ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

По дисциплине

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ

Тема: «Расчет и проектирование циклона»

Тольятти 2015

ЗАДАНИЕ

Выбрать и рассчитать циклон, обеспечивающий требуемую эффективность очистки газа, для заданного источника выделения пыли (табл.1). Начертить циклон с указанием размеров (формат А2).

Вариант 20.

Таблица 1 - Исходные данные для расчета циклона

Наименование оборудования	Крекинг установка
Q, м3/с
ρ, кг/м3	1,29
µ, Па·с	17,3
dН, мкм
lgδ4	0,468
CВХ, г/м3
ρч, кг/м3
η	0,85

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Проблема загрязнения атмосферного воздуха – одна из серьезнейших глобальных проблем, с которыми столкнулось человечество. Опасность загрязнения атмосферы – не только в том, что в чистый воздух попадают вредные вещества, губительные для живых организмов, но и в вызываемом загрязнениями изменении климата Земли.

Загрязнение воздуха (атмосферы) в результате деятельности человека привело к тому, что за последние 200 лет концентрация двуокиси углерода выросла почти на 30%. Тем не менее, человечество продолжает активно сжигать ископаемое топливо и уничтожать леса. Процесс настолько масштабен, что приводит к глобальным экологическим проблемам. Загрязнение воздуха происходит и в результате других видов человеческой деятельности. Сжигание топлива на тепловых электростанциях сопровождается выбросом двуокиси серы. С выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступают оксиды азота. При неполном сгорании топлива образуется угарный газ. Кроме того, не следует забывать и о мелкодисперсных твердых загрязнителях, таких как копоть и пыль.

Основным мероприятием по защите атмосферы от вредных выбросов является применение технических средств. Для улавливания взвешенных частиц применяется различная аппаратура, в составе которой значительное место занимают циклонные аппараты, которые являются наиболее актуальными для сухого механического пылеулавливания.

Цель работы:

Познакомиться с основными параметрами очистки газов от примесей в циклонах - аппаратах сухой пылеочистки, а также выбрать тип циклона, определить его основные параметры и технические характеристики для заданного источника образования пыли.

1 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Для очистки воздуха от твердых и жидких примесей применяют циклоны, пылеуловители (вихревые, жалюзийные, камерные и др.) и различные по конструкции фильтры. Важным показателем работы всех этих устройств является эффективность очистки воздуха.

Очистка может быть грубой (размер пыли более 50 мкм), средней (10-50 мкм), тонкой (менее 10 мкм). Для очистки воздуха от неволокнистой пыли размером 10 мкм используют циклоны.

Циклон - аппарат, используемый в промышленности для очистки газов или жидкостей от взвешенных частиц. Принцип очистки - инерционный (с использованием центробежной силы). Циклонные пылеуловители составляют наиболее массовую группу среди всех видов пылеулавливающей аппаратуры и применяются во всех отраслях промышленности. Но их применение как самостоятельного средства очистки весьма ограничено. В основном их используют в качестве предварительной ступени очистки газов перед высокоэффективными устройствами, например электрофильтрами, рукавными фильтрами или перед аппаратами мокрой очистки газов.

Поскольку инерционная сила, действующая в циклоне пропорциональна массе частицы, то мелкие частицы улавливаются в циклонах плохо. Степень очистки аэрозолей с размерами частиц более 10 мкм составляет 80-95%.

Увеличить эффективность можно путем уменьшения диаметра циклона и увеличения скорости газа в нем, но до определенных пределов, т. к. с этим связан рост энергозатрат, ухудшение очистки вследствие вторичного уноса уловленных частиц, абразивный износ и т. д.

Достоинства:

· простота в разработке и изготовлении;

· высокая надёжность;

· высокая производительность;

· довольно низкое гидравлическое сопротивление;

· возможность использования для очистки агрессивных и высокотемпературных газов и газовых смесей;

· отсутствие движущихся частей;

· частицы улавливается в сухом виде;

· возможность работы циклонов при высоком давлении, стабильная величина гидравлического сопротивления;

· повышение концентрации пыли не приводит к снижению эффективности аппарата.

Недостатки:

· невозможность улавливания частиц с малыми размерами частиц и малая долговечность (особенно при очистке газов от пыли с высокими абразивными свойствами).

Принцип работы циклона.

В возвратно-поточных циклонах используется центробежная сила, развивающаяся при вращательно-поступательном движении газового потока (рис. 1). Под действием центробежной силы частицы золы или пыли подводятся к стенке циклона и вместе с частью газов попадают в бункер. Часть газов, попавших в бункер и освободившихся от пыли, возвращается в циклон через центральную часть пылеотводящего отверстия, давая начало внутреннему вихрю очищенного газа, покидающего аппарат. Отделение частиц от попавших в бункер газов происходит при перемене направления движения газов на 180° под действием сил инерции. По мере движения этой части газов в сторону выхлопной трубы к ним постепенно присоединяются порции газов, не попавших в бункер. Последнее не вызывает значительного увеличения выноса пыли в выхлопную трубу, так как распределенное по значительному отрезку длины циклона перетекание газов происходит со скоростью, недостаточной для противодействия движению ча­стиц к периферии циклона. Несравненно большее влияние на полноту очистки газов оказывает их движение в области пылеотводящего отверстия навстречу выделяющейся пыли.

Из вышеизложенного следует: в принципе циклоны могут нормально работать при любом их положении в пространстве, но циклоны чрезвычайно чувствительны к присосам через бункер из-за увеличения объемов газов, движущихся навстречу пыли. Бункер участвует в газодинамике циклонного процесса, поэтому использование циклонов без бункера или с бункерами с уменьшенными против рекомендуемых размерами приводит к ухудшению эффективности работы аппаратов.

Рис. 1 - Схема работы циклона.

1 – входной патрубок; 2 – улитка; 3 – корпус циклона; 4 – конус; 5 – отверстие пылевыпускное; 6 – бункер; 7 – затвор.

Направление движения газа в циклоне:

А – вход запыленного газа; Б – выход очищенного газа; В1 – внешний вихрь; В2 – внутренний вихрь.

Классификация циклонов.

По принципу организации движения потока различают:

1) возвратно-поточные (рис. 2);

2) прямоточные (рис. 3).

Прямоточные конструкции имеют меньшее гидравлическое сопротивление, но применяются значительно реже, вследствие меньшей эффективности пылеулавливания.

По форме корпуса различают:

1) цилиндрические (высота цилиндрической части циклона больше, чем конической);

2) цилиндро - конические или конические (коническая часть имеет большую высоту).

По подводу запыленного газа:

1) спиральный (рис. 4.1);

2) тангенциальный (рис. 4.2);

3) винтообразный (рис. 4.3);

4) розеточный (рис. 4.4).

Рис.4 – Схемы работы циклонов с разными вариантами подвода запыленного газа.

Варианты подводов (1, 2), спиральный и тангенциальный, используются для высокоэффективных циклонов при улавливании мелкой пыли. Варианты (3, 4), винтовой и розеточный, применяются для циклонов с высокой удельной производительностью для улавливания грубой пыли с размером частиц более 20 микрон.

2 РАСЧЕТ ЦИКЛОНА

Вариант 20.

Таблица 1 - Исходные данные для расчета циклона

Наименование оборудования	Крекинг установка
Q, м3/с
ρ, кг/м3	1,29
µ, Па·с	17,3
dН, мкм
lgδч	0,468
CВХ, г/м3
ρч, кг/м3
η	0,85

Расчет циклонов производим методом последовательных приближений.

Таблица 2 - Параметры, определяющие эффективность циклонов

ω_оп - скорость движения газа в циклоне, м/с,

d^т_оп - диаметр частиц, освящаемых с эффективностью 50%, мкм,

lgδ^T_η - стандартное отклонение функции распределения парциальных коэффициентов очистки.

Расчет начинаем с циклона, для которого диаметр частиц пыли должен быть ориентировочно d_м > 2d^т₅₀. (d_м - медианный размер частиц, который представляет такой размер, при котором количество частиц крупнее d_м, равно количеству частиц мельче d_м.)

Исходя из заданного размера частиц пыли (табл.1) d_м =15 мкм, вычисляем d^т₅₀ – диаметр частиц осаждаемых с эффективностью 50%.

мкм

(1)

Полученное в формуле 1 значение d^т₅₀ округляем до ближайшего типового значения (табл. 2) d^т_оп =4,5 мкм и выбираем циклон ЦН-15.

Диаметр циклона определяем по формуле.

(2)

где Q - количество очищаемого газа, м³/с,

ω_оп - скорость движения газа в циклоне, м/с,

N – количество циклонов.

Подставляем данные из табл. 1 и 2 в формулу 2.

Полученное значение диаметра D округляем до ближайшего типового значения внутреннего диаметра циклона D_ц = 0,9 м (табл.3).

Таблица 3 - Типовые значения внутреннего диаметра циклона

По выбранному диаметру циклона находим действительную скорость движения газа в циклоне.

где Q - количество очищаемого газа, м3/с, Dц - диаметра циклона, м, N – количество циклонов.

(3)

Подставляем в формулу 3 значения.

Производим проверку.

где - действительная скорость движения газа в циклоне, м/с, ωоп - скорость движения газа в циклоне, м/с.

(4)

- действительная скорость в циклоне не отклоняется от оптимальной более чем на 15%.

Определяем величину d₅₀.

(5)

где - диаметр частиц реально осаждаемых с эффективностью 50% при рабочих условиях,

D_ц - диаметра циклона, м,

- плотность частиц пыли, ,

- вязкость газа при рабочей температуре, Па с,

- действительная скорость движения газа в циклоне, м/с.

Значение d^т₅₀соответствует следующим параметрам работы циклона (табл. 4).

Таблица 4

Подставляем значения из табл. 4 в формулу 5.

(6)

Подставляем в формулу 6 известные нам данные (табл.1).

Полученное значение d₅₀ меньше заданного 4,41 .

Ведем расчет параметра X.

где dт50 – диаметр частиц осаждаемых с эффективностью 50%, мкм, – медианный размер частиц пыли, мкм, – стандартное отклонение размеров частиц пыли, lgδTη - стандартное отклонение функции распределения парциальных коэффициентов очистки.

(7)

Подставляем данные табл.1 и 2 в формулу 7.

По величине параметра X определяем значение нормальной функции распределения Ф(Х). Ф(Х) - это полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях. Вычисляется по формуле:

(8)

Так как Х=0,72, то величину Ф(Х) вычисляем:

(9)

Подставляем в формулу 9 полученное значение Х.

Определяем эффективность очистки газа в циклоне η.

где Ф(Х) - это полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях.

(10)

Подставляем значение Ф(Х) в формулу 10.

Полученное значение η соответствует заданным требованиям .

Определяем коэффициент гидравлического сопротивления циклона.

(11)

где K₁ -поправочный коэффициент на диаметр циклона (табл. 5), для данного типа циклона ЦН-15: K₁=1,0;

K₂ - поправочный коэффициент на запыленность газа (табл. 6), для данного типа циклона ЦН-15: K₂=0,9;

- коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм(табл. 7), для данного типа циклона ЦН-15: =155;

Таблица 5 - Поправочный коэффициент K₁

Таблица 6 - Поправочный коэффициент K₂

Таблица 7 - Коэффициент гидравлического сопротивления

Тип циклона	ЦН-24	ЦН-15, ЦН-15У	ЦН-11	СДК ЦН-33	СК ЦН-34 СК ЦН-34М

Подставляем значения из табл. 5,6,7 в формулу 11.

Вычисляем гидравлическое сопротивление циклона.

(12)

где p – плотность газа, p=1,29 кг/м³;

ω_р – скорость газа в циклоне, м/с²,

- коэффициент гидравлического сопротивления циклона.

Подставляем данные в формулу 12.

Расчет мощности привода подачи газа. Величина гидравлического сопротивления и объемный расход (Q) очищаемого газа определяют мощность (N) привода устройства для подачи газа к циклону.

(13)

K₃- коэффициент запаса мощности, (K₃=1,2),

η_М- КПД передачи мощности от электродвигателя к вентилятору (η_М = 0,8 ),

η_В - КПД вентилятора (η_В = 0,8 ),

Q – количество очищаемого газа, м³/с,

– гидравлическое сопротивление циклона, Па.

Подставляем значения в формулу 13.

Определяем концентрацию пыли на выходе из циклона.

где – требуемая эффективность очистки газа, – входная концентрация пыли, .

(13)

Подставляем данные из табл. 1 в формулу 13.

По данным табл. 8 чертим циклон (формат А2).

