Расчет вертикальной песколовки для очистной станции
Министерство
образования и науки РФ
ФГБОУ
ВПО «Алтайский государственный технический университет
им.
И.И. Ползунова»
Кафедра
«Химическая техника и инженерная экология»
Пояснительная
записка к курсовой работе
по
дисциплине «Основы проектирования природоохранных технологий»
Расчет
вертикальной песколовки для очистной станции
Барнаул
2012
Введение
Водная оболочка Земного шара - океаны, моря,
реки, озера - носит название гидросфера, которая покрывает 70,8% земной
поверхности. Объем ее 1370,3 млн. км3, что составляет 1/800 объема планеты.
Отметим еще, что 96,5% гидросферы сосредоточено в океанах и морях, 1,74% - в
полярных и горных ледниках и лишь 0,45% - в пресных водах - озерах, реках и
болотах [3].
Вода - одно из самых распространенных веществ на
Земле (второе после оксида кремния или песка). Однако на свои нужды, вполне
естественно, человечество использует, как правило, пресные воды, запас которых,
повторяем, весьма ограничен. Одним из выходов в решении проблем может быть
привлечение практически неиспользуемых или малоиспользуемых в настоящее время
водных ресурсов: опресненных вод Мирового океана, подземных вод замедленного
водообмена и айсбергов. В частности, в настоящее время доля опресненных вод в
общем объеме водоснабжения мира невелика - 0,05%, что объясняется высокой
стоимостью и значительной энергоемкостью технологических процессов опреснения.
Такие воды используются лишь там, где совершенно отсутствуют или чрезвычайно
труднодоступны ресурсы поверхностных или подземных вод, а их транспортировка
оказывается дороже по сравнению с опреснением воды повышенной минерализации
непосредственно на месте.
Как известно, основные потребители воды -
промышленность, сельское хозяйство, строительство и другие отрасли. Однако, и
на повседневные бытовые нужды человек использует в городах сотни литров в
сутки. Академик А.Е. Ферсман с полным основанием назвал воду "самым важным
минералом на Земле, без которого нет жизни". Для ее поддержания человеку
необходимо 2,5 л питьевой воды в сутки. А за 60 лет жизни он выпивает 50 м3
воды, что соответствует объему железнодорожной цистерны.
Для предварительного выделения из сточных вод
нерастворенных минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.) под
действием силы тяжести применяются песколовки. Песколовки предусматриваются в
составе очистных сооружений при производительности свыше 100 м3/сут. Количество
песколовок или отделений должно быть не менее двух, причем все - рабочие.
1. Краткая характеристика процесса отстаивания
Для предварительного выделения из сточных вод
нерастворенных минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.) под
действием силы тяжести применяются песколовки. Песколовки предусматриваются в
составе очистных сооружений при производительности свыше 100 м3/сут. Количество
песколовок или отделений должно быть не менее двух, причем все - рабочие.
По направлению движения воды песколовки
подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением
жидкости; последние подразделяются на тангенциальные и аэрируемые. При объеме
улавливаемого осадка до 0,1 м3/сут допускается удалять осадок вручную, при
большем объеме выгрузка осадка механизируется.
Вертикальные песколовки используются в
полураздельных системах и на станциях очистки поверхностных вод, поскольку они
удобны для накопления большого количества осадка. Максимальный расход сточных
вод для вертикальных песколовок составляет 10 000 м3/сут.
Песколовки имеют цилиндрическую форму с подводом
воды по касательной с двух сторон, а отводом - кольцевым лотком. Недостаток
этих песколовок заключается в большой продолжительности пребывания воды в
сооружении (рис.1, приложение А).
Расчет песколовок производится, исходя из
условия, что скорость восходящего потока жидкости меньше гидравлической
крупности песчинок улавливаемого песка, т.е. v < u0. Гидравлическая
крупность песка такая же, как у горизонтальных песколовок.
Песок, содержащийся в сточной воде, прижимается
к стенкам сооружения за счет центробежной силы и отделяется от воды в
результате образующегося нисходящего течения. Нагрузку на песколовку принимают
110-130 м3/(м2ч), ее диаметр не более 6 м. При скорости движения в подающем
лотке 0,7-1,1 м/с в песколовке задерживается 92-98 % песка с гидравлической
крупностью 18-24 м/с. Глубина песколовки конструктивно принимается равной половине
ее диаметра.
2. Расчетная часть
.1 Технологический расчет песколовки
Расчет производится по источнику [8].
Исходя из расхода на одно отделение не более
10-15 тыс. м3/сут, принимаем два отделения песколовок: n = 2.
При u0=15 мм/с=15∙3600/1000=54 м3/(м2∙ч)=qср∙3600∙Kоб.макс.=0,058∙3600∙1,7=354,96
м3/чср=Qср. сут./(24∙3600)=5000/86400=0,058м3/с=58л/с
По формуле определяем площадь каждого отделения
песколовки:
По формуле рассчитываем диаметр каждого
отделения песколовки:
Принимаем диаметр песколовки D = 2 м.
Принимаем продолжительность пребывания воды в
песколовке t = 140 с.
Скорость восходящего потока воды в песколовке
равна v = u0 = 15 мм/с.
По формулам определяем глубину h1 и высоту
бункера (конусной части) песколовки h2:= tv/1000=140∙15/1000=2,1 м
h2 = D
/2=2∙0,866=1,73 м
где t - продолжительность пребывания
воды в песколовке, равная 120-180 с; - скорость восходящего потока воды в
песколовке, равная гидравлической крупности песка u0, мм/с.
По формуле рассчитываем полную
строительную высоту песколовки:
Hстр = h1 + h2 +
0,5=2,1+1,73+0,5=4,33 м
.2 Расчет песковых площадок
Приведенное население при норме
водоотведения 240 л/(чел. сут.) равно:
пр = 1000Q/a = 1000·5000/240 ≈
20833 чел.
По таблице В.1 принимаем удельное
количество песка qос = 0,02 л/(сут·чел). По формуле рассчитаем годовой объем
песка, задерживаемого в песколовках:
Wгод = 365Nпрqос/1000, м3/год
где qос - удельное количество песка,
принимаемое по таблице В.1 в зависимости от типа песколовок; пр - приведенное
население, чел.
год = 365·20833·0,03/1000 = 228,12
м3/год.
По формуле находим рабочую площадь
песковых площадок:
Sр = Wгод/hгод, м2,
где hгод - годовая нагрузка на
площадки, равная не более 3 м3/(м2∙год).
Принимаем годовую нагрузку на
песковые площадки, равную hгод = 3 м3/(м2∙год).
Sр = 228,12/3 = 76,04 м2.
По формуле рассчитываем общую
площадь песковых площадок:
Sобщ = (1,2…1,3)Sр, м2.
Sобщ = 1,2·76,04 ≈ 91,25 м2.
.3 Расчет песковых бункеров
Приведенное население равно:
Nпр = 1000Q/a = 1000·5000/240 ≈
20833 чел.
По таблице В.1 принимаем удельное
количество песка qос = 0,03 л/(сут·чел) и по формуле определяем суточный объем
осадка, накапливаемого в песколовках:
wсут = Nпрqос/1000, м3/сут,
где qос - удельное количество песка,
л/(сут·чел), принимается по таблице В.1; пр - приведенное население, чел.
wсут = 20833·0,03/1000 = 0,62
м3/сут.
Принимаем продолжительность хранения
песка в бункерах T = 5 сут, по формуле определяем необходимый объем бункеров:
Wb = wсутT, м3,
где T - продолжительность хранения
песка в бункерах, равная 1,5-5 сут.
= 0,63·5 = 3,15 м3.
Принимаем диаметр бункера D = 2 м и
по формуле рассчитываем объем одного бункера [8]:
По формуле находим количество
бункеров:
nb = Wb/W1= 3,15/9,95 = 0,32 ≈
1.
Так как количество бункеров должно
быть не менее двух, то принимаем количество бункеров, равное двум.
3. Гидравлический расчет
трубопроводов
.1 Расчет подводящего трубопровода
Примем длину участка L = 5 м. Расход
сточных вод на участке qmax =0,58 м3/с.
) распределение потока (
= 1,5) не
учитывается так как в месте распределения потока формируется перепад.
Сечение потока воды в канале s=b×h = 600×300 мм
(более оптимальный вариант для вертикальной песколовки), гидравлический уклон i
= 0,002, скорость потока 
= 0,9 м/с [8, стр. 62, Приложение
Б]. Перепад уровней воды на входе в трубопроводе:
∆ = 0,42-0,36 = 0,06 м= i∙L
= 0,002∙5 = 0,01 м
Диаметр трубопровода
.2 Потери напора в песколовке
Потери напора в песколовке hп = 0,2
м. Местные потери в песколовке:
потери на входе ( = 1,0).
Общие потери напора
= hп+ ∙
2/2∙= 0,2+1∙0,92/2∙9,81
= 0,241 м
.3 Расчет отводящего трубопровода
Длина участка L = 5м, расход сточных
вод qmax = 0,58 м3/с. Местные сопротивления:
вход в трубопровод (=0,5).
Сечение потока воды в канале s=b×h = 600×300 мм (так
как более оптимальный вариант для вертикальной песколовки), гидравлический
уклон
i = 0,002, скорость потока = 0,9 м/с.
Общие потери напора в трубопроводе:
= i∙L+∙2/2∙g= 0,002∙5+0,5∙0,92/2∙9,81
= 0,031 м
очистной пескоголовка
отстаивание осадок
4. Выбор конструкционного материала
Для песколовки выбран следующий
материал: железобетон [ГОСТ 7473-2010]. Он предназначен для возведения
монолитных и сборно-монолитных конструкций или используемый на предприятиях для
изготовления изделий и сборных бетонных и железобетонных конструкций.
Для трубопроводов выбрана сталь
Ст3сп [ГОСТ 380-2005], предназначенную для изготовления горячекатаного проката:
сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного и
холоднокатаного тонколистового, а так же слитков, блюмов, слябов, сутунки, заготовки
катаной и непрерывнолитой, труб, поковок и штамповок, лент, проволоки, метизов
и др. Распространяется на круглые, квадратные, прямоугольные, овальные и
плоскоовальные трубы для металлоконструкций из углеродистой и низколегированной
стали.
Массовая доля хрома, никеля и меди в
стали должна быть не более 0,30 %. При этом массовая доля углерода должна быть
не более 0,20 %. Массовая доля серы должна быть не более 0,050 %, фосфора -
0,040 %, азота - 0,012 %, мышьяка - 0,080 %,
5. Подбор устройства для удаления
осадка из песколовки
Стремление избежать устройства
скребковых механизмов для удаления осадка привело к созданию песколовок с
бункерами под днищем или дренажным днищем. В последнем случае в днище каждого
отделения закладывают бетонную или керамическую дренажную трубу диаметром 100
мм, над которой располагают слой гравия толщиной 20-30 см.
В песколовках с бункерами под днищем
по всей длине устраиваются 2-3 пирамидальные бункера. Желательно, чтобы
проточные и осадочные части таких песколовок разделялись между собой
колосниковыми днищами (перегородками), т.к. проточность осадочных частей вредно
отражается на работе песколовок. Площадь колосников составляет около 50 %
площади всего днища, остальная часть приходится на продольные отверстия, через
которые и проваливается в бункера выпавший осадок. Для исключения выпадения в
таких песколовках органических загрязнений создают искусственную шероховатость
днища. Оптимальным является устройство днищ в виде гряд, формируемых потоком из
осадка.
Осадок целесообразно выгружать
эрлифтом, так как песколовка вертикальная и объем осадка мал, поэтому
целесообразно использовать эрлифт.
Эрлифт разновидность струйного
насоса. Состоит из вертикальной трубы, в нижнюю часть которой, опущенной в
жидкость, вводят газ под давлением. Образовавшаяся в трубе эмульсия (смесь
жидкости и пузырьков) будет подниматься благодаря разности удельных масс
эмульсии и жидкости. Естественно, что эмульсия тем легче, чем в ней больше
пузырьков.
Теория газлифта рассчитывает
движение газожидкостной смеси в вертикальной трубе на основании
дифференциального уравнения Бернулли для гомогенной сжимаемой среды.
Заключение
В данном курсовом проекте
представлен расчет основного и вспомогательного оборудования вертикальной
песколовки для очистки сточных вод. Были рассчитаны подводящего и отводящего
трубопровода, составлен материальный баланс и подобран конструкционный
материал.
В результате технологических
расчетов были получены следующие данные:
площадь каждого отделения песколовки
- 3,06 м2;
диаметр каждого отделения песколовки
- 2 м;
глубина бункера - 2,1 м;
высота бункера - 1,73 м;
полная строительная высота
песколовки - 4,33 м.
Результаты расчетов песковых
площадок:
годовой объем песка, задерживаемый в
песколовках - 228,12 м3/год;
рабочая площадь песковых площадок -
76,04 м2;
общая площадь песковых площадок -
91,25 м2.
Результаты расчетов песковых
бункеров:
суточный объем осадка,
накапливаемого в песколовках - 0,62 м3/год;
необходимый объем бункеров - 3,15
м3;
объем одного бункера - 9,95 м3;
количество бункеров - 2.
Результаты расчетов гидравлических
трубопроводов:
Подводящего трубопровода:
длина участка - 5 м;
перепад уровней воды на входе в
трубопроводе - 0,06 м;
диаметр трубопровода - 1 м.
Результаты расчетов потери напора в
песколовках:
общие потери напора - 0,241 м.
Результаты расчетов отводящего
трубопровода:
длина участка - 5 м;
общие потери напора в трубопроводе -
0,031 м.
Список используемой литературы
.
Кормина Л.А., Комарова Л.Ф. Методические указания к курсовой работе по курсу
«Основы проектирования предприятий, оборудование и сооружение для защиты
биосферы» // Комарова Л.Ф. /.Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2003 г.
.
Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Основыя проектирования предприятий, оборудование и
сооружения для защиты биосферы // Кормина Л.А. /: Учебное пособие.- Барнаул,
2001.- 160с.
.
Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды.//
Кормина Л.А. / Барнаул: ГИПП «Алтай», 2000. - 391 с.
.
СНиП 2.0403-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
.
Ласков Ю.М. Примеры расчетов канализационных сооружений.// Ласков Ю.М. / - М.:
Стройиздат, 1987. - 255 с.
.
Проектирование сооружений для очистки сточных вод. Справочное пособие к СНиП. -
М.: Стройиздат, 1990. - 192 с.
.
Н.И. Лихачев, И.И. Ларин, С.А. Хаскин и др.; под общ. Ред. В.Н. Самохина
Канализация населенных мест и промышленных предприятий. // И.И. Ларин, С.А.
Хаскин и др.; под общ. Ред. В.Н. Самохина/ - 2-е изд. (Справочник
проектировщика) - М.: Стройиздат, 1981. - 639 с.
.
Гудков А.Г. Механическая очистка сточных вод // Гудков А.Г./ Учебное пособие. -
Вологда: ВоГТУ, 2003. - 152 с.
Приложения
Приложение А
Рисунок 1 - Вертикальная песколовка
- подводящий канал; 2 - сборный кольцевой лоток;
3 - ввод воды в рабочую зону; 4 - отводной канал
Приложение Б
Таблица Б.2 - Рекомендуемые оптимальные скорости
движения потоков в трубопроводах
