Контрольная работа по "Экологии"

Существенное влияние  на скорость и эффективность каталитического  процесса оказывает температура  газа. Для каждой реакции, протекающей  в потоке газа, характерна так называемая минимальная температура начала реакции, ниже которой катализатор  не проявляет активности. Температура  начала реакции зависит от природы  и концентрации улавливаемых вредностей, скорости потока и типа катализатора. С повышением температуры эффективность  каталитического процесса увеличивается. Например, метан начинает окисляться на поверхности катализатора, состоящего из 60% диоксида марганца и 40% оксида меди, только при температуре 320° С, а 97%-ное реагирование наблюдается при t=450° С. Следует, однако, иметь в виду, что для каждого катализатора существует предельный температурный уровень. Повышение этого уровня приводит к снижению активности, а затем к разрушению катализатора.

Для поддержания необходимой  температуры газа иногда к нему подмешивают (особенно в пусковой период) продукты сгорания от вспомогательной горелки, работающей на каком-либо высококалорийном топливе. На рис. 37 представлен каталитический реактор, предназначенный для окисления  толуола, содержащегося в газовоздушных выбросах цехов окраски. Воздух, содержащий примеси толуола, подогревается в межтрубном пространстве теплообменника - рекуператора 1, откуда по переходным каналам он поступает в подогреватель 4. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в горелках 5, смешиваются с воздухом, повышая его температуру до 250-350° С, т. е. до уровня, обес почивающего оптимальную скорость окисления толуола на поверхности катализатора. Процесс химического превращения происходит на поверхности катализатора 3, размещенного в контактном устройстве 2. В качестве катализатора применена природная марганцевая руда (пиромзит) в виде гранул размером 2-5 мм, про-мотированных азотнокислым палладием. В результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты: оксид углерода и водяные пары (С₇Н₈+9О₂->7СО₂+4Н₂О). Смесь воздуха и продуктов реакции при температуре 350-450° С направляется в рекуператор 1, где отдает тепло газовоздушному потоку, идущему на очистку, и затем через выходной патрубок выводится в атмосферу. Эффективность очистки такого реактора составляет 95-98% при расходе вспомогательного топлива (природного газа) 3,5-4,0 м³ на 1000 м³ очищаемого воздуха. Гидравлическое сопротивление реактора при номинальной нагрузке (800-900 м³/ч) не превышает 150-180 Па. Скорость процесса находится в пределах от 8000 до 10000 объемов на объем катализаторной массы в 1 ч.

 
Рис. 37. Каталитический реактор

В последние годы каталитические методы очистки нашли применение для нейтрализации выхлопных  газов автомобилей. Для комплексной  очистки выхлопных газов - окисления  продуктов неполного сгорания и  восстановления оксида азота -применяют  двухступенчатый каталитический нейтрализатор (рис. 38). Установка состоит из последовательно  соединенных восстановительного 2 и окислительного 4 катализаторов. Отработавшие газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору 2, на котором происходит нейтрализация оксидов азота по следующим реакциям:

NO+СО->1/2N₂+CO₂; NO+Н₂->1/2N₂+Н₂О

В качестве восстановительного катализатора применяют монельметалл (медноникёлевый сплав) или катализатор из благородных металлов (например, платина на глиноземе). При объемной скорости порядка 100000 ч^-1эффективность очистки по NO достигает 90% и выше.

 
Рис. 38. Двухступенчатый каталитический нейтрализатор

После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды через патрубок 3 подводится вторичный воздух. На окислительном  катализаторе происходит нейтрализация  продуктов неполного сгорания - оксида углерода и углеводородов:

СО+1/2O₂->СO₂; С_xH_y+(x+y/4)O₂->xCO₂+1/2H₂O,

Для окислительных процессов  применяют катализатор из благородных  металлов или оксидов переходных металлов (медь, никель, хром и др.). Содержание оксида углерода в выхлопных газах  автомобиля с нейтрализатором снижается  почти в 10 раз, а углеводородов - ~ в 8 раз. Широкому применению каталитических нейтрализаторов препятствуют использование этилированного бензина, который содержит определенное количество свинца. Свинец дезактивирует катализаторы в течение 100-200 ч.

