Расчёт адсорбционных аппаратов

Расчёт установок очистки

Вентиляционных выбросов

 

Методические указания для

Самостоятельной работы студентов

 

 

Казань-2004 г.

Составители: доц. Г.Ф. Нафиков,

доц. М.Г. Гарипов,

ст. препод. Э.Г. Гарайшина

 

Расчёт установок очистки вентиляционных выбросов: Метод. указания для самостоятельной работы студентов. / Казан. гос. технол. ун-т; Сост.: Г.Ф. Нафиков, М.Г. Гарипов, Э.Г. Гарайшина. Казань, 2004. 30 с.

Рассмотрены методики расчёта установок очистки вентиляционных выбросов в химической промышленности: промышленных пылеуловителей (циклона, пенного аппарата, скруббера Вентури), адсорбционных и абсорбционных аппаратов.

Предназначены для студентов технологических и механических специальностей, изучающих курсы «Безопасность жизнедеятельности» и «Процессы и аппараты химической технологии».

Подготовлены на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии».

Печатаются по решению методической комиссии по циклу дисциплин механического профиля НХТИ.

 

Рецензенты: доц. Р.Н. Салахиев

доц. А.Г. Кутузов

Расчёт установок очистки вентиляционных

Выбросов

Введение

Обеспечение устойчивого динамического равновесия производственной деятельности человека с природными процессами зависит от надёжности контроля как над материальным, так и над энергетическим балансами взаимодействия окружающей среды и производства. В связи с этим всё большее внимание уделяется созданию безотходной технологии, которая позволит обеспечить охрану окружающей среды от загрязнений и повысить эффективность производства за счёт экономии сырья и других природных ресурсов при введении рециркуляции потоков (воды, воздуха, энергии и т.д.), а также при интенсификации процессов улавливания отдельных компонентов, при использовании нового оборудования или при повышении интенсивности действующего.

Применительно к очистке вентиляционных выбросов химических производств возникает необходимость использования современных методов для наиболее полного извлечения примесей из воздушных и газовых потоков.

Современное химическое производство нуждается в сравнительных характеристиках возможных методов интенсификации и повышения эффективности газоочистных аппаратов, позволяющих выбрать наиболее правильное решение конкретной задачи [1]. В методических указаниях рассмотрены расчёты типовых промышленных аппаратов, используемых при газоочистке.

 

Расчёт промышленных пылеуловителей

Для выполнения необходимых расчётов по эффективности пылеулавливания, а также для обоснования выбора устройств для выделения пыли из запылённых потоков необходимо иметь следующие данные о пыли:

1) плотность (истинную) частиц, ρ_тв, кг/м³;

2) дисперсный состав пыли (кривую распределения частиц пыли по размерам);

3) удельную поверхность, S_уд, в м²/м³:

, (1.1)

где n – число частиц в пробе; S_ч и V_ч – внешняя поверхность и объём частицы диаметром d_ср соответственно.

Рассмотрим в этом разделе примеры расчета некоторых типовых пылеуловителей: циклона, пенного аппарата, скруббера Вентури.

 

Расчёт циклона

Циклоны выбирают по скорости газа при непременном условии – обеспечить заданную эффективность пылеулавливания при минимальных энергетических затратах (при минимальном гидравлическом сопротивлении).

Исходные данные приведены в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1.

Исходные данные

№	Параметр	Обозначение	Единицы измерения	Величина параметра
	Производительность циклона	Vг	м3/ч	200-40000
	Плотность газа	ρ	кг/м3	1,29-4,5
	Скорость газа во входном патрубке	ωвх	м/с	10-20

