Процессы и аппараты защиты окружающей среды: Сборник практических работ по дисциплине

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Сборник практических работ по дисциплине «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»

Составители: И. Г. Кобзарь, В. В. Козлова

Ульяновск 2007

УДК 504(076) ББК 51.26 А 64 Рецензент: заведующий кафедрой «Химия» Ульяновского государственного технического университета, доктор химических наук, профессор Е.С. Климов.

А64

Процессы и аппараты защиты окружающей среды: сборник практических работ по дисциплине «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» / сост. И. Г. Кобзарь, В. В. Козлова. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – 27 с. Составлены в соответствии с программой дисциплины «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» В указаниях предложены 9 практических работ, которые тематически согласуются с курсом лекций по дисциплине «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» Сборник практических работ по курсу «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» предназначен для студентов специальности 28020265 «Инженерная защита окружающей среды» Сборник практических работ подготовлен на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и промышленная экология».

УДК 504(076) ББК 51.26я7 Учебное издание ПОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Сборник практических работ Составители: КОБЗАРЬ Иван Григорьевич КОЗЛОВА Вита Вячеславовна, Редактор О. С. Якушкина Подписано в печать 25.12.2005. Формат 60×84/16. Бумага типографская № 1. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 3,02. Уч.-изд. л. 2,77. Тираж 50 экз. Заказ . Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32.

© С. И., Кобзарь И. Г., Козлова В. В., составление, 2007 © Оформление. УлГТУ, 2007

Содержание Практическая работа № 1. Расчет циклонов……………………………..........

4

Практическая работа № 2. Расчет пористых металлических фильтров для очистки выбросов от пыли…………………………………………………….....

8

Практическая работа № 3. Расчет скруббера и форсунки…………………… 11 Практическая работа № 4. Расчет процессов и аппаратов адсорбции газов………………………………………..…………………………. 13 Практическая работа № 5. Расчет адсорбера…………………………………. 16 Практическая работа № 6. Расчет процессов и аппаратов экстракции……... 18 Практическая работа № 7. Расчет электрокоагулятора……………………… 20 Практическая работа № 8. Расчет аэротенка………………………………….

22

Практическая работа № 9. Расчет полигона ТБО…………………………….

24

3

Тема: Процессы и аппараты сухой механической очистки газов от пыли ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1. РАСЧЕТ ЦИКЛОНОВ Цель работы: приобретение навыков по выбору и расчета газоочистных аппаратов (циклонов). Основные положения 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. В России 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. Методика расчета 1. Определяют оптимальную скорость движения газа wопт в зависимости от типа циклона (табл. 1). Таблица 1 Оптимальная скорость движения газа wопт в зависимости от типа циклона Тип циклона wопт, м/с

ЦН-24 4,5

ЦН-15 3,5

ЦН-11 3,5

СДК-ЦН-33 2,0

СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м 1,7 2,0

2. Рассчитывают диаметр циклона:

D =

4⋅Q π ⋅ w опт .

(1)

Полученное значение необходимо округлить до ближайшего типового значения. Если значение D превышает максимальное типовое значение, то необходимо применять два или более параллельно установленных циклонов. 3. Рассчитывают действительную скорость потока в циклоне: 4

w = 4·Q/ π·N·D2,

(2)

где N – число циклонов. Значение w не должно отклоняться от wonт более чем на 15 %. 4. Рассчитывают коэффициент гидравлического сопротивления: R = k1·k2·R500,

(3)

где k1 и k2 – поправочные коэффициенты, зависящие от D, Свх и типа циклона (табл. 2 и 3); R500 – коэффициент гидравлического сопротивления при D=500 мм (табл. 4). Таблица 2 Значения k1 при различных D и типов циклонов Тип циклона ЦН-11 ЦН-15, ЦН-24 СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и 34м

150 0,94 0,85 1,0

200 0,95 0,9 1,0

D, мм 300 0,96 0,93 1,0

450 0,99 1,0 1,0

>500 1,0 1,0 1,0

Таблица 3 Значения k2 при различных Свх и типов циклонов Свх, г/м3 40 0,92 0,91 0,92 0,78 0,93 0,95

