КОЛЛЕКТИВНЫЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ Книга 1

																Т а б л и ц а 2.15
	б/эпомещ	10,852	26,816		57,003	76,727				76,996	76,996			77,904		77,904
	б/эпом	0,090	0,222		0,472	0,636				0,638	0,638			0,646		0,646
	б/э	11,924	34,478		108,046	210,723				212,769	212,769			219,847		219,847
																Т а б л и ц а 2.16
	hа1_иш				0,500		Rв2								0,707
	hа1_рт				0,500		Rпр								0,500
	hа2_иш				0,500		dпр								0,502
	hа2_рт				0,500		Rотр								0,707
	dа1				0,502		dотр								0,502
	dа2				0,502		Sокон								10,500
	dи1				0,502		Sдвери1								4,880
	dи2				0,502		Sдвери2								2,310
	Rа1				0,707		Sпов								76,020
	Rа2				0,707		Sэкрана								1,000
	Rв1				0,707		Sпола								26,950
																Т а б л и ц а 2.17
	R, м												0,500
	d, м												0,050
	a, м												1,000
	b, м												1,000
	hАЭ, м												0,000
														Окончание табл. 2.17
	hИШ , м												0,500
	hРТ , м												0,500
	bd1РТ , м												0,500
	bd1ИШ , м												0,500
	bd2РТ , м												0,500
	bd2ИШ , м												0,500
	C , м/с										340,000

Библиографический список

1.Борьба с шумом на производстве: справочник / Под ред. Е.Я. Юдина. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

2.Инструкция по проектированию и расчету шумоглушения строительно-акустическими методами на предприятиях черной металлургии. Челябинск, ВНИИ ТБ чермет, 1997. 90 с.

3.Иванов, Н.И. Основы виброакустики: учебник для вузов /Н.И.Иванов, А.С.Никифоров. СПб.: Политехника, 2000.

482с.

4.Лагунов, Л. Ф. Борьба с шумом в машиностроении / Л.Ф.Лагунов, Г.Л.Осипов. М.: Машиностроение, 1980. 150 с.

5.Лопашов, Д. З. Методы измерения и нормирования шумовых характеристик / Д.З.Лопашов, Г.Л.Осипов, Е.Н.Федосеева. М.: Изд-во стандартов, 1983. 232 с.

6.Рекомендации по акустическому благоустройству вычислительных центров и машиносчетных станций. М.: Стройиздат, 1984. 80 с.

7.Техническая акустика транспортных машин: справочник / Под ред. Н. И. Иванова, Л.: Политехника, 1992. 365 с.

8.Диментова, А. А. Таблицы газодинамических функций: справочное пособие / А.А.Диментова, Ф.С.Рекстин,

В.А.Рябов. М. – Л., 1996. 138 с.

9.Справочник проектировщика. Защита от шума / по ред. Е. Я. Юдина. М., 1974. 134 с.

10.СНиП 23-03-2003 Защита от шума.

3.ОЧИСТКА ВОЗДУХА ОТ ПРИМЕСЕЙ

3.1. Общая характеристика примесей, загрязняющих воздух

Очистка воздуха от примесей может производиться как при подаче его в производственные помещения, так и при удалении из них. В первом случае основной целью является защита работающих, а во втором – защита атмосферы и окружающей среды от загрязнений.

31

Из производственных помещений с отходящими газами в атмосферу поступают твердые, жидкие, паро- и газообразные неорганические и органические вещества. В зависимости от агрегатного состояния примеси подразделяют на твердые, жидкие, газообразные и смешанные.

Отходящие газы, содержащие взвешенные твердые и жидкие частицы, представляют двухфазные системы, при этом сплошной фазой является воздух (газ), а дисперсной – твердые частицы и капельки жидкости. Такие аэродисперсные системы, называемые аэрозолями, подразделяют на пыли, дымы и туманы. Пыли представляют собой аэрозоли, содержащие твердые частицы размером от 5 до 50 мкм, а дымы – от 0,1 до 5 мкм. Туманы – это аэрозоли, содержащие капельки жидкости размером 0,3 ... 5 мкм. Дисперсные капли образуются в результате осуществления технологических процессов, связанных с конденсацией паров или с распылением жидкостей.

