Smaltimento di un effluente gassoso (con diagramma)

Smaltimento di un effluente gassoso!

Una corrente effluente gassosa generata in un'unità industriale deve essere infine scaricata nell'atmosfera. Prima del suo scarico deve essere adeguatamente trattato in modo da abbattere la concentrazione degli inquinanti (sia particolati che gassosi) ai loro limiti consentiti. Scarico / smaltimento è fatto attraverso una pila.

Una catasta o un camino è un condotto verticale cilindrico o rettangolare. Quando una corrente gassosa viene scaricata attraverso una catasta, gli inquinanti presenti nel flusso si disperdono nell'atmosfera. Una pila non può diminuire gli inquinanti presenti, ma rilascia l'inquinante ad un'altezza adeguata in modo che quando gli inquinanti si diffondono nuovamente sulla superficie terrestre, la loro concentrazione sarebbe inferiore al limite ammissibile di ciascun inquinante anche nelle condizioni climatiche più sfavorevoli.

Quando una corrente di gas esce da una pila, fluisce verso l'alto fino all'altezza a causa della sua energia cinetica e della sua galleggiabilità prima di essere spazzata via in direzione orizzontale dal vento. Gli inquinanti presenti nella corrente gassosa (dopo essere usciti dalla pila) si disperdono sia nelle direzioni orizzontale che verticale a causa della diffusione molecolare e parassita. L'effluenza di una corrente di gas dalla pila e il profilo del pennacchio risultante in condizioni ideali sono rappresentati nella figura 4.18.

Profilo effettivo della piuma:

Il profilo del pennacchio effettivo sottovento dipende dal gradiente di temperatura nella troposfera, dalla velocità del vento e dalla topografia nelle immediate vicinanze di una pila. Il gradiente di temperatura troposferico dipende dall'intensità della radiazione solare in ingresso durante il giorno e dal grado di copertura nuvolosa durante la notte.

La dispersione degli inquinanti in un pennacchio dipende dal movimento dell'aria verticale risultante dal gradiente di temperatura troposferico e anche dalla velocità del vento prevalente. Sulla base dei fattori sopra menzionati la condizione atmosferica è stata classificata in diverse classi di stabilità. Nella Tabella 4.15 sono elencate le designazioni di stabilità di Pasquill-Gifford.

Le Figure 4.19A - G mostrano i diversi tipi di profilo del pennacchio corrispondenti alle condizioni di stabilità atmosferica cariosa.

(a) Gradiente di temperatura troposferico effettivo rispetto al gradiente adiabatico secco.

Gradiente di temperatura adiabatico, ----

Gradiente di temperatura effettivo, -----

(b) Profilo del pennacchio

T = temperatura. U = velocità del vento

Z = altitudine

Approccio alla progettazione dello stack:

È stato menzionato nella sezione 4.8 che una pila viene utilizzata per scaricare una corrente di gas di scarico ad un'altezza adeguata dal suolo. Una volta scaricati, i costituenti (inclusi gli eventuali inquinanti) dei gas di scarico vengono dispersi. Alcune parti di quelle si diffondono sulla superficie terrestre.

Per progettare una pila si deve trovare la sua altezza H _s, in modo tale che la concentrazione degli inquinanti, che si sono diffusi al livello del suolo, non dovrebbe essere superiore ai loro rispettivi limiti ammissibili anche nelle peggiori condizioni atmosferiche. È anche necessario stimare l'area della sezione trasversale di una pila in modo che la pressione alla base della pila sia sufficiente per superare la resistenza al flusso della corrente di gas attraverso la pila.

Stima della stima dello stack:

L'altezza dello stack può essere stimata utilizzando alcune relazioni empiriche o utilizzando un approccio semi-empirico. Le relazioni empiriche non tengono conto delle condizioni meteorologiche, mentre l'approccio semi-empirico tiene conto dell'aumento del pennacchio, della velocità del vento e delle condizioni meteorologiche. Inutile dire che il secondo approccio fornisce una stima migliore dell'altezza dello stack.

Approccio empirico:

Le equazioni empiriche elencate di seguito possono essere utilizzate per la stima dell'altezza dello stack:

Se gli H calcolati utilizzano l'Eq. (4.64e) o (4.64f) essere più di 30 m, quindi l'altezza della pila calcolata dovrebbe essere accettata.

Approccio semi-empirico:

In questo approccio l'altezza dello stack viene stimata attraverso i seguenti passaggi:

Step-I:

Si assume un'altezza di pila, H _s, L'altezza presunta può essere calcolata utilizzando l'approccio empirico descritto nella Sezione 4.8.2.2.

Step-II:

L'innalzamento del plume, ΔH, viene calcolato utilizzando un'equazione semiempirica adeguata. Alcune delle equazioni riportate in letteratura sono elencate nella sezione 4.8.2.5. Queste equazioni sono basate sulla congettura che l'aumento del pennacchio è influenzato da due fattori, vale a dire

(i) Momento dello stream emittente dallo stack, e

(ii) La spinta di galleggiamento della corrente risultante dalla differenza di densità del gas in pila e di quella dell'aria ambientale all'altezza della pila fisica. Le correlazioni proposte dai diversi autori si basano sui dati a loro disposizione. Alcuni autori hanno preso in considerazione il criterio di stabilità del tempo durante lo sviluppo delle loro correlazioni.

Step-Ill:

L'altezza della pila H effettiva è considerata come

Step-IV:

Usando l'Eq. (4.67) e la stima di H _e, la concentrazione massima di ciascuno dei diversi inquinanti (presente nella corrente di gas effluente) al livello del suolo è stimata corrispondente alle diverse designazioni di stabilità atmosferica. Se questi sono entro i loro rispettivi limiti consentiti, allora l'ipotizzata H _s viene accettata come altezza effettiva della pila. In caso contrario, basandosi su un valore superiore di H _s rispetto a quello assunto in precedenza, uno si basa sui passaggi II, III e IV e viene ripetuto finché non viene trovata una H accettabile che soddisfi il criterio specificato nella fase IV.

Profilo di concentrazione di inquinanti in un pennacchio:

Sulla base delle seguenti ipotesi è stata sviluppata un'equazione che esprime il profilo di concentrazione degli inquinanti in un pennacchio risultante da una fonte puntiforme continua in condizioni di stato stazionario.

e (iii) il profilo di concentrazione in qualsiasi posizione sottovento (x, y, z) segue la curva di distribuzione di probabilità normalizzata gaussiana nelle direzioni K e Z.

Sulla base delle ipotesi sopra menzionate, l'equazione derivata che rappresenta il profilo di concentrazione è

dove C _{x, y, z} = concentrazione di un inquinante in una posizione con coordinate x, y & z,

Q = massa dello specifico inquinante emesso per unità di tempo,

U = velocità del vento in altezza H _e,

σ _y = deviazione standard del coefficiente di dispersione nella direzione y,

e σ _Z. = deviazione standard del coefficiente di dispersione nella direzione z.

I valori numerici di σ _v e σ _z, dipendono dalla condizione meteorologica, dalla velocità del vento e dalla distanza di una posizione dalla base dello stack nella direzione orizzontale sottovento, ovvero la coordinata X.

in Eq. (4.66) rappresenta una maggiore concentrazione di inquinamento a causa della riflessione del terreno.

La concentrazione di qualsiasi sostanza inquinante su qualsiasi X corrisponde al massimo alla linea centrale del pennacchio corrispondente a y = 0 e Z = H _e, in 'condizione neutra'. L'espressione per la concentrazione a livello del suolo di qualsiasi inquinante sotto la linea centrale del pennacchio sarebbe

Quello

è, il loro rapporto è indipendente da X, quindi la concentrazione massima a livello del suolo di ogni specifico inquinante può essere espressa come

dove X _max è la distanza dalla base dello stack nella direzione sottovento alla quale la concentrazione di inquinanti sarebbe massima al livello del suolo.

