МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Физико-энергетический факультет

Ю. М. ГЛУШИОВ

Задачи и вопросы по курсу

„ТЕХНИКА ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ"

(для студентов специальности 013100)

ОБНИНСК 1997

Глушков СМ. Задачи и вопросы по курсу "Техника защиты окружаю­щей среды" (для студентов специальности 013100). - Обнинск: ИАТЭ, lflfl7, - 7£с.

Пособие содержит задачи и вопросы по разделам курса "Техника за­щиты окружающей среды", а также справочный материал и ссылки на лите­ратуру. В отдельных случаях тексты задач дополнены приложениями, соде­ржащими пояснения и расчетные формулы (инженерные расчеты основных эк­сплуатационных параметров отстойников, циклонов, адсорберов, абсорбе­ров, ионообменных фильтров, аэротенков, рассеивания выбросов и сбро­сов). Набор задач и их формулировка уточнялись в процессе преподавания курса в течение нескольких лет с целью наилучшего его соответствия по­требностям выпускников в их практической деятельности.

Табл. 55, илд. 7, библиогр. 25 наэв.

Рецензенты: к.х.н. В.А.Колодяжный к.ф-м.н. В.Д.Иванов

Содержание

Характеристики и свойства аэроволей. Очистка газов от аэрозольных загрязнений

Очистка газов от парообразных

и газообразных загрязнений 20

Очистка природных и сточных вод 36

Справочный материал 53

Литература 75

ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ. ОЧИСТКА ГАЗОВ ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Задача 1. Гистограммы интегрального и дифференциального распре-пределений аэрозольных частиц по размерам.

Диаметры d частиц в отобранной пробе аэрозоля определены с помо­щью электронного микроскопа. В результате измерений получены данные о дисперсном составе аэрозоля, приведенные ниже в таблице.

Номер	Интервал размеров	Доля N,/N
фракции	d, мкм частиц	частиц
1	из фракции i	из фракции 1
1	0.05 - 0.25	0.15
2	0.25 - 0.40	0.45
3	0.40 - 0.70	0.18
4	0.70 - 1.35	0.12
5	1.35 - 2.80	0.06
6	2.80 - 4.45	0.03
7	4.45 - 6.30	0.01

Б таблице N, - количество измеренных частиц, размеры которых попадают в i-ый интервал размеров; N - общее количество измеренных частиц.

Постройте гистограммы дифференциального и интегрального распреде­лений частиц по размерам.

Задана 2. логарифмически - нормальное распределение аэрозольных частиц по размерам.

Ниже в виде таблицы приведены некоторые данные о распределении по размерам водяных капелек в облаках. Исходная информация для выборки из 100 частиц получена с помощью оптического микроскопа.

Таблица

Номер	Интервал	Количес-	Доля	Оцен-	Логарифм
фрак-	радиусов	тво Ni	частиц	ка	верхней
ции 1	г частиц	частиц	иа фрак-	F(r)	границы
	на фрак-	иэ фрак-	ции i	по	радиусов
	ции 1.	ции 1	Ni/N	эксп.	1-й фрак-
	ыкм			данным	ции lgT
1	2.5- 4.0	4	0.04	0.04	0.602
2	4.0- 5.5	6	0.06	0.10	0.740
3	5.5- 7.0	15	0.15	0.25	0.845
4	7.0- 8.5	24	0.24	0.4S	0.929
5	8.5-10.0	24	0.24	0.73	1.000
в	10.0-11.5	12	0.12	0.85	1.061
7	11.5-13.0	4	0.04	0.89	1.114
8	13.0-14.5	4	0.04	0.93	1.161
9	14.5-16.0	4	0.04	0.97	1.204
10	1В.0-17.5	1	0.01	0.98	1.243
11	17.5-19.0	2	0.02	1.00	1.279

В таблице F(r) - интегральная функция распределения аэрозольных частиц по раамерам (f(г)-дифференциальная функция распределения):

г

F(r) - I f(r)dr. 0

В пятой и шестой колонках таблицы в качестве значения г использо­валась верхняя граница интервала i (подумайте, почему именно верхняя граница, а, например, не среднее значение из интервала?).

1). Используя данные таблицы, постройте график интегрального рас­пределения радиусов частиц в вероятностно - логарифмической сетке и с его помощью определите величины lgTg. • <lgr> и Ig&rg, являющиеся пара­метрами логарифмически - нормального распределения (ЛНР):

1 Пег -lgrv)²

f (r)dr - exp ( ) dler

(2n)^1/2lae_rr 2(lger»)²

2). Используя данные таблицы, постройте гистограмму дифференци­ального распределения и наложите на него график ЛНР ([7], стр.29)

Пояснение. Вероятностно - логарифмическую сетку для ЛНР образуют так. На оси абсцисс откладывают величины IgT. На оси ординат отклады­вают значения ж в произвольном масштабе и рядом с этими значениями указывают величины интеграла Ф(*) (см. табл.11 и рис.1), т.е. долю частиц, размеры которых удовлетворяют неравенству lgr < lgr₉ * 3lff6r»:

%

Ш(х)-(2Я)"^1/21ехр(-«²/2)с1«,

ш - (ip- - ier*)/ige_r*.

Далее по экспериментальным данным (столбцы 5 и б) в полученной вероят­ностно - логарифмической сетке строится прямая линия. С помощью полу­ченного графика находят величину 1вт_е (это точка пересечения графика прямолинейной зависимости Ф(я) от 1st с осью абсцисс)

<1вт> - 1st» - 1ет(« - О)

^{и величину lg6r* - 1(Г(г(» - 1)/г(» - О)).}

Задача 3. Подвижность аэрозольных частиц.

Дайте определение подвижности "В" аэрозольной частицы. Какова ее размерность в системе СИ?

Дана масляная капелька (сферическая аэрозольная частица) с диаме­тром 10 мкм. Давление воздуха Р - 10^s Па. Температура 20°С. Для этой аэрозольной частицы вычислите: 1) безразмерный критерии Кнудсева № (нужно ли учитывать поправку Кенингема С_к в формуле Стокса?), 2) под­вижность В, 3) действующую на частицу силу тяжести F.

Используйте наиденные величины подвижности и силы тяжести для вы­числения скорости оседания u_s одиночной аэрозольной частицы.

Может ли эта аэрозольная частица иметь скорость v - B*F, если к ней приложена единичная сила F - 1 Н? Чему будет равно число Рейнольд-

ca Re при такой скорости? Для каких чисел Рейнодьдса применимо выше­приведенное выражение? См. также табл. 9. Расчешые формулы. Закон Стокса:

F - Б Я ц_г Г V .

Поправка Кенингема к закону Стокса:

Ck-1 + AKn + QKn ехр(- b Кг."¹),

где Кп • <1_г>/г (табл.1). -

Для масляных капелек при Т - 20°С А - 1.25, Q - 0.42, b - 0.87.

Задана 4. Время релаксации аэрозольной частицы.

Сферическая аэрозольная частица с радиусом г и массой т под дей­ствием постоянной силы F, уравновешенной силой сопротивления F_COnp га­зовой среды, имеет скорость 0_о равномерного прямолинейного движения. Вязкость газа ц_г. Режим обтекания ламинарный. Безразмерный параметр Кнудсена Кп - 0. В момент времени t - 0 сила F выключается и сила тре­ния начинает тормозить частицу.

Найдите закон замедления скорости аэрозольной частицы.

Дайте определение времени релаксации

х - 2r²p₄/9ii_r-

Чему равен пробег l(t) аэрозольной частицы в течение времени t после выключения силы F? Чему равен полный пробег 1 аэрозольной части­цы после выключения силы F?

Задача S. Средний размер частиц в промышленном аэрозоле.

С помощью аэрозольного фотоэлектрического поточного счетчика най­дено, что в объеме* 2.2*Ю~^г мм³ дыма мартеновских печей содержится в среднем 87 аэрозольных частиц. Объемная массовая концентрация аэрозоля Су - Ю~⁴ кт/м³ (массовую концентрацию определяют с помощью аналити­ческих фильтров ФП весовым методом).

Считая для простоты, что форма частиц сферическая, определите ра­диус г частиц аэрозоля. Какую усредненную величину вы определяете этим способом : <г>, <г²> или <г³>?

*' 2.2*10"² мм³ - это объем счетного пространства прибора.

Задача 6. Очистка газов от крупных частиц пыли с помощью пылевых камер.

При обжиге серного колчедана (пирита) FeS₂ во вращающихся печах протекает реакция

4 FeS₂ + 11 О₂ - 2 Fe₂0₃ + 8 S0₂ + 3302 кДж

и образуется большое количество пыли.

Оцените высоту h слоя газа между полками пылевой камеры, в кото­рой полностью оседают все частицы колчеданной пыли с размерами d>8 мкм при расходе печного газа G = 0.6 м³/с (н.у.). Давление газа Р = 10⁵ Па. Температура газа Т = 427°С (табл.9).

Известные размеры пылевой камеры (рис.2): длина полки L=4 м, ширина полки b = 3 м, общая высота всех слоев газа между полками Н = 4 м. Толщиной полок при расчете можно пренебречь. Течение газа в пространстве между полками ламинарное.

Как влияет (и почему) изменение расхода S запыленного газа на эф­фективность Э его очистки в пылевой камере?

Как влияет (и почему) повышение температуры гага на эффективность его очистки в пылевой камере?

Задача 7. Очистка газов от пыли с помощью циклонов.

