Инженерные средства защиты окружающей среды

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ УКРАИНЫ

 

Севастопольский национальный университет ядерной энергии  и промышленности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему «Расчетно-аналитический  выбор пылегазоочистной установки»

по дисциплине

«Инженерные средства защиты окружающей среды»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                            Выполнилa:

 

 

 

                                                                                            Проверилa:

                                                                                            Ленивенко Н.Н.

 

 

 

Севастополь

2012

Содержание

1. Техническое  задание
2. Обоснование  выбора пылегазоочистной установки
2.1. Определение  степени загрязнения окружающей среды
2.2. Расчет осадительной  камеры
2.3. Выбор циклона
2.4. Расчет скруббера  Вентури
2.5. Расчет насадочного  абсорбера
2.6. Расчет теплообменника
2.7. Обобщенные результаты анализа расчетно-аналитического выбора пылегазоочистной установки
3. Индивидуальное  задание
Заключение
Библиография
Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническое  задание.

1.4. Объемный расход удаляемого из цеха вентиляционного воздуха и его дисперсный состав – в соответствии с табл.1 и 2

Таблица 1.

Дисперсный состав пыли:

Размер частиц	Мкм	0-5	5-10	10-20	20-40	40-50	60-80	80-100
Фракционный состав	%	13	12,1	12,8	22,9	21,8	10	7,4

динамический коэффициент  вязкости вентиляционного воздуха  m = 22.2 * 10^-6 Па./с;

Спроектировать ПГУ  обеспечивающую санитарно – гигиенические требования в селитебной зоне.

С_м £ ПДК           Х_m= СЗЗ (м).

Таблица 2  

№ в/в	Исходные данные
6	Спыли, г/м3	Т0, отх. газов	Х, м	Н, м	ρгаз, вент к кг/м3	ρпыль кг/м3	dm, мкм	lg σn	Ризб, Па	V, м3/ч	Выделгаз	Свход по газу г/м3	ПДКм.р пыли мг/м3	КПД по газу %
	120	230	65	17,5	1,25	3200	20	0,334	105	2600	С2Н2	10	0,5	95

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обоснование  выбора пылегазоочистной установки.

   На рис.1 представлена схема 4-ступенчатой пыле газоочистной установки. В зависимости от состава пыли, ее дисперсности и других физических параметров, а также выполненных расчетов оценим состав оборудования пыле газоочистной установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Схема очистки  вентиляционного воздуха от пыли.

1 - пылеосадительная камера;  2 - циклон.; 3 - скруббер Вентури;

t

Рис. 2 Принципиальная схема  пылегазоочистной установки

1- жалюзийный пылеотделитель

2- радиальный пылеуловитель

         3- барботажно – пенный пылеуловитель

На рис.4.2 показана принципиальная схема 3-х ступенчатой пыле газоочистной установки, состоящей из жалюзийного, радиального и барботажно-пенного пылеуловителей.

2.1. Определение  степени загрязнения окружающей  среды

2.1.1. Объем выбрасываемой пыле газо-воздушной  смеси в секунду.

V₁=V/3600(м³/с),                                                                                                  (1)

  где      V - объем вентиляционного  воздуха по техническому заданию,  м³/ч.

                                      V₁= 2600/3600=0.72   (м³/с),

2.1.2. Масса выбрасываемой пыли в  единицу времени   (г/с)

M_пыли = С * V₁ (г/с) ,   М_г.к.= С_г * V₁ (г/с)                                                       (2)                                                                                               M_пыли = 120 * 0.72=86,4    (г/с) ,        М_г.к = 10 * 0,72 = 7,2   (г/с)                                                   

2.1.3. Максимальная приземная концентрация  на расстоянии от источника  выброса (источник без очистных сооружений);

(мг/м³),                                                                         (3)

где   А  - коэффициент, учитывающий стратификацию атмосферы,  для Украины А = 200;

        F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседая вредных веществ в атмосфере:  для газов и мелкодисперсной пыли F =2;

DТ = Тг - 25  (⁰С) ;

DТ = 230 – 25= 205  (⁰С) ;  t _{окр возд}=25º С

 

m= 1/ (0.67+0.1(f)^1/2 + 0.34 (f)^1/3).

m= 1/ (0.67+0.1(0,4)^1/2 + 0.34 (0,4)^1/3)=1.

 Величина параметра f [м/ (с²  °С)], вычисляется по формуле :

f = 10³ * (W₀² * D / H² * DT),

где W₀  - средняя скорость выхода газо-воздушной смеси из устья источника выброса , м/с, принимается 8-10 м/с ;

D – диаметр источника выброса, м. Определяется из условия S = V₁ / W₀ ;

      H – высота источника выброса над уровнем земли, м.

                                                                                           

0,3 < V_м ≤ 2,

C_m,пыли =   (г/м³)

  (г/м³)

2.1.4. Определяем расстояние  Хm от источника выброса, при котором имеет место Сm:

Когда безразмерный коэффициент F = 2, величина Xm определяется по формуле:

            Xm = ((5-F) / 4)*d*H.                                                                               (4)

          где d – безразмерная величина , определяемая по формуле :

при V_м < 2,  d = 4,95 * V_м (1+0.28(f)^1/3) ;

при V_м > 2,  d = 7(V_м)^1/2 * (1+0.28(f)^1/3).

Т.к. V_м < 2, то

d=4.95*V_m*(1+0.28*(f)^1/3)=4.95*1.323*(1+0.28*(0.4)^1/3)=8

Xm = ((5-F) / 4)*d*H=((5-2)/4)*8*17,5=105 (м)

 

2.1.5. Сравниваем величины:

Cm £ ПДК         и       Xm £  X.                                                                             (5)

26≥0,5                           105≥65

ПДК_{мр пыли}= 05 мг/ м³     

Условия не выполняются. ПДК превышает норму. Требуется  дополнительная очистка выбрасываемого воздуха.

2.1.6. Поскольку требуемые условия  по п.5.5 не выполнены, определяем  предельно допустимый выброс  для данного источника загрязнения:

,  (г/с)                                                                   (6)

        где Сф - принять 0,2 ПДК.

   (г/с)

  (г/с)

 

 

 

 

 

2.1.7. Массовая концентрация пыли и  газа  перед входом в пылегазоустановку:

C_вх = С*10³,  (мг/м³).                                                                                            (7)

С_{вх, пыли}=120*10³=12*10⁴  (мг/м³)

(мг/м³)

2.1.8. Концентрация пыли после пылегазоочистной установки из условия обеспечения ПДВ

С_вых = ПДВ * 10³/V₁,  (мг/м³).                                                                            (8)

    (мг/м³)

  (мг/м³)

2.1.9. Эффективность  очистки должна достигаться:

h_i = 1 -  C_вых / С_вх.                                                                                                 (9)

 

h_{i, пыли} =1 – 1819/12*10⁴=0,98

η_i,газа = 1 – 5556/10⁴ = 0,44

  

  2.2. Расчет  осадительной камеры

2.2.1. По дисперсному и фракционному составу пыли  учитываем, что

 диаметр( d ) частиц, который может осадиться в камере, 60 и более мкм.

2.2.2. Определяем величину критерия  Архимеда:

Ar = (d_r³*r_г² *g)/ m_г² *(r_r -r_г /r_г).                                                                     (10)

2.2.3. По значению Ar определяют область, в которой происходит осаждение, и вычисляют число Рейнольдса:

При Ar £ 36             Rе = Ar/18;                                                                      (11)

При 36<Ar<8300     Rе = 0,152 Ar^0,715;                                                               (12)

При Ar>830     Rе = 1,74 ÖAr .                                                                           (13)

Rе = Ar/18=13.75/18=0.76

2.2.4. Вычисляют  теоретическую скорость осаждения  шарообразной частицы:

При Ar £ 36     w_ос= d_r² * g * (r_n - r_r)/ 18m , (м/с);                                              (14)

При 36<Ar<8300           w_ос = 0,78*(d_r^0,43(r_n - r_г)^0,715/ r_г^0,285 *m^0,43);

При Ar>8300                  

  (м\с)

Проверяем скорость  w_ос по формуле : w_ос = Re*m / d_ч*r_г .

  (м\с)

Для не шарообразных частиц фактическая скорость осаждения меньше:

 

                                             W_факт  = w_ос * j ,                                                     (15)

где    j - поправочный коэффициент формы.

2.2.5. Опытным путем установлено, что

                          для округлой формы    j₀ = 0,77 ;

                          для угловатых частиц   j_у = 0,66 ;

                          для продолговатых частиц   j_пр = 0,58;

                          для пластинчатых частиц    j_пл. = 0,43;

 

Таблица 3 Доля (m) различных форм частиц, учитывающихся в процессе осаждения (по вариантам).

Форма частиц	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
j0	0,1	0,4	0,3	0,2	0,1	0,4	0,3	0,2	0,1	0,4
jу	0,2	0,3	0,4	0,1	0,2	0,3	0,2	0,1	0,3	0,1
jпр	0,3	0,2	0,1	0,3	0,4	0,1	0,1	0,4	0,4	0,3
jпл	0,4	0,1	0,2	0,4	0,3	0,2	0,4	0,3	0,2	0,2

При неравномерном распределении

            j = j₀*m₀+j_y*m_y+j_пр*m_пр+j_пл*m_пл / m₀ +m_y+m_пр+m_пл .           (16)

    

m₀ = 0,3; m_y = 0,2; m_пр = 0,1; m_пл = 0,4.

 

W_факт  =0,2*0,6=0,12  (м/с)

2.2.6. Скорость газа в осадительных камерах не должна превышать Wг= 1.2 м/с, в противном случае осевшие частицы могут подхватываться потоком и уноситься из аппарата. Оптимальную скорость газа в осадительной камере выбираем Wг= 0,8  м/с.

2.2.7. Площадь сечения осадительной  камеры:

                  S = V₁/ W_г , (м²)                                                                                 (17)

S=0,72/0,8=0,9 1  (м²)

2.2.8. Осадительные камеры, как правило, выполняются прямоугольного сечения, длинные стороны которого располагаются в горизонтальной плоскости. Определяем высоту Нк:

Нк = 0,707 ,  (м).                                                                                            (18)

H_k=0,707* =0,7 (м)    L= м     l₂= L/ 2 =5/2=2,5 м       l₁= L/4= 5/4= 1,25 м

 = 0,3 м   

  ω_d - скорость на входе в камеру, принимаем равным 5-10 м\ с

 

2.2.9. Конструкцию,  осадительной камеры выберем  из рис.3 и 4.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3 Схема осадительной камеры без перегородки.

                                                                                                         А-А

 

 

 

 

 

 

Рис.4 Схема осадительной камеры с перегородкой.

   Из соображений  качества очистки выбираем осадительную камеру с перегородками как обладающую относительно более высокой эффективностью при минимальных габаритах – (рис.3).

 

2.2.10.  Выполняются расчеты параметра  (П) для осадительной камеры  без перегородки по формуле:

 

  п – количество перегородок               (19)

 

2.2.11. Определяем параметр проскока  частиц (р):

P = 1 / е^п .                                                                                                    (20)

Р=1/е³=0,05

 Определяем фракционную эффективность очистки пылеосадительной камеры.

h_ф⁰ = (1- P).                                                                                                          (21)

h_ф⁰ =1 – 0,05=0,95

2.2.12. После выбора и расчета геометрических характеристик пылеосаждающей камеры производим расчет потерь давления в ней.

Порядок расчета следующий:

Определяем  скорость пылегазовоздушной смеси  в сечениях А-А и В-В:

w_A-A= ,(м/с).                           (22)   

,  (м/с)                                                   (23)                                                                                       

Вычисляем эквивалентный диаметр в сечениях А-А и В-В, принимая во внимание, что

d_э = 4S/ П,                                                                                                            (24)

где П - периметр сечения.

Определяем  числа Рейнольдса в сечениях А-А  и В-В

Re_A-A = d_э^А-А*w_A-A*r_г/ m_г   ;      Re_B-B = d_э^B-B *w_г*r_г/ m_г   ,                                  (25)

где w_г – скорость газа в указанных сечениях, м/с.

Re_A-A =

Re_B-B =

 

Коэффициент гидравлического сопротивления  в сечениях А-А и В-В рассчитывается по формуле:

                                          l = 0,316/Re^0,25 .                                                        (26)

l_А-А = 0,316/ =0,0158                    l_В-В = 0,316/ =0,0226

Определяем  потери давления на трение

DP_тр = l_A-A*(l₁ / d_э^А-А)*(r_г * w_A-A²/ 2) + l_B-B*(L/ d_э^B-B )*( r_г* w_В-В²/2), (Па).    (27)

DP_тр=0,0158*(1,25/1,7)*(1,25*1,69²/2)+0,0226*(5/0,93)*(1,25*0,73²/2)=0,07  Па

Вычисляются потери давления на местные сопротивления

DP_М.С = x₁* (r_г*w_A-A²/ 2) + n * x₂ *(r_г* w_В-В²/2), (Па),                                      (28)

где x₁ - коэффициент местного сопротивления при входе пылегазовоздушной смеси в камеру (происходит плавное расширение); x₁- 0,5 ; x₂ = коэффициент местного сопротивления при огибании перегородок   x₂ = 2,5;   n - число перегородок.

DP_М.С =0,5*(1,25*1,69²/2)+3*2,5*(1,25*0,73²/2)=3,89  (Па)

Общая потеря давления в осадительной камере составляет:                                                                 DP = DP_тр + DP_М.С, (Па).                                                                                      (29)

DP =0,07+3,89=3,96 (Па)

 

Вывод: S=1 (м²);  Н_к = 0, 7 (м); L=5 (м); l₁=1,25 (м); l₂=2,5 (м); d=0,3 (м); h_ф⁰=0,95; DP=3,96 (Па).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Выбор циклона

   Схема цилиндрического циклона показана на рис.5.  Для применения в проектируемой системе очистки воздуха выберем циклон типа ЦН-2У. Типовые геометрические размеры цилиндрических и конических циклонов  в долях внутреннего диаметра D приведены в таблице 4.

Геометрические параметры	Типы циклона
	ЦН – 2У  СДК-ЦН-33	ЦН – 15У	СК – ЦН – 34
	ЦН - 15	ЦН - 11	СК – ЦН –34м
Высота цилиндрической части Нц и высота заглубления  выхлопной трубы hт	0,535 0,435	0,515 0,415	0,4 0,3
Высота конической части  Нк	2,2	2,11	2,6
Внутрений диаметр выхлопной  тубы d	0,334	0,340	0,22
Внутрений диаметр пылевыпускного отверстия d1	0,334	0,229	0,18
Ширина входного патрубка  b	0,264	0,214	0,18
Выста внешней части  выхлопной трубы hв	0,2 – 0,3	0,515	0,3
Высота установки фланца hфл	0,1	0,1	0,1
Высота входного патрубка hп	0,535	0,2 – 0,3	0,4
Длина входного патрубка l	0,6	0,6	0,6
Текущий радиус улитки r	D/2+bj/2П	D/2+bj/2П	D/2+bj/2П

Таблица 4 Геометрических размеров циклона (в долях диаметра циклона)

Таблица 4 Геометрических размеров циклона (в долях диаметра циклона)

                                                                                                                                              

2.3.1. Расчёт циклона ведется при наличии данных d_m и lg s_r методом последовательных приближений в следующем порядке.

Для циклонов типа:

ЦН-2У                    W_опт=  4,5м/с;

ЦН-15У                 W_опт=   3,5м/с;

ЦН-15                    W_опт=   3,5м/с;

ЦН-11                    W_опт=   3,5м/с;

СДК-ЦН-33           W_опт=2,0м/с;

СК-ЦН-34             W_опт=1,7м/с;

СК-ЦН-34М          W_опт=2,0м/с.

     Задавшись типом циклона, определяют оптимальную скорость газа    Wг_опт в сечении циклона диаметром D по  данным, приведенным ниже

Тип циклона	ЦН-2У	ЦН-15У	ЦН-15	ЦН-11	СК-ЦН-34м	СК-ЦН-34
wг опт, м/с	4,5	3,5	3,5	3,5	2,0	2,5

Таблица 5

2.3.2. Вычисляем диаметр циклона по формуле:

         (м)                                                                                (30)

  (м)

 Полученное значение D округляем, до ближайшего значения внутреннего диаметра циклона: D м: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7, т.е.   : D=0,5 м.  Размер диаметра бункера берется равным 1,5 D, высота 0,8D, днище бункера выполняется с углом 60º между стенками, выходное отверстие имеет диаметр 250 или 500 мм̣.           

   Итак, для проектируемой  газоочистной установки достаточно одного циклона диаметром 0,5 метра.

 

2.3.3. По выбранному диаметру циклона находим действительную скорость газа в циклоне      

W =  4V₁   / p n D²,     (м/с)                                                                          (31)

где    n – число параллельно установленных циклонов.

W =  (4*0,72)/(3,14*1*0,5²)=3,67    (м/с)

Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться  от оптимальной более чем на   +15%. В данном случае это условие выполняется.

2.3.4. Определяют коэффициент гидравлического  сопротивления одиночного циклона:

                x = K₁ * K₂ * x₅₀₀,                                                                                 (32)

где K₁ – поправочный коэффициент на диаметр циклона

      K₂ - поправочный коэффициент на запыленность воздуха

     x₅₀₀ – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм 

x = 1*0,86*75=65;

 

2.3.5. Гидравлическое сопротивление циклона  вычисляется по формуле:

          DP = x * (r * W²/2), (Па).                                                                          (33)

DP =    (Па)

2.3.6. Эффективность очистки газа в  циклоне определяется по формуле

h₁= 0,5 * [1 + Ф(х)],                                                                                     (34)

где   Ф(х) – табличная функция от параметра х.

h₁=0,5*(1+0,8413)=0,92

      х = ;                                        (35)

Величина d₅₀ определяется по уравнению

          d₅₀= d₅₀^TÖ(D/D_T)(r_пт/r_п)(m/m_т)(w_т/w) ,

где d₅₀^T и lgs_r для каждого циклона.

    Таблица 6

Тип циклона	ЦН-2У	ЦН-15У	ЦН-11	СДК-ЦН-33	СК-ЦН-34	СК-ЦН-34М	ЦН-15
d50T	8,5	6,0	3,65	2,31	1,95	1,3	4,5
Lgsr	0,308	0,283	0,352	0,364	0,308	0,340	0,352

                                                     

 Значение d₅₀^T определены по условиям работы типового циклона: D_T = 0,6 м;  

r_пт = 1930 кг/м³;       m_т = 22,2 * 10^-6  Па*с;       

w_т = 3,5 м/с

Значения Ф(х) определяются по полученным значениям х:

   Таблица 7 Значения функции Ф(х)

Х=	-2,70	-2,0	-1,8	-1,6	-1,4	1,2	-1,0	-0,8
Ф(х)=	0,0035-	0,0228	0,0359	0,0548	0,0808	0,1151	0,1587	0,2119
Х =	-0,6	-0,4	0,2	0	0,2	0,4	0,6	0,8
Ф(х)=	0,2743	0,3446	0,4207	0,5000	0,5793	0,6554	0,7257	0,7881
Х=	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,7	-
Ф(х)=	0,8413	0,8849	0,9192	0,9452	0,9641	0,9772	0,9965	-