Промышленная экология. 2
СОДЕРЖАНИЕ
Задание 1. Расчет циклонов Задание 2. Расчет пористых металлических фильтров для пылеочистки Задание 3. Расчет скруббера и форсунки Задание 4. Расчет процессов и аппаратов адсорбции газов Задание 5. Расчет адсорбера Задание 6. Расчет процесов и аппаратов экстракции Задание 7. Расчет электрокоагулятора Список литературы Приложение А |
2 7 10 13 16 18 21 24 25
|
Задание 1. Расчет циклонов
1.1 Краткие теоретические сведения
Принцип работы циклона основано на разделение взвешенных частиц от газового потока под воздействием центробежных сил. Центробежный эффект сильнее проявляется у крупных частиц, поэтому циклоны предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжелой пыли, например, для улавливания золы, образующейся при сжигании топлива в котлах тепловых станций.
Для расчета циклона необходимо иметь следующие исходные данные:
− объем очищаемого газа Q, м3/с;
− плотность газа при рабочих условиях ρ, кг/м3;
− вязкость газа при рабочей температуре μ, Па·с;
− дисперсный состав пыли d50;
− входная концентрация пыли Свх, г/м3;
− требуемая эффективность очистки η.
Принят следующий ряд внутреннего типового диаметра циклонов D, мм:150; 200; 300; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2400; 3000.
Бункеры циклонов имеют цилиндрическую форму диаметром 1,5D для цилиндрических и 1,2D для конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера составляет 0,8D.
Расчет циклонов ведут методом последовательных приближений.
1.2 Методика расчета
Определяют оптимальную скорость движения газа wопт в зависимости
от типа циклона (таблица 1).
Таблица 1 - Оптимальная скорость движения газа wопт в зависимости от типа циклона
Тип циклона |
ЦН-24 |
ЦН-15 |
ЦН-11 |
СДК-ЦН-33 |
СК-ЦН-34 |
СК-ЦН-34м |
wопт, м/с |
4,5 |
3,5 |
3,5 |
2,0 |
1,7 |
2,0 |
Рассчитывают диаметр циклона:
D=
D=
где Q − объем очищаемого газа, м3/с;
wопт− оптимальная скорость движения газа, м/с.
Полученное значение необходимо округлить до ближайшего типового значения. Если значение D превышает максимальное типовое значение, то необходимо применять два или более параллельно установленных циклонов. Рассчитывают действительную скорость потока в циклоне:
w = 4Q/ πND2,
w = 4·20/3,14·1·2,692 =3,5001
где N – число циклонов.
Значение w не должно отклоняться от wonт более чем на 15 %.
Рассчитывают коэффициент гидравлического сопротивления:
R = k1k2R500,
R = 0,93·0,93·155=134,05
где k1 =1 и k2 =0,92– поправочные коэффициенты, зависящие от D, Свх и типа циклона (таблица 2.2, 2.3);
R500 =245– коэффициент гидравлического сопротивления при D=500 мм (таблица 2).
