Курсовая работа: Методика розрахунку розсіювання шкідливих речовин в атмосфері

Зміст

Вступ

1. Розсіювання шкідливих речовин в атмосфері

1.1 Методика розрахунку розсіювання шкідливих речовин в атмосфері, при викиді газоповітряної суміші з одиночного точкового джерела з круглим гирлом

1.2 Приклад розрахунку розсіювання шкідливих речовин в атмосфері

2. Циклони

2.1 Загальні відомості

2.2 Розрахунок та вибір циклону

2.3 Приклад розрахунку циклону

3. Завдання для виконання розрахунків

Джерела інформації

Вступ

У сучасному суспільстві зростає важливість не тільки екологічних проблем, але й пов'язаної з ними природоохоронної діяльності, проведеної на підприємствах.

Серед існуючих напрямків природоохоронної діяльності значне місце приділяється проведенню технічних заходів, які дозволяють у максимальному ступені знизити надходження в навколишнє природне середовище різних забруднювачів. При рішенні завдань, пов'язаних з охороною зовнішнього середовища, пріоритет віддається тому комплексу заходив, що забезпечує найбільше обмеження або повне припинення надходження в зовнішнє середовище несприятливого фактору(хімічного, фізичного, біологічного).

Основними заходами щодо зниження забруднення атмосферного повітря є: технологічні, архітектурно-планувальні, організація санітарно-захисної зони, газоочищення. Ефективність того або іншого методу різна для кожної конкретної ситуації.

Курсова робота присвячена розрахунку розсіювання забруднюючих речовин в атмосфері від одиночних стаціонарних джерел забруднення. Крім цього в роботі розраховане пилоочисне устаткування – циклон.

1. Розсіювання шкідливих речовин в атмосфері

1.1 Методика розрахунку розсіювання шкідливих речовин в атмосфері, при викиді газоповітряної суміші з одиночного точкового джерела з круглим гирлом

Розрахунки розсіювання забруднюючих речовин (ЗР) в атмосфері від одиночних стаціонарних джерел забруднення атмосфери (ДЗА) використовується згідно "Методики расчета концентрацій в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД – 86."

Вони проводяться для джерела забруднення атмосфери, розташованого в Харківській області на рівній і слабо пересіченої місцевості. При цьому джерело забруднення атмосфери має один димар висотою Н, м, з діаметром гирла D, м, швідкистю виходу газоповітряної суміші , м/с, різницею температур викидів і навколишнього атмосферного повітря ΔT , , і масою забруднюючих речовин М ,г/с.

Послідовність розрахунків наступна.

1.         Визначають витрати газоповітряної суміші ,, безрозмірні параметри ,m,n,d і значення небезпечної швидкості вітру  м/с, при якому досягається максимальна приземна концентрація забруднюючих речовин, по формулах:

=.

Значення коефіцієнтів m,n, та d визначаються в залежності від параметрів ,,,.

,

,

.

Коефіцієнт mвизначається залежно від  по формулах:

 при  < 100,

m=  при

Для коефіцієнту m обчислюється при

Коефіцієнт n при  визначається залежно від

n =1 при

n = 0.535

n = 4.4 при

При  коефіцієнт обчислюється по вищенаведених формулах прийнявши

Безрозмірний коефіцієнт d при  знаходиться по формулах:

d = 2.48) при

d = 4.95 (1+0.28) при 0,5<≤ 2 ,

d = 7(1+0.28) при  2.

D=16 при .

Значення небезпечної швидкості , м/с, на рівні флюгера, при якій досягається найбільше значення приземної концентрації шкідливих речовин  визначається по формулах:

 = 0,5 при

при 0,5 <  ≤ 2,

= (1+0,12 ) при >2.

При  значення  обчислюється по формулах:

 = 0,5 при ≤ 0,5,

 = при 0,5< ≤ 2,

 = 2,2 при > 2.

