Промышленная экология. Расчет аппаратов для очистки газов (90

Ориентировочно требуемое сопротивление можно найти из со- отношения:

где индексами 1 и 2 обозначены вычисленные и требуемые зна- чения величин.

Физический смысл улучшения степени очистки газа в циклоне с более высокими потерями давления при неизменных диаметре аппарата и скорости потока в нем заключается в уве- личении работы, затрачиваемой на очистку газов.

Пример. Рассчитать степень очистки в циклонном сепа- раторе продуктов сгорания угля Интинского месторождения. Характеристика золы: Dm= 20 мкм; σ = 3,0; ρр = 2240 кг/м3; Р = 50 Па (слабослипающаяся); Кя = 0,9·10-11 м2/кг. УЭС при 1000С равно 4·106 Ом·м, при 1500С – 6,2·10 7 Ом·м, смачивае- мость 91%. Зола состоит из частиц овальной и круглой фор- мы с включением частиц игольчатой формы. Расход газа- носителя 10000 м3/ч (2,78 м3/с), зольность 42 г/м3, температу- ра 1400С; содержание в продуктах сгорания СО2 – 12,1% об., SО2 – 0,2% об., N2 – 73,6% об., О2 – 5,5% об., Н2О – 8,6% об.

Расчеты характеристик осаждения золы в индивидуаль- ном циклоне выполняем в следующем порядке:

1. Задаемся типом циклона. Принимаем к расчету воз- вратно-поточный циклон типа ЦН-11. По табл. 1.1 принимаем величину оптимальной скорости потока в циклоне wopt = 3,5 м/с.

11

Вычисляем диаметр циклона (формула 1.1):

Dcl = 10000 /(3600 × 0,785 × 3,5 ×1) = 1,005 м.

Принимаем стандартный диаметр циклона D=1000 мм. 2. Подсчитываем скорость потока в циклоне с диаметром

1000 мм (формула 1.2):

3. Подбираем значения x500, К1, К2, К3 для циклона ЦН-11, работающего на выхлоп в атмосферу, по таблицам 1.1.-1.4. и оп- ределяем коэффициент гидравлического сопротивления циклона (формула 1.3):

x = 1× 0,92 × 250 + 0 = 230.

4. Используя правило аддитивности, подсчитываем плот- ность дымовых газов заданного состава в нормальных условиях ρ0, принимая значения плотностей ингредиентов по справочным данным (табл. 1.6):

r0 = 0,01 × (12,1× rCO 2 + 0,2 × rSO 2 + 73,6 × rN 2 + 5,5 × rO 2 + 8,6 × rH 2O ) =

= 0,01× (12,1×1,977+ 0,2 × 2,927+ 73,6 ×1,251+ 5,5 ×1,429+ 8,6 × 0,769) = 1,31 кг/м3.

Вычисляем плотностьдымовых газов врабочих условиях r140:

r140= 1,31·273/(273+140)= 0,87 кг/м3.

12

Определяем потери давления в циклоне (формула 1.4):

Dp = 230 × 0,87 × (3,54)2 / 2 = 1254 Па.

Величина потерь давления достаточно высока, однако может быть обеспечена дымососами обычных марок, устанав- ливаемых в котельных.

5. Из табл. 1.1 находим значение D50= 3,65 мкм для ци- клона ЦН-11 диаметром Dт = 600 мкм при табличной плотности частиц 1930 кг/м3 и вязкости газа-носителя 22,2·10-6 Па·с, а так- же величину lg ση = 0,352. Для перерасчета значения D50 на про- ектируемые условия необходимо определить динамическую вязкость газа-носителя в рабочих условиях. Определение дина- мической вязкости в нормальных условиях для заданной газовой смеси произведем по формуле Гернинга и Ципперера:

приняв значения вязкостей ингредиентов и критических темпе- ратур из табл. 1.6:

m0 = (0,121×13,7 ×10−6 13,7 ×10−6 × 304,2 + 0,002 ×11,7 ×10−6 ×

11,7 ×10−6 430,7 + 0,736 ×17 ×10−6 17 ×10−6 ×126 + 0,055 × 20,3 ×

13

Пересчет на рабочую температуру произведем поформуле:

приняв поправочные температурные коэффициенты ki для ком- понентов из табл. 1.6. и вычислив аддитивно поправку k для смеси:

Таблица 1.6

Характеристики газов

k = 0,121·254+0,002·396+0,736·114+0,055·131+0,086·961≈205;

14

6. Находим по табл. 1.5 значение интеграла вероятности Ф(х)=0,941 и приравниваем к нему величину коэффициента очист- ки η =94,1 % или вычисляем коэффициент очистки поформуле(1.7).

Такой результат позволяет использовать циклон только для предварительной очистки дымовых газов заданного состава. Несложно убедиться в низком качестве очистки, подсчитав ва- ловой выброс загрязнителя в атмосферу после циклона. При за- данных условиях (содержание золы 42 г/м3, количество дымо- вых газов 10000 мэ/ч) суточный выброс золы после циклона со- ставит:

M =0,042·10000(1-0,941)·24 = 595кг.

Указанное количество дымовых газов образуется при ра- боте парогенераторов средней мощности (с паропроизводитель- ностью порядка 10 т/ч). Следовательно, суточный выброс золы от типовой котельной с тремя подобными котлами достигнет почти двух тонн. К счастью, пока некрупные котельные такого типа работают в основном на газовом топливе.

7. Попытаемся увеличить коэффициент очистки, выбрав циклон с более высоким сопротивлением. Чтобы суточный вы- брос золы от одного парогенератора не превосходил хотя бы од- ного центнера, коэффициент очистки должен быть не ниже 99%. Вычислим по формуле (1.8) требуемую для этого величину ко- эффициента сопротивления:

Отечественной промышленностью такие циклоны се- рийно не выпускаются. Их сопротивление на порядок превы- сило бы возможности тягодутьевых установок типовых ко- тельных. Следовательно, для заданных условий циклон непри- емлем как индивидуальное средство очистки и может служить лишь в качестве первой ступени перед аппаратами тонкой очистки.

15

Задание

Рассчитайте заданный циклон для очистки воздуха от пыли. Исходные данные – согласно приложению 1.

2. Расчет адсорбера для очистки воздуха от паров и газов

Адсорбенты, используемые в системах очистки отходя- щих газов, должны удовлетворять следующим требованиям: иметь большую адсорбционную способность при поглощении компонентов при небольших концентрациях их в газовых сме- сях, обладать высокой селективностью, иметь высокую механи- ческую прочность, обладать способностью к регенерации и иметь низкую стоимость.

На практике нашли применение следующие адсорбенты: активированные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.

Для очистки газов используют адсорберы периодическо- го и непрерывного действия.

Адсорберы периодического действия могут быть с не- подвижным слоем и с кипящим слоем адсорбента. Адсорберы с неподвижным слоем представляют собой цилиндрические вер- тикальные или горизонтальные емкости, заполненные слоем ад- сорбента. В таких аппаратах адсорбцию проводят по стадиям:

1. адсорбция; 2. десорбция; 3. сушка адсорбента; 4. охлаждение адсорбента. Новые конструкции адсорберов периодического действия позволяют более эффективно провести процесс. К ним относят адсорбер полочного многосекционного типа.

Предложены конструкции, в которых стадии адсорбции и десорбции совмещены в одном корпусе. Однако более интен- сивны аппараты непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента и псевдоожиженным слоем адсорбента.

16

Расчет оборудования

Расчет адсорбера заключается в определении необходи- мого количества сорбента, продолжительности процесса погло- щения, размеров адсорбционной аппаратуры и энергетических затрат.

Исходные данные для расчета:

-род поглотителя и поглощаемого вещества;

-количество очищаемого газа G, кг/с,

-концентрация поглощаемого вещества на входе в адсор- бер cН, мг/м3.

Кроме того, следует знать физико-химические константы поглотителя и поглощаемого вещества и иметь изотерму ад- сорбции поглощаемого вещества на поглотителе.

Расчет адсорбера включает две стадии: приближенный конструктивный расчет для определения необходимой массы и геометрии аппарата и проверочный расчет для вычисления вре- мени защитного действия адсорбера и, в случае необходимости, проведения корректировки размеров аппарата.

Порядок расчета

1.Выбираем тип сорбента и рабочую температуру, при- чем для увеличения емкости сорбента рабочая температура вы- бирается минимально возможной, а выбор типа сорбента осуще- ствляется по изотермам адсорбции при рабочих параметрах (температуре и концентрации) из условия минимальной массы сорбента.

2.Определяем массу сорбента:

k = 1,1-1,2 – коэффициент запаса.

17

3.Выбираем скорость потока газа W в адсорбере. Обыч- но, исходя из условия необходимого времени контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических сопротивлений, фиктивная скорость паровоздушной смеси или скорость, рассчитанная на полное сечение слоя, выбирается в пределах

0,1-0,25 м/с.

4.Определяем геометрические размеры адсорбера. Для цилиндрического аппарата диаметр и длина слоя адсорбента рассчитываются по формулам:

5. Определяем гидравлическое сопротивление, оказывае- мое слоем зернистого сорбента при прохождении через него по- тока очищаемого газа:

18

Коэффициент трения λ находят в зависимости от харак-

тера движения: при Re < 50 λ = 220/Re, при Re = 50÷7200 λ = 11,6/Re0,25. Здесь Re – критерий Рейнольдса; ν – кинематическая вязкость газа, м2/с.

6. Определяем коэффициент массоинерции β по формулам:

Коэффициент молекулярной диффузии D0, м2/с, зависит от характера диффундирующих веществ и определяется опыт- ным путем. В табл. 2.1 приведены величины D0 при 0ºС и атмо- сферном давлении p0 = 9,8·10 Н/м2. Зная D0 при нормальных ус- ловиях, значения при любых T и p можно определить поформуле:

Таблица 2.1

Коэффициент молекулярной диффузии некоторых веществ

19

7.По изотерме адсорбции и заданной концентрации по- глощаемого вещества на входе в адсорбер c0 находим статиче- скую емкость выбираемого адсорбента a0.

8.Определяем время защитного действия адсорбента.

а) Если c0 находится в первой области изотермы адсорб- ции (см. рисунок), то продолжительность адсорбции вычисляем по формуле:

где Г = a0/c0 – безразмерный коэффициент Генри; LA – длина (высота) слоя сорбента, м;

f – удельная поверхность адсорбента, определяемая по фор- муле:

Коэффициент b определяется в зависимости от отноше- ния содержания поглощаемого вещества на входе и выходе ад- сорбера c/c0 (табл. 2.2).

20