Анализ процессов и расчет аппаратов защиты окружающей среды

Грязный воздух тангенциально входит через патрубок в верхнюю или нижнюю часть циклона. Затем газ по спирали проходит вниз циклона, где высокозаряженные и тяжелые частички пыли по инерции уходят вниз.

Далее крупные частицы пыли опускаются в бункер, а чистый воздух выходит наружу.

Циклоны не требуют внутренней очистки. Вся очистка циклонного пылеуловителя происходит путем очищения бункера от скопившейся пыли.

Но эта проблема решается установкой циклона с рукавным или картриджным фильтром.

Задание по расчету аппаратов сухой очистки

Рассчитать газоочистной аппарат (циклон) для разделения взвешенных частиц от газового потока.

В таблице 3 приведены исходные данные:

1. Объем очищаемого газа Qм3/с;

2. плотность газа при рабочих условиях p (кг/м3);

Таблица 1.2 - Соотношение размеров в долях диаметра для циклонов

Расчет циклонов ведут методом последовательных приближений.

Таблица 1.3 - Параметры, определяющие эффективность циклонов

щоп - скорость движения газа в циклоне, м/с.

- оптимальный диаметр частиц, осаждаемых с эффективностью 50 %, мкм.

- стандартное отклонение функции распределения парциальных коэффициентов очистки.

Расчет начинают с циклона, для которого диаметр частиц пыли должен быть ориентировочно в 2 раза больше, чем .

где - медианный размер частиц, то есть такой размер, при котором количество частиц крупнее равно количеству частиц мельче .

dм=8 мм, принимаем к расчету циклон ЦН-15.

Диаметр циклона вычисляется по формуле:

, (1)

где - количество очищаемого газа, м3/с; - количество циклонов.

Полученное значение диаметра округляется до ближайшего типового значения внутреннего диаметра циклона (табл. 1.4). принимаем

По выбранному диаметру циклона находится действительная скорость движения газа в циклоне:

, м/с, (2)

Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на

.

.

Параметр определяют следующим образом.

- диаметр частиц, осаждаемых с эффективностью при рабочих условиях.

Величина определяется по формуле:

. (3)

. (4)

Полученное значение должно быть меньше (заданного). Если это не выполнятся, то необходимо выбрать другой циклон с меньшим значением .

- условие выполняется

Расчет параметра определяют по формуле:

, (5)

где- стандартное отклонение функции распределения парциальных коэффициентов очистки (табл. 1);

- стандартное отклонение размеров частиц пыли (параметр из табл. 7).

. (6)

Определятся эффективность очистки газа в циклоне (з):

. (7)

, (8)

где-поправочный коэффициент на диаметр циклона (табл. 1.5);

- поправочный коэффициент на запыленность газа (табл. 1.6);

- коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром мм (табл. 1.7).

Определение поправочного коэффициента - по таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Определение поправочного коэффициента

Определение поправочного коэффициента производим по таблице 1.6.

Таблица 1.6 - Определение поправочного коэффициента

Определение коэффициента гидравлического сопротивления производим по таблице 1.7.

Таблица 1.7 - Определение коэффициента гидравлического сопротивления

Вычисление гидравлического сопротивления (, Па) циклона производят по формуле

, (9)

где - плотность газа, кг/м3;

- скорость газа в циклоне, м/с.

Па

Расчет мощности привода подачи газа. Величина гидравлического сопротивления и объемный расход ( м3/с) очищаемого газа определяют мощность (, Вт) привода устройства для подачи газа к циклону:

, (10)

Вт 17,4 кВт

где - коэффициент запаса мощности ();

- КПД передачи мощности от электродвигателя к вентилятору ();

- КПД вентилятора ().

Определение концентрации пыли на выходе из циклона, г/м3:

Свых = Свх(1 ? ??). (11)

г/м3

2. Аппараты мокрой очистки газов

2.1 Скрубберы: принцип работы, устройство и характеристики

Скруббер - это промышленный аппарат для мокрой очистки воздухаот пылевых и/или дымовых и газовых выбросов.

Это неоднозначное понятие, (также - «скраб»), относится и к косметическому средству для очищения кожи. Впрочем, такие уточнения как «промышленный», «газовый», «мокрый», «абсорбционный» позволяют избежать возможных недоразумений при поиске аппарата на просторах Интернета.

Мокрым фильтр называется потому, что основным функтором, осуществляющим задержание или нейтрализацию нежелательных примесей, является жидкость - вода или абсорбент (активный раствор).

Жидкость может быть представлена в пылегазоуловителе в различных «ипостасях»:

- Микропленка - в т.н. пленочных и насадочных моделях (со стационарной насадкой);

- Турбулентный микротуман (аэрозоль) - в скоростном скруббере Вентури, в полых ротационных / вихревых моделях;

- Метастабильная пена - в тарельчатом абсорбере;

- Кипящий слой - в скруббере с подвижной насадкой.

Схематичное устройство и принцип работы форсунчатого скруббера.

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема работы мокрого пылегазоуловителя

- Входная секция для ввода загрязненной среды, (обычно подразумевает включение в схему напорного вентилятора / дымососа);

- Камера охлаждения (квенчинг-камера) - опциональна для аппаратов, работающих со средами экстремальной температуры;

- Рабочая камера (полая или заполненная насадочными телами, в барботажных аппаратах камера также оснащается одним или несколькими перфорированными поддонами, а также системой т.н. переливов);

- Блок дистрибуции жидкости (как правило, форсуночный блок);

- Система рециркуляции (опциональна для моделей с полузакрытым контуром, например, в судовых скрубберах);

- Циркуляционный бак с водой или абсорбентом;

- Шламоприемная емкость (в случае работы скруббера с цементирующимся партикулятом, шламоприемник может быть оснащен скребковым транспортером для непрерывного перемешивания шлама, извлечения и предотвращения цементации осадка);

- Выходная секция (обычно оснащается каплеуловителем для исключения брызгоуноса из аппарата).

Отличие скруббера от абсорбера и циклона

Если подходить к вопросу об отличиях технически точно, то скрубберы являются «пылеулавливающим» подтипом абсорберов, которые, в свою очередь, относятся к аппаратам, осуществляющим процесс сорбции - захвата, растворения одного вещества в другом (или взаимной химической нейтрализации, т.н. хемосорбции).

В истинном понимании абсорберы относятся не к пылеуловителям, а к оборудованию химической очистки газов и воздуха, и часто под абсорберами - если нет иного уточнения - подразумеваются колонные абсорбционные аппараты со стационарной насадкой.

Впрочем, в газоочистной терминологии разницу в названиях часто игнорируют; допустимо именовать аппараты сходного назначения и скрубберами, и абсорберами: (например, «абсорбер или скруббер Вентури», «пенный скруббер или пенный абсорбер» и т. д).

Что же до циклона, то одной из разновидностей агрегатов, утилизирующих принцип завихрения среды, являются т.н. мокрые циклоны. Их главное отличие от сухих аналогов заключается в наличии в рабочей камере распылительного блока. Подробнее - ниже на странице.

Назначение и сферы применения скрубберов

Основное назначение скрубберов - промышленная очистка воздуха от пыли (аспирация и вентиляция), но возможность заправки активных абсорбентов в циркуляционный контур устройств также делает возможной (и эффективной) очистку воздуха от газов / сепарацию газов.

Использование жидкости в качестве фильтрующей среды по умолчанию делает скрубберныепылегазоуловители наиболее рациональными устройствами для мокрой очистки дымовых газов, в том числе с высоким содержанием механических загрязнителей (пыли, копоти, пепла, сажи, золы).

Список улавливаемых химических загрязнителей очень широк: это и оксиды серы, и окислы азота, и хлороводород, и сероводород, аммиак, бромоводород, меркаптаны, тиолы, альдегиды, кислые и щелочные пары, оксиды металлов, галогены и галогениды, спирты, эфиры, алканы и многое другое.

В таблице 2.1 приведены области применимости скрубберных и абсорбционных фильтров в современной промышленности.

Таблица 2.1 - Отрасли, использующие скрубберы

Башенные, колонные и горизонтальные скрубберы

Что касается ориентации скрубберных фильтров, то они могут быть выполнены как в виде колонн/башен, так и в виде горизонтальных моделей.

Рисунок 2.2 - Горизонтальный мокрый пылегазоуловитель насадочного типа

При скруббинге сухого или полусухого типа абсорбент или влага также играют ключевую роль в задержании нежелательных примесей, но особенность в том, что условия среды (давление, скорость и температура) не позволяют абсорбенту конденсироваться в заметном глазу образования, поэтому визуально кажется, что газоочистка идет на сухом базисе.

Данные технологии не нашли широкого применения в промышленности и ограниченно применяются для узких, специфических задач.

Типы скрубберов

Рассмотрим подробнее типы скрубберных установок, особенности устройств и базовые принципы их работы.

Полый распылительный скруббер (орошаемый циклон с падающей пленкой)

Пожалуй, одним из наиболее простых аппаратов пыле- и газоочистки, который можно отнести к мокрым скрубберам, является полый орошаемый циклон вихревого действия.

Его устройство и принцип действия в фундаментальных чертах совпадает с сухим циклонным пылеуловителем, но мокрый циклон, вдобавок, оснащен форсуночной секцией, распыляющей внутри рабочей камеры воду или абсорбент.

Рисунок 2.3 - Мокрые циклоны

Загрязненная среда подводится по касательной к вертикальной оси устройства, что заставляет ее завихряться, закручиваться внутри аппарата. Форсуночный блок диспергирует абсорбент, который захватывает нежелательные примеси и увлекает их вниз, в шламоприемную секцию. Также поллютанты сорбируются и в непрерывно стекающей по стенкам камеры жидкостной пленке, (поэтому такие воздухоочистители также называют скрубберами с падающей пленкой, «fallingfilmscrubber»).

Рисунок 2.4 - Труба Вентури - основной элемент скоростного воздухоочистителя

гидравлический циклонный пылеуловитель

Насадочные скрубберы, в отличие от барботажных, никогда не применяются для очистки воздуха от пыли - только от газовых и аэрозольных поллютантов, в том числе, от таковых с экстремальной токсичностью и / или химической активностью.

Насадочными такие агрегаты называются потому, что рабочая камера заполнена т.н. насадкой, представляющей собой неподвижный массив тел, обладающих большой поверхностью при малом объеме.

Среди наиболее распространенных насадок можно отметить кольца Рашига (и кольца Супер-Рашига), седла Инталлокс, кольца Палля, спирали, хорды, полухорды и другие тела со схожими свойствами.

Принцип работы насадочного скруббера (и его эффективность) заключается в создании на поверхности насадки тонкой, химически активной жидкостной пленки, площадь которой может достигать 100-150 и более м2 на каждый кубометр наполнителя.

В некоторых случаях насадочные колонны показывают практически 100% КПД даже при использовании обычной воды - например, при улавливании аммиака, хлороводорода, бромоводорода и других соединений, хорошо растворимых в H2O.

Форсуночный блок непрерывно орошает стационарный насадочный массив; вместе с этим в газопромыватель подается загрязненная среда, которая вынуждена контактировать с высокоактивной жидкостной пленкой, оставляя в ней нежелательные примеси (на базисе физической или химической сорбции).

Поскольку фильтры относятся к химическому типу оборудования, это прямо отражается на используемых при их конструировании материалов, которые должны показывать исключительные свойства инертности как в отношении обрабатываемых сред, так и в отношении циркулирующего внутри скруббера абсорбента.

Основными конструкционными материалами для скрубберов насадочного типа являются полипропилен (и его модификации / сополимеры), полиэтилен, стеклопластик (фибергласс), фторопласт, нержавеющая сталь, титан. Выбор материалов зависит от концентрации, температуры и природы загрязнителя.

Скруббер с подвижной насадкой

Наиболее продвинутыми воздухоочистными агрегатами, способными к одновременному захвату механических, дымовых, газовых и аэрозольных выбросов высоких концентраций, являются скрубберы с подвижной насадкой.

В отличие от стационарной насадки, подвижный наполнитель представляет собой массив полых, (обычно - полипропиленовых), шаров, которые способны свободно двигаться внутри рабочей камеры пылегазоуловителя.

В условиях сбалансированного равновесия давлений входящего потока и пневмогидравлического сопротивления аппарата массив шаров, обильно орошаемый водой или абсорбентом, входит в псевдоожиженное состояние, начинает «кипеть».

Этот кипящий слой представляет собой сложную двухфазную систему, обеспечивающую исключительно активный контакт очищаемой и очищающей сред, вдобавок, непрерывное движение шариков предотвращает цементацию склонных к слипанию компонентов потока, приводя к непрерывному самоочищению рабочей камеры скруббера.

Скрубберы с кипящим слоем используются в наиболее тяжелых режимах работы, на участках, генерирующих большие объемы сложных пылевых, пылегазовых и пыледымовых выбросов: энергетика, добыча и переработка ископаемых, АБЗ, ЖБИ, нефтехимия, металлургия.

Все мокрые пылеуловители и газопромыватели, изготавливаемые в «НПО «Центр ШВ», обладают нижеследующими техническими характеристиками. Показатели нашего оборудования можно считать предельными для данного класса аппаратов:

- Объемы обрабатываемых отходящих газов / пылевых потоков - от десятков единиц до сотен тысяч кубометров среды в час;

- Температурный режим - до + 900 градусов Цельсия, (с параллельным охлаждением и увлажнением эмитируемой вовне среды);

- Степень очистки / средний КПД ? 99% - для таких загрязнителей как механическая пыль (с дисперсностью от 0,5 мкм, окислы серы, азота, хлороводород, сероводород, пары кислот и щелочей, галогениды, кетоны, альдегиды, меркаптаны, спирты, эфиры, другие углеводороды, сложные пыледымовые и газодымовые выбросы, в том числе, включающие липкие и цементирующиеся компоненты);

- Низкое сопротивление установок;

- Богатая комплектность поставки - не только сам скруббер, но и вспомогательное оборудование (заборные зонты / короба, газоходы, вентилятор / дымосос, насос, буферные емкости, циркуляционные баки, электрокоммутация, система мониторинга, управления и автоматизации работы, обслуживающие конструкции, инструкции, паспорта, документация);

- Безотказность, надежность, долговечность и стоимость, доступная даже для промышленных участков среднего и малого поля деятельности, быстрая окупаемость и экономичность работы.

2.2 Расчет аппаратов мокрой очистки газа

Исходные данные Для расчета скруббера и форсунки необходимы следующие исходные данные:

- расход очищаемого газа Qгаз(м/с); скорость потока (м/с);

- требуемая производительность форсунки Q (м3/с);

- перепад давления ?Pж (Па);

- корневой уголь факела в (град);

- свойства жидкости: плотность жидкости pж(кг/м3); вязкость µж - (Па•с) и поверхностное натяжение у;

- плотность pги вязкость µг окружающего газа;

- коэффициент расхода г.

Исходные данные представлены в таблице 2.2.