Готовый пример курсовой работы «Проектирование установки очистки газов» с расчетами

Введение. Постановка инженерной задачи и актуальность проекта

Промышленные выбросы в атмосферу представляют собой одну из наиболее острых экологических проблем современности. Загрязнители, такие как пары органических растворителей, сернистые соединения или диоксид углерода, наносят вред окружающей среде и здоровью человека, что требует разработки и внедрения эффективных систем очистки. Эта курсовая работа посвящена решению конкретной инженерной задачи — проектированию промышленной установки, способной обеспечить глубокую очистку отходящих газов от заданного токсичного компонента до соответствия строгим экологическим нормативам.

Цель проекта — не просто выбрать, а детально рассчитать и спроектировать технологическую линию, обосновав каждое принятое решение с инженерной точки зрения. Актуальность такой работы определяется как ужесточением природоохранного законодательства, так и стремлением предприятий к оптимизации производственных процессов и снижению экологического следа.

Раздел 1. Аналитический обзор существующих методов очистки газов

Для решения задач газоочистки в промышленности применяется целый ряд технологий, выбор которых зависит от состава газа, концентрации примесей и требуемой степени очистки. Ключевое место среди них занимают два процесса: абсорбция и адсорбция.

• Абсорбция — это процесс поглощения компонента газа жидким поглотителем (абсорбентом). Она бывает физической, когда газ растворяется в жидкости, и химической, когда он вступает с ней в реакцию. В качестве абсорбентов для кислых газов (например, H₂S, CO₂) часто применяют водные растворы аминов. Процесс реализуется в таких аппаратах, как насадочные и тарельчатые абсорберы.
• Адсорбция — это процесс концентрирования вещества на поверхности твердого поглотителя (адсорбента). Этот метод особенно эффективен для улавливания примесей при их низкой концентрации. Наиболее распространенными адсорбентами являются активированный уголь и цеолиты. Процесс проводится в адсорберах, которые могут быть, например, с неподвижным слоем поглотителя.

Помимо этих методов, существуют и другие, например, термическое дожигание, каталитическая очистка, мембранное разделение и биологические методы. Однако именно абсорбция и адсорбция являются наиболее универсальными и широко применяемыми в промышленной практике благодаря своей эффективности и технологической отработанности.

Раздел 2. Обоснование выбора технологического решения

Выбор оптимальной технологии очистки — это всегда компромисс, основанный на анализе исходных данных. Ключевыми факторами, влияющими на решение, являются объемный расход газа, его температура, давление, а также начальная и требуемая конечная концентрация загрязнителя.

Для принятия обоснованного решения необходимо сравнить применимость рассмотренных методов к поставленной задаче. Например:

• Если речь идет об очистке больших объемов газа с высокой концентрацией кислого компонента (например, H₂S), наиболее целесообразной будет химическая абсорбция с использованием растворов аминов.
• Если же необходимо уловить пары органических веществ, присутствующие в газе в низкой концентрации, то неоспоримым преимуществом будет обладать адсорбция на активированном угле.

Важным критерием при выборе абсорбционного метода является поглощающая способность абсорбента — от нее напрямую зависит расход реагента и, как следствие, эксплуатационные затраты. В рамках данного проекта, исходя из заданных условий (указать конкретные условия из задания), наиболее целесообразно применение метода [название выбранного метода], поскольку он позволяет достичь требуемой степени очистки при оптимальном соотношении капитальных и операционных расходов.

Раздел 3. Описание и принципиальная технологическая схема установки

После выбора технологии следующим шагом является разработка принципиальной технологической схемы, которая визуализирует последовательность операций и состав оборудования. Типовая схема газоочистной установки — это не просто один аппарат, а комплекс взаимосвязанных элементов, включающий массообменные аппараты, а также системы дозирования и контроля.

Рассмотрим примерную схему для адсорбционной очистки:

1. Предварительная очистка и подготовка: Загрязненный газовый поток сначала может поступать в циклон для отделения твердых частиц, чтобы предотвратить засорение адсорбента.
2. Охлаждение: Далее газ направляется в холодильник (кожухотрубчатый теплообменник), где его температура понижается до оптимальных значений для процесса адсорбции.
3. Основная очистка: Охлажденный газ поступает в один из параллельно работающих адсорберов, где происходит поглощение целевого компонента. Использование нескольких аппаратов обеспечивает непрерывность процесса: пока один работает, второй находится на регенерации.
4. Транспортировка газа: Движение газа по всей системе обеспечивает вентилятор (дымосос), установленный на выходе.

Эта схема наглядно демонстрирует логику процесса: от грубой предварительной очистки к тонкой финишной очистке с необходимой подготовкой потока по температуре.

Раздел 4. Исходные данные для проектирования

Для выполнения технологических расчетов необходимо четко зафиксировать все исходные параметры проекта. Этот перечень является основой для всех последующих вычислений.

• Производительность по очищаемому газу (Q): м³/ч
• Состав газовой смеси: объемные или массовые доли компонентов
• Начальная концентрация загрязнителя (C_нач): г/м³ или мг/м³
• Требуемая конечная концентрация загрязнителя (C_кон): г/м³ или мг/м³
• Температура газа на входе (T_вх): °C
• Давление газа на входе (P_вх): Па или атм
• Свойства загрязняющего вещества: Молярная масса (M), плотность и т.д.
• Свойства поглотителя (абсорбента или адсорбента): Плотность, насыпная масса, равновесная емкость и т.д.

Эти параметры, как правило, выдаются в задании на курсовую работу и являются ключевыми для всего процесса проектирования.

Раздел 5. Технологический расчет абсорбционной колонны. Часть 1, определение материальных потоков

Материальный баланс — это основа расчета любого массообменного аппарата. Его цель — определить, сколько загрязняющего вещества мы должны извлечь и сколько поглотителя для этого потребуется.

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определение массы извлекаемого компонента. Зная объемный расход газа и его начальную и конечную концентрацию, вычисляем массу загрязнителя (G_извл), которую необходимо поглотить в единицу времени (кг/ч или кг/с).
2. Определение удельного расхода абсорбента. Этот шаг основан на равновесных данных для системы «газ-жидкость». Минимальный расход абсорбента соответствует теоретическому случаю, когда уходящий из колонны абсорбент находится в равновесии с входящим газом.
3. Расчет рабочего расхода абсорбента. Рабочий расход всегда берут больше минимального (обычно в 1.2-1.5 раза), чтобы обеспечить необходимую движущую силу процесса. Это напрямую влияет на эффективность и размеры аппарата.

Ключевым параметром, определяющим расход, является поглощающая способность абсорбента, которая показывает, какое количество загрязнителя может поглотить единица массы или объема жидкости. Результатом этого этапа являются конкретные значения массовых потоков газа и жидкости, которые будут использоваться для дальнейшего расчета геометрии аппарата.

Раздел 6. Технологический расчет абсорбционной колонны. Часть 2, определение основных размеров аппарата

Зная материальные потоки, мы можем приступить к конструктивному расчету абсорбера — определению его диаметра и высоты.

1. Расчет диаметра колонны.

Диаметр (D) напрямую зависит от объемного расхода газа и его скорости. Скорость газа — критически важный параметр: слишком низкая скорость неэффективна, а слишком высокая может привести к уносу жидкости, «захлебыванию» колонны и резкому падению эффективности. Оптимальную линейную скорость газа выбирают на основе практических рекомендаций и рассчитывают диаметр по уравнению неразрывности потока. При расчете также учитывается свободный объем насадки, если используется насадочный абсорбер.

2. Расчет высоты слоя насадки.

Высота насадки (H) определяется из основного уравнения массопередачи. Для ее расчета необходимо последовательно найти:

• Движущую силу процесса: разность между рабочими и равновесными концентрациями, обычно выражается как среднелогарифмическая.
• Коэффициент массопередачи: это комплексная величина, характеризующая интенсивность переноса вещества. Его определяют с помощью безразмерных критериев подобия, таких как критерий Рейнольдса (Re), диффузионный критерий Прандтля (Pr) и критерий Нуссельта (Nu).

В результате мы получаем два главных конструктивных размера — диаметр и высоту аппарата, которые и являются целью технологического расчета.

Раздел 7. Технологический расчет адсорбера. Часть 1, определение статики и материального баланса

Расчет адсорбера начинается с анализа статики — равновесного состояния системы «газ-адсорбент». Это позволяет понять, какова теоретическая максимальная емкость выбранного адсорбента по отношению к нашему загрязнителю.

1. Расчет массы улавливаемого компонента. Аналогично абсорбции, первым шагом определяется производительность по извлекаемому компоненту (кг/ч).
2. Определение равновесной адсорбционной емкости (a*). Эта величина показывает, сколько загрязнителя может поглотить 1 кг адсорбента при заданных давлении и температуре. Ее находят по уравнению изотермы адсорбции (например, Лэнгмюра или Фрейндлиха). Для очень малых концентраций можно использовать закон Генри, определив коэффициент распределения.
3. Определение рабочей адсорбционной емкости (a_р). На практике адсорбент никогда не насыщают до равновесного состояния. Рабочую емкость принимают как долю от равновесной (обычно 50-80%), чтобы обеспечить достаточную скорость поглощения.
4. Расчет цикловой дозы адсорбента. Зная, сколько загрязнителя нужно уловить за один рабочий цикл (например, за 8 часов), и рабочую емкость адсорбента, можно легко рассчитать общую массу адсорбента, необходимую для загрузки в один аппарат.

Этот раздел закладывает фундамент для расчета реальных размеров адсорбера, работающего в динамических условиях.

Раздел 8. Технологический расчет адсорбера. Часть 2, определение динамики и конструктивных размеров

Динамика адсорбции описывает, как процесс протекает во времени в реальном аппарате с неподвижным слоем поглотителя. Цель этого расчета — определить размеры адсорбера, которые обеспечат его эффективную работу в течение заданного времени цикла.

Ключевые этапы расчета:

• Расчет времени защитного действия слоя. Это время, в течение которого слой адсорбента эффективно поглощает загрязнитель, не допуская его «проскока» (превышения допустимой концентрации на выходе).
• Определение высоты работающего слоя (L₀). Это зона внутри слоя адсорбента, в которой в данный момент времени происходит основной процесс массопереноса. Ее высота зависит от скорости газа, свойств адсорбента и загрязнителя.
• Расчет полной высоты слоя адсорбента (L). Полная высота рассчитывается с запасом, чтобы гарантировать, что «проскок» не наступит раньше запланированного времени окончания цикла.
• Расчет диаметра адсорбера. Диаметр аппарата определяется исходя из объемного расхода газа и допустимой скорости потока в слое.
• Расчет гидравлического сопротивления слоя. Этот параметр крайне важен для последующего подбора вентилятора, который должен быть способен «прокачать» газ через плотный слой адсорбента.

Выполнение этих расчетов является центральной частью проекта по проектированию адсорбционной установки.

Раздел 9. Подбор и расчет вспомогательного оборудования

Промышленная установка — это комплексная система, и ее работоспособность зависит не только от основного аппарата. Проектирование было бы неполным без подбора вспомогательного оборудования.

• Транспортное оборудование. На основе рассчитанного расхода газа и общего гидравлического сопротивления всей системы (включая сопротивление адсорбера/абсорбера, теплообменника, трубопроводов) по каталогам подбирается вентилятор или дымосос необходимой производительности и напора. Для подачи жидкого абсорбента по его расходу и требуемой высоте подъема подбирается насос.
• Теплообменное оборудование. Если по технологии требуется охлаждение газа (как в примере со схемой адсорбции), выполняется укрупненный тепловой расчет и подбирается подходящий теплообменник (например, кожухотрубчатый).
• Оборудование для предварительной очистки. Если в газе присутствует пыль, как было упомянуто ранее, необходимо подобрать циклон или фильтр для ее улавливания.

Этот раздел демонстрирует комплексный подход, показывая, что спроектирована не просто пара аппаратов, а целостная и функциональная технологическая линия.

Раздел 10. Краткая экономическая оценка проекта

Любое инженерное решение должно быть не только технически грамотным, но и экономически оправданным. В рамках курсовой работы этот раздел, как правило, носит укрупненный характер, но является обязательным.

Экономическая оценка включает два основных блока:

1. Капитальные затраты (CAPEX). Это единовременные вложения в проект. Они складываются из стоимости основного оборудования (адсорберы/абсорберы, теплообменники), вспомогательного оборудования (насосы, вентиляторы), а также затрат на монтаж, строительство и пусконаладочные работы.
2. Эксплуатационные затраты (OPEX). Это ежегодные расходы на поддержание работы установки. К ним относятся:
   • Стоимость электроэнергии для привода насосов и вентиляторов.
   • Стоимость реагентов (свежего абсорбента) или затраты на регенерацию адсорбента (например, стоимость пара).
   • Заработная плата обслуживающего персонала.
   • Расходы на текущий ремонт и обслуживание.

Даже упрощенная оценка этих показателей позволяет судить об экономической целесообразности предложенного проекта.

Заключение. Основные результаты и выводы по работе

В ходе выполнения данной курсовой работы была решена комплексная задача проектирования установки очистки промышленных газов. Были достигнуты следующие результаты:

• Проведен аналитический обзор и сравнение современных методов газоочистки.
• На основе исходных данных была аргументированно выбрана наиболее эффективная технология.
• Разработана и описана принципиальная технологическая схема установки.
• Выполнен полный технологический расчет основных аппаратов: определены их ключевые конструктивные размеры (диаметр и высота), обеспечивающие требуемую степень очистки. Например, спроектирован [абсорбер/адсорбер] диаметром X м и высотой Y м.
• Подобрано необходимое вспомогательное оборудование для обеспечения функционирования всей технологической линии.

Главный вывод: спроектированная установка полностью соответствует поставленной задаче, обеспечивает очистку газа до нормативных показателей и является технически реализуемой.

Список использованной литературы

Качественная курсовая или дипломная работа всегда опирается на надежные источники. Этот раздел должен содержать перечень всех учебников, справочников, научных статей, ГОСТов и каталогов оборудования, которые были использованы в процессе анализа методов, выполнения расчетов и подбора оборудования. Оформление списка должно соответствовать требованиям методических указаний вашего учебного заведения.

Список использованной литературы

1. Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. — М.: «Логос» Высшая школа, 2003, 1784 с.
2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, в 2-х кн. Часть 1. 2002, 342 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973, 752 с.
4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, в 2-х кн. Часть 2. 2002, 368 с.
5. Романков П.Г. и др. Расчетные диаграммы по курсу «Процессы и аппараты химической промышленности». Л.: Химия, 1985, 56 с.
6. Краткий справочник по химии. Изд. 4, под общ. ред. О.Д. Куриленко. Киев:Наукова думка, 1974, 991 с.
7. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. ГН 2.1.6.1338-03 от 25.06.2003, утверждено Главным Государственным санитарным врачом РФ.
8. ГОСТ 2768-84 Предельно допустимые концентрации в рабочей зоне.
9. Нормы пожарной безопасности НПБ 105-03 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности»
10. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты в химической технологии. Пособие по проектирование. – М.: Химия, 2000, 468 с.
11. Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987, 576 с.
12. Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств. М.: Машиностроение, 1975, 454 с.