Тип циклона ЦН-11 ЦН-15 ЦН-24 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м

0 1 1 1 1 1 1

10 0,96 0,93 0,95 0,81 0,98 0,99

20 0,94 0,92 0,93 0,785 0,947 0,97

80 0,90 0,90 0,90 0,77 0,915 –

120 0,87 0,87 0,87 0,76 0,91 –

150 – 0,86 0,86 0,745 0,90 –

Таблица 4 Значения R500 в зависимости от типов циклонов Тип циклона ЦН-11 ЦН-15 ЦН-24

Выхлоп в: атмосферу гидр. сеть 245 250 155 163 75 80

Тип циклона СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м

Выхлоп в: атмосферу гидр. сеть 520 600 1050 1150 – 2000

5. Рассчитывают значение гидравлического сопротивления: ∆P = Pвх – Pвых =1/2·R·ρrw2.

(4)

6. Определяют эффективность очистки: η = 0,5·(1+Ф(х)),

(5)

где Ф(х) – табличная функция параметра х (табл. 5 и 6): ⎛d ⎞ x = 0,8 ⋅ lg⎜⎜ 50 ⎟⎟ . ⎝ d T50 ⎠ 5

(6)

Таблица 5 Значение d Т50 в зависимости от типа циклона Тип циклона dТ50

ЦН-11 8,5

ЦН-15 4,5

ЦН-24 3,65

СДК-ЦН-33 2,31

СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м 1,95 1,3

Таблица 6 Значение Ф(х) в зависимости от параметра х х Ф(х) х Ф(х)

-2,7 0,004 0 0,5

-2,0 0,023 0,2 0,579

-1,6 0,055 0,4 0,655

-1,4 0,081 0,6 0,726

-1,2 0,115 0,8 0,788

-1,0 0,159 1,2 0,885

-0,8 0,212 1,6 0,964

-0,6 0,274 1,8 0,964

-0,2 0,421 2,7 0,997

Значение d50 определяется по формуле:

D ρ чТ µ Т w Т ⋅ ⋅ ⋅ , DT ρч µ w

d 50 = d Т50 ⋅

(7)

где ρч – плотность частицы; µ – вязкость среды; w – скорость потока; DT =600 мм; ρчТ =1930 кг/м3; µТ=22,2·106 Па·с; wТ =3,5 м/с (индекс «т» означает типовое значение параметра). 7. Осуществляют выбор циклона. Если расчетное η меньше требуемого, то необходимо выбрать другой циклон с большим гидравлическим сопротивлением R. Можно пользоваться формулой:

R 1 ⎛ 1 - η1 =⎜ R 2 ⎜⎝ 1 - η 2

2

⎞ w 1 D1 ⎟⎟ ⋅ ⋅ , w 2 D2 ⎠

(8)

где индексы 1 и 2 соответствуют двум различным циклонам. 8. Рассчитывают конструкционные размеры циклона (рис. 1 и 2, табл. 7) в соответствии с диаметром D выбранного циклона: х = k·D,

(9)

где х – параметр циклона (диаметр, ширина, высота); k – коэффициент пропорциональности (табл. 7). Радиус улитки: ρ = D/2 + b·φ/2·π, (10) 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

1 Диаметр выхлопной трубы d Диаметр пылевыпускного отверстия d1 Диаметр входного патрубка b Длина входного патрубка l

2

3 0,59 0,3–0,4 0,2

6

4

5 0,334 0,334 0,264 0,6

СК-ЦН-34

СК-ЦН-34м

6 0,34 0,23 0,214

7 0,22 0,18 0,18

1 Высота входного патрубка а Высота выхлопной трубы (ВТ) hт Высота внешней части (ВТ) hв Высота цилиндрической части Нц Высота конуса Нк Высота установки фланца hфл Общая высота циклона Н

2 0,48 1,56 0,3 2,06 2,0

3 0,66 1,74 0,3 2,06 2,0

4 1,11 2,11 0,4 2,11 1,75

4,38

4,56

4,26

5 0,535 0,535 0,535 3,0 0,1 3,835

6 0,515 0,515 0,2–0,3 0,515 2,11

7 0,4 0,4

2,925

3,3

0,4 2,6

9. Начертить схему циклона и проставить конструкционные размеры в миллиметрах.

Рис. 1

Рис. 2 Таблица 8 Варианты задач (исходные данные)

№ вар. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Тип циклона ЦН-11 ЦН-11 ЦН-15 ЦН-15 ЦН-24 ЦН-24 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м ЦН-11 ЦН-11 ЦН-15 ЦН-15 ЦН-24 ЦН-24 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м

Q, м3/с 12 15 17 20 25 30 8 5 1 10 14 16 22 20 25 9 7 3

Свх, г/м3 40 120 80 10 20 40 150 80 40 80 80 40 20 40 80 120 80 40

ρг, кг/ м3 1,34 1,35 1,36 1,37 1,38 1,39 1,33 1,32 1,31 1,24 1,25 1,26 1,27 1,28 1,29 1,35 1,37 1,39 7

ρч, кг/ м3 1930 2230 1650 1700 1750 1900 2130 2050 2100 1900 2130 1750 1800 1850 1950 2230 1700 1900

µ·106, Па·с 22,2 22,1 22,0 21,9 21,8 21,7 21,6 21,5 21,4 21,2 21,1 21,0 22,9 22,8 22,7 22,0 21,7 21,7

η 0,95 0,65 0,75 0,95 0,90 0,85 0,65 0,75 0,75 0,90 0,75 0,85 0,85 0,80 0,85 0,90 0,85 0,80

Тема: Процессы и аппараты фильтрации газов (воздуха)

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2. РАСЧЕТ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ОТ ПЫЛИ Цель работы: приобретение навыков и знаний по расчету и конструкции пористых фильтров. Основные положения 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 (Vn) к полному объему фильтроэлемента (V):

П=Vп/V.

(1)

Скорость фильтрации – это отношение объемного расхода Q (м3/с) очищаемого вещества к площади фильтрующей поверхности F (м2):

w=Q/F.

(2)

Удельная массовая пропускная способность фильтра G кг/(м2·с): G=wρ,

(3)

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. Методика расчета 1. Выбирают материал для изготовления фильторэлемента, исходя из условия эксплуатации фильтра, прочностных, коррозионных характеристик материала и экономических соображений (или по варианту). 2. Определяют максимальный размер пор dп макс, мкм:

dп макс = 3·dто абс, где dто a6c – абсолютная тонкость очистки, мкм. 3. Определяют средний размер пор dп ср, мкм: 8

(4)

dп ср = 1,25· dп макс·П0,3, (5) где П – пористость фильтроэлемента. 4. Определяют размер частиц порошка для изготовления фильтроэлемента dч ср, мкм: (6) dч ср = dп ср/ П2. 5. Назначают толщину фильтроэлемента h по технологическим и прочностным соображениям в пределах 0,25–5мм (обычно – 1мм). 6. Находят скорость потока в порах wп, м/с:

wп =

∆Р нач ⋅ d п2 ср 208 ⋅ h ⋅ µ

,

(7)

где ∆Рнач – начальное сопротивление фильтра, Па; µ – вязкость фильтруемого вещества, Па·с. 7. Определяют площадь фильтрации F, м2: F=

Q . wп ⋅П

(8)

8. Определяют расчетное конечное сопротивление фильтра ∆Ркон р, Па:

∆Р кон р

∆Р нач ⎡ = ⋅ ⎢ 1 − e − A⋅B⋅h h ⎣

(

)

⎛ e A⋅q вх ⋅τ − 1 ⎞ ⎤ ⎟⎟ + h ⎥ , ⋅ ⎜⎜ А В ⋅ ⎝ ⎠ ⎦

(9)

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 рассчитывают по формуле, с/м: В=

П ⋅ (1 − П О ) , wф

(10)

где скорость фильтрации wф=П·wп, м/с; пористость осадка ПО=0,5. 9. Определяют максимально допустимое время работы фильтра (если ∆Ркон р отличается от заданного ∆Ркон) τ, c: τ=

⎡ ∆Pкон р А ⋅ В ⋅ h ⎤ 1 ⋅ ln ⎢1 + ⋅ − A ⋅B⋅ h ⎥ . А ⋅ q вх ⎣ ∆Р нач 1 − e ⎦

(11)

10. Определяют эффективность очистки:

η=

q вх − q вых ⋅ 100 % , q вх

(12)

где:

q вых

⎛ e A⋅q вх ⋅τ м + е А⋅В⋅h − 1 ⎞ 1 ⎟⎟ . = ⋅ ln ⎜⎜ A⋅B⋅ h А ⋅ τм e ⎝ ⎠ 9

(13)

Если конечные данные не удовлетворяют требованиям, то расчет производят вновь, изменив размеры фильтроэлемента или структурные свойства его материала. Примечание: единицы измерения величин в формулах необходимо перевести в систему СИ. Задание Выполнить расчет фильтра для очистки воздуха от пыли глинозема, при нормальном атмосферном давлении и температуры воздуха 20 °С. Требуемая тонкость очистки dто абс. Наибольшее допустимое (конечное) сопротивление фильтра ∆Р кон. Начальное сопротивление фильтра ∆Р нач=10 кПа. Время непрерывной работы фильтра τ. Расход воздуха Q. Концентрация пыли в воздухе Свх. Плотность частиц загрязнителя ρч=3,9·103кг/м3. Вязкость воздуха при 20 °С: µ=18·10–6 Па·с. Таблица 1 Исходные данные (варианты) № вар

Q, м3/ч

Свх мг/м

1, 10 2, 11 3, 12 4, 13 5, 14 6, 15 7, 16 8, 17 9, 18

150 160 120 140 100 130 170 100 180

5 10 15 20 25 30 35 40 45

dто абс, ∆Ркон, мкм кПа 5 4 3 10 16 25 10 16 25

20 25 15 20 15 20 25 15 20

τ, ч

Пористый материал

Форма частиц

П

h, мм

50 45 40 35 30 25 20 15 10

Бронза Ст50ХГ Ст50ХГ Ст50ХГ

Сфера Сфера 80 % Сф 20 % Сф

Ст50ХГ

Лепестковая

Железо

Тарельчатая

Бронза

Сфера

0,33 0,25 0,30 0,28 0,26 0,24 0,38 0,42 0,35

1 0,7 0,5 2 3 4 2 3 4

10

Тема: Процессы и аппараты мокрой очистки газов

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. РАСЧЕТ СКРУББЕРА И ФОРСУНКИ Цель работы: Применение приобретенных знаний и навыков при расчете скрубберов и фарсунок. Основные положения Форсунки используются для распыления жидкости и газа в различных аппаратах защиты окружающей среды (аппараты мокрой очистки газов, абсорберы, адсорберы, аппараты биохимической очистки газов). Мокрая очистка эффективнее сухой очистки за счет контакта пыли или газа с каплями жидкости. Форсунки можно разделить на три класса: центробежные, центробежно-струйные, ударно-струйные. В данной работе рассматривается центробежно-струйная форсунка с завихряющими вставками (рис. 1). Для расчета фарсунки необходимы следующие данные: − требуемая производительность Q (м3/с); − перепад давления ∆Р ж (Па); Рис. 1 − корневой угол факела β (град); − свойства жидкости: плотность ρж (кг/м3), вязкость µж (Па·с), поверхностное натяжение σ; − свойства газа: плотность ρг (кг/м3), вязкость µг (Па·с); − коэффициент расхода γ. Методика расчета I. Расчет скруббера 1. Определяют сечения скруббера S, м2: Q S= г , (1) υ где Qг − объемный расход очищаемого газа, м3/с; υ − скорость пропускания потока, м/с. 2. Определяют диаметра скруббера скр, м: 4 ⋅S D скр = . (2) π 3. Определяют высоты скруббера Нскр, м:

Нскр = (3…4)·Dскр. II. Расчет форсунки 1. Определяют диаметр сопла форсунки dc, м: 4⋅Q dc = , π ⋅ γ ⋅ 2 ⋅ ∆Pж /ρ ж 11

(3)

(4)

2. Определяют диаметр вкладыша и равный ему внутренний диаметр пуса форсунки D, мм: D = 1,925· dc. При dc