7. Используя табл. 7*, определяем основные размеры циклона.

Ниже представлены табл. 1* - 7*, содержащие данные для инженерного расчета цилиндрических циклонов ЦН, разработанных в НИИОГАЗ (Научно-исследовательский институт очистки газов).

Таблица 1*

Оптимальная условная скорость газа

u_y.опт., м/с, в циклонах ЦН

Тип циклона	ЦН-11	ЦН-15	ЦН-15У	ЦН-24
uy.опт	3,5	3,5	3,5	4,5

Таблица 2*

Типовые внутренние диаметры D, м

цилиндрических циклонов ЦН

0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9
1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,4	3,0

Таблица 3*

Коэффициенты ξ гидродинамического сопротивления циклонов ЦН с D = 0,5 м

Тип циклона	ЦН-11	ЦН-15	Цн-24
ξ	247	163	77

Таблица 4*

Поправка k₁ на выбранный диаметр D циклона

Тип циклона	Значения k1 для D
	0,15	0,2	0,3	0,45	0,5	0,6	D>0,6
ЦН-11	0,94	0,95	0,96	0,99	1	1	1
ЦН-15, ЦН-24	0,85	0,9	0,93	1	1	1	1

Таблица 5*

Поправка k₂ на концентрацию пыли в газе

Тип циклона	Значения k2 при концентрации пыли, г/м3
	0	10	20	40	80	120	150
ЦН-11	1	0,96	0,94	0,92	0,9	0,87	-
ЦН-15, ЦН-24	1	0,94	0,92	0,91	0,9	0,87	0,86

Таблица 6*

Значения d_0.5* и lgσ_dg для циклонов ЦН

Тип циклона	ЦН-11	ЦН-15	ЦН-15У	ЦН-24
lgσdg	0,352	0,352	0,283	0,308
d0.5*	3,65	4,5	6,0	8,5

Значения d_0.5* определены по условиям работы типового (*) циклона: D = 0,6 м, ρ_ч = 1390 кг/м³, µ_г = 2,22*10^-5 Па*с, u_y = 3,5 м/с.

Таблица 7*

Основные размеры циклонов ЦН, выраженные в долях внутреннего диаметра D (см. также рис. 3)

Геометрический размер	Тип циклона
	ЦН-11	ЦН-15	ЦН-24
1	2	3	4
Угол наклона входа газовой трубы к оси циклона, град.	11	15	24
Диаметр выходной трубы D1	0,6	0,6	0,6
Ширина входного патрубка b	0,26	0,26	0,26
Высота входного патрубка h1	1,11	0,66	0,48
Высота выходной трубы h2	2,11	1,74	1,56
Высота цилиндрической части h3	2,11	2,26	2,08
Высота конической части h4	1,75	2,0	2,0
Общая высота циклона H	4,26	4,56	4,38
Диаметр узкой части конуса D2	0,3-0,4	0,3-0,4	0,3-0,4
Длина входного патрубка а	0,6	0,6	0,6
Длина Dб бункера	1,5	1,5	1,5
Высота hб бункера	0,8	0,8	0,8

Задача 8. Очистка газов от пыли с помощью циклонов.

Определите размеры циклона ЦН-24 для очистки дымовых газов. Вычислите его гидродинамическое сопротивление и эффективность Э (эта марка циклонов имеет наибольший наклон входной струи 24°, и, следовательно, наименьшую длину закрученной спирали воздуха, наименьший коэффициент гидродинамического сопротивления и наименьшую эффективность очистки). Нарисуйте эскиз циклона с соблюдением подходящего масштаба (см. рис.3).

Рабочие условия: плотность газа ρ_г = 0.89 кг/м3, вязкость газа µ_г = 2.22 10^-5 Па*с. При рабочих условиях объемный расход G = 1.2 м³/с. Плотность частиц ρ_ч = 1930 кг/м³, медианный размер частиц пыли d_М -- 20 мкм, дисперсия логарифмов размеров частиц (lgσ_dg*)² = 0.25. Начальная концентрация пыли 10 г/м³. Нужно обеспечить эффективность Э > 0.87.

Чему равна температура очищаемого газа?

Как влияет и почему наклон входной струи газа на гидродинамическое сопротивление и эффективность циклона?

Как влияют и почему изменения расхода В запыленного воздуха на эффективность его очистки от пыли в циклоне?

Как влияет подсос воздуха в циклон на его эффективность?

Как влияют утечки воздуха из циклона на его эффективность?

Чему равна эффективность циклона для монодисперсного аэрозоля с d = 20 мкм?

Задача 9. Очистка газов от пыли с помощью скрубберов Вентури. Среди аппаратов мокрой очистки с предварительным осаждением частиц пыли на поверхность капель воды наибольшее практическое применение

O.ffl

O.icc 0.IS9

о ■i

-J

-J

JL

T

_н

Рис. 3. Эскиз циклона типа ЦП и его размеры

имеют скрубберы Вентури, состоящие иг трубы Вентури и цилиндрического кашеуловителя. Основной частью скруббера является труба Вентури, в конфуэорную (сужающуюся) часть которой подается очищаемый газ и раз­брызгиваемая с помощью форсунки вода. В конфуэорной части трубы проис­ходит разгон газа и содержащихся в нем частиц пыли от входной скорости 15-20 м/с до скорости в узком сечении трубы, равной 60 -150 м/с. При атом более мелкие частицы пыли догоняют медленно разгоняющиеся крупные капли воды и сливаются с ними. В диффуеорной (расширяющейся) части трубы газовый поток, наоборот, замедляется до первоначальной скорости 15 - 20 м/с. При этом более тяжелые капли воды настигают и поглощают оставшиеся в газе легкие частицы пыли, успевшие затормозиться вместе с потоком. Далее очищаемый газ закручивается спиралью в цилиндрическом каплеуловителе и освобождается от капель воды вместе с осевшими на них частицами пыли.

Скрубберы Вентури обеспечивают эффективность очистки до 0.99 от частиц с размерами d > 1 мкм при начальной концентрации пыли до 100 г/м³. Удельный расход воды на орошение составляет при этом 0.4 --0.8 л/м³. Производительность G - до 10 000 м³/ч. Гидродинамическое сопротивление трубы Вентури составляет 10 - 20 кПа (0.1 - 0.2 атм).

А теперь условие задачи. Рассчитайте гидродинамическое сопротив­ление АР и эффективность Э очистки воздуха от мартеновской пыли с по­мочью скруббера Вентури при следующих условиях: коэффициент гидродина­мического сопротивления сухой трубы Вентури равен ^_с - 0.15; плотность газа в горловине трубы равна Рг.горл.- 0^ кг/м³; скорость газа в гор­ловине Utooji. - 100 м/с; массовый расход газа G - 1 кг/с; массовый рас­ход орошающей жидкости L - 0.89 кг/с; удельный расход жидкости U --0.8 л/м³ (объем газа рассчитан на рабочие условия в горловине); из­быточное давление жидкости в распылителе р - 300 кПа, плотность жид­кости 10³ кг/м³.

Приложение. Инженерный расчет скрубберов Вентури проводят по сле­дующему алгоритму [193.

Гидродинамическое сопротивление д р трубы Вентури вычисляют по формуле

АР- йРс + Рж . где ДРс - гидродинамическое сопротивление сухой трубы: ДРс " 4с (Чг.горл. )^й Рг.гом. / ² •

Давление Рж распыляемой жидкости в форсунке определяют по формуле

Рж - 4ж'(и_Горл.)²-Рж-и / 2 ,

где 8j» - коэффициент дополнительного гидродинамического сопротивления трубы, обусловленного вводом жидкости, определяемый по эмпирической формуле

^{С/се - 0.63((Ь/З)(рг/Рж))"0-3 •}

Эффективность очистки скруббером Вентури рассчитывают по формуле

Э - 1 - ехр(-Вк^п) .

где В и п - константы, зависящие от свойств и дисперсного состава пы­ли, определяемые экспериментально и приведенные для некоторых пылей в нижерасположенной таблице.

Аэрозоль	В			п
Туман ортофосфорной кислоты	1.34<		0.	632
Мартеновская пыль	1.91-	■1СГ2	0.	569
Сажа	1-10'	-о	1.	36

Величина к, Па рассчитывается по формуле

^{к - Д р + рж L/Q .}

Задача 10. Диффузионная зарядка аэрозольных частиц в биполярной ионной атмосфере

Чему равны средние равновесные количества <13 рван.1^> элементарных зарядов (по модулю), содержащихся на сферических аэрозольных частицах с радиусами 0.05, 0.5, 5 мкм при температуре 293 К?

Как изменяется среднее значение модуля заряда в зависимости от радиуса частицы, от температуры?

Зависит ли величина заряда от концентрации ионов в газе?

Расчетная формула (табл.1 и [73, стр.143)

<13ра»н.1> - (2гкТ 4лсо/яе²)^1/г

Задача ii. Зарядка аэрозольных частиц в электрическом поле в ат­мосфере униполярно заряженных ионов.

Проводящие частицы с г - О.СБ, С.5, Б мкм помещены в секцию заря­дки электрофильтра со следующими характеристиками: E_Kopouu*& 10^я В/м, концентрация газовых ионов Сион - 5 10¹⁴ м^-3.

Подвижность газовых ионов в электрическом поле

Виоиов элвкт. - 2.2 1СГ⁴ (м/с)/(В/м).

Определите предельное количество зарядов на частице з пред.а эп-

Какую часть предельного заряда получают частицы, если время на­хождения их в секции зарядки (в короне) равно 0.4 с?

Расчетые форыули (123, стр.414, 173, стр.146):

3 пред. в ЭП " 3 Екороны'Г*'4Л£о/е , Зв ЭП/Зпрвя. в ЭП - l/(l+(t₀/t)) , to " 4'Я'Ео /Л-Сион'б'Вионов элвктр.

Задача 12. Скорость движения заряженных аэрозольных частиц в электрическом поле.

Вычислите скорость у_эл аэрозольных частиц в электрическом поле. Радиусы частиц г - 0.05, 0.5, 5 мкм. Частицы несут предельный заряд, полученный в секции зарядки (см. предыдущую задачу), и находятся в осадительной секции электрофильтра. Расстояние между плоскопараллель­ными электродами h - 10~² м, разность потенциалов U - 6000 В. Темпера­тура 20°С. См. также табл. 1 и 10.

Расчетные формулы:

v_M - BqU/h, В - Cic/6nu_rr, Re - vdp_r/ii_r, d - 2r .

Задача 13. Очистка газов от аэрозольных частиц с помощью электро­фильтров. Эффективность фильтрации электрофильтром (см. рис.5 а также С23, стр.420 и [73, стр.174). Оцените эффективность Э электрофильтра при улавливании частиц с радиусами г - 0.05, 0.5, 5 мкм. Осадителъные электроды плоские с высо­той 1 « 1 м и длиной L - 1 м. Скорость течения гаэа <и> в межэлектрод-яом пространстве 1 м/с. Проверьте величину Re для течения газа в плос­копараллельной щели. Для этой геометрии поток ламинарный, если Re < < 2300. Одако, вовможно, что поток турОулизуется и при Re < 2300 из-за

электрического ветра, особенно, если велика концентрация аэрозольных частиц* а также из-за температурных градиентов и из-за ударного стря­хивания осаждающейся пыли с электродов. Недостающую информацию смотря в предыдущей задаче.

Расчета/в формулы :

Re » <u> d_a р_г / Не,

Э - | hVh, если h"/h < 1 I

I 1, если hVh > 1 (для ламинарного течения)

Э - 1 - exp(-v_Ms/G) (для турбулентного течения)

где d_a - 4hl/2(h+l), h" - v_M>t. t - L/<u>. s/G - l«L/l«h-<u>.

Задача 14. Механизмы улавливания аэрозольных частиц волокнистыми фильтрами.

Для определения весовой концентрации и химического состава аэро­золей с твердыми и жидкими частицами - пылей, дымов, туманов в атмос­фере, производственных помещениях, дымоходах, вентиляционных каналах -при температурах до 500°С разработаны аналитические фильтры (ФСВ/Л) на ультратонкого стекловолокна (с диаметрами волокон от сотых долей мик­рометра до 1 мкм). Толщина фильтров 0.3 мм, удельная масса - 66 г/м⁸. Перепад давления р, мм вод. ст. на фильтрах ФСБ/А при оросасывашш воздуха при комнатной температуре и атмосферном давлении выражается формулой р - Б * и, где и - скорость течения около лобовой поверх­ности фильтра, см/с. Проскок частиц с размерами 0.1 мкм в зависимости от скорости течения аэрозоля и имеет следующие значения (эксперимен­тальные данные, приведенные в рекламном проспекте):

Скорость течения,	см/с 10	20	40	60	80
Проскок	ю-«	10"3	3*10~3	Б*10~3	8*10~3

Сделайте вывод о преобладающем механизме фильтрации (днффуаяоя-ный, инерционный, зацепление, электростатическое взаимодействие) час­тиц указанного размера фильтрами ФСВ/А.

Задача IS. Фильтрация аэрозолей волокнистыми фильтрами ФП.

Пылеемкость тонковолокнистых полимерных нетканных материалов ФП (фильтров Петрянова) составляет от 50 до 100 г/м². Через материал фильтруется радиоактивный аэрозоль с массовой концентрацией 0.5 мг/м³ и объемной активностью Ю^-11 Ки/м³. Какому признаку нужно отдать пред­почтение, решая вопрос о замене фильтра на новый?

Пояснение. Фильтр заменяют на новый, когда он вабъетсл пылью (ги­дродинамическое сопротивление фильтра увеличится в 1.2-1.4 раза по сравнению с исходным) или же увеличится выше допустимого уровень ра­диации от фильтра, например, когда его удельная активность достигнет 0.01 Ки/м² (такой фильтр опасен как источник радиации и его сложно обслуживать).

Задача 16. Фильтрация аэрозолей волокнистыми фильтрами ФП.

Дан фильтр, снаряженный тонковолокнистым полимерным фильтрующим материалом ФПП-15-1.5 с толщиной слоя h- 0.2 мм и плотностью упаковки ос - 0.02. Паспортное значение коэффициента проскока К этого материала по стандартному масляному туману с радиусом частиц <г> - 0.17 мкм и скоростью фильтрации 0.01 м/с равен 0.001.

1. Используя основное уравнение фильтрации

К - ехр(- г-л-а-Ь/л-а) ,

определите коэффициент и захвата частиц стандартного масляного .тума­на волокнами при скорости фильтрации 0.01 м/с?

2. Определите гидродинамическое сопротивление фильтра при скорос­ти фильтрации 10 см/с (укажите размерность).

3. Как изменится проскок очень маленьких частиц (безразмерный критерий подобия Пекле велик, доминирует диффузионный захват частиц аэрозоля волокнами фильтрующей ткани) и очень больших частиц (велик безразмерный критерий подобия Стокса, доминирует инерционный механизм захвата частиц) при увеличении скорости фильтруемого потока аэрозоля?

4. Почему для контроля эффективности материалов ФП (со средним диаметром волокон 1.5 мкм) используется стандартный масляный туман со средним диаметром капелек 0.17 мкм? Частицы масла с каким размером имеют наибольший коэффициент проскока при фильтрации масляного тумана через материалы ФП с линейной скоростью 1 см/с?

Задача 17. Фильтрация аэроволей с помощью рукавных фильтров.

Пылеемкость фильтрующих тканей и нетканкых материалов из войлока л рукавных фильтрах составляет 1200 - 1300 г/м². Входная концентрация пыли 50 г/м³. Удельная газовая нагрузка равна 1 м³/(м²*ыин). Эффектив­ность фильтрации Э - 0.97. Определите продолжительность цикла фильтра­ции (от начала фильтрации до момента, когда фильтр нужно переключать на регенерацию). По какому контролируемому параметру фильтрации узнают о том, что фильтр пора регенерировать. Как регенерируют рукавные филь­тры?

Задача 18. Выбор способа очистки газов от аэровольных ваг равнений Дан тонкодисперсный аэрозоль. Частицы аэророэоля компактные, слоя осажденных частиц имеет электрическое сопротивление, среднее между вы­соким и низким; аэрозоль сухой; температура аэрозоля комнатная; аэро­золь химически не агрессивный. Нужно выбрать и обосновать способ очис­тки газа от аэрозоля (очистка в пылевой камере, в жалюзийноы пылеотде-лителе, в циклоне, в пенном газопромывателе, в скруббере Вентури, в абсорбере, в фильтрах, снаряженных тонковолокнистыми нетканными поли­мерными материалами ФП, в фильтрах, снаряженных стекловолокнистыыи ма­тами, в рукавных фильтрах, снаряженных хлопчатобумажными и шерстяными тканными материалами, в электрофильтрах). Считайте, что входная кон­центрация аэрозоля низкая, т.е. менее 50 мг/м³. Требуемая эффектив­ность очистки высокая (выше 0.99). См. также табл. 6 и 7.

Задача 10. Комбинированные системы очистки газов от аэрозольных частиц. См. также табл. 6 и 7.

Аэрозольные частицы с размерами более 50 мкм можно удалить на воздуха в осадительних камерах, частицы с размерами более 10 мкм хоро­шо удавливаются циклонами, слои из грубых тканей и мультициклоны (ба­тарейные циклоны) задерживают частицы размером более 3 мкм. А вот час­тицы с размерами менее 1 мкм можно удалить только с помощью тонковоло­книстых фильтрующих материалов, в том числе материалов ФП (фильтров Петрянова).Предложите рациональный способ очистки газов от аэрозольных частиц с широким диапазоном размеров от 0.01 до 100 мкм. Эффективность очистки более 0.99, начальная концентрация аэрозоля большая.

Задача 20. Оценка эффективности улавливания аэрозольных частиц о

помощью щелевых приборов (имлакторов). Инерционное осаждение аэрозольных частиц из газового потока в им-

пакторах используется с целью их разделения на фракции (в многокаскад­ных импакторах) с последующим изучением их формы, размеров и количес­тва.

Оцените эффективность улавливания сферических аэрозольных частиц однокаскадным импактором при следующих условиях: ширина входной щели в имп акторе Zh - 0.4 мы, средняя скорость аэрозольного потока в щели <и> равна 50 м/с, радиус аэрозольных частиц г - 2 мкм, плотность аэрозоль­ных частиц р_ч - 2000 кг/м³. Газовая среда - воздух при давлении 10^е Па и температуре 20°С. Считайте, что течение газового потока в щели по­тенциальное. См. также рис. 4.

Расчетные фориулы:

Э - j Stk, если Stk < 1 I

I -1 , если Stk > 1

где Stk - 1/h, 1 - <u>-x.

ОЧИСТКА ГАЗОВ ОТ ПАРООБРАЗНЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Задача 21. Изотерма адсорбции.

При комнатной температуре угли - плохие адсорбенты радона, но в соответствии с общией закономерностью при уменьшении температуры ад­сорбция радона углем увеличивается.

Определите безразмерные коэффициенты Г адсорбции радона на угле при температурах -60 и +18 °С, используя приведенные в [43 на стр. 22 значения коэффициента ас.

Т, °С -50 +18 а, см³/г 10⁶ 9.6*10³

В указанном тексте коэффициент а определен как отношение количества радона, адсорбированного на 1 г угля, к количеству радона, содержаще­муся в условиях равновесия в 1 см^э воздуха. Изотерму адсорбции считай­те линейной.

Расчетная формула:

Г - а-р / С_у.

где а - масса адсорбированного вещества в расчете на единицу массы ад­сорбента, кг/кг, равновесная с концентрацией С_у, кг/м³, адсор-бата в газовой смеси; р - насыпная плотность адсорбента, кг/м³.

Задача 22. Применение адсорбции для очистки воздуха от газообраз­ных и парообразных загрязнений.

В замкнутое помещение объемом 100 м³ произошел выброс радиоактив­ных газов из технологического контура. Сколько килограммов активиро­ванного угля СКТ-2М нужно ввести в помещение, чтобы после установления адсорбционного равновесия объемная активность ¹³¹I снизилась с 10~^э до ПДК - 4.2*10~¹² Ки/л? Температура 20°С. Считайте, что на рабочем учас­тке изотерма адсорбции иода углем линейная.

Задача 23. Применение адсорбции для очистки воздуха.

В адсорбере периодического действия поглощаются на угле пары_бен-вина из их смеси с воздухом. Начальная концентрация бензина Су₀ --0.02 кг/м³, расход паровоздушной смеси 0 - 3450 м³/ч (при рабочих условиях). Скорость паровоздушной смеси и - 0.23 м/о, считая на полное сечение адсорбера. Динамическая адсорбционная емкость ад угля по бен­зину равна 7Х (по отношению к массе угля). Остаточное содержание бен­зина в адсорбенте после десорбции составляет 0.08Х. Продолжительность t цикла адсорбции (до появления заданного проскока) равна 1.45 ч.

Определите

1. массу m активированного угля,

2. диаметр 0 адсорбера,

1. высоту h сдоя угля в адсорбере. . Оцените

1. скорость U движения адсорбционного фронта,

2. безразмерный коэффициент адсорбции Г.

Какие две противоположно действующие тенденции определяют выбор окорости паровоздушной смеси в адсорбере?

Задача 24. Применение адсорбции для очистки воздуха. На одном из заводов химического волокна для улавливания сероугле­рода CS2 из вентиляционных гавов используется кольцевой адсорбер. Вы­сота сдоя адсорбента 5.2 м, внешний диаметр кольцевого слоя адсорбента 2.8 м, внутренний диаметр - 1 м. В адсорбере содержится 14 т активиро­ванного угля АР-3. Содержание CS& в очищаемом газе около 1.6 г/м³. Т -

- 40°С. Расход газа 40 ООО м^ч (рабочие условия). Проскок сероуглеро­да в выходящем из адсорбера газе обнаруживается спустя 4 часа после начала цикла очистки.

1. Определите динамическую адсорбционную емкость а_д слоя адсор- бента.

2. Оцените величину безразмерного коэффициента адсорбции Г.

3. - Оцените скорость U движения адсорбционного фронта двумя спосо- бами: 1) используя найденное значение Г и 2) используя известное время действия защитного слоя t.

Задача 25. Применение адсорбции для очистки воздуха. Через адсорбер периодического действия за цикл адсорбции проходит 2000 м³ паровоздушной смеси с концентрацией диэтилового эфира С_уо -

- 0.006 кг/(м³ паровоздушной смеси). Температура Т - 20°С. Давление Р - 10^б Па. Линейная скорость паровоздушной смеси в свободном сечении адсорбера и - 0.22 м/с. Концентрация диэтилового эфира на выходе из адсорбера к концу цикла адсорбции (к моменту времени достижения макси­мально допустимого проскока) С_у - 3 10~^б кг/м³. В качестве поглотите­ля применяется активированный уголь АГ-5 со средним диаметром зерен d_s- 4 мм и с насыпной плотностью 500 кг/м³. Линейная часть изотермы адсорбции диэтилового эфира на угле АГ-5 при Т - 20°С имеет вид ао* -

- 22 Су, где ао*- равновесная статическая адсорбционная емкость (ак­тивность) угля, кг/кг. Высота слоя угля в адсорбере h - 0.7 м.

Оцените 1) массу m и объем V угля в адсорбере, 2) диаметр D ад­сорбера, 3) продолжительность t_np цикла адсорбции до допустимого прос­кока (время защитного действия слоя).

Полученные оценки завышены или занижены? Почему?

Расчетные формулы. Если адсорбция протекает в линейной части изо­термы адсорбции, то для расчета t_np используется формула ([143, стр. 408)

(tnp)¹'² - (Г-h/u)¹'² - МГ/Оу)¹'² ,

^{Г - ао*р/Суо, By - l.b-D-u0-04^0-54-^1-46, V- ц}_г^/р_г^.

Параметр Ь зависит от отношения Су/Суо и имеет значения, указанные в нижерасположенной таблице.

Задача 26. Применение адсорбции для очистки воздуха.

Определите количество теплоты, которая выделяется в адсорбере пе­риодического действия за один цикл (t - 133 мин.) при адсорбции па­ров этилового спирта активированным углем. Диаметр адсорбера D - 2 м. Высота слоя угля h - 1 м. Скорость паровоздушной смеси и - 0.42 м/с (в расчете на площадь поперечного сечения адсорбера). Начальная кон­центрация спирта Суо- 0.029 кг/(м³ паровоздушной смеси). Концентрация спирта на выходе из адсорбера в конце цикла адсорбции Су-0.0002 кг/м³.

Задача 27. Зксхаляция радона. Радон в помещении.

Определите объемную активность A(^zzzRn) в непроветриваемом подва­ле. Объем подвала V - 2 х 2 х 2 - 8 м³. Под, стены, потолок в подвале земляные. Зксхаляция радона из земли ([3], стр.370) равна 40 Бк/(м²ч).

Каким должен быть коэффициент К, ч^-1 воздухообмена, чтобы снизить объемную активность радона в подвале до 10 Бк/м³ (нормы МРКЗ для жилых помещений).

Пояснение. Зксхаляция 40 Бк/(м²ч) означает, что за 1 час с 1 м² поверхности земли в атмосферу выделяется такое количество атомов радо­на, в котором происходит 40 распадов в секунду.

Сначала составьте уравнение баланса: количества распадающихся атомов радона в объеме помещения V и атомов радона, удаляемых вентиля­цией, должно быть равно количеству вновь поступающих атомов радона из пола, стен, потолка (табл.37).

Задача 28. Равновесие между радоном и продуктами его распада.

Объемная активность изотопа радона A(^2z2Rn) - 3.7*Ю³ Вк/м³. Оп­ределите частичные концентрации С, 1/м³ атомов ^2ZZRn, RaA, RaB, RaC, RaC' при условии равновесия между материнским элементом и короткоживу-щими продуктами его распада (табл.37). Вычислите отношение

C(^2zzRn) : С(RaA) : С(RaB) : C(RaC) : C(RaC').

2Л

Задача 29. Характеристики радиоактивных благородных газов.

Вычислите частичную концентрацию С, м^-3, молярную концентрацию Си, ыоль/м³ и парциальное давление Р, Па радиоактивного изотопа ⁴¹Аг (табл.40) в воздухе, если объемная активность аргона равна 5*10^-11 Ки/л. Эта активность равна допустимой концентрации ДК для ка­тегории £ (ограниченная часть населения - лица, проживающие в зоне на­блюдения, но не работающие непосредственно с источниками излучения). См. также табл.36.

Напоминание. Благородные газы в атмосфере находятся в виде ато­мов, но не молекул.

Задача 30. Очистка воздуха от короткоживущих радиоактивных благо­родных газов (РБГ) с помощью газгольдеров.

Определите длину 1 и площадь s поперечного сечения газгольдера для снижения активности радионуклидов ⁴¹Аг в 5 раз. Объемный расход газа S - 20 м³/ч. Скорость течения газа в газгольдере примите равной 0.3 см/с. Радиоактивный ⁴¹Аг образуется в технологических контурах ре­акторов при нейтронной активации стабильного ⁴⁰Аг, содержащегося в ат­мосферном воздухе в количестве IX. За время прохождения радиоактивного газа через газгольдер его активность снижается в результате радиоак­тивного распада (табл.36).

Задача 31. Радиохроматографическая очистка радиоактивных газов.

Определите объем V слоя угля СКТ-2М и размеры этого слоя в радио-хроматографической колонне (высоту h и площадь s поперечного сечения), используемой для снижения объемной активности А радиоактивного ^1ЭЗХе в 100 раз. Объемный расход очищаемого гаэа G = 10 м³/ч, температура гаэа и адсорбента Т- 20°С. Скорость газа в колонне примите равной 0.005 м/с (в расчете на площадь поперечного сечения колонны). См. также табл.24 и 36.

Из каких соображений выбирается столь малая скорость газа в ко­лонне? На каких промышленных предприятиях используется радиохромато­графическая очистка технологических сдувок от радиоактивных благород­ных газов (РБГ)?

Строительство газгольдеров и адсорберов экономически оправдывает­ся лишь при очистке концентрированных сбросов (технологических сду­вок). При очистке вентиляционных выбросов, когда объемы воздуха зна­чительны, приходится ограничиваться рассеиванием выбросов через трубы нужной высоты. Если требуется очищать воздух и от РЕГ и от аэрозолей,

то фильтры - адсорберы располагают после аэрозольных фильтров. Расчетная формула

А - Ао-ехр(- / G) .

Задача 32. Диоксид серы SOg в топочных газах.

Концентрация SO2 в топочном газе ТЭС равна C(S02) - 4 г/м³. Кон­центрация SO2, выраженная в объемных процентах С%(50г)- 0.55Х. Опреде­лите, при какой температуре согласуются эти два значения одного и того же содержания SO2 в топочном газе.

Задача 33. Диоксид серы SO2 в топочных гагах.

Оцените процентную по объему концентрацию SO2 в топочном гаге ТЭС, работающей на угле с содержанием серы 57. (масс). Для простоты считайте, что в топку подается количество воздуха, эквивалентное сжи­гаемому количеству угля и серы. Считайте, что содержание углерода в угле равно 94Z.

Задача 34. Расчет противоточного абсорбера с насадкой из колец Рашига для санитарной очистки воздуха от SO2.

Заданы: 1) абсорбент; 2) среднее давление Р газа в абсорбере, Па; 3) средняя температура Т газа и абсорбента в абсорбере, °С; 4) расход G очищаемого газа (без диоксида серы и водяных паров). м³/ч, м³/с, кг/ч, кг/с (обьемы газа даны при нормальных условиях); 5) мольная доля SO2 в газе на входе в абсорбер, моль SO2 /(моль SO2 + моль воздуха), С%(50г) по объему; 6) требуемая эффективность Э очистки газа абсорбе­ром; 7) материал и размеры колец Рашига (для 1-го варианта расчета).

1). Рассчитайте и начертите график изотермы абсорбции диоксида се-еры абсорбентом в координатах У - X при заданной температуре.

2). Рассчитайте материальный и тепловой балансы абсорбера, основ­ные его размеры. Рассчитайте гидродинамическое сопротивление абсорбера очищаемому газу. Если сопротивление окажется больше 10⁴ Па, то следу­ет снизить его, подбирая подходящую плотность орошения, размеры и ма­териал насадки.

3) Сделайте эскиз абсорбера с окончательно выбранными размерами в подходящем масштабе.

Абсорбент - вода, давление гага Р - 10^б Па, размеры колец Рашига для первого пробного расчета 25x25x3.

2S

Варианты гадании

Т. °С

1D

15

2D

Расход инертного газа (раб. уел)

3600 кР/ч

1 м^э/с

1.29 кг/с

Мольная доля y_H(S0₂) в исходя.газе

0.06

0.04

0.02

Порядок расчета.

1. Выписываются исходные данные P(S02), мм рт.ст. и C(S0₂), rS0₂/100 г Н₂0 о равновесном распределении S02 в воде и в воздухе при заданной температуре Т (табл.20).

Исходные данные пересчитываются по цепочке

(P(S0₂).C(S0₂)) - (х,у) - (X.Y) - (Y.X) ,

X(S02) - (C(S02)/M(S0₂))/((C(S02)/M(S02))+(100/M(H20)) ,

y(S0₂) - P(S0₂)/(Po6m " Ра(НгО)) ,

^{X - X/(1-X), Y - y/(l-y) ,}

X-(M(S0₂)/M(H₂0))X, Y - (M(S0₂)/M(BO3fl.))Y ,

где x - мольная доля S0₂ в водном растворе,

у - мольная доля S0₂ в смеси диоксида серы и сухого воздуха, X - относительная мольная концентрация S0₂ в водном растворе,

Y - относительная мольная концентрация S0₂ в сухом воздухе,

X - относительная массовая концентрация S0₂ в водном растворе,

Y - относительная массовая концентрация S0₂ в сухом воздухе. _Строится изотерма абсорбции 50₂ в системе воздух-вода в координа­тах Y - X (рис.6).

Определяется масса М диоксида серы, переходящего в абсорбере из воздуха в воду за 1 секунду:

М - G(Y_H - Y_B)

где Q - массовый расход очищаемого воздуха, пересчитанный на чистый

_ сухой воздух, кг/м³,

Yh, Y_b - относительные массовые концентрации SO2 в воздухе соот­ветственно внизу и вверху абсорбционной колонны.

Определяется min расход Ьщщ. кг/с орошающей насадку воды:

Lmm " МУ(Х*н " Хв) ,

где Х*_н ^- относительная массовая концентрация S0-2 в воде внизу колон­ны, равновесная с содержанием Y_H диоксида серы в воздухе, Ха - реальная относительная массовая концентрация диоксида серы в воде вверху колонны.

Определяется рабочий расход L воды:

L - (1.1 7 1.5) Uin •

Определяется рабочая концентрация Х_н диоксида серы в воде внизу колонны:

М - L (Х_н - Хв) .

Определяется фиктивная рабочая скорость и воздуха в колонне. Сначала определяется скорость и_а, м/с захлебывания воздуха в на­садке по формуле

lB((u_e²a/BЈ³)(p_r/p«)(n«l0³)^o-^ie) -- 0.022 - 1.75(Ui)⁰-²⁵(p_r/p>c)⁰-¹²⁵ ,

где а - удельная поверхность насадки, м^м³ (табл. 22), г - ускорение свободного падения, м/с², е - удельный свободный объем насадки (табл.22), Рг. Рж ^- плотности соответственно гаэа и жидкости, кг/м³. и* - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па*с (табл.10), L, Q - массовые расходы гаэа и жидкости, кг/с. Затем принимается и - (0.8 : 0.9)-и_а.

Вычисляется площадь S поперечного сечения и диаметр D абсорбера: S - u S, S - к D²/4 ,

где в - объемный расход гага при рабочих условиях, ы^с. Определяется высота Н_н сдоя насадки в абсорбере .-

U ш Ky-F.<Y - Y*> ,

. <Y - ?> - ((Y« - - V))/lr.((YH - V)/(Y_B - V)) ,

где F - площадь поверхности насадки в абсорбере, ы³,

К? - усредненненный по высоте слоя насадки коэффициент массопере-

дачи, кг S02/(M²c(KrS02/Kr инертного гага)). Для линейной изотермы (иди для линейной части изотермы)

(1/К5) - (I/by ) + (т/вх) •

Для линейной части изотермы коэффициент го определяется из соотно- шения: _ _

Y* - m-Х .

Величины By и вх вычисляется по следующим эмпирическим формулам: By - Br'Praa. смеси(1/0( ⁺ D²) * Вг'Ргаа. смеси - Вг'Рвовд , вх - Вж-Рж(1/(Х + I)²) - Вж'Рж - Вж-Рводм . Nu_r - 0.407• Re_r°"⁶⁶⁵ ■ Рг_г°'³³ для 10 < Re_r < 10 ООО , Nur - Br'd»/Dr, d₈-4-e/a, Re_r - (u/c)-d₈'Pr/Ur . Pr_r - Иг/ Рг-Dr , Nu» - 0.0021'Re«°-^7B.Pr«°-^c ,

nh» - Вж»а_Пр/Р« . а_Пр - (д«²/рж².г)^1/3 .

^{Re» - 4-L/S-a4'»iiit . Рг}_ж ^{- Иж/рж-Ож ,}

где вг ~ коэффициент массоотдачи в гаге (от ядра газового потока к по­верхности раздела фаг Г - Я), кмоль SOg / (м² с(кмоль SO2/M³ инертного гага при рабочих условиях));

Вж - коэффициент ыассотдачи в жидкости (от поверхности раздела фаз к ядру потока жидкости), кмодь SOg/(м² с(кмоль SCfc/m³ жидкос­ти));

Зу - коэффициент массоотдачи в газе, кг SO2 /(и² с(кг БОг/кг жид­кости) );

Вх - коэффициент иассоотдачи в жидкости, кг/^с;

D_r - коэффициент диффузии SO2 в воздухе при заданной температуре Т

и давлении Р. м²/с; D« - коэффициент диффузии SO2 в воде при заданной температуре Т,

м^г/с;

d₃ - эквивалентный диаметр колец Рашига, м;

бпр - приведенная толщина жидкой пленки абсорбента, стекающего по

поверхности насадки, м; Ф - коэффициент смоченности насадки.

Определяется высота Н_н слоя насадки в абсорбере по формуле

F - H_HSa* .

Определяется гидродинамическое сопротивление ар абсорбера очища­емому газу:

др - \ (Н„/2 dajdi/ej^-pr-io"". U - L/S ,

где U - плотность орошения, м³/(м²ч);

Ь - эмпирический коэффициент (см. таблицу 22), м^ч/м³; \ - коэффициент сопротивления, учитывающий суммарные потери давле­ния очищаемого воздуха:

\ - 140/Re_r для Re_r < 40 (ламинарный режим течения газа), \ - 16/Re_r^0,z для Re_r > 40 (турбулентный режим).

Задача 36. Абсорбционная очистка газов от паров ацетона.

Абсорбер_для поглощения паров ацетона из воздуха орошается водой в количестве L-3000 кг/ч. Средняя температура в абсорбере 20°С. Через абсорбер пропускается при атмосферном давлении смесь воздуха с парами ацетона. Расход чистого сухого воздуха в этой смеси составляет G -- 1400 м³/ч (при нормальных условиях). Начальная концентрация ацетона 67. (объемн.). Эффективность улавливания ацетона в абсорбере составляет

1111' i i i I

зо

Рис.7. Упрощенная схема фильтра из пористого по­лиэтилена в виде много­каскадного импактора

9SZ. Уравнение изотермы абсорбции ацетона водой при 20°С имеет вид Y* - 1.043 * X, где концентрации Y и X выражены в килограммах ацето­на на 1 килограмм второго компонента, т.е. воздуха или воды. Найдите диаметр D и высоту h слоя насадки в абсорбере, заполненном керами­ческими кольцами с размерами 25 х 25 х 3 мм. Скорость газа при­мите на 237. меньше скорости захлебывания. Коэффициент массопередачи К_у- 11.6 (кг ацетона)/(м²^* (кг ацетона/кг сухого воздуха)). Коэффици­ент ^ смоченности насадки примите равным единице.

Пояснение. Ацетон, диметилкетон, СН3СОСН3, Т_Пл - - 95.3°С, Ткил-- 56.2°С, di^Z0 - 0.7908, смешивается с водой и с органическими раство­рителями.

Задача 36. Элементы эксплуатационных расходов на абсорбционную очистку.

Раствор соды подается из бака, стоящего на полу помещения, в рас­пылитель, находящийся наверху абсорбера. Высота Н подъема раствора 16 м. Жидкость подается по стальной трубе 102 х 3.75 мм (102 - внешний диаметр трубы, 3.75 - толщина стенки) в количестве 0.7 м³/мин. Плотно­сть раствора 1100 кг/м³. Вязкость 1.1 10"^э Па*с. Избыточное давление, необходимое для распыления, равно 0.35 ат. Трубопровод имеет 2 вентиля и 4 колена по 90°. Его общая длина 25 м. Найдите мощность, потребляе­мую насосом, если его КПД - 0.6. См. также табл.16.

Задача 37. Вентиляция помещении, загрязненных ртутью. Демеркури­зация.

Известно, что ртуть вредно действует на почки, органы пищеваре­ния, центральную нервную систему, сердце.

В 1953 г. более ста жителей города Минимата на юге Японии заболе­ли странной болезнью. У них быстро ухудшались зрение и слух, расстраи­валась координация движений, конвульсии и судорги сводили мышцы, нару­шалась речь, появились серьезные психические отклонения. Наиболее тя­желые случаи заканчивались полной слепотой, параличом, безумием, смер­тью. Оказалось, что все пострадавшие ели морскую рыбу, выловленную у тех берегов, где сбрасывались содержащие ртуть промышленные отходы. Концентрация ртути в рыбе (50 мг на 1 кг живого веса) превосходила естественную в 250 раз.

А теперь условие задачи.

В помещении (жилой или классной комнате, больничной палате) с объемом V - 50 м³ разбили ртутный термометр. При этом на пол вылилось

0.06 см³ ртути, разбившейся на капли со средний радиусом г - 0.2 мм. Температура 20°С. Оцените

1. кратность превышения концентрации паров ртути над ЩКсс в непроветриваемом помещении к моменту установления равновесия между па­рами и жидкостью;

2. кратность К, 1/ч воздухообмена за счет принудительной вентиля­ции, включив которую, можно уменьшить содержание паров ртути в воздухе помещения до ГГДКсс (мощность Ф, кг/с источника паров ртути рассчитайте в предположении, что радиус всех капелек равен. 0.2 мм, что задача о диффузии паров ртути от поверхности капельки имеет сферическую симмет­рию, что капелька имеет температуру помещения, что ртуть не сорбирует­ся стенами, тканями);

3) время испарения капелек.

Уточните полученные результаты, считая, что от лежащей на полу капельки поток паров направлен лишь в верхнее полупространство (телес­ный угол 2я). Кроме того, поверхность раскатившихся по полу капелек обычно покрыта пленкой грязи и образующихся оксидов, причем, концен­трация паров ртути у поверхности пленки при обычных условиях Проветри­вания помещений составляет примерно одну тридцатую от концентрации на­сыщенных паров ртути C_s у чистой поверхности капельки ([6], стр.48).

Поясните принципы очистки помещения от пролитой ртути (способы демеркуризации помещения) с помощью

а) пылесоса или пипетки с грушей;

б) амальгамированной медной палочки;

в) распыляемого по полу порошка серы;

г) эмульсии из минерального масла и воды, смешанной с порошком серы и йодом;

д) 10Z подкисленного соляной кислотой раствора КМпОд;

е) 20Х раствора FeCIa.

Почему для нейтрализации пролитой в комнате ртути используется именно раствор соли ГеС1з, а, например, не Fee(S04)3? При ответе на последний вопрос имейте в виду, что

Ге³*(_>ОДн) + Зе - Fe_(T) Ф° - -0.04 В

Ре^э*<_>0дя) + е - Fe²⁺(_BOa_H) <р° = +0.77 В

НС2²⁺<»одЮ + 26 - ZHS(m) ф° = +0.73 В

НС2С12(т) + 2e - ZRs<m) + 2CI (водн) Ф° - +0-27 E Пояснения.

Количество I, кг/с пара, диффундирующего от поверхности жидкой капли в телесный угод 4я (сферическая симметрия) можно оценить с по­мощью выражения ([73, стр. 199)

I - 4«Dr(C_e - С) ,

где С_в - концентрация насыщенных паров ртути у чистой поверхности кап­ли, кг/м³;

С - концентрация паров ртути в помещении, кг/м³, причем, эта кон­центрация одинакова в любой точке помещения (кроме простран­ства около поверхности капелек) из-за перемешивания воздуха;

D - коэффициент молекулярной диффузии паров ртути в воздухе.

Связь между парциальным давлением Р и концентрацией С паров рту­ти дает уравнение состояния идеальных газов:

PV - mRT/M, или Р - CRT/M, иди Сц - PsM/RT ,

где Р_е - парциальное давление насыщенных паров ртути. Па (табл.17); М - мольная масса ртути, кг/моль.

Время t_Hcn испарения капельки можно оценить с помощью выражения ([73, стр.205)

t_Hcn - Рж-R-T-r² /(2-D-M4Pe - Р)) •

Задача 38. Жидкостные нейтрализаторы выхлопных газов двигателей внутренненго сгорания (ДВС).

Рассчитайте объем 107. (масс.) раствора КаНСОэ в жидкостном ней­трализаторе, используемом для удаления (нейтрализации) Юг из выхлоп­ных тагов дизельного двигателя, в расчете на 1т сгоревшего топлива. Какова максимально возможная эффективность нейтрализатора? ([113, стр.131)

В нейтрализаторе протекают реакции:

3 N02 + НгО - 2 НШэ + N0

3.3

_{НЫОз + №ДС0з - Н2СО3 + NaN03}

НгСОэ - сог + НгО

Задача 39. Жидкостные нейтрализаторы выхлопных газов ДВС.

Жидкостный нейтрализатор, иопользуемый для очистки отработанных газов (ОТ) дизелей самосвалов от токсичных компонентов, содержит 55 л 107. раствора сульфита натрия (и 0,57. гидрохинона для зашиты сульфита от окисления). Эффективность очистки ОТ от диоксида серы близка к 100Z. Концентрация диоксида серы в ОГ составляет в среднем 0.008Z (объемн.).

Какой объем ОТ можно очистить с помощью одной заправки нейтрали­затора? Плотность раствора сульфита натрия равна 1.1 г/см³. Уравнение реакции, протекающей в нейтрализаторе,

^{SO2 + Na2SC-3 + НгО - 2 NaHSOa .}

Задача 40. Рассеивание загрязнений в атомосферном воздухе.

Рассчитайте минимальную высоту Н трубы для выброса в атмосферу диоксида серы, остающегося в воздухе после его санитарной очистки. Расход воздуха G - 1 кг/с. Температура выбрасываемого воздуха слабо отличается от температуры окружающей среды, линейную скорость газа на выходе из трубы примите равной и_тр - 7 м/с. Концентрация диоксида серы равна 0.011 кг 502/(кг воздуха). Фоновая концентрация С_ф диоксида серы в окрестностях выброса равна 0.1 мг/м³. Средняя высота зданий в зоне выброса равна 20 м. Безразмерный коэффициент стратификации А, характе­ризующий неблагоприятные для рассеивания примесей метеоусловия, для средней полосы России с равнинной местностью принимается равным 150 (СИЗ, стр.143, С133). Безразмерный коэффициент рельефа местности ti -- 1 (для слабопересеченной местности с перепадом высот до 50 м на рас­стоянии 1 км). Веществ, обладающих суммацией вместе с SO2, в выбрасы­ваемом газе нет.

При расчете используйте формулы

min Н -(A^-kF-n-Ti-D/(8-G^I№,_p - d,)))^3/4 ,

I 4.4-Uu, если x>u <■ 0.5 , n - I 0.532-Uu^Z - 2.13'U_M + 3.13, если 0.5 < u_M < 2 , I 1, если u_M > 2 , u_u - 1.3 U_Tp D / H ,

где Ф - мощность источника, Ф - u_Tt> n(D/2) , г/с;

G - объемный расход газа при рабочих условиях, м³/с; D - диаметр трубы, м;

кг - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания час­тиц загрязнений в атмосферном воздухе (для газов и аэрозоль­ных частиц с диаметром < 10 мкм кк » 1).

Задача 41. Влияние загрязнений атмосферного воздуха на строитель­ные материалы.

Содержащийся в атмосферном воздухе С0₂ разрушает в присутствии влаги многие строительные материалы, включая металлы и мрамор (СаСОз). Составьте уравнения реакций разрушения материалов.

Если воздух загрязнен еще и S02, то эрозия ускоряется. Почему? Составьте уравнения реакций. Учтите, что плотность карбоната кальция меньше, чем плотность сульфата кальция.

Задача 42. Зашита архитектурных памятников от вредных примесей', содержащихся в атмосферном воздухе.

Чтобы замедлить эрозию архитектурных памятников (материал памят­ников - известняк, мрамор) от содержащегося в воздухе SO2 некоторые из них обрабатывают смесью гидроксида бария и мочевины (N№2)200. Эти ве­щества реагируют друг с другом, образуя на поверхности скульптуры слой ВаСОз. Карбонат бария в свою очередь реагирует с диоксидом серы и ки­слородом, образуя слой из сульфата бария:

H2NC0NH2(bc«h) + Н₂0(_Ж) -2 ЯНз(водн) + С0₂(водн) .

СС-2(водн) ⁺ Ва'⁺(водм) + 20Н"(водн) - ВаСОз(тв) + НгО(_Ж) ,

2ВаС0₃(т>) + 2Б02(водн) + 0₂(водн) - 2 BaS0₄(_tb) + 2С0₂(г) .

Почему после такой обработки эрозия памятников замедляется? (С243. т.1, стр. 327).

flWTJU ЯРИРОДЯК м сточных вод от здгигашшй

Задача 43. Очистка воды от взвешенных частиц. Отстойники.

Найдите наибольший размер частиц кварцевого песка, скорость v_a осаждения которых из сточной воды в отстойниках при Т- 20°С можно рас­считывать по формуле Стокса. Предположите для простоты, что форма час­тиц песка сферическая, и что осаждение частиц нестесненное. См. также табл.9.

Расчепвые формулы.

v_e - (8 Г В (р - Рж)/3 % p«)^1/2, Re - v_a 2 г p*/U*

t - 24/Re, если Re < 0.1 (ламинарный режим течения),

t. - 18.5/Re°-^e, если 0.К Re < 500 (переходный режим),

% - 0.44, если 500 < Re < 2 10^s (турбулентный режим),

где г - радиус сферической частицы, м;

Z - ускорение свободного падения, м/с²;

р, Рж - плотности, соответственно, частицы и вязкой среды, кг/м³; %. - коэффициент сопротивления.

Задача 44. Очистка воды от взвешенных частиц. Отстойники.

Вычислите скорость v_e оседания в воде одиночной частицы кварцево­го песка с размером 1 мм. Предположите для простоты, что форма частицы сферическая (диаметр d частицы равен 1 мм). Температура воды 20°С. См. также табл.9.

Задача 45. Очистка воды от взвешенных частиц. Отстойники.

Вычислите скорость v_a оседания в воде при 20°С угловатых частиц свинцового блеска (свинцовый блеск, галенит PbS) с г₉ка- 0.5 мм. Осе­дание нестесненное. См. также табл.9.

Задача 46. Очистка воды от взвешенных частиц. Отстойники. Вычислите размер шарообразных частиц мела, которые будут уносить­ся восходящим потоком воды, текущим со скоростью 0.5 м/с. Температура воды 10°С. Осаждение стесненное. Объемная доля частиц в потоке равна 0.1. 'См. также табл.9.

Задача 47. Очистка воды от взвешенных частиц. Отстойники.

Определите диаметр радиального отстойника для непрерывногоосаж-дения суспензии мела в воде. Производительность отстойника Ьввв " - 80 т/ч исходной суспензии, содержащей 8Z (масс.) СаСОэ. Диаметр наи­меньших частиц, подлежащих осаждению, равен 35 мкм. Температура сус­пензии Т - 15°С. Влажность шлама, оседающего на дне отстойника, равна 70Х. Это значит, что заметная часть воды удаляется из отстойника вмес­те со шламом, а не в виде осветленной воды.

Расчетная формула

S - (1/(роса »в ст)) Ь_ввв((Хос - Хввв)/(Хос - Хоса)) ,

где роса ^- плотность осветленной жидкости, кг/м³;

Us ст- скорость стесненного оседания частиц суспензии, м/с;

Хос " массовая доля частиц суспензии во влажном осадке;

Хвва ~ массовая доля частиц суспензии во взвеси;

Хоса~ массовая доля частиц суспензии в осветленной жидкости. Напоминание. Из - за малых и₈ ст отстойники для взвесей имеют большую поверхность s и небольшую глубину п.

Задача 4В. Очистка воды от взвешенных частиц. Фильтрация через зернистые фильтры.

Определите длительность работы напорного зернистого фильтра с ди­аметром 2 м и с высотой h фильтрующего слоя 1 м (фильтрующий слоя--кварцевый песок с размерами частиц 0.5 - 1.5 мм). Скорость фильтрова­ния 10 м/ч (в свободном от слоя песка сечении фильтра). Концентрация взвешенных примесей в исходной воде 15 мг/кг. За цикл фильтрации гид­родинамическое сопротивление фильтра увеличивается о 0.03 - 0.05 до 0.08 - 0.1 МПа за счет увеличения загрязненности фильтрующего слоя. Грязеемкость фильтрующего слоя равна 2 кг/м³.

Задача 49. Очистка воды от взвешенных частиц. Фильтрация через пористый полиэтилен.

Формы существования железа и других тяжелых металлов в воде зави­сят от их окислительного числа, от рН раствора, от состава и концен­траций других примесей.

Э7

Основными примесями в природной и питьевой воде, влияющими на формы существования тяжелых металлов, являются анионы ОН", СОэ^г~, НСОз", С1Г, F", анионы ортофосфорной Н3РО4 и полифосфорных Н_п+2Рп0эп+1 кислот, гумусовые вещества.

Металлы могут находиться в воде в гомогенной (растворенной), кол­лоидной и дисперсной (нерастворенной) формах.

Растворенные металлы представлены соединениями, находящимися в ионной форме: гидратированные катионы и гидроксокомплексы, комплексы металлов с растворенными неорганическими и органическими веществами, главным образом, гумусовыми. При рН около 7 в растворенном состоянии металлы, например, железо(З), могут находиться в исчеззюще малых кон­центрациях (при отсутствиии комплексообразователей).

Значительно большая часть металлов присутствует в воде в коллоид­ной форме и в виде тонкой суспензии. К коллоидной форме условно отно­сят частицы с размерами меньше 0.45 мкм, к суспензиям-частицы с разме­рами больше 0.45 мкм. Например, взвешенное железо может содержаться в воде в составе слаборастворимых FeCOs, FeS, Fe(0H)3, F6P04, полифосфа­тов железа.

При высоких скоростях фильтрации основным механизмом освобождения жидкости от взвешенных в ней частиц является их инерционное осаждение на стенки при резких изменениях направления потока, текущего в тонких искривленных порах фильтрующей среды. Коснувшись стенки, частица при­липает к ней, не отражаясь обратно в жидкость.

В филиале НИФХИ им. Л.Я.Карпова в Обнинске недавно разработан фильтр из пористого полиэтилена для доочистки питьевой водопроводной воды от содержащихся в ней тонких дисперсных частиц. При работе филь­тра его видимая поверхность быстро становится ржаво-красной из-за осаждающихся из воды частиц, содержащих среди прочего и гидроксид же­леза, именуемый в быту ржавчиной.

Фильтрующий материал с пористостью 0.5 изготавливается путем лег­кого нагрева и последующего прессования тонкого порошка полиэтилена.

Представляя пористый полиэтилен в виде многоступенчатого импакто­ра (см. рис.7), оцените размеры твердых частиц, улавливаемых с эффек­тивностью 0.7 из воды этим материалом при следующих условиях: толщина фильтрующего слоя 0.65 см, плотность витающих в воде частиц р =■

• 5000 кг/м³ (это плотность ржавчины), при рекомендуемой в рекламном проспекте объемной скорости фильтрации 0.3 л/мин средняя скорость по­тока в порах <и> - 3.8 м/с, высота горизонтальных участков "пор" h -

• 6 мкм, количество "ступеней" 50, температура холодной воды 10°С.

Задача 50. Локальная очистка сточных вод экстракцией перед их направлением на биологическую очистку.

Каково должно быть соотношение обьемов сточной воды и диэтилового эфира для снижения концентрации фенола в сточной воде от 30 мг/л до ПДК (см. табл.38) при одноступенчатой экстракции? А если провести двухступенчатую экстракцию одинаковыми объемами свежего экстрагента? Какой тогда будет суммарный объем экстрагента? А если еще увеличить количество ступеней?

Коэффициент D распределения фенола в системе диэтиловыи эфир -- вода равен 44.

Задача 51. Критерии качества природных и сточных вод. Химическое потребление кислорода.

Химическое потребление кислорода (ХПК) в пробе воды, содержащей ацетон с концентрацией 1000 мг/л, равно 15DD мгОг/л. Известно, что до­ля окисленного дихроматом калия органического вещества зависит от его начальной концентрации, температуры, времени протекания реакции, кон­центрации дихромата калия, наличия катализатора. Какова доля окислен­ного дихроматом калия ацетона при стандартных условиях проведения опы­та (H2SO4, К2СГ2О7, катализатор Ав^Од, кипячение 2 часа)?

Пояснение. При решении задачи нужно опираться на уравнения двух реакций. Реальная реакция, протекающая в растворе,

3 СН3СОСН3 +. 8 СГ2О7²" + 64 Н⁺ - 9 С0₂ + 16 Сг^э+ + 41 НгО .

Уравнение реакции для пересчета результата на ХПК

СН3СОСН3 + 4 02 - 3 СО2 + 3 Н₂0 .

Задача 52. Критерии качества природных и сточных вод. Биологичес­кое потребление кислорода.

Мочевина (карбамид угольной кислоты) (NH₂)2C0 является конечным продуктом метаболизма белков в организме животных. Допустим, что аэ­робные бактерии разлагают ее следующим образом:

(NH₂)2C0_(B) + 40₂(в) - 2N0₃~<_B) + С02(_в) + 2Н⁺(_В) + Н₂0 .

Определите БПК_Полн воды, в 3*10⁴ литрах которой содержится 30 г мочевины.

Задача 53. Критерии качества природных и сточных вод. Биологичес-

кое потребление кислорода.

В состав большинства моющих средотв входит в качестве синтетичес­кого поверхностно - активного вещества (СПАВ) следующий органический анион:

Слаборазветвленный гид­рофобный фрагмент иона

\ J

Гидрофильный фрагмент иона

Допустим, что аэробные бактерии полностью разлагают эти анионы следующим образом:

2 CieH2o03S" + 51 02 - 36 С0£ + 28 НгО + 2 Н"*" + 2 SQ4²" .

Определите полное ЕПК образца воды, в 100 л которой содержится 1 г этого вещества.

Примечание. Неразветвденные адкидбензосульфонаты (как в данном примере) сравнительно неустойчивы к биораэдожению. Чем сильнее развет­влена алкильная группа, тем труднее бактериям отцепить ее. Сильнораэ-ветвденные алкидбензосульфонаты вообще не подвергаются биоразложению, и поэтому их не рекомендуется использовать в составе моющих средств.

Задача 54. Критерии качества природных и сточных вод. Биологичес-

кое потребление кислорода.

Два образца сточных вод объемом по 10 мл разбавлены до объема 300 мл каждый аэрированной дистиллированной водой, в которую добавили также такое количество биогенов, чтобы обеспечить полное биохимическое окисление любых биоразложимых органических веществ, присутствующих в оточных водах. После этого один образец сразу же проанализировали на растворенный в нем кислород, а второй проанализировали после того, как его выдержали в течение 5 дней при температуре 20°С. Первый анализ по­казал, что концентрация растворенного кислорода в образце равна 7.9 мг Ог/л. Второй анализ, выполненный через 5 дней после первого, показал, что в литре образца осталось 1.40 мг растворенного кислорода. С учетом разбавления образцов вычислите ЕПКь анализируемой сточной во­ды.

Задача 55. Критерии качества природных и сточных вод. Биологичес­кое потребление кислорода. _t

На очистные г. Обнинска ежедневно поступает 50 ООО ы³ сточной во­ды. ЕПКб сточной воды после первичных отстойников (перед аэротенком) составляет 100 мг/л, а перед вторичными отстойниками - 15 мг/л. В аэ-ротенки подается воздух воздуходувками ТВ - 175 - 1.6 в отношении 6 - 8 м³ воздуха/м³ сточной воды. Какая доля подаваемого с воздухом кислорода используется в процессе биологического окисления органики в аэротенках? См. также табл.2.

Задача SB. Критерии качества природных, питьевых и сточных вод. жесткость воды.

Определите общую, карбонатную и некарбонатную жесткость, если ГСа²⁺3 - 40 мг/л, Шв**1 - 25 мг/л, ГНСОэ'З - 70 мг/л.

Задача S7. Умягчение воды.

В пресной воде, которую предполагается использовать для горячего водоснабжения, концентрация Са²⁺ составляет 2.2*10^-3 М, а концентрация НСОэ" - 1.3*10"³ М. Катионов магния нет.

Какие количества Са(0Н)г и NagCOs (в молях) нужны для уменьшения содержания Са²⁺ в 4 раза.

Какова общая жесткость Молл воды до и после обработки? Зачем в исходной воде перед ее нагреванием нужно уменьшать жесткость?

Пояснение 1. Из условия задачи следует что часть кальция в воде содержится в составе Са(НС0з)г, а другая часть- в составе другой соли, например, CaCIg.

Пояснение 2. Са(0Н)г добавляется для перевода анионов НСОз" в СОз²".

Пояснение 3. После добавления Са(ОН)г в растворе увеличивается количество катионов Са²⁺. Имеющегося количества анионов С0з²~ для оса­ждения Са²⁺ в составе СаСОз недостаточно. И добавочное количество ка­рбонат-ионов вносится вместе с содой.

Задача 58. Влияние рН на соотношение в воде растворимых и нерас­творимых форм ртути.

В придонном иле водоема питьевого и хозяйственно-бытового назна­чения обнаружена примесь слаборастворимого HgOMteO. В результате выпа­дения кислотных дождей рН воды в водоеме постепенно уменьшается. При каких рН концентрация катионов Нг²⁺ в водоеме превысит ПДК(Не²⁺)?

См. также табл.33 и 39.

Задача 99. Влияние рН и других факторов на соотношение в воде растворимых и нерастворимых форм свинца.

Свинец в составе тетраэтидсвинца (ТЭС) добавляют к бензину для более спокойного сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания. По имеющимся оценкам (на 1995г.) в РФ с выхлопными гагами автомобилей в атмосферу ежегодно выбрасывалось 4000 т свинца. Большая часть этих выбросов сосредоточена в городах, где концентрация свинца в воздухе, дождевой воде и выращенных поблизости сельскохозяйственных продуктах оказывается выше допустимого уровня. В таких местах уровень содержания свинца в крови детей тоже повышен, и полагают, что это снижает их ум­ственные способности.

В равных странах снижают содержание свинца в бензине, красках для бытовых нужд, в отходах заводов по переработке свинца. Подвергают спе­циальной обработке также и питьевую воду из природных источников, что­бы снизить в ней содержание растворенного свинца. В последние годы по­чти полностью отказались от применения водопроводных свинцовых труб и стыковочных уплотнительных прокладок из свинца. Однако на Украине все еще есть водопроводы со свинцовыми трубами.

Поясните, как влияет на максимально возможное содержание раство­ренного свинца в питьевой воде изменение ее рН и жесткости, а также содержание хлорид-, сульфат- и сульфид-ионов? При каких условиях может быть превышено значение ПДК(РЬ)? См. также табл.33 и 39.

Задача 60. Очистка сточных вод с использованием реакций осаждения.

Свинец содержится в сточных водах многих производств, в том чис­ле горных производств, производства сталей, аккумуляторов, печатных шрифтов, пигментов, топлив, фотоматериалов, взрывчатых веществ, стекла и телевизионных трубок. Обработку таких сточных вод осуществляют на локальных очистных путем выделения свинца в составе слаборастворимых соединений с последующим осаждением этих соединении в отстойниках. В качестве химических осадителей используют гашеную известь (гидроксид кальция), каустическую соду (гидроксид натрия), кальцинированную соду (карбонат натрия), ортофосфат натрия. После локальной очистки произ­водственные сточные воды обычно сбрасываются в канализацию бытовых сточных вод и направляются на биологическую очистку. См. также табл.33 и 39.

1). Составьте уравнения реакций (в молекулярной и в ионно-молеку­лярной формах) образования слаборастворимых соединений свинца.

2). Определите содержание свинца в сточной воде после ее обработ­ки эквивалентным количеством осадителя и при двухкратном его избытке.

3). Соответствуют ли концентрации свинца в сточных водах после их обработки вышеприведенными реагентами величинам ЦЦК для сточных вод перед их направлением на биологическую очистку?

4). Как влияет уменьшение рН раствора на осаждение свинца в каж­дом из рассмотренных случаев?

Задача 61. Обессоливание воды с использованием обратного осмоса.

Под каким давлением нужно подавать морскую воду в установку об­ратного осмоса для получения обессоленной воды? Температура Т - 25°С.

Пояснение. Осмотическое давление зависит от суммы молярных кон­центраций всех примесных частиц (молекул и ионов) в воде и вычисляет­ся по формуле Р₀см "2. Cui RT (табл.25).

Задача 62. Очистка воды с использованием ионообменников.

Эффективность очистки воды от катионов тяжелых металлов с помощью катионитов с увеличением рН сначала увеличивается, а затем уменьшает­ся. Поясните причину этого явления.

Почему в системе ионообменной фильтрации сначала ставят катионит-ный, а затем - ионитный фильтр ([163, стр.44)?

Задача 63. Очистка воды с использованием ионообменников.

Каким должно быть соотношение объемов катионита КУ-2-8 и анионита АВ-18-8 в системе ионообменной очистки, чтобы у обоих последовательно расположенных фильтров были одинаковыми циклы ионообменной адсорбции (табл.23)?

Задача 64. Очистка воды с использованием ионообменников.

Какое количество объемов морской воды можно очистить от катионов натрия, калия, магния и кальция одним объемом катионита КУ-2-8 в ста­тических условиях?

Какое количество объемов морской воды можно очистить от хлорид-, сульфат- и гидрокарбонат-ионов одним объемом анионита АВ-18-8 (табл.23 и 25)?

Задача 65. Умягчение воды с помощью ионообменников.

Пусть общая жесткость воды Ж - (С₃(Са*⁺) + C_s(Me²⁺))*10³ »

- 10 ммоль/л. Сколько объемов такой воды можно очистить от катионов кальция и магния одним объемом катионита КУ-2-8 в статических услови­ях? Составьте уравнение реакции ионного обмена.

Задача 66. Умягчение воды с помощью ионообменников.

Какой объем У_аод воды можно умягчить с помощью ионообменного фильтра с катионитом КУ - 2 - 8 за один цикл фильтрации? Концентрации C(Ca²ⁱ") » 90 мг/л, ССМе²¹") - 30.44 мг/л. Высота слоя катионита h- 2 м, линейная скорость обрабатываемой воды перед слоем катионита и- 25 и/ч. См. также табл.23.

Как и почему изменяется динамическая объемная емкость ионитов с изменением скорости фильтрации?

При каких рН можно проводить процесс умягчения с помощью катионо-обменных фильтров? Для ответа на вопрос нужно определить рН начала гидрокеидобразования для кальция и магния.

Чему равна продолжительность цикла фильтрации t_u.<j,.?

Какой объем 57. раствора НШз потребуется для регенерации 807. ак­тивных центров катионита ([15], стр.89).

Задача 67. Регенерация катионообменников.

Для сильнокислотных катионитов ряд катионов, расположенных в по­рядке уменьшения коэффициента очистки Ко_Ч, имеет вид

Fe³\ Са²\ К\ Н⁺.

Между тем для регенерации катионитов используют сильные кислоты, т.е. катионы Н⁺. Разрешите кажущееся противоречие.

Задача 68. Диоксины и фенольные вещества в питьевой воде.

Известно, что диоксины - самые сильные яды, созданные руками че­ловека. Они подавляют имунную систему, являются причиной появления де­тей-уродов. Диоксины - детище устаревших технологий. А такие техноло­гии у нас сегодня - повсеместно. Поступление диоксинов в организм про­исходит ежедневно с воздухом, питьевой водой, с пищей. Зато из органи­зма человека диоксины выводятся за 5 -6 лет и то лишь наполовину.

Назовите причины появления диоксинов в питьевой воде централизо­ванного водоснабжения. Каким образом можно удалить диоксины и феноль­ные вещества из воды? Удаляются ли диоксины и фенольные вещества из питьевой воды при существующей технологии ее очистки? А каким образом диоксины попадают в питьевую воду из колодцев?

4<<

Задача 69. Очистка сточных вод в Биологических прудах. , Биологические пруды предназначены для очистки малых количеств слаоозагряэненных вод в естественных условиях. Они применяются также как сооружения доочистки сточных вод, прошедших обработку на установ­ках искуственной очистки. Изъятие загрязнений в прудах осуществляется за счет жизнедеятельности микроорганизмов, поступающих после сооруже­ний искуственной биологической очистки, а также зоопланктона, развива­ющегося непосредственно в самих прудах. Развивающиеся водоросли улуч­шают процесс обмена кислорода, и это положительно сказывается на жиз­недеятельности микроорганизмов. Кроме того, кислород поступает в водо­ем через свободную поверхность за счет естественной аэрации. На эффек­тивность работы биоценоза влияет температура сточной воды в водоеме.

В конструктивном отношении биологические пруды представляют со­бой искуственые относительно неглубокие водоемы. Они бывают с естес­твенной и с искуственной (механической или пневматической) аэрацией и рассчитаны на длительное время обработки сточной жидкости, в течение которого происходит процесс самоочищения. Принудительная аэрация био­прудов ускоряет насыщение очищаемой жидкости кислородом воздуха, а значит, интенсифицирует окислительные процессы. Кроме того, при искус-твенном насыщении увеличивается глубина проникновения кислорода в тол­щу жидкости, что дает возможность увеличить глубину водоема до 3- 4 м. Увеличение глубины биологических прудов уменьшает площадь поверхности зеркала водоема, тем самым экономя земельные угодья.

Время Очистки очистки сточной жидкости в биопрудах с естествен­ной аэрацией можно оценить с помощью выражения