Технологія очистки та рекуперації відходів

 Міністерство освіти і науки України

Черкаський державний  технологічний університет

Кафедра хімічної технології неорганічних речовин

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з предмету: “Технологія очистки та рекуперації відходів ”

 

 

 

 

 

 

 

 

Перевірив:

доцент

Вязовик В.М.

___________

                            Виконав:

                           студентка гр. ЗХТ -52

                           Скринник Я. В.

                            _____________


 

 

 

 

 

2009

Зміст

 

    1. Теоретичне питання № 1………………………………………………..с.

   2. Теоретичне питання № 2………………………………………………..с.

    3. Задача…………………………………………………………………….с.

    Перелік використаної літератури…………………………………………с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Теоретичне питання № 1.

    Основи абсорбційних методів очищення газів.

       Рівновага в системі газ – рідина. При абсорбції проходить взаємодія  між газом та розчином , в якому міститься речовина, яка реагує з цим газом. Іноді газ, що розчиняється реагує безпосередньо з самим розчинником. Дослідні дані з розчинності газів у рідинах наведені у довідниках. Коли концентрація розчиненого газу мала, а температура та тиск далекі від критичних значень, рівновага в системах газ – рідина визначається законом Генрі:

 

                                                        pi=Hixi                                                          (1.1)

                                                  або yi*=(Hi/P)xi=Kxi,                                           (1.2)

 

де рі – парціальний тиск і-го компоненту в газах при рівновазі;

    Ні – константа Генрі і-го компоненту, яка має розмірність тиску;

   хі – молярна доля і-го компоненту у рідині;

    уі – молярна доля і-го компонента у газовій фазі при рівновазі; 

    Р – загальний тиск;

    К = Ні/Р – безрозмірна константа.

     Константа Генрі збільшується із зростанням температури, при цьому дотримується співвідношення

 

                                            d In Hi/d(1/T) = ΔH/R,                                     (1.3)

 

де R – універсальна газова стала;

     Т – температура;

    ∆Н – теплота абсорбції.

     Коли газ вступає  у розчині у хімічну реакцію,  закон Генрі  слід застосовувати не до загальної концентрації розчиненого газу, а до концентрації газу який не прореагував.

     Кінетичні закономірності. В залежності від здібностей  взаємодії поглинача та компоненту, який добувається з газової суміші, абсорбційні методи поділяються на методи, які базуються на закономірностях фізичної абсорбції, ті методи абсорбції, які супроводжуються хімічною реакцією у рідинній фазі.

    В процесах фізичної  абсорбції перенесення речовини у межах фази визначається рівняннями масовіддачі:

                                              GA=bгF(у-уp),                                                            (1.4)

                                    GA=bжF (xp-x).                                                           (1.5)

 

     Перенесення речовини з однієї фази в іншу визначається рівняннями масопередачі:

                                            GAгF(у-у*),                                                         (1.6)

                                            GA=KжF(x*–х).                                                        (1.7)

 

     Зв’язок коефіцієнтів  масопередачі з коефіцієнтами  масовіддачі:

 

                          1/Кг=(1/bг)+(m/bж), 1/Кж=(1/bгm)+(1/bж)               (1.8) 

 

тут Ga – кількість речовини, що переноситься в одиницю часу при фізичній абсорбції, кмоль/год.;

       βг і βж – коефіцієнти масовіддачі відповідно в газовій та рідинній фазах, м/год;

       F – поверхня контакту фаз, м2

       у і х – концентрації компоненту який передається у газовій та рідинній фазах,кмоль/м3;

       ур і хр - концентрації компоненту, який передається на кордоні розділу фаз в газі та рідині, кмоль/м3;

       Кг і Кж – коефіцієнти масопередачі, віднесені до концентрації в газовій та рідинний фазах,м/год;

        у* - концентрація компоненту в газі, рівноважна з концентрацією газу,кмоль/м3;

        х* - концентрація компоненту у рідині, рівноважна з концентрацією газу,кмоль/м3;

      m – константа фазової рівноваги  (ур =mхр).  

     В системах з високою  розчинністю  m наближується  до 0, тому Кг βг тому, в такій системі газ – рідина увесь опір масопередачі зосереджено на боці газу. При малій розчинності газу у рідині m має більше значення, тому Кж βж. У цьому випадку весь опір масопередачі зосереджено у рідинній фазі. Так як величина βг значно більше, ніж βж то процес абсорбції буде йти швидше  у системі з дифузійним опором в газовій фазі, тому розміри апарату в цьому випадку будуть менше.

     При протіканні  хімічної  реакції в рідинній фазі компонент, який абсорбується, вступає в реакцію з поглиначем. Зростає градієнт концентрацій у поверхні розділу, у порівнянні з фізичною абсорбцією  швидкість поглинання збільшується. При цьому чим більше швидкість хімічної реакції, тим більше прискорення абсорбції. Воно може бути враховано збільшенням коефіцієнта масовіддачі у рідинній фазі, якщо рухаючу силу вважати такою ж, як і при фізичній абсорбції; або збільшенням рухаючої сили при рівності коефіцієнтів масовіддачі у рідинній фазі для фізичної абсорбції і хемосорбції.

     Рівняння масовіддачі  при хемосорбції:

 

                               G'A=b'жж=bжF(Δж+d).                                                    (1.9)

 

     Коефіцієнт прискорення абсорбції в рідинній фазі при протіканні хімічної реакції

                                   х=b'ж/bж=1+d/Δж.                                        (1.10)

 

     Зв’язок коефіцієнта  масопередачі з коефіцієнтом  масовіддачі при хемосорбції визначається рівняннями:

 

                                1/К'г=1/bг+m1/b'ж,  1/К'ж=1/bг+1/b'ж.               (1.11)

 

     Тут позначення зі  штрихом відповідають параметрам  абсорбції, яка супроводжується хімічною реакцією;

   Дж – рухома сила абсорбції;

     m\ - константа фазової рівноваги для фізичної абсорбції з поправкою на іонну силу розчину;

     б – величина, на яку підвищується рухома сила в рідинній фазі при протіканні у ній  хімічної реакції.

     Коефіцієнт прискорення  залежить від швидкості  хімічної  реакції та ступеня турбулізації рідини. Беззворотня хімічна реакція у рідинній фазі призводить до нульового значення рівноважного парціального тиску розчинного газу у широкому діапазоні концентрацій. У випадку швидкої беззворотної реакції між розчиненим газом та хімічним реагентом, який розчинений в рідинній фазі, або самою рідинною фазою як реагентом,  m має невелике значення.

     Відносний  опір газової і рідинної фаз в процесі дифузії при абсорбції, що супроводжується хімічною реакцією, є функцією не тільки коефіцієнта дифузії розчиненого газу в газовій і рідинній фазах, розчинності газу та часу  проникнення , але й концентрації реагенту, який не прореагував, а також швидкості дифузії реагенту в рідинній фазі та швидкості реакції.

       Швидкість абсорбції  при хімічній реакції типу

                                                 A+nB⇄Е+F                                             (1.12)

 

повільного порядку а по компоненту А, порядку β (0, 1, 2) по хемосорбенту В  і першого порядку по кожному  з продуктів реакції Е і F рекомендується визначати по наближеному рівнянню

 

                       (1.13)

 

      Помножувач, що стоїть  у фігурних скобках, відповідає  коефіцієнту прискорення х. Значення параметрів рівняння  (1.13)

M=Bж/nAp, A=Ap/Aж, K1,2= -N1/2±

z= (K1 – K2)x/wж=

   =(K1 – K2)(4/p) DA/b2ж.                                    

 

     тут а – питома  поверхня  контакту фаз,м23;

          М – стехіометричний параметр;

         Вж – концентрація вільного хемосорбенту в основній масі  рідини,кмоль/м3;

         Ар і Аж – концентрація компоненту, який передається  на кордоні розділу фаз і в основній масі  рідини, кмоль/м3;

          DА – коефіцієнт дифузії компонента, який передається, м2/год;

          х – відстань, яку проходить частка рідини в дифузійному шарі,м;

          ωж – повздовжня швидкість руху частки рідини,м/год.;

          К1.2, N,N1,N2 – коефіцієнти.

      Нижче наведені  рівняння для розрахунку коефіцієнтів  прискорення для різних випадків хемосорбції.

     Беззворотня реакція  нульового порядку по хемосорбенту. Наприклад, поглинання кисню водним розчином сульфіту натрію  у присутності солі міді (n=2, а=1–2, b=0). Коефіцієнт прискорення вираховується за формулою:

 

                       

.                            (1.14)

 

     Беззворотня реакція  першого порядку. До такого  випадку відноситься поглинання СО2 водними розчинами моноетаноламіну при високих ступенях карбонізації (n=2, а=b=1):

 

                           X=1+[1/(1–Aж)][R/(R/M)+1]                                  (1.15)

 

або за більш точним рівнянням:

 

                        Х = 2(M

)/[1+
],                     (1.16)

причому

 

 

де R – кінетичний параметр;

    q – дифузійний параметр;

    DB – коефіцієнт молекулярної дифузії хемосорбенту, м2/ч;

    rп – константа швидкості прямої реакції, 1/с.

При DA»DB для розрахунку х можна користуватися також рис. 1.1, а. При R>5М, Аж»0 и Вжж.кр коефіцієнт прискорення не залежить від кінетичного параметру R. Наприклад, для абсорбції NH3 сірчаною кислотою коефіцієнт прискорення

                                              X=1+M.                                                         (1.17)

 

       В цих умовах реакція протікає миттєво і швидкість абсорбції дорівнює:

 

                                      

.                                  (1.18)

 

при Вж ≥Вж.кр реакція протікає миттєво на поверхні розділу фаз, тому весь опір зосереджено в газовій фазі. В цьому випадку концентрація хемосорбенту Вж значно перевищує концентрацію компоненту, що абсорбується, Ар:

                           Вж.кр= (n/q) (bг/bж)·Аг=пGA/qabж.                        (1.19)

 

В області M>5R, Aж»0 коефіцієнт прискорення не залежить від М. Наприклад, поглинання СО2 розчином NOH при надлишку лугу (n=2, a=b=1). В цьому випадку коефіцієнт прискорення дорівнює:

 

                                                            х=1+R.                                     (1.20)

 

     Незворотна реакція  другого порядку. В цьому випадку  коефіцієнт прискорення дорівнює:

 

              x=1+[M/(1+Aж)][(

)/(
)]  (1.21)

 

при умові

 

z=2(a+1)/p(R

)

 

     Зворотна  реакція першого порядку. Константа рівноваги реакції A⇄В дорівнює К=r п/r0=В/А.

      Якщо А – концентрація  вільного компоненту у рідині, а С = А + В – загальна концентрація компоненту, тоді ці концентрації і коефіцієнти масовіддачі будуть пов’язані між собою наступними співвідношеннями:

 

                                            А=С/(1+К), bA=bc(1+K)                                 (1.22)

 

Тоді коефіцієнт  прискорення  буде дорівнювати

 

                                  

,                    (1.23)

 

                                                 

,                                  (1.24)

де rп, r0 – константи швидкості прямої і зворотної реакцій, 1/с;

     bA і bc –коефіцієнти масовіддачі, які визначається відповідно при рухаючий силі, що дорівнює (Aр–Aж) и (Ср–Сж).

При використанні в розрахунках bc коефіцієнт прискорення дорівнює:

          xc=bc/bж=xA/(1+K)=

 (1.25)

В цьому випадку хс<1, т. є. коефіцієнт bc нижче, чим коефіцієнт масовіддачі при фізичній абсорбції – bж.

Для абсорбції, яка супроводжується  повільною  зворотною реакцією, наприклад поглинання SO2 або С12 водою, коефіцієнт прискорення може бути розрахований за формулою:

                                       xA=1+[M/(1–Aж)][(K1+NBж)/NBж],                (1.26)

 

      Зворотна реакція  другого порядку. Кінетичне рівняння  для реакції типу А + В D С (пряма реакція другого порядку, зворотна реакція першого порядку) має вигляд:

                                                  NA=r11AB–r1C.                                 (1.27)

 

     Коефіцієнт прискорення  для зворотної реакції першого  порядку визначається за формулою:

                                                X=1+[K/(K+1)][(x–1)j],                              (1.28)

де NA – швидкість розходування компоненту А в одиниці об’єму на хімічну реакцію, кмоль/(м3·с);

     r11 – константа швидкості реакції другого порядку (для прямої реакції);

    r1 – константа швидкості реакції першого порядку (для зворотної реакції);    К=r11Вж/r1 – константа рівноваги реакції;

    j – поправочний помножувач,що залежить від R, К и q=Bж/Ap, x – для реакції другого порядку визначають за формулою  (1.20) або рис. 1.1, б.

При К>20 коефіцієнт прискорення можна  визначати за формулами для незворотної реакції другого порядку, при q>20 – по формулам для зворотної реакції псевдопершого порядку; при K>100 и q>100 – по формулам для швидкої реакції в рідкій фазі.

Одночасна абсорбція двох газів. Це випадок розглянутий для  одночасної абсорбції СО2 и H2S розчинами лугів або амінів. Допустимо, абсорбуються гази А та С активною частиною поглинача В[(А+С) +nB ® продукти]. Для обох газів реакція в рідкій фазі протікає швидко. Коефіцієнт прискорення  для газу А визначають за наближеною формулою

                           

,                               (1.29)

а для газу С

                           

,                                 (1.30)

де yA=DA/DB; yс=Dс/Dв; TA=nAp/Bж; Тс=nсСсж; nА, nс – число кіломолей В, реагуючих відповідно з А і С.