Таблица 2 - Значения k1 при различных D и типов циклонов
Тип циклона |
D, мм | ||||
150 |
200 |
300 |
450 |
>500 | |
ЦН-11 |
0,94 |
0,95 |
0,96 |
0,99 |
1,0 |
ЦН-15, ЦН-24 |
0,85 |
0,9 |
0,93 |
1,0 |
1,0 |
СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и 34м |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
Таблица 3 - Значения k2 при различных Свх и типов циклонов
Тип циклона |
Свх, г/м3 | ||||||
0 |
10 |
20 |
40 |
80 |
120 |
150 | |
ЦН-11 |
1 |
0,96 |
0,94 |
0,92 |
0,90 |
0,87 |
- |
ЦН-15 |
1 |
0,93 |
0,92 |
0,91 |
0,90 |
0,87 |
0,86 |
ЦН-24 |
1 |
0,95 |
0,93 |
0,92 |
0,90 |
0,87 |
0,86 |
СДК-ЦН-33 |
1 |
0,81 |
0,785 |
0,78 |
0,77 |
0,76 |
0,745 |
СК-ЦН-34 |
1 |
0,98 |
0,947 |
0,93 |
0,915 |
0,91 |
0,90 |
СК-ЦН-34м |
1 |
0,99 |
0,97 |
0,95 |
- |
- |
- |
Таблица 4 - Значения R500 в зависимости от типов циклонов
Тип циклона |
Выхлоп в: |
Тип циклона |
Выхлоп в: | ||
атмосферу |
гидр. сеть |
атмосферу |
гидр. сеть | ||
ЦН-11 |
245 |
250 |
СДК-ЦН-33 |
520 |
600 |
ЦН-15 |
155 |
163 |
СК-ЦН-34 |
1050 |
1150 |
ЦН-24 |
75 |
80 |
СК-ЦН-34м |
- |
2000 |
Рассчитывают значение гидравлического сопротивления:
ΔP = Pвх – Pвых =1/2Rρrw2,
ΔP = =134,05·1,37·(3,50012)/2=2249,
Определяют эффективность очистки:
η = 0,5(1+Ф(х)),
η = 0,5(1+0,964)=0,982
где Ф(х) – табличная функция параметра х (таблица 5, 6):
x=
Таблица 5 - Значение dТ50 в зависимости от типа циклона
Тип циклона |
ЦН-11 |
ЦН-15 |
ЦН-24 |
СДК-ЦН-33 |
СК-ЦН-34 |
СК-ЦН-34м |
dТ50 |
8,5 |
4,5 |
3,65 |
2,31 |
1,95 |
1,3 |
Таблица 6 - Значение Ф(х) в зависимости от параметра х
х |
-2,7 |
-2,0 |
-1,6 |
-1,4 |
-1,2 |
-1,0 |
-0,8 |
-0,6 |
-0,2 |
Ф(х) |
0,004 |
0,023 |
0,055 |
0,081 |
0,115 |
0,159 |
0,212 |
0,274 |
0,421 |
Х |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
1,6 |
1,8 |
2,7 |
Ф(х) |
0,5 |
0,579 |
0,655 |
0,726 |
0,788 |
0,885 |
0,964 |
0,964 |
0,997 |
Значение d50 определяется по формуле:
где ρч – плотность частицы;
μ – вязкость среды; w – скорость потока;
DT=600мм;
ρчТ=1930 кг/м3;
μТ=22,2·106 Па·с;
wТ=3,5 м/с (индекс «т» означает типовое значение параметра).
Рассчитывают конструкционные размеры циклона (рисунок 1) в соответствии с диаметром D выбранного циклона:
х = kD,
где х – параметр циклона (диаметр, ширина, высота);
k – коэффициент
Радиус улитки:
ρ = D/2 + bφ/2π,
где b – ширина входного патрубка;
φ=135°=2,35 рад.
Таблица 7 - Значения коэффициента пропорциональности k
Параметр |
Тип циклона | ||||||
ЦН-11 |
ЦН-15 |
ЦН-24 |
СДК-ЦН-33 |
СК-ЦН-34 |
СК-ЦН-34м | ||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 | |
Диаметр выхлопной трубы d |
0,59 |
0,334 |
034 |
0,22 | |||
Диаметр пылевыпускного отверстия d1 |
0,3–0,4 |
0,334 |
0,23 |
0,18 | |||
Диаметр входного патрубка b |
0,2 |
0,264 |
0,214 |
0,18 | |||
Длина входного патрубка l |
0,6 | ||||||
Высота входного патрубка а |
0,48 |
0,66 |
1,11 |
0,535 |
0,515 |
0,4 | |
Высота выхлопной трубы (ВТ) hт |
1,56 |
1,74 |
2,11 |
0,535 |
0,515 |
0,4 | |
Высота внешней части (ВТ) hв |
0,3 |
0,3 |
0,4 |
0,2-0,3 | |||
Высота цилиндрической части Нц |
2,06 |
2,06 |
2,11 |
0,535 |
0,515 |
0,4 | |
Высота конуса Нк |
2,0 |
2,0 |
1,75 |
3,0 |
2,11 |
2,6 | |
Высота установки фланца hфл |
0,1 | ||||||
Общая высота циклона Н |
4,38 |
4,56 |
4,26 |
3,835 |
2,925 |
3,3 | |
Рисунок 1 – Конструктивная схема циклонов
Задание 2. Расчет пористых металлических фильтров для пылеочистки
2.1 Краткие теоретические сведения
Процесс фильтрации основан на задержании частиц примесей в пористых перегородках при движении дисперсных систем через них. Процесс фильтрации характеризуется следующими параметрами: эффективность очистки, тонкость очистки, пористость, скорость фильтрации, пропускная способность, гидравлическое или аэродинамическое сопротивление.
