Практические работы по промышленной экологии
 Скачать 1.03 Mb.
|
Таблица 1Исходные данные
При очистке сточных вод широко распространены процессы разделения гетерогенных систем на отдельные фазы путем осаждения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде под действием различных внешних сил. Так, для выделения твердых частиц из жидких сред широко применяются отстойники, основанные на осаждении частиц под действием силы тяжести (рис. 1). Сточная вода        Очищенная вода        D       Шлам Рис. 1. Схема вертикального отстойника При движении частицы в жидкости возникает сопротивление, величина которого зависит главным образом от режима движения, формы и поверхности движущейся частицы. Ламинарный режим движения имеет место при малых размерах частиц и высокой вязкости среды, что обусловливает небольшие скорости движения частицы. Турбулентный режим движения частицы в жидкости наблюдается при больших размерах частиц и малой вязкости среды, то есть при высоких скоростях движения частиц, когда все большую роль начинают играть силы инерции. Переход от ламинарного к турбулентному движению характеризуется критическими значениями чисел Рейнольдса Re и Архимеда Ar. Рассмотрим процесс осаждения твердой частицы в неподвижной жидкой среде под действием силы тяжести. Если частица массой m начинает опускаться под действием силы тяжести, через некоторый промежуток времени наступит динамическое равновесие: сила тяжести станет равна силе сопротивления среды и частица станет двигаться равномерно. Скорость такого равномерного движения частицы в среде называют скоростью осаждения wос. Скорость осаждения wос можно рассчитать по формуле Стокса, соответствующей ламинарному режиму осаждения шарообразных частиц в неподвижной газообразной или жидкой среде под действием силы тяжести [6]  , (1)где d – диаметр шарообразной частицы (табл. 1), м; ρ – плотность жидкости (табл. 1), кг/м3; ρч – плотность материала частицы (табл. 1), кг/м3; μ – динамический коэффициент вязкости среды (табл. 1), Па×с; g – ускорение свободного падения, g= 9,81 м/с2. Более удобно для определения wос пользоваться методом Лященко, используя выражение для критерия Архимеда Аr[6]:  . (2)По известному критерию Архимеда можно определить режим осаждения и значение критерия Рейнольдса Re: для ламинарного режима   ; (3)для переходной области осаждения 36 < Ar < 83000 Re = 0,152 Ar0,715 ; (4) для автомодельной области Ar > 83000  . (5)Таким образом, определив значение критерия Аr, находят режим осаждения. Затем по выражениям (3)-(5) находят значение Re и по нему определяют скорость осаждения. Критерий Рейнольдса определяется выражением  , (6)откуда получим выражение для определения скорости осаждения wос, м/с:  . (7)Приведенный расчет wос относится к скорости свободного осаждения, при котором осаждающиеся частицы практически не оказывают влияния на движение друг друга. При значительной концентрации твердых частиц в среде происходит стесненное осаждение, скорость которого меньше, чем свободного, вследствие трения и соударений между частицами. В данной работе рассматривается свободное гравитационное осаждение твердых частиц в жидкости, при котором процесс осаждения происходит под действием силы тяжести и осаждающиеся частицы практически не оказывают влияния на движение друг друга. При ориентировочных расчетах, учитывая приближенно отличие реальных условий осаждения от теоретических (стесненность осаждения, форма частиц, движение среды) определяют среднюю расчетную скорость осаждения  , м/с: . (8)Поверхность осаждения F, м2, можно найти по формуле:  , (9)где Q – объемный расход сточных вод (табл. 1), м3/с. Диаметр отстойника D, м, при известном значении F равен:  . (10)Порядок расчета: 1) по формуле (2) определить критерий Архимеда Ar; 2) по известному критерию Архимеда определить режим осаждения и после определения скорости осаждения методом Лященко - значение критерия Рейнольдса Re; 3) при ламинарном режиме осаждения шарообразных частиц скорость осаждения wос можно рассчитать по формуле Стокса (1); 4) при известном значении критерия Рейнольдса скорость осаждения wос определяется по формуле (7); 5) по формуле (8) определить среднюю расчетную скорость осаждения , м/с;6) по формуле (9) определить поверхность осаждения F, м2; 7) по формуле (10) найти диаметр отстойника D, м. Содержание отчета Отчет по практической работе должен содержать: 1) титульный лист (приложение А); 2) задание с исходными данными; 3) схему отстойника; 4) расчет отстойника; 5) выводы. Практическая работа № 12 РАСЧЕТ СЕПАРАТОРА Задание: Рассчитать сепаратор для разделения конденсата (смеси воды и бензина) отстаиванием в соответствии с заданным вариантом (табл. 1). Таблица 1 Исходные данные
В сепараторе непрерывного действия (рис.1) жидкая фаза, представляющая собой смесь жидких веществ, расслаивается вследствие различия плотностей присутствующих в смеси веществ: легкая часть поднимается вверх и отводится через штуцер 5, а тяжелая опускается вниз и уходит через трубу 4 и штуцер 3.  6     2     1    5   3       4  1 – корпус; 2 – штуцер для подачи смеси жидкостей; 3 – штуцер для отвода нижнего слоя жидкости; 4 – труба для отвода нижнего слоя жидкости; 5 – штуцер для отвода верхнего слоя жидкости; 6 – штуцер для отвода воздуха Рис. 1. Схема сепаратора Определим скорость всплывания частиц бензина wвспл, используя выражение для критерия Архимеда Аr[6]: , (1)где d – диаметр шарообразной частицы (табл. 1), м; ρ – плотность воды (табл. 1), кг/м3; ρч – плотность вещества частицы (бензин) (табл. 1), кг/м3; μ – динамический коэффициент вязкости среды (табл. 1), Пас; g – ускорение свободного падения, g= 9,81 м/с2. По известному критерию Архимеда можно определить режим движения частиц и значение критерия Рейнольдса Re: для ламинарного режима  ; (2)для переходной области осаждения 36 < Ar < 83000 Re = 0,152 Ar0,715 ; (3) для автомодельной области Ar > 83000 . (4)Критерий Рейнольдса определяется выражением  , (5)откуда получим выражение для определения скорости всплывания wвспл, м/с:  . (6)Определим время отстаивания τ, с:  , (7)где Нр - рабочая высота отстойной части, м. Примем рабочую высоту отстойной части Нр = 1 м. Объем V, м3, отстойной части сепаратора равен: V = Q ∙τ . (8) Определим площадь поперечного сечения F, м2,отстойной части сепаратора F = V/H . (9) Диаметр D, м, сепаратора равен:  . (10)Содержание отчета Отчет по практической работе должен содержать: 1) титульный лист (приложение А); 2) задание с исходными данными; 3) схему сепаратора; 4) расчет сепаратора; 5) выводы. Практическая работа № 13 РАСЧЕТ НАПОРНОГО ЗЕРНИСТОГО ФИЛЬТРА Задание: Рассчитать напорный зернистый фильтр в соответствии с заданным вариантом (табл. 1). Таблица 1 Исходные данные
Продолжение табл. 1
Зернистые фильтры применяют для глубокой очистки вод от мелкодисперсных частиц, а также для доочистки сточных вод после биологической или физико-химической очистки. Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные (скорость фильтрования до 0,3 м/ч) и скоростные ( скорые – 2-15 м/ч и сверхскорые – более 25 м/ч), открытые и закрытые (напорные), с мелкозернистой фильтрующей загрузкой (размер частиц 0,4 мм), среднезернистой (0,4-0,8 мм) и крупнозернистой (более 0,8 мм), однослойные и многослойные, вертикальные и горизонтальные. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1-2 м, в закрытых 0,5-1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами. Наиболее широко применяются фильтрующие материалы: кварцевый песок, дробленый антрацит, керамическая крошка и другие. Промывку фильтров, как правило, производят очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть произведена водовоздушная промывка, при которой сначала зернистый слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду [2-4]. Схема вертикального напорного зернистого фильтра представлена на рис. 1. Фильтр состоит из цилиндрического корпуса 1, нижнего распределительного устройства 2, верхнего распределительного устройства 3 и размещенного внутри корпуса слоя фильтрующего материала 4. Снаружи фильтра расположены трубопроводы подвода и отвода воды и сжатого воздуха. Нижнее распределительное устройство 2 предназначено для обеспечения равномерного сбора очищенной воды и равномерного распределения по площади поперечного сечения фильтра взрыхляющей воды и сжатого воздуха. Верхнее распределительное устройство 3 предназначено для подвода в фильтр и равномерного распределении по площади поперечного сечения обрабатываемой воды, а также для удаления из фильтра промывной воды. Распределительное устройство состоит из вертикального коллектора и радиально расположенных перфорированных распределительных труб.     Загрязненная вода Промывная вода     3   1 4   2        Промывная вода Очищенная вода1 – корпус; 2 – нижнее распределительное устройство; 3 – верхнее распределительное устройство; 4 – слой зернистого фильтрующего материала Рис. 1. Схема вертикального напорного зернистого фильтра Подготовка насыпного фильтра к работе заключается в промывке слоя фильтрующей загрузки от задержанных загрязнений. Для хорошей промывки необходимо, чтобы зерна фильтрующего материала находились во взвешенном состоянии. При этом надо создать такие условия, при которых зерна фильтрующего материала сталкивались между собой и происходило бы полное оттирание с их поверхности налипших загрязнений. Промывку фильтрующего материала осуществляют восходящим потоком воды, которую подают в фильтр через нижнее распределительное устройство 2. Необходимым условием промывки является расширение объема слоя фильтрующего материала на 40 – 50 %, позволяющее зернам фильтрующего материала свободно перемещаться в потоке воды. Отлетающие с поверхности фильтрующих зерен частицы загрязнений вместе с восходящим потоком воды отводятся из фильтра через верхнее распределительное устройство 3. Необходимое расширение фильтрующего слоя достигается при соответствующей скорости потока воды, которая характеризуется интенсивностью промывки. Качество промывки контролируют, анализируя пробы воды, выходящей из фильтра, на мутность. Для повышения качества промывки в фильтр через нижнее распределительное устройство подают сжатый воздух. Фильтрующий слой обрабатывают сжатым воздухом в течение 3-5 мин до подачи в фильтр промывной воды. По окончании промывки мутный фильтрат сбрасывают либо в дренаж, либо в емкость повторного использования промывной воды. Во время работы фильтра вода подается через верхнее распределительное устройство 2 на слой зернистого фильтрующего материала 4, проходит его и с помощью нижнего распределительного устройства 3 собирается и отводится из фильтра в общий коллектор. При снижении прозрачности фильтрата, а также при достижении максимально допустимого перепада давления на слое фильтрующего материала фильтр отключают на промывку. При производительности установки до 70 м3/ч устанавливается не менее трех фильтров, свыше 70 м3/ч – не менее четырех фильтров. Порядок расчета Рассматривается нормальный режим работы установки напорных зернистых фильтров с периодическим отключением одного из них на промывку. Основным расчетным фактором для зернистых фильтров является производительность, которая кроме заданной величины должна учитывать расход на собственные нужды всех последующих стадий обработки воды. Приближенно необходимая общая площадь фильтрования F, м2, при нормальном режиме работы определяется следующим образом:  , (1)где Q – производительность фильтрационной установки по осветленной воде, м3/ч; v – допускаемая скорость фильтрования, при нормальном режиме работы v = 5 м/ч; α – коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды, принимается α = 1,1. Площадь фильтрования f, м2,каждого фильтра определяется из уравнения:  , (2)где а – количество фильтров, минимальное количество фильтров а = 2. Определяется диаметр фильтра D, м . (3)Полученное значение диаметра одного фильтра корректируется в соответствии с диаметром стандартного фильтра (табл. 1). Объем воды V, м3, на одну отмывку осветлительного фильтра равен  , (4)где i и t - соответственно интенсивность (л/(с∙м2) и продолжительность (мин) взрыхляющей промывки фильтра, в зависимости от принятого характера промывки (водой или с воздухом) (табл. 1). Среднечасовой расход воды на собственные нужды q, м3/ч, равен  , (5)где n – число промывок в сутки осветлительного фильтра, принимаем n = 2. Для выбранных стандартных фильтров определяется скорость фильтрования  , м/ч (6)Если скорость фильтрования превышает допускаемую (v = 5 м/ч), то необходимо увеличить диаметр или количество установленных фильтров. Содержание отчета Отчет по практической работе должен содержать: 1) титульный лист (приложение А); 2) задание с исходными данными; 3) схему зернистого фильтра; 4) расчет фильтра; 5) выводы. Практическая работа № 14 РАСЧЕТ НАПОРНОГО ГИДРОЦИКЛОНА Задание: Рассчитать напорный гидроциклон для очистки сточных вод от твердых частиц в соответствии с заданным вариантом (табл. 1). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ρч, кг/м3