      При одночасній  абсорбції двох газів швидкість  абсорбції кожного газу знижується. При абсорбції, яка супроводжується хімічною реакцією в плівкових та насадочних колонах виникає поверхнева конвекція. Сутність її полягає у виникненні в безпосередній близькості у поверхні розділу фаз конвективних струмів, значно прискорюючи процес масопередачі.

     Прискорення масопередачі  за рахунок поверхневої конвекції  можна врахувати за допомогою залежності

                                     х1=1+0,282(dsдин/dх)3,2,                                    (1.31)

де dsдин/dх – градієнт поверхневого натягу, Па.

 

Рис. 1.1. залежність фактору прискорення від різних параметрів:

а – залежність Х від а при різних К для реакції першого порядку; б - залежність Х від R при різних М для реакції другого порядку

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  2. Теоретичне питання № 2

      Очищення від хлору та його сполук.

      Виникнення промислових відхідних газів і вентиляційних викидів, що містять хлор, хлорид водню і хлорорганічних речовин, характерно для багатьох виробництв: отримання хлору і лугів  методом електролізу повареної солі, отриманні металічного магнію методом електролізу хлориду, переробки кольорових металів методом хлоруючого обпалення, отримання соляної кислоти і хлоромістких неорганічних і органічних речовин. В останній час джерелами виділення HCI стали установки зпалення хлоромістких відходів.

Для абсорбції хлору і хлоромістких речовин використовують воду, водні розчини лугів і органічних речовин, водні суспензії і органічні розчинники.

Взаємодія хлору с розчинами  лугів характеризується реакціями

 

                                     2NaOH+CI2® NaCl+NaOCl+H2O;    (2.1)

                              С12+2Са(ОН)2® СаС12+Са(ОС1)2+2Н2О;   (2.2)

                       Na2CO3+H2O+Cl2®NaCl+NaOCl+CO2+H2O.               (2.3)

 

Найбільше практичне значення мають  розчин NaOH (100–150 г/л) і водна суспензія Са(ОН)2 (100–110 г/л). При абсорбції хлору гідроксидом кальцію (вапняним молоком) при 80–95 °С в основному утворюються хлорид і хлорат кальцію:

                          6Са(ОН)2+6С12®5СаС12+Са(С1О3)2+6Н2О.                   (2.4)

 

Виникаючі в процесі очищення хлорати (гіпохлорити) можуть бути використані для обеззаражування стічних вод або підлягають термокаталітичному розпаду під дією гострої пари: Ca(CIO)2®CaCl2+O2.

Процес можна проводити в  абсорберах будь-якої конструкції. Ступінь очищення газів досягає 70–90%.

Вапняний  метод має ряд переваг: невелика вартість і досяжність реагенту, не потребує кропіткого захисту обладнання від корозії, так як середовище лужне. Недоліками способу є невисока ступінь очищення, недостатня ступінь використання абсорбенту, так як частина його розходується на підтримку необхідної лужності розчину. При використанні розчинів NaOH и Na2CO3 ефективність очищення підвищується до 90–98%.

Ефективними абсорбентами хлору є  тетрахлориди вуглецю(ССl4) і титану (TiСl4), хлориди сірки. При використанні ССl4 процес очищення проводять наступним чином: аб-гази, які містять 0,5–5,0% хлору, розбавляють повітрям і подають в абсорбційну колону, яка працює під тиском (1,5–2,0)·105 Па. Перед абсорбцією гази охолоджують розсолом. Абсорбція проходить в насадочній частині абсорбера охолодженим до (–15) – (–20) °С тетрахлоридом вуглецю. Очищений газ викидають в атмосферу або направляють на доочищення, а відпрацьований поглинальний розчин надходить на регенерацію.

Запропонований  спосіб поглинання хлору водними розчинами лігносульфонату концентрацією від 6 до 25%. При абсорбції досягається  така ж ефективність, як і при поглинанні вапняним молоком. Відпрацьований розчин переробляють в іонообмінний сорбент. Недолік процесу – більш висока агресивність розчину у порівнянні з абсорбцією вапняним молоком.

На деяких підприємствах кольорової  металургії для очищення газів від хлору використовують розчин хлориду заліза, який отримують розчиненням залізної стружки в соляній кислоті. При абсорбції хлору FеС12 переходить у FеС13, який є товарним продуктом.