Абсолютная тонкость очистки – это максимальный размер частиц, прошедших через фильтр. Номинальная тонкость очистки – это размер частиц, для которых фракционная эффективность очистки равна 0,97. Предпочтительный ряд: 1; 2; 5; 10; 16; 25 мкм и т. д.
Пористостью фильтроэлемента называется отношения объема пустот к полному объему фильтроэлемента:
П=Vп/V,
где Vn – объем пустот, м3;
V – полный объем фильтроэлемента, м3.
Скорость фильтрации – это отношение объемного расхода Q, м3/с очищаемого вещества к площади фильтрующей поверхности F, м2:
w=Q/F,
Удельная массовая пропускная способность фильтра G кг/(м2·с):
G=wρ,
где ρ – плотность очищаемого вещества, кг/м3.
Гидравлическое (аэродинамическое) сопротивление фильтра – это разность давлений на входе и выходе фильтра. При проектировании назначается начальное и конечное сопротивление фильтра. При достижении конечного сопротивления процесс фильтрации прекращается, и фильтр подвергается регенерации.
2.2 Методика расчета
Выбирают материал для изготовления фильтроэлемента, исходя из условия эксплуатации фильтра, прочностных, коррозионных характеристик материала и экономических соображений (или согласно варианта).
Определяют максимальный размер пор dп макс, мкм:
dп макс = 3dто абс
dп макс = 3·10=30
где dто a6c – абсолютная тонкость очистки, мкм.
Определяют средний размер пор dп ср, мкм:
dп ср = 1,25 dп максП0,3
dп ср = 1,25·30·0,280,3=25,59·10-6м
где П – пористость фильтроэлемента.
Определяют размер частиц порошка для изготовления фильтроэлемента dч ср, мкм:
dч ср = dп ср/ П2
dч ср = 25,59/0,282=326,4
Назначают толщину фильтроэлемента h по технологическим и прочностным соображениям в пределах 0,25–5мм (обычно – 1мм).
Находят скорость потока в порах wп, м/с:
где ΔРнач – начальное сопротивление фильтра, Па;
μ – вязкость фильтруемого вещества, Па с.
Определяют площадь фильтрации F, м2:
(18)
Определяют расчетное конечное сопротивление фильтра ΔРкон р, Па:
(19)
где А – опытный коэффициент, зависящий от размеров частиц и размер пор: для очистки газов А=5,25·103 с–1, для очистки жидкостей А=10 с–1;
τ – время работы фильтра, с;
qвх – объемное содержание твердых частиц в фильтруемом веществе на входе фильтра: qвх=Свх/ρч, Свх – концентрация загрязнителя, кг/м3;
ρч – плотность частиц загрязнителя, кг/м3;
В – показатель, рассчитываемый по формуле, с/м:
(14)
де wф - скорость фильтрации, м/с;
П0 - пористость осадка, ПО=0,5.
wф=Пwп, (15)
wф= 0,28·3,13= 0,87
Определяют максимально допустимое время работы фильтра (если ΔРкон р отличается от заданного ΔРкон) τ, c:
Задание 3. Расчет скруббера и форсунки
Исходные данные таблица 9.
Таблица 9 - Исходные данные для задания 3
№ вар. |
Qг, м3/ч |
υ, м/с |
3/ч |
ΔPж , МПа |
γ |
β |
4 |
1500 |
1,5 |
15 |
0,2 |
0,73 |
75 |
Определяют сечения скруббера S, м2:
,
где Qг − объемный расход очищаемого газа, м3/с;
υ − скорость пропускания потока, м/с.
Определяют диаметра скруббера скр, м:
,
=35,69
Определяем высоты скруббера Нскр, м:
Нскр = (3…4)Dскр
Нскр = 3·35,69 = 107,07
Расчет форсунки:
Определяют диаметр сопла форсунки dc, м:
Определяют диаметр вкладыша и равный ему внутренний диаметр корпуса форсунки D, мм:
D = 1,925 dc (23)
D = 1,925 ·24=
Так как dc<14 мм значение D принимаем 27 мм.
Определяют высоту вкладыша h, мм:
h = 2,5+2dc
h = 2,5+2·24 =
Определяют длину соплового канала l1, мм:
l1 = (0,5/1,0)dс (25)
l1 = (0,5/1,0)·24
Определяют высоту камеры смещения l2, мм:
, (26)
где θ=110–130° – угол конусности камеры.
Определяют диаметр центрального канала, d0, мм:
(27)
Определяют суммарную площадь закручивающих каналов Sк, мм2:
Sк = 1,075πd02
Определяют угол наклона закручивающих каналов:
, (29)
где β – угол, рад.
Далее находят α=10х (рад) и переводят в град, где x=lgα.
Определяют размер закручивающих каналов а, мм:
,
где n=4÷6 – число каналов.
По необходимости определяют средний объемно-поверхностный диаметр капель жидкости dж, мм:
Задание 4. Расчет процессов и аппаратов адсорбции газов
Исходные данные таблица 10.
Таблица 10 - Исходные данные для задания 4
№ вар. |
Q, м3/ч |
Вещ. |
VmA, см3/моль |
C0 г/м3 |
dЭ, мм |
ρн, кг/м |
ρк, кг/м3 |
α, кг/кг |
ΔР, кПа |
4 |
300 |
NH3 |
25,8 |
70 |
2 |
350 |
550 |
0,27 |
1,7 |
При проектировании адсорбера необходимы следующие исходные данные:
- объемный расход очищаемого газа (воздуха) Q, м3/с;
- концентрация примеси С0, кг/м3;
- свойства очищаемого газа (температура, плотность, вязкость);
- давления отходящих газов.
Рассчитывают коэффициент диффузии примеси в воздухе D, м2/с:
,
где Т – температура потока, К;
Р – давление (атмосферное), Па;
VmA, VmB, MA и МB – мольные объемы (см3/моль) и массы (кг/кмоль) соответственно примеси (А) и воздуха (В).
Мольные объемы определяют как сумму атомных объемов элементов. Мольные массы определяют как сумму атомных масс элементов. Для воздуха: VmВ=29,9 см3/моль; МB=29 кг/кмоль.
Рассчитывают коэффициента массопередачи К, 1/с:
,
де D – коэффициент диффузии, м2/с;
ν – кинематическая вязкость очищаемого газа, м2/с (для воздуха, при 20 °С ν =16·10–6 м2/с, плотность ρ=1,2 кг/м3);
dЗ – размер зерна сорбента, м.
Определяют время процесса адсорбции τ, с:
(34)
= 2,8
где С=αρH – концентрация адсорбируемого вещества в адсорбенте, равновесная с концентрацией потока, кг/м3;
Н – высота слоя адсорбента, принимаем Н=1м;
υo– скорость газового потока, поступающего в адсорбер, принимаем υo =0,5 м/с.
Коэффициент b определяется в зависимости от концентрации примеси на входе адсорбера С0, и требуемой концентрации примеси на выходе адсорбера С1 (таблица 11), принимаем С1=0,5 г/м3.
Таблица 11 - Значения коэффициента b
C1/С0, |
0,005 |
0,006 |
0,007 |
0,008 |
0,009 |
0,010 |
0,012 |
0,014 |
0,030 |
b |
1,84 |
1,80 |
1,76 |
1,73 |
1,70 |
1,67 |
1,62 |
1,58 |
1,35 |
Определяют минимально необходимую массу сорбента m, кг:
,
где α – статическая поглотительная способность сорбента в рабочих условиях,кг/кг;
К3=1,2 – коэффициент запаса.
