Расчетно-аналитический выбор пылегазоочистной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ПЭОТ

Курсовой проект

По дисциплине «Основы зашиты атмосферы и гидросферы»

По теме: «Расчетно-аналитический выбор пылегазоочистной установки»

Выполнила: ст. гр ЭК-41д

Юсупова Тамила

Проверил:

к.т.н.,доц. Макаров В.В

Севастополь 2013

Содержание

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПЫЛЕГАЗООЧИСТНОЙ УСТАНОВКИ

2. РАСЧЕТ АППАРАТОВ

2.1 Расчет осадительной камеры

2.2 Расчет циклона

2.3 Расчет скруббера Вентури

2.4 Расчет теплообменника

2.5 Расчет насадочного абсорбера

3. ОБОБЩЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА АНАЛИТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ПЫЛЕГАЗОВОЗДУШНОЙ УСТАНОВКИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

пылегазоочистной осадочный теплообменник

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

На машиностроительном предприятии имеется литейный цех, в состав которого входит электродуговая печь для выплавки стали. Производительность вагранки G=7,1 т/ч.

Удельное выделение загрязняющих веществ (q) следующее: пыль - 10кг, компонент газа - 18,5 кг/т. Необходимое количество вентиляционного воздуха на 1т выплавляемого чугуна составляет 1040 м3. Температура отходящих газов составляет Тг =2180С. Расчетная температура окружающего воздуха Тв=18,50С.

Источник выброса размещен от селитебной территории на расстоянии Х=48м. Спроектировать пылегазоочистную установку, обеспечивающую расчетные значения ПДВ по пыли и компоненту газа для источника выброса с трубой, имеющей высоту, Н= 23 м.

Средний дисперсионный и фракционный состав пыли

Размер частиц, мкм	0-2	2-4	4-6	6-8	8-10	10-25	25-40	40-50	50-75	>75
Фракционный состав, %	8.5	10,5	18,0	10	7,3	2,5	9,3	15,5	12,2	6,2

Физические параметры пыли и отходящих газов:

плотность газа, сг = 1,25 кг/м3;

плотность пыли, сп = 3300 кг/м3;

средний размер частиц пыли и ее дисперсия, dm = 20 мкм, уп = 0,334;

начальное давление газа, Рг = 120 кПа;

динамический коэффициент вязкости воздуха, м = 22,23*10-6 н*с/м2.

Газопылеочистная установка должна быть 4-х ступенчатая и состоять из последовательно соединенных аппаратов:

пылеосадительная камера - первая ступень;

циклон - вторая ступень;

скруббер Вентури - третья ступень;

охладитель газа - промежуточная ступень;

абсорбер - четвертая ступень.

Введение

Атмосфера всегда содержит определенное количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. К числу примесей, выделяемых естественными источниками, относятся: пыль (растительного, вулканического, космического происхождения, возникающая при эрозии почвы, частицы морской соли); туман, дымы и газы от лесных и степных пожаров; газы вулканического происхождения; различные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения и др. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

Антропогенное воздействие может быть различным по своему составу и зависит от типа предприятия (например, машиностроительное, химическое, энергетическое). Масштабы антропогенного загрязнения также зависят от мощности предприятия, их количества и сосредоточенности в рассматриваемом регионе. Основными источниками этих загрязнений является энергетика, промышленность, транспорт, сельское хозяйство и другие виды хозяйственной деятельности человека. Среди отраслей промышленности наибольшее количество загрязнений дает горнодобывающая, металлургическая, химическая промышленность, а наименьшее - машиностроительная и приборостроительная промышленности. Воздействие, оказываемое человеком на окружающую среду, велико.

Особенно острой проблема загрязнения атмосферы стала во второй половине ХХ века, характеризующейся чрезвычайно высокими темпами роста промышленного производства, выработки и потребления электроэнергии, выпуска и использования в большом количестве транспортных средств.

Самыми распространенными токсичными веществами, загрязняющими атмосферу, являются: оксид углерода, диоксид серы, оксид азота, углеводороды и пыль.

Кроме перечисленных выше веществ и пыли в атмосферу выбрасываются и другие более токсичные вещества. Так, например, вентиляционные выбросы заводов электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной, хромовой и других минеральных кислот, органические растворители и т.п. В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

В числовом виде выбросы в атмосферу предприятий и транспортных средств ежегодно по всему миру составляют 10 млрд.т. газов и пыли и столько же сажи, а в водоемы, реки и озера - более 500 млрд.т. загрязняющих стоков.

Неуклонный рост поступлений токсичных веществ в окружающую среду прежде всего отражается на здоровье населения, ухудшается качество продукции сельского хозяйства, снижает урожайность, преждевременно разрушает жилища, оказывает влияние на климат отдельных регионов и состояние озонового слоя Земли, приводит к гибели флоры и фауны.

В различных сферах производства для очистки выходящего газового потока от вредных веществ применяют пылегазоочистные установки. Это необходимо, если выходящий газовый поток превышает (после рассеивания его в воздухе) предельные значения ПДК.

Пылегазоочистная установка состоит обычно из нескольких ступеней для улавливания пыли различной дисперсности, это:

- оборудование для улавливания пыли сухим способом, к которому относятся циклоны, пылеосадительные камеры, вихревые циклоны, жалюзийные и ротационные пылеуловители, электрофильтры, фильтры;

- оборудование для улавливания пыли мокрым способом, к которым относится скруббер Вентури, форсуночные скрубберы, пенные аппараты.

Для очищения газа от вредных химических примесей необходимо установить абсорбер, адсорбер либо хемосорбер.

Принципиальная схема пылегазоочистной установки представлена на рисунке 1:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Схема очистки вентиляционного воздуха от пыли

1 - пылеосадительная камера;

2 - циклон;

3 - скруббер Вентури;

4 - охладитель газа;

5 - абсорбер.

1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПЫЛЕГАЗООЧИСТНОЙ УСТАНОВКИ

Объем и масса выбрасываемой пылегазовоздушной смеси в секунду рассчитывается по формуле:

V1= V*G/3600 (1.1);

М = q*G/3,6 (1.2);

где V - объем вентиляционного воздуха, м3/ч;

G - производительность, т/ч;

M - масса выбрасываемого компонента, г/с;

q - удельный выброс компонента.

V1 = 1040*6,2 /3600 = 1,79 (м3/с);

Мг.к. = 18,5*6,2 /3,6 = 31,86 ( г/с);

Мп= 10*6,2/3,6 = 17,22 (г/с);

Максимальная приземная концентрация на расстоянии от источника выброса (источник без очистных сооружений) определяется следующим образом:

Cm= , (1.3)

где А - коэффициент, учитывающий стратификацию атмосферы, для Украины А = 200;

М - количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседая вредных веществ в атмосфере. Для газов и мелкодисперсной пыли F =2;

- коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, =1

Н - высота источника выброса над уровнем Земли;

- разность между температурой, выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв, 0С:

= 218 - 18,5 = 199,5 (0С);

m, n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, определяются по формулам:

m = 1/ (0.67+0.1(f)1/2 + 0.34 (f)1/3);

Величина параметра f [м/ (с2 єС)], вычисляется по формуле:

f = 103 * (W02* D) / (H2* );

где W0 - средняя скорость выхода газо-воздушной смеси из устья источника выброса , м/с, принимается 10м/с ;

D - диаметр источника выброса, м. Определяется из условия:

S = V1 / W0= 0,785*D2

(м)

(),

m = = 1,075;

Для определения коэффициента n необходимо найти значение Vm по формуле:

Vm= ;

Vm = =1,56;

При 0,3 <Vm ? 2

n = 3 - [(Vm - 0,3)*(4,36 - Vm)]1/2

n = 3 - [(1,56- 0,3)]*[(4,36 - 1,56)]1/2 = 1,122

Максимальная приземная концентрация определяется по формуле:

Сm п. = = 1,804 (мг/м3);

Сm к.г. = = 3,338 (мг/м3 ) ;

Определяется расстояние Хm от источника выброса, при котором имеет место Сm:

Xm = d * Н (1.4);

где d - безразмерная величина, определяемая при Vm< 2 по формуле:

d = 4,95*Vm(1+0,28(f)1/3);

d = 4,95*1,56*(1+0,28*0,71) = 8,444;

Когда безразмерный коэффициент F = 2, величина Xm определяется по формуле:

Xm = ((5-F) / 4)*d*H (1.5);

Xm = ((5-2) / 4)*8,44*26 = 174,14 (м);

Далее сравниваются величины:

ПДК, (1.6)

1,804 ? 0,5 и 174,14 ? 48;

3,338 ? 0,05

Так как все условия не выполняются, то определяется предельно допустимый выброс для данного источника загрязнения следующим образом:

ПДВ =; (1.7);

где СФ к.г. = 0,2*ПДК = 0,2*0,05 = 0,1;

ПДВк.г. = = 0,382 (г/с);

СФ п = 0,2*ПДК = 0,2*0,5 = 1;

ПДВп = = 4,68(г/с);

Массовая концентрация пыли и газового компонента перед входом в пылегазоустановку:

Cвх= (1.8);

Cвх(пыли) = = 9620 (мг/м3);

Свх(к.г.)=(мг/м3)

