Ермилов В.В. Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности Практика, 2013

Высоту порога hп, м, рассчитывают по эмпирической формуле hп = 2,5 ho – 0,0176 3i2 ,

где i – интенсивность потока на сливе с решетки, кг/(м∙с), определяется как:

i = Lсл ,

bс

где bс – ширина сливного отверстия.

При прямоугольном сечении аппарата bс равна ширине решетки.

(5.12)

(5.13)

Содержание отчета

1)титульный лист (приложение А);

2)задание с исходными данными;

3)схема пенного пылеуловителя;

4)расчет пылеуловителя;

5)выводы.

6. Расчет скруббера Вентури

Задание: В соответствии с заданным вариантом (табл. 6.1) рассчитать скруббер Вентури для очистки газов, содержащих известковую пыль.

		Исходные данные			Таблица 6.1
Номер ва-	Расход газа Vо,	Разрежение перед		Концентрация пыли	Температура
рианта	м3/ч	газоочисткой p1, кПа		в газе Сн, г/м3	газа t1, оС
1	2	3		4	5
1	1200	1,4		1,0	40
2	1400	1,4		1,2	40
3	1600	1,4		1,4	40
4	1800	1,4		1,6	40
5	2000	1,4		1,8	40
6	1200	1,6		1,0	50
7	1400	1,6		1,2	50
8	1600	1,6		1,4	50
9	1800	1,6		1,6	50
10	2000	1,6		1,8	50
11	1200	1,8		1,0	60
12	1400	1,8		1,2	60
13	1600	1,8		1,4	60
14	1800	1,8		1,6	60
15	2000	1,8		1,8	60
16	1200	2,0		1,0	70
17	1400	2,0		1,2	70
18	1600	2,0		1,4	70
19	1800	2,0		1,6	70
20	2000	2,0		1,8	70
21	2200	2,2		1,0	80
22	2400	2,2		1,2	80

21

Продолжение табл. 6.1

1	2	3	4	5
23	2600	2,2	1,4	80
24	2800	2,2	1,6	80
25	3000	2,2	1,8	80

Для всех вариантов: 1) плотность газа ρо = 1,26 кг/м3; 2) давление воды, поступающей на орошение pж = 300 кПа; 3) требуемая концентрация пыли в газе на выходе из аппарата Ск = 20

мг/м3; 4) константы: В = 6,9×10-3, χ = 0,67.

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

Скруббер Вентури включает в себя трубу Вентури и прямоточный циклонкаплеуловитель (рис. 6.1).

Очищенный газ

5

Газ

4

1

2

3

Вода

Шлам

Рис. 6.1. Схема скруббера Вентури: 1 – конфузор; 2 – горловина; 3 – диффузор; 4 – оросительное устройство; 5 – каплеуловитель

Труба Вентури состоит из конфузора 1, служащего для увеличения скорости газа, оросительного устройства 4, горловины 2, в которой происходит осаждение частиц пыли на каплях воды, и диффузора 3, в котором протекают процессы коагуляции. В каплеуловителе 5 благодаря тангенциальному вводу газа создается вращение газового потока, вследствие чего смоченные и укрупненные частицы пыли отбрасываются на стенки и непрерывно удаляются из каплеуловителя в виде шлама.

Скрубберы Вентури могут работать с высокой эффективностью η = 96÷98% на пылях со средним размером частиц 1÷2 мкм и улавливать высокодисперсные частицы

22

пыли (до 0,01 мкм) в широком диапазоне начальной концентрации пыли в газе – от 0,05 до 100 г/м3.

При работе в режиме тонкой очистки скорость газов в горловине должна поддер-

живаться в пределах 100÷150 м/с.

Расчет эффективности очистки мокрых пылеуловителей наиболее часто проводят на основе энергетического метода.

Главным энергетическим параметром мокрого пылеуловителя является суммарная энергия соприкосновения Кт, т.е. расход энергии на обработку жидкостью определенного объема газов в единицу времени.

