Расчет и проектирование систем защиты окружающей среды. Часть 1. Теоретические основы

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
 
 
 
А.И. Комкин, Б.С. Ксенофонтов,  
В.С. Спиридонов 
 
 
 
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ 
ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 
  
 
В двух частях 
 
Часть 1. Теоретические основы 
 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана  
2011 

К63 
УДК 628.5:504.3 (075.8) 
ББК 20.18 
         К63 
 
 
 
Рецензенты: В. И. Шмырев, С. Г. Смирнов 
 
 
Комкин А. И. 
Расчет и проектирование систем защиты окружающей 
среды : учеб. пособие: в 2 ч. — Ч. 1 : Теоретические основы / 
А. И. Комкин, Б. С. Ксенофонтов, В. С. Спиридонов. — М.: 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 97, [3] с. : ил.  
Рассмотрены основы расчета и проектирования систем защиты 
окружающей среды от акустического и химического загрязнений. 
Приведены конструкции различных аппаратов систем защиты. Даны 
примеры расчета и необходимые справочные данные.  
Для студентов, изучающих курсы «Системы защиты среды обитания» и «Промышленная акустика». 
 
 
 
УДК 628.5:504.3(075.8) 
                                                                                         ББК 20.18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                               © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 
 
2

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Жизнедеятельность человека неизбежно сопровождается негативными воздействиями на окружающую среду, проявляющимися в 
различных формах: потребление природных ресурсов, внесение 
различных изменений в природные экосистемы, химическое и энергетическое загрязнение природной среды. Интенсивное загрязнение 
атмосферы Земли выбросами транспортных средств, промышленных предприятий и объектов теплоэнергетики не только ухудшает 
качество атмосферного воздуха, но также ведет к существенным 
изменениям на планетарном уровне: изменению климата, разрушению озонового слоя, возникновению кислотных дождей. Возрастание объемов потребления воды в промышленности и в энергетике 
сопровождается значительным увеличением количества загрязненных сточных вод, сбрасываемых в природные источники воды с 
соответствующим ухудшением ее качества. Функционирование 
промышленных и энергетических объектов сопровождается значительным акустическим загрязнением природной среды, которое 
особенно сильно проявляется в крупных промышленных центрах.  
В настоящее время наиболее эффективным методом защиты 
окружающей среды от техногенных загрязнений различных видов 
остается оснащение промышленных объектов системами очистки 
газовых выбросов и сточных вод, устройствами для снижения шума, излучаемого в окружающую среду. Принципы работы и основы 
проектирования таких аппаратов и устройств излагаются в курсах 
«Системы защиты среды обитания» и «Промышленная акустика».  
Учебное пособие предназначено для развития и закрепления у 
студентов практических навыков расчета и проектирования газоочистных аппаратов, аппаратов очистки сточных вод и устройств, 
снижающих уровни акустического загрязнения окружающей среды. 
Пособие состоит из двух частей. В первой части приведены основные зависимости, используемые для расчета систем защиты окружающей среды. Во второй — конструкции различных видов газо 
3

очистных аппаратов и аппаратов очистки сточных вод, изложены 
современные методы их расчета и проектирования, рассмотрены 
многочисленные примеры расчета очистного оборудования.  
1. ЗАЩИТА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА  
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 
1.1. Определение требуемой эффективности  
системы очистки дымовых газов  
Загрязняющие вещества антропогенного происхождения могут 
поступать в атмосферу Земли в виде газов, паров и аэрозольных 
частиц. Многие из них негативно влияют на здоровье и самочувствие людей. Воздействие загрязнений на организм человека зависит 
от их токсичности, концентрации в воздухе и продолжительности 
контакта человека с этими веществами. Для защиты здоровья людей 
от 
негативного 
воздействия 
загрязнений 
разработаны 
ГН 
2.1.6.695—98 (Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Гигиенические нормативы. М.: Минздрав России, 1998).  
При сооружении новых промышленных объектов осуществляют их экологическую экспертизу в целях определения предельно 
допустимого выброса qПДВ вредного вещества в окружающую (воздушную) среду, при котором концентрация этого вещества у поверхности земли не превысит концентрацию СПДК. При проведении 
такой экспертизы учитывают уже существующую фоновую концентрацию Сфон загрязнений в приземном слое окружающей местности 
и дополнительное количество этих веществ, поступающих в приземный слой в процессе рассеивания их в воздухе при выбросе через дымовую трубу высотой Н. Для горячих выбросов предельно 
допустимый выброс qПДВ, г/с:  
 


2
ПДК
фон
3
ПДВ
,
t
С
С
Н
q
q
T
АFmn




  
для относительно холодных (ΔТ ≈ 0): 
 
4

 


4 3
ПДК
фон
ПДВ
8
,
t
С
С
Н
q
q
AFmn
D



 
где qt — объемный расход выбросов на срезе трубы, м3/c; ΔТ — 
разность температур дымовых газов и окружающего воздуха, K; A, 
F, m, n и η — коэффициенты, определяемые ОНД—90 (Методика 
расчета рассеивания газообразных выбросов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1990); D — диаметр устья трубы, м. 
В случае если мощность выброса qm вредного вещества через 
дымовую трубу сооружаемого промышленного объекта превышает 
значение qПДВ, отводящий газоход оснащают установкой для очистки газов, требуемая эффективность которой определяется соотношением 
q
 
ПДВ
о
1
.
q


 
m
Дымовые газы, как правило, характеризуются сложным составом, содержат взрывоопасные компоненты и имеют высокую температуру, поэтому газоочистные установки представляют собой сложные многоступенчатые системы, состоящие из последовательно установленных аппаратов, обеспечивающих решение различных задач. 
 
 
Рис. 1.1. Классификация пылеуловителей 
 
5

В общем случае системы газоочистки должны содержать устройства для дожигания взрывоопасных компонентов смеси (Н2, 
СО), теплообменные аппараты (кулер, котел-утилизатор, водяной 
охладитель), снижающие температуру очищаемых газов до допустимых эксплуатационных значений газоочистных аппаратов, пылеуловители (рис. 1.1) и аппараты для обезвреживания газообразных 
загрязнений. Движение очищаемых газов через систему газоочистки, обладающей значительным гидравлическим сопротивлением, 
обеспечивается дымососом, устанавливаемым в газоходе перед рассеивающей дымовой трубой. 
1.2. Параметры газовых смесей 
Выбросы промышленных предприятий, как правило, представляют собой аэрозоли, дисперсионная фаза которых образована смесью различных газов. Расчет аппаратов систем очистки проводят с 
использованием следующих основных параметров: плотность ρ, 
динамическая вязкость μ, молярная масса M и т. п. Параметры газовых смесей зависят от давления р, Па, температуры Т, K, и компонентов смеси. Состав газовых смесей обычно задают в объемных φi 
или в молярных yi долях, численно равных между собой. Интегральные параметры газовой смеси, состоящей из i компонентов, 
определяются следующими соотношениями: 
молярная масса, кг/кмоль,  
 
Mг  ΣφiMi;  
плотность, кг/м3, 
 
г
г
;
pM
RT

 
динамическая вязкость, Пас,  
 
г
г
;
M
M


  
i
i
i
массовая доля i-го компонента  
М
g
М


 
 
;
i
i
i
i
i
 
6

удельная теплоемкость, кДж/(кгK),  
 
cm  Σgiсmi, 
где R  8314 Дж/(кмольK) — универсальная газовая постоянная.  
Динамическая вязкость i-го компонента смеси в соответствии с 
формулой Сатерленда 
 
273,
273
C
T
C
T








  
1,5
С
0
С
i
i
i
i
где μ0i — динамическая вязкость газа при t  0 С, Па·с; ССi — константа Сатерленда для i-го компонента смеси, K. 
Ниже приведены значения μ0i и ССi для наиболее распространенных компонентов промышленных газовых выбросов в атмосферу Земли: 
 
Газ 
................   Воздух  N2     O2     H2    NH3     H2O    CO2    CO    SO2      CH4 
μ0i105, Пас 
...   1,72     1,66  1,92  0,84   0,98     0,81    1,37   1,66   1,23      1,03 
ССi, K ............   122      107    126    85     270    1100     238    118    280      160 
1.3. Закономерности движения аэрозольных частиц 
Аэрозольные частицы могут присутствовать в выбросах промышленных предприятий в виде золы, пыли, дыма и мелкодисперсных капель жидкостей. Сепарацию этих частиц из потока газа осуществляют с помощью физических силовых полей (гравитационного, инерционного, центробежного, электростатического), а также с 
использованием фильтровальных перегородок различных типов. 
При расчете пылеулавителей аэродинамическую силу Fаэр, Н, действующую на аэрозольную частицу, движущуюся с постоянной 
скоростью wч, м/с, вычисляют по формуле 
 
2
г
ч
аэр
max
,
2
а
w
F
Z S


 
(1.1) 
где Zа — коэффициент аэродинамического сопротивления частицы; 
Smax — площадь наибольшего сечения частицы в плоскости, перпендикулярной направлению ее движения. 
 
7 

Величина Zа зависит от формы частицы и режима движения потока газа, определяемого числом Рейнольдса  
 
ч
ч
г
г
Re
,
l w 


  
где lч — характерный размер частицы.  
Для частицы сферической формы (характерный размер — диаметр dч) в области ламинарного движения (Re < 0,2), называемой 
областью Стокса, коэффициент Zа обратно пропорционален скорости и определяется законом Стокса:  
 
24 .
Re
a
Z 
 
В этом случае формула (1.1) принимает вид  
 
Fаэр  3πμгdчwч.  
В области турбулентного движения частиц сферической формы 
(500 < Re < 105), называемой областью Ньютона, коэффициент аэродинамического сопротивления — постоянная величина, определяемая соотношением 
 
Zа ≈ 0,44. 
Для переходной области движения (0,2 < Re < 500) частиц сферической формы используют эмпирические зависимости вида Zа  
 f 
(Re). К наиболее известным относится формула Клячко: 
 
3
24
4
.
Re
Re
a
Z 

 
Эта формула охватывает область движения частиц в диапазоне значений 2 < Re < 400 и характеризуется относительной погрешностью 
вычисления δ < 2 %. На базе формулы Клячко получен ряд эмпирических зависимостей, охватывающих более широкий диапазон значений числа Re, но характеризующихся и большей погрешностью 
вычисления коэффициента Zа. Наиболее простой является формула 
Шиллера — Кауманна [10], охватывающая область движения частиц в диапазоне значений 0,5 < Re < 800 и имеющая погрешность 
вычисления δ < 3 %. Эта формула имеет вид  
 
8 

 


0,687
24 1
0,150Re
.
Re
a
Z 

 
 (1.2) 
Скорость седиментации (оседания) в газах частиц размером 
dч < 50 мкм, соответствующую области ламинарного движения Re < 
< 0,2, согласно закону Стокса, вычисляют по формуле 
d g
w



 
(1.3) 
 


2
ч
ч
г
c
г
,
18
где g  9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести; ρч — плотность вещества частицы, кг/м3. 
Скорость седиментации частиц большего размера, движущихся 
в переходной области, можно рассчитать методом последовательных приближений по формуле 
d g
w
Z



  
(1.4)  
 


ч
ч
г
c
г
4
.
3
a
При использовании этого метода в качестве первого приближенного 
значения wc принимают значение, рассчитанное по формуле (1.3). 
Затем вычисляют число Re и определяют область движения частицы. Если число Re < 0,2, полученное значение скорости принимают 
в качестве истинного, если Re > 0,2, то вычисления продолжают в 
следующем порядке. По формуле (1.2) c помощью полученного 
значения числа Re определяют коэффициент Zа и, подставляя его в 
формулу (1.4), рассчитывают второе приближенное значение wc. 
Цикл расчета повторяют до тех пор, пока разность двух последующих значений wc не станет меньше заданной погрешности ее вычисления: |wc1 – wci+1| / wci+1 < δwc.  
Существует и другой более простой метод определения скорости седиментации аэрозольных частиц в газах, в котором используется число Архимеда  
 


3
ч
г
ч
г
2
г
Ar
.
gd




 
Согласно этому методу, скорость седиментации частиц в диапазоне 
значений Re < 105 с погрешностью δ < 5 % может быть вычислена 
по обобщенной формуле 
 
9

 
г
с
ч
г
Ar
,
с
w
a
d



 
 (1.5) 
где а и c — коэффициенты, зависящие от числа Ar: 
Число Ar ...........  
< 3,6     3,6–100     100–4000     4000–84000     > 84000 
а  ........................ 0,056      0,062           0,162             0,337                1,74  
с  .........................    1         0,91             0,718             0,632                 0,5 
 
Форма реальных частиц золы и пыли отличается от сферической, 
что ведет к росту коэффициента аэродинамического сопротивления 
Zа и уменьшению скорости седиментации. Поэтому значения скорости седиментации, полученные по формулам (1.3)—(1.5) в практических расчетах обычно уменьшают в 2 раза. 
Капли жидкостей диаметром dк, движущиеся со скоростью wк в 
газах, деформируются под действием динамического напора потока 
газа. В результате трансформации сферической формы капель в эллиптическую коэффициент аэродинамического сопротивления капель возрастает. Для учета этого явления используют число Вебера  
2
г
к
к
 
ж
We
,
w d



 
где σж — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м. 
Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления 
капель жидкости Zаж от числа Вебера при различных значениях 
числа Рейнольдса описывается соотношениями [9]: 
при Re < 100 
 
Zaж  Zак (1 + 0,03We)2; 
 (1.6) 
при Re > 700 
 
Zaж  Zак exp (0,03We1,5),  
(1.7) 
где Zак — коэффициент аэродинамического сопротивления капель 
жидкости сферической формы того же размера. 
В диапазоне значений 100 < Re < 700 коэффициент Zaж принимают равным среднему из значений, рассчитанных по формулам 
(1.6) и (1.7). 
Для чрезвычайно малых аэрозольных частиц (dч < 1 мкм), размеры которых сопоставимы с длиной свободного пробега λ молекул 
 
10