Концентрация пыли и газового компонента после пылегазоочистной установки из условия обеспечения ПДВ определяется так:

Свых = ПДВ * 103/V1 (1.9);

Свых п. = (4,68*103)/1,79 = 2614,53 (мг/м3 );

Свыхг.к. = (0,382*103)/1,79 = 213,41 (мг/м3);

Эффективность очистки должна достигаться:

зi = 1 - Свых/ Свх (1.10);

зк.г. = 1 - 213,41/17800 = 0,98

зпыли=1-2614,53/9620=0,73

2. РАСЧЕТ АППАРАТА

2.1 Расчет осадительной камеры

Осадительные камеры представляют собой простейшие аппараты для улавливания пыли. Их изготовляют в виде полых камер круглого или прямоугольного сечения с бункером внизу для сбора пыли. Частицы в камерах осаждаются под действием гравитационных сил. Преимуществом таких аппаратов является простота изготовления, небольшое гидравлическое сопротивление и доступность применяемых материалов, что позволяет изготовлять их на неспециализированных предприятиях. К недостаткам следует отнести низкую эффективность пылеулавливания (40 -50%), особенно при улавливании мелкодисперсной пыли (< 20 мкм). Поэтому их зачастую используют как первую ступень очистки. Для увеличения эффективности работы устанавливают вертикальные перегородки, служащие для изменения направления движения газового потока. В таких аппаратах наряду с действием сил тяжести действуют и инерционные силы, под действием которых твердые частицы наталкиваются на препятствия и выпадают из потока. Скорость газа в осадительных камерах не должна превышать 1-1,5 м/с, в противном случае осевшие частицы могут подхватываться потоком и уноситься из аппарата.

По дисперсному и фракционному составу пыли учитываем, что диаметр частиц, который может осаждаться в камере 55 мкм.

Определяем величину критерия Архимеда:

, (2.1)

.

По величине определяется область, в которой происходит осаждение, и вычисляем число Рейнольдса по формуле:

При (2.2)

Так как , то критерий составит:

Вычисляем теоретическую скорость осаждения шарообразной частицы по формуле:

При , (2.3)

(м/с)

Проверка скорости выполняется по формуле:

(м/с)

Для не шарообразных частиц фактическая скорость осаждения меньше и определяется по формуле:

 (м/с);

где - поправочный коэффициент формы. Опытным путем установлено, что:

для круглой формы

для угловатых частиц

для продолговатых частиц

для пластинчатых частиц .

При неравномерном распределении:

; (2.4)

0,87*0,4+0,77*0,1+0,68*0,3+0,58*0,2 = 0,745

Уточняем фактическую скорость осаждения частиц:

(2.5)

(м/с);

Скорость газа в осадительной камере не должна превышать =1,2 м/с, в противном случае осевшие частицы могут подхватываться потоком и уноситься из аппарата. Оптимальная скорость газа в осадительной камере выбирается в пределах м/с. Принимаем =0,85 м/с.

Рассчитываем площадь сечения осадительной камеры по формуле:

(2.6)

 (м2).

Осадительная камера, как правило, выполняется прямоугольного сечения, длины сторон которого располагаются в горизонтальной плоскости. Находим высоту по формуле:

(2.7)

(м).

Схема осадительной камеры представлена на рисунке 2.1, а основные ее размеры рассчитываются по формулам (2.8) - (2.10), угол б = 150.



Рисунок 2.1 Схема осадительной камеры с перегородкой

(м) (2.8);

(м) (2.9);

Выполняем расчет периметра (П) для осадительной камеры с движением пылегазового потока с огибанием поперечных перегородок, который определяется по формуле:

П= (2.10)

П=(м)

Определяем параметр проскока частиц:

(2.11)

.

Определяется фракционная эффективность очистки пылеосадительной камеры:

(2.12)

После выбора и расчета геометрических характеристик камеры производим расчет потерь давления в ней. Для этого определяем скорость пылегазовоздушной смеси в сечениях А-А и В-В:

, (2.13)

где Si- площадь сечений А-А и В-В, равная:

;

;

где - диаметр входной трубы, равный:

;

(м);

= 1,1597 (м2);

= 2,105 (м2);

= 1,1597 (м/с);

= 0,85 (м/с);

Вычисляется эквивалентный диаметр в сечениях А-А и В-В, принимая во внимание, что

(2.14);

где - соответствующая площадь каждого сечения;

- соответствующий периметр каждого сечения.

;

;

4,428 (м);

= 6,156 (м);

= 1,047 (м);

= 1,368 (м);

Определяются числа Рейнольдса в каждом сечении:

 (2.15);

(2.16);

=90870,7;

= 65384,62;

Так как расчетное число Рейнольдса лежит в пределах от 4000 до 105, то коэффициент гидравлического сопротивления в сечениях А-А и В-В рассчитывается по формуле:

(2.17);

= 0,0198;

= 0,018;

Определяем потери давления на трение по формуле:

(2.18)

(Па).

Вычисляем потери давления на местные сопротивления по формуле:

(2.19)

где - коэффициент местного сопротивления при входе пылевоздушной смеси в камеру (происходит плавное расширение), =0,5

- коэффициент местного сопротивления при огибании перегородок,

- число перегородок, равное 3;

(Па).

Общая потеря в осадительной камере составит:

(2.20)

(Па).

2.2 Расчет циклона

Циклоны относятся к сухим пылеуловителям - это аппараты, в которых отделение частиц примесей от воздушного потока происходит механическим путем за счет сил гравитации, инерции, Кориолиса. Конструктивно сухие пылеуловители разделяют на циклоны, ротационные, вихревые, радиальные, жалюзийные пылеуловители. Схема циклона приведена на рисунке 2.2.1.

Принцип работы циклона основан на том, что газовый поток вводится через патрубок по касательной к внутренней поверхности корпуса и совершает вращательно-поступательные движения вдоль корпуса к бункеру. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклона пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Частицы пыли отделяются от газа в бункере за счет поворота газового потока на 1800. Газовый поток, освободившейся от пыли, образует вихрь и выходит из циклона через выходную трубу. Бункер должен быть герметичен, так как при разгерметизации бункера за счет подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу.

Рисунок 2.2.1 Схема цилиндрического циклона

Для расчета циклона необходимы следующие начальные условия:

средний размер частиц пыли dm = 20 мкм;

дисперсия пыли уп = 0,334, lgуп = 0,283;

тип циклона - ЦН-15У;

оптимальная скорость газа щг опт = 3,5 м/с.

Диаметр циклона вычисляется по формуле:

D = = = 0,8 (м) (2.2.2);

По выбранному диаметру циклона находим действительную скорость газа в циклоне, м/с:

W = 4*V1 / *n *D2 , (2.2.3);

где n - число параллельно установленных циклонов.

W = 4*1,79/(3,14*1*0,8 = 3,26 (м/с);

Коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона о рассчитывается по следующей формуле:

о = К1*К2* о500 (2.2.4);

где К1 - поправочный коэффициент на диаметр циклона, К1 = 1,0;

К2 - поправочный коэффициент на запыленность воздуха, К2 = 0,95;

о500 - коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм, о500 = 80.

о = 1,0 * 0,95* 80 = 76;

Гидравлическое сопротивление циклона вычисляется по следующей формуле:

?Р = о*(сг*щг2/2) (2.2.5);

?Р=76*(1,25*3,262 / 2) = 504,81 (Па)

Эффективность очистки газа в циклоне рассчитывается следующим образом:

з1 = 0,5*[1+Ф(х)] (2.2.6);

где Ф(х) - табличная функция от параметра х, определяемого по формуле:

х = (2.2.7);

Величина d50 определяется по уравнению:

d50= ;

где d50Т =8,5;

DТ = 0,6 (м);

спт = 1930 (кг/м3);

мТ = 22,2*10-6 (Па*с);

щТ = 3,5 (м/с);

щ=3,43 (м/с).

d50 = = 0,887*1;

х = 2,74;

Для х =2,74 Ф(х) = 0,9965.

з1 = 0,5*(1+0,9965) = 0,9983;

Далее выполняем проверочный расчет циклона, определяя наименьший диаметр частиц, которые полностью осаждаются по формуле:

dmin = , (2.2.8);

где n = 2;

R1 = 0,59 / 2 = 0,295 (м);

R2 = 0,8 / 2 = 0,4 (м);

W - скорость; W = 2,87 (м/с);

dmin = = 17,62 (мкм);

Промежуточное значение эффективности циклона определяется по формуле (2.2.9) и представлены на рисунке 2.3:

зi = ; (2.2.9);

di, мкм	1	5	10	15	16	17,62
зi, %	3	7	28	63	96	100

1. d1 = 1 мкм; з1 = 12 / 17,622 * 100% = 0,3%;

2. d2 = 5 мкм; з1 = 52 / 17,622* 100% = 8%;

3. d3 = 10 мкм; з1 = 102 / 17,622* 100% = 32%;

4. d4 = 15 мкм; з1 = 152 / 17,622* 100% = 72%;

5. d5 = 16 мкм; з1 = 162 / 17,622* 100% = 82%;

6. d5 = 17,62 мкм; з1 = 17,622 / 17,622 * 100% = 100%;

Рисунок 2.3 График функции зi (di)