Продолжение табл.1.1

	Условная (фиктивная) скорость газа	ω0	м/с	3,0-3,5
	Коэффициент гидравлического сопротивления циклона в расчёте на скорость в полном сечении аппарата	ξ0	–	100-110
	Коэффициент гидравлического сопротивления циклона	ζвх	–	3-5
	Диаметр циклона	Dц	мм	200-2000
	Диаметр частиц пыли	d	мкм	2-5
	Вязкость газа (воздуха) при 50ºС	μх	Па·с	0,0197·10-3
	Кинематическая вязкость газа	ν	м2/с
	Скорость газа в выходной трубе	ωвых	м/с	4-10
	Толщина стенки трубы	δ	мм	3-10
	Диаметр элемента циклона	dц	м	0,2-2,0
	Скорость газа в свободном сечении	ωг	м/с	2,5-5,0
	Диаметр осаждающихся частиц	dч	мкм	6-10
	Плотность угольной пыли	ρчх	кг/м3

 

Общее гидравлическое сопротивление выражают через скоростной напор во входном патрубке циклона, а сумму коэффициентов местных сопротивлений заменяют общим коэффициентом гидравлического сопротивления циклона ζ_вх:

. (1.2)

Рассчитывая общее гидравлическое сопротивление, часто определяют его в зависимости от условной (фиктивной) скорости газа ω₀, отнесенной к площади свободного сечения цилиндрической части циклона:

, (1.3)

где ω₀ = V_г/(0,785 ) лежит в пределах 3 – 3,5 м/с.

Обычно придерживаются следующего порядка расчёта:

1) по производительности V_г выбирают тип циклона, работающего в оптимальных условиях (т.е. при Δр/ρ=500÷ 750 м²/с²);

2) по промышленным данным определяют гидравлическое сопротивление Δр;

3) для расчетного значения Δр строят кривую фракционной эффективности η_ф = f(d_ч);

4) на основании распределения частиц по размерам (в исходном газовом потоке) и фракционной эффективности рассчитывают общую эффективность пылеулавливания;

5) находят распределение частиц по размерам в осаждённой пыли;

6) определяют распределение частиц по размерам в пыли, вынесенной из циклона газовым потоком;

7) сравнивают расчётную общую эффективность (или распределение частиц по размерам в осаждённой пыли) с заданной (требуемой) эффективностью пылеулавливания.

Если расчёт показывает, что в выбранном циклоне не обеспечивается необходимая эффективность (степень очистки), подбирают батарейный циклон, состоящий из n циклонов, работающих параллельно и повторяют расчёт до расхода V_n/n.

В настоящее время для расчёта циклонов используют методику, разработанную в МОТ [2], в соответствии с которой экспериментальные данные η_ф = f(d_ч) переносят на логарифмически вероятностную сетку и уточнение медианного размера частиц d₅₀ производят путём графического построения линий η_ф = f(d_ч).

На основе полученных зависимостей величины d₅₀ (при отношении σ = d₅₀/d₁₆ =const) от режимов эксплуатации и размеров циклона разработан номографический метод расчёта эффективности циклонов.

Пример 1.1. Определить общую эффективность циклона с помощью логарифмически вероятностной линейки [2]. Пусть необходимо определить общую степень очистки V_г м³/ч воздуха с t = 50ºC от угольной пыли в одиночном циклоне ЦН-11.

Решение.

1.Определить общее гидравлическое сопротивление по формуле (1.3) (исходные данные в табл.1) для выбранного циклона и расход воздуха V_г по гидравлическому сопротивлению циклона Δр (рис.1.1).

2. Определить диаметр циклона по номограмме (рис 1.2).

3. Пусть медианный диаметр частиц пыли d₅₀ (диаметр, при котором масса всех частиц, имеющих размер меньше или больше, составляет 50%) равен 20 мкм, а d₁₆ (соответственно диаметр частиц, при котором масса всех частиц с размерами <d₁₆ составляет 16% от общей массы всех частиц) равен 5 мкм, тогда параметр:

σ = d₅₀/d₁₆ = 20/5= 4 (1.4)

 

4. Определить фракционную эффективность запылённых потоков на основании закона Стокса:

(1.5)

Значение d_η=50% возьмём из графика η_ф = f(D_ц) для циклона [2], представленного на рис 1.2.

Так как график получен при улавливании кварцевой пыли с плотностью ρ_ч1 = 2650 кг/м³ (вязкость воздуха при 20ºС μ₁ = 0,0183·10^-3 Па·с), то для определения d_ηχ надо ввести в расчёт поправки на температуру и плотность пыли: подставить в формулу (1.5) вязкость воздуха при 50ºС и плотность угольной пыли ρ_чх.

Рис 1.1. Номограмма зависимости расхода воздуха V_г от гидравлического сопротивления Δp.

Рис 1.2. Зависимость диаметра частиц d₅₀, улавливаемых в циклоне на 50%, от гидравлического сопротивления Δp и диаметра циклона D_ц.

 

5. Определить общую эффективность пылеулавливания с помощью счётной линейки (рис 1.3). Для этого поставим движок 2 линейки так, чтобы вершина лучевых линий (параметр σ) совпала с d_ηχ (на оси абсцисс). На этой же оси абсцисс находим d₅₀ = 20 мкм и восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с лучом σ = 4. Ордината найденной точки пересечения будет соответствовать искомой общей степени пылеулавливания η, %.

6. Проверить, соответствует ли рассчитанная общая эффективность заданной или необходимой.

Рис 1.3. Вероятностная линейка (к расчёту циклона).

 

Расчёт скорости осаждения частиц пыли в условиях, характеризуемых законом Стокса, можно провести по формуле:

(1.6)

где – средний диаметр осаждающихся частиц.

Так как для режима осаждения:

(1.7)

то применимость формулы (1.6) проверяют по этому выражению для Re_ос. Если Re_ос > 0,2, то теоретическую скорость осаждения считают, используя фактор разделения:

(1.8)

и зависимость:

Рассчитывают значение критерия Архимеда:

(1.9)

Затем при Ar·K_p < 8,4·10^-4 используют формулу:

, (1.10)

а при Ar·K_p > 8,4·10^-4 – формулу:

(1.11)

Из полученного значения Re_ос рассчитывают теоретическую скорость осаждения :

(1.12)

7. Основные размеры циклона определяют в соответствии с выбранным предварительно D_ц или шириной входного патрубка b.

Для циклонов НИИОГаза:

 

Ширина входного патрубка………………	b	0,21 Dц
Высота входного патрубка…………………	3,14b	0,66 Dц
Диаметр циклона Dц………………………	4,75b	Dц
Диаметр наружной выхлопной трубы Dвых	2,75b	0,58 Dц
Высота цилиндрической части……………	7,6b	1,6 Dц
Высота конической части…………………	9,5b	2 Dц

 

Площадь сечения входного патрубка:

(1.13)

Так как для циклонов НИИОГаза , то , откуда:

. (1.14)

или

(1.15)

Внутренний диаметр выхлопной трубы:

(1.16)

Тогда наружный диаметр выхлопной трубы:

(1.17)

8. Правильность выбранного диаметра циклона проверяют по формуле:

(1.18)

Высоту конической части h_к можно определить по приведённым выше соотношениям (в долях b или D_ц).

9. При расчёте батарейного циклона число элементов определяют по эмпирической формуле:

, (1.19)

где – суммарный коэффициент сопротивления батарейного циклона в расчёте на условную скорость (по опытным данным = 85).

Пример 1.2. Расчёт пенного аппарата

Пенный аппарат, используемый для очистки газа от пыли, обычно называют пенным пылеуловителем или пенным газопромывателем.

Основными факторами, влияющими на режим работы пылеуловителя, являются:

1) скорость газа в расчёте на полное сечение аппарата;

2) конструкция решётки.

Для аппаратов с правильными решётками пенный режим начинается с линейной скорости газа в свободном сечении аппарата 1,0 – 1,2 м/с.

Верхним пределом скорости газа является скорость 2,3 – 2,5 м/с, когда начинается волнообразование.

Расчёт пенного пылеуловителя с правильными тарелками проводят, исходя из следующих данных:

1) расход запылённого газа V_г м³/ч;

2) его температура и давление;

3) запылённость на входе в пылеуловитель с_н кг/м³;

4) необходимая общая степень очистки газа η %.

Исходные данные приведены в табл. 1.2.

Расчёт проводят по следующей схеме:

1) определяют площадь поперечного сечения аппарата f или его диаметр D_ап:

(1.20)

. (1.21)

2) рассчитывают содержание пыли в газе, выходящем из пылеуловителя, с_к кг/м³:

. (1.22)

3) определяют общее количество улавливаемой в аппарате пыли G_ул (кг/ч):

. (1.23)

4) рассчитывают количество жидкости (воды) L (кг/ч), необходимое для образования на тарелке суспензии с определённым Т:Ж:

, (1.24)

где с = Т:Ж = 0,1 ÷ 0,2.

5) подбирают тип и свободное сечение тарелки. Для пенных аппаратов выбирают решётки со свободным сечением тарелки φ₀=0,2 – 0,5 м²/м².

 

Таблица 1.2

Исходные данные

№ п/п	Параметр	Обозначение	Единица измерения	Величина параметра
	Расход запылённого газа	Vг	м3/ч	200-40000
	Температура газа	Т	ºС	20-50
	Запылённость на входе в пылеуловитель	сн·103	кг/м3	0,15-0,35
	Необходимая общая степень очистки газа	η	%	80-99,9
	Средняя скорость газа над тарелкой	ωг	м/с	2-2,5
	Расход запылённого газа при нормальных условиях	Vг.о	м3/ч	200-40000
	Плотность газа	ρг	кг/м3	1,3-4
	Плотность жидкости (вода)	ρж	кг/м3
	Потери на преодоление сил поверхностного натяжения	Δрσ	кПа	0,1

 

6) проверяют гидравлическое сопротивление аппарата:

, (1.25)

где А – параметр, зависящий от нагрузки по газу и жидкости и, таким образом, от гидродинамического режима работы аппарата; Δр_σ– потери на преодоление сил поверхностного натяжения.

Для правильных трубчатых тарелок со свободным сечением φ₀=0,3 ÷ 0,5 м²/м² параметр А рассчитывается по формуле:

 

, (1.26)

где L – массовый расход жидкости, кг/с; G – массовый расход газа, кг/с:

. (1.27)

Для промышленных пенных аппаратов гидравлическое сопротивление колеблется в пределах 0,3 – 1,7 кПа. Для аппаратов типа ЛТИ им. Ленсовета Δр составляет 0,6 – 0,8 кПа.

7) проверяют общую эффективность пылеулавливания.

 

Пример 1.3. Расчёт скруббера Вентури

Расчёт заключается в оценке расхода энергии, при котором может быть достигнуто допустимое содержание пыли в очищенном газе [3].

Зная допустимое содержание пыли на выходе из пылеуловителя, а также дисперсный состав пыли, можно предварительно рассчитать фракционную эффективность пылеулавливания по среднему диаметру капель распыливаемой жидкости и диаметру частиц i-й фракции. Для частиц диаметром > 0,1 мкм используют эмпирическое уравнение:

. (1.28)

 

Исходные данные приведены в табл. 1.3.

 

Таблица 1.3

Исходные данные

№ п/п	Параметр	Обозначение	Единица измерения	Величина параметра
	Плотность пыли	ρтв	кг/м3	1000-1500
	Средний диаметр капель		мм	0,2-0,6
	Средний диаметр частиц i-й фракции		мкм	1; 3; 5; 10
	Динамический коэффициент вязкости газа	μ·106	Па·с	7-21
	Скорость газа в горловине трубы Вентури	ωг	м/с	30-140
	Удельное орошение газа	m	л/м3	0,3-1,25
	Гидравлическое сопротивление трубы Вентури	ΔрТ	кПа	1,2-12
	Гидравлическое сопротивление каплеуловителя (циклона)	ΔрК	Па	17-170
	Давление в линии нагнетания орошающей жидкости	Δрж	МПа	0,15-0,6
	Длина горловины	lг	м	10dэ-0,15dэ
	Массовый расход жидкости	L	кг/с	0,0003-0,011
	Массовый расход газа	G	кг/с	1,5-55
	Температура ненасыщенного влагой газа на входе в трубу Вентури	tвх	ºС	20-200
	Давление газа на выходе из трубы Вентури	р	Па	100-2000
	Производительность пылеуловителя на выходе из диффузора	Vг.вых	м3/ч	5000-150000

Таблица 1.4

 

Рассчитанные по этой формуле значения в диапазоне изменения ω_г от 30 до 140 м/с и m от 0,3 до 1,25 л/м³ для частиц четырёх фракций с = 1; 3; 5 и 10 мкм сведены в табл. 1.4.

Таблица позволяет найти кроме (в %) и Δр (в Па) аппарата, работающего при заданных значениях ω_г и m. Далее можно определить значение общей эффективности пылеулавливания η по формуле:

, (1.29)

где – эффективность пылеулавливания для i-й фракции, рассчитанная по d_ср для данной фракции; Ф_i – массовая доля i-й фракции.

Эффективность скруббера Вентури зависит от удельных затрат энергии следующим образом:

, (1.30)

где А и В – опытные величины, зависящие от свойств пыли (см. табл. 1.5); К_Т – энергетические затраты:

 

. (1.31)

По формуле (1.29) можно определить энергетические затраты К_Т (кДж/1000 м³ газа), задавшись или рассчитав η. Например, для сажи электрокрекинга метана (А=0,686, В=1,36) при η=0,95 К_Т 2,8 кДж/1000 м³ газа, а при η=0,99 К_Т 3,9 кДж/1000 м³ газа.

Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури является суммой гидравлических сопротивлений трубы Вентури и каплеуловителя, причём львиная доля потерь напора приходится на трубу Вентури [4].

Гидравлическое сопротивление трубы Вентури:

Δр = Δр_Т + Δр_ж, (1.32)

где Δр_Т – сопротивление “сухой” трубы; Δр_ж – сопротивление, обусловленное вводом орошающей жидкости.

Сопротивление “сухой” трубы:

, (1.33)

где – коэффициент гидравлического сопротивления “сухой” трубы Вентури; ω_вых – скорость газа при условиях на выходе трубы Вентури, м/с; ρ – плотность газа при тех же условиях, кг/м³. Коэффициент можно определить по эмпирической формуле:

Таблица 1.5

Значения коэффициентов А и В

№	Происхождение пыли и тумана	А	В
	Тальк Пыль производства каолина Зола из дымовых газов ТЭЦ Аэрозоль сульфата меди Сажа при электрокрекинге метана	3,63 2,943 2,007 1,35 0,686	0,35 1,115 0,3 1,068 1,36

 

, (1.34)

где – число Маха; ω_г = 100 м/с – для высоконапорных установок и 50 м/с – для низконапорных установок.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное вводом орошающей жидкости:

, (1.35)

где – коэффициент гидравлического сопротивления, учитывающий ввод в трубу Вентури орошающей жидкости; m – удельный расход орошающей жидкости, л/м³ газа; ρ_ж – плотность орошающей жидкости, кг/м³.

Коэффициент для труб Вентури круглого и прямоугольного сечения с l_г = 0,15d_э определяют по соотношению:

, (1.36)

где = m.

Далее проводят уточняющий расчёт в следующей последовательности:

1. Расчет скорости газа ω_Г в горловине:

. (1.37)

Плотность дымового газа можно рассчитать по формуле:

,

где x₁,…, x_n – содержание компонентов газовой смеси, % (масс); ρ_CO,…, - плотности компонентов газа, кг/м³.

Плотность газа при температуре и давлении на выходе из трубы Вентури:

, (1.39)

где T₀=273ºС; p₀=0,1 МПа; T=273+t_вых, причем:

t_вых=(0,133-0,041·m) ·t_вх+35, (1.40)

где t_вх – температура ненасыщенного влагой газа на входе в трубу Вентури; p – давление газа на выходе из трубы Вентури, Па.

2. Расчет геометрических параметров скруббера Вентури.

Диаметр горловины трубы Вентури рассчитывают по формуле:

. (1.41)

Диаметр входного отверстия трубы Вентури:

. (1.42)

Длину конфузора l_К определяют по формуле:

, (1.43)

где α₁ – угол раскрытия конфузора, равный 25-30º.

Диаметр выходного отверстия диффузора определяют по формуле:

. (1.44)

Длина диффузора l_Д определяется по зависимости:

, (1.45)

где α₂ – угол раскрытия диффузора (обычно α₂=7º).

3. Расчёт каплеуловителя. В качестве каплеуловителей после труб Вентури используют самые различные аппараты: циклоны, разделительные ёмкости, угловые (коленные) сепараторы, центробежные ловушки и др.

Наиболее часто используют для этих целей циклоны, диаметр которых можно рассчитать по формуле:

, (1.46)

где ω_ц – скорость газа во входном патрубке циклона (принимается равной ω_вых); К – коэффициент, принимаемый равным 0,2.

Все остальные размеры циклона берутся из соответствующих нормалей в долях D_ц (см. пример 1.1).

Расчёт адсорбционных аппаратов

Очистку вентиляционных выбросов промышленных предприятий осуществляют в адсорберах периодического действия с неподвижным слоем адсорбента и в адсорберах непрерывного действия со взвешенными слоями адсорбента.

Рассмотрим метод расчёта адсорбционных процессов в аппаратах со взвешенными слоями адсорбента.

Пример 2.1. Рассчитать основные характеристики многоступенчатого адсорбера, обеспечивающего расход по газовой фазе G, а по адсорбенту – L. Концентрация целевого компонента в газовой фазе на входе в аппарат – с_н, на выходе из аппарата – с_к, а степень отработки адсорбента на выходе из аппарата – η_к.

Исходные данные для расчёта приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Исходные данные

№ п/п	Параметр	Обозначение	Единицы измерения	Величина параметра
	Расход по газовой фазе	G	м3/ч	500-10000
	Удельный расход адсорбента	L	кг/кг газа	0,3-3,5
	Концентрация целевого компонента в газовой фазе на входе в аппарат	сн	% об.	0,02-0,5
	Концентрация целевого компонента в газовой фазе на выходе из аппарата	ск	% об.	0,002-0,004
	Степень отработки адсорбента на выходе из аппарата	ηк	–	0,3-0,9
	Плотность газового потока	ρ	кг/м3	1-3,5
	Диаметр зерна адсорбента	dз	мм	0,1-7

Продолжение табл.2.1

	Плотность адсорбента	ρа	кг/м3	1100-1500
	Динамический коэффициент вязкости газа	μ·106	Па·с	7-21
	Кажущаяся плотность	δ	кг/м3	200-1000
	Насыпная плотность	Δ	кг/м3	60-870
	Коэффициент внутренней диффузии	Di	м2/с	10-10-10-12

 

Определить диаметр адсорбера:

, (2.1)

где ω – фиктивная рабочая скорость газа [7].

Высоту взвешенного слоя адсорбента на тарелке определить из соотношения:

, (2.2)

где ε – порозность взвешенного слоя может быть определена по эмпирической зависимости:

, (2.3)

где Re = ω·d_з·ρ/μ – критерий Рейнольдса; Ar = – критерий Архимеда.

Распределение концентрации целевого компонента в газовой фазе по высоте каждого слоя описывается зависимостью:

. (2.4)

Рассматривая процесс снизу вверх по аппарату, можно показать, что для любой ступени:

, (2.5)

где А = 12Δ·h_слD_i/(δ ω) – безразмерный комплекс.

Число слоёв определяют, подсчитывая число ступеней изменения концентрации целевого компонента в газовой фазе.

Рассчитав число теоретических тарелок (слоёв) n_т, определяют действительное число тарелок n_Д.

n_Д = К_n·n_т (2.6)

Величина коэффициента продольного перемешивания К_n в первом приближении может быть найдена по выражению:

(2.7)

где η_к = ω(с_н – с_к)/(L·a₀); L – удельный расход адсорбента; а₀ – предельная величина адсорбции; ω – скорость газового потока.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: