Защита атмосферы

Введение

Промышленное производство и другие виды деятельности 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 решат проблему обеспечения нормативов предельно – допустимых концентраций (ПДК) в воздухе рабочей зоны. Однако вся вредность через систему пылеулавливания при отсутствии системы пылеочистки выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее. Поэтому этап пылеочистки следует неотъемлемой частью системы борьбы с пылью промышленного предприятия.

В данном курсовом проекте  проводится расчет оборудования для  сухих методов очистки. В качестве оборудования для сухих методов  очистки используют циклоны, тканевые фильтры, электрофильтры, ректификационные колонны.

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет циклонов

Задание: Подобрать пылеуловитель  первой степени очистки с эффективностью улавливания 90% при следующих исходных данных.

Источник пылегазового выброса  – вращающаяся печь обжига цементного клинкера. Уловленный материал в сухом  виде возвращается в печь обжига. Пыль имеет следующий дисперсный состав:

δч,мкм	5	10	20	30	40	60	80	100
R(δ),%	0,7408	0,9188	0,3011	0,1652	0,0907	0,0273	0,0082	0,0024

Плотность пыли ρ_п = 3200 кг/м³, температура газа t _г = 350ºС , вязкость газа μ _г = 3,3·10^-6 Па ·с , расход газа при температуре t_г = 350ºС  V_г = 0,83 м³/с, цена электроэнергии Ц _э = 0,016 руб/кВт · ч ,нормативный коэффициент окупаемости Е _н = 0,17, коэффициент цеховых расходов К _{ц. р.} = 0,07 сопротивление аппарата Δр < 700 Па.

Для построения кривой приведения выбираем из зерновых характеристик  эталонных пылей η₃₀: 0,5; 0,65; 0,8 и рассчитываем суммарную степень очистки по формуле:

                      Ƞ = ƞ_δ1 ƒ(δ₁)+ ƞ_δ2 ƒ(δ₂)+…+ ƞ_δn ƒ(δ_n),                  (1.1)

Учитывая фракционный  состав при  ƞ₃₀ =0,50 в новых градациях по уравнению (1.1), получаем

Ƞ₁=0,07·0,7408 + 0,23·0,5488 + 0,5·0,33011 + 0,67·0,1652 + 0,77·0,0907 + + 0,88·0,0273 + 0,93·0,0082 + 0,96·0,0024 = 0,5430

Для ƞ₁= 0,5430 по формуле (1.2) находим, учитывая абсолютные значения величин.

А(а) = 2ƞ_н -1 (1.2)

А₁ = 2·0,5430-1= 0,086; а₁ = 0,13

 

Учитывая поправку К_n , которая находится по формуле:

                       

 

 

 

 

Определяем новое значение а = 0,13 - (-0,9867)= 1.1167.

С учетом поправки находим  окончательную величину ƞ по

Формуле , где А(а) = 0,73:

 

Ƞ =

Ƞ₁ = = 0,865

При  ƞ_{30 =} 0,65 получаем:

Ƞ₂=0,14_·0,7408 + 0,36·0,5488 + 0,065·0,3011 + 0,79 ·0,1652 + 0,87·0,0907 + +0,94·0,0237 + 0,97·0,0082 + 0,98·0,0024 = 0,5661

Для ƞ₂ =0,6121 по формуле (1.2) находим, учитывая абсолютные значения величин.

А₂ = 2 · 0,5661 - 1=0,1322; а₂ = 0.18

Учитывая поправку К_n новое значение а=0,18 – (-0,9867) = 1.1667.

Исправленное значение ƞ₂, где А(а) = 0,75, будет ƞ₂₌ = 0,875.

При ƞ₃₀ = 0,80 аналогично вышеизложенному имеем:

Ƞ₃=0,25·0,7408 + 0,53·0,5488 + 0,8·0,3011 + 0,89·0,1652 + 0,94·0,0907 +           + 0,97·0,0273 + 0,99·0,0082 + 0,99·0,00024=0,9861. 

А₃ (а) = 2·0,9861 -1=0,9722, а₃ = 2,25;

с учетом поправки а = 2,55- (-0,9867) = 3,2367 
А(а) = 0,1, ƞ₃₌

Таким образом, трем значениям  ƞ₃₀  соответствует три значения полных КПД:

 

Ƞ30	0,5	0,65	0,80
Ƞi	0,865	0,875	1

По трем точкам строим кривую, по которой находим, что для достижения заданной эффективности в 90% нужно подобрать циклон, который имел бы Ƞ₃₀ = 0,95.

По графику зависимости (рис.1.1) определяем искомые варианты типов циклонов и τ_y:

марка циклона	ЦН - 15	ЦН – 15у	ЦН - 24
τy	0,30	0,25	0,4

Из полученного набора, обеспечивающего технологическое  решение поставленной задачи, необходимо выбрать вариант, обладающий минимальными приведенными затратами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис.1.1, линия приведения

Эксплуатационный коэффициент  при плотности газа   
ρ_г = 1,293·273/(350+273) = 0,56 кг/м³ по формуле, одинаковый для всех типов циклонов.

К_э = 

 

и равен К_э = = 37,94.

С целью предотвращения конденсации  паров в аппарате принимаем толщину  теплоизоляции 100 мм и рассматриваем каждый тип аппарата из полученного набора.

Определяем конструктивный  коэффициент циклона ЦН-15 по усредненному значению коэффициента капитальных затрат получается:      ξ = 155.

К_ц  = = = 7,277.

Оптимальный диаметр циклона  равен:

D_опт = 0,49·τ_г·   =0,49·0,3·= 0,95 ≈ 1 м

 
 Скорость газа в циклоне  вычисляем:

ω_г =   = = 3,3 м/с

и число циклонов в установке:

z= = = 1,15 шт  ≈ 2 шт.

Принимаем одну группу из одного циклона. Тогда приведенные затраты  для группы из двух циклонов составит:

 

ПЗ = =

 

= руб/год

 

Для циклона ЦН – 15у

ξ = 165, К_ц = = 6,0364,

D_опт = 0,49·0,4· = 0,74 м ≈ 0,8 м

При D = 0,8 м, ω_г = = 2,96 м/с,

z = = 2,017 шт ≈ 2 шт.

 
   ПЗ = руб/год

Для аппарата ЦН-24

ξ = 75, К_ц = = 15,24,

D_опт = 0,49·0,4· = 1,63 м ≈ 2 м

В этом случае:

ω_г = = 5 м/с

z = = 0,19 шт ≈ 1 шт

Одна группы из одного циклона  диаметром 1000 мм будет иметь приведенные затраты в сумме:

ПЗ = = 560,7 руб/год

Из сравнении приведенных затрат следует, что заданные условия с эффективностью улавливания в 90% целесообразно использовать одну группу циклона ЦН - 24    диаметром 2 м, при том гидравлическое сопротивление группы циклонов по формуле (1.3) составит  418,44 Па.

                                   (1.3)

 

 

1.2 Графическая часть

Чертеж циклон ЦН - 24 предоставлен в Приложении (КП 280202.004)

 

 

 

 

 

2. Расчет  тканевых фильтров

Задание: выбрать пылеулавливающий аппарат по исходным данным: расход газа V_о.г. = 3· 10³ м/ч, температура газа t_г = 350°С, концентрация твердой фазы в газе X_н = 40 г/м³.

Учитывая высокую дисперсность частиц, большую их концентрацию в  газе и степень очистки, целесообразно  применить многоступенчатую установку  с рукавным фильтром.

Учитывая неагрессивность газов, принимаем фильтровальную ткань (лавсан с начесом), допускающую максимальную температур t_г=130̊ С.

Расход газа на входе в  фильтр, разрешение в котором р= 500Па, составит

V_г= м³/с

Расход подсасываемого воздуха, который обеспечивает снижение температуры газа от 450 до 100̊ С по формуле:

 

                                                    V_п.в.=                                                          (2.1)

будет равен V_п.в. = 1,13·0,47· м³/с

Здесь   _,47 – отношение плотностей  
 
горячего газа и подсасываемого воздуха. 
 Расход воздуха, подаваемого на продувку, примем

 м³/с

Расходная площадь поверхности  фильтрации при ω_г = 0,008 м³/ (м²·с ) 
находится по формуле

 

                                                                                           (2.2)

 м²

Примем предварительно фильтр марки ФРКДИ - 550 с основными параметрами: F = 550 м, z = 216, n= 1. Тогда количество рукавов, участвующих в продувке будет составлять z = 0,15·216 = 33

Общая площадь поверхности  фильтра находится по формуле:

                                           F=F_ф·Z/ ( Z-Z_пр )                                      (2.3)

И составит F= 375,75·216/(216-33) = 440 м²

Следовательно, выбранный  фильтр имеет достаточную общую  площадь поверхности фильтрации. Расход пыли перед первой ступенью равен

G_н1=X_н·V_о.г.= 40·0,83=33,2 г/с

Количество твердой фазы, поступающей с газом в рукавный фильтр при степени очистки в первой ступени ƞ₁ =90 составит

G_н2 = G_н1·( 1-ƞ₁ )= 33,2·(1-0,9) = 3,32 г/с.

Площадь поверхности фильтрации по допустимым условиям запыленности ткани, согласно неравенству  , равна  
F_ф =3,32/0,2= 166 м², что значительно меньше ранее выбранной площади поверхности фильтрации. Таким образом, фильтр марки ФРНДИ- 550 соответствует заданным условиям.

 

2.2  Графическая часть

Чертеж тканевого фильтра  ФРКДИ - 550 общей площади поверхности  фильтра F = 550 м² представлен в Приложении ( КП 280202.004 )

 

 

 

3. Расчет  электрофильтра

Задание: выбрать аппарат  для улавливания сухой неагрессивной  пыли при следующих исходных данных: концентрация частиц при нормальных условиях X_н= 40 г/м³, разрешение в системе р=1500 Па, объемный расход газа V_о.г.= 3·10³ м³/ч, температура отходящего газа t_г = 150̊ C, вязкость газа при 150̊ C μ_г= 3,3·10^-5 Па·с, степень очистки не ниже ƞ= 0,9.

Для очистки  газа с большим  содержанием (13%) частиц размером от 5 до 50 мкм и требуемой высокой степени очистки в соответствии с таблицей из всех пылеуловителей выбираем электрофильтр.

Объем газа, поступающего на очистку при температуре 150̊ C, составит

 м³/с

При принятой скорости газа в аппарате ω_о= 1м/с площадь сечения активной зоны составит

 м²

Такую площадь сечения  активной зоны могут обеспечивать фильтры УГМ 2-3,5, С-3,5, ШМК-2.

Рассчитываем расход энергии, потребляемой каждым из указанных выше фильтров по формуле:

                                                                                                          (3.1)

Для фильтра типа УГМ2-3,5

кВт;

Для фильтра типа С-3,5

кВт;

Для фильтра типа ШМК-2

кВт

Руководствуясь минимальными затратами электроэнергии, выбираем для последующего расчета фильтр марки УГМ 2-3,5 имеющий следующие параметры: дли осадительных пластин L=2,5 м, расстояние между пластинами b = 0,3 м, расстояние между коронирующими электродами l=0,25м, радиус коронирующего электрода R₁=1,5·10^-3.

Относительная плотность  газа равна 

 

Критическая напряженность  поля рассчитывается по формуле 

 

Критической напряжение короны составит

 

Линейная плотность тока короны при  

и принятом κ= 2,10·10^-4 м²/В·с вычисляется по формуле

 

Напряженность электрического поля находится по зависимости

 

где  – электрическая постоянная.

Скорость дрейфа частиц диаметром  от 5 до 60 мкм рассчитывается по формуле

                             (3.2)

 
ω_ч (5) = 

 

ω_ч (10) =  

 

ω_ч (20) = 

 

ω_ч (30)  = 

 

ω_ч (40) = 

 

ω_ч (60)  = 

Определив предварительно с ,

коэффициент  , дальнейшие результаты вычислений заносим в таблицу.

Степень очистки будет  определятся по формуле:

                                                              (3.3)

  

ƞ(5)=1- exp(-0,00236·16,6  ) = 0,0384

ƞ(10)=1- exp( -0,0047·16,6 ) = 0,0750

ƞ(20)=1- exp( -0,0094·16,6) = 0,144

ƞ(30)=1- exp( -0,14·16,6 ) = 0,902

ƞ(40)=1- exp(-0,18·16,6 ) = 0,949

ƞ(60)=1- exp(-0,28·16,6 ) = 0,9904

Пофракционная степень  очистки

	5	10	20	30	40	60
R	0,7408	0,5488	0,3011	0,1652	0,0907	0,0273
ωг	0,00236	0,0047	0,0094	0,14	0,18	0,28
ηг	0,0384	0,0750	0,144	0,902	0,949	0,9904

 

 

Общая степень очистки  определяется по формуле

                                         (3.4)

ƞ=0,0384·0,7408 + 0,075·0,5488 + 0,144·0,301 + 0,902·0,1652 + 0,949·0,0907 + + 0,9904·0,0273 = 0,3750

Следовательно, требуемую  степень очистки газа при заданных условиях удовлетворяет выбранный  электрофильтр  УГМ 2-3,5 ск.

 

 

3.3 Графическая  часть

Чертеж электрофильтра УГМ  – 2 – 3,5 с помощью активного сечения 3,5 м² представлен в Приложении ( КП 280202.004 )

 

 

 

 

4. Расчет  ректификационной колоны

Задание: рассчитать ректификационную колону с колпачковыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару G_n=22300 кг/ч, нагрузка по жидкости G_ж=19400 кг/ч, плотность паров ρ_п=3,8 кг/м³ плотность жидкости ρ_ж=860 кг/м³, поверхностное натяжение G=0,032 Дж/м² число ступеней изменения концентрации n_ст = 18. Вспениваемость жидкости средняя, давление в колонне атмосферное.

 Предварительно принимает расстояние  между тарелками Н_т=0,6 и коэффициент вспениваемости φ=0,8.

Рассчитав величину комплекса 

 

по рисунку найдем значение С=0,05.

Скорость пара в рабочем сечении  колонны будет равно 

 

Объемный расход пара в  колонне равен

 

Рабочая площадь тарелки  составит

 

По данным таблицы выбираем тарелку типа ТСК-Р для колонны диаметром D=2200 мм. Эта тарелка имеет следующие параметры: периметр слива П=1,606 м, площадь слива F_сл=0,412 м², площадь прохода пара F_р=2,99 м², длина пути жидкости L_ж=1,462 м, количество колпачков m = 141, диаметр колпачка D_к =100 мм. 

В задачу дальнейших гидравлических расходов основных параметров  входит определение высоты сливного порога h_пор, подпора жидкости над сливным порогом h_сл, высота прорезей клапана h_пр и, если необходимо, сопротивление тарелки ∆р.

Величина h_сл рассчитываем предварительно без учета уноса жидкости, тогда

h_сл =0,68(V_ж.д./П)^0,67=0,68(0,006/1,606)^0,67=0,016 м,

где

Для определения высоты сливного порога рассчитываем высоту прорезей в клапанах.

                                              (4.1)

 

Примем клапан с прямоугольными прорезями шириной b=4 мм. Количество прорезей в одном клапане z_кл=26. Общее количество клапанов на тарелке m=141.

При этих данных получим

 

Принимает высоту прорези h_пр=15 мм.

Глубина барботажа при абсолютном давлении (атмосферном)     р=10⁵ Па составит

 

Найдем высоту сливного порога:

 

Высота пены образующейся на тарелке составит

 

Величина относительного уноса жидкости определяется по формуле 

< 0,1

Следовательно,  расстояние между тарелками выбрано правильно.

Действительную нагрузку сливного устройства по жидкости рассчитываем по уравнению

 

Действительная величина подпора жидкости над сливным  порогом 

 

Мало отличается от ранее  рассчитанной h_сл =0,016

Проверим  работоспособность  сливного устройства тарелки. Для этого  рассчитаем скорость жидкости в сливном  устройстве:

 

где F_сл = 0,412 площадь сливного устройства.

В соответствии с зависимостью и данным таблицы комплекс равен

Следовательно, все условия  работоспособности соблюдаются и захлебывания сливного устройства не произойдет.

Скорость жидкости в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана рассчитываем по формуле:

 

Из приведенных расчетов следует. Что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу сливных устройств.

Сопротивление сухой тарелки  определяется по уравнению:

 

где скорость пара в паровых  патрубках равна

 

Коэффициент сопротивления  для клапана диаметром d_к=100мм  составит

 

величина перепада уровня жидкости на тарелке в соотношении  с уравнением

 

Здесь длина пути жидкости на тарелке принята l=0,3м.

Сопротивление слоя жидкости на тарелке рассчитываем по уравнению:

 

Общее сопротивление тарелки  равно 

 

Для окончательного выбора колонны определим количество тарелок  в ней:

 

Здесь величина КПД тарелки  ƞ=0,65 при значении . Общая высота колонны при этом будет равна

Н=(n_n-1)·Н_т+Н_сеп+Н_куб=(21,95-1)·0,6+1+2,5=4,1 м

Таким образом, результаты расчеты  показали, что исходным данным отвечает ректификационная колонна диаметром D= 2200мм, высота Н=4м с колпачковыми тарелками ТСК-Р.

4.2 Графическая  часть

Чертеж ректификационной  колпачковой  тарелки представлен в Приложении ( КП 280202.004 )

Заключение

Физические способы применяются  в тех случаях, когда газовый  поток содержит вредные примеси  в виде пыли (размеры частиц 5-50 мкм), тумана и дыма (размеры частиц 0,1 -5мкм). Эти методы основаны на осаждении  твердых частиц и мелких капель тумана на поверхности пылеуловителей и  фильтрующих элементов. С этой целью  используют пылеуловители и фильтры  различной конструкции.

Физические методы очистки газовых  потоков от вредных примесей широко распространены на обогатительных фабриках, металлургических заводах, тепловых электростанциях, сжигающих уголь и мазут, на предприятиях деревообработки, в шинной промышленности и в производстве резиновых технических  изделий.

Физические методы очистки газовых  потоков от вредных примесей широко распространены на обогатительных фабриках, металлургических заводах, тепловых электростанциях, сжигающих уголь и мазут, на предприятиях деревообработки, в шинной промышленности и в производстве резиновых технических  изделий.

Выбор метода очистки газового потока осуществляется после того, как определяются основные характеристики взвешенных частиц — пыли или тумана. В случае пыли к ним относятся: размеры частиц, слипаемость, способность к абразивному износу поверхности оборудования, смачиваемость водой, электрическая проводимость, способность к самовозгоранию и взрыву. 
 В соответствии с основными характеристиками пыли и ее концентрацией в газовом потоке осуществляется выбор оборудования и способа пылеулавливания. 
 В данной курсовой работе проводится расчет оборудования для сухих методов очистки. В качестве оборудования для сухих методов очистки используют циклоны, тканевые фильтры, электрофильтры, ректификационные колонны. 
 В данной работе приведен расчет 3-х ступенчатой системы очистки с расчетом и подбором оборудования. 
 Циклоны являются наиболее распространенным аппаратами газоочистки, широко применяются для отделения пыли от газов и воздуха в самых различных отраслях промышленности. При наибольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны обеспечивают очистку газов эффективностью 70-95%. Основными элементами циклонов являются корпус, выхлопная труба и бункер.

В качестве первой ступени очистки  был выбран циклон ЦН-24. В данном расчете рассматривается циклон марки ЦН-24, который является 1 ступенью газоочистки. Выбирается самый дешёвый  циклон, при этом определяют его  конструкционный коэффициент, диаметр  циклона, скорость газа в циклоне, число  циклонов в установке.

В качестве второй степени очистки  был выбран тканевый фильтр типа ФРКДИ-550 с основными параметрами F = 550 м²; п = 1 шт; z = 216 шт.

Тканевые фильтры представляют собой вертикально расположенные  секции рукавов, помещённые в герметический  стальной корпус прямоугольного или  круглого сечения. При прохождении  запылённого газа через фильтровальную ткань твёрдые части постепенно осаждается в порах между волокнами, сцепляются друг с другом и образуют пористую перегородку, обеспечивающую совместно с тканью хорошую степень  очистки газа. Тканевые фильтры работают в диапазоне температур, верхний  предел которых определяется температуростойкостью фильтровального материала.

В качестве третей ступени очистки  был выбран электрофильтр типа УГМ 2-3,5.

Электрофильтры, предназначены для  высокоэффективной очистки технологических  газов и аспирационного воздуха, от твёрдых и туманообразных загрязнений (пылей, туманов), выделяющихся при технологических процессах(сушке, обжиге, агломерации, сжигании топлива л т.д.). Электрофильтры устанавливают как аппараты второй ступени очистки, обеспечивающие эффективность улавливания до 0,99%. 
         Электрофильтр выбирается руководствуясь минимальными затратами электроэнергии среди выбранных фильтров УГМ-2-35, С-3,5, ШМК-2 выбираем УГМ2-3,5, т.к затраты электроэнергии у него меньше выбранных всех. Затрата равна 0,49 кВт. Дальше определяется относительная плотность газа, напряжённость электрического поля и т.д. Общая степень очистки равна 0,9 %. Следовательно, требуемую степень очистки газа при заданных условиях удовлетворяет выбранный электрофильтр УГМ2-3,5ск.

                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

1. Белевецкий А.Н.  Проектирование газоочистных сооружений.- Л. Химия, 1990г.
2. Ветошкин А.Г. Техника защиты окружающей среды .- Пенза ПГТУ, 2003г.
3. Таранцева К.Р. Инженерные методы защиты атмосферы, учебное пособие, Пенза 2005г.
4. Таранцева К.Р., Таранцев К.В., Талалаева Н.В. Инженерные методы защиты атмосферы, пособие по курсовому проектированию Пенза 2005г.
5. Тимонин А.С. Основы расчета и конструирования хямшсотехнологического и природоохранного оборудования: Справочник: - Калуга: Изд.-во И. Бочкаревой, 2002г.
6. Тимонин А.С. , Инженерно-эколлогический справочник: Издательство Бочкаревой П., 2003г.
7. Ульянов В.М. Экология.- Н. Новгород: НГТУ, 2000г.
8. Шаприцкий В.Н. Защита атмосферы в металлургии М.: Металлургии, 1984г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