Рассчитайте диаметр D и гидродинамическое сопротивление р цик­лона ЦН (и подберите его марку) для очистки от сухих частиц пыли воз­духа, выходящего из распылительной сушилки. По диаметру циклона опре­делите все его размеры. Массовый расход запыленного воздуха Q = 2000 кг/ч. Температура воздуха 100°С. Медианный диаметр частиц пыли d_М = 80 мкм (размеры частиц даны для обоснования выбора именно цикло­на в качестве средства очистки). Концентрация пыли в газе на входе в циклон С_вх = 120 г/м³. Пыль неслипающаяся.

Примечание. Распылительные сушилки используются, например, для получения гранул азотного удобрения мочевины из ее расплавов.

Приложение. Для инженерного расчета циклонов типа ЦН необходимы следующие исходные данные (см. также рис.2):

1) температура Т и давление Р очищаемого газа;

2) требуемая производительность (расход очищаемого газа) G (м³/с) при рабочих условиях;

3. плотность ρ_г (кг/м³) газа при рабочих условиях;

4. динамическая вязкость (Па*с) газа при рабочих условиях;

5) дисперсный состав пыли: медианный размер частиц пыли d_M (мкм) и дисперсия десятичных логарифмов размеров (lgσ_dg)² (мкм²);

6) концентрация пыли на входе в циклон С₁ (г/м³);

7) плотность частиц пыли ρ_ч (кг/м³);

8) требуемая эффективность Э очистки газа от пыли.

Что нужно найти? Угол наклона входа газовой струи к оси циклона и размеры циклона, гидродинамическое сопротивление, эффективность очистки, расход энергии на прокачку газа через циклон.

Инженерный расчет циклонов ЦН ведется методом последовательных приближений с использованием приведенных ниже алгоритма и таблиц 1* - 7*. Для начала следует выбрать циклон ЦН с максимальным наклоном входной струи очищаемого газа к оси циклона, поскольку такие циклоны обладают наименьшим гидродинамическим сопротивлением (но и наименьшей эффективностью пылеулавливания).

1. Выбрав тип циклона, а именно, цилиндрический циклон ЦН-24, находим из табл. 1 оптимальную условную скорость u_у.опт. газа в его цилиндрическом сечении.

2. Вычисляем оптимальный диаметр D_опт циклона по известным u_у.опт. и G:

(1)

Полученное D_опт округляем до ближайшего типового значения D из табл. 2*. Если рассчитанный параметр D_опт превышает максимальное типовое значение D=3 м из табл. 2*, то нужно предусмотреть два или более (n) параллельно работающих циклонов.

3. По выбранному типовому диаметру D уточняем условную скорость u_у газа:

(2)

Полученная u_у не должна отличаться от оптимальной u_у.опт. более, чем на 15 % (иначе в циклоне не сформируется движение газа по спирали).

4. Определим коэффициент ξ гидродинамического сопротивление циклона:

(3)

где ξ(D - 0.5) – коэффициент гидродинамического сопротивления циклона с диаметром D = 0.5 м (табл. 3*),

k₁ – поправка на выбранный диаметр циклона (табл. 4*),

k₂ – поправка на концентрацию пыли в газе (табл. 5*).

5. Вычисляем гидродинамическое сопротивление Δр, Па циклона:

, (4)

где р₁ и р₂ – давление газа на выходу и входе из циклона,

ρ_г – плотность газа, кг/м³.

6. Вычисляем эффективность Э очистки газа циклоном:

(5)

(6)

, (7)

где d_M – медианный диаметр аэрозольных частиц, мкм,

- дисперсия десятичных логарифмов диаметров частиц,

- параметр на табл. 6*,

d_0.5 – диаметр частиц с эффективностью улавливания 0,5 в данном циклоне, мкм,

d_0.5* - экспериментально найденное значение d_0.5 (табл. 6*) для следующих условий работы циклона с диаметром D = 0.6 м: плотность частиц ρ_ч* = 1930 кг/м³, вязкость газа µ_г* = 2,22*10^-5 Па*с, условная скорость u_y* = 3.5 м/с,

ρ_ч, µ_г, u_у – рассматриваемые условия работы в циклоне с диаметром D.

Определив по формуле (6) величину ϰ, находим в табл. 11 значение Ф(ϰ), а затем с помощью (5) – величину Э.

Если эффективность Э окажется меньше заданной (например, по условиям предельно допустимого выброса в атмосферу (ПДВ)), то можно поставить два параллельно работающих циклона с меньшими D, или уменьшить угол наклона входа газовой струи в циклон. Если и эти варианты не дают нужной эффективности, то следует перейти к коническим циклонам СК-ЦН.

Для ориентировки можно использовать приближенную связь для коэффициентов сопротивления ξ, эффективностей Э, условных скоростей u_y, диаметров D:

. (8)