Задание № 2

по курсу “Производственная и экологическая безопасность”

Студента группы ЭКТ-41

Ливицкого К.А.

Вариант 15
I. МОКРЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ

Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распростране­ние, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей с d_ч ³ (0,3 - 1,0) мкм, а также возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков, ограничи­вающих область их применения: образование в процессе очистки шлама, что требует специальных систем для его переработки; вы­нос влаги в атмосферу и образование отложений в отводящих га­зоходах при охлаждении газов до температуры точки росы; необ­ходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеулови­тель.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность либо капель жидкости, либо пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения.

Силы инерции действуют на частицы пыли и капли жидкости при их сближении. Эти силы зависят от массы капель и частиц, а также от скорости их движения. Частицы пыли малого размера (менее 1 мкм) не обладают достаточной кинетической энергией и при сближении обычно отибают капли и не улавливаются жид­костью. Броуновское движение характерно для частиц малого раз­мера. Для достижения высокой эффективности очистки газа от частиц примесей за счет брруновского движения необходима уменьшить скорость движения газового потока в аппарате.

Кроме этих основных сил на процесс осаждения влияют: тур­булентная диффузия, взаимодействие электрически заряженных частиц, процессы конденсации, испарения и др. Во всех случаях очистки газа в мокрых пылеуловителях важным фактором явля­ется смачиваемость частиц, жидкостью (чем лучше смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки).

Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скруб­беры Вентури, форсуночные и центробежные скрубберы, аппара­ты ударно-инерционного типа, барботажно-пенные аппара­ты и др.

Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель на практике более применимы скрубберы Вентури (рис. 1). Основная часть скруббера - сопло Вентури 2, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1 жидкость на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости (w = 15 - 20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 30 - 200 м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обу­словлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высо­кой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной сте­пени зависит от равномерности распределения жидкости по сече­нию конфузорной части сопла. В диффузорной части сопла по­ток тормозится до скорости 15 - 20 м/с и подается в каплеуловитель 3. Каплеуловитсль обычно выполняют в виде прямоточного циклона .

Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки аэрозолей со средним размером частиц 1-2 мкм при на­чальной концентрации примесей до 100 г/м³. Удельный расход во­ды на орошение при этом составляет 0,1 - 6,0 л/м³. Круглые скрубберы Вентури применяют до расхода газа 80000 м³/ч. При больших рас­ходах газа и больших размерах трубы возможности равномерного распределения орошающей жидкости по сечению трубы ухудша­ются, поэтому применяют несколько параллельно работающих круглых труб либо переходят на трубы прямоугольного сечения.

Рис. 1. Скруббер Вентури

Рис. 2. Коагуляционно-центробежный мокрый пылеулови­тель

Трубы Вентури типа ГВПВ (газопромыватель Вентури прямо­точный, высоконапорный) предназначены для очистки запыленных технологических газов, поступающих с постоянным объемным рас­ходом. В качестве сепаратора капель в компонов­ке со скруббером Вентури применяют центробежные каплеуловители типа КЦТ. Конструктивно центробежный каплеуло- витель типа КЦТ представляет собой малогабарит­ный прямоточный циклон с прямоугольным входным патрубком и рабочей частью высотой 1,5D, где D - диаметр циклона.

Одним из удачных конструктивных решений совместной ком­поновки скруббера Вентури к каплеуловителя может служить кон­струкция (рис. 2) коагуляционно-центробежного мокрого пыле­уловителя (КЦМП). Сопло Вентури 1 установлено в корпусе цик­лона 2, а для закручивания воздуха используется специальный закручиватель 3. Промышленные КЦМП работают при скоростях в узком сечении трубы Вентури 40 - 70 м/с, удельных расходах воды на орошение 0,1-0,5 л/м³ и имеют габариты на 30% мень­ше, чем обычные скрубберы Вентури. Эффективность очистки воз­духа от кварцевой пыли в КЦМП составляет:

dч, мкм	1	5	10
h	0,70-0,90	0,90-0,98	0,94-0,99

Скрубберы Вентури широко используются в системах очистки газов от туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц ;0.3 мкм достигает 0,999, что вполне сравнимо с высокоэффективными фильтрами.

Разновидностью аппаратов для улавливания пыли осаждением частиц на каплях жидкости являются форсуночные скрубберы (рис. 3, а). Запыленный газовый поток поступает в скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где осаждаются наи­более крупные частицы пыли. Газовый поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимаются вверх навстречу потоку капель, подаваемых в скруббер через фор­суночные пояса 2. Удельный расход воды в форсуночных скруббе­рах составляет 3,0 - 6,0 л/м³, гидравлическое сопротивление аппа­рата до 250 Па при скоростях движения потока газа в корпусе скруббера 0,7 - 1,5 м/с. Общая эффективность очистки, получае­мая на форсуночных скрубберах, невысока и составляет, например, 0,6 - 0,7 при очистке доменного газа. В форсуночных скруб­берах эффективно улавливаются частицы размером >10 мкм. Одновременно с очисткой газ, проходящий через форсуночный скруб­бер, охлаждается и увлажняется до состояния насыщения.

Рис. 3. Форсуночный (а) и центробежный (б) скруб­беры

В тех случаях, когда требуется очистка небольших масс горя­чих газов от загрязнений с размером частиц более 15 - 20 мкм, можно применять простейшие оросительные устройства, которые выполняются в виде ряда форсунок, встроенных в газоход. Удель­ный расход воды в таких системах выбирается равным от 0,1 до 0,3 л/м³. Скорость газового потока в газоходе в целях исключе­ния интенсивного каплеуноса не должна превышать 3 м/с.

Для мокрой очистки нетоксичных и невзрывоопасных газов от пыли применяют центробежные скрубберы. В аппаратах этого типа (см. рис. 3, б) частицы пы­ли отбрасываются на пленку жидкости 2 центробежными силами, возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет тангенциального расположения входного патрубка 5 в корпусе ап­парата. Пленка жидкости толщиной не менее 0,3 мм создается подачей воды через сопла 1 и непрерывно стекает вниз, увлекая в бункер 4 частицы пыли. Эффективность очистки газа от пыли в аппаратах такого типа зависит главным образом от диаметра кор­пуса аппарата 5, скорости газа во входном патрубке и дисперсно­сти пыли. С ростом диаметра скруббера эффективность очистки падает.

Эффективность очистки возрастает при увеличении высоты кор­пуса до H = (3 — 4) D, после чего практически остается постоян­ной, поэтому обычно принимают Н = 4D. Гидравлическое сопро­тивление определяют по формуле

Dp = p_вх - p_вых = zrw²/2 ,

где r и w — соответственно плотность и скорость газа в расчетном сечении, z — коэффициент гидравлического сопротивления (принимается равным 33 — 46). Удель­ный расход воды в центробежных скрубберах составляет 0,09 — 0,18 л/м³. Входная запыленность газового потока £ 20 г/м³.

Аппараты ударно-инерционного типа работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхности жидкости при повороте на 180° пыле-газового потока, движущегося со скоростью 25 — 50 м/с. Взвешенные в газе частицы за счет сил инерции после выхода из сопла не успевают за линиями тока и попадают на по­верхность жидкости. Хорошо улавливаются частицы размером бо­лее 20 мкм. Основное преимущество аппаратов ударно-инерцион­ного типа — малый удельный расход воды, который составляет не более 0,03 л/м³ и определяется только испарением и потерями жидкости со шламом. Эффективность очистки газа в таких аппа­ратах весьма чувствительна к изменению расстояния между сре­зом сопла и зеркалом жидкости.

К мокрым пылеуловителям относят барботажно-пенные пыле­уловители с провальной (рис. 4, а) и переливной решетками (рис. 4, б). В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей. Режим ра­боты аппаратов зависит от скорости подачи воздуха под решетку. При скорости до 1 м/с наблюдается барботажный режим работы аппарата. Дальнейший рост скорости газа в корпусе 1 аппарата до 2 — 2,5 м/с сопровождается возникновением пенного слоя над жидкостью, что приводит к повышению эффективности очистки газа и брызгоуноса из аппарата. Современные барботажно-пенные аппараты обеспечивают эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли ;0.95 — 0.96 при удельных расходах воды 0,4 — 0,5 л/м³. Практика эксплуатации барботажно-пенных аппаратов показывает, что они весьма чувствительны к неравномерности по­дачи газа под провальные решетки. Неравномерная подача газа приводит к местному сдуву пленки жидкости с решетки. Кроме того, решетки аппаратов склонны к засорению.

Рис. 4. Барботажно-пенный пылеуловитель с провальной (а) и переливной (б) решетками

II. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ МАСЛОСОДЕРЖАЩИХ ПРИМЕСЕЙ

При выборе способов и технологического оборудования для очистки сточных вод от примесей необходимо учитывать, что задан­ные эффективность и надежность работы любого очистного устрой­ства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентра­ций примесей и расходов сточной воды. Большинство цехов маши­ностроительных предприятий характеризуется постоянством расхо­да и состава сточных вод, однако в некоторых технологических про­цессах имеют место кратковременные изменения, что может сущест­венно уменьшить эффективность работы очистных устройств или вывести их из строя. Для обеспечения нормальной эксплуатации очистных сооруже­ний в указанных случаях необходимо усреднение концентрации примесей или расхода сточной воды, а в некоторых случаях и по обоим показателям одновременно. С этой целью на входе в очист­ные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет кото­рых определяются характеристиками залповых сбросов.

Очистка сточных вод от маслопродуктов в зависимости от их состава и концентрации осуществляется на машиностроительных предприятиях отстаиванием, обработкой в гидроциклонах, флотаци­ей и фильтрованием.

Отстаивание основано на закономерностях всплывания маслопродуктов в воде по тем же законам, что и осаждение твердых час­тиц. Процесс отстаивания осуществляется в отстойниках и маслоловушках. При проектировании очистных сооружений предусматри­вают использование отстойников как для осаждения твердых частиц, так и для всплывания маслопродуктов. При этом расчет длины отстойника проводят по скорости осаждения твердых частиц и по скорости всплывания маслопродуктов и принимают макси­мальное из двух значений.

Конструкция маслеловушек аналогична конструкции горизон­тального отстойника. При среднем времени пребывания сточной воды в маслоловушке, равном двум часам, скорость ее движения составляет 0.003...0.008 м/с. В результате отстаивания маслопродукты, содержащиеся в воде, всплывают на поверхность, откуда удаля­ются маслосборным устройством. Для расчета маслоловушек необ­ходимо знать скорость всплывания маслопродуктов и расход сточной воды. Тогда расчет сводится к определению геометрических размеров ловушки и вре­мени отстаивания сточной воды.

Для очистки концентрированных маслосодержащих сточных вод машиностроительных предприятий, например стоков охлажда­ющих жидкостей металлорежущих станков, широко применяют обработку сточных вод специальными реагентами, способствующи­ми коагуляции примесей в эмульсиях. В качестве реагентов использyют Na₂CO₃, H₂SO₄, NаСl, Аl₂(SO₄)_з, смесь NаСl и Аl₂(SO₄)_з и др.

Рис. 5. Схема комбинирован­ного напорного гидроциклона

Отделение маслопродуктов в поле действия центробежных сил осуществляют в напорных гидроциклонах. При этом целесообраз­нее использовать напорный гидроциклон для одновременного выде­ления и твердых частиц и маслопродуктов, что необходимо учиты­вать в конструкции гидроциклона. На рис. 5 представлена схема напорного гидроциклона, предназначенного для очистки сточной воды от металлической окалины и масла. Исходная сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вслед­ствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклопа и стекают в шламосборник 7, откуда периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх, при этом вследствие меньшей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 выво­дятся из гидроциклона для последую­щей утилизации. Сточная вода, очи­щенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для дальнейшей очистки. Регулируемое гидравлическое сопротивление 4 пред­назначено для выпуска воздуха, кон­центрирующегося в ядре закрученно­го потока очищаемой сточной воды. Указанные гидроциклоны используют для очистки сточных вод сортопрокат­ного цеха с концентрацией твердых частиц н маслопродуктов соответст­венно 0.13...0.16 и 0,01...0,015 кг/м³ и эффективностью их очистки около 0,70 и 0,50. При расходе очищаемой сточной воды 5 м³/час перепад давлений в гидроциклоне состав­ляет 0,1 МПа.

Очистка сточных вод от маслопримесей флотацией заключается в интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при об­волакивании их частиц пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду. В основе этого про­цесса лежит молекулярное слипанне частиц масла и пузырь­ков тонкодиспергированного в воде воздуха. Образование аг­регатов «частица - пузырьки воздуха» зависит от интенсив­ности их столкновения друг с другом, химического взаимо­действия находящихся в воде веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т. п.

В зависимости от способа образования пузырьков возду­ха различают несколько видов флотации; напорную, пневматическую, пенную, химическую, био­логическую, электрофлотацию и т. д.

Рис. 6. Схема пневматической флота­ционной установки

На рис. 6 представлена схема флотационной пневматической установки, предназначенной для очистки сточных вод от маслопродуктов, поверхностно-активных и органических веществ, а также от взвешенных частиц малых размеров. Исходная сточная вода по тру­бопроводу 1 и отверстия в нем равномерно поступает во флотатор 10. Одновременно по трубопроводу 2 подается сжатый воздух, ко­торый через насадки 11 из пористого материала в виде мельчайших пузырьков равномерно распределяется по сечению флотатора. В процессе всплывания пузырьки воздуха обволакивают частицы маслопродуктов, поверхностно-активных веществ и мелких твердых частиц, увеличивая скорость их всплывания. Образующая­ся таким образом пена скапливается между зеркалом воды и крыш­кой 3 флотатора, откуда она отсасывается центробежным вентиля­тором 4 в пеносборник 5 и через трубопровод 6 направляется для обработки пены и извлечения из нее маслопродуктов. В процессе вертикального движения сточной воды во флотаторе содержащийся в воздухе кислород окисляет органические примеси, а при малой их концентрации имеет место насыщение воды кислородом. Очищенная таким образом сточная вода огибает вертикальную перегородку 9 и сливается в приемник 7 очищенной воды, откуда по трубопрово­ду 8 подается для дальнейшей обработки.

В промышленности также используют метод электрофлотации, преимущества которого заключаются в том, что протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-восстановительные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточ­ных вод. Кроме того, использование алюминиевых или железных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц за­грязнений, содержащихся в сточной воде.

Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрова­нием — заключительный этап очистки. Этот этап необходим, по­скольку концентрация маслопродуктов в сточной воде на выходе из отстойников или гидроциклонов достигает 0,01 ... 00,2 кг/м³ и зна­чительно превышает допустимые концентрации маслопродуктов в водоемах. Кроме того, в оборотных системах водоснабжения до­пустимое содержание маслопродуктов в сточной воде на выходе из очистных сооружений во многих случаях меньше ПДК их в воде водоемов.

Адсорбция масел (как и любых нефтепродуктов) на поверх­ности фильтроматериала происходит за счет сил межмолекулярного взаимодействия и ионных связей. Существенное влияние на процесс осаждения маслопродуктов на фильтроматериал имеют электрические явления, происходящие на поверхности раздела кварц-водная среда, связанные с возникновением разности элек­трических потенциалов на этой поверхности и образованием двойного электрического слоя. На процесс адсорбции маслопродуктов влияют также н поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся в сточной воде.

Исследования процессов фильтрования сточных вод, содержа­щих маслопримеси, показали, что кварцевый песок — лучший фильтроматериал. Применение реагентов повышает эффективность очистки, однако при этом значительно возрастает стоимость очи­стных сооружений и усложняется процесс их эксплуатации. Обра­зующийся при этом осадок требует дополнительных устройств для его переработки.

В качестве фильтрующих материалов кроме кварцевого песка используют доломит, керамзит, глауконит. Эффективность очист­ки сточных вод от маслосодержащих примесей значительно по­вышается при добавлении волокнистых материалов (асбеста и отходов асбестоцементного производства).

Перечисленные фильтрующие материалы характеризуются рядом недостатков: малой ско­ростью фильтрации и сложно­стью процесса регенерации. Эти недостатки устраняются при использовании в качестве фильтроматериала вспененного полиуретана. Пенополиуретаны, обладая большой маслопоглощательной способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0.97...0.99 при скоро­сти фильтрования до 0,01 м/с, насадка из пенополиуретана легко регенерируется механи­ческим отжиманием маслопродуктов.

 

Рис. 7. Схема фильтра-сепаратора

На рис. 7 представлена схема фильтра-сепаратора с фильтровальной загрузкой из частиц пенополиуретана, пред- назначенного для очистки сточных вод от маслопродуктов и твер­дых частиц. Сточную воду по входному трубопроводу 5 подают под нижнюю опорную решетку 4. Вода проходит через фильтро­вальную загрузку в роторе 2, верхнюю решетку 4 и очищенная от примесей переливается в приемный карман 6 и выводится из кор­пуса 1 фильтра. При концентрации маслопродуктов и твердых частиц до 0,1 кг/м³ эффективность очистки составляет соответст­венно 0.92...0.98 и 0,90, а время непрерывной эксплуатации фильт­ра — 16...24ч. Достоинством данной конструкции являются просто­та и высокая эффективность регенерации фильтра, для чего вклю­чают электродвигатель 7. При вращении ротора 2 с фильтроваль­ной загрузкой частицы пенополиуретана под действием центробеж­ных сил отбрасываются к внутренним стенкам ротора, выжимая маслопродукты из ротора, которые поступают затем в карманы 3 и направляются на регенерацию, время полной регенерации фильт­ра составляет 0,1 ч.