Ne consegue che proprio in quella posizione, cioè a X _max

I diagrammi dei valori empiricamente stimati di σ _y e σ _z corrispondenti alle diverse designazioni di stabilità qualitativa come parametri sono mostrati in Fig 4.20 A e 4.20 B rispettivamente.

Designazioni di stabilità Pasquill-Gifford:

A: Estremamente instabile

B: moderatamente instabile

C: leggermente instabile

D: Neutro

E: leggermente stabile

F: Moderatamente stabile.

Seguendo questo approccio σ _z, x _max si stima usando l'Eq. (4.70) in base al valore già calcolato di H _e Eq. (4.65). Corrispondente alla stima σ _z X _max e ad una categoria di stabilità ipotizzata, X viene letto dalla Fig. 4.20B. Successivamente dalla fig. 4.20A viene letto _y corrispondente alla X (leggi in precedenza dalla figura 4.20B) e alla categoria di stabilità precedentemente assunta. Utilizzando i valori stimati di o e σ _y, σ _z, C _{X max,, 0, 0} Viene calcolato per ciascun inquinante utilizzando l'Eq. (4.69).

Il C _{X max} calcolato per ciascun inquinante deve essere confrontato con il limite consentito. Se la C _{X max} calcolata di nessuno degli inquinanti supera il limite, la procedura sopra descritta deve essere ripetuta per ciascuna delle altre categorie di stabilità. Nel caso in cui il C _{X max} calcolato per qualsiasi inquinante superi il suo limite per qualsiasi categoria di stabilità, le fasi II, III e IV elencate in precedenza devono essere ripetute assumendo un valore più elevato di H rispetto a quello assunto prima fino a quando non si è raggiunta una soluzione soddisfacente.

Riferendosi alle Figg. 4.20A e 4.20B si dovrebbe notare che la correlazione tra σ _y e X può essere ragionevolmente ben rappresentata dalla relazione σ _v = σ _y X ^b, ma quella tra o. e X non corrisponde alla correlazione σ _z = a _z X ^b

Una migliore correlazione avrebbe la forma

I valori numerici di a ' _y a' _z me n sono risultati dipendenti dalla designazione della stabilità atmosferica. Varie stime di a ' _y a' _z me n sono state riportate in letteratura. Una tale stima è riportata nella Tabella 4.16.

Una procedura di stima dell'altezza dello stack migliore dovrebbe seguire i passaggi elencati nella Sezione 4.8.2.3 insieme all'Eq. (4.73) invece di usare l'Eq. (4.69).

Correlazioni di aumento del pennacchio:

Diversi ricercatori hanno tentato di correlare l'aumento del plume (AH) con le variabili pertinenti. Alcuni di questi sono elencati di seguito.

1. L'equazione di Holland è probabilmente la più antica ed è semplice.

dove ΔH = aumento del pennacchio, (m)

U = velocità del vento, (m / s)

U _s = velocità del gas allo stack all'uscita dello stack, (m / s)

D _s = diametro dello stack all'uscita, (m)

P = pressione del gas allo stack all'uscita, (kPa)

T _s = temperatura del gas dello stack all'uscita, (K)

T _a = temperatura dell'aria ambiente all'altezza della pila fisica, (K)

Poiché questa equazione non tiene conto della condizione di stabilità atmosferica, l'Olanda ha suggerito che l'AH stimato dovrebbe essere moltiplicato per un fattore di 1, 1 a. 1.2 per condizioni instabili e da 0, 8 a 0, 9 per condizioni stabili. Studi successivi hanno dimostrato che l'equazione di Holland fornisce una stima piuttosto prudente di AH di un fattore da 2 a 3.

2. Moses e Carson hanno proposto delle equazioni che dipendono dai criteri di stabilità indicati di seguito:

3. Il Task Group ASME ha raccomandato due equazioni. Per condizioni instabili e neutre l'equazione raccomandata è:

Stima della sezione trasversale dello stack / diametro e caduta di pressione dello stack:

La portata volumetrica del gas della pila può essere espressa come

dove

D _s = diametro medio dello stack, m.

Supponendo un'adeguata velocità del gas di impilamento nell'intervallo di 10-15 m / s, l'area / diametro della sezione trasversale dello stack può essere stimata utilizzando l'Eq. (4.77).

Una volta che la velocità del gas di impilamento (U _s ), il diametro della pila (D _S ) e l'altezza della pila sono noti, la pressione di caduta della pila / pressione di base dello stack può essere calcolata utilizzando un'equazione di Bernoulli modificata (bilancio energetico) come indicato di seguito:

Esempio 4.5:

Una pila deve essere progettata per un forno a carbone in cui si devono bruciare 500 T di carbone con il 2% di zolfo, il 20% di ceneri e il resto di carbone.

Le seguenti informazioni / dati possono essere utilizzati a scopo di progettazione:

Soluzione:

Stima dell'altezza pila (H _s ):

(i) Una stima preliminare dell'altezza dello stack è ottenuta in base all'approccio empirico Eq. (4.64e)

(ii) Una stima preliminare dell'altezza effettiva della pila H _e si ottiene usando l'Eq. (4.65)

H _e = H _s + ΔH

L'innalzamento del plume (ΔH) è calcolato usando l'equazione di Holland, Eq. (4.74).

(iii) La concentrazione massima di SO ₂ a livello del suolo deve essere calcolata utilizzando l'Eq. (4.73)

ay, a ' _z, m e n devono essere letti dalla Tabella 4.16 corrispondente a una designazione di stabilità di Pasquill-Gifford che è probabile che porti al valore massimo della concentrazione di S0 ₂ al livello del suolo. Scansionando le tabelle 4.15 e 4.16 corrispondenti alla velocità del vento U = 4 m / s, sembra che la designazione di stabilità D di Pasquill-Gifford si tradurrebbe in una concentrazione massima di S0 ₂ . I valori di a ' _z, a' _y me n letti dalla Tabella 4.16 sono

Pertanto, l'altezza della pila che risulterebbe in una concentrazione di S0 _{2 a} livello del suolo vicina a 80 μg / m ³ è

H _s = H _e - ΔH = 200 - 31 = 169 m.

Diametro della pila, D _s = 3, 06 m.

Deposizione delle polveri del pennacchio:

Le particelle di polvere, che vengono emesse attraverso una pila, vengono disperse come gli inquinanti gassosi. Ma le particelle essendo di dimensioni maggiori e più dense del gas / aria dello stack, iniziano a depositarsi immediatamente dopo l'emissione a causa della forza gravitazionale. Le particelle raggiungono infine le loro rispettive velocità terminali. La velocità terminale di una particella avente un diametro di dpi può essere espressa come

dove U _t, _dpi = velocità terminale di particelle con diametro dpi e densità p _p, m / s

g = accelerazione dovuta alla gravità, m / (s ² )

dpi = diametro della particella (m)

p _a = densità dell'aria ambiente kg / (m ³ )

p _p = densità delle particelle kg / (m ³ )

C _D = coefficiente di resistenza

Supponendo che le particelle di polvere siano sferiche, C _D può essere valutata usando una qualsiasi delle seguenti relazioni a seconda del numero di particelle di Reynolds;

Le particelle di polvere finalmente si depositano sul terreno. Le particelle relativamente più grandi si depositano lungo l'asse del pennacchio mentre le particelle più fini si depositano tutt'intorno. Poiché la direzione del vento e la sua velocità cambiano di volta in volta, l'orientamento della piuma cambia di conseguenza.

Quindi la velocità media di deposizione della polvere viene stimata in punti diversi in funzione di X, la distanza sottovento rispetto alla base della pila. Secondo Bosanquet et al. la velocità di deposizione in un punto P ad una distanza X dalla base della pila può essere espressa come

F = una funzione di U, _dpi / U e X / H _e (come mostrato in Fig. 4.21)

H _e = altezza dello stack equivalente.

Il tasso di deposizione di polvere nel punto P nel piano assiale di pennacchio può essere calcolato usando l'Eq. (4.82)

La velocità di deposito totale di tutte le particelle di dimensioni diverse può essere stimata sommando le velocità delle singole particelle come mostrato di seguito: