Запыленность воздуха рабочей зоны. Выбор и расчет воздухоочистного аппарата

Запыленность воздуха рабочей зоны. Выбор и расчет воздухоочистного аппарата

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ)

Кафедра техносферной безопасности

Расчётно-графическая работа

Запылённость воздуха рабочей зоны.

Выбор и расчёт воздухоочистного аппарата

Выполнила: Сидорова Л.С.

студент 1-го курса ОТФ

группы 1506

Проверил: Фёдорова Е.А.

Нижний Новгород

Содержание

.        Введение

.        Теоретическая часть

.1      Классификация пыли

.2      Нормирование уровня запылённости атмосферного воздуха. Разновидности ПДК

.3      Виды отрицательных воздействий пыли на организм человека. Профессиональные заболевания

.4      Методы анализа пыли в воздухе рабочей зоны или атмосферном воздухе

.5      Применяемые методы очистки атмосферного воздуха от пыли

.6      Принцип работы циклона

.        Расчётная часть

.        Выводы

.        Графическая часть

.        Использованная литература

1. Введение

Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу большое количество вредных веществ. Примеси атмосферного воздуха, поступающие в окружающую среду с промышленными выбросами, неблагоприятно действуют на организм человека, растений, животных и биогеоценозы в целом. Поэтому необходимо ограничивать поступление вредных веществ в биосферу. Эта задача решается в условиях производства за счет совершенствования технологических процессов, внедрения систем пылегазоочистки.

2. Теоретическая часть

Пылью называются мельчайшие частицы твёрдого вещества, которые могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии.

При различных производственных процессах выделение пыли связано с процессами механического измельчения, приготовления формовочных смесей, механической обработки твёрдых и хрупких материалов и т. д. Пыли возникают также при горении, плавлении, ряде химических и термических процессов и носят название дымов. Пыли и дымы имеют также общее название - аэрозоли.

.1 Классификация пыли

Различают пыли органические и неорганические. К органическим относится растительная пыль - древесная, хлопковая, льняная и п. т., а также животная - шерстяная. К неорганическим относятся металлическая пыль - чугунная, стальная, алюминиевая, медная и т. п., а также минеральная - наждачная, кварцевая, карборундовая, асбестовая. Часто встречаются на производстве смешанные пыли, как, например, минеральная и металлическая пыль при точке и шлифовке металлических изделий, при очистке литья и т. п.

По дисперсности и способу образования различают аэрозоли дезинтеграции и аэрозоли конденсации.

Аэрозоли дезинтеграции образуются при дроблении какого-либо твёрдого вещества. При этом чем твёрже тело, тем меньше размеры образующихся частиц. Частицы всегда имеют неправильную форму, представляются в виде обломков, многогранников, вытянутых волокон и т. п.

Аэрозоли конденсации образуются вследствие сгущения высоконагретых паров при их охлаждении. Например, в воздухе конденсируются пары металлов при их плавлении, аэрозоли, образующиеся при процессах электрической сварки и газовой резки металлов и т. д. Аэрозоли конденсации по своим размерам значительно меньше аэрозолей дезинтеграции и состоят из отдельных частиц правильной кристаллической или шарообразной формы.

При термической обработке полимерных материалов, хлоридов металлов выделяются паро-газо-аэрозольные смеси, в состав которых входят твердые и жидкие частицы, газы и пары различных химических веществ.

В зависимости от размеров частиц различают следующие виды аэрозолей:

) пыль (величина частиц дисперсной фазы более 10 мкм);

) облака (величина частиц 10-0,1 мкм);

) дымы (величина частиц 0,1-0,001 мкм).

.2 Нормирование уровня запылённости атмосферного воздуха. Разновидности ПДК.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) - утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.

Установлены ПДК вредных веществ, находящихся в воздухе в виде аэрозоли.

<*> Недифференцированная по составу пыль (аэрозоль), содержащаяся в воздухе населенных пунктов. ПДК взвешенных веществ не распространяется на аэрозоли органических и неорганических соединений (металлов, их солей, пластмасс, биологических, лекарственных препаратов и др.), для которых устанавливаются соответствующие ПДК.

ПДК - предельная допустимая концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе - концентрация, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия на настоящее или будущее поколение, не снижающая работоспособности человека, не ухудшающая его самочувствия и санитарно-бытовых условий жизни. Величины ПДК приведены в мг/м3. (ГН 2.1.6.1338-03)

ПДКмр - предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация при вдыхании в течение 20-30 мин не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДКсс - предельно допустимая среднесуточная концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании.

Класс опасности - условная величина, предназначенная для упрощённой классификации потенциально опасных веществ.

№ CAS - термин, не имеющий однозначного перевода на русский язык. Это уникальный численный идентификатор химических соединений, полимеров, биологических последовательностей нуклеотидов или аминокислот, смесей и сплавов), внесённых в реестр Chemical Abstracts Service.

2.3 Виды отрицательных воздействий пыли на организм человека. Профессиональные заболевания

Частицы размером до 5 мкм способны проникать в альвеолы и задерживаться в них (респирабельные фракции). Частицы величиной 10 мкм и более задерживаются в верхних дыхательных путях, бронхах и в альвеолы не заносятся. При попадании в организм аэрозоли способны вызывать ряд заболеваний: ларингиты, трахеиты, бронхиты, пневмокониозы, пневмомикозы, повреждения глаз, кожи. Токсичные аэрозоли вызывают острые и хронические отравления.

Аэрозоли уменьшают прозрачность атмосферы и доступ солнечной радиации к поверхности земли, угнетают рост растений, учащают туманы в промышленных центрах. Кроме того, они наносят экономический ущерб, вызывают порчу производственного оборудования, зданий и др.

.4 Методы анализа пыли в воздухе рабочей зоны или атмосферном воздухе

Методами исследования аэрозолей являются микроскопия, ультрамикроскопия, электронная микроскопия. Наиболее важным в гигиенической практике является гравиметрический метод определения массовой концентрации частиц с помощью осаждения их на фильтрах путем просасывания запыленного воздуха с последующим взвешиванием и химическим анализом дисперсной фазы с целью установления содержания в ней свободной и связанной двуокиси кремния, ядовитых веществ и др. Гравиметрия, химический анализ и определение степени дисперсности частиц по массе фракций позволяют дать достаточно полную оценку с точки зрения вредного действия аэрозоля на здоровье людей. При гигиенической характеристике аэрозоли, кроме того, определяют растворимость частиц аэрозоли в биологических средах (сыворотке крови, желудочном соке и др.), электрический заряд частиц, удельную поверхность частиц.

Для контроля концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (рабочих мест) используют экспресс-методы; лабораторные методы; методы непрерывного контроля.

Экспресс-метод нашел наиболее широкое применение и позволяет быстро и с достаточной точностью определять концентрацию вредных веществ, непосредственно, на рабочем месте. Суть его заключается в протягивании определенного объема воздуха через контрольные трубки с индикаторным порошком, который реагирует изменением цвета на содержание вредных веществ в воздухе. К приборам экспресс-метода относятся газоанализаторы: УГ-2; ГХ-100; ГХ-4 и др. (рис. 2.3.1., 2.3.2).

Лабораторный метод является более точным, но требует отбора проб воздуха в рабочей зоне с последующим анализом его состава в лабораторных условиях в течение ближайшего времени. К таким методам относятся: хроматорафический, фотокалорометрический и др.

Метод непрерывного автоматического контроля применяется на рабочих местах с постоянным воздействием вредных веществ, которые могут вызвать серьезные нарушения в состоянии здоровья людей или привести к авариям за счет возникновения взрывоопасности и пожароопасности. Контроль проводится автоматизированными системами с записью изменений вредностей в воздухе во времени с применением газоанализаторов: Сирена-2 для аммиака, Фотон для сероводорода, ФКГ-3М для хлора и др.

При определении концентрации вредных веществ в воздухе результаты должны приводится к нормальным условиям: температура 200С, атмосферное давление 760 мм ртутного столба, относительная влажность 50%.

Для анализа проб воздуха строителям при ведении работ в колодцах, емкостях, отделочных работах очень удобен газоанализатор ГХ-100. Этот компактный прибор прост в конструктивном решении, в применении не требует особых условий его хранения. В приложении 10, СНиП 111-4-80* приведен перечень приборов для определения содержания газов в воздухе строительного производства.

.5 Применяемые методы очистки атмосферного воздуха от пыли

Выбросы в атмосферу подлежат очистке. Под очисткой понимается отделение воздуха от выбросов вредных веществ. В настоящее время существуют разнообразные газоочистные установки и устройства, в которых используются механические, физические, физико-химические методы удаления из воздуха вредных примесей. Газоочистные установки и устройства подразделяются по видам и агрегатному состоянию очищаемого вещества на установки по очистке газовоздушных смесей от твердых и жидких примесей и аэрозолей, газообразных веществ, выхлопных газов тепловозов и автотранспорта

Механические методы

Механические методы основаны на использовании сил тяжести, сил инерции, центробежных сил, диффузии, захвата и др. К этой группе методов относятся: инерционное пылеулавливание, мокрое пылеулавливание, фильтрация .

Инерционное пылеулавливание основано на том, что твердые частицы и капли выпадают из запыленного газового потока при резком изменении его направления. Наибольшее распространение получили инерционные пылеуловители (рис.11), которые предназначены для улавливания крупных фракций пыли размером более 50 мкм, и циклоны, используемые для удаления золы из дымовых газов и сухой (древесной, асбоцементной, металлической) пыли с размером частиц 25-30 мкм из воздуха, ротационные пылеуловители, предназначенные для очистки воздуха рабочих помещений.

Мокрое пылеулавливание основано на промывании запыленного газового потока жидкостью, подаваемой в виде брызг или тумана.

Действие аппаратов мокрой очистки газов основано на захвате частиц пыли жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама. Процессу улавливания пыли в мокрых пылеуловителях способствует конденсационный эффект - укрупнение частиц пыли за счет конденсации на них водяных паров. Поскольку в этих аппаратах процесс пылеочистки обычно сопровождается процессами абсорбации и охлаждения газов, они применяются и в качестве теплообменных аппаратов, и для очистки газообразных составляющих. Обычно в качестве орошающей жидкости, если не требуется химическая очистка, используется вода. Часто аппараты мокрой очистки газов используются в качестве предварительной ступени перед аппаратами других типов. Аппараты мокрой очистки газов называются пенными газоочистителями и скрубберами, они подразделяются на полые и насадочные, центробежные, динамические, турбулентные. Скрубберы удаляют частицы размером более 10 мкм, а пенные газоочистители улавливают частицы размером до 2 мкм. Они применяются на участках окраски изделий и нанесения полимерных покрытий в замкнутых системах воздухопользования. Эффект очистки составляет 90-99 %.

Фильтрация основана на пропускании запыленного газового потока через фильтрующий материал (рис. 16 и 17). Фильтрацию применяют для сверхтонкой очистки атмосферного воздуха от древесной, асбоцементной, абразивной пыли, золы, сажи, частиц металлов, их оксидов, ангидридов. В зависимости от фильтрующего материала, фильтры принято делить на тканевые, волокнистые, пористые и зернистые (из сыпучих материалов). В тканевых фильтрах используют не только ткани, но и нетканые материалы, такие как войлок или фетр. Фильтры из хлопчатобумажных тканей применяются для фильтрации нейтральных и щелочных газов при относительно невысокой температуре. В волокнистых фильтрах применяют набивные слои из натуральных или синтетических волокон, шлаковаты, стружки металлов или полимерных материалов, а так же сформированные слои (фильтровальная бумага, картон). Широкое распространение получили фильтры из синтетического и стеклянного волокна. Они обладают высокой термостойкостью и механической прочностью. Наиболее распространенными пылеулавливающими аппаратами, работающими по методу фильтрации, являются рукавные фильтры, которые представляют из себя мешок, натянутый на трубчатую раму. Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей применяют волокнистые фильтры - туманоулавители улавливающие частицы размером менее 3 мкм, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности волокон с последующим стеканием жидкости под действием сил тяжести. Эффективность очистки составляет 90-99 %.