Для расчета каталитического  реактора необходимы следующие параметры: объемный расход очищаемого газа Q_г, м³/с; состав и концентрация примесей С_в, мг/м³; тип катализатора; скорость обезвреживания газа ω_к, 1/ч, и рекомендуемая температура перед слоем катализатора Т К. Минимальный объем V_к, м³, катализа-торной массы определяют исходя из максимальной скорости обезвреживания газа V_к = Q_г/ω_к. Толщина слоя катализатора h, м, необходимая для достижения заданной степени очистки η, определяется по формуле

h=N₀ω_р/(S_эфβ), где N₀ =ln 1/1-η - число единиц переноса; ω_p=ω₀-T_p/T₀ 1/П_к - скорость газа при рабочих условиях, м/с; ω₀ - линейная скорость потока газа при нормальных условиях (T₀=273К и Р=101,3 кПа), отнесенная к полной фильтрующей поверхности (на практике обычно применяют ω₀= 0,5-1 м/с); Пк - пористость слоя катализатора; S_эф=S_удk_ф - эффективная удельная поверхность катализатора, м2/м3; 5УД--удельная наружная поверхность катализатора, м²/м³; S_уд - коэффициент формы зерна, учитывающий неравнодоступность всей поверхности зерна катализатора обдувающему потоку; β - коэффициент массопередачи, отнесенный к единице поверхности катализатора, м/с.

Коэффициент массопередачи определяют в зависимости от режима течения газа:

Nu_д=0,515Re^0,35 Sc^0,33 при Re=0,01 ÷ 20;

Nu_д=0,725Re^0,47 Sc ^0,33 при Re=2 ÷ 30;

Nu_д=0,395Re^0,64 Sc^0,33 при Re=30 ÷ 8000,

где Nu_д=β d_э/D - диффузионный критерий Нуссельта; Re=ω _рd_э/ν - критерий Рейнольдса; Sc = ν/D -критерий Шмидта (диффузионный критерий Прандтля); ν - коэффициент кинематической вязкости газа при рабочих условиях, м²/с; d_э - эквивалентный диаметр зерна катализатора, м; D=D₀(T/T₀)^1,8 - коэффициент диффузии улавливаемого газового компонента в воздухе, м²/с; D₀ - коэффициент диффузии при Т₀=273 К и р₀=101,3 кПа.

В задачу аэродинамического  расчета входит определение гидравлического  сопротивления слоя катализатора, которое  находят по формуле

Δр/h=150(1-П_к)²/П³_к μω_ρ/d²_э+1,75 1-П_к/П³_к р_г ω²_ρ/d_э

где μ - коэффициент динамической вязкости газа при рабочих условиях, Н•с/м².

Термический метод. Достаточно большое развитие в отечественной практике нейтрализации вредных примесей, содержащихся в вентиляционных и других выбросах, имеет высокотемпературное дожигание (термическая нейтрализация). Для осуществления дожигании(реакций окисления) необходимо поддержание высоких температур очищаемого газа и наличие достаточного количества кислорода. Выбор схемы дожигания зависит от температуры и количества выбросов, а также от содержания в них вредных примесей, кислорода и других компонентов. Если выбросные газы имеют высокую температуру, процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так, например, происходит дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавильных печей, дожигание продуктов неполного сгорания (СО и С_ХН_У) автомобильного двигателя непосредственно на выходе из цилиндров в условиях добавки избыточного воздуха.

Если температура выбросов недостаточна для протекания окислительных  процессов, то в потоке отходящих  газов сжигают природный или  какой-либо другой высококалорийный газ. Одним из простейших устройств, используемых для огневого обезвреживания технологических  и вентиляционных выбросов, является горелка, предназначенная для сжигания природного газа (рис. 39). Обезвреживаемые  выбросы в этом случае подаются в  канал 1, где они омывают горелку 2. Из коллектора 3 газ, служащий топливом, поступает в сопла, при истечении  из которых инжектируется первичный  воздух из окружающей среды. Горение  смеси газа с первичным воздухом осуществляется в V-образной полости  коллектора. Процесс догорания происходит на выходе из полости, где хвостовая  часть факела контактирует с обезвреживаемыми выбросами при их истечении из кольцевой щели между корпусом горелки  и коллектора.

 
Рис. 39. Установка для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов

Институтом газа АН УССР разработана и успешно прошла промышленные испытания установка  очистки газовых выбросов лакокрасочного производства. Установка представляет собой циклонную топку (рис. 40), скомпонованную с газовой горелкой и камерой  разбавления газов после их очистки. Воздух, загрязненный токсическими примесями  органических веществ (толуол ксилол и  др.), поступает в вихревую двухзс горелку 2 по каналу 6 и непосредственно во внутреннюю полость печи 4 по тангенциальным каналам 5. Природный газ подается в горелку 2 по трубе 3. Время пребывания в полости (не менее 0,5 с) и контакт их с раскаленными стенками камеры обеспечивают полноту их сгорания. Атмосферный воздух подается по центральной трубе 1 горелки 2 только при обезвреживании выбросов, содержащих менее 15% кислорода. Запуск установки, вывод на рабочий режим и его поддержание осуществляются с помощью блока автоматического управления и регулирования установки.

 
Рис. 40. Установка очистки газообразных выбросов лакокрасочного производства

Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки 90-99%, если время пребывания вредностей в высокотемпературной зоне не менее 0,5 с и температура обезвреживаемых  газов, содержащих углеводороды, не менее 500-650° С, а содержащих оксид углерода - 660-750° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАЧА

РЕГЛАМЕНТИРОВАНИЕ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

       Согласно  принципу «облака», объем выбросов  по каждому компоненту установлен  для  всего  региона,  не  зависимо  от  количества  предприятий,  являющихся  источником  этого  загрязняющего  вещества.  «Потолок»-  допустимый  объем загрязнения для  данной  территории, и предприятия совместно находят способ его обеспечения.

 Рассмотрим конкретную  ситуацию. В регионе принят «потолок» выброса данного  вещества, равный 120 тыс.т в год. Здесь работают 3 предприятия, которые загрязняют этим  поллютантом  атмосферу. Сумма выбросов  составляет  180  тыс.т   в год.  Характеристика  выбросов     и   стоимость     снижения     их   (путем    утилизации      или   совершенствования технологии) приведены в таблице. 

                                                                                            Таблица

 

                                     Характеристика выбросов 

№ п/п предприятий источников выбросов	Существующий объём выбросов, тыс. т/год	Удельные издержки по устранению выбросов, руб. за т.
1	40	10
2	60	20
3	80	30

 

Расчет:

Рассмотрим 4 возможных варианта снижения выбросов до нормы:

    1.  Установим   единый  «потолок»  для  каждого  предприятия,  равный  40  тыс.т.  Тогда  для  1-го  предприятия  отпадает  необходимость  устранять  выбросы,  у  2-го  и  3-го  соответственно лишними будут 20 и 40 тыс. т.

Допустимый выброс : 120 тыс.т/год.

Стоимость их устранения составит:

20 000 х  20+ 40 000 х 30= 1600000 руб/т.

    2.  Снизим  выбросы   на  одинаковую  долю,  еѐ  надо  подобрать  экспериментально  в  каждом  конкретном  варианте.  В данном  случае  при  излишке  в  60  тыс.т  у  трех  предприятий это составит  1/3 существующих выбросов (от 180 тыс.т). Издержки по  устранению выбросов:

1/3 (40 000х10 + 60 000х20+ 80 000х30)= 1333333,33 руб/т.

    3.  Снизим выбросы  на одинаковую величину — на  20 тыс.т на каждом предприятии:

20 000 х 10+20 000 х 20+ 20 000 х  30 = 1200000 руб/т.

    4.  Рассмотрим  возможность  сокращения  выбросов  путем  минимизации  совокупных затрат, ограничивая издержки.

Дешевле  всего  устранить  выбросы  на  первом  предприятии, так как удельные  издержки  составляют  10  руб  за  1  т.  Но  при полном  устранении  выбросов  на  нем  (40  тыс.т)  необходимо  уловить  еще  20  тыс.  т из  оставшихся    на  втором  и  третьем  предприятиях.  Дешевле издержки на втором предприятии, у которого мы и уловим оставшиеся 20 тыс.т

40 000 х 10+ 20 000 х 20= 800 000 руб/т.

Таким     образом,    последний     вариант     устранения     выбросов        экономически      более целесообразный и дешевый.