Численную величину этого параметра определяют из следующего выражения, (кДж/1000 м3 газа):

К	Т	=∆р+ р	Vж	(6.1)
			ж V ,
			Г

где р – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; рж – давление распыляемой жид-

кости на входе в аппарат, Па; Vж и Vг – объемные расходы жидкости и газа, соответственно, м3/с.

В соответствии с энергетическим методом расчета эффективность очистки мокрого пылеуловителя может быть определена по формуле:

η =1−е−В КТχ ,

(6.2)

где В и χ − константы, зависящие от физико-химических свойств и дисперсного состава пыли.

При высоких степенях очистки оценку эффективности работы аппарата удобнее выражать не эффективностью очистки η, а числом единиц переноса Nч – понятием, используемым в теории тепло- и массообмена, связанным с η следующей зависимостью:

	NЧ = ln	1
		1−η .		(6.3)
	Из сопоставления выражений (6.2) и (6.3) следует, что:
	NЧ = В КТχ .			(6.4)

Энергетический подход упрощает расчет эффективности мокрых пылеуловителей и дает результаты, подтверждаемые опытом работы промышленных аппаратов.

Порядок расчета скруббера Вентури

1. Определяется необходимая эффективность η работы аппарата:

η=	Сн −Ск
	С	,	(6.5)
	н

н– начальная концентрация пыли в газе, мг/м3; Ск – конечная концентрация пыли

вгазе, мг/м3.

2.По формуле (6.3) определяется число единиц переноса.

3.Используя выражение (6.4) определяется удельная энергия КТ, затрачиваемая на пылеулавливание.

4. Определяется общее гидравлическое сопротивление	р скруббера Вентури:
∆р = КТ − ржm ,	(6.6)

где m – удельный расход на орошение, принимаем m = 0,0012 м3/м3.

23

5. Определяется плотность газа на входе в трубу Вентури при рабочих условиях ρ1, кг/м3:

273(101,3 − p1 )
ρ1 = ρ0 (273	+t	)101,3 .	(6.7)
	1

6. Определяется объемный расход газа, поступающего в трубу Вентури при рабочих условиях V1, м3/с:

ρ0
V1 =V0 ρ .	(6.8)
1
7. Определяется расход орошающей воды Мж, кг/с:
Мж= V1 m .	(6.9)

8. Определяется температура газов на выходе из скруббера Вентури t2,оС, по следующей эмпирической формуле:

t2 = (0,133 – 0,041m) t1+ 35 .

(6.10)

10.

Определяется плотность газов на выходе из скруббера Вентури ρ2, кг/м3:

ρ2

=ρ0

273(101,3 − p1 −∆p)

.

(6.11)

(273 +t2 )101,3

11.

Определяется объемный расход газа на выходе из трубы Вентури V2, м3/с:

V =V

ρ0

2

0 ρ2 .

(6.12)

12.

Определяется диаметр циклона-каплеуловителя Dц, м:

Dц =1,13

,

V2 / ωц

(6.13)

где ωц – скорость газа в циклоне-каплеуловителе (принимаем равной 2,5 м/с).

13.

Определяется высота циклона-каплеуловителя Н, м:

Н = 2,5Dц .

(6.14)

14.

Определяется

гидравлическое сопротивление

циклона-каплеуловителя ∆рц,

Па:

ω2

ρ

2

∆p

=

ξ

ц

,

(6.15)

ц

ц

2

где ξц – коэффициент сопротивления циклона-каплеуловителя (для прямоточного цик-

лона ξц = 30÷33).
15. Определяется гидравлическое сопротивление трубы Вентури ∆рТ, Па:
∆pТ = ∆p −∆pц .	(6.16)

16. Определяется коэффициент сопротивления, обусловленный вводом орошающей жидкости, для нормализованной трубы Вентури ξж:

			Мж	ρГ	−0,3
	ξж					(6.17)
		= 0,63ξс	МГ		,
				ρж

24

где ξс – коэффициент сопротивления сухой трубы (ξс = 0,12÷0,15); МГ – массовый расход газа, кг/с.

17. Определяется необходимая скорость газов в горловине трубы Вентури ω2, м/с:

ω2 =	2∆pТ
	ξсρ2 +ξжρжm .	(6.18)

18. Определяется диаметр горловины трубы Вентури d, м:

d =1,13

V2 / ω2

.

(6.19)

По полученному диаметру находятся все остальные размеры нормализованной трубы Вентури.

Содержание отчета

1)титульный лист (приложение А);

2)задание с исходными данными;

3)схема скруббера Вентури;

4)расчет скруббера Вентури;

5)выводы.

7. Расчет абсорбера

Задание: В соответствии с заданным вариантом (табл. 7.1) найти диаметр и высоту насадочного абсорбера, заполненного керамическими кольцами размером 25×25×3 мм, для очистки воздуха от паров ацетона водой

		Исходные данные			Таблица 7.1
	Расход воды L,	Расход воздуха		Начальная концен-	Степень по-
Номер варианта				трация ацетона в	глощения,
	кг/ч	Q., м3/ч
				воздухе ун, % (об.)	сп
1	2	3		4	5
1	2800	1200		4	0,96
2	2820	1210		4	0,96
3	2840	1220		4	0,96
4	2860	1230		4	0,96
5	2880	1240		4	0,96
6	2900	1250		5	0,96
7	2920	1260		5	0,96
8	2940	1270		5	0,96
9	2960	1280		5	0,96
10	2980	1290		5	0,96
11	3000	1300		6	0,97
12	3020	1310		6	0,97
13	3040	1320		6	0,97
14	3060	1330		6	0,97
15	3080	1340		6	0,97
16	3100	1350		7	0,97
17	3120	1360		7	0,97
18	3140	1370		7	0,97
19	3160	1380		7	0,97

25

Продолжение табл. 7.1

1	2	3	4	5
20	3180	1390	7	0,97
21	3200	1400	8	0,98
22	3220	1410	8	0,98
23	3240	1420	8	0,98
24	3260	1430	8	0,98
25	3280	1440	8	0,98

Для всех вариантов: 1) средняя температура в абсорбере Т = 293 К; 2) коэффициент массопере-

дачи Ку = 0,4 кмоль ацетона /(м2∙ч × кмоль ацетона / кмоль воздуха); 3) коэффициент смоченности насадки ψ = 1.

Уравнение линии равновесия: Y* = 1,68 Х

Наибольшее распространение для очистки отходящих газов от токсичных примесей получили абсорбционные методы.

Процессы абсорбции проводят в поверхностных, пленочных, насадочных, тарельчатых и распыливающих абсорберах.

Схема насадочного абсорбера приведена на рис. 7.1.

L, Хв

G, Yв

2

1

G, Yн

L, Хн

Рис. 7.1. Схема насадочного абсорбера:

1 – корпус; 2 – насадка; L – массовый расход жидкости; G – массовый расход газа; Хв, Хн – начальная и конечная концентрации примеси в жидкости на верху

ив низу абсорбера; Yв, Yн – начальная и конечная концентрации примеси

вгазе на верху и в низу абсорбера

Расчет диаметра и высоты насадочного абсорбера проводится в следующей последовательности [1].

Определяем количество поглощаемого ацетона М, кмоль/ч:

М =	Qунсп	,	(7.1)
	(1− ун )22,4

где Q – расход воздуха, м3/ч (табл. 7.1); ун – начальная концентрация ацетона в воздухе, доли ед. (табл. 7.1); сп – степень поглощения, доли ед. (табл. 7.1).

Начальная концентрация ацетона в воде, подаваемой на верх абсорбера, Хв = 0.

26

Конечная концентрация ацетона в воде, вытекающей внизу из абсорбера Хн, кмоль ацетона/кмоль воды:

Хн = M M в / L ,

(7.2)

где Мв – мольная масса воды, Мв = 18; L – расход воды, кг/ч (табл. 7.1).

Начальная концентрация ацетона в воздухе внизу при входе в абсорбер Yн, кмоль ацетона/кмоль воздуха:

Yн = ун /(1− ун ) .			(7.3)
Конечная концентрация ацетона в воздухе, выходящем из абсорбера Yв, кмоль
ацетона/кмоль воздуха:
Y =	ун (1− сп )	.	(7.4)
в	1− ун
			Yн, кмоль ацетона/кмоль
Находим движущую силу абсорбции в низу абсорбера
воздуха:
Yн = Yн – Yн* ,			(7.5)

Значение Yн* находим по уравнению равновесной линии для Хн, соответствующего низу абсорбера:

Yн* = 1,68 Хн,				(7.6)
Движущая сила абсорбции на верху абсорбера				Yв, кмоль ацетона/кмоль воздуха:
Yв = Yв – Yв* ,				(7.7)
Средняя движущая сила Yср, кмоль ацетона/кмоль воздуха:
∆Yср = (∆Yн −∆Yв )		2,3lg	∆Yн	(7.8)
	/		∆Y .
			в
Требуемую поверхность массопередачи F, м2, находим по уравнению:
F = М /(Ку∆Yср ),				(7.9)

где Ку – коэффициент массопередачи (табл. 7.1).

Объем V, м3, слоя керамических колец, необходимый для создания найденной по-

верхности, при коэффициенте смоченности насадки ψ = 1 (табл. 7.1) равен:

V = F / σ,

(7.10)

где σ – удельная поверхность насадки, σ = 204 м2/м3 [1].

Определим фиктивную скорость газа ωз в точке захлебывания (инверсии) из урав-

нения (7.11):

0,125

ω2σ ρ

μ0,16

L 0,25

ρ

lg

з

г

ж

=

А−1,75

г

,

(7.11)

gV 3

ρ

ρ

G

св

ж

ж

где g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с2; Vсв – свободный объем насадки, Vсв = 0,74 м3/м3 [1]; ρг и ρж – плотности газа и жидкости, кг/м3; ρж = 1000 кг/м3; μж – дина-

мический коэффициент вязкости жидкости, μж = 1 мПа∙с;	L и G – массовые расходы
жидкости и газа, кг/с; А = 0,022 для насадки из колец или спиралей.
Плотность газа ρг равна:
ρг = ρо То ,	(7.12)
Т

где ρо – плотность воздуха при нормальных условиях, ρо = 1,293 кг/м3; Т – средняя температура в абсорбере, Т = 293 К (табл. 7.1); То = 273 К.

Массовый расход газа G равен:

27

G = Q ∙ ρо ,

(7.13)

где Q – расход воздуха, м3/ч (табл. 7.1).

Рабочая (фиктивная) скорость газа ω для абсорберов, работающих в пленочном режиме:

ω = (0,75÷0,9) ωз .

Примем

ω = 0,75 ωз .

Площадь поперечного сечения абсорбера S, м2:

S =	G
	3600ωρг

Найдем диаметр корпуса абсорбера D, м2:

D = 4S / π .

Требуемая высота насадки Нн:

Нн =V / S .

Содержание отчета

1)титульный лист (приложение А);

2)задание с исходными данными;

3)схема абсорбера;

4)расчет абсорбера;

5)выводы.

(7.14)

(7.15)

(7.16)

(7.17)

8. Расчет вертикального отстойника

Задание: Рассчитать вертикальный отстойник в соответствии с заданным вариантом (табл. 8.1).

	Исходные данные		Таблица 8.1
Номер ва-	Расход сточной воды Q,	Плотность частиц ρч,	Диаметр частиц d,
рианта	м3/ч	кг/м3	мкм
1	2	3	4
1	100	2200	15
2	110	2200	20
3	120	2200	25
4	130	2200	30
5	140	2200	35
6	150	2300	15
7	160	2300	20
8	170	2300	25
9	180	2300	30
10	190	2300	35
11	200	2400	15
12	210	2400	20
13	220	2400	25
14	230	2400	30
15	240	2400	35

28

Продолжение табл. 8.1

1	2	3	4
16	250	2500	15
17	260	2500	20
18	270	2500	25
19	280	2500	30
20	290	2500	35
21	300	2600	15
22	310	2600	20
23	320	2600	25
24	330	2600	30
25	340	2600	35
26	350	2700	15
27	360	2700	20
28	380	2700	25
29	390	2700	30
30	400	2700	35

Для всех вариантов: 1) плотность жидкости ρж = 1066 кг/м3; 2) динамическая вязкость жидко-

сти μж = 1,14 10-3 Па с.

При очистке сточных вод широко распространены процессы разделения гетерогенных систем на отдельные фазы путем осаждения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде под действием различных внешних сил. Так, для выделения твердых частиц из жидких сред широко применяются отстойники, основанные на осаждении частиц под действием силы тяжести (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема вертикального отстойника:

1 – центральная труба; 2 – зона отстаивания; 3 – осадочная часть; 4 – отражательный щит; 5 – периферийный сборный лоток; 6 – кольцевой лоток; 7 – удаление осадка

При движении частицы в жидкости возникает сопротивление, величина которого зависит главным образом от режима движения, формы и поверхности движущейся частицы.

Ламинарный режим движения имеет место при малых размерах частиц и высокой вязкости среды, что обусловливает небольшие скорости движения частицы.

Турбулентный режим движения частицы в жидкости наблюдается при больших размерах частиц и малой вязкости среды, то есть при высоких скоростях движения частиц, когда все большую роль начинают играть силы инерции.

29

Переход от ламинарного к турбулентному движению характеризуется критическими значениями чисел Рейнольдса Re и Архимеда Ar.

Рассмотрим процесс осаждения твердой частицы в неподвижной жидкой среде под действием силы тяжести.

Если частица массой m начинает опускаться под действием силы тяжести, через некоторый промежуток времени наступит динамическое равновесие: сила тяжести станет равна силе сопротивления среды и частица станет двигаться равномерно. Скорость такого равномерного движения частицы в среде называют скоростью осаждения wос.

Скорость осаждения wос можно рассчитать по формуле Стокса, соответствующей ламинарному режиму осаждения шарообразных частиц в неподвижной газообразной или жидкой среде под действием силы тяжести [6]:

wос =	gd 2	(ρч	−ρ)	(8.1)
		18μ	,

где d – диаметр шарообразной частицы (табл. 8.1), м; ρ – плотность жидкости (табл. 8.1), кг/м3; ρч – плотность материала частицы (табл. 8.1), кг/м3; μ – динамический коэф-

фициент вязкости среды (табл. 8.1), Па с; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.

Более удобно для определения wос пользоваться методом Лященко, используя выражение для критерия Архимеда Аr [6]:

	Аr =	gd 3ρ(ρч −ρ)	.	(8.2)
		μ2

По известному критерию Архимеда можно определить режим осаждения и значение критерия Рейнольдса Re:

-для ламинарного режима Ar ≤ 36

Re = Ar /18 ;

(8.3)

-для переходной области осаждения 36 < Ar < 83000

Re = 0,152 Ar0,715 ;

(8.4)

-для автомодельной области Ar > 83000

Re =1,74

Ar

.

(8.5)

Таким образом, определив значение критерия Аr, находят режим осаждения. За-

тем по выражениям (8.3)÷(8.5) находят значение Re и по нему определяют скорость осаждения.

Критерий Рейнольдса определяется выражением:

Re = wocd ρ
μ ,	(8.6)

откуда получим выражение для определения скорости осаждения wос, м/с:

	w =	Re μ
		d ρ .		(8.7)
	ос

Приведенный расчет wос относится к скорости свободного осаждения, при котором осаждающиеся частицы практически не оказывают влияния на движение друг друга.

При значительной концентрации твердых частиц в среде происходит стесненное осаждение, скорость которого меньше, чем свободного, вследствие трения и соударений между частицами.

30