Физико-химические основы очистки газообразных промышленных выбросов на предприятиях

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………………. 

1. Классификация газообразных промышленных выбросов………………………….

1. Свойства аэрозолей………………………………………………………………….
2. Размер и форма частиц………………………………………………………….......

1.3 Агрегативная устойчивость  аэрозолей…………………………………………….. 

2. Очистка газов от аэрозолей…………………………………………………………..

2.1 Механическая очистка газов………………………………………………………..

2.2 Электрическая очистка газов………………………………………………………..

2.3  Звуковая и ультразвуковая коагуляция, и предварительная электризация……...

 

3. Очистка газов от парообразных и газообразных примесей. …………………….....

3.1 Абсорбция жидкостями………………………………………………………………

 

3.2  Адсорбция твердыми поглотителями……………………………………………..

 

3.3 Каталитические методы очистки  газов…………………………………………….

 

Заключение……………………………………………………………………………… 

Список используемой литературы…………………………………………………….. 

 

Введение

Научно-техническая революция  и бурный рост промышленного производства в ХХ - веке способствовали не только росту благосостояния человека, но и отрицательно сказались на состоянии окружающей среды в ряде регионов нашей планеты. Ухудшение состояния окружающей природной среды обусловлено, в основном, образом жизни современного человека. Действие человека как экологического фактора в природе огромно и чрезвычайно многообразно. В настоящее время ни один из экологических факторов не оказывает столь существенного и всеобщего, то есть планетарного, влияния, как человек, хотя это наиболее молодой фактор из всех действующих на природе. Поэтому охрана природы, рациональное использование природных ресурсов - важнейшие проблемы современности, от решения которых зависит здоровье и благосостояние нынешних и будущих поколений. 
Постоянно усиливающееся загрязнение атмосферы связано с интенсивным развитием промышленности и энергетических производств, сопровождающимся все возрастающими объемами расходования невосполнимых природных ресурсов. Одной из важнейших проблем при охране окружающей среды является защита воздушного бассейна от чрезмерных загрязнений. Следовательно, развитие новых технологических процессов должно быть сбалансировано с разработкой технологии и аппаратуры, предотвращающих выбросы в атмосферу либо ограничивающих их до допустимых уровней. 
Целью курсовой работы является изучить  физико-химические основы очистки газообразных промышленных выбросов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация газообразных промышленных выбросов. 
    
   

В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы:  
 
а) взвешенные частицы (аэрозоли) твердых веществ — пыль, дым; жидкостей — туман  
 
б) газообразные и парообразные вещества.  

К аэрозолям относятся  взвешенные твердые частицы неорганического и органического происхождения, а также взвешенные частицы жидкости (тумана). Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дымы и туманы. Счетная концентрация (число частиц в 1 см³) мала по сравнению с дымами и туманами. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ. Промышленная пыль органического происхождения – это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и др. К дымам относятся аэродисперсные системы с малой скоростью осаждения под действием силы тяжести. Дымы образуются при сжигании топлива и его деструктивной переработке, а также в результате химических реакций, например при взаимодействии аммиака и хлороводорода, при окислении паров металлов в электрической дуге и т.д. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли и туманах, и составляют от 5 мкм до субмикронных размеров, т.е. менее 0,1 мкм. Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются главным образом из кислоты: серной, фосфорной и др. Вторая группа – газообразные и парообразные вещества, содержащиеся в промышленных газовых выхлопах, гораздо более многочисленна. К ней относятся кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты газообразных промышленных отходов. 
В настоящее время, когда безотходная технология находится в периоде становления и полностью безотходных предприятий еще нет, основной задачей газоочистки служит доведение содержания токсичных примесей в газовых примесях до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами. В данной таблице выборочно приведены ПДК некоторых атмосферных загрязнителей. 

 

Таблица 1.

