Анализ процессов и расчёт аппаратов защиты окружающей среды

Введение

В соответствии со статьёй 42 Конституции Российской Федерации каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ней и возмещение ущерба, являющимся результатом экологического правонарушения. В соответствии с данным положением разработаны нормы экологического права, включающие Федеральные Законы, распоряжения Президента и Правительства, нормативные акты различных уровней власти.
Таким образом, защита окружающей среды и снижение антропогенного воздействия на окружающую среду являются приоритетными задачами нашего государства.
На предприятиях различных отраслей народного хозяйства указанные задачи решаются путем совершенствования используемых процессов и аппаратов защиты окружающей среды.
Целью работы является приобретение навыков расчёта основных процессов и аппаратов защиты окружающей среды путём выполнения курсовой работы.
Цель работы достигается посредством выполнения ряда задач – изучения принципов работы аппарата, выявления достоинств и недостатков применяемого процесса, изучения особенностей эксплуатации аппарата, его конструктивный расчёт и выполнения конструктивной схемы.
 
1 Аппараты сухой механической газоочистки (циклон)

1.1 Принцип работы циклона

Подавляющее большинство промышленных выбросов и сбросов представляют собой дисперсные системы, и основная задача использования процессов и аппаратов защиты окружающей среды заключается в разделении дисперсных систем.
Дисперсная система, как правило, включает две или большее число фаз, разделенных границей раздела фаз. Сплошная фаза называется дисперсионной средой, вторая же, диспергированная в первой – дисперсной фазой. В рамках работы мы рассматриваем процессы и аппараты защиты гидросферы и атмосферы, а значит, будем рассматривать системы, в которых дисперсионной средой являются вода или воздух – суспензии, эмульсии, пены и аэрозоли.
Наличие границы раздела фаз, поверхностной энергии обуславливает возникновение поверхностных явлений – поверхностного натяжения, адсорбции, адгезии, капиллярных явлений, смачивания и возникновения двойного электрического слоя, которые, в свою очередь, обуславливают появление у дисперсных систем особых оптических и молекулярно-кинетических свойств, а у ряда систем – седиментационной и агрегативной устойчивости. Таким образом, при проектировании процессов и аппаратов защиты окружающей среды, предназначенных для разрушения и разделения дисперсных систем, следует учитывать условия, снижающие устойчивость данной конкретной системы.
На жидкость и газы действует ряд сил – силы тяжести, инерции, поверхностного натяжения, упругости, внутреннего трения, а также гидравлическое давление. Соотношение указанных сил и его изменение лежат в основе методов, применяемых для разделения дисперсных систем.

Уравнение материального баланса процессов разделения для материальных потоков выражается формулой 1:

G_см 〖=G〗_ос 〖+G〗_оч (1)
где G_i - расход смеси, осадка и очищенной среды соответственно, кг.

Уравнение материального баланса процессов разделения по выделяемому компоненту выражается формулой 2:

G_см 〖∙x_см=G〗_ос 〖∙x_ос+G〗_оч∙x_оч (2)
где x_i – массовая доля компонента в соответствующем потоке, кг/кг.

Циклоны применяют, как правило, для разделения аэрозолей и суспензий. В рамках работы рассматривается применение циклона для очистки газов от пыли, то есть мы имеем дело с аэрозолем – дисперсной системой, где дисперсионная среда – воздух, дисперсная фаза – взвешенные твердые частицы [1,3,11].
Действие циклонов и центрифуг заключается в интенсификации процессов осаждения под действием гравитационных сил за счёт действия инерционных сил. У циклонов это достигается особым расположением входного патрубка, которое обеспечивает тангенциальную подачу газопылевого потока и ведёт к увеличению скорости осаждения согласно формуле 3:

w_(ос.ц.)=K_р∙w_(ос.гр.) (3)
где w_(ос.ц.) – скорость осаждения в поле центробежной силы, м/с;
K_р – центробежный фактор разделения, безразмерен;
w_(ос.гр.)– скорость осаждения в поле гравитационных сил, м/с.

На нахождении скорости осаждения под действием гравитационных сил подробнее остановимся при расчёте песколовки. Исходя из формулы, очевидно, что под инерционной силой подразумевается центробежная сила, возникающая в результате тангенциального движения смеси. Центробежный фактор разделения равен соотношению центробежной силы и силы тяжести, для одной и той же частицы – соотношению центробежного ускорения и ускорения свободного падения, согласно формуле 4:

K_р=a_ц/g (4)
где a_ц – центробежное ускорение, м/с2;
g – ускорение свободного падения, м/с2.

Выразим центробежное ускорение через окружную скорость движения потока согласно формуле 5:

a_ц=v^2/R (5)
где v – окружная скорость потока, м/с;
R – радиус аппарата, м.

Подстановкой 5 в 4 получим итоговое выражение для определения центробежного фактора разделения, формулу 6:

K_р=v^2/(R∙g) (6)


Другой важнейшей характеристикой при расчёте аппарата является его гидравлическое сопротивление, определяемое по формуле 7 – формуле Дарси - Вейсбаха:

∆p=λ∙l/d∙(ρ∙w^2)/2 (7)
где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;
l – длина аппарата, м;
d – диаметр аппарата;
ρ – плотность смеси, кг/м3;
w – условная скорость потока в аппарате, м/с.

Отметим, что коэффициент сопротивления зависит от конструктивных особенностей аппарата и числа аппаратов в батарейных циклонах [1,4].
Основным материалом для изготовления циклонов является нержавеющая сталь марки 06ХН28МДТ. В таблице 1 приведём схемы основных типов аппаратов, их описание будет приведено в дальнейшем в подразделе 1.2 и таблице 2.

Таблица 1 – Схемы основных типов циклонов

Тип циклона Схема
Цилиндрический













Продолжение таблицы 1

Тип циклона Схема
Конический
Батарейный


1.2 Достоинства и недостатки

Здесь рассмотрим основные типы циклонов, их конструктивные особенности, достоинства и недостатки.
Циклоны применяются для очистки газов от взвешенных твердых частиц диаметром более 10 микрометров, для очистки от частиц с размерами в интервале 5 – 10 микрометров применяют батарейные циклоны.
Большинство циклонов обладают следующими конструктивными элементами – цилиндрический и конический части корпуса, крышки, входного патрубка, выхлопной трубы и бункера для сбора пыли. В нашей стране принят стандартный ряд внутренний диаметров от 200 до 3000 миллиметров [4,5,6,14].
Основные достоинства циклонов – простота конструкции и, соответственно, относительная простота и дешевизна изготовления; небольшие размеры также снижают расход материала на изготовление аппарата, что опять снижает затраты на изготовления аппарата; стойкость к повышенным температурам и отсутствие подвижных частей увеличивают срок службы аппарата; осаждение частиц в сухом виде существенно упрощает эксплуатацию аппарата ввиду того, что удаляемый осадок не требует дополнительных операций по удалению влаги, сушке осадка.
Основные недостатки циклонов – при наличии абразивных частиц в потоке существенно увеличивается износ внутренних поверхностей; существенны энергетические затраты на привод компрессоров, предназначенных для перемещения потока и создания высоких окружных скоростей порядка 20 метров в секунду, а также преодоления высоких гидравлических сопротивлений порядка 2500 паскаль.
Наиболее распространённые циклоны, их типы и характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Циклоны, их типы и характеристики