Проектирование, расчет, особенности эксплуатации систем защиты среды обитания

ДВГУПС

Кафедра: «Безопасность  жизнедеятельности»

КУРСОВОЙ  ПРЕКТ 

по дисциплине «Системы защиты среды обитания»

на тему:

« Проектирование, расчет, особенности эксплуатации систем защиты среды обитания»

по варианту:

 «Напорные гидроциклоны »

Содержание

Введение………………………………………………………………...……4

1. Формирование  исходной информации…………………..…………........6

2. Предназначение  аппаратного устройства…...……………………….….7

2.1 Классификация гидроциклонов…………………………….............…..9

3. Устройство  аппарата……………………………….………………...….13

4. Проектирование  аппаратного устройства……………..……………….15

4.1 Проектирование  напорных гидроциклонов………………………....18

4.2 Материалы  для изготовления конструкций………………………….24

5. Расчет  многоярусного гидроциклона………………………………….26

5.1  Устройство  многоярусного открытого гидроциклона…………..….28

6. Условия  эксплуатации, регенерации……………………………….…..29

6.1. Проблема  износоустойчивости…………………………………..…...29

Вывод………………………………………………………………..………32

Список литературы…………………………………………………..….….33

Приложения……………………………………………………...…………35

Введение

Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле . Водная оболочка покрывает 70,8% земной поверхности, 96,5% гидросферы сосредоточено в океанах  и морях, 1,74% - в полярных и горных ледниках и лишь 0,45% - в пресных  водах - озерах, реках и болотах. Однако на свои нужды, вполне естественно, человечество использует, как правило, пресные  воды, запас которых, весьма ограничен. И для того чтобы сохранить  пресную воду, которая так необходима человеку для жизни, нужно уже сейчас задуматься о её рациональном использовании. Ошибочно считается, что в распоряжении человечества находятся неисчерпаемые запасы пресной воды и что они достаточны для всех нужд. Это было глубоким заблуждением. Человечеству не угрожает недостаток воды. Ему грозит нечто худшее – недостаток чистой воды [1].

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода) [2].

Методы очистки сточных вод  можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. В данной курсовом проекте более подобно рассмотрена механическая очистка сточных вод [4]. Этот метод очистки применяют преимущественно как предварительный. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом очистки [1]. Говоря о дешевых и эффективных методах очистки нельзя не упомянуть гидроциклоны. 

Гидроциклон  (от греч. hydor - вода и kyklon - кружащийся, вращающийся) - аппарат для разделения в жидкой среде зернистых материалов, различающихся плотностью или крупностью составляющих частиц. Благодаря несложной конструкции, малым размерам, простоте эксплуатации и высокой эффективности находят широкое применение в различных областях промышленности, в т.ч. в качестве классификаторов и сепараторов в горнорудной, как осветлители в химической и нефтехимической промышленности, гидрометаллургии [2].

В ходе написания данного курсового  проекта мною были рассмотрены и  изучены следующие разделы:

- Предназначение  аппаратного устройства, где подробно  рассмотрена классификация гидроциклонов:  по форме корпуса; по взаимному направлению движения выходных потоков; по количеству выходных потоков; по способу сообщения разделяемой среде вращательного движения;

- Устройство  напорного гидроциклона с подробной  схемой аппарата;

- Проектирование  сооружений и аппаратов механической очистки -гидроциклонов, и в частности напорных гидроциклонов. Рассмотрены основные данные необходимые для проектирования аппарата;  материалы для изготовления конструкций;

- Расчет многоярусного гидроциклона с центральным выпуском по данным выданным на курсовой проект;

- Условия  эксплуатации, регенерации. Выявлены  проблемы износоустойчивости конструкции,  приведены альтернативные материалы  для изготовления аппаратов. 

В конце  проекта написан вывод о проделанной  работе. Имеются графические  работы: батарейных, многоярусных и напорных гидроциклонов.

1. Формирование исходной информации

Для написания  данного курсового проекта мною было обработано большое количество информации, найдены различные издания, изучена научно-техническая литература, выбраны СНиПы и методические указания к ним соответствующие теме курсового проекта.

Из всего  объема источников хотелось бы выделить основную литературу, которая способствовала формированию каждого раздела:

- Предназначение аппаратного устройства: учебное пособие «Очистка сточных вод» Соколов М.П.; - где подробно рассмотрена классификация гидроциклонов;

- Устройство  напорного гидроциклона: Терновский И. Г.  «Гидроциклонирование»; Веселов, Ю.С. «Водоочистное оборудование: Конструирование и использование»;

- Проектирование  сооружений и аппаратов: Веселов, Ю.С. «Водоочистное оборудование: Конструирование и использование»; Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарные правила и нормы. СанПиН 2.1.4.559-96;

- Расчет многоярусного гидроциклона: Справочник "Основы конструирования и расчета технологического и природоохранного оборудования"А.С. Тимонин; СНиП 2.04.03-85; методические указания к СНиП 2.04.03-85; Терновский И. Г.  «Гидроциклонирование»;

- Условия  эксплуатации, регенерации. Бауман А. В. Исследование износоустойчивости конструкционных материалов для производства гидроциклонов, мною были выбраны тезисы докладов 4-ой Международной научно- технической конференции молодых специалистов и ученых, В конце проекта написан вывод о проделанной работе на основе полученных знаний.

2.Предназначение аппаратного устройства

Гидроциклоны представляют класс  вихревых аппаратов, предназначенных для разделения жидких неоднородных систем (суспензий, нестойких эмульсий и газосодержащих жидкостей) в поле центробежных сил. Благодаря простоте конструкции, компактности, высокой удельной производительности и надежности гидроциклоны получили широкое распространение в химической, нефтедобывающей, горнорудной, пищевой отраслях промышленности, в энергетике, металлургии, а также в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод [3]. Эти аппараты выгодно отличает возможность применения в непрерывных замкнутых технологических циклах и в безотходных производствах с обеспечением сравнительно высокого качества разделения смесей. Фактор разделения в гидроциклонах составляет 500...2000, а в высоконапорных гидроциклонах и мультициклонах - до 5000. Гидроциклоны используются в процессах осветления сточных вод, сгущения осадка, обогащения известкового молока, отмывки песка от органических веществ, в том числе нефтепродуктов и жира, т.е. в нефтепромыслах, автохозяйствах, стекольных, литейных производствах и др [5].

При осветлении сточных вод аппараты малых размеров обеспечивают больший  эффект очистки. При сгущении осадков  минерального происхождения следует  применять гидроциклоны больших  диаметров (свыше 150 мм). Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ допускается применять  открытые и напорные гидроциклоны. Открытые - для выделения всплывающих, оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью свыше 0,2 мм/с  и скоагулированной взвеси и напорные - для выделения из сточных вод  грубодисперсных примесей минерального происхождения. Для расчета и  проектирования установок с открытыми  циклонами задаются те же параметры  по воде и загрязнениям, что и  для отстойников. Гидравлическая крупность  частиц, которые надо выделить для обеспечения требуемого эффекта очистки, определяется при высоте слоя воды, равном 200 мм. Для многоярусных гидроциклонов слой отстаивания должен быть равен высоте яруса [8].

Выделение примесей из сточных вод  эффективно осуществляется под действием  центробежных и центростремительных  сил в открытых и напорных гидроциклонах. Открытые гидроциклоны применяют для  выделения из суспензий частиц диаметром >0,1 мкм при очистке грубодиспергированных  примесей [6].

2.1. Классификация гидроциклонов

По назначению различают [4]:

- гидроциклоны-осветлители для очистки жидкостей от твердых включений;

Гидроциклоны-сгустители для сгущения суспензий до высоких  концентраций (50... 90 %);

- гидроциклоны-классификаторы для жид - кофазного разделения дисперсных материалов по размерам, плотности или форме частиц;

- гидроциклоны для разделения эмульсий; гидроциклоны-дегазаторы для очистки жидкостей от растворенных и диспергированных газов;

- гидроциклоны для проведения комбинированных процессов, сочетающих механическое разделение с тепло-, массообменом, флотацией, химическими реакциями и др.

Кроме того, гидроциклоны классифицируют [2]:

По форме корпуса - гидроциклоны цилиндроконические (рис. 1, а, в) и цилиндрические (рис. 1, г, д);

По взаимному  направлению движения выходных потоков - противоточные (рис. 1, я, г) и прямоточные (рис. 1, в, д);

По количеству выходных потоков - двух - продуктовые (рис. 1, а-д), трехпродукто - вые (рис. 1, е) и т. д.;

По способу  сообщения разделяемой среде  вращательного движения - напорные (рис. 1, а), низконапорные, или открытые (рис. 1, б) и роторные, или турбоциклоны (рис. 1, е).

В напорных гидроциклонах разделяемая среда  поступает под избыточным давлением 0,2...0,4 МПа и выше. Вращательное движение среды создается вследствие ее тангенциального  ввода в гидроциклон. Напорные гидроциклоны обычно имеют небольшие размеры  и используются для разделения тонкодисперсных суспензий [9].

