4.2. Общие принципы анализа и расчёта процессов и аппаратов очистки природных и сточных вод

Расчёты процессов и аппаратов обычно имеют основные цели:

1. Определить условие предельного равновесия состояния системы (рассматривается статика процессов в аппаратах).

2. Вычислить расход исходных материалов, количество полученной продукции, а также рассчитать количество потребляемой энергии.

3. Определить оптимальные режимы работы и соответствующих им рабочих поверхностей, геометрических и емкостных размеров аппарата (высота и площадь поверхности, объём сооружения).

4. Вычислить основные размеры и технологические параметры (скорость, время, давление, дозы реагентов и т.д.).

5. Высотная привязка аппарата к абсолютной отметке земли, предыдущим и последующим сооружениям для обеспечения наилучших гидравлических условий.

Этапы расчетов:

1. Исходный этап. На нем анализируется статика процесса – определяют направление протекания и возможные пределы течения процессов. Находят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления их движущей силы.

Рассматриваются ограничения; составляется материальный и энергетический баланс, исходя из законов сохранения массы и энергии.

2. Рассматривается кинетика процесса и определяются скорости процесса (установившийся и неустановившийся), учитывается гидравлическая крупность частиц в процессах отделения нерастворимых веществ, окисление органических веществ биологических процессов.

3. По скорости и величине движущей силы при выбранном оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую поверхность и объем. В напорном трубопроводе движущей силой является разность давлений, в безнапорном – уклон, сила тяжести.

4. Зная величину поверхности или объема, определяют основные размеры аппарата и их количество. Например, зная максимальный остаток в баке насосной станции (р_бака), можно рассчитать объём резервуара:

, м³, (4.1)

где Q_сут – суточный расход, м³/сут.

3. Уравнения материального баланса

Из закона сохранения массы известно, что количество поступающих веществ должно быть равно количеству получаемых в результате ведения процесса. Без учёта потерь уравнение баланса запишется:

. (4.2)

На практике неизбежны необратимые потери веществ. Получим уравнение реального материального баланса:

. (4.3)

Материальный баланс составляют для процесса в целом или отдельным его стадиям.

Баланс расходов: . (4.4)

Баланс может быть составлен для всей энергии, участвующей в процессе, или только для одной энергии.

Баланс энергии: ; (4.5)

, (4.5, а)

где Э₁ - энергия, поступающая с исходным продуктом;

Э₂ - энергия, поступающая с теплоносителем;

Э₃ - энергия окружающей среды;

Э₄ - энергия, уходящая с теплоносителем;

Э₅ - энергия, уходящая с конечным продуктом;

Э₆ - энергия, выделившаяся в результате реакции.

Также из закона сохранения энергии тепловой баланс имеет вид

, (4.6)

при этом . (4.7)

. (4.8)

, (4.9)

где Т_исх – вводимое тепло;

Т₁ – тепло исходного вещества;

Т₂ – тепло с паром;

Т₃ – тепло, полученное в результате химической реакции;

Т_расх – расходуемое тепло;

Т₄ – расход тепла на подогрев 1-ой одной фазы аппарата;

Т₅ – расход тепла на подогрев другой фазы аппарата;

Т_удал – отводимое тепло;

Т₆ – тепло, отводимое с продуктом реакции (количество);

Т₇ – тепло, отводимое с охлаждающим реагентом.

Если обрабатываемые материалы представляют собой двух- и многокомпонентные смеси, то баланс может быть составлен только для одного вещества.