Коэффициент формы зерен, учитывающий неравную доступность всей
поверхности зерна обдувающему потоку:
,
где dЗ – диаметр зерен, мм.
Пористость слоя сорбента:
, (37)
где ρК и ρН – кажущаяся и насыпная плотность сорбента, кг/м3.
Эквивалентный диаметр зерен dЭ, м :
,
где dЗ – диаметр зерен, м;
П – пористость слоя сорбента.
Критерия Рейнольдса, учитывающий характер потока:
,
где υo =0,5 м/с;
ρГ=1,2 кг/м3;
μ=19,2·10–6 Па·с.
Коэффициент гидравлического сопротивления:
при Re<50
при 50≤Re<7200
Определяют скорость потока газа υ (м/с) через адсорбер в зависимости от падения давления, параметров сорбента и газа:
,
где ΔР – падение давления, Па.
Диаметр адсорбера DA, м:
Длина (высота) слоя сорбента L, м:
Задание 5. Расчет адсорбера
Сточные воды образуются на многих участках различных производств. На участках нанесения гальванических покрытий образуется сточная вода, загрязненные кислотами, тяжелыми металлами и их солями и другими веществами, в том числе цианидами. Сточную воду необходимо очистить перед сбросом. Наиболее эффективным способом является адсорбция. При подаче озона в сточную воду цианид-ионы окисляются:
CN– + O3 = CNO– +O2
По мере окисления цианид-ионов в сточной воде появляются цианит-ионы CNO–. Около 30 % цианит-ионов окисляются по схеме:
2CNO– + 3O = 2NCO3+3O2
Остальные цианит-ионы гидрализуются в сточной воде с образованием NH3 и окислением до NO3. Для подачи озоновоздушной смеси в адсорбер и ее равномерного распределения используют шамотно-силикатные пористые элементы в виде патронов с замкнутым дном (наружный диаметр – 50 мм, внутренний – 30мм, длина – 230 мм, средний размер пор – 0,1 мм).
Для расчета адсорбера необходимы следующие исходные данные: расход сточной воды, концентрация загрязнителя в сточной воде(Таблица 12).
Таблица 12 - Исходные данные для задания 5
№ вар. |
Q, м3/ч |
CCN, кг/м |
k |
τ, ч |
n |
Рa, МПа |
Qэ, м3/с |
4 |
12 |
0,05 |
1,18 |
0,75 |
2 |
0,18 |
0,0035 |
Определяют объем адсорбера V, м3:
,
где Q – расход сточной воды, м3/ч;
τ – время цикла очистки (заполнение, обезвреживание, опорожнение);
k – коэффициент запаса (1,15–1,2);
у – коэффициент заполнения адсорбера (0,6–0,8);
n – количество адсорберов (обычно 2).
Выбирают фактический объем VH адсорбера по ряду номинальных внутренних объемов сосудов и аппаратов (ближайшее значение к расчетному) по таблице 13.
Таблица 13 - Ряд номинальных внутренних объемов сосудов и аппаратов
0,010 |
0,100 |
0,32 |
1,00 |
3,2 |
10 |
32 |
100 |
320 |
0,016 |
0,125 |
0,40 |
1,25 |
4,0 |
– |
40 |
125 |
400 |
0,025 |
0,160 |
0,50 |
1,60 |
5,0 |
16 |
53 |
160 |
500 |
0,040 |
0,200 |
0,63 |
2,00 |
6,3 |
20 |
63 |
200 |
– |
0,063 |
0,250 |
0,80 |
2,50 |
8,0 |
25 |
80 |
500 |
– |

- Промышленная экология
- Промышленная экономика Великобритании
- Промышленное получение аммиака
- Промышленное предприятие как отчетная единица в статистике промышленности
- Промышленное применение лазеров
- Промышленное производство в России: анализ современного состояния и перспективы развития
- Промышленное производство и качество окружающей среды
- Промышленная собственность
- Промышленная собственность
- Промышленная собственность и ее международная охрана
- Промышленная собственность. Объекты промышленной собственности. Служебные объекты промышленной собственности
- Промышленная экология
- Промышленная экология
- Промышленная экология