Загрязнение атмосферы вредными выбросами. Фильтрование загрязненного газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Фильтрование аэрозолей. Основные конструкции фильтров, расчет фильтров. Виды фильтрующих материалов

2. Задача

2.1 Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного нагретого источника

2.2 Расчет загрязнения атмосферы выбросами холодных источников

2.3 Расчет расстояния от источника выброса

2.4 Определение опасной скорости ветра

2.5 Распределение концентрации вредных веществ при скоростях ветра, отличных от опасной

2.6 Расчет концентрации вредных веществ в любой точке на оси факела

Список использованной литературы



1. Фильтрование аэрозолей. Основные конструкции фильтров, расчет фильтров. Виды фильтрующих материалов

Для тонкой очистки газов от частиц и капельной жидкости их фильтруют, пропуская аэрозоль через фильтровальные перегородки, которые допускают прохождение воздуха, но задерживают аэрозольные частицы.

В фильтр (рис. 1) поступает загрязненный газ, частицы примесей оседают на входной части волокнистой перегородки (фильтроэлемента) и задерживаются в зазорах между волокнами, образуя на поверхности перегородки слой.

Фильтрование запыленного потока через слой пористого материала - сложный процесс, включающий действие ситового эффекта, инерционного столкновения, броуновской диффузии, касания (зацепления), действия гравитационных и электрических сил.

Процесс фильтрования в наиболее распространенных волокнистых фильтрах можно представить, как движение частиц вблизи изолированного цилиндра (из волокнистого материала), расположенного поперек потока (рис. 2). Влиянием соседних волокон пренебрегают.

Сис. 1. Схема фильтра:

1 - слой примесей; 2 - корпус; 3 - фильтроэлемент



Рис. 2. Схема движения частиц аэрозоля при обтекании одиночного волокна:

l - механизм касания; 2 - инерционный механизм; 3 - диффузионный механизм; 4 - электростатический механизм

Проходя через фильтрующую перегородку, поток газа разделяется на тонкие непрерывно разъединяющиеся и смыкающиеся струйки. Частицы, обладая инерцией, стремятся перемещаться прямолинейно, сталкиваются с волокнами, зернами и удерживаются ими. Считают, что поток имеет безвихревое движение, а частицы - сферическую форму, частицы при соприкосновении с цилиндрическими волокнами на их поверхности задерживаются силами межмолекулярного взаимодействия. Расстояния между цилиндрическими волокнами весьма значительны по сравнению с размерами частиц (в 5...10 раз превышают размеры частиц).

Очистка воздуха от пыли в пористых слоях происходит в результате одновременного действия всех рассмотренных механизмов отделения частиц. Суммировать эффекты от действия отдельных механизмов нельзя, так как общий эффект хотя и больше каждого отдельного слагаемого, но меньше их суммы. Исследования высокоэффективных фильтров, выполненных из очень тонких волокон, показали, что эффективность этих фильтров (близкая к абсолютной) снижается на доли процента в области частиц размером 0,1...0,3 мкм, для которых инерционный эффект уже почти неощутим, а диффузионный еще недостаточно действен.

Размер частиц играет важное значение при зацеплении и захвате частиц за счет касания ими поверхности обтекаемого тела. Если пренебречь инерционными эффектами и считать, что частица точно следует в соответствии с линиями тока, то частица осаждается не только в том случае, когда ее траектория пересечется с поверхностью тела, но и в случае пересечения линии тока на расстоянии от поверхности тела, равном ее радиусу. Таким образом, эффективность зацепления выше нуля и тогда, когда инерционное осаждение отсутствует. Эффект зацепления характеризуется параметром R, который представляет собой отношение диаметров частицы d_ч и обтекаемого тела d_т:

(1)

При потенциальном обтекании шара, когда величина R столь мала, что можно пренебречь инерционными эффектами, эффективность зацепления составляет

(2)

В этом же случае для цилиндра верно соотношение

(3)

В другом предельном случае, когда за счет большого значения инерционных эффектов траектории оседающих частиц прямолинейны, имеем следующие соотношения:

для шара

(4)

для цилиндра

(5)

Таким образом, при потенциальном обтекании шара эффективность механизма зацепления находится в пределах 2R...3R, а при потенциальном обтекании цилиндра - R..2R.

Для определения эффективности осаждения частиц за счет касания при вязком обтекании цилиндра справедливы следующие уравнения:

(5)

(6)

где - критерий Рейнольдса для обтекаемого тела.

Из приведенных выше уравнений следует, что эффект зацепления становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым диаметром. Кроме того, они показывают, что осаждение частиц за счет эффекта зацепления не зависит от скорости газов, но в значительной степени определяется режимом течения газового потока.

Может быть определена эффективность осаждения при броуновском движении и под действием электрических сил как часть обшей эффективности.

Эффективность осаждения частиц одиночными волокнами при броуновском движении (температура потока ниже 100 °С) может быть определена по приближенной формуле

(7)

где v_c - скорость газового потока, м/с; d_ч - диаметр частиц пыли, мкм; d_в - диаметр волокна, м.

Нужно учесть, что на пути движения запыленного потока расположено обычно несколько рядов волокон, что, естественно, значительно повышает общую эффективность осаждения.

Электростатический механизм захвата пылинок проявляется, когда волокна несут заряды или поляризованы внешним электрическим полем.

По мере осаждения частиц на фильтровальном материале уменьшается размер пор и образуется слой пыли с порами значительно меньшими, чем в незапыленном фильтровальном материале. Собственно рабочим слоем при фильтрации является именно фильтровальный материал с осажденными на нем пылевыми частицами. Он и определяет эффективность очистки. При отложении пыли возрастает гидравлическое сопротивление, уменьшается производительность фильтра. По достижении некоторого значения сопротивления пыль периодически удаляют. Этот процесс называется регенерацией фильтра.

Гидравлическое сопротивление слоя осевшей пыли можно определить по формуле Козени - Кармана (Па):

(8)

где k_с - коэффициент, принимаемый для пылей с диаметром частиц d_ч < 6 мкм равным 240; G - масса пыли, содержащейся в порах фильтровального материала, отнесенная к единице площади фильтра, кг/м²; m_п - пористость слоя пыли (m_п = (р_ч - р_н)/р_ч, здесь р_ч - плотность частиц, кг/м³; р_н - плотность насыпного слоя, кг/ м³); d_ч - диаметр частиц пыли, м.

Все большее распространение получает метод расчета улавливания очень мелкодисперсных частиц (d < 5 мкм), разработанный для высокоэффективных фильтров при скоростях фильтрации менее 1 м/с. Метод основывается на определении коэффициента захвата К, "веерной" модели фильтра, представляющего собой систему решеток из параллельных волокон, повернутых на произвольные углы относительно друг друга.

В элементарном слое фильтра толщиной dh, образованного волокнами диаметром D, уложенными с одинаковой плотностью упаковки а, общая длина волокон равна . При протекании со скоростью н через этот слой аэрозоля, концентрация частиц в котором равна N₀, каждой единицей длины волокна улавливается K_sDN₀v(1 - б) частиц данного размера.

Убыль частиц в потоке с переменной концентрацией N составит - нdН, или

(9)

Учитывая, что величина б очень мала, после интегрирования получим

Практический интерес представляет закономерность распределения осаждающейся пыли по толщине фильтра. Для выяснения этой закономерности запишем выражение (6.47) в виде

где л - постоянная фильтрации.

После интегрирования получим

(10)

откуда следует, что при h = л коэффициент проскока равен е^-1 = 0,368.

В соответствии с этим постоянную фильтрации можно определить как толщину слоя фильтра, в котором задерживается 63,2% всех частиц:

(11)

Из выражения (11) следует, что чем эффективнее фильтр, тем меньше его постоянная фильтрации. Наиболее эффективное улавливание происходит в первых по течению воздуха слоях фильтра. Это положение хорошо подтверждается экспериментальными исследованиями. Теория фильтрации относится главным образом к области максимального проскока частиц, предполагая полное улавливание частиц за пределами этой области, что справедливо для высокоэффективных фильтров, и совершенно не учитывая отскока частиц от волокон, который имеет место уже при сравнительно небольших скоростях соударения.

Фильтры общего назначения, наиболее широко применяемые в системах вентиляции, рассчитывают главным образом на основе опытных данных, однако приближенную оценку их эффективности можно получить при помощи приводимых теоретических зависимостей.

2. 

2. Задача

Рассчитать максимальную приземную концентрацию вещества С_М (мг/м³) при горячем и холодном выбросах газовоздушной смеси (ГВС), определить расстояние от источника выброса Х_М (м), на котором достигается величина максимальной приземной концентрации вредных веществ, рассчитать опасную скорость ветра U_M (м/с), концентрации вредных веществ при скоростях ветра, отличных от опасной, а также произвести расчет концентрации вредных веществ в любой точке на оси факела:

Параметр	Номер варианта
	6
Вредное вещество	NO2
Высота трубы (Н, м)	35
Диаметр трубы (D, м)	2.0
Средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника (0 , м/с)	7.0
Температура ГВС (ТГВС, C°)	140
Температура окружающей среды (ТОС, C°)	22
Масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени (М, г/с)	2.0

2.1 Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного нагретого источника

Величину максимальной приземной концентрации вредных веществ С_М (мг/м³) при выбросе газовоздушной смеси (ГВС) из одиночного точечного источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии X_М от источника определяют по формуле:

(1),

где Н - высота источника выброса над уровнем земли, м (для наземных источников Н = 2 м);

М - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;

V₁ - расход газовоздушной смеси, м³/с (V₁ = D²₀/4);

D - диаметр устья источника, м;

₀ - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника, м/с;

T - разность между температурой выбрасываемой ГВС и температурой окружающего воздуха, (Т_гвс-Т_ос) ^оС ;

А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, соответствует неблагоприятным метеорологическим условиям, принимается равным:

200 - для Европейской территории РФ, южнее 50 с.ш.; Сибирь;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере;

F=1 - для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость упорядочного оседания которых ниже 0.05 м/с;

- безразмерный коэффициент, учитывающий влияния рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот менее 50 м на 1 км =1; в других случаях величину определяют исходя из анализа картографического материала.

Величину безразмерного коэффициента m определяют по формуле:

, (2)

где (3)

Значение безразмерного коэффициента n определяется по формуле в зависимости от величины параметра

V_M = 0.65(V₁T/H)^1/3 (4)

при V_M 2, n = 1 (5)

при 0.5 V_M 2, n = 0.532 V_M² - 2.13 V_M + 3.13 (6)

при V_M 0.5, n = 4.4 V_M (7)

(м³/с)

(мг/м³)

2.2 Расчет загрязнения атмосферы выбросами холодных источников

Величину максимальной приземной концентрации вредных веществ С_М (мг/м³) при выбросе холодной газовоздушной смеси (выброс считается холодным, если T=0 или при значениях параметра f100) из одиночного источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Х_М (м) от источника определяется по формуле:

(8)

Коэффициенты A, F, принимаются так же, как и для нагретых источников.

Значение безразмерного коэффициента n определяют по формуле в зависимости от величины параметра

V_M?= 1.3_oD/H (9),

n определяем по формулам (5 - 7) при V_M =V_M?

(мг/м³)

2.3 Расчет расстояния от источника выброса

загрязнение атмосфера выброс фильтр

Определение расстояния от источника выброса Х_М (м), на котором достигается величина максимальной приземной концентрации вредных веществ, осуществляется по формуле:

(10)

а) для нагретых источников



при V_M 0.5 d = 2.48(1+0.28 f_e^1/3) (11)

где f_e = 800(V_M)³ (12)

при 0.5 < V_M 2 d=4.95V_M(1+0.28 f^1/3) (13)

при V_M > 2 d=7vV_M(1+0.28 f^1/3) (14)

б) для холодных источников

при V_M? ? 0.5 d=5.7 (15)

при 0.5 < V_M? 2 d=11.4V_M? (16)

при V_M? > 2 d=16v V_M? (17)

(м)

(м)

2.4 Определение опасной скорости ветра

Значение опасной скорости U_M (м/с) на уровне флюгера (обычно 10 м от уровня земли), при котором достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ C_M, определяется:

при V_M(V_M?) 0.5 U_M = 0.5 м/с (19)

при 0.5 < V_M(V_M?) 2 U_M = V_M(V_M?) (20)

при V_M > 2; U_M = V_M(1+0.12vf ) - для нагретых источников (21)

V_M? > 2; U_M= 2.2V_M?- для холодных источников (22)

(м/с)

(м/с)

2.5 Распределение концентрации вредных веществ при скоростях ветра, отличных от опасной

Концентрация вредных веществ C_MU (мг/м³) определяется по формуле:

C_MU= rC_M (23),

где r - безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения U/Uм

при U/U_M1 r = 0.67(U/U_M)+1.67(U/U_M)²-1.34(U/U_M)³ (24)

при U/U_M>1 r = 3(U/U_M)/(2(U/U_M)² - (U/U_M)+2) (25)

Расстояние от источника выброса X_MU (м), на котором при скорости ветра U и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения С_MU (мг/м³), определяется по формуле:

Х_MU = PХ_M (26),

где Р - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения U/U_M

при U/U_M 0.25 P=3

при 0.25<U/U_M?1 P=8.43(1- U/U_M)⁵+1 (27)

при U/U_M>1 P=0.32(U/U_M) +0.68 (28)

(мг/м³)

(мг/м³)

(м)

(м)

2.6 Расчет концентрации вредных веществ в любой точке на оси факела

При опасной скорости ветра U_M приземная концентрация вредных веществ C (мг/м³) в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях Х (м) от источника выброса определяется по формуле:

С = S₁C_M (29),

где S₁- безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения Х/Х_М и коэффициента F по формуле:

при Х/Х_М1 S₁= 3(Х/Х_М)⁴ -8(Х/Х_М)³+6(Х/Х_М)² (30)

при 1<Х/Х_М8 S₁=1.13/(0.13(Х/Х_М)²+1) (31)

при Х/Х_М>8 и F=1 S₁=Х/Х_М/(3.58(Х/Х_М)²-35.2(Х/Х_М)+120) (32)

Х/Х_М>8 и F>2 S₁=1/(0.1(Х/Х_М)²+2.47(Х/Х_М)+17.8) (33)

(мг/м³)

(мг/м³)

Ответ:



Список использованной литературы:

1. Шандала М.Г., Звиняцковский А.Б. Здоровье населения как критерий антропо-экологической системы/Методологические проблемы экологии человека.- Новосибирск. 2008.Стр.45-82.

2. Шилов И.А. Экология.- М.: Высш. шк.,2009, 512 с.

3. Одум, Ю. Основы экологии: Учеб. для вузов / Ю. Одум. - М.: Мир, 2006, 740 с

4. Ветошкин А.Г. Теоретические основы защиты окружающей среды - М.: Высш. шк., 2010, 497с.

5. Арустамова Э.А. Безопасность жизнедеятельности: Учебник, 2012.

6. Алексеев С.В., Пивоваров Ю.П., Янушанец О.И. Экология человека: Учебник. - М.: Икар, 2012.

7. Гигиена и экология человека: Курс лекций/ Под ред. Ю.П. Пивоварова. - М.: ГОУ ВУНКЦ МЗ РФ, 2011.

8. Пивоваров Ю.П., Королик В.В., Зиневич Л.С. Гигиены и основы экологии человека: Учеб. пособие. - Ростов н/Д: Феникс, 2012.

9. Зотов Б.И., Курдюмов В.И. БЖД.- М.: КолосС, 2009.

10. Белов С.В. БЖД.- М.: Высшая школа, 2010.

11. http://ru.wikipedia.org/wiki.

Размещено на Allbest.ru

...