Расчет скруббера Вентури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОРОДСКОГО

ХОЗЯЙСТВА ИМЕНИ А. Н. БЕКЕТОВА

Кафедра инженерной экологии и экологической безопасности городов

Расчетно-графическая работа

с дисциплины «Инженерные аспекты аэроэкологии»

на тему: «Расчет скруббера Вентури»

Студентки 4 курса

группы ЕОНС2014-1

Загребельной А. С.

Проверил: Ст.преподаватель

Ломакина О.С.

Харьков 2018

Исходные данные к работе

очистка газ скруббер вентури

1) Параметры дымового газа:

- расход

- температура

- запыленность неочищенного газа

-необходимая запыленность очищенного газа

- плотность газа при нормальных условиях .

2) Параметры воды, используемой в систему очистки газа:

- температура

- давление

Принимаем, что расход воды на входе в систему газоочистки равен расходу газа на входе .

3) Среднее значение атмосферного давления в районе источника выбросов (барометрическое давление) Па.

4) Характеристика источника выбросов (от пыли или тумана) - пыль мартеновской печи, которая работает на кислородном дутье.



Содержание

Введение

Раздел 1. Теоретическая часть

Раздел 2. Расчетная часть

2.1 Расчет параметров дымового газа

2.2 Расчет скруббера Вентури

2.3 Расчет конструктивных параметров скруббера Вентури

2.4 Определение конструктивных параметров каплеуловителя

2.5 Расчет оросительной форсунки

Раздел 3. Графическая часть

3.1 Расчет регулирующих характеристик трубы Вентури

3.2 Расчет регулирующих характеристик оросительной форсунки

Заключение

Список использованных источников



Введение

Значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха городов вносят выбросы от стационарных источников промышленных предприятий, таких как котельные установки тепловых электростанций, печные агрегаты металлургических предприятий, цехов литья, агрегаты химической промышленности, машиностроения и других видов производств.

Главным мероприятием по защите атмосферы от этих выбросов является применение технических средств очистки дымовых газов.

Цель расчетно-графической работы - освоить современные методики разработки технических средств и технологических процессов очистки газов на примере скруббера Вентури.

Основные задачи:

- ознакомиться с методами очистки газовой смеси от загрязняющих веществ;

- рассчитать параметры дымового газа;

- произвести расчет скруббера Вентури;

- рассчитать конструктивные параметры скруббера Вентури;

- произвести расчет орошающей форсунки;

- рассчитать регулирующие характеристики трубы Вентури;

- рассчитать регулирующие характеристики орошающей форсунки;

- построить графики регулирующих характеристик работы трубы Вентури и орошающей форсунки;

- осуществить чертеж скруббера Вентури орошающей форсунки.



Раздел 1. Теоретическая часть

Скрубберы Вентури используются для очистки газов от мелкодиспрнсной пыли, их охлаждение и увлажнение. При использовании в качестве орошающей жидкости химических реагентов, скруббер Вентури может быть использован для улавливания газообразных примесей.

Скрубберы Вентури состоят из трубы Вентури и каплевловлювача.

1 -входной патрубок;

2 - конфузор;

3 -орошающее устройство;

4 - горловина;

5 - дифузор;

6 - корпус каплеуловителя;

7 - гидрозатвор;

Рис 1. Схема скруббера Вентури 8 - выходной патрубок



Работа скруббера Вентури основана на измельчении воды турбулентным газовым потоком, захватом каплями воды частиц пыли, последующей их коагуляции и осаждении в каплеуловителе инерционного типа.

В каплеуловителе под действием центробежных сил происходит сепарация капель жидкости, осаждение их на стенку и отвода жидкости в виде шлама через гидрозатвор.

За счет аэродинамического сопротивления капли одновременно с измельчением получают значительное ускорение и в конце горловины получают скорость, которая очень близка к скорости газового потока. В диффузоре скорости капель и газа падают. Причем, вследствие сил инерции, скорость капель уменьшается быстрее, чем скорость газа.

Процесс очистки более интенсивно проходит в конце конфузоре и вначале горловины, где разница скоростей (щг - щк) является наиболее значительной.