 

ВЕЩЕСТВА	ПДК, мг/м3
	макс. разовая	среднесуточная
Аммиак	0,2	0,2
Ацетальдегид	0,1	0,1
Ацетон	0,35	0,35
Бензол	1,5	1,5
Гексахлоран	0,03	0,03
Ксилолы	0,2	0,2
Марганец и его соединения	—	0,01
Мышьяк и его соединения	—	0,003
Метанол	1,0	0,5
Нитробензол	0,008	0,008
Оксид углерода (СО)	3,0	1,0
Оксиды азота  (в пересчете на N2O5)	0,085	0,085
Оксиды фосфора (в пересчете на P2O5)	0,15	0,05
Ртуть	0,0003	0,0003
Свинец	—	0,0007
Сероводород	0,008	0,008
Сероуглерод	0,03	0,005
Серы диоксид SO2	0,5	0,05
Фенол	0,01	0,01
Формальдегид	0,035	0,012
Фтороводород	0,05	0,005
Хлор	0,1	0,03
Хлороводород	0,2	0,2
Тетрахлорид углерода	4,0	2,0

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При содержании в воздухе  нескольких токсичных соединений их суммарная концентрация не должна превышать 1, т.е.

 
 
с₁/ПДК₁ +с₂/ПДК₂ + ... +с_n/ПДК_n = 1, (1)  
 

где c₁, с₂, ..., с_n – фактическая концентрация загрязнителей в воздухе, мг/м³;  
 
ПДК₁, ПДК₂, ..., ПДК_n – предельно допустимая концентрация, мг/м³. 
 
При невозможности достигнуть ПДК очисткой иногда применяют многократное разбавление токсичных веществ или выброс газов через высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях атмосферы. Теоретическое определение концентрации примесей в нижних слоях атмосферы в зависимости от высоты трубы и других факторов связано с законами турбулентной диффузии в атмосфере и пока разработано не полностью. Высоту трубы, необходимую, чтобы обеспечить ПДК токсичных веществ в нижних слоях атмосферы, на уровне дыхания, определяют по приближенным формулам, например: 

 

, (2) 

где ПДВ – предельно  допустимый выброс вредных примесей в атмосферу, обеспечивающий концентрацию этих веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК, г/с; Н — высота трубы, м; V – объем газового выброса, м³/с; Dt –разность между температурами газового выброса и окружающего воздуха, °С; A – коэффициент, определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в воздухе, с^2/3- (^ОС)^1/3 (например, для района Урала А = 160); F— безразмерный коэффициент, учитывающий скорость седиментации вредных веществ в атмосфере (для Cl₂, HCl, HF F = 1); т — коэффициент, учитывающий условия выхода газа из устья трубы, его определяют графически или приближенно по формуле:

 

, (3) 

где w_г – средняя скорость на выходе из трубы, м/с; D_T — Диаметр трубы, м. 
 
Метод достижения ПДК с помощью «высоких труб» служит лишь паллиативом, так как не предохраняет атмосферу, а лишь переносит загрязнения из одного района в другие. 
В соответствии с характером вредных примесей различают методы очистки газов от аэрозолей и от газообразных и парообразных примесей. Все способы очистки газов определяются в первую очередь физико-химическими свойствами примесей, их агрегатным состоянием, дисперсностью, химическим составом и др. Разнообразие вредных примесей в промышленных газовых выбросах приводит к большому разнообразию методов очистки, применяемых реакторов и химических реагентов.

 

 

 

 

1. Свойства аэрозолей.

 

Оптические  свойства

Оптические свойства аэрозолей подчиняются, в общем, тем же законам, что и оптические свойства лиозолей. Так, светорассеяние аэрозолей описывается уравнением Рэлея

                                        

,                                  (4)

где I₀ и I_p – интенсивности падающего и рассеянного света соответственно; n₀ и n₁ – показатели преломления дисперсионной среды и дисперсной  фазы; ν - частичная концентрация дисперсной системы; v– объем частицы, λ- длина волны падающего света.

Следует, однако, отметить, что вследствие большой разницы в плотностях, а, значит, и в показателях преломления  дисперсионной среды и дисперсной фазы оптические свойства аэрозолей и, прежде всего светорассеяние проявляется весьма заметно. Благодаря большой способности рассеивать свет аэрозоли широко применяются для создания дымовых завес. Из всех дымов наибольшей способностью рассеивать и отражать свет обладает дым  Р₂О₅ – его маскирующая способность принимается обычно за единицу.

Концентрацию трудно доступных  для исследования аэрозолей, например, концентрацию воды в облаке, можно  определить с помощью радиолокаторов. «Прощупывающий» пространство направленный радиолуч пропускается источником в виде импульсов через определенные промежутки времени и регистрируется на экране осциллографа. С помощью осциллографа регистрируется и излучение, возвращающееся обратно в результате рассеяния объектом (облаком). По интервалу времени, прошедшему, от подачи радиосигнала до приема рассеянного луча, можно определить расстояние до объекта, а по интенсивности отраженного луча можно судить о концентрации дисперсной фазы в объекте.

При опалесценции под действием  белого света бесцветные дисперсные системы обнаруживают голубоватую окраску. Поскольку величина I_p обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света, то  рассеиваются, главным образом, короткие волны. Наоборот, в проходящем свете эти системы окрашены в красноватый цвет, т.к. при прохождении через дисперсную систему из спектра в результате рассеяния исчезают лучи синего цвета.

Преимущественным рассеянием света  с малой длиной волны объясняется  цвет неба в различное время дня. Причина голубого цвета неба днем заключается в рассеивании коротких волн солнечного света атмосферой Земли. Абсолютное значение интенсивности света, рассеянного 1 м³ воздуха, ничтожно, но оно становится заметным благодаря огромной толщине земной атмосферы и флуктуаций молекул газа. Оранжевый или красный цвет неба  при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу.

На зависимости светорассеяния от длины световой волны основано также применение синего света для  светомаскировки и красного света для сигнализации. Лампы синего цвета применяют, когда хотят, чтобы они остались незамеченными с самолетов, т.к. синие лучи при прохождении через достаточно толстый слой воздуха, особенно, если в нем содержатся частицы пыли или тумана, полностью рассеиваются. Наоборот, когда хотят, чтобы свет не рассеивался и был заметен в тумане, применяют фонари, светящиеся красным цветом. 

Молекулярно-кинетические свойства

Принципиальное отличие  аэрозолей от систем с жидкой дисперсионной  средой заключается в том, что длина свободного пробега молекул (среднее расстояние, которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего) в газе может быть больше размеров частиц дисперсной фазы. Согласно молекулярно-кинетической теории газов длину свободного пробега молекулы, равную среднему пути между столкновением ее с другими молекулами, вычисляют по уравнению

                                                                                       (5)

где d –диаметр молекул, V – объем системы, n = p/kT – число молекул в единице объема. Следовательно,

                                     

.                                                                  (6)

По порядку величины при атмосферном давлении длина  свободного пробега молекулы газа составляет около 10^-7 м. Длина свободного пробега молекулы жидкости примерно равна ее радиусу, т.е. по порядку величины близка к 10^-10м.

При изучении молекулярно-кинетических свойств аэрозолей целесообразно разделить их на два класса:

1 – аэрозоли с достаточно  крупными частицами (r>>λ), для которых закономерности носят гидродинамический (точнее аэродинамический характер). Движение частиц в непрерывной вязкой среде описывается законом Стокса:

                                                     f = 6πrηU,                                                          (7)

где η – вязкость среды, U – скорость движения частицы.

2 – высокодисперсные  аэрозоли (r<<λ), для которых уравнение Стокса не выполняется. Закономерности движения частиц приобретают молекулярно-кинетический характер. Частицы в этом случае следует рассматривать как большие молекулы, движущиеся среди малых. В этом случае сила трения f пропорциональна r² (а не r).

Уравнение Стокса не соблюдается  не только для очень малых аэрозольных  частиц, но и для весьма крупных (r>20-30 мкм).