Анализ устройства системы очистки воды с расчетом параметров отстойника непрерывного действия производительностью 75 т/ч

Курсовая работа

по дисциплине ПРИРОДООХРАННЫЕ СИСТЕМЫ И СООРУЖЕНИЯ

на тему «Анализ устройства системы очистки воды с расчетом параметров отстойника непрерывного действия производительностью 75 т/ч»

Содержание

Введение

.        Аналитический обзор аппарата

.        Расчет отстойника непрерывного действия

Заключение

Список литературы

Введение

Отстаивание является наиболее простым и часто применяемым в практике способом выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дно отстойника или всплывают на его поверхность.

В зависимости от требуемой степени очистки сточных вод отстаивание применяется или в целях предварительной их обработки перед очисткой на других, более сложных сооружениях, или как способ окончательной очистки, если по местным условиям требуется выделить из сточных вод только нерастворенные (осаждающиеся или всплывающие) примеси.

В зависимости от назначения отстойников в технологической схеме очистной станции они подразделяются на первичные и вторичные. Первичными называются отстойники перед сооружениями для биологической очистки сточных вод; вторичными - отстойники, устраиваемые для осветления сточных вод, прошедших биологическую очистку.

Отстаивание - один из наиболее дешевых процессов разделения неоднородных систем, поэтому его часто используют для первичного разделения, что удешевляет его последующее, окончательное разделение смеси более сложными способами.

1. Аналитический обзор аппарата

Отстойники разделяются на три основных конструктивных типа в зависимости от направления движения воды - вертикальные, горизонтальные, радиальные. К отстойникам относят и осветлители, где одновременно с отстаиванием сточная вода фильтруется через слой взвешенного осадка, а также комбинированные сооружения - осветлители- перегниватели и двухъярусные отстойники, в которых наряду с осветлением воды осуществляется сбраживание и уплотнение выпавшего осадка.

Тип отстойника и его конструкцию следует выбирать в зависимости от производительности, концентрации и характера нерастворенных примесей в воде, способа обработки осадка, уровня стояния грунтовых вод, местных условий площадки строительства. В каждом конкретном случае выбор типа отстойников должен определяться в результате технико-экономического сравнения нескольких вариантов. Число первичных отстойников надлежит принимать не менее двух, вторичных - не менее трех. Вертикальные отстойники применяют при производительности очистной станции до 20 тыс.м³/сут, горизонтальные - свыше 15тыс.м/сут, радиальные - свыше 20 тыс.м³/сут, осветлители- перегниватели - до 30 тыс.м³/сут, двухъярусные отстойники - до 10 тыс. м³/сут.

В большинстве случаев эффект очистки в отстойниках составляет 50-70 % при продолжительности отстаивания 1-3 ч; эффективность работы осветлителей достигает 70 %. Для улучшения отстаивания в сточную воду вводят коагулянты и флокулянты, способствующие увеличению скорости осаждения взвешенных частиц.

Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные в плане резервуары, выполненные из железобетона и оборудованные водораспределительными и водосборными устройствами (рис. 1.1). Вода поступает в отстойник с торцевой стороны. Для более равномерного распределения воды по сечению отстойника устраивают водораспределительные и водосборные устройства в виде поперечных водосливов, дырчатых перегородок и желобов.

Рис. 1.1. Горизонтальный отстойник 1 - водоподводящий лоток; 2 - привод скребкового механизма; 3 - скребковый механизм; 4 - водоотводящий лоток; 5 - отвод осадка.

отстойник грубодисперсный примесь радиальный

В отстойнике каждая частица движется с потоком воды в горизонтальном направлении со скоростью V и вниз под действием силы тяжести со скоростью и_о. Таким образом, скорость перемещения каждой частицы будет представлять равнодействующую двух этих скоростей. В отстойнике успеют осесть только те частицы, траектория которых пересекает дно отстойника в пределах его длины.

Вертикальные отстойники представляют собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем, образующим емкость для накопления осадка. Различные типы вертикальных отстойников отличаются конструкцией впускных и выпускных устройств. Наиболее распространенным типом является отстойник с впуском воды через центральную трубу, снабженную в нижней части раструбом и отражательным щитом

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары диаметром от 18 до 50 м и более. Они предназначены для очистки больших количеств сточных вод с высоким содержанием взвесей (более 2000 мг/'л).

Известны радиальные отстойники трех конструктивных модификаций - с центральным или периферийным впуском воды и вращающимся сборно-распределительным устройством (УВР).

В отстойниках с центральным впуском (рис.1.2), вода поступает по центральной трубе снизу вверх, а затем движется от центра к периферии. Скорость течения при этом меняется от максимальной в центре до минимальной на периферии, на середине радиуса она составляет 5- 10 мм/с. Глубина проточной части отстойника 1,5-5 м, отношение диаметра к глубине D:H-6-12 (до 30). Эффективность осаждения в них составляет 60 %.

Осадок, выпавший на дно отстойника, сгребается скребковым механизмом, укрепленным на вращающейся ферме, 1с приямку, расположенному в центре, откуда удаляется насосом или под действием гидравлического давления. В отстойниках с периферийном впуском воды достигается в 1,3-1,6 большая производительность, чем в обычных радиальных отстойниках. Распределительное устройство представляет собой периферийный кольцевой лоток с зубчатым водосливом или щелевыми донными отверстиями и полупогруженную перегородку, которые образуют с бортом отстойника кольцевую зону, где происходит быстрое гашение энергии входящих струй, выделение и задержание плавающих веществ. Вода входит в рабочую зону отстойника через кольцевое пространство, образуемое нижней кромкой перегородки и днищем, а отводится через центральную трубу.

Рис.1.2. Радиальный отстойник 1 - труба для подачи воды; 2 - скребки; 3 - распределительная камера; 4 - приямок для сбора осадка; 5 - водосчив, 6 - отвод осадка

Отстаивание происходит под действием силы тяжести, :

где  - масса частицы, кг;

 = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

Различают аппараты периодического, непрерывного и полунепрерывного действия. Непрерывно действующие отстойники подразделяют на одноярусные, двухъярусные, многоярусные.

Периодически действующие отстойники представляют собой низкие бассейны без перемешивающих устройств. Такой отстойник заполняют суспензией, которая остается в состоянии покоя в течение определенного времени, необходимого для оседания твердых частиц на дно аппарата. После этого слой осветленной жидкости сливают через патрубок (штуцер) или кольцевой желоб, расположенные выше уровня осевшего осадка . Патрубок - короткая труба отвода пара, газа или жидкости. Штуцер - соединительный патрубок, обеспечивающий присоединение трубопровода к резервуарам, аппаратам, другим трубопроводам и т.п. Осадок обычно представляет собой подвижную текущую густую жидкую массу - шлам, который выгружают через верх аппарата или удаляют через нижний спусковой кран. Размеры и форма аппаратов периодического действия зависят от концентрации взвешанных твердых частиц (например массовой концентрации,  (кг тв. частиц / кг системы), их размеров (- эквивалентный диаметр твердых частиц, м). Чем крупнее частицы и чем больше их плотность (, кг/ м³) тем, меньший диаметр ( м) может иметь аппарат. Скорость отстаивания существенно зависит от температуры , с изменением которой изменяется вязкость жидкости, характеризуемая  - динамическим коэффициентом вязкости жидкости, Па * с. Скорость осаждения обратно пропорциональна , а величина последнего уменьшается с увеличением температура,

Для отстаивания небольших количеств жидкости применяют отстойники в виде цилиндрических вертикально установленных резервуаров с коническим днищем, имеющими кран или люк для разгрузки осадка и несколько кранов для слива жидкости, установленных на корпусе на разной высоте.

Для отставания значительных количеств в жидкости, например для очистки сточных вод, используют бетонные бассейны больших размеров или несколько последовательно соединенных резервуаров, работающих полунепрерывным способом: жидкость (вода) поступает и удаляется непрерывно, а осадок (шлам) выгружают из аппарата периодически.

Отстойники непрерывного действия нашли широкое распространение в производственной практике. Наиболее типичны - отстойники непрерывного действия с гребковой мешалкой (рис. 1.3). Они представляют собой невысокие (относительно диаметра, ) цилиндрические резервуары 1 со слегка коническим днищем и внутренним кольцевым желобом 2 (вдоль верхнего края аппарата) для сбора осветленной жидкости.

Рис. 1.3 Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой

- цилиндрическая часть корпуса; 2 - кольцевой желоб; 3 - мешалка гребковая; 4 - лопасти мешалки; 5 - штуцер подачи исходной суспензии (входной штуцер); 6 - штуцер вывода осветленной жидкости; 7 - разгрузочное устройство для осадка (шлама); 8 - электродвигатель.

В резервуаре установлена мешалка 3 с наклонными лопастями 4, на которых расположены гребки для непрерывного перемещения осаждаемых частиц к разгрузочному устройству 7. Одновременно гребки слегка взбалтывают осадок, способствуя этим его обезвоживанию. Мешалка вращается медленно (0,015  0,5 оборотов в минуту), и не нарушает процесса осаждения. Исходная жидкая смесь непрерывно поступает через патрубок (штуцер) 5 в середину резервуара. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб 2 и удаляется через штуцер 6. Осадок (шлам) - текущая сгущенная суспензия (концентрация твердой фазы обычно не превышает 60%) удаляется из резервуара при помощи диафрагмового насоса. Вал мешалки приводится во вращение от электродвигателя 8 через редуктор.

Достоинства отстойника непрерывного действия с гребковой мешалкой:

) непрерывность функционирования;

) высокая производительность (до 3000 т/сутки осадка);

) равномерная плотность осадка;

) возможность регулирования плотности осадка путем изменения производительности;

) более эффективное обезвоживание, осадка благодаря наличию гребковой мешалки;

) работа отстойника может быть полностью автоматизирована.

К недостаткам этих аппаратов следует отнести их громоздкость. Гребковые нормализированные отстойники имеют диаметр от 1,8 до 30 м., а при очистке больших объемов воды, отстойники достигают в диаметре 100 м. В табл. 1.1 приведены данные по геометрическим параметрам этих отстойников.

Таблица 1.1 Числовые значения геометрических параметров отстойников непрерывного действия

При наличии нескольких последовательно соединенных отстойников можно удалить из осадка до 98% жидкости. Но при необходимости установки ряда отстойников значительных диаметров занимаемая ими площадь будет велика. В целях уменьшения этой площади применяют многоярусные отстойники, состоящие из нескольких аппаратов, установленных друг над другом

Многоярусные аппараты, представляют собой несколько отстойников, поставленных друг на друга и имеющих общий вал для гребковых мешалок. Многоярусность существенно усложняет конструкцию аппарата.

Несложны по конструкции и обладают большой поверхностью отстойники непрерывного действия с коническими полками (рис. 1.4). Поступающая в аппарат суспензия распределяется по каналам между коническими полками, на поверхности которых осаждаются твердые частицы. Осадок сползает по наклонным полкам к стенкам корпуса и затем перемещается в нижнюю часть аппарата, откуда удаляется. Осветленная жидкость поступает в центральную трубу и выводится из верхней части аппарата.

Уровень жидкости

Осадок (пульпа) коническими полками

Рис. 1.4 Отстойник непрерывного действия

Помимо большой поверхности осаждения к достоинствам отстойников этого типа относятся отсутствие движущихся частей и простота обслуживания. Однако влажность шлама в них больше, чем в отстойниках с гребковой мешалкой.

На рис. 1.5 показан отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий. Он представляет собой горизонтальный резервуар с перфорированной перегородкой 2, которая предотвращает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат. Поперечное сечение отстойника выбирают таким, чтобы скорость течения жидкости в корпусе 1 аппарата не превышала нескольких миллиметров в секунду и режим течения был ламинарным, что предупреждает смешение фаз и улучшает процесс отстаивания. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противоположной стороны отстойника. Трубопровод для вывода тяжелой фазы соединен с атмосферой для предотвращения засифонивания.

                                                                                            Легкая фаза

Эмульсия                                                                         Тяжелая фаза

Рис. 1.5 Отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий:

-корпус;

Целью выполнения курсовой работы по данной теме является определение геометрических параметров (диаметра,  высоты, поверхности осаждения, ) отстойника непрерывного действия и затрат электроэнергии на подачу в него загрязненной воды по числовым значениям заданных исходных данных.

2.      Расчет отстойника непрерывного действия

При расчете отстойников основываются на величине скорости осаждения самых мелких частиц суспензии. Размер частиц характеризует числовое значение эквивалентного диаметра частицы - , м (или мкм).

На первом этапе следует определить скорость осаждения  (м/с) шарообразной частицы

 (2.1)

где  - диаметр шарообразной частицы, м; ( = 15 мкм = 15 м);

 - плотность частицы, кг/м³; (2600 кг/м³ );

 - плотность жидкой среды, кг/м³; (1000 кг/м³ );

 - динамический коэффициент вязкости среды (в нашем случае - воды) Па * с. (1 Па * с );

g - ускорение свободного падения (g = 9.81 м/).

 = 196.2

После определения величины  определяем режим осаждения по значению числа Рейнольдса ():

 рассчитывают по формуле:

 (2.2)

 = = 0.0029

  0,2, следовательно режим осаждения ламинарный и среднюю скорость стесненного осаждения многих частиц можно принять:

 (2.3)

= 0,5= 98,1 м/с

По  рассчитываем площадь (поверхность) осаждения

 (2.4)

где: 1,3 - коэффициент запаса поверхности, учитывающий неравномерность распределения исходной суспензии по всей площади осаждения, вихреобразование и другие факторы производственных условий;

- массовый расход исходной суспензии, кг/с (75 т/ч = 20,8 кг/с);

 - плотность осветленной жидкости, кг/м³;

- скорость осаждения частиц суспензии, м/с (98,1 м/с);

- удельное содержание твердых частиц соответственно в исходной смеси и осадке, массовые доли, кг тв. частиц / кг системы(= 0,05 кг/кг, = 0,50 кг/кг.)

В нашем случае принимаем: , поскольку средой является вода температура которой колеблется в пределах 5 - 20⁰ С.

F = 1.3 = 1.3 м² = 248.04 м²

По рассчитанному значению  согласно данным табл. 1.1 подбираем стандартный отстойник непрерывного действия поверхность которого превышает рассчитанную, выписываем числовые характеристики его диаметра  (м) = 18.0 м, высоты  (м) = 3.2 м, площади  (м²) = 254 м². В разделе «заключение» курсовой работы эти параметры представляем в таблице 3.1.

Формула расчета затрат электроэнергии на подачу воды имеет вид:

 (2.5)

где  - мощность потребляемая электродвигатели насоса, кВт;

 - объемный расход воды, м³/с;

 - повышение давление, сообщаемое насосом перекачиваемому потоку и равное полному гидравлическому сопротивлению сети, Па;

 - напор создаваемый насосом, м;

 - плотность воды, кг/м³;

 = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

- общий к.п.д. насосной установки. Принимаем = 0,5

 определяем по формуле:

 (2.6)

где  - массовый расход суспензии, поступающий в отстойник, кг/с

(75 т/ч = 20,8 кг/с);

 - плотность суспензии на входе в отстойник, кг/м³

При малых значениях  (т.е.   0).

 10³ кг/м³

То есть в предварительных расчетах можно принять  = 1000 кг/м³

Следовательно, равно:

= =0.0208 м³/с

Величину  определяем по формуле:

 (2.7)

где  - повышение давление, сообщаемое насосом прикачиваемому потоку и равное полному гидравлическому сопротивлению сети, Па;

 - коэффициент трения, безразмерный (его значение зависит от режима течения и шероховатости стенок трубы  мм) (0.015);

 - длина трубы, м (800 м);

- эквивалентный диаметр канала, м (для трубы круглого сечения: ) (0,2 м);

 - коэффициент местного сопротивления, безразмерный.

Значения коэффициентов  в общем случае зависят от вида местного сопротивления и режима движения жидкости (Вентиль нормальный 1 шт. = 4,7;

колено 90⁰ 4шт. = 42 = 8;)

 - плотность воды, кг/м³ (1000 кг/м³ );

 - линейная скорость потока воды, м/с;

 в нашем случае равно нулю.

Определим линейная скорость потока воды  по формуле:

 =  ; (2.8)

 =  = 0.66 м/с.

Величина  будет иметь следующий вид:

 =  = 16051 Па.

Затраты электроэнергии на подачу воды  будут равны:

 =  = 0,66 кВт.

Заключение

По результатам проведенного аналитического исследования подобраны стандартный отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой, трубы подачи загрязненной воды в отстойник, центробежный насос подачи воды.

Таблица 3.1 Рассчитанные параметры и технические характеристики выбранного стандартного оборудования.

параметры стандартные: - поверхность (площадь) `, м²

- диаметр, м

высота, м254 м²

.0 м

Рассчитанные параметры: - необходимое повышение давления, , Па

расчетное потребление электроэнергии,  кВт16051 Па

Техническая характеристика выбранного насоса: Подача (объемный расход), `, м³

напор,  м перекачиваемой воды

коэффициент полезного действия насосной установки,

мощность электродвигателя, N`, кВт2.5 м³/с

13 м

,7

Выбранный насос может работать с большим электропотреблением, но по рассчитанным параметрам нет возможности выбрать другую марку насоса.

Список литературы

1.       Бахшиева Л.Т., Захарова А.А., Кондауров Б.П. Процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие для вузов/под ред. Захаровой А.А. <http://shop.top-kniga.ru/books/item/in/244952/> - М.: ИЦ «Академия», 2006 - 528 с.

.        Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды <http://www.librus.ru/biological-sciences/ecology/23175-inzhenernye-metody-zaschity-okruzhayuschey-sredy.html>. - Барнаул: изд-во ГИПП "Алтай", 2000 - 391 с.

3.       Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). Романков Г.П., Фролов В.Ф., Флисюк О.М - СПб.: Химиздат., 2009 - 544 с.

4.       Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Дытнерский Ю. И., Борисов Г. С., Брыков В. - М.: ИД «АЛЬЯНС <http://www.colibri.ru/pubinfo.asp?ch=1&cod=3188>», 2010 - 496 с.