Рисунок 2.2.2 Схема цилиндрического циклона

Геометрические характеристики циклона представлены в таблице 2.2.1

Таблица 2.2.1 Геометрические характеристики циклона

Геометрические характеристики (в долях от внутреннего диаметра циклона)	Обозначение	Числовое значение
Высота цилиндрической части	Нц	2,11
Высота заглубления выхлопной трубы	hт	2,11
Высота конической части	Нк	1,75
Внутренний диаметр выхлопной трубы	d	0,59
Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия	d1	0,3
Ширина входного патрубка	b	0,2
Высота внешней части выхлопной трубы	hв	0,4
Высота установки фланца	hфл	0,1
Высота входного патрубка	hп	0,11
Длина входного патрубка	l	0,6

2.3 Расчет скруббера Вентури

Скруббер Вентури относится к мокрым пылеуловителям. Они имеют широкое распространение, т.к. характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей (0,3-1,0 мкм), а также возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Однако они обладают и рядом недостатков, что ограничивает область их применения: образование в процессе очистки шламов, что требует специальных систем для его переработки; вынос влаги в атмосферу и образование отложений в отводящих газоотводах при охлаждении газов до точки росы; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли либо на поверхность капель жидкости, либо на поверхность пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения. Силы инерции действуют на частицы пыли и капли воды при их сближении. Эти силы зависят от массы капель и частиц, а так же от скорости их движения. Кроме этого на процесс осаждения влияют турбулентная диффузия, взаимодействие электрически заряженных частиц, процессы конденсации, испарения и др. Важным фактором, влияющим на эффективность мокрых пылеуловителей, является смачиваемость частиц жидкостью (чем лучше смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки).

Среди всех аппаратов наиболее широкое распространение получили скрубберы Вентури. Принцип работы скруббера следующий. Очищаемый газ поступает в приемный цилиндр и направляется в трубу Вентури. На входе трубы расположена форсунка. В форсунку центробежным насосом под давлением 300-500 кПа подается вода, которая распыляется и захватывает частички пыли, очищая тем самым газ, после чего сливается в отстойник. В отстойнике частицы пыли осаждаются на дно и периодически удаляются. Вода к центробежному насосу поступает через водяной затвор отстойника. Очищенный газ через циклон-каплеуловитель направляется дальше по технологическому циклу.

Расчет скуббера определяется геометрическими параметрами трубы Вентури. Схема скуббера Вентури представлена на рисунке 2.3.1

Рисунок 2.3.1 Схема скруббера Вентури

1 - конфузор;

2 - горловина;

3 - диффузор;

4 - скрубер центробежного типа (сепаратор);

5 - отстойник;

6 - бак для осветления жидкости;

7 - насос.

Диаметр горловины и ее длина определяются по формулам (2.3.1) и (2.3.2.) соответственно:

dг = (2.3.1);

lг = 1,25*dг (2.3.2);

где щ1 - скорость очищаемого газа в горловине трубы, щ1 = 100 (м/с).

dг =

lг = 1,25*0,151 = 0,1887 (м)

Диаметрывходного сечения конфузора и выходного диффузора рассчитываются следующим образом:

Dк = 1,12* (2.3.3);

DД = 1,12* ; (2.3.4);

Dк = = 0,355(м)

DД == 0,2997 (м)

где щ2, щ3 - скорости газа на входе в конфузор и на выходе из диффузора соответственно; щ2 = 20 (м/с), щ3 = 25 (м/с).

Диаметр форсунки определяется по формуле (2.3.5):

dф = (2.3.5);

где о - коэффициент расхода жидкости; о = 2,5;

сж - плотность жидкости; сж = 1000 кг/м3;

Lж - расход раствора через форсунку, м3/с, определяется по формуле (2.3.6);

Р - давление жидкости перед форсункой, Р = 150 000 Па;

nф - число форсунок, принимается из расчета, что максимальный диаметр орошения 200 мм, т.е. при Dк ? 200 мм количество форсунок определяется по формуле (2.3.7).

Lж = m*V1 (2.3.6);

m - удельный расход жидкости; m =0,001

Lж = 0,001*2,05 = 0,00205 (м3/с)

nф = Dк2/0,22 (2.3.7);

nф = 0,422/0,22 = 4,5

dф = = 0,0026 (м);

Соответственно рассчитываем длину конфузора и диффузора:

(м),

(м),

где - угол раскрытия конфузора и диффузора соответственно 200 и 70(15…28;6..8)

(м),

(м).

Определяем параметры l3 и l4:

l3 = 1,5*Dк

l3 = 1*0,335 = 0,5025 (м);

l4 = 1*DД

l4= 1*0,2997 = 0,2997 (м);

Диаметр сепаратора рассчитывается по формуле:

Dс =

Dс = = 1,06 (м);

где щс - скорость смеси, щс = 2 (м/с).