2.         Розраховують максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини , мг/ , при викиді газоповітряної суміші з одиночного точкового джерела із круглим гирлом, що досягається при несприятливих мете реологічних умовах на відстані , м, від джерела, по формулі:

Відстань від джерела викидів, на якому приземна концентрація С при несприятливих метеорологічних умовах на відстані , м, від джерела по формулі:

 =

Де А – коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери (розподіл температур по висоті, що впливає на його вертикальне переміщення), який для Харкова та області дорівнює 180; М – маса викидів шкідливих речовин, г/с; F – коефіцієнт, що залежить від швидкості осідання речовин (для газоподібних шкідливих речовин – 1, для пароподібних шкідливих речовин – 2, для пилу та золи – 3);  – коефіцієнт, що враховує вплив рельєфу місцевості (для рівної й слабо пересіченої місцевості  = 1); m і n – коефіцієнти, що враховують умови виходу газоповітряної суміші, /с;  - різниця між температурою газоповітряної суміші, що викидається та температурою навколишнього атмосферного повітря, ; Н – висота джерела викиду понад рівнем землі, м.

3.         Визначають приземні концентрації шкідливих речовин  , мг/, в атмосфері по осі факелу викиду на різних відстанях , м від джерела викиду при небезпечній швидкості вітру  по формулі:

 - ,безрозмірний коефіцієнт, який знаходиться в залежності від відношення / по формулах:

 при /≤1

 при 1< ≤8.

4.Визначають значення приземної концентрації шкідливих речовин в атмосфері ,мг/, на відстані у,м, по перпендикуляру до осі факела викиду по формулі:

Де  - безрозмірний коефіцієнт, який знаходиться в залежності від швидкості вітру , м/с та відношення у/х по значенню аргументу  :

 при  ≤ 5,

 при  > 5,

= .

Розрахунок розсіювання шкідливих речовин в атмосфері.

Завдання За вихідними даними табл. 1,1 розрахувати:

·          Максимальну приземну концентрацію забруднюючих речовин, створювану джерелом забруднення атмосфери;

·          Відстань від джерела викиду, на якому при несприятливих умовах досягає ця максимальна концентрація;

·          Концентрації забруднюючих речовин по осі факела викидів і перпендикулярно їй для точок, що відстоять від джерела на видаленні , 3 та у=50, 100, 200, 300 й 400м.

За результатами розрахунків побудувати необхідні профілі приземних концентрацій, визначити довжину зони забруднення, що перевищує середньодобову ГДК, і її ширину в заданих точках, та знайти радіус зони впливу.

Таблиця 1.1 – Вихідні дані для розрахунку

Рішення

Витрати газоповітряної суміші:

Визначаємо параметри  та :

=  =  =1.67

Оскільки визначаємо по формулі:

При та  коефіцієнт

Безрозмірний коефіцієнт d при  та  визначаємо по формулі:

Значення небезпечної швидкості  визначаємо по формулі:

 м/с

Розраховуємо максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини:

мг/

Розраховуємо відстань від джерела викидів до крапки де приземна концентрація досягає максимального значення:

Розраховуємо приземні концентрації забруднюючої речовини по осі факелу викидів на відстані

1)        

мг/

2)        

3)        

4)         Для того щоб побудувати профілі приземних концентрацій та визначити довжину зони забруднення, що перевищує середньодобову ГДК, яка становить 0,04 необхідно знайти додаткову крапку:

Результати розрахунків зводимо до таблиці 1.2 та будуємо графік малюнок 1.1.

.2 – результати розрахунків

По графіку визначаємо довжину зони забруднення, що перевищує середньодобову гранично дозволену концентрацію:  =305.9

Розрахуємо приземні концентрації забруднюючих речовини на перпендикулярах до осі факелу викидів на відстані від джерела забруднення  Відстань по перпендикуляру від осі факелу становить .

1)        

.

Оскільки  визначаємо по формулі:

 = 8.3

 = 1.5

 = 2.38

 = 3.64

 = 3.66

мг/

2)

.

 = 1.99

 = 8.29

 = 1.5

 = 1.76

 = 2.99

мг/

3)

.

 = 0.33

 = 0.005

 = 0.002

 = 8.3

 = 9.2

мг/

3)

.

 = 0.76

 =0.33

 = 0.005

 = 1.99

 = 0.002

мг/

Отримані результати розрахунку, крім тих що менш 0.1, зводимо в таблицю 1.3 для побудови графіка (мал. 1.2).