Физические методы базируются на использовании электрических и электростатических полей, процессов охлаждения, конденсации и кристаллизации. Электростатическая очистка газов осуществляется в вертикальных и горизонтальных электрофильтрах, она основана на электризации загрязняющих частиц размером до 0,1 мкм и выделении их из газа под действием электрического поля (до 50 кВ), создаваемого специальными электродами.

Электрофильтры - одно- или двухсекционные аппараты прямоугольной формы (рис. 18). Корпуса аппаратов - стальные, покрытые снаружи теплоизоляцией. Активная зона электрофильтров состоит из осадительных электродов (плоских полотен, набранных из пластинчатых элементов специального профиля) и коронирующих электродов (трубчатых рам, в которых натянуты коронирующие элементы). Расстояние между соседними осадительными электродами (300 мм) является также шириной единичного газового прохода. Удаление уловленной пыли с электродов - механическое, путем периодического встряхивания их ударами молотков

По способу удаления осаждающихся на электродах частиц различают сухие и мокрые электрофильтры. Сухие электрофильтры используются для удаления сухой пыли, а мокрые применяют для очистки газов от паров кислот: серной, соляной, азотной. Эффект очистки составляет 97-99 %.

Физико-химические методы основаны на физико-химических взаимодействиях загрязнителей с очищающими агентами. К таким методам относятся: абсорбция, хемосорбция, адсорбция, каталитический метод, термический метод.

Абсорбция основана на разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Для удаления из выбросов аммиака, хлористого и фтористого водорода применяют воду. Для удаления ароматических углеводородов используют серную кислоту. В настоящее время наибольшее распространение в качестве абсорберов получили скрубберы-абсорберы.

.6 Принцип работы циклона

Одним из аппаратов сухой очистки является циклон. Широкое применение для сухой очистки газов от пыли получили циклоны различных типов. В настоящее время применяется около двадцати типов циклонов. Сравнительные испытания циклонов различного типа показали, что для промышленного применения они могут быть ограничены в большинстве случаев цилиндрическими и коническими циклонами НИИОГАЗ (научно-исследовательский институт по промышленной и санитарной очистке газов). Наиболее часто применяются цилиндрические циклоны марок ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, конические СК ЦН-34, СК ЦН-34М, СДК ЦН-33. Газовый поток вводится в циклон через патрубок по касательной к внутренней поверхности корпуса и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру. На частицу пыли действуют - сила тяжести, сила сопротивления среды. центробежная сила. Центробежная сила направлена по радиусу к стенкам циклона и определяется по формуле:

где  - диаметр частиц,

 - тангенциальная составляющая скорости газа.

R - радиус циклона,

 - плотность частиц пыли,

 - плотность газа.

Эффективность циклона выше, чем больше диаметр частиц пыли, её удельный вес, скорость вращения газового потока и чем меньше диаметр циклона. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенках циклона пылевой слой. который постепенно опускается в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер. происходит при повороте газового потока в бункере. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит через выходную трубу. Циклоны не применяются для очистки влажных газов и взрывоопасных сред.

Циклоны НИИОГАЗ подразделяются на высокоэффективные и высокопроизводительные. Циклоны СДК ЦН-33, СК ЦН 34, ЦН-1 1 относятся к высокоэффективным циклонам. При диаметрах менее 1 м они обеспечивают степень очистки ŋ = 0.85 - 0.95 при улавливании частиц диаметром более 5 мкм. Циклоны типа ЦН-24 относятся к высокопроизводительным, они могут надежно и без забивания работать при высокой входной запыленности. Циклоны типа ЦН-15 занимают среднее положение и обеспечивают несколько меньшую степень очистки, чем циклоны ЦН-11, но обладают большей надежностью при работе в условиях повышенной запыленности.

При выборе и расчете циклонов необходимо учитывать свойства пыли - абразивность и слипаемость. Для уменьшения абразивного износа следует выбирать циклоны, исходя из наименьших значений скорости газа. При улавливании сильно слипающейся пыли не рекомендуется применять циклоны малого диаметра (менее 0,8 м), которые склонны к залипанию. Так для очистки газов от сажи применяются конические циклоны серии СК, которые обладают высокой эффективностью за счет более высоко гидравлического сопротивления.

3. Расчётная часть

Расчет циклонов ведут методом последовательных приближений.

Таблица 1 - Параметры, определяющие эффективность циклонов

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

dтоп - диаметр частиц очищаемых с эффективностью 50%, мкм,

- стандартное отклонение функции распределения порциальных коэффициентов очистки.

Расчет начинают с циклона, для которого диаметр частиц пыли должен быть ориентировочно dм > 2dт50. dм - медианный размер частиц, который представляет такой размер, при котором количество частиц крупнее dм, равно количеству частиц мельче dм.

Диаметр циклона вычисляется по формуле :

 (1)

где Q - количество очищаемого газа, м3/с.

Полученное значение диаметра D округляется до ближайшего типового значения внутреннего диаметра циклона Dц (табл.2).

Таблица 2 - Типовые значения внутреннего диаметра циклона

По выбранному диаметру циклона находится действительная скорость движения газа в циклоне :

 (2)

Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более, чем на 15%

При отклонении более чем 15% выбирают другой тип циклона.

Параметр  определяют следующим образом.  - диаметр частиц реально осаждаемых с эффективностью 50% при рабочих условиях. Величина  определяется по формуле :

 (3)

Значение dт50 соответствует следующим параметрам работы циклона:

С учетом этих значений формула (3) принимает вид :

 (4)

Полученное значение  должно быть меньше dм (заданного). Если это не выполнятся, то необходимо выбрать другой циклон с меньшим значением  .

Расчет параметра X ведут по формуле :

 (5)

По величине параметра X определяют значение нормальной функции распределения Ф(Х). Ф(Х) - это полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях.

Эффективность очистки газа в циклоне ( η ) определятся :

 (6)

Полученное значение сопоставляют с требуемым. Если η окажется меньше требуемого, то необходимо выбрать другой тип циклона с меньшим значением ωоп и  .

Определение коэффициента гидравлического сопротивления циклона :

 (7)

где K1 - поправочный коэффициент на диаметр циклона (табл. 3),

K2 - поправочный коэффициент на запыленность газа (табл. 4),

 - коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм (табл. 5).

Таблица 3 - Поправочный коэффициент K1 (3)

Таблица 4 - Поправочный коэффициент K2 (3)

Таблица 5 - Коэффициент гидравлического сопротивления  ( 2 )

Вычисление гидравлического сопротивления циклона производят по формуле

где  - плотность газа,

 - скорость газа в циклоне, м/с.

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

 (9)

 - коэффициент запаса мощности, ( =1,2)

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

 - КПД вентилятора ( = 0,8 ).

Определение концентрации пыли на выходе из циклона :

Расчет

Вариант 8

Исходные данные:

оборудование - крекинг установка АМ-1,

Исходя из заданного размера частиц пыли ( dM= 7 мкм ), выбираем циклон, который очищает от частиц пыли размером  = 6 мкм.

Циклон: ЦН - 15У

Определяем диаметр циклона:

По таблице 2 выбираем ближайшее значение типового диаметра DЦ = 2,0м

Так как полученное значение d50 больше заданного, выбираем другой циклон с меньшим значением  : Циклон: ЦН - 15

Определяем диаметр циклона:

По таблице 2 выбираем ближайшее значение типового диаметра DЦ = 2,0м

Так как полученное значение ŋ меньше заданного, выбираем другой циклон с меньшим значением ωОП и  : Циклон: СДКЦН-33

Определяем диаметр циклона:

По таблице 2 выбираем ближайшее значение типового диаметра DЦ = 2,6м

Выводы :

циклон СДКЦН-33;

Dц = 2,6м ;

η = 0,856;

N = 17719 Вт;

5. Графическая часть

Циклон СДКЦН-33

6. Литература

воздух очистка пыль

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

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

. 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.