Гидравлическое сопротивление скруббера определяется сопротивлением трубы Вентури:

?Р = 0,12*(сг*щ12/2) + 0,6*(m* сж* щ32/2) (2.3.8);

?Р = 0,12*(1,25*602/2) + 0,6*(0,001* 1000*202/2) = 390 (Па);

Эффект очистки Скруббера-Вентури рассчитывается по формуле:

з = ;

где n - коэффициент, n = 0,28.

Е - параметр, определяемый по формуле:

Е = ?Р + P*m* сж* щc2/2 (2.3.9);

Е=937,5 +( 150000*0,001*1000*22 /2) = 300937,5

.

2.4 Раcчет теплообменника

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена;

2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Значительно реже применяются в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами (насадкой), заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, а другая - в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло,- в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные зоны».

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой, причем особенно прочное соединение достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки.

Кроме того, используют закрепление труб сваркой, если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой, применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников, допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

Составим уравнение материального баланса:

(2.4.1)

Определяем количество теплоты по выражению:

,

где - расход газа, определяемый по формуле;

,

где - удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/кг;

- температура входящего газа, равная 218 0С;

- температура выходящего газа, соответственно 30 0С.

(кг/с)

(Дж/кг град)

Расход воды составит:

,

где - удельная изобарная теплоемкость воды, равная 4,18 КДж/кг0С;

- температура воды на выходе и равна 55 0С;

- температура воды на входе соответственно 150С;

(кг/c)

Поверхность теплообмена определяется по формуле:

,

где К- коэффициент теплопередачи, Вт/м2 0С

,

где - коэффициент теплоотдачи от ядра потока, движущейся среды к стенке: ;Вт/м2 0С

- коэффициент теплопроводности; Вт/м 0С;

- наружный диаметр трубки, равный 0,020 м;

- внутренний диаметр трубки; соответственно 0,016 м;

(Вт/м2 0С)

Средний температурный напор составит:

,

из графика на рис (2.4.1) определим:

;

;

(єС)

(єС)

(єС)

Рисунок 2.4.1 Схема движения теплоносителей

(мІ)



Рисунок 2.4.2 Схема кожухотрубного теплообменника

Определяем конструктивные параметры теплообменника.

Из опыта известно, что при таком расположении трубок коэффициент заполнения равен:

,

где S1- площадь, занимаемая трубным пучком,

Sтр- площадь, занимаемая трубным пучком.

Принимаем, что =0,8.

Принимаем, что Wг=5 м/с , тогда

(м2)

(шт)

D=

D=

Длина теплообменника составит:

Ширина крышки определяется по формуле:

.

(м)

Общая длина теплообменника определяется из выражения:

,

(м)

2.5 Расчет насадочного абсорбера

Абсорбционные методы санитарной очистки газов основаны на способности жидкостей растворять газы. В процессе абсорбции участвуют две фазы - жидкая и газовая. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, называют абсорбционным компонентом, или абсортивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, или инертным газом. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем или абсорбентом. Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберами.

Различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию). При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, которое не сопровождается химической реакцией. При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонные аппараты, заполняемые насадкой. Контакт газа с жидкостью в таких аппаратах происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость.

Насадочный абсорбер выполнен в виде цилиндра, в нижней части которого установлена опорная решетка. На решетку укладывают насадку. Орошающая жидкость подается на насадку сверху с помощью специальных оросительных устройств. В нижней части аппарата имеются штуцера для подачи газа, отвода жидкости. Штуцера для подачи жидкости и отвода газа расположены в верхней части аппарата.

От правильного выбора типа насадки и ее укладки завися гидравлический режим и эффективность работы абсорбера. Наибольшее применение получила цилиндрическая кольцевая насадка - кольцо Рашига, представляющая собой тонкостенные тела, наружный диаметр которых обычно равен высоте.

Спроектировать насадочный абсорбер для очистки газа от диоксида углерода раствором (суспензией) Ca(OH)2 при следующих условиях: степень очистки з=99%; температура раствора Ca(OH)2 , подаваемого на орошение - 30єС. Процесс протекает при атмосферном давлении P=10,133·104 Па.

Определим объемные начальные и конечные концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси:

Vr = V1*3600 (м3/ч),

Vr =1,79*3600=6444 (м3/ч) ;

Мг.к = Свх * V (кг/ч),

Мг.к = 0,00962011*6444 = 110,99 (кг/ч);

; (2.5.1)



,

где - масса извлекаемого компонента, кг/ч;

- объем извлекаемого компонента, м3/ч;

, - начальная и конечная концентрация, %.

Определяем количество инертного газа и диоксида углерода, поступающих в абсорбер, из уравнения:

, (2.5.2)

где - удельная газовая постоянная, зависящая от молекулярной массы инертного газа и извлекаемого компонента соответственно;

R - универсальная газовая постоянная. R=8,31·103 Дж/(кмоль·град),

- объем инертного газа и извлекаемого компонента соответственно, м3/ч.

Определяем парциальное давление компонента на входе в абсорбер:

(Па) (2.5.3)

Определяем парциальное давление инертного газа на входе в абсорбер:

(Па)

Определяем удельные газовые постоянные для инертного газа и извлекаемого компонента

(2.5.5)

Тогда, используя уравнение (5.2.2)

(кг/ч);

Концентрация Н2 в поступающем газе, в килограммах на 1 кг инертного газа составит

(кг/кг) (2.5.6)

Количество поглощаемого Н2:

; (2.5.7)

(кг/ч).

Тогда

(кг/ч)

Определяем массу газа на выходе:

(2.5.8)

(кг/ч)

Действительный расход поглотителя составит:

(кг/ч)

(кг/ч)

Содержание Н2 в уходящем поглотителе на 1 кг раствора составит

(2.5.9)

(кг/кг).

Принимаем

Удельный расход поглотителя

(2.5.10)

( кг/кг)

Полный расход поглотителя

(2.5.11)

(кг/ч)

Уравнение материального баланса абсорбера имеет вид

(2.5.12)

Погрешность

(кг/ч)

(кг/ч), что допустимо.

Решение уравнений массопередачи

Из уравнения рабочей линии

,

принимаем L/G=l, тогда

(2.5.13)

Ограничимся определением в точке, соответствующей среднему значению :

кг/кг

Для этой точки из (4.13) получим :

(2.5.14)

=(0,00385-0,0083+1,847*0,0041)/1,877 = 0,00173 (кг/кг)

Для построения линии равновесия на входе газа принимаем

0,0041кг/кг; =0,0083 кг/кг.

Парциальное давление диоксида углерода над раствором на входе газа составит

P*= Па.

Равновесное значение

=P*/P;

=0,0299 ( кг/кг).

Аналогично на выходе газа:

=0;

=0,000603 ( кг/кг).

Для средней точки:

=0,00173 (кг/кг);

(кг/кг);

P* Па

=3066,85 / 101330=0,03027 кг/кг.

Исходя из полученных данных, можно построить график:

Рисунок 2.5.1 График уравнений рабочей линии и линии равновесия

Определяем

(кг/кг)

(кг/кг)

Сравниваются численные значения и. То значение, которое больше принимается , а то значение, которое меньше -

Находим среднюю движущую силу процесса

Движущая сила для переноса водорода:

=0,0436 кг/кг , = кг/кг.

(кг/кг)

Число единиц переноса:

;

= (0,0083-0,000603) / 0,005867 =1,3119

В качестве насадки выбираем кольца Рашига размером 25х25х3 мм.

По приложению А определяем характеристику насадки: а=100 м2/м3; е=0,735 м3/м3; dэкв=0,027м; штук 8500 в м3; с=670 кг/м3.

Плотность смеси воздуха и водорода:

;

(6712,35*1,29+59,496*0,099) / (6712,35+55,496) = 1,2802 (кг/м3).

Плотность и вязкость жидкости =999 кг/м3; =0,0008 Па?с

Площадь сечения абсорбера определяется из условия скорости газа к свободному сечению аппарата =1 - 2 м/с. Принимаем =1,8 м/с.

,

.

Sa= 6767,846/(3600*1,8*1,2802) = 0,8158 ( м2).

Откуда диаметр аппарата:

DA=;

DA==1,019 (м).

Определим высоту единицы переноса (ВЕП):

- для газовой фазы:

hГ=0,615*dЭ*Re0,345*Pr2/3;

-для жидкой фазы:

hж=119* QПРИВ *Reж0,25*Prж0,5

где QПРИВ. - приведенная толщина пленки жидкости, м;

QПРИВ.=;

Коэффициент диффузии кислорода в газе-носителе (воздухе) при 30єС, определяется по формуле:

;

где D0 - коэффициент диффузии О2 в воздухе при P=101330 Па и 0 єС (D0=0,175*10-4 м2/с),

Т - абсолютная температура газа, К;

Т0 - температура, при которой определен коэффициент диффузии, К.

(м2/с).

Критерий Рейнольдса для смеси:

где а - удельная поверхность колец Рашига,

=G/(3600*Sa) -массовая скорость,

= 6767,846 (кг/ч),

=6767,846 /(3600*0,8158)=2,3044 (кг/м2?с) ;

=0,0084?10-3 Па?с.

= 10952,381.

Критерий Рейнольдса для жидкой фазы:

,

где =Lо/(3600*Sa) = 14065,57 / (3600*0,13) = 30,054 ( кг/м2?с);

=0,8?10-3 Па?с

Коэффициент диффузии О2 в жидкой фазе при 20єС определяется по справочным данным. D20=0,0305*10-5 м2/с.

Коэффициент диффузии D30 при 30єС определяется из уравнения:

DЖ30=D20*[1+bt*(t-20)]

DЖ30=0,0305*10-5 *[1+0,0179* (30-20)]=0,036*10-5 (м2/с),

где bt - температурный коэффициент:

.

Диффузионное число Прандтля для газа:

PrГ=мсм/(ссм*DГ)

PrГ=0,0084*10-3/(0,09*7,13*10-3)=1,31

Диффузионное число Прандтля для жидкости:

PrЖ=мЖ/(сЖ*D30)

PrЖ=0,8*10-3/(999*0,036*10-5)=2,23

Высота единицы переноса для газовой фазы:

hГ=0,615*0,027*10952,381 0,345*1,312/3=0,491 (м).

Высота единицы переноса для жидкой фазы:

hЖ=119*4,69*10-4*228,50,25*2,230,5=0,324 (м),

QПРИВ.=(м);

Суммарная высота единицы переноса:

где УГ и УЖ - коэффициент ухудшения массоотдачи в газовой и жидкой фазах, находятся в пределах УГ=0,85ч0,97; УЖ=0,9ч0,995. Принимаем УГ=0,97; УЖ=0,995.

Константа фазового равновесия для средней точки:

.

,

тогда :

.

С учетом значений NОГ и hОГ высота насадки составит:

hН=1,3119*0,59=0,77 (м).

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой равно 0,8*Da. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера примем 0,5*Da. Тогда общая высота абсорбера

Ha= hН+0,8*Da+0,5*Da

Ha= 0,77+0,8*1,019+0,5*1,019=2,099 м.

Гидравлическое сопротивление сухого аппарата:

где при Rе > 40 е0=16/ReГ0,2 е0=16/174250,2 =2,27

Rе < 40 е0=140/ReГ

щК - действительная скорость газа в абсорбере ( щК =щГ/е), где е - свободный объем насадки

щК =2,3044/0,735=3,14

(Па)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

,

где ;

LОР - плотность орошения.

(м3/(м2?ч))

в*103 - керамические кольца Рашига

50; 50 мм;

M=1048*15,462*0,001=5,52

Па.

Эффективность абсорбера:

3. ОБОБЩЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА АНАЛИТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ПЫЛЕГАЗОВОЗДУШНОЙ УСТАНОВКИ

Общую эффективность очистки от пыли и газа определяется по формуле:

з=[1-(1- з1)*(1- з2)*(1- з3)*(1- з4)], (5.1)

где зi - эффективность очистки после i-той ступени.

Итого общая эффективность:

= 1 - [ (1 -0,98) * (1 -0,9983) * (1 -0,99999999999977) * (1-0,9899) ] = 0,9999.

Суммарные потери давления пылегазоочистной установки определяется по формуле:

(Па)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсового проектирования при расчете пылегазоочистной установки обеспечили необходимые предельно-допустимые концентрации по выбросу пыли и газа в селитебной зоне.

Чтобы достичь максимальной эффективности применили четырехступенчатую пылегазовую установку: осадительная камера - циклон - скруббер Вентури - абсорбер.

Общая эффективность очистки от пыли составит: = 0,9999.

Суммарные потери давления пылегазоочистной установки определяется по формуле: (Па).

Предложенный метод, состоящий из четырех ступеней, дает общую эффективность очистки 0,9999, это вполне приемлемый показатель.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Макаров В.В. Основы защиты воздушного бассейна: Учеб. пособие.- Севастополь: СевНТУ, 2003.-282 с.

2. Методические указания к выполнению курсового проекта по специальности 040106 «Экология и охрана окружающей среды»/Сост. В.В. Макаров. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2009-28с.

3. Макаров В.В. Курс лекций по дисциплине “Основы защиты атмосферы и гидросферы”, СевНТУ, 2013г.

4. Расчет насадочного абсорбера: Методические указания к раздела курсового проекта по дисциплине «Основы защиты атмосферы и гидросферы»/ Сост. В.В.Макаров, С.Ю. Вышкварка. - Севастополь-Издательство-СевНТУ, 2013. - 26с.

5. Характеристика циклона типа ЦН-24. [Электронный ресурс]-Режим доступа: http://www.energomash.ru/ciklon_cn-24

Размещено на Allbest.ru