Таблиця 1.3 – Результати розрахунків

По графіку визначаємо b – ширину зони забруднення, що перевищує середньодобову гранично дозволену концентрацію:   320м.

2. Циклони

2.1 Загальні відомості

Циклонні апарати внаслідок дешевини й простоти устрою та експлуатації, відносно невеликого опору та високої продуктивності є найпоширенішим типом механічного пиловловлювача. Циклонні пиловловлювачі мають наступні переваги перед іншими апаратами:

•     відсутність рухомих частин;

•     надійна робота при температурі до 500 °С без конструктивних змін;

•     пил уловлюється в сухому вигляді;

•     можливість уловлювання абразивного пилу, для чого активні поверхні циклонів покриваються спеціальними зносостійкими матеріалами;

•     можливість роботи циклонів при високому тиску;

•     стабільна величина гідравлічного опору;

•     простота виготовлення і можливість швидкого і якісного ремонту;

•     підвищення концентрації пилу не приводить до зниження фракційної ефективності апарату.

До недоліків можна віднести

•     високий гідравлічний опір, який досягає 1250-1500 Па;

•     низьку ефективність при уловлюванні частинок розміром менше 5 мкм.

Робота циклону заснована на використанні відцентрових сил, що виникають при обертанні газопилового потоку усередині корпусу апарату. Обертання досягається шляхом тангенціального введення потоку в циклон. В результаті дії відцентрових сил частинки пилу, завислі в потоці, відкидаються на стінки корпусу і випадають з потоку. Чистий газ, продовжуючи обертатися, здійснює поворот на 180° і виходить з циклону через розташовану по осі вихлопну трубу (рис. 2.1). Частинки пилу, що досягли стінок корпусу, під дією потоку, що переміщається в осьовому напрямі, і сил тяжіння рухаються у напрямку до вихідного отвору корпусу і виводяться з циклону. Зважаючи на те що вирішальним фактором, що обумовлює рух пилу, є аеродинамічні сили, а не сили тяжіння, циклони можна розташовувати похило і навіть горизонтально. На практиці із-за компонувальних рішень, а також для розміщення пилотранспортних систем циклони, як правило, встановлюють у вертикальному положенні.

Рисунок 2.1 - Схема роботи циклона

Область циклонного процесу, або зона уловлювання пилу, розташована між кінцем вихлопної труби і отвором циклону, що відводить пил.

Бункер бере участь в аеродинаміці циклонного процесу, тому використання циклону без бункера або із зменшеним в порівнянні з рекомендованими розмірами бункером знижує коефіцієнт корисної дії апарату. Герметичність циклонів разом з бункером - необхідна умова їх нормальної роботи, навіть незначні підсоси повітря через бункер різко знижують ефективність очищення. Істотний вплив на циклонний процес чинить турбулентність, яка багато в чому визначає ступінь очищення. Потік, що поступає у вихлопну трубу, продовжує інтенсивно обертатися. Загасання цього обертального руху, пов'язане з непоправними втратами енергії, проходить повільно. Для усунення обертального руху на виході з циклону і зменшення гідравлічних втрат іноді застосовують спеціальні пристрої, наприклад розкручувачі. Проте практика показує, що ці пристрої знижують ефективність циклонів при уловлюванні дрібнодисперсного пилу.

Циклони розділяють на циліндричні і конічні. В циліндричні циклонах корпус виконаний з подовженою циліндричною частиною, а в конічних - з подовженою конічною частиною. Циліндричні циклони відрізняються високою продуктивністю, конічні - високою ефективністю очищення, проте в останніх більше втрати тиску. У конічних циклонів у міру звуження корпусу газовий потік закручується більш інтенсивно, унаслідок чого сепарація частинок пилу до стінки апарату збільшується. Бажано, щоб діаметр циліндричного циклону не перевищував 2 м, а конічного - 3 м, оскільки інакше падає ефективність очищення.

У промисловості найбільше поширення набули циклони конструкції НДІОГаза: циліндричні ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24 (рис. 2.2); конічні СДК-ЦН-34, СДК-ЦН-33 . Позначення циклонів означають наступне: ЦН-15: ЦН - циклон НДІГаза, 15 - кут нахилу осі вхідного патрубка до горизонталі; СДК-ЦН-34: СДК - спіральний конічний, ЦН - циклон НДІОГаза, 34 - відношення діаметрів вихлопної труби і циліндричної частини складає 0,34. Від кута нахилу осі вхідного патрубка до горизонталі і відношення діаметрів вихлопної труби і циліндричної частини залежать ефективність циклону і перепад тиску в ньому.

Рисунок 2.2 — Циліндричний циклон конструкції НДІОГаза

Таблиця 2.1. — Співвідношення розмірів в долях внутрішнього діаметра, D для циклонів ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24

* Більший розмір приймається при малих D и великий запиленості газу

Таблиця 2.2 - Співвідношення розмірів у долях діаметра D для циклонівСДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М

Збільшення діаметру циклону при постійній тангенціальній швидкості газу який поступає, приводить до зниження відцентрової сили і до зменшення ефективності очищення. Тому збільшувати розміри промислових циклонів вище певних меж недоцільно. До того ж одиночні циклони навіть великих розмірів мають порівняно малу продуктивність. У промисловості очищенню піддають гази обсяг яких складає десятки і сотні тисяч кубічних метрів в час. В цьому випадку для очищення газів створюють групові установки, що складаються з декількох циклонів. Такі установки мають загальний колектор для подачі запиленого і відведення очищеного газу, а також загальний бункер для збору пилу. Компоновка циклонів може бути прямокутною (дворядним способом по 2-8 шт.) або круговою (навколо вертикального вхідного патрубка по окружності по 10-14 шт.).

Ступінь очищення в групових циклонах прийнято рахувати рівному ступеню очищення в одиночному циклоні, що входить до цієї групи. На практиці в групових циклонах ступінь очищення нижче. Це пов'язано з тим, що в одиночному циклоні вихровий потік, рухаючись по спіралі зверху вниз, упирається в дно пилозбірного бункера, після чого, зберігаючи обертальний рух, круто змінює напрям, рухаючись до центральної труби. У групових циклонах із загальним бункером герметичність окремого циклону порушується, унаслідок чого міняється гідродинаміка потоку і ступінь очищення знижується.

Рисунок 2.4 — Прямокутна компоновка циклонів у группу

Рисунок 2.5 - Кругова компоновка циклонів у групу

2.2 Розрахунок та вибір циклона

Вибір типу й розміру циклона провадиться на підставі заданої витрати газів, фізико-механічних властивостей пилу, необхідної ефективності очистки, габаритів установки, експлуатаційній надійності та вартості очистки.

Для розрахунків конструкції циклонів необхідні наступні вихідні дані:

•  кількість газу, що очищається, Q , м3/с;

•  густина газу при робочих умовах ρ , кг/м3;

•  в'язкість газу при робочій температурі µ, Па-с;

•  дисперсний состав пилу, що задається двома параметрами:

dт - медіанний діаметр, при якому маса всіх часток пилу менше або крупніше dт становить 50%; lgσч - стандартне відхилення величини lgd;

•  вхідна концентрація пилу Свх , г/м3;

•  щільність часток пилу ρч , кг/м3;

•  необхідна ефективність очищення газу η, %.

Конструкцію циклона розраховують методом послідовних наближень у наступному порядку. 1. Вибравши тип циклона, по табл. 2.3 визначають оптимальну швидкість газу в апараті.

Таблиця 2.3 - Параметри, що визначають ефективність циклонів

2. Визначаємо діаметр циклона, м:

Отримане значення Dокругляємо до найближчого типового значення внутрішнього діаметра циклона. Для циклонів прийнятий наступний ряд внутрішніх діаметрів, мм: 200, 300, 400, 500. 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 2800, 2000, 2400 й 3000.

Якщо розрахунковий діаметр циклона перевищує його максимальне припустиме значення, то необхідно застосовувати два або більш паралельно встановлені циклони.

де n - кількість циклонів.

3. По обраному діаметру циклона знаходять дійсну швидкість газу в циклоні, м/с, по формулі:

Швидкість газу в циклоні не повинна відхилятися більш ніж на 15% від оптимальної швидкості.

4. Визначають коефіцієнт гідравлічного опору циклона або групи циклонів по формулі:

де К1 - поправочний коефіцієнт, що залежить від діаметра циклона (табл. 2.4)

К2 - поправочний коефіцієнт, що враховує запиленість газу (табл. 2.5)

ξ500 - коефіцієнт гідравлічного опору одиночного циклона діаметром 500 мм, що обирається по табл. 2.6;

К3 - коефіцієнт, що враховує додаткові втрати тиску, пов'язані з компонуванням циклонів у групу (табл. 2.7), для одиночних циклонів К3 = 0.

Таблиця 2.4 - Поправочний коефіцієнт К{ залежний від діаметра циклона

Таблиця 2.5 - Поправочний коефіцієнт К2 , що враховує запиленість газу (D=500 мм)

Таблиця 2.7 - Поправочний коефіцієнт К3,, що враховує компоновку циклонів у групі

5. Визначають гідравлічний опір циклона, Па:

6. Визначають діаметр часток, що вловлюються на 50%, мкм:

де - діаметр часток, що уловлюються на 50% в стандартних умовах (табл. 2.3). Значення відповідає наступним умовам роботи циклона:

діаметр циклона  = 0,6 м;

середня швидкість газу в циклоні ωТ =3,5 м/с;

щільність часток  = 1930 кг/м3:

динамічна в'язкість = 22,2 • 10-6 Па·с.

7. Розраховують параметр х по формулі:

де lg — стандартне відхилення величини lgd обирається по табл. 2.3. Визначають функцію розподілу Ф(x) по таблиці 2.8.

Таблиця 2.8 - Значення нормальної функції розподілу Ф (x)

8. Визначають ефективність очистки газу в циклоні, %:

=50[1 + Ф(x)].

Якщо ефективність очистки виявилася недостатньою, потрібно вибрати інший тип циклона з більше високим гідравлічним опором, якій треба розрахувати заново. Орієнтовно необхідний опір можна знайти зі співвідношення:

де індекс 1 відноситься до розрахункових, а індекс 2 - до необхідних значень параметрів циклона.

2.3 Приклад розрахунку циклона

Завдання. Підібрати циклон, що забезпечує ступінь ефективності очистки газу відпилу η= 89%. Вихідні дані наведені в таблиці 2.9. Прийнявши, що густина газу при робочих умовах ρ= 0,89 кг/м3; в'язкість газу при робочій температурі µ = 22,2·10- 6 Па·с.

Таблиця 2.9 – Вихідні данні для розрахунку

Рішення

1.  Задаємося типом циклона — ЦН-15. По табл. 2.3 обираємо оптимальну швидкість газу в апараті : -3,5 м/с.

2. Визначаємо діаметр циклона:

Отримане значення D округляємо до найближчого типового значення внутрішнього діаметра циклона. Обираємо один циклон з D=800 мм=0,8 м.

3. По обраному діаметру циклона знаходимо дійсну швидкість газу в циклоні, м/с, по формулі:

3,5-100%

3,58 -х% х=102,3%

Різниця: 102,3-100=2,3 % < 15 % - швидкість газу в циклоні не відхиляється більш, чим на 15 % від оптимальної швидкості.

4. Визначаємо коефіцієнт гідравлічного опору циклона:

= 1 • 0,91·163 + 0 = 148,33

Коефіцієнти К1= 1, К2=0,91, = 163, К3 = 0 обираємо по табл. 2.4-2.7.

5. Визначаємо гідравлічний опір циклона:

6. Визначаємо діаметр часток, що вловлюються на 50%:

=4.50

Діаметр часток, що уловлюються на 50% в стандартних умовах  обираємо по табл. 2.3. 7. Розраховують параметри по формулі:

7. Стандартне відхилення lg = 0.352 обираємо по табл.2.3.

8. Визначаємо функцію розподілу Ф(х) = 0,9966 по таблиці 2.8.

Визначаємо ефективність очистки газу в циклоні:

(x)] = 5099.83%

Циклон ЦН-15 з D=0,8 м забезпечує ефективність очистки газу від пилу 99,83 %, що більш заданої ефективності 89 %.

Таблиця 2.10. - Розміри циклона ЦН-15