Таблица 8 – Размеры циклона

Размеры	Тип циклона ЦН-15
Наименование	Обозначение	Формула	Значение (мм)
Внутренний диаметр выхлопной трубы	d	0,59 Dц
Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия	d1	0,3 – 0,4 Dц
Ширина входного патрубка в циклоне (внутренний размер)	b	0,2 Dц
Ширина входного патрубка на входе (внутренний размер)	b1	0,26 Dц
Длина входного патрубка	l	0,6 Dц
Диаметр средней линии циклона	Dcp	0,8 Dц
Высота установки фланца	hфл	0,1 Dц
Угол наклона крышки и входного патрубку циклона	α	15°	15°
Внутренний диаметр циклона	Dц	-
Высота входного патрубка (внутренний размер)		0,66 Dц
Высота выхлопной трубы	h1	1,74 Dц
Высота цилиндрической части циклона	Hц	2,26 Dц
Высота конуса циклона	Hк	2 Dц
Высота внешней части выхлопной трубы	hв	0,3 Dц
Общая высота циклона	H	4,56 Dц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте был рассчитан и спроектирован циклон ЦН-15У.

С диаметром циклона равным 0,9 м, эффективностью очистки газа η= 0,9, мощностью привода 3438,75 Вт и концентрацией пыли на выходе C_ВЫХ=1 г/м³.

Циклоны ЦН-15У используются для очистки аспирационного воздуха и представляют собой самую многочисленную группу, а также для сухой очистки газов и воздуха, выделяющихся при некоторых процессах производства: обжиг, агломерация, сушка, сжигание топлива и т.д. Циклон ЦН-15 (пылеуловитель) применяется: на предприятиях черной и цветной металлургии, в химической, нефтяной, машиностроительной промышленности, а также пылеуловитель эффективен на предприятиях энергетики, при производстве строительных материалов и т.д.

Циклоны типа ЦН-15У рекомендуется применять для улавливания золы из дымовых газов; пыли, уносимой из сушилок; пыли, уносимой газом из аппаратов, в которых протекают процессы со взвешенными в газе частицами; пыли, образующейся при пневматической транспортировке материалов; для очистки загрязненного воздуха с начальной запыленностью до 400 г/м³ .

Циклоны ЦН-15У обеспечивают очистку газов эффективностью 80-95% от частиц пыли размером более 10 мкм. В основном их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными аппаратами (например, фильтрами и электрофильтрами). В ряде случаев достигаемая эффективность циклонов ЦН-15У оказывается достаточной для выброса газов или воздуха в атмосферу.

Эффективность очистки газа в циклоне ЦН-15У определяется дисперсным составом и плотностью частиц улавливаемой пыли, а также вязкостью газа, зависящей от его температуры. При уменьшении диаметра циклона и повышении до определенного предела скорости газа в циклоне эффективность очистки возрастает.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Процессы и аппараты защиты окружающей среды: Учебное пособие / И.Г. Кобзарь, В.В Козлова – У.: УлГТУ, 2007, 68с.

2. Процессы и аппараты пылеочистки: Учебное пособие / А.Г. Ветошкин – П.: ПГУ, 2005, 210с.

3. Очистка и рекуперация промышленных выбросов: Учебное пособие для вузов / В. Максимов, И.В. Вольф, Л.Н. Григорьев и др. - М.: Лесная промышленность, 1981, 640с.

4. Охрана окружающей среды: Учебник для технических вузов / С.В. Белов, Ф.А. Барбинов, А.Л. Зозьяков и др.- М.: Высшая школа, 1991, 319с.

5. Справочник по пыле- и золоулавливанию / М.И. Биргер, А.Ю. Вальдберг, Б.И.Мягков и др.: Под ред. А.А. Русанова. - М.: Энергоатомиздат, 1983, 312 с.

6. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов пыли: Учебное пособие для вузов / П.А. Коузов. – Л.: Химия, 1987, 364с.

7. Очистка газов и воздуха от пыли в химической промышленности: Учебник для инженерно-технических вузов / П.А. Коузов, А.Д. Мальгин, Г.М Скрябин . – СПб.: Химия, 1993, 320с.

8. Проектирование газоочистительных сооружений: Учебник для инженерно-технических вузов / А.М. Белевицкий. – Л.: Химия, 1990, 280с.

9. Методические материалы для проектирования. Указания по расчету циклона: Учебное пособие для вузов / ВНИИОТ ВЦСПС – М.: Москва, 1971, 53с.

Поиск по сайту: