг/с·0,01=0,2 кг/с и золы, образующейся при сгорании углеводородной части отхода, 20кг/с·0,25·0,002=0,01 кг/с, что в сумме составляет 0,2+0,01=0,21 кг/с. 57 Таблица 6.5 Компоненты CO2 H2O N2 O2 SO2 Итого: Продукты, образовавшиеся при сгорании технологического топлива, нм3/с Продукты, образовавшиеся при сгорании углеводородной части отхода, нм3/с 1,00 2,15 8,96 0,40 - 1,62·5=8,10 1,46·5=7,3 10,2·5=51,00 0,45·5=2,25 0,0035·5=0,02 Суммарное Суммарное количество количество продуктов продуктов сгорания, сгорания, 3 нм /с кг/с 9,10 9,45 59,96 2,65 0,02 17,9 7,6 75,0 3,8 0,06 104,36 Результаты расчета представлены в табл.6.6. Проверка: - суммарный массовый расход входящих в печь потоков, равен 119,49 кг/с; - суммарный массовый расход потоков, выходящих из печи – 119,37 кг/с; - невязка баланса составляет 0,1%, что не превышает допустимой величины. Исходные данные для самостоятельной работы приведены в табл.6.7 6.8. 58 Таблица 6.6 Компоненты 1.Газ 2.Воздух атмосферный 3.Нефтешлам в т.ч. вода углеводороды мин.примеси 4.Дым. газы в т.ч. СО2 Н2О N2 О2 SO2 5.Зола ИТОГО Материальный баланс узла термического обезвреживания нефтешлама 1 2 3 4 кг/c % масс. кг/c % масс. кг/c % масс. кг/c % масс. 0,763 100,00 98,73 100,00 20,00 14,80 5,00 0,20 100,00 98,73 100,00 20,00 59 кг/c % масс. 0,21 0,21 100,00 100,00 74,00 25,00 1,00 119,16 17,9 22,4 75 3,8 0,06 0,763 5 100,0 119,16 15,02 18,80 62,94 3,19 0,05 100,00 Таблица 6.7 Элементный состав углеводородной фазы шлама Содержание, % масс. № варианта Сг Нг Sг Nг+Ог Ар Wр 1 87,2 11,7 0,5 0,6 0,1 2,0 2 87,4 11,2 0,5 0,9 0,2 3,0 3 87,6 10,7 0,7 1,0 0,2 3,0 4 87,6 10,5 0,9 1,0 0,3 4,0 5 85,2 11,6 2,5 0,7 0,1 1,0 6 85,0 11,6 2,9 0,5 0,2 2,0 7 85,0 11,4 3,2 0,4 0,3 3,0 8 86,5 12,8 0,4 0,3 - - 9 85,0 14,9 0,05 0,05 - - 10 89,5 7,0 1,5 2,0 - - 60 Таблица 6.8 № варианта Состав и свойства некоторых природных газов Состав сухого газа, % об. СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 СО2 N2 H2S Плотность сухого газа, 1 93,2 4,4 0,8 0,6 0,3 0,1 0,8 - кг/м3 0,800 2 98,0 0,3 0,1 0,1 - 0,3 1,2 - 0,800 3 85,0 4,4 2,4 1,8 1,3 0,1 5,0 - 0,800 4 95,6 2,7 0,3 0,3 - 0,1 1,1 - 0,755 5 97,9 0,5 0,2 0,1 - 0,1 1,2 - 0,730 6 94,0 1,2 0,7 0,4 0,2 0,2 3,3 - 0,765 7 85,9 3,1 1,0 0,4 0,1 0,1 9,4 - 0,804 8 81,7 5,0 2,0 1,2 0,6 0,4 8,5 0,6 0,884 9 91,6 1,6 0,8 0,4 0,2 0,6 4,7 0,1 0,780 10 98,0 0,3 0,1 0,1 - 0,3 1,2 - 0,800 61 Библиографический список 1. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1987. 2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учеб. пособие для вузов/Под ред.П.Г. Романкова.-Л.: Химия, 2004.-576с. 3. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учеб. пособие/И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др.; Под общ.ред.В.Н. Соколова-Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982.-384с. 4. Ершов А.И., Марков В.А., Плехов И.М., Собин В.М. Процессы и аппараты химической технологии. Лаб.практикум/Под ред.А.И. Ершова.- Мн.: Университетское, 1988.-173с. 5. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии.-Л.: Химия, 1982. 6. Левченко П.В. Расчет печей и сушил силикатной промышленности.- М.: Высш.шк., 1968.- 367с. 7. Шарихин В.В., Ентус Н.Р., Коновалов А.А., Скороход А.А. Трубчатые печи нефтегазопереработки и нефтехимии: Учеб. пособие. Москва; Изд-во «Сенсоры. Модули. Системы», 2000.- 392с. 62 Содержание Стр. Введение Занятие №1. Определение дисперсности твердых частиц в слое материала Занятие №2. Расчет оборудования для измельчения твердых материалов Занятие №3. Расчет параметров режима пневмосепарации смеси зернистых материалов Занятие №4. Расчет параметров режима гидравлической классификации смеси зернистых материалов Занятие №5. Расчет оборудования для разделения суспензии Занятие №6-7. Балансовые расчеты узла термического обезвреживания органоминеральных отходов Библиографический список 63 1 2 13 23 31 39 52 62 Методические указания ЧЕРНЫШОВА Наталия Евгеньевна ИЗМАЙЛОВ Валентин Дмитриевич ПРИМЕРЫ И ЗАДАНИЯ ПО КУРСУ «ПЕРЕРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ» В авторской редакции Подписано в печать 14.12.12. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная Усл.печ.л. 3,72. Уч.-изд.л. 3,65 Тираж 50 экз. Рег. № 10/13 Заказ № 112 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская, 244. Главный корпус Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская, 244.Корпус №8 64