Контрольная работа по "Экологии"

Поглотительная способность  раствора в значительной мере зависит  от константы равновесия химической реакции. Если при абсорбции газа А раствором хемо-сорбента В протекает  реакция nА+mВ=аС+bD, где n, m, a, b - стехиометрические коэффициенты, то константа равновесия

kp=[(a/n x_x)^a/n(b/n x_x)^b/n][(A-x_x)(B-m/n x_x)m/n]^-1

где х_х - количество молей газа А, прореагировавшие с хемосорбентом В при равновесии.

Поглотительная способность  хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредностей в отходящих газах.

Примером хемосорбции  может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода путем применения мышьяковощелочного, этаноламинового и других растворов. При мышьяковощелочном методе извлекаемый из отходящего газа сероводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе по реакции

Na₄As₂S₅O₂+H₂S=Na₄As₂S₆O+Н₂О

Регенерация раствора производится окислением кислорода, содержащегося  в очищаемом воздухе:

Na₄As₂S₆O+1/2О₂=Na₄As₂S₅O₂+S₂

В этом случае в качестве побочного продукта получается сера.

Методы абсорбции и  хемосорбции, применяемые для очистки  промышленных выбросов, называются мокрыми  методами. Преимущество абсорбционных  методов заключается в возможности  экономической очистки большого количества газов и осуществления  непрерывных технологических процессов. Эффективность мокрой очистки газов, отходящих от гальванических ванн с  помощью щелевого скруббера ПВМ  при обезвреживании их 2-3%-ным водным раствором едкой щелочи, составляет по хлористому водороду 85-92% и по оксидам азота (NO₂) 64,6%. При использовании в качестве поглотительной жидкости воды эффективность очистки по НС1 снижается до 75%.

Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что  перед очисткой и после ее осуществления  сильно понижается температура газов, что приводит в конечном итоге  к снижению эффективности рассеивания  остаточных газов в атмосфере.

Метод адсорбции. Основан на физических свойствах некоторых, твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией.

Наиболее широко в качестве адсорбента используется активированный уголь. Он применяется для очистки  газов от органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленных выбросах, а также летучих растворителей  и целого ряда других газов. В качестве адсорбентов применяются также  простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические  цеолиты или молекулярные сита), которые обладают большей селективной  способностью, чем активированные угли. Однако они не могут использоваться для очистки очень влажных  газов. Некоторые адсорбенты иногда пропитываются соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорбция. В качестве таких реактивов могут быть использованы растворы, которые за счет химических реакций превращают вредную примесь  в безвредную.

Одним из основных параметров при выборе адсорбента является адсорбционная  способность по извлекаемому компоненту. Адсорбционная способность а  или масса вещества, поглощенная  единицей массы адсорбента в произвольный момент времени, зависит от концентрации адсорбируемого вещества (парциального давления р, Па) у поверхности адсорбента, общей площади этой поверхности, физических, химических и электрических  свойств адсорбируемого вещества и  адсорбента, температурных условий  и присутствия других примесей.

В качестве характеристики адсорбционных свойств пористых тел используют зависимость адсорбционной  способности от парциального давления поглощаемого газового компонента при постоянной температуре (изотерма адсорбции):

α=φ (p) при Т=const.

На рис. 34 изображены наиболее часто встречающиеся типы изотерм  адсорбции. Во всех случаях адсорбционная  способность сорбента возрастает при  повышении давлений адсорбата, но характер этого роста различен. Выпуклая изотерма 1 специфична для адсорбции на мелкодисперсных сорбентах, применяемых для очистки газовой смеси при малом парциальном давлении извлекаемых примесей и для осушки. Изотерма 2 типична для непористых адсорбентов при полимолекулярной физической адсорбции. Изотерма 3 наблюдается на адсорбентах с развитой системой крупных и средних пор. Эти сорбенты целесообразно применять для извлечения летучих газов при парциальном давлении, близком к давлению насыщения.

 
Рис. 34. Изотермы адсорбции

В основе инженерно-технического расчета адсорбционного метода очистки  должна находиться сетка кривых, отражающая равновесие поглощаемого компонента с  адсорбентом, т. е. сетка изотерм  адсорбции. На рис. 35 представлены изотермы адсорбции SO₂ на активированном угле СКТ в диапазоне температур от 20 до 150° С. Как видно, с увеличением температуры происходит снижение адсорбционной способности активированного угля. На этом свойстве адсорбентов основан процесс их регенерации. Регенерацию осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим газом.

 
Рис. 35. Изотермы адсорбции SO₂ на активированном угле СКТ при различных температурах, C°: 1 - 20; 2 - 50; 3 - 100; 4 - 150

Конструктивно адсорберы  выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток  очищаемого газа. Выбор конструкции  определяется скоростью газовой  смеси, размером частиц адсорбента, требуемой  степенью очистки и рядом других факторов. Вертикальные адсорберы, как  правило, находят применение при  небольших объемах очищаемого газа; горизонтальные и кольцевые - при  высокой производительности, достигающей  десятков и сотен тысяч м³/ч.

Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшее распространение получили адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента.

Установки периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс  очистки в таких аппаратах  носит периодический характер, т. е. отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени  заменяют либо регенерируют. Существенным недостатком таких аппаратов  являются большие энергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического  сопротивления слоя адсорбента.

Движение адсорбента в  плотном слое под действием силы тяжести или в восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечивает непрерывность  работы установки. Такие методы позволяют  более полно, чем при проведении процесса с неподвижным слоем  адсорбента, использовать адсорбционную  способность сорбента, организовать процесс десорбции, а также упростить  условия эксплуатации оборудования. В качестве недостатка этих методов  следует отметить значительные потери адсорбента за счет ударов частиц друг о друга и истирания о стенки аппарата.

На рис. 36 представлена схема  адсорбционной установки для  удаления SO2 из горячего топочного газа. Основным агрегатом установки служит адсорбер 1, который заполнен древесным  активированным углем. Горячий топочный газ проходит теплообменник 2, подогревает  воздух, поступающий в топку, и  подается в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150-200° С  происходит улавливание SO₂. Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переводится в десорбер 5, где с помощью подогревателя 3 поддерживается температура 300-600° С. Богатый оксидом серы газ выводится из десорбера и может быть полезно использован. Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4 и затем с помощью ковшового элеватора поступает в верхнюю часть адсорбера.

 
Рис. 36. Адсорбционная установка  для удаления SO₂ из горячего топочного газа

При проектировании адсорбера  используют следующие исходные данные: объемный расход очищаемого газа Q, м³/с, концентрация удаляемой примеси С, мг/м³, и давление отходящих газов р (Па). В результате расчета определяются потребная масса адсорбента, конструктивные размеры, гидравлическое сопротивление аппарата и время защитного действия адсорбера.

На первом этапе расчета  и проектирования адсорбера выбирают рабочую температуру и тип  сорбента. Для увеличения адсорбционной ^способности сорбента рабочая температура, как правило, выбирается минимально возможной. Выбор типа сорбента производится по изотермам адсорбции при рабочих  параметрах температуры и концентрации примеси из условия минимальной  массы сорбента.

Минимальная необходимая  масса сорбента определяется из уравнения  материального баланса по улавливаемому  компоненту

ma=103 OC_τ/α_∞k₃

где α_∞ - статическая поглотительная способность адсорбента в рабочих условиях, мг/мг адсорбента; τ - время процесса адсорбции, с; k₃ - коэффициент запаса, k₃=1,1-1,2.

Скорость потока газа в  адсорбере ω_г рассчитывается исходя из допустимого падения давления Δр в адсорбере:

ω_г=³√(4k_фΔpd_эП³_нр_нQ_г/3ζр_г(1-П_н)m_а)

где k_ф=1,5d₃l₃(l₃+0,5d₃)^-1(1,5d²₃/з)l₃)^-1,3 - коэффициент формы зерна сорбента, учитывающий неравнодоступность всей поверхности зерна обдувающему потоку; d_э - эквивалентный диаметр зерна сорбента, м³, для цилиндрических зерен длиной l₃ и диаметром d₃ эквивалентный диаметр

dэ=Пнd3l3/(1-Пн)(0,5d3+l3),

П_н=(р_к-р_н)/р_к - пористость слоя сорбента, П_н - определяется через кажущуюся р_к и насыпную р_н плотности сорбента; ζ - коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый в зависимости от режима течения газа. При Re<50 ζ=220/Re, при 50Re ≤ ≤ 7200 ζ= 11,6/Re ^0,25, где Re = ω_гd₃p_г/μ - критерий Рейнольдса. Обычно, исходя из условий осуществления необходимого времени контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических сопротивлений, ω_г выбирают в пределах 0,15-0,5 м/с.

Геометрические размеры  адсорбера - диаметр D_а и длину L_a аппарата - подсчитывают по формулам:

D_а=√(4 Qг/πω_гП_н); L_а=4m_а/πρ_нD²_а

Время защитного действия адсорбера τ₃=А_д/(Сω_гF), где F - площадь поперечного сечения адсорбера, м²;

А_д=р_нF ∫^L_а0 α(τ_прx)dх -динамическая поглотительная способность адсорбера, кг; τ_пр - время проскока, с; х - текущая длина слоя сорбента, м. Если полученное время защитного действия адсорбера отличается от заданного τ на величину Δτ, то длину аппарата меняют на величину ΔL₁=Q_гСΔτ/ρ_нFа_∞ и пересчитывают массу сорбента. Остальной расчет корректировки не требует.

Каталитический метод. Этим методом превращают токсичные компоненты промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом на твердых катализаторах. Действие катализаторов проявляется в промежуточном (поверхностном) химическом взаимодействии катализатора с реагирующими соединениями, в результате которого образуются промежуточные вещества и регенерированный катализатор.

Методы подбора катализаторов  отличаются большим разнообразием, но все они базируются в основном на эмпирических или полуэмпирических способах. Об активности катализаторов  судят по количеству продукта, получаемого  с единицы объема катализатора, или  по скорости каталитических процессов, при которых обеспечивается требуемая  степень превращения.

Скорость каталитических процессов выражают общепринятым для  всех химических реакций уравнением

ω_k=k_ωC^а₁C^b₂ ..., где С₁ С₂ и т. д.- концентрации веществ, участвующих в реакции; k_ω - константа скорости реакции; a, b - порядок реакции по соответствующему компоненту.

Зависимость константы скорости реакции от температуры описывается  законом Аррениуса: k_ω=ze^-E/RT, где Т - абсолютная температура; R - газовая постоянная; Е - энергия активации; z - предэкспоненциальный множитель. Величины Е и z - постоянные, характерные для данной химической реакции и катализатора.

В большинстве случаев  катализаторами могут быть металлы  или их соединения (платина и металлы  платинового ряда, оксиды меди и  марганца и т. д.). Для осуществления  каталитического процесса необходимы незначительные количества катализатора, расположенного таким образом, чтобы  обеспечить максимальную поверхность  контакта с газовым потоком. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в  спираль. Катализатор может состоять из смеси неблагородных металлов с добавкой платины и палладия (сотые доли % к массе катализатора), нанесенных в виде активной пленки на нихромовую проволоку, свитую в спираль.

Объем катализаторной массы  определяется исходя из максимальной скорости обезвреживания газа, которая  в свою очередь зависит от природы  и концентрации вредных веществ  в отходящем газе, температуры  и давления каталитического процесса и активности катализатора. Допустимая скорость обезвреживания находится  в пределах 2000-60000 объемов газа на. объем каталитической массы в  час. На катализаторах, разработанных  в Дзержинском филиале НИИОГАЗа, при скорости обезвреживания 30000-60000 объемов обезвреживаемого газа на объем катализаторной массы в час и температуре 350-420° С практически полностью окисляются примеси этилена, пропилена, бутана, пропана, ацетальдегида, спиртов (метилового, этилового, пропилового, аллилового и др.), ацетона, этилацстона, бензола, толуола, ксилола, оксида углерода и др.