Рис. 1. Схемы гидроциклонов:

А - цилиндроконического напорного; б - низконапорного; в - прямоточного турбоциклона; г, д - цилиндрических противоточного и прямоточного для разделения эмульсий; е - трехпродуктового; / - исходная суспензия; II - исходная эмульсия; III - осветленная жидкость; IV - сгущенная фаза; V - тяжелая фаза; VI - продукты разделения.

В низконапорных  гидроциклонах разделяемая среда поступает самотеком или под небольшим избыточным давлением, близким к гидростатическому. Низконапорные гидроциклоны имеют габаритные размеры, сопоставимые с размерами цилиндрических вертикальных отстойников. Их применяют для очистки воды от грубодисперсных механических примесей [8].

В турбоциклонах  вращение разделяемой среды обеспечивается встроенной турбинкой.

При больших  расходах разделяемой среды гидроциклоны компонуют в батарейные аппараты (прил. 1). По способу компоновки 
различают батарейные гидроциклоны с блочной и раздельной компоновкой гидроциклонных модулей [9]. Блочные батарейные гидроциклоны, или мультициклоны более компактны, однако размещение модулей в общем блоке затрудняет их обслуживание, ремонт и замену. Батарейные гидроциклоны с раздельной компоновкой модулей обеспечивают более удобное обслуживание каждого модуля (прил. 1).

Конструктивные  особенности гидроциклонов. В традиционном цилиндрокониче - ском гидроциклоне в результате тангенциального ввода исходная смесь закручивается и через периферийную зону I движется винтовым потоком вниз к вершине конуса 3 (рис. 2). При этом часть ее выходит через насадок 5. Основное количество смеси образует внутренний восходящий поток II, поднимается вверх и удаляется из аппарата через сливной патрубок 3.

Рис. 2. Схема движения потоков в цилиндроконическом гидроциклоне

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - сливной патрубок; 4 - входной  патрубок; 5 - песковой насадок; б  - конус, I - периферийный нисходящий  поток; II - внутренний восходящий поток; III - воздушный столб

Обычно  напорные гидроциклоны работают со свободным истечением из сливного патрубка 3 и насадка 5, поэтому во время работы через них подсасывается воздух, который вместе с газом, выделившимся из жидкости, образует вдоль оси зону разрежения III (воздушный столб), существенно влияющую на проходное сечение разгрузочных отверстий [6].

Разделение  фаз с различной плотностью основано на отличии в движении частиц дисперсной фазы под действием центробежных сил. Крупные тяжелые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона, по винтовой траектории перемещаются к шламовому отверстию и выгружаются. Мелкие легкие частицы концентрируются в восходящем потоке, с которым выносятся через патрубок 5.

Условные  буквенно-цифровые обозначения гидроциклонов. Рекомендуются пятизначные обозначения единичных гидроциклонов и семизначные батарейных гидроциклонов. Первые две буквы - тип гидроциклона, третья буква - конструкционный материал; цифры - основные геометрические характеристики аппаратов и номер модели, отражающий специфические конструктивные особенности гидроциклонов. Например, условное обозначение ТВК-40-5-01 означает: единичный аппарат с тангенциальным вводом суспензии (ТВ), выполненный из коррозионно-стойкой стали (К) с внутренним диаметром цилиндрической части, равным 40 мм, и углом конусности 5°, модель 01 [10]. В маркировке батареи гидроциклонов 30-02-ТВК-40-5-01 первая цифра - число элементов в батарее, вторая - модель установки, остальное - характеристика единичного элемент.

3. Устройство аппарата

На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах производится сгущение сточных вод и осадков. Поскольку  объем сгущенного продукта в этих аппаратах может составлять всего 2,5 - 10% начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая операция сгущения дает значительную экономию материальных затрат на строительство  очистных сооружений и участков обработки  осадков. Происходит эффективная отмывка  минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях нефтеперерабатывающих  заводов при обработке песка  из песколовки или при отмывке  песчаной загрузки фильтров при её гидроперегрузке [11].

Напорные гидроциклоны представляют собой аппараты, состоящие из цилиндрической и конической частей (рис. 3). Сточная вода под давлением поступает по тангенциально расположенному вводу в верхнюю часть цилиндра и приобретает вращательное движение. Возникающие центробежные силы перемещают частицы примесей к стенкам аппарата по спиральной траектории вниз к выходному патрубку. Очищенная вода удаляется через верхний патрубок.

Фактор разделения напорных гидроциклонов достигает 2000, что обусловливает их высокую эффективность. Гидроциклоны могут иметь диаметры от 15 до 1000 мм. Для удлинения срока службы внутреннюю поверхность аппаратов футеруют каменным литьем или резиной. Промышленность выпускает различные типы гидроциклонов (УЗГО, НИИХИММАШ, НИЛ ОПСВ ГИСИ). Конструктивные размеры напорных гидроциклонов подбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации и свойств примесей [12].

Рис.3 Напорный гидроциклон:

1 – цилиндрическая часть; 2 –  патрубок для отвода вод; 3- патрубок  для впуска сточных вод; 4 –  коническая часть; 5 – патрубок  для отвода шлама

4. Проектирование аппаратного устройства

Для проектирования сооружений и аппаратов механической очистки должны быть заданы следующие  данные:

- общее количество сточных вод, м/ч;

- температура сточных вод, °С;

- периодичность образования сточных вод;

- тяжелые механические примеси, мг/л;

- нефтепродукты, масла, мг/л;

- плотность тяжелых и легких загрязнений, г/см; кинетика осаждения механических процессах тяжелее и легче поды, при их расчетной концентрации в исходной воде;

-  требуемая степень очистки (%) или допустимое содержание загрязнений легче и тяжелее воды, мг/л;

- гидравлическая крупность частиц, тяжелее и легче воды, которую необходимо выделить для обеспечения требуемой степени очистки, мм/с [5].

Основной  расчетной величиной напорных гидроциклонов (рис. 4-6) является удельная гидравлическая нагрузка, которая определяется по формуле СНиП 2.04.03-85 [5].

Величину  конструктивных параметров (D_hcb_cn и т.д.), входящих в расчетные зависимости, следует назначать по табл. 4. Производительность одного аппарата рассчитывается по формуле СНиП 2.0.1 03-85 [5].

  ………………………… (1)

Исходя  из общего количества сточных вод Qw определяется количество рабочих единиц гидроциклонов: N = Q_W/Q_hc. После назначения диаметра аппарата и определения их количества по табл. 4 определяются основные параметры гидроциклона.

Угол  наклона образующей конических диафрагм в открытых гидроциклонах в каждом конкретном случае должен задаваться в зависимости от свойств выделяемого  осадка, но не менее 45°. Диафрагмы в  открытых гидроциклонах могут быть выполнены как из стали, так и из неметаллических материалов: ткань, пластик и т. д. [6].

В распределительном  канале пропорционального водораспределительного устройства многоярусного гидроциклона скорость восходящего потока должна быть не менее 0,4 м/с.

Рис. 4. Схемы открытых гидроциклонов

а - без внутренних вставок; б - с конической диафрагмой; в - с конической диафрагмой и внутренним цилиндром

Рис. 5. Схема многоярусного гидроциклона с центральными выпусками

(с периферийным отбором очищенной воды)

Таблица 1

Типы гидроциклонов и  основные параметры узлов

* Над чертой показан  размер нижней диафрагмы пары  ярусов, под чертой - верхней.

При расположении гидроциклонов над  поверхностью земли и удалении осадка под гидравлическим напором, отвод  осадка производится с разрывом струн  через коническую насадку, присоединенную к шламовому патрубку через задвижку. Диаметр шламовой насадки подбирается  при наладке сооружения. Для предупреждения засорения насадки крупными загрязнениями  перед ней, но после задвижки, устанавливается  камера, в которой располагается  решетка, набранная из металлической полоски с прозорами 6-8 мм [6].

Для равномерного распределения воды между гидроциклонами их водосливные кромки должны располагаться  на одной отметке, а на подводящих трубопроводах должны быть установлены водоизмерительные устройства [5].

4.1. Проектирование напорных  гидроциклонов

Посредством напорных гидроциклонов успешно  решаются следующие технологические  задачи, осветление сточных вод, например стекольных заводов, автохозяйств (удаление песка, глины и других минеральных  компонентов), литейных производств (удаление компонентов формовочной земли), нефтепромыслов (удаление нефтепродуктов и шлама), мясокомбинатов (удаление частиц минерального происхождения) и т. д.[13].

Обогащение  твердой фазы стоков (удаление из твердой  фазы частиц минерального или органическою происхождения, снижающих ценность основного продукта). Например, обогащение твердой фазы сточных вод галтовочных  барабанов, в которых содержится ценный карборундовый порошок и  отходы процесса шлифовки керамики, с  обеспечением повторного использования  порошка карборунда в процессе шлифовки.

Для обезвоживания  сырых осадков при использовании  тисковых центрифуг напорные гидроциклоны надлежит применять для предварительного удаления абразивных частиц твердой  фазы осадка, обеспечивающего защиту центрифуг от абразивного износа.

Удаление  из известкового молока инертных примесей (частиц песка, необожженного известняка) позволяет повысить надежность работы дозаторов, реакторов, контрольно-измерительной  аппаратуры.

Классификация частиц твердой фазы сточных вод: разделение частиц на фракции с различной  крупностью. Например, классификация  частиц твердой фазы сточных фаз  литейных производств с повторным  использованием отдельных фракций  в технологическом процессе [14].

Процесс классификации реализуется с  использованием нескольких ступеней разделения в напорных гидроциклонах с получением на каждой ступени фракций с определенными  размерами частиц.

На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах  производится сгущение сточных вод  и осадков. Учитывая то, что объем  сгущенного продукта в напорных гидроциклонах  может составлять всего 2,5-10 % начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая  операция сгущения может обеспечить значительную экономию материальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков. При  этом происходит эффективная отмывка  минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях НПЗ при  обработке песка, выгружаемого из песколовки гидроэлеваторами, или при отмывке песчаной загрузки фильтров при ее гидроперегрузке [4].

В зависимости  от расположения напорных гидроциклонов  в технологическом процессе и  схемы их обвязки могут иметь место четыре гидродинамических режима работы [14]:

- при  свободном истечении верхнего  и нижнего продуктов в атмосферу:

Р_вх = Р_а; Р_шл = Р_а;……………………………...(2)

- при  наличии противодавления со стороны  сливного трубопровода и свободном  истечении шлама: Р_вх>Р_а; Р_шл = Р_а;……………………………..(3)

- при противодавлении со стороны спинного и шламового трубопроводов:

Р_вх>Р_а; Р_шл>Р_а;………………………………(4)

Режимы  работы гидроциклонов учитываются  при расчете конструктивных и  технологических параметров.

Одной из важных особенностей напорных гидроциклонов  является сильная корреляция производительности и эффективности разделения суспензий  с основными конструктивными  и технологическими параметрами аппаратов (рис. 7).

Наибольшие  значения коэффициентов корреляции имеют следующие параметры: диаметр  цилиндрической части гидроциклона D_hс площадь питающего патрубка F_en, диаметры сливного и шламового патрубков d_вx, d_шл; высота цилиндрической части Н_ц, угол конусности конической части , перепад давления в гидроциклоне Р = Р_cn-Р_сx, концентрации суспензии на входе в гидроциклон С_сn, размеры и плотность частиц твердой фазы суспензии d_{cp T} [6].

Основные  размеры напорного гидроциклона подбираются по данным заводов изготовителей  при этом должны учитываться: диаметр питающего d_еn и сливного d_ех патрубков должны отвечать соотношениям d_еn/d_ex = 0,5-1;d_en/D_hc = 0,12-0,4;

где - толщина стенки сливного патрубка; d_шл - диаметр шламового патрубка назначается из соотношения d_шл/d_eх = 0,2-1,0 (для предупреждения засорения шламового патрубка его минимальный диаметр должен в 6-8 раз превышать максимальный размер частиц загрязнений); Н_ц - высота цилиндрической части для гидроциклонов осветлителей должна приниматься: Н_ц = (2-4)D_hс, для гидроциклонов сгустителей: Н_ц = (1-2)D_hс.

Угол  конусности конической части следует принимать для гидроциклонов осветлителей 5-15°, для гидроциклонов сгустителей - 20-45°.

В зависимости  от особенностей решаемых технологических  задач могут применяться двух продуктовые (см. рис. 7) и многопродуктовые (рис. 11 приложение 6) напорные гидроциклоны. В последнем случае аппараты имеют несколько сливных трубопроводов, отводящих целевые продукты из различных зон восходящего вихревого потока гидроциклонов. Такие конструкции аппаратов как правило, применяются при разделении многофазных сред [5].

За последние  годы в ряде отраслей промышленности широко внедряются мультигидроциклоны - монолитные или сборные блочные конструкции, включающие десятки или сотни единичных напорных гидроциклонов, имеющих единые питающие, сливные и шламовые камеры. Путем создания мультигидроциклонов успешно реализуется возможность промышленного применения высокоэффективных двухпродуктовых и многопродуктовых напорных гидроциклонов с малым диаметром цилиндрической части от 8 до 75 мм.

Для выделения  из сточных вод частиц механических загрязнении крупностью = 50-100 мкм (табл. 5) рекомендуются конструкции напорных гидроциклонов малых диаметров, выпускаемых Усолье-Сибирским заводом горного оборудования.

Длина выделения  из сточных вод мелкодисперсных  механических примесей и сгущения осадка - гидроциклоны опытно-экспериментального завода (табл. 2).

Таблица 2

Технические параметры  узлов и деталей