Для очистки вентиляционных выбросов от аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электротехнические методы. В основе работ сухих очистных аппаратов лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мокрых очистных аппаратах осуществляется контакт аэрозолей с жидкостями, за счет чего происходит их осаждение на поверхность газовых пузырей, содержащихся в жидкости, на пленку жидкости или на ее капли. В электрофильтрах вначале сообщают заряд аэрозолям, а затем их осаждают на электродах, имеющих противоположный заряд по отношению к заряду аэрозолей [1].

Для очистки вентиляционных выбросов от газообразных и парообразных примесей применяют следующие методы: абсорбции (физической или химической), адсорбции, каталитические, термические, конденсации и компримирования [1].

Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата прежде всего необходимо располагать сведениями о дисперсном составе пылей и туманов. Дисперсный состав пыли обычно характеризуют медианным размером частиц d50, при котором доли частиц, размером более и менее медианного, равны.

В зависимости от медианного размера весь диапазон пылей подразделяют на пять групп: 1 – очень крупнодисперсная, медианный диаметр более 140 мкм; 2 – крупнодисперсная – 40 ...

140 мкм; 3 – среднедисперсная – 10 ... 40 мкм; 4 – мелкодисперсная – 1 ...10 мкм; 5 – очень мелкодисперсная – менее 1 мкм.

В машиностроении и приборостроении в основном образуется средне- и мелкодисперсная пыль, а в ряде случаев и очень мелкодисперсная, например сварочный аэрозоль.

3.2. Расчет рукавного фильтра

Рукавные фильтры относятся к тканевым фильтрам, и они наиболее распространены, так как их использование постоянно расширяется в связи с созданием новых тканей, температуростойких и устойчивых к воздействию агрессивных газов. В основе их работы лежит процесс фильтрации газа через пористую ткань, в ходе которого твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее. По данным практики, остаточная концентрация пыли после тканевых фильтров составляет 10 ... 50 мг/м3 [1].

Аэродинамические свойства фильтровальных тканей характеризуются воздухопроницаемостью – расходом воздуха при определенном перепаде давлений, обычно равном 49 Па. Воздухопроницаемость выражается в м3/(м2 мин); численно она равна скорости фильтрации (м/мин) при давлении 49 Па. Сопротивление незапыленных тканей при нагрузках 0,3 ... 2 м3/(м2 мин) обычно составляет 5...40 Па.

По мере запыления аэродинамическое сопротивление ткани возрастает, а расход газа через фильтр уменьшается. Фильтр регенирируют путем продувки в обратном направлении, механического встряхивания или другими методами. После нескольких циклов "фильтрация – регенерация" остаточное количество пыли в ткани стабилизируется, при этом оно соответствует так называемому равновесному пылесодержанию ткани и остаточному сопротивлению равновесно запыленной ткани. Конкретные значения этих величин зависят от типа фильтрующего материала, размера и свойств пылевых частиц, относительной влажности газов, метода регенерации и других факторов.

3.2.1. Порядок расчета рукавного фильтра

Цель расчета – определить площадь фильтровальных элементов, гидравлическое сопротивление фильтровального элемента и мощности привода вентилятора.

32

Исходные данные: объем газа, поступающего на очистку, м3/ч; допустимая воздухопроницаемость (скорость фильтрации) qn, м3/(м2 мин); входная концентрация пыли qвх, г/м3; дисперсность пыли, характеризуемая значением d50, мкм; требуемая эффективность очистки газового потока от пыли, температура очищаемого газа.

1. Определяем воздухопроницаемость фильтровального элемента [2]:

q qnc1c2c3c4c5 ,

(3.1)

где q – воздухопроницаемость фильтровального элемента, м3/(м2 мин); qn – допустимая воздухопроницаемость фильтровального элемента, м3/(м2 мин); c1 – коэффициент, учитывающий особенности регенерации фильтровального элемента; для тканевых фильтров c1 =1, для фильтров из нетканевых материалов c1 = =1,05...1,10; c2 – коэффициент, учитывающий влияние входной концентрации пыли;

qвх, г/м3			2			5	10	20		40	60		80			100
c2			1,15			1,04	1	0,96		0,9	0,87		0,85			0,83
c3 – коэффициент, учитывающий влияние дисперсного состава пыли;
d50, мкм					<3		3...10			10...50	50...100				500
c3					0,7...0,9		0,9			1	1,1				1,2...1,4
c4 – коэффициент, учитывающий влияние температуры очищаемого газа;
t, 0С			20			40	60	80		100	120		140			160
c4			1			0,90	0,84	0,78		0,75	0,73		0,72			0,70

c5 – коэффициент, учитывающий требования по эффективности очистки газа от пыли; при концентрации пыли в очищенном газе 30 мг/м3 c5 = 1, при концентрации пыли, не превышающей

10мг/м3, c5 = 0,95.

2.Определяем площадь поверхности фильтрующего элемента: F=Q/60q, где F – площадь поверхности фильтрующего элемента, м2; Q – объем газа, поступающего на очистку, м3/ч.

3.Определяем гидравлическое сопротивление фильтровального элемента, которое складывается из постоянной и переменной составляющих:

p pn pпер 10 k1μ(q/3600)n 10k2μ(q/3600)2 qвх η ,

где k1 – коэффициент, характеризующий сопротивление фильтрованного элемента после регенерации, 1/м; – вязкость воздуха (газа), Па с; n – показатель степени, зависящий от режима фильтрования, для ламинарного режима n = 1; k2 – параметр сопротивления слоя пыли, зависящий от медианного размера частиц пыли; его определяют экспериментально (k2 = 80 109 м/кг). При отсутствии экспериментальных данных величину переменной составляющей принимают в пределах 250 ... 300 Па для пыли с дисперсностью более 20 мкм и в пределах 600 ... 800 Па для более мелкой пыли; – продолжительность работы фильтра до регенерации фильтровального элемента, ч.

Исходя из практических и экономических соображений, общее гидравлическое сопротивление фильтра не должно превышать 0,75 ... 1,5 кПа [1].

4. Рассчитываем мощность электродвигателя вентилятора:

N	KQ p				,	(3.2)
	3600 1000 η	м
				в

где N в кВт; K – коэффициент запаса мощности (принимается 1,10 ... 1,15); Q – расход воздуха (газа) через аппарат очистки, м3/ч; p – гидравлическое сопротивление аппарата очистки, Па; м – КПД передачи мощности от электродвигателя к вентилятору (для клиноременной передачи 0,92...0,95); в – КПД вентилятора (лежит в пределах 0,65...0,80).

3.2.2. Пример расчета

Рассчитать рукавный фильтр из лавсановой ткани для очистки воздуха от пыли пластмасс с дисперсностью в пределах 10 ... 50 мкм и при входной концентрации 20 г/м3. Объем очищаемого

33

воздуха 2000 м3/ч, температура 20 0С. Выходная концентрация пыли не должна превышать 30 мг/м3. Вязкость воздуха 25 10-6 Па с.

1. Определяем значение коэффициентов, входящих в формулу (3.1).

Допустимую воздухопроницаемость фильтровального элемента (qм) для пластмассовой пыли принимаем равной 1,7 м3/м2 мин [4].

Для тканевых фильтров с1 = 1.

Для входной концентрации пыли 20 г/м3 с2 = 0,96.

Для дисперсного состава пыли в пределах 10...50 мкм с3 = 1. Для газового потока с температурой 20 0С с4 = 1.

При выходной концентрации пыли, непревышающей 30 мг/м3, с5 = 1. 2. Рассчитываем воздухопроницаемость фильтровального элемента:

q1,7 1 0,96 1 1 1 1,63 м3/(м2 мин).

3.Определяем площадь поверхности фильтровального элемента:

F2000 / 60 1,63 20,4 м2.

4.Рассчитываем гидравлическое сопротивление фильтровального элемента.

В связи с отсутствием экспериментальных данных о переменной составляющей гидравлического сопротивления фильтра принимаем ее для лавсанового фильтра, задерживающего пыль с дисперсностью при нижней границе, равной 10 мкм, 600Па [3].

Коэффициент k1, характеризующий сопротивление фильтровального элемента после регенерации для лавсановой ткани, составляет в среднем 1300 106 1/м [3];

p 10 1300 106 25 10 6 1,633600 1 600 147 600 747 Па.

5.Рассчитываем мощность электродвигателя вентилятора по формуле (3.2), принимая k = 1,13;

м = 0,92; в = 0,7:

N = 1,13 2000 747/3600 1000 0,92 0,7 = 0,73 кВт.

3.3. Расчет туманоуловителей

Для улавливания туманов применяют волокнистые и сеточные фильтры – туманоуловители. В основе их работы лежит принцип захвата жидких частиц волокнами при прохождении тумана через фильтрующий слой и непрерывный отвод уловленной жидкости из него.

Для улавливания туманов масел, кислот и других жидкостей применяют сеточные фильтры, если диаметр капель равен 5 мкм и более, и волокнистые фильтры при диаметре капель менее 5 мкм.

Волокнистые туманоуловители подразделяют на низкоскоростные (до 0,2 м/с) и высокоскоростные, когда скорость прохождения потока через них более 2 м/с. В них применяют волокна диаметром от 5 до 20 мкм, которые вырабатывают из стекол специального состава, полиэфиров, полипропилена, поливинилхлорида, фторопласта и других материалов [1].

Для очистки газов (воздуха) от крупнодисперсных капель используют туманоуловители на основе сеток. Сетки изготавливают из проволок диаметром от 0,1 до 0,3 мм, далее их гофрируют и укладывают в пакеты – сепараторы, толщиной от 50 до 300 мм. Сепараторы эффективно работают при концентрации пара в газах не более 100...200 г/м3 [1].

Сетки изготавливают из легированных сталей, титановых сплавов, фторопласта и других кор- розионно-стойких материалов.

3.3.1. Порядок расчета сеточных туманоуловителей

Цель расчета – определить эффективность очистки газов от капель (в расчетах принимают диаметр капель жидкости в пределах 6...8 мкм, при этом считают, что извлечение их из газа происходит полностью, а общая эффективность очистки по другим дисперсным градациям составляет не менее 0,8 ... 0,9); количество сепараторов и мощность электродвигателя вентилятора, необходимого для транспортирования газа через туманоуловитель.

Исходные данные: плотность воздуха и улавливаемой жидкости, концентрация жидких частиц

ввоздухе, производительность и температура потока.

1.По заданным плотностям жидкости и газа, образующих туман, рассчитываем скорость фильтрации:

34

W 0,107 ж в в ,

где W в м/с; ж, в – соответственно плотность жидкости и воздуха, кг/м3 (для масел ж = 900 кг/м3, поэтому скорость принимают равной 2,8 м/с [4]).

2. По заданному расходу газа (воздуха) Q, м3/ч, и скорости фильтрации определяем суммарную площадь сетчатого туманоуловителя:

F Q / 3600 W м2.

3.Задаем диаметр проволоки d (он лежит в пределах 100... ...300 мкм), тип сетки (например по ГОСТ 6613–86), пористость пакета сеток П (находится в пределах 0,85...0,95).

4.Рассчитываем удельную поверхность проволоки в пакете сеток S, м2/м3:

S4(1 П)/d .

5.Задаем толщину пакета Н, м (в пределах 0,05...0,3 м), число слоев в сетке n (в пределах

(0,2...0,8) 102).

6.Определяем эффективность очистки от капель в сеточном пакете:

η1 (1 0,2HS /n lин )n .

7.	Задаем геометрические параметры сепараторов, т. е. их ширину и длину B L (обычно ле-
жат в пределах 200(300) 200(300) мм).
8.	Рассчитываем количество сепараторов для обеспечения требуемой площади туманоуловите-
ля:
	K=F/B·L.

9.Затем величину гидравлического сопротивления туманоуловителя с сетчатыми сепараторами p, кПа (в пределах 0,2...1,0 кПа [1]).

10.Определяем мощность электродвигателя вентилятора, необходимого для транспортирования тумана через сетчатый фильтр, по формуле (3.2).

3.3.2. Пример расчета

Рассчитать сетчатый туманоуловитель жидких частиц кислоты при их концентрации 60 г/м3, производительностью 5000 м3/ч. Температура тумана 340 К. Плотность воздуха 1 кг/м3, кислоты

1100 кг/м3.

1.В качестве материала сетки принимаем проволоку диаметром 150 мкм из легированной ста-

ли.

2.Находим скорость фильтрации:

W0,107 (1100 1)/1 3,55 м/с.

3.Площадь фильтрации составит:

F5000 / 3600 3,55 0,39 м2.

4.Принимаем пористость пакета сеток равной 0,9, определяем удельную поверхность проволоки в нем.

5.Принимая толщину пакета сеток равной 0,1 м, число слоев сетки 70 и эффективность инерционного захвата, равную 0,55, рассчитываем эффективность улавливания капель кислоты туманоуловителем:

η1 (1 0,2) (0,1 2,67 103 0,55)/70 70 1 .

6.Принимая ширину и длину сепаратора равными 200 200 мм, определяем число сепараторов:

K0,39 / 4 10 2 10 шт.

7.Принимая значения коэффициентов в формуле (3.2) такими же как в порядке расчета, определяем мощность электродвигателя вентилятора, учитывая, что величина гидравлического сопротивления туманоуловителя составляет 700 Па:

N1,13 5000 700/3600 1000 0,92 0,7 1,7 кВт.

3.4.Расчет адсорбера для очистки воздуха от паров и газов

Метод адсорбции основан на способности некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компонен-

35

ты из газовой смеси. В качестве адсорбентов, или поглотителей, применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Так, удельная поверхность активированных углей достигает 105...106 м2/кг. Их применяют для очистки газов от органических паров, оксидов серы и целого ряда других газов.

Для увеличения адсорбционной способности сорбента рабочую температуру, как правило, выбирают минимально возможной.

Конструктивно адсорбенты выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных адсорбентом, через которые фильтруется поток очищаемого газа. Наиболее распространены адсорбенты периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым сорбентом чередуется с периодом регенерации сорбента.

3.4.1. Порядок расчета адсорбера

Цель расчета – определить потребную массу сорбента, конструктивные размеры аппарата, гидравлическое сопротивление аппарата и мощность электродвигателя вентилятора.

Исходные данные: объемный расход очищаемого газа Q, м3/ч; его плотность r, кг/м3; кинематическая вязкость , м2/с; поглощаемое вещество и его концентрация на входе в адсорбент qвх, г/м3; марка сорбента, параметры его гранул (d и l); а также кажущаяся и насыпная плотность ( к,н), кг/м3; время непрерывной работы адсорбента до момента регенерации , ч.

1. Определяем массу требуемого сорбента:

m K Q qвх ηa ,

где К – коэффициент запаса, принимаемый в пределах 1,1...1,2; Q – объем паровоздушной смеси, проходящей через адсорбер, м3/ч; qвх – концентрация поглощаемого вещества на входе в адсорбент, г/м3; – время непрерывной работы адсорбера до момента регенерации, ч; a – статическая поглотительная способность сорбента, г/кг.

Конкретное значение параметра а определяют по изотерме адсорбции по заданной величине qвх. Для упрощения процедуры нахождения параметра а можно воспользоваться формулой

a amin amax amin qmax qmin qвх qmin ,

где аmin, amax – соответственно минимальное и максимальное значения поглотительной способности сорбента по изотерме адсорбции; qmin, qmax – соответственно минимальная и максимальная концентрация поглощаемого вещества на входе в адсорбер по изотерме адсорбции.

2. Выбираем скорость паровоздушного потока W, м/с, в адсорбере, обычно исходя из условия необходимого временного контакта смеси с сорбентом и минимального гидравлического сопротивления его слоя, оптимальное значение скорости лежит в пределах 0,1 ... 0,25 м/с.

3. Определяем пористость слоя сорбента:

П к н ,к

где к, н – соответственно кажущаяся и насыпная плотность сорбента, кг/м3. 4. Рассчитываем эквивалентный диаметр зерен сорбента:

dэ П d l 1 П 0,5d l ,

где d, l – соответственно диаметр и длина гранул сорбента, мм. 5. Определяем ориентировочные размеры адсорбента.

Для цилиндрического аппарата диаметр и длину слоя сорбента рассчитываем по формулам [4]

			L 4 m / π н D2 м.
D	Q / 900 π W П м;

6. Определяем гидравлическое сопротивление, оказываемое слоем сорбента:

p 0 / 75 λ L к 1 П W 2 / dэ П3 ,

где p в Па; – коэффициент трения; – коэффициент формы сорбента, обычно его принимают равным 0,9.

Коэффициент трения подсчитывают по формуле

λ 220 П/W dэ ,

где – кинематическая вязкость паровоздушного потока, м2/с.

7. Определяем мощность электродвигателя вентилятора по формуле (3.2).

36

3.4.2. Пример расчета адсорбера

Определить необходимую массу сорбента, конструктивные элементы адсорбера, его гидравлическое сопротивление и мощность электродвигателя вентилятора, если объемный расход очищаемого газа составляет 300 м3/ч, поглощаемое вещество – пары этилового спирта, удаляемые местным отсосом от установки обезжиривания при условии ее непрерывной работы в течение 8 ч (т. е. одной рабочей смены). Начальная концентрация паров этилового спирта в удаляемом воздушном потоке – 10 г/м3. Поглощение паров происходит при температуре 20 0С и нормальном атмосферном давлении.

1. Выбираем в качестве сорбента активированный уголь с диаметром гранул 3 мм и средней

длиной гранул, равной 5 мм. Насыпная плотность такого сорбента составляет 500 кг/м3, кажущаяся – 800 кг/м3.

При рабочей температуре 20 0С и атмосферном давлении 9,8 104 Па плотность потока по воздуху составит r = 1/2 кг/м3, а его кинематическая вязкость = 0,15 10-4 м2/с.

2. Определяем статическую поглотительную способность сорбента, когда известно по изотерме адсорбции активированного угля паров этилового спирта, что qmin=3, qmax =13 г/м3, а минимальная и максимальная статистическая поглотительная способность сорбента лежит в пределах 100 ... 180

г/кг:

a 100 180 100 10 3 / 13 3 156 г/кг.

3. Принимая коэффициент запаса равным 1,15, определяем массу требуемого сорбента:

m1,15 300 10 8 / 156 177 кг.

4.Выбираем скорость паровоздушного потока в адсорбере равной 0,2 м/с.

5.Определяем пористость слоя сорбента:

П800 500 / 800 0,375 .

6.Рассчитываем эквивалентный диаметр зерен сорбента:

dэ 0,375 3 5 / 1 0,375 0,5 3 5 5,63 / 4,06 1,39 м,

7.Определяем диаметр и длину слоя сорбента в адсорбере:

D 300/900 3,14 0,2 0,375 1,414 1,2 м,

L 4 177/3,14 500 1/414 0,32 м.

8.Определяем коэффициент трения потока в адсорбере:

λ220 0,15 10 4 0,375/0,2 1,39 10 3 4,45 .

9.Определяем гидравлическое сопротивление, оказываемое слоем сорбента:

p = 0,75 4,45 0,32 1,2 (1 0,375)(0,2)2/0,9 1,39 10 3 (0,375)3 = = 486 Па.

10.Определяем мощность электродвигателя вентилятора по формуле (3.2), принимая величины коэффициентов, равными для первого примера:

N1,13 300 486/3600 1000 0,92 0,7 0,07 кВт.

3.5.Расчет каталитического дожигателя вредных выбросов

Метод каталитического дожигателя относится к термической нейтрализации горючих токсичных компонентов (газы, пары и сильно пахнущие вещества) и заключается в том, что они окисляются до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуре газовой смеси.

Однако область применения термической нейтрализации вредных примесей ограничивается характером образующихся при окислении продуктов реакции. Так, при нейтрализации газов, содержащих фосфор, галогены и серу, образуются продукты реакции, по токсичности во много раз превышающие исходные примеси. Исходя из этого термическое обезвреживание применимо для выбросов, включающих токсичные компоненты органического происхождения, но не содержащих фосфор, галогены и серу.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и каталитическое сжигание [4].

37

Каталитическое окисление (дожигание) выгодно отличается от других схем кратковременностью протекания процесса, что позволяет резко сократить габариты дожигателя (реактора), при этом сам процесс окисления происходит при пониженных температурах, не превышающих 300 0С.

В табл. 3.1 систематизированы данные об оптимальных температурах окисления некоторых веществ на катализаторах.

Т а б л и ц а 3.1

Окисляемое	Температура начала ре-		Окисляемое	Температура начала ре-
вещество	акции, 0С		вещество	акции, 0С
Альдегиды	173...	234	Окись углерода	316...	343
Амины	250...	346	Пропан	293...	332
Ацетилен	207...	241	Смеси растворителей	260...	400
Бензин	261...	298	Синтетические смолы	260...	400
Бензол	277...	300	Тринитротолуол	219...	250
Ксинол	200...	340	Толуол	200...	250
Лаки	316...	371	Фенол	216...	427
Нитротолуол	265...	297	Этанол	261...	293

Суть каталитического окисления заключается в реализации химических взаимодействий, приводящих к превращению подлежащих обезвреживанию примесей в вещества, безвредные или менее вредные в присутствии специальных катализаторов.

В большинстве случаев катализаторы – это благородные металлы или их соединения (платина, рутений, родий, палладий, осьмий, иридий), переходные металлы и их соединения (окись меди, двуокись марганца и т.п.).

Катализаторная масса обычно выполняется в виде шаров, цилиндров, колец, пластин или проволоки, свитой в спираль, на поверхность которых нанесен тонкий слой катализатора (сотые доли процента от катализаторной массы).

Объем катализаторной массы определяют исходя из максимальной скорости обезвреживания газа, которая, в свою очередь, зависит от природы и концентрации вредных веществ в отходящем газе, температуры и давления каталитического процесса и активности катализатора.

Скорость обезвреживания обычно составляет от 8000 до 10000 объемов газа на объем катализаторной массы в час.

3.5.1. Порядок расчета каталитического реактора (дожигателя)

Цель расчета – определить необходимый объем катализатора V (м3) для очистки требуемого объема газа Q (м3/ч), толщину слоя катализатора Н (м), полное гидравлическое сопротивление реактора р (Па) и мощность электродвигателя вентилятора N (кВт).

Исходные данные: объемный расход очищаемого газа Q (м3/ч), окисляемое вещество и его концентрация на входе и выходе из реактора qвх, qк (г/м3), рабочее давление в реакторе р (Па).

1. Определяем степень заданной очистки технологического выброса:

η qвх qк qвх .

2. Определяем наружную поверхность зерен катализатора в единице объема:

S 6 1 П d ,

где П – пористость слоя катализатора, в расчетах обычно ее принимают равной 0,5; d – диаметр зерен сферической формы или цилиндра с высотой, равной диаметру, принимают в пределах 2 ...

...7 мм.

3. Определяем количество паров дожигаемого вещества, которое должно прореагировать в час:

G Q qвх qк M ,

где G в кг/моль ч; М – молекулярная масса дожигаемого вещества, 1/моль.

4.Задаемся линейной скоростью газового потока при нормальных условиях W, м/с, на практике

ееобычно принимают до 1 м/с.

5.Определяем значение критерия Рейнольдса:

Re W d ,

где – коэффициент кинематической вязкости потока при рабочих параметрах (рабочем давлении и температуре). Температуру Т начала реакции окисления для конкретного вещества определяем по табл. 3.1.

38

6. Определяем значение диффузного критерия Прандтля:

Pr p D0 N /273 1.8 p0 ,

где р – рабочее давление в реакторе, Па; р0 – атмосферное давление, Па; Т – температура начала реакции окисления конкретного вещества, определяют по табл. 3.1; D0 – коэффициент молекулярной диффузии смеси воздух-вещество при нормальных условиях, для смесей: воздух-окись углерода – 0,211 10-4, воздух-толуол – 0,071 10-4, воздух-этиловый спирт – 0,101 10-4, воздухнитробензол – 0,077 10-4 м2/с.

7. Определяем диффузионный критерий Нуссельта в зависимости от значения критерия Рей-

нольдса по формулам:

при Re = 0,01 – 2,0 Nu = 0,515 Re0.35 Pr0.33, при Re = 2,0 – 30 Nu = 0,725 Re0.47 Pr0.33, при Re = 30 – 8000 Nu = 0,395 Re0.64 Pr0.33.

8. Определяем коэффициент массопередачи:

β Nu D T /273 1,8	p	0	/ p d	(м/с).
0

9. Определяем необходимый объем катализатора из соотношения V = Q/K, где К – объемная скорость процесса окисления в реакторе, обычно находится в пределах от 8000 до 10000 объемов на объем катализаторной массы в 1 ч.

10. Определяем число единиц переноса, участвующих в процессе:

E ln 1 1 η 2,3 lg 1 1 η ,

где – степень заданной очистки.

11. Определяем скорость газа при рабочих условиях:

Wp W T 273 П ,

где Т – рабочая температура, К; П – пористость слоя катализатора (П = 0,5). 12. Определяем толщину слоя катализатора:

H E Wp Ф S β ,

где Ф – коэффициент формы зерен катализатора, который учитывает неравнодоступность всей поверхности зерна обдуваемому потоку, для сферических зерен и цилиндрических зерен с длиной, равной диаметру, Ф = 0,875.

13. Определяем гидравлическое сопротивление насыпного катализатора:

pк 150 1 П 2 П3 μ Wp d 2 1,75 1 П П3 r Wp2 /d H ,

где – коэффициент динамической вязкости потока при рабочих условиях, Па·с; r – плотность газового потока при рабочих условиях, кг с2/м4.

14. Определяем мощность электродвигателя вентилятора N по формуле (3.2), принимая величину гидравлического сопротивления реактора равной p pк p p0 Па.

3.5.2. Пример расчета

Рассчитать термокаталитический реактор для очистки технологических выбросов объемом 1000 м3/ч, содержащих пары толуола. Начальное содержание паров толуола в технологических выбросах qвх = 10 г/м3, а конечное q = 0,25 г/м3. Очистка осуществляется при давлении р = 0,15 МПа.

Вкачестве катализатора для обезвреживания органических соединений и оксида углерода рекомендуется [4] применять природную марганцевую руду (пиромзит) в виде гранул размером d = =5 мм, проматированных азотнокислым палладием.

Врезультате окисления толуола образуются нетоксичные продукты: диоксид углерода и водяные пары

(С7Н8+9О2 7СО2+4Н2О).

Температуру в реакторе принимаем равной 290 0С (см. табл. 3.1), что гарантирует протекание процесса окисления в области внешней диффузии.

1.Определяем степень заданной очистки:

η10 0,25 10 0,975 .

39

2. Принимая пористость слоя катализатора равной 0.5, определяем наружную поверхность зерен в единице объема:

S6 1 0,5 5 10 3 600 м2/м3.

3.Принимая молекулярную массу толуола равной 92 103г/моль, определяем количество паров, которое должно прореагировать в час:

G 1000 10 0,25 92 103 0,106 кг·моль/ч.

4.Принимаем линейную скорость газового потока при нормальных условиях равной 0,5 м/с.

5.Принимая коэффициент кинематической вязкости при рабочем давлении (р = 0,15 МПа) и

температуре 493 К равным 7,39 10-5 м2/с, определяем значение критерия Рейнольдса:

Re 0,5 5 10 3 7,39 10 5 33,8 .

6. Выбирая коэффициент молекулярной диффузии при нормальных условиях для смеси воздухтолуол равным 0.071 10-4 м2/с, определяем коэффициент молекулярной диффузии при рабочих условиях:

D 0,71 10 8 493273 1,8 0,150,1 3,1 10 5 м2/с.

7. Определяем диффузионный критерий Прандтля:

Pr 7,39 10 5 3,1 10 5 2,38 .

8. Определяем диффузионный критерий Нуссельта:

Nu 0,395 33,8 0,64 2,38 0,33 0,395 21,8 1,33 11,45 .

9.Определяем коэффициент массы передачи:

β11,45 3,1 10 5 5 3 7,1 10 2 м/с.

10.Принимая значения объемной скорости в реакторе равным 9000 1/ч, определяем необходимый объем катализатора:

V 10009000 0,11 м3.

11. Определяем число единиц переноса:

E ln 1 1 0,975 2,3lg 10,025 3,68 . 12. Определяем скорость газа при рабочих условиях:

Wp 0,5 493273 0,5 1,81 м/с.

13. Принимая коэффициент формы зерна, учитывающий неравнодоступность всей поверхности зерна обдуваемому потоку, равным 0,875, определяем толщину слоя катализатора:

H 3,68 1,810,875 600 7,1 10 2 6,6637,28 0,18 м.

14. Принимая коэффициент динамической вязкости очищаемого потока при рабочих условиях равным 3.5х10-6 Па с, плотность газа 0,048 кг с/м4, определяем гидравлическое сопротивление насыпного катализатора:

p 150(1 0,5)2 0,533 3,5 10 6 1,8152 10 6

1,75 (1 0,5)0,53 4,8 10 2 (1,81)2 5 10 3 0,18 (76 215) 0,18 52 Па.

15. Находим мощность электродвигателя вентилятора по формуле (3.2), принимая величины коэффициентов такими же, как и в первом примере:

N 1,13 1000 52 15 10 104 3600 1000 0,92 0,7 24,4 кВт.

Библиографический список

1.Родионов, А. И. Техника защиты окружающей среды: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / А.И.Родионов, В.Н.Клушин, Н.С.Торочешников. М.: Химия, 1989. 512 с.

2.Мазус, М.Г. Фильтры для улавливания промышленных пылей / М.Г.Мазус, А.Д.Мальгин, М.Л.Моргулис. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.

3.Средства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование: справочник / Под ред. С. В. Белова. М.: Машино-

строение, 1989, 368 c.

4.Охрана окружающей среды: учебник / Под ред. С. В. Белова. 2-е изд., испр. и доп. М.: Высшая школа, 1991. 319 с.

40