Параметры, которые достигаются в трубе Вентури:

- степень очистки газов 96 - 99%;

- максимальная запыленность газа, что очищается - до 100 г/м3;

- размер частиц пыли, улавливаемая - до 0,2 - 0,1 мкм;

- скорость газа в горловине 100 - 170 м/с;

- удельный расход воды 0,5 - 1,5 л/м3;

- перепад давления на трубе Вентури - до 20 - 30кПа (200 - 2000 мм.рт.ст).

Высокая интенсивность процессов дробления и коагуляции капель, тепло - и массообмена между каплями, газом и частицами пыли, не стационарность и не одномерность процесса не позволяет создать надежную теорию расчета этого аппарата.

Практические расчеты выполняются с использованием методов теории подобности и эмпирических зависимостей.

Конструкции труб Вентури могут различаться:

- за конфигурацией поперечного сечения: круглые ( при малых объемах

очищаемых газов); щелевые; кольцевые.

При больших расходах газов используют батарейные или групповые компоновки скрубберов Вентури.

- по площади поперечного сечения: нерегулируемые; регулируемые.

В промышленности используют две конструкции:

а) поворотные заслонки для регулирования целевого пересечения;

б) перемещение вдоль оси обтикателя для регулирования кольцевого сечения

- по размеру гидравлического давления:

а) высоконапорные ( для очистки газов от субмикронных частиц, ?Р к

30000Па);

б) низконапорные (для очистки газов от крупнодисперсной пыли, охлаждения и увлажнения газов, ?Р = 2000 - 5000 Па).

- по способу подвода жидкости:

а) центральное (форсуночное) подвода жидкости в конфузор;

б) периферийное орошение в конфузоре или горловине;

в) пленочное орошение;

г) безфорсунковое орошения (подвода жидкости за счет энергии газового потока).

С аэродинамической точки зрения оптимальной является конструкция трубы Вентури со следующими отношениями размеров ее элементов:

- угол сужения конфузора б = 25 - 28о;

- угол раскрытия диффузора в = 6 - 7о;

- лина горловины lг = 0,15 - 3 dг .



Раздел 2. Расчетная часть

2.1 Расчет параметров дымового газа

Сначала сделаем расчет вспомогательных параметров: плотности и объемного расхода газа.

1) Плотность газов на входе в скруббер (кг/м³):

где Р_б - барометрическое давление, Па;

t_г1 - температура газа перед трубой Вентури, ?С;

Р_г1 - разрежение в газоходе перед трубой Вентури, Па.

Задают заранее 10⁴ Па, в дальнейшем уточняют в процессе расчета.

2) Объемный расход газа на входе в трубу Вентури (м³/с) определяется по формуле:

где G_г - массовый расход газа на входе в трубу Вентури, кг/с.

После расчета дополнительных параметров выполняется расчет температуры на выходе из трубы Вентури t_г2.

Дальнейший расчет ведем на основе закона сохранения энергии. При этом выбросами тепла в окружающую среду через стенки оборудования можна пренебречь.

То есть: q₁ = q₂,

где q₁ - количество тепла, вносимое сухим газом и орошающей водой на входе в трубу Вентури, кДж/с.

Предполагаем, что на газоочистку подается сухой газ, поэтому в расчет q₁ не включаем количество тепла, вносимого с паром;

q₂- количество тепла, выносимого сухим газом, водой и водяным паром, что содержится в газе, со скрубберами Вентури, кДж/с.

3) Расчет температуры на выходе с трубы Вентури:

;

;

Количество тепла, вносимое сухим газом в скруббер (кДж/с) определяется по формуле:

;

где С_рг- теплоемкость дымового газа (близкого по химическому составу к воздуха), кДж/кг град; С_рг = 1 кДж/кг град;

G_г - массовый расход дымового газа (сухого) на входе в систему очистки, кг/с;

t_г1 - температура газа на входе в трубу Вентури, °С.

Количество тепла, вносимого с орошающей водой в скруббер (кДж/с):

;

где С_в - теплоемкость воды, подаваемой на орошение в трубу Вентури, кДж/кг град, Св = 4,19 кДж/кг град;

G_в1 - расход воды, подаваемой на орошение в трубу Вентури, кг/с.

Принимаем G_в1 = G_г.

Дальнейший расчет ведем методом последовательного приближения.

Задаем значение температуры газа на выходе из скруббера t_г2, считая, что парогазожидкостная смесь на выходе из трубы Вентури находится в состоянии термодинамического равновесия.

Рекомендовано предварительно выбрать температуру в диапазоне от 47 до 52°С.

Будем считать, что t_г2= t_в2.

Парциальное давление водяного пара Р _парц в зависимости от температуры определяют в соответствии с таблицей 1.1.

Таблица 1.1 - Зависимость парциального давления от температуры газа.

Принимаем, что

Влажность газов (концентрация водяного пара, отнесенная к единице массы сухого газа):

где Р - атмосферное давление газа, Па.

Расход водяного пара, содержащегося на выходе из скруббера (кг/с):

;

Расход воды на выходе из скруббера Вентури определяем из уравнения материального баланса (кг/с):

;

Определяем количество тепла, которое выносится из скруббера с сухим газом (кДж/с):

;

где t_г2 - температура газа на выходе из скруббера Вентури, °С.

Количество тепла, выносимого из скруббера с вытекающей водой (кДж/с):

;

где t_в2 - температура воды, выходящей из скруббера, °С;

G_в2 - расход воды, выходящей из скруббера Вентури, кг/с.

Количество тепла, выносимого из скруббера с водяным паром, содержится в газе (кДж/с):

;

где і_п - энтальпия водяного пара, содержащегося на выходе из скруббера, кДж/кг.

При правильно заданной температуре t_г2 значения q₁ и q₂ отличаются не больше, чем на 5%. Для определения этой разницы рассчитывают размер относительного отклонения:

Так как относительное отклонение меньше 5%, то можно считать что температура 48?С является оптимально подобранной температурой на выходе со скруббера.

2.2 Расчет скруббера Вентури

Сначала рассчитаем вспомогательные параметры: фактическую плотность газа и объемный расход газа на выходе.

Фактическая плотность влажного газа на выходе из скруббера (кг/м³) определяетсяся по формуле:

где Р_б - барометрическое давление, Па;

Р_г2 - избыточное давление (разрежение) в газоходе на выходе из скруббера, Па.

В нашем случае значением Р_г2 из-за незначительного аэродинамического сопротивления участка газохода от скруббера до выхода из дымовой трубы можно пренебречь, то есть Р_г2 = 0 Па.

Объемный расход газа на выходе из скруббера (м³/с) определяется по формуле:

Необходимая степень очистки запыленного газа определяется по формуле:

где z₁ - запыленность неочищенного газа, г/м³;

z₂ - запыленность очищенного газа (при нормальных условиях), г/м³.

Суммарная энергия контакта, необходимая для достижения заданной степени очистки, определяем исходя из уравнения степени очистки (Дж/м³):

Таблица 1.2 - Параметры, которые используют для расчета степени очистки при помощи энергетического метода.

Подбираем параметр В и Х в соответствии с видом пыли, в исходных данных указано что образуется пыль мартеновской печи, которая работает на воздушном дутье, следовательно В=1,565*10^-6, Х=1,619.

Определяем давление жидкости, которая распыляется:

где Н - высота расположения оросительной форсунки над уровнем земли. Принимаем Н в пределах 5-20 м.

Решая уравнение для расчета Кч, рассчитываем гидравлическое сопротивление скруббера (Па) по формуле:

Объемный расход воды определяем по формуле (м³/с):

Учитывая, что

?Р_скр = ?Р_тв + ?Р_капл,

где ?Р_тв - гидравлическое сопротивление трубы Вентури, Па;

?Р_капл- гидравлическое сопротивление каплеуловителя,Па.

Гидравлическое сопротивление трубы Вентури равняется:

Гидравлическое сопротивление каплеуловителя определяется по формуле:

где окапл - коэффициент гидравлического сопротивления каплеуловителя (для каплеуловителя малогабаритного прямоточного циклона о_капл принимаем равным 18);

щ_ап - скорость газа в аппарате (рекомендуется принимать в пределах 4,5 - 5,5 м/с).

Находим скорость газа в горловине трубы Вентури, что обеспечивает ее гидравлическое сопротивление ?Р_тв.

Расчет ведут методом последовательного приближения.

Задаем значение скорости газа щг в пределах 50-170 м/с.

Рассчитываем гидравлическое сопротивление трубы Вентури при заданной скорости (Па):

где ?Р_г - доля гидравлического сопротивления, обусловленная движением газов, Па;

?Р_в - доля гидравлического сопротивления, обусловленная введением орошающей жидкости, Па.

где ог - коэффициент гидравлического сопротивления сухой трубы Вентури.

Доля гидравлического сопротивления, обусловленная введением оросительной жидкости, равна:

где - отношение длины к диаметру горловины трубы Вентури, задают в пределах от 1,5 до 3;

М - число Маха.



где щ_зв - скорость звука в газе, м/с;

где К - коэффициент адиабаты для воздуха (Па); К = 1,4;

Mr - молярная масса воздуха; принимаем Mr = 29.

Доля гидравлического сопротивления, обусловленная введением оросительной жидкости (Па) определяется по формуле:

с_в - плотность оросительной жидкости, кг/м³;

где m - удельный расход оросительной жидкости:

о_в - коэффициент гидравлического сопротивления, обусловленного введением оросительной жидкости:

Если значение полученного гидравлического сопротивления трубы Вентури при заданной скорости совпадает с ранее найденым, т.е. разница составляет не более 5%, то скорость газа в горловине трубы Вентури подобрана верно.

В результате расчетов была определена разница, которая составляет меньше 5 %, соответственно скорость в горловине трубы Вентури подобрана правильно.

2.3 Расчет конструктивных параметров скруббера Вентури

Конструктивные параметры трубы Вентури можно определить, пользуясь

расчетной схеме (рисунок1) и следующими соотношениями:

- скорость газа на входе в конфузор щ_к = 15 - 20 м/с;

- угол сужения конфузору а_к = 25 - 28?;

- скорость газа на выходе из диффузора щд = 15 - 20 м/с;

- угол раскрытия диффузора а_д= 6 - 7?.

Рис.2 Расчетная схема трубы Вентури: 1- конфузор; 2 - горловина; 3 - диффузор;

lк , lг , lд - длины соответственно конфузора, горловины и диффузора;

dк, dг, dд - диаметры, соответственно, конфузора, горловины и диффузора;

а_к/2, а_д/2 - половина угла, соответственно, сужение конфузору и раскрытия диффузора.

Диаметр горловины трубы Вентури определяем по формуле (м):

где F_г - площадь сечения горловины трубы Вентури, м²;

Диаметр конфузора трубы Вентури определяют по формуле (м):

где Fк -площадь сечения конфузора трубы Вентури, м²;

Диаметр диффузора трубы Вентури определяют по формуле, (м);

где Fд - площадь сечения диффузора трубы Вентури, м²;



Длина трубы Вентури определяется по формуле, (м):

uде lк , lг , lд - длины, соответственно, конфузора, горловини и диффузора, м.

Длину конфузора находим по формуле (м):

Длина горловины l_г определяется из ранее заданного соотношения (см. расчет. ог) - отношение длины к диаметру горловины трубы Вентури задают в диапазоне от 1,5 до 3.

Длину диффузора определяют по формуле, (м):

2.4 Определение конструктивных параметров каплеуловителя

Конструктивные параметры каплеуловителя можно определить, используя расчетною схему (рисунок 2) и следующими соотношениями:



Рис.3 Расчетная схема каплеуловителя: 1 - входной патрубок; 2 - выходной патрубок; ?_капл - высота каплеуловителя; а, в - габариты входного патрубка; с - расстояние от выходного патрубка до крышки каплеуловителя.

Диаметр каплеуловителя находим по формуле, (м):

где F_к - площадь сечения каплеуловителя, м^2.

Высоту каплеуловителя определяем по формуле, (м):

Скорость газа во входном патрубке щ_вх = 25 м/сек.

Отношение высоты к ширине входного патрубка а/в = 3.

Соотношение площадей входного и выходного патрубков составляет:

Площадь входного патрубка определяем по формуле, (м²):

Площадь выходного патрубка определяем исходя из вышеупомянутых соотношений площадей патрубков.

Диаметр выходного патрубка определяют по формуле (м):

Расстояние между выходным патрубком и верхней крышкой каплеуловителя (м) равна с = 0,1 d_капл.

2.5 Расчет оросительной форсунки

В качестве устройства для орошения в аппаратах мокрой очистки газов наиболее часто применяется тангенциальная форсунка, которой присущи простота и надежность в работе.

Ее расчетная схема представленная на рисунке 3.

Рис.4 Расчетная схема форсунки: d_с - диаметр сопла; d_вх - диаметр входного патрубка; R - эксцентриситет форсунки; D - внутренний диаметр камеры закручивания; l_вх - длина входного патрубка; H - высота камеры закручивания; l_с - длина сопла; а_кон - угол конусности на входе в сопло.

Задаем угол раскрытия факела б в интервале 60 - 90?.

С помощью графика (Рисунок 4) определяем геометрическую характеристику форсунки А, коэффициент расхода о и коэффициент заполнения сопла ц.

Рис.5 Зависимость параметров форсунки от геометрической характеристики А



При б=60?: А=0,8; о=0,63; ц=0,75.

Диаметр сопла определяем по формуле, (м):

Скорость вытекания воды из форсунки определяем по формуле,(м/с):

Задаем из конструктивных соображений диаметр входного патрубка d_вх.

При этом скорость воды в нем должна находиться в пределах 0,5 - 2,5 м/сек.

Площадь сечения входного патрубка определяют по формуле (м²):

Диаметр входного патрубка определяем по формуле, (м):

Эксцентриситет форсунки определяем по формуле (м):



Внутренний диаметр камеры закручивания определяем по формуле, (м):

Высоту камеры закручивания определяем по формуле, (м):

Длину входного патрубка определяем по формуле (м):

l_вх = (2 - 3) d_вх=3*0,14=0,42 м.

Длину сопла определяем по формуле (м):

l_с= (0,1 - 0,2) d_вх=0,1*0,14=0,014 м._.

Угол конусности на входе в сопла а_кон принимаем в интервале 90 - 120?.

Принимаем угол конусности равным 100?.



Раздел 3. Графическая часть

3.1 Расчет регулирующих характеристик трубы Вентури

Характеристика трубы Вентури представляет собой зависимость гидравлического сопротивления трубы Вентури ?Р_тв и степени очистки газов з от расхода газа Q_г1.

Зависимость гидравлического сопротивления от расхода газа

Гидравлическое сопротивление трубы Вентури определяют по формуле:

Долю гидравлического сопротивления, обусловленную движением газов, определяем следующим образом:

Долю гидравлического сопротивления, обусловленную введением оросительной жидкости, определяем по формуле:

Поскольку в формулах присутствуют показатели, не зависящие от расхода газа, сделаем следующую замену:



Подставляя полученные коэффициенты в формулу , получаем следующую формулу, (Па):

Рассчитываем гидравлическое сопротивление в трех точках. Имея эти данные, можно построить первую часть графика - зависимость гидравлического сопротивления трубы Вентури от расхода газа.

Для этого:

1) в первой точке: принимаем Q_г1(т.1)=0,5Q_г1=0,5*58,03=29,01 м³/с

щ_г(т.1)= 0,5щ_г=0,5*147=73,5 м/с

соответственно формула для расчета гидравлического сопротивления имеет вид:

2) во второй точке: принимаем Qг1(т.2)= Qг1=58,03 м³/с

щг(т.2)= щг=147 м/с

соответсвенно и ДРТВ(т.2)= ДРТВ' =8742,2 Па

3) в третьей точке: принимаем Qг1(т.3)=1,5Qг1=1,5*58,03=87,04м³/с;

щг(т.3)= 1,5щг=1,5*147=220,5 м/с

соответсвенно формула для расчета гидравлического сопростивления имеет вид:

Зависимость степени очистки от расхода газа

Для того, чтобы построить зависимость степени очистки от расхода газа,

также определяем степень очистки в трех точках.

Для этого:

1) в первой точке: принимаем Qг1(т.2)= Qг *0,5=0,5*58,03=29,01 м³/с;

щг(т.2)= щг*0,5=147*0,5=73,5 м/с

Рассчитываем предварительно гидравлическое сопротивление скруббера по формуле:

Рассчитываем степень очистки по формуле:

2) во второй точке: принимаем Qг1(т.2)= Qг1=58,03 м³/с;

щг(т.2)= щг=147 м/с

соответственно и з(т.2) = з=0,98=98%

3) в третьей точке: принимаем Qг1(т.3)=1,5Qг1=1,5*58,03=87,04 м³/с;

щг(т.3)=1,5щг=1,5*147=220,5 м/с

Рассчитываем предварительно гидравлическое сопротивление скруббера по формуле:

Рассчитываем степень очистки по формуле:

Характеристику строят графически в следующих координатах:

- ось абсцисс - объемный расход газа;

- первая ось ординат - значения гидравлического сопротивления трубы Вентури;

- вторая ось ординат - значения степени очистки газов.

3.2 Расчет регулирующих характеристик оросительной форсунки

Характеристикой оросительной форсунки является зависимость расхода оросительной жидкости Q_в1 от перепада давления Р_в.

Для построения графика зависимости используем следующую формулу для определение Q_в1 , которую получаем из формулы для определения диаметра сопла:

Для построения графика необходимо рассчитать три значения расхода воды

при Р_в(т.1) = Р_в=500.000 Па,

Р_в(т.2) = 0,5 Р_в=0,5*500.000=250.000 Па,

Р_в(т.3) = 0,25 Р_в=0,25*500.000=125.000 Па.

Характеристика строится графически в координатах:

ось абсцисс - перепад давления Р_в,

ось ординат - расход воды Q_в1.



Заключение

В результате проделанной работы была приведена схема и принцип работы скруббера Вентури, его технические характеристики, оптимальные характеристики работы скруббера.

Произведен расчет параметров дымового газа, осуществлен подбор температуры, конструктивных параметров трубы Вентури, каплеуловителя, орошающей форсунки.

Рассчитаны регулирующие характеристики трубы Вентури и орошающей форсунки.

Выполнены графики по регулирующим характеристикам.

Сделан чертеж схемы скруббера Вентури.



Список использованных источников

1. Экология города/Под ред.Стольберга Ф.В.- К.:Либра,2000.-464с.;

2. Очистка газов в химической промышленности, процессы и аппараты/Балабеков М.Ш.-М.: Химия, 1991.-256с.;

3. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ.изд. в 2-х частях. Пер. с англ./Под ред.Калверта С., Инглунда Т.М.: Металлургия, 1988.-706с.;

4. Очистка и рекуперация промышленных выбросов: Уч. пособие для вузов/Под ред.Максимова В.Ф., Вольфа И.В.2-е изд., перераб.-М.: Лесная промышленность, 1981.-640с.;

5. Методичні вказівки до виконання розрахунково-графічної роботи, практичних занять та самостійної роботи з дисципліни ?Інженерні аспекти аероекології? (для студентів 4 курсу денної форми навчання напряму підготовки 6.040106 ?Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування?)/Харк. нац. акад. міськ. гос-ва; уклад.:В. Є. Бєкєтов, О.С. Ломакіна. - Х.: ХНАМГ, 2010 - 59 с.;

6. Конспект лекций «Аппараты мокрой очистки газов» по дисциплине «Инженерные аспекты аэроэкологии» (для студентов 4-го курса дневной формы обучения направление подготовки 6.040106 «Экология, охрана окружающей среды и сбалансированное Природопользование»).Авт. Бекетов В.Е., Ломакина О.С., Коваленко Ю.Л.- Харьков: ХНАГХ, 2006.- 66с.

Размещено на Allbest.ru