КУРСОВАЯ РАБОТА
Техника защиты окружающей среды
(вариант
28)
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................ 3
Глава 1. характеристика
дисперсности исследуемой пыли...................... 5
ГЛАВА 2. ВЫБОР ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ..................................... 11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................ 16
ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................................................. 17
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В настоящее время
состояние атмосферы во многом обусловлено действием антропогенного фактора.
Поступление в воздушную среду производственных помещений и выброс в атмосферу
паров, газов, аэрозолей и других вредных веществ – прямой результат
несовершенства технологического и транспортного оборудования [1], в первую
очередь, его не герметичности, а также отсутствия или недостаточной
эффективности пылеулавливающих и локализующих устройств и систем.
Качество воздуха определяется содержанием в нем
взвешенных частиц, главным образом пылевых [2]. Пыль технологического
происхождения характеризуется большим разнообразием по химическому составу,
размеру частиц, их форме, плотности, характеру краев частиц и т. д.
Соответственно разнообразно воздействие пыли на организм человека и окружающую
среду.
Пыль
причиняет вред организму в результате механического воздействия (повреждение
органов дыхания острыми кромками пыли), химического (отравление ядовитой
пылью), бактериологического (вместе с пылью в организм проникают болезнетворные
микроорганизмы). Пылевые частицы размером 5 мкм и меньше способны глубоко
проникать в легкие вплоть до альвеол. Пылинки размером 5-10 мкм в основном
задерживаются в верхних дыхательных путях, почти не проникая в легкие. Пыль
оказывает вредное действие на органы дыхания, зрение, кожу, а при проникновении
в организм человека – также на пищеварительный тракт [3]. Наиболее тяжелые
последствия вызывает систематическое вдыхание пыли, содержащей свободный
диоксид кремния SiO2. В результате возникает силикоз. Это одна из
форм болезни легких, связанной с вдыханием запыленного воздуха, –
пневмокониоза. Вдыхание угольной пыли вызывает антракоз, хлопковой – биссиноз,
асбестовой – асбестоз и т. д. Воздействие пыли на орган зрения вызывает
конъюнктивиты, на кожу – дерматиты.
Кроме
того, пыль в производственных помещениях оказывает неблагоприятное воздействие
на оборудование, вызывая, например, его интенсивный износ. Осаждение пыли на
поверхности нагрева и охлаждения ухудшает условия теплообмена и т. д. Осаждение
пыли на электрическом оборудовании может привести к нарушению его работы, к
авариям [4].
Органические
пыли, например, мучная, могут быть питательной средой для развития
микроорганизмов. Пылевые частицы могут быть ядром конденсации для паров
жидкостей [2]. Вместе с пылью в помещение могут проникать вещества, вызывающие
интенсивную коррозию металлов и т. д. С воздухом многие пыли образуют
взрывоопасные смеси.
Вышеизложенное подчеркивает особую
актуальность подбора на различных промышленных предприятиях высокоэффективных
пылеулавливающих устройств, предотвращающих загрязнение атмосферы и,
обеспечивающих тем самым комфортные условия для человека (соответствие качества
воздушной среды гигиеническим и санитарным нормам).
Цель
работы: осуществить подбор оптимальной системы очистки воздуха от пыли с заданными
характеристиками.
Для достижения вышеизложенной цели
были поставлены и решены следующие задачи:
1.
Определить дисперсный состав пыли и представить его в
виде графического изображения (гистограмма, дифференциальная кривая, интегральная функция в линейном
масштабе координат и в вероятностно-логарифмической системе координат).
2.
С помощью классификационной номограммы определить
классификационную группу, к которой относится исследуемая пыль.
3.
Определить медианный диаметр и среднее квадратичное
отклонение для исследуемой пыли.
4.
Выявить наиболее эффективные системы очистки воздуха от
пыли с заданными свойствами.
Исходные данные,
характеризующие исследуемую пыль, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Размер частиц, мкм
|
< 5
|
5-10
|
10-20
|
20-40
|
40-60
|
> 60
|
|
Содержание фракций по «частным остаткам» R (dч), % по массе
|
19
|
16
|
19
|
22
|
12
|
12
|
Глава
1. характеристика дисперсности
исследуемой пыли
Для
разработки и совершенствования пылеулавливающих аппаратов и систем
первостепенное значение имеет дисперсный состав пыли (зерновой,
гранулометрический), характеризующий распределение частиц пыли по размерам [5].
Он показывает, из частиц какого размера состоит данная пыль, и массу или
количество частиц соответствующего размера.
Дисперсность
в значительной мере определяет свойства пыли [6]. В результате измельчения
изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызвано, в
основном, тем, что при диспергировании вещества многократно увеличивается его
суммарная поверхность, в результате чего повышается поверхностная энергия, что
влечет за собой возрастание физической и химической активности.
Во
взвешивающей газообразной среде присутствует влага, пары кислот, щелочей. В
результате их поглощения свойства частиц отличаются от свойств исходного
материала [7].
Дисперсный
состав характеризует пыль с различных сторон [5]. Кроме физических и химических
свойств, дисперсный состав определяет в значительной мере характер и условия
распространения пыли в воздушной среде. Мелкодисперсная пыль осаждается
значительно медленнее, а особо мелкодисперсная пыль практически вовсе не
осаждается. Таким образом, рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной
мере определяется дисперсным составом пыли. Важнейший вопрос пылеулавливания –
выбор пылеулавливающего оборудования – решается главным образом на основании
дисперсного состава пыли [8].
Из
существующих форм (таблица, графическое или аналитическое описание функций
распределения частиц) представления дисперсного состава наиболее удобной
является графическое изображение.
Отложив
по оси абсцисс размеры частиц, а по оси ординат – относительное содержание
фракций (процентное содержание каждой фракции, отнесенное к массе всего
материала), принимая распределение частиц по размерам внутри каждой фракции
равномерным, получаем гистограмму (рис. 1).
|
|
 |
Другим графическим изображением
дисперсионного состава пыли является дифференциальная кривая. Для ее
построения делим процентное содержание каждой фракции на разность размеров
частиц, принятых в качестве граничных, при этом фракцию размеров > 60 мкм условно относим к
диапазону 60-90 мкм (табл. 2). Последнее не вносит существенной погрешности в
расчет, поскольку данные частицы эффективно (полностью) улавливаются.
Таблица 2
Размер частиц, мкм
|
< 5
|
5-10
|
10-20
|
20-40
|
40-60
|
> 60
|
|
Содержание фракций по «частным остаткам» R(dч), % по массе
|
19
|
16
|
19
|
22
|
12
|
12
|
|
Разность размеров частиц, принятых
в качестве граничных
|
5
|
5
|
10
|
20
|
20
|
30
|
|
Ф(dч) = R(dч)/разность
размеров частиц, принятых в качестве граничных
|
3,8
|
3,2
|
1,9
|
1,1
|
0,6
|
0,4
|
|
Средние размеры частиц, мкм
|
2,5
|
7,5
|
15
|
30
|
50
|
75
|
По
оси ординат откладываем значения, полученные в результате деления R(dч) на разность размеров
частиц, принятых в качестве граничных, а по оси абсцисс – средние размеры для
соответствующих фракций частиц (см. табл. 2, рис. 2).
Наиболее удобными из графических
изображений распределения частиц по размерам являются интегральные функции
распределения R(dч) или D(dч)[1],
каждая точка которых показывает относительное содержание частиц с размерами
больше или меньше заданного (рис. 3).
Академик А. Н. Колмогоров теоретически
обосновал, что дисперсность пыли, образующейся при измельчении материала в
течение достаточно длительного времени, подчиняется логарифмически нормальному
закону распределения (ЛНР). Данное положение неоднократно подтверждено экспериментально.
График дисперсного состава пыли обычно выполняют в
вероятностно-логарифмической системе координат (ВЛСК) (рис. 4). На оси абсцисс
откладывают логарифмы диаметров частиц, на оси ординат – массу данной пыли соответствующего
размера в процентах. Распределение массы пыли по диаметрам частиц выражается
прямой или близкой к ней линией.
Рис. 4. Определение группы пыли
по классификационной номограмме
В соответствии с зонами, выделенными на номограмме
прямыми линиями (см. рис. 4), различают пять основных классификационных групп
(ГОСТ 12.2.043-80): I – наиболее крупнодисперсная пыль; II – крупнодисперсная
пыль; III – среднедисперсная пыль; IV – мелкодисперсная пыль; V – наиболее мелкодисперсная
пыль [5].
Для
определения классификационной группы пыли рассчитываем дисперсный состав пыли
по «полным проходам» D(dч)
(табл. 3).
Таблица 3
Размер частиц, мкм
|
< 5
|
5-10
|
10-20
|
20-40
|
40-60
|
> 60
|
|
Содержание фракций по «частным остаткам» R(dч), % по массе
|
19
|
16
|
19
|
22
|
12
|
12
|
|
Размер частиц, мкм
|
< 5
|
< 10
|
< 20
|
<40
|
< 60
|
> 60
|
|
Содержание фракций по «полным проходам» D(dч), % по массе
|
19
|
35
|
54
|
76
|
88
|
12
|
Откладывая текущий размер частиц по
оси абсцисс (представляющей логарифм диаметра частиц), а на оси ординат
(строится путем вычисления интеграла вероятности) – D(dч) получаем на номограмме точки, соответствующие
содержанию первых пяти фракций по “полным проходам” и, соединив их получаем
линию, расположенную в зоне IV (см. рис. 4), что позволяет отнести исследуемую
пыль к IV классификационной группе.
Однако, так как распределение
дисперсности частиц за пределом интервала 5 £ d £ 60
неизвестно (оно может сохранять в ВЛСК линейный характер для области размеров < 5 мкм, но быть усеченным
для области размеров > 60 мкм),
то при оценке дисперсности эта область учитывается, следовательно, данная
пыль относится к V классификационной группе[2].
Дисперсность пыли характеризует также медианный
диаметр (dm) и среднее
квадратичное отклонение (sч)
[9]. Под медианным диаметром понимают такой размер частиц, по которому массу
пыли можно разделить на две равные части: масса частиц более крупных и более
мелких, чем медианный диаметр составляет 50 % всей массы пыли. Среднее
квадратичное отклонение характеризует диапазон размеров частиц (чем меньше sч, тем однороднее пыль по дисперсному
составу)
Поскольку построенная по результатам
дисперсионного анализа интегральная функция распределения частиц по размерам в
ВЛСК не имеет вид прямой линии (см рис. 4), то мы не можем утверждать о
логарифмически нормальном характере распределения и, следовательно, не
можем выразить это распределение через медианный диаметр и среднее квадратичное
отклонение в функции данного распределения.
ГЛАВА 2. ВЫБОР ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Пылеулавливающее
оборудование при всем его многообразии может быть классифицировано по ряду
признаков[3]:
·
назначению,
·
основному способу действия,
·
эффективности,
·
конструктивным особенностям.
Оборудование,
применяемое для очистки воздуха от пыли в системах вентиляции,
кондиционирования и воздушного отопления, а также для защиты от загрязнения
пылью воздушной среды зданий, сооружений и прилегающих к ним территорий,
метрополитенов, подземных и открытых горных выработок, подразделяется на
следующие типы [9, с. 87]:
·
оборудование, применяемое для очистки от взвешенных
частиц пыли воздуха, подаваемого в помещения системами приточной вентиляции,
кондиционирования и воздушного отопления – воздушные фильтры;
·
оборудование, применяемое для очистки от пыли воздуха,
выбрасываемого в атмосферу системами вытяжной вентиляции – пылеуловители.
Пылеулавливающее оборудование в зависимости от
способа отделения пыли от воздушного потока подразделяют на [5, с. 214]:
·
оборудование для улавливания пыли сухим способом, при
котором отделенные от воздуха частицы пыли осаждаются на сухую поверхность;
·
оборудование для улавливания пыли мокрым способом, при
котором отделение частиц от воздушного потока осуществляется с использованием
жидкостей.
Пылеулавливающее
оборудование по принципу действия подразделяется на группы, по конструктивным
особенностям – на виды и действует по сухому и мокрому способу.
К основным характеристикам пылеулавливающего
оборудования относятся эффективность (степень) очистки воздуха от пыли, которую
также иногда называют коэффициентом полезного действия аппарата, хотя это не
отражает ее физический смысл; гидравлическое сопротивление; расход
электрической энергии; стоимость очистки [8, 10].
Эффективность
(степень) очистки воздуха от пыли — это отношение массы пыли, уловленной в
аппарате Gy, к массе пыли,
поступившей в него Gвх.
Выражается в процентах, иногда в долях единицы [5, с. 208].
В
зависимости от размеров улавливаемых частиц пыли и эффективности их улавливания
пылеуловители условно подразделяют на пять классов (табл. 4).
Таблица 4
Классификация пылеуловителей по их
эффективности[4]
[5, с. 311]
|
Класс
пылеуловителя
|
Размер
частиц, улавливаемых с эффективностью 93 %, мкм
|
Эффективность
в зависимости от группы пыли по дисперсности
|
|
V
|
IV
|
III
|
II
|
I
|
|
I
|
0,3-0,5
|
< 80
|
80-99,9
|
-
|
-
|
-
|
|
II
|
2,0
|
-
|
45-92
|
92-99,9
|
-
|
-
|
|
III
|
4,0
|
-
|
-
|
89-99
|
99-99,9
|
-
|
|
IV
|
8,0
|
-
|
-
|
-
|
95-99,9
|
> 99,9
|
Учитывая, что исследуемая нами пыль
принадлежит к V группе дисперсности, то согласно данным табл. 4 наиболее
эффективными для очистки воздуха будут пылеуловители I класса.
Номенклатура
и область применения конкретных пылеуловителей, предназначенных для
использования в вентиляционных системах или проверенных в этих системах
применительно к группе дисперсности аэрозолей приведена в таблице 5.
Таблица 5
Номенклатура и области применения
пылеуловителей [5, с. 320]
|
Тип
|
Вид
|
Класс эффективности
|
Область целесообразного
применения
|
|
Классификационная группа
аэрозолей по дисперсности
|
Сопротивление, Па
|
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
V
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
|
Гравитационные
|
Пылеосадочные камеры (произвольной конструкции)
|
V
|
+
|
+
|
-
|
-
|
-
|
100-200
|
|
Инерционные
|
Циклоны большой пропускной
способности:
·
одиночные циклоны ЦН-15, ЦН-24;
·
групповые циклоны ЦН-15
|
V
V
|
+
+
|
+
+
|
-
-
|
-
-
|
-
-
|
600-750
600-750
|
|
Инерционные
|
Циклоны высокой
эффективности:
·
одиночные циклоны типа СКЦН-34,
·
мокропленочные циклоны ЦВП, ВТИ-ПСП,
·
скоростные промыватели СИОТ
|
IV
IV
III
|
-
-
-
|
+
+
+
|
+
+
+
|
-
-
-
|
-
-
-
|
1000-2000
600-800
900-1100
|
|
Струйные мокрые:
·
ПВМ,
|
III
|
-
|
-
|
+
|
+
|
-
|
1200-1950
|
Продолжение таблицы 5
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
|
Инерционны
|
·
ПВМК, ПВМС, ПВМБ,
·
Капельные типа Вентури КМП
|
II
II
|
-
-
|
-
-
|
+
+
|
+
+
|
-
-
|
2000-3000
3000-4000
|
|
Тканевые
|
Рукавные пылеуловители СМЦ-101, СМЦ-166Б, ФВК
(ГЧ-1 БФМ), ФРКИ
|
II
|
-
|
-
|
+
|
+
|
-
|
1200-1250
|
|
Сетчатые капроновые, металлические сетки для
улавливания волокнистой пыли
|
V
|
+
|
-
|
-
|
-
|
-
|
150-300
|
|
Волокнистые
|
Уловители туманов кислот и щелочей ФВГ-Т
|
II
|
-
|
-
|
-
|
+
|
-
|
800-1000
|
|
Уловители аэрозолей масел (ротационные
|
II
|
-
|
-
|
-
|
+
|
-
|
800-1000
|
|
Электрические
|
Уловители туманов масел и маслянистых жидкостей
УУП
|
II
|
-
|
-
|
-
|
+
|
+
|
50-100
|
Анализ
приведенных данных показывает, что аэрозоли V группы в пылеуловителях, как
правило, эффективно не улавливаются вследствие их высокой дисперсности.
Исключение составляют электрофильтры.
Механическое оборудование
электрического фильтра состоит из следующих узлов (рис. 1):
• корпуса;
• фильтра предварительной
очистки воздуха от крупных частиц (предфильтра), который также служит для
равномерного распределения очищаемого воздуха на входе в электрофильтр;
• ионизатора, состоящего из
заземленных пластин с натянутыми между ними коронирующими электродами из
вольфрамовой или нихромовой проволоки;
• осадителя, представляющего
собой многопластинчатый конденсатор из заземленных и потенциальных пластин;
• противоуносного фильтра (постфильтра), который служит для предотвращения
уноса крупных капель в случае жидкого аэрозоля или конгломератов пыли,
образующихся при срыве уже уловленных частиц, а также для поддержания
равномерного газораспределения в электрофильтре.
Рис. 1. Схема двухзонного электрофильтра [8]
Принцип
действия данного электрофильтра следующий: поток воздуха, содержащий частицы
твердого или жидкого аэрозоля, поступающий в двухзонный электрофильтр, сначала
проходит через предфильтр, где улавливаются наиболее крупные из частиц.
Затем
воздух поступает в ионизатор, где между проволочными коронирующими и
пластинчатыми заземленными электродами при подаче высокого напряжения возникает
коронный разряд и происходит зарядка частиц (на коронирующие электроды подается
выпрямленное высокое напряжение положительной полярности 12-13 кВ). Далее
заряженные частицы поступают в осадитель, где притягиваются к заземленным
пластинам и осаждаются на них. Для предотвращения уноса крупных капель и
конгломератов пыли с потоком воздуха предусмотрен постфильтр. Химкассета обеспечивает
очистку воздуха от вредных газовых примесей (CO, NF, NОх). Очищенный воздух
возвращается в помещение, что позволяет экономить тепло и электроэнергию, или
выбрасывается в атмосферу.
Сила
электрического тока и потребляемая мощность в электрических фильтрах невелики и
находятся в пределах соответственно 0,8 мА и 10 Вт на 1000 м3/ч
очищаемого воздуха.
Электрический
фильтр может быть снабжен противоуносным фильтром, который представляет собой
разъемную рамку с заполнением фильтрующим материалом ФСВУ или пенополиуретаном.
К недостаткам электрофильтров относится их высокая
чувствительность к поддержанию параметров очистки, а также высокая
требовательность к уровню обслуживания. Электрофильтр не может быть использован
для улавливания пылей, обладающих очень высоким электрическим сопротивлением, а
также, как правило, для очистки взрывоопасной среды. Электрофильтры, как более
сложное и дорогостоящее оборудование, обеспечивающее тонкую очистку воздуха,
обычно компонуют с другими пылеулавливающими устройствами, устанавливаемыми на
начальных ступенях очистки. В результате повышается экономичность использования
электрофильтров и обеспечивается более полная очистка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вышеизложенные результаты проведенного
исследования позволяют сделать вывод о том, что исследуемая пыль относится по
дисперсности к V группе (очень мелкозернистая пыль).
Построенная
по результатам дисперсионного анализа интегральная функция распределения частиц
по размерам в вероятностно-логарифмической системе координат характеризуется отсутствием
логарифмически нормального характера, что не позволяет выразить это
распределение через медианный диаметр и среднее квадратичное отклонение в
функции данного распределения.
Низкая дисперсность исследуемой пыли
является одной из причин, обуславливающих ее высокую слипаемость. Согласно
существующей условной классификации промышленных пылей по слипаемости пыли V
группы дисперсности относятся к сильнослипающимся.
В качестве эффективного
пылеулавливающего средства для очистки воздуха от исследуемой пыли можно
рекомендовать воздушные фильтры I класса, в частности двухзонные
электрофильтры, которые способны обеспечить очистку воздуха в пределах ПДВ.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Яншин А.Л., Мелуа А.И. Хроника экологических просчетов.
– М.: Мысль, 1990. – 430 с.
2.
Доусон Г, Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов. –
М.: Стройиздат, 1998. – 340 с.
3.
Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей
среды в России. – М.: Финансы и статистика, 2000. – 672 с.
4.
Панов Г.Е. и др. Охрана окружающей среды на
предприятиях нефтяной и газовой промышленности. – М.: Недра, 1986. – 240 с.
5.
Штокман Е.А. Очистка воздуха. – М.: Изд-во АСВД 998,
2003. – 320 с.
6.
Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. –
М.: Высш. шк., 2001. – 448 с.
7.
Афанасьев Ю.А, Мониторинг и методы контроля окружающей
среды: В 2-х частях. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. – 639 с.
8.
Родионов А.И., Клушин В.Н., Торошечников Н.С. Техника
защиты окружающей среды. – М.: Химия, 1989. – 512 с.
9.
Меньшиков В.В., Савельева Т.В. Методы оценки
загрязнения окружающей среды. – М.: МНЭПУ, 2000. – 168 с.
10.
Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология.
Природа – человек – техника. – М.: Юнити-Дана, 2001. – 343 с.
[1] Обозначения
R и D от начальных букв немецких слов Ruckstand (остаток) и Durchgang (проход).
Они характеризуют долю массы частиц, оставшихся на сите (прошедших через сито)
с заданными размерами ячеек, выраженную в процентах от общей массы (доля массы
больше или меньше заданного размера частиц) [5, с. 137].
[2] В тех
случаях, когда график фракционного состава аэрозоля, нанесенный на
классификационную номограмму, пересекает границы зон, пыль относят к
классификационной группе высшей из зон [5, с. 200].
[3] Классификация
пылеулавливающего оборудования дана в ГОСТ 12.2.043-80.
[4] Границы
эффективности пылеуловителей каждого из классов указаны в соответствии с
классификацией, приведенной на рис. 4, с. 8. Первое из значений эффективности
относится к верхней границе соответствующей зоны, а второе – к нижней границе.
Поскольку эффективность рассчитана из условия отделения от воздуха только практически
полностью улавливаемых частиц, указанных в таблице размеров, то действительная
эффективность пылеуловителей больше за счет частичного улавливания частиц
меньше указанного в таблице размера.