Промышленные электрофильтры

Федеральное агентство по образованию 

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 

( ТУСУР) 
 

Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга (РЭТЭМ) 
 
 

Промышленные  электрофильтры 
 

Курсовая  работа по дисциплине

«Системы защиты среды обитания» 
 
 

                                                                                                             Выполнил

                                                                                                    Студент  гр.228

   __________Летягин А. В.

Руководитель  работы  доцент каф. РЭТЭМ

                                                                                _________Е. Г. Незнамова 
 

Томск-2010

                                          Содержание

1. Место пенных пылеуловителей в общих схемах очистки воздуха.
2. Краткие характеристики основных обеспылевающих устроиств.
3. Характеристика пенного пылеуловителя.
4. Расчет пенного пылеуловителя.
5. Выводы.

      Введение 

Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятель-

ности людей сопровождаются выделением в воздух помещений и  в атмосферный воздух различных  веществ, загрязняющих воздушную среду. В воздух поступают аэрозольные частицы (пыль, дым, туман), газы, пары, а также микроорганизмы и радиоактивные вещества.

На современном  этапе для большинства промышленных предприятий

очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна. Благодаря очистке выбросов перед их поступлением в атмосферу предотвращается загрязнение атмосферного воздуха. Очистка воздуха имеет важнейшее санитарно-гигиеническое, экологическое и экономическое значение. Этап пылеочистки занимает промежуточное место в комплексе «охрана труда — охрана окружающей среды». В принципе пылеулавливание при правильной организации решает проблему обеспечения нормативов предельно-допустимых концентраций (ПДК) в воздухе рабочей зоны. Однако все вредности через систему пылеулавливания при отсутствии системы пылеочистки выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее. Поэтому этап пылеочистки следует считать неотъемлемой частью системы борьбы с пылью промышленного предприятия.

     Цель  данной работы – изучить принцип работы пылеуловителя. Рассказать о способе очистки воздуха от пыли при помощи пенного пылеуловителя. В работе приводятся необходимые сведения по устройству и расчету типового пенного пылеуловителя. Изложение материала сопровождается примером расчета, который облегчает усвоение теоретических вопросов. 

1. Место пенных пылеуловителей в общих схемах очистки воздуха.

   Область применения четко не очерчена. Используется для  теплообмена, улавливания пыли и  абсорбции газов (паров); успешно  используется также для тумано-улавливания. Наибольшее число решеток применяется  для теплообмена,  для пылеулавливания  достаточно одной. 

2. Краткие характеристики основных обеспылевающих устроиств.

     По  принципу действия обеспыливающие устройства можно разделить на четыре группы: гравитационные пылеуловители,  инерционные пылеуловители (сухие и мокрые), пылеуловители и фильтры контактного действия и электрические пылеуловители и фильтры.

                 Гравитационные  пылеуловители.

В гравитационных пылеуловителях выделение взвешенных частиц из газообразной среды происходит главным образом под действием силы тяжести.       

     Размеры полых пылеосадочных камер определяют, исходя из заданного расхода газа и минимального седиментационного  диаметра частиц пыли, которые вместе с более крупными частицами должны выпасть из потока. Соотношение длинны и высоты камеры находят из соотношения  скорости газа и седиментационного  скорости частицы:  

                             s/r=H/l                                        (2,1) 

  где s – скорость газа, r – седиментационная скорость частицы.

     Ширину  камеры b определяют, исходя из принятых в расчете скорости газа, высоты камеры Н и заданного расхода газа l :

     b= l/H                                       (2,2)

     Из  соотношения (2.1) видно, что чем меньше скорость газа и высота камеры и больше ее длина, тем меньшую скорость оседания можно получить, т.е. тем более мелкие частицы пыли можно выделить из запыленного потока.

                Рис. 2,1 – Гравитационный пылеуловитель.

     Резкое  снижение высоты оседания дают так  называемые полочные камеры. Для удобства сбора пыли полки делают наклонными; по оси камеры расположен шнек для  выгрузки осевшей пыли. Для более  эффективного удаления пыли с наклонных  полок применяют вибраторы или  другие стряхивающие устройства периодического действия а для горизонтальных можно  применять механизм, периодически наклоняющий  их к центру бункера. При конструировании  пылеосадочной камеры весьма важно  обеспечить равномерный подвод запыленного  газа. Для этой цели устанавливают  газораспределительные решетки  или применяют диффузоры с  рассечками, располагая их под углом 10-12 друг к другу. Недостатками пылеосадочных  камер по сравнению с другими  пылеулавливающими устройствами являются их большой объем и малая эффективность, а преимуществами - малое гидравлическое сопротивление, простота и надежность конструкции и возможность удалять из газового потока фракции крупных частиц, обладающих повышенной абразивностью. Благодаря этому целесообразно использовать их в качестве первой ступени очистки перед более эффективными пылеуловителями.

                             Инерционные пылеуловители. 

               Рис. 2.2 – виды инерционных пылеуловителей. 

     Действие  инерционного пылеуловителя основано на том, что при изменении направления движения потока газа, частицы пыли под действием сил инерции отклоняются от линий тока и сепарируются из потока. К инерционным пылеуловителям относится ряд достаточно широко применяемых аппаратов, таких как: пылеотделитель ИП, жалюзийный пылеуловитель ВТИ и т. д. Инерционные пылеуловители улавливают, в основном, крупную пыль – диаметром частиц 20 – 30 мкм и более, и их эффективность находится в пределах 60 – 95 %. Точное значение эффективности зависит от многих факторов: дисперсности пыли, плотности пыли, скорости воздушного потока, конструкции пылеулавливающего аппарата и др. По этой причине инерционные аппараты применяют обычно на первой (предварительной) стадии очистки, с последующим обеспылеванием газа в более совершенных аппаратах.

     Преимуществом такого рода пылеуловителей является простота устройства и, как следствие, невысокая стоимость аппарата и легкость обслуживания.

          Пылеуловители и фильтры контактного действия.

     Пылеуловители и фильтры контактного действия задерживают пылевые частицы  при пропускании запыленного  воздуха через сухие или смоченные  пористые материалы: ткань, слой синтетических  волокон, бумагу, проволочную сетку, слои зернистых материалов, керамических и металлических колец и т.п. Фильтры данного типа широко используются во всех областях. Более 70% всех производимых и используемых обеспыливающих устройств именного этого типа. Все вентиляционные аппараты используемые для общественных и жилых зданий оборудованы такими фильтрами. 

Рис 2.3 - Фильтр-пылеуловитель в системе вентиляции Swegon GOLD

                         Электрические пылеуловители  и фильтры.

     Электрические пылеуловители и фильтры очищают  воздух от взвешенных в нем частиц (пыль, туман и дым) путем ионизации  их при прохождении через электрическое  поле. Фильтры такого типа также  называются фотокаталитическими. В  блоке фотокаталитической очистки  проходит процесс фотокатализа и  все газофазные загрязнители воздуха (неприятные запахи, токсичные газы, аллергены и т.д) адсорбируются  на поверхности фотокатализатора и  под действием ультрафиолетового  излучения разлагаются до безвредных составляющих (до углекислого газа и воды). В процессе работы загрязнители не накапливаются на фильтре, а полностью  разлагаются. Фильтры данного типа для общественных и жилых зданий используются при особых требованиях  по локализации различных запахов, табачного дыма и других летучих  веществ.

Рис. 3.3 - Электрические пылеуловители  и фильтры для  фотокаталитической очистки. 

     Применение  в системах вентиляции фильтров подобного  типа позволяет понизить содержание дыма внутри помещений. 
 

     3. Характеристика пенного  пылеуловителя.

     Пылеуловители — устройства, предназ-ые для очистки  от пыли вентиляционного воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

     Пенные  пылеуловители представляют собой  аппараты, корпус которых разделен решеткой с равномерно расположенными мелкими отверстиями (рис. 1.1). Запыленный поток поступает под решетку, очищенный удаляется из верхней части корпуса. Вода поступает на решетку сверху. В зависимости от конструкции пылеуловителя, вода, с поверхности решетки отводится через отверстия в ней и частично через слив, либо только через отверстия. Диаметр отверстий в решетке 3…8 мм. Живое сечение 0,15…0,25 м2/м2.

Пенные аппараты относятся  к низконапорным пылеуловителям, это одно из больших преимуществ данных аппаратов перед другими конструкциями. По способу отвода жидкости с решетки их подразделяют на два основных типа: с переливными решетками и с провальными решетками. Аппараты с переливными решетками не нашли широкого распространения, так как наблюдается зарастание решетки в ходе процесса пылеулавливания. Большее распространение получили аппараты второго типа.

Рис. 3,1. Схемы пенных пылеуловителей:

     а - пенный пылеуловитель с провальной тарелкой: 1 - корпус;

2 - оросительное устройство; 3 - тарелка;

     б - пенный пылеуловитель с переливной тарелкой: 1 - корпус; 2 - тарелка; 3 - приемная коробка; 4 - порог; 5 - сливная коробка.

Для очистки газов  чаще всего используются провальные щелевые и дырчатые тарелки. Диаметр отверстий дырчатых тарелок принимают в пределах 3...8мм, а относительное свободное сечение (отношение площади отверстий к площади тарелки) f св = 0,15...0,25.

Отверстия разбиты по равностороннему треугольнику. Шаг между отверстиями δ определяют из соотношения: 

где d0 – диаметр отверстия, м.

     Щелевые тарелки могут выполняться решетчатыми, трубчатыми или колосниковыми. Трубчатые  и колосниковые конструкции изготавливают сварными из трубок, прутков или пластин. Ширину щели в тарелке b принимают 4...5мм, свободное сечение f св - (0,2...0,25). Оптимальная толщина дырчатых и щелевых тарелок 4...6мм. Удельное орошение для очистки газов от пыли принимают в пределах 0,4...0,6 литров на 1 м³ газов.

     Для создания устойчивого пенного слоя на решетке необходимо поддерживать скорость газа в свободном сечении аппарата в пределах 0,8…2,2м/с, при этом минимальная скорость газов, необходимая для создания устойчивого пенного режима на тарелке, составляет порядка 1 м/с. В новейших пенных аппаратах с провальными решетками применяют так называемые стабилизаторы пенного слоя, что позволяет повысить скорость газа до 4 м/с.

На рис. 1.2 приведен общий вид пенного аппарата со стабилизатором

слоя (ПАСС). В качестве стабилизатора рекомендуется использовать сотовую решетку высотой hст = 60 мм с ячейками размером от 35×35 до 45×45мм.

     Рис. 3,2. Пенный аппарат ПАСС со стабилизатором слоя пены:

1 – корпус; 2 – провальная  тарелка; 3 – стабилизатор  пены; 4 – ороситель; 5 – брызгоуловитель.

     На  рис. 3.3 приведены зависимости высоты слоя пены от скорости движения газа в свободном сечении аппарата. Из графиков видно, что стабилизатор позволяет увеличить высоту слоя почти в 2,5 раза во всем диапазоне скоростей.

     Решетки промышленных аппаратов ПАСС могут  быть дырчатыми с отверстиями величиной d0 =5...8мм и живым сечением от 14 до 22%, а также трубчатыми с трубами диаметром 20…32мм и промежутками между ними d т = 3,0...6,5мм при живом сечении                S 0=13,0...18,2 %. Аппараты с трубчатыми решетками обозначаются ПАСС-Т, а с дырчатыми - ПАСС-Д. Разработан нормализованный ряд аппаратов ПАСС с корпусами круглого сечения на расход газа             V = 2,5…64 тыс. м³/ч.

Рис. 3,3. Зависимость высоты слоя пены от скорости газа в

аппарате  без стабилизатора (1) и со стабилизатором (2). 

     Расчет  гидравлического сопротивления  пенных аппаратов со стабилизатором слоя может быть проведен по зависимости: 

     ΔPобщ=ΔPp+ΔPп+ΔPσ+ΔPa      (3,2) 

где ΔPp, ΔPп, ΔPσ, ΔPa - потери напора соответственно сухой решетки, слоя пены, за счет сил поверхностного натяжения, корпуса аппарата.

Величина p ΔP (в Па) может быть найдена по формуле: 

     ΔP_р ≈1,82(υ_г⁰)²р_г/2                                             (3,3) 

где υ_г⁰ - скорость газа в отверстиях решетки, м/с.

                                                                                                   Таблица1 

     Потеря  напора (в Па) за счет слоя пены на решетке: 

     ΔPп=0,447Н_п ρ_ж g/( υ_г⁰)^0,5                 (3,4) 

где H_п - высота слоя пены, м; ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;               υ_г⁰ – скорость газа в отверстиях решетки, м/с.

В уравнении (1.3) высота слоя пены (мм) может быть найдена по за-

висимости: 

Н_п=4,8 υ_г^0,79 m^0,2/(d₀^0,14S₀^1,9),                      (3,5) 

где т - плотность орошения, л/м³ газа; d₀ - диаметр отверстий решетки, мм; S₀ - относительная площадь свободного сечения решетки, м²/м².

     Потерю  напора (в Па) под действием сил  поверхностного натяжения рассчитывают по формуле: 

     ΔP_σ =4σ/ d₀                                             (3,6) 

где σ - коэффициент поверхностного натяжения, н/м.

     Гидравлическое  сопротивление корпуса аппарата рассчитывают по зависимости: 

     ΔP_а = ξ_а υ_г²ρ_г/2,                (3,7) 

где ξ_а = 25...28 - коэффициент гидравлического сопротивления корпуса аппарата.

Степень фракционной  очистки (в %) может быть рассчитана по зави-

симости: 

η_ф=1001-87,1(1,37-d_т^0,1)/(Н_п^0,9 υ_г^0,25) 

где т d - средний эквивалентный размер частиц фракции, мкм; п H - высота

слоя пены, мм; г

υ - скорость газа в сечении аппарата, м/с.

Общую степень очистки  следует определять по уравнению  (1,8). 

ε= δ₁ ε_ф1+ δ₂ ε_ф2+…+ δ_n ε_фn     (3,8) 

4. Расчет пенного пылеуловителя

     Рассчитать  пенный аппарат для очистки технологических

газов, удаляемых после  сушилки с кипящим слоем и  содержащих фосфоритовую пыль. Общий  расход газа 20 000 м3/ч, температура газа 75°С, температура орошающей воды 25°С, начальная концентрация пыли 2 г/м3, дисперсный состав пыли dч: 

     Принимаем за базовую конструкцию аппарат  типа ПАСС, а скорость газа в сечении аппарата из условий устойчивости слоя пены υ_г⁰=3м/с.

     Площадь сечения корпуса аппарата 

S =V/(3600 υ_г⁰)=20000/(3600*3)=1,85 м². 

     Диаметр корпуса аппарата 

D₀=(4S/π)^0,5= (4*1,85*3,14)^0,5=1,54м. 

Примем действительный диаметр корпуса равным 1500 мм, тогда  дей-

ствительная скорость газа в сечении аппарата 

υ_г= υ_г⁰ D₀²/ D²=3*1,54²/1,5²=3,15м/с.

Расход жидкости принимаем  с учетом оптимальной работы аппарата

при плотности орошения L₀=1м³/(м²ч): 

         L_ж= L₀ S _д=1*1,77=1,77м³/ч 

где S _д=0,785 D _д=1,77м² .

     Живое сечение дырчатой решетки S p вычисляем при высоте слоя пены 100 мм, диаметре отверстий 5 мм и плотности жидкости 1000 кг/м³. 

     S_p=1,37 υ _г^0,458 L₀^0,152/(H_п^0,61d₀^0.085ρ_ж^0,61)=

=1,37*3,15^0,48*1^0,152/(0,1^0,61*0,005^0,085*1000^0,61)=0,21. 

Проверяем действительную высоту слоя пены по уравнению (1,5) 

Н_п=4,8*3,15^0,79*0,05^0,2/(5*10^-3)^0,14*0,21^1,9)=101мм, 

где m=L₀/V_г  1000/20000=0,05л/м³.

Шаг между отверстиями  в случае ромбической разбивки 

     l=d_0m(0.91/S₀)^0.5= 0,005(0.91/S₀)^0.5=10мм 

     Полное  гидравлическое сопротивление аппарата: 

         ΔP=ΔPp+ΔPп+ΔPσ+ΔPa , 

Где ΔPp, ΔPп, ΔPσ, ΔPa определяются по формулам (1,3), (1,4), (1,6) и (1,7). 

     ΔP_р ≈1,82*3,15²*1,02/(0,21*2)=49,3 Па; 

     ΔP_п= 0,447*0,101*1000*9,81*(3,15 0,21)=114 Па; 

     ΔP_σ= 4*6,3*10^-2/(5*10^-3)=50,4 Па; 

     ΔP_a=27*3,15²*1,02/2=137 Па; 

     ΔP = 43,9+114+50,4+137 =345 Па. 

Фосфоритовая  пыль гидрофобна, поэтому  степень фракционной  очистки определяем по формуле для  плохо смачиваемых  пылей: 

η_ф=100(1-87,1*(1,37-d_т^0,1)/(Н_п^0,9 υ_г^0,25)).

В результате вычислений получаем следующие фракционные  степени

очистки при Н_п=101мм и d_ср=d_т1+d_т2)/2

     Общая степень очистки: 

η=(79,34*24+89,32*26+93,96*17+97,46*6+100*13+100*14)/100=90,6%. 

     Остаточная  концентрация пыли в газе на выходе из аппарата 

     c_вых=с_z(100- η)/100=2(100-90,6)/100=0,188г/м³. 
 
 
 
 

     Выводы.

      Судя по полученному результату, степень очистки технологических газов в пенном аппарате не слишком высока и практически одинакова со степенью их очистки в высокоэффективном циклоне. Ввиду общего недостатка всех мокрых способов очистки - образования загрязненных стоков, применение циклона более целесообразно.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                        Литература

1. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты ок-

    ружающей среды. – М.: Химия, 1989.

2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы

    экологической безопасности

   (Основы энвайронменталистики).-Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой,2000

3. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. В 3-х т. Т.1. –

    Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2003.

5. Тимонин А.С. Основы расчета и конструирования химико-

    технологического  и природоохранного оборудования:

    Справочник: В 3 т. Т.2. Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2002.