Хлорид водню дуже гарно поглинається водою, тому його, як правило, використовують в якості абсорбенту, наприклад, у виробництві соляної кислоти. Для очищення відходящих газів від НС1 застосовують воду і лугові розчини.

Очистку газів водою проводять в абсорберах різної конструкції: в скруберах Вентурі, розпилюючих, насадочних абсорберах і в колонах з тарілками. Вибір апарату залежить від об’єму і складу газів, їх температури, виду і концентрації домішок, ефективності апаратів, а також напрямку подальшого використання отриманих сорбатів.

Ефективність очищення для насадочних абсорберів залежить від щільності зрошення. Наприклад, при концентрації хлориду водню в газі 4 г/м3 при щільності зрошення 2,5 М3/(м2-ч) в абсорбері діаметром 5 м с насадкою висотою 12,7 м ефективність очищення була 72%, а при щільності зрошення 5,1 м3/(м2·ч) – 88%. Подальше збільшення щільності зрошення не підвищує ефективність очистки, але утворює стоки с низькою концентрацією (0,3–0,4%) соляної кислоти. При здійсненні рециркуляції абсорбенту можливе отримання соляної кислоти 9–10%-вої концентрації. В тарілчастих колонах ефективність очистки досягає 90–99%. Наприклад, ефективність колони с клапанними тарілками при витратах 0,5 кг/м3 складає 97,8%.

Основним недоліком процесу  очистки водою є утворення  туману крапельно-рідинної соляної кислоти, уловлювання якого при інших рівних умовах проходить менш інтенсивно.

Застосування водних розчинів NaOH, Ca(OH)2 або Na2CO3 для абсорбції хлориду водню дозволяє підвищити ефективність очистки і одночасно нейтралізувати виникаючі стоки. Цей спосіб дозволяє рекуперувати хлорид водню з отриманням хлоридів деяких металів: СаСl2, FеСl3, ZnCl2, ВаСl2, NaCl. Найбільш дешевшим з цих абсорбентів є гідроксид кальцію (вапняне молоко). Після абсорбції розчин хлориду кальцію упарюють, наприклад, в апаратах з пальниками глибинного паління. Для зневоднення розчину можна використовувати також  розпилюючу сушарку.

 

 

 

 

 

 

  1. Задача

№1.3

 

Розрахувати апарат для очищення газів  від твердих домішок.

 

Вихідні дані:

    1. Потужність установки по газу Пг, м3/год = 14·10-3;
    2. Температура газу, tг, °С = 300;
    3. Початкова концентрація пилу в газі Хп, г/м3 = 60;
    4. Густина пилу ρп, кг/м3 = 1,8·10-3;
    5. Ступінь очищення газу η, % = 60;
    6. Розрідження в системі Р, Па = 550;
    7. Об’ємні витрати газу приймаємо Vг, м3/годину = 18000 або 5 м3/с [1, с.66];
    8. Фракційний склад пилу:

     Хm, %   23,5   28   9,6   7,3   4,9   4    2,2   2,5

     σч, мкм    5    10    20    30    40    60   80   100

    1. Ціна електроенергії ЦЕ, грн./кВт = 0,16;
    2. Нормативний коефіцієнт окупності ЕН = 0,17;
    3. Коефіцієнт цехових витрат КЦВ = 0,07;
    4. Коефіцієнт амортизації КА = 0,1.

 

Розв’язок:

 

       Згідно до завдання  і до вихідних даних обираємо  пиловловлювач циклонного типу. Розв’язок зводиться до вибору оптимального варіанту циклонної установки.

 

 

1. Розраховуємо поправку на вплив  в’язкості газу і густини  пилу за формулою:

                                                                                                    (1.1)

де µг – в’язкість газу,Па·с;

ρм – густина матеріалу пилу,кг/м3

 

                                           

       2. Для побудови кривої приведення вибираємо три значення η20 : 0,50; 0,70; 0,95 [1,табл.3.3].

При η20 = 0,50 з табл.3.3 маємо значення величин η.

 

      3. Знайдемо залежність  між загальним і фракційним  ступенем очищення за формулою:

 

                                   

                                (1.2)

                                        .

 

  1. Для η1 =0,30, за допомогою таблиці 3.4 [1,стор.64], вираховуючи абсолютні значення величин, розраховуємо величину допоміжної функції А1(а) за формулою:

 

                                             

                                                             (1.3)

                                             

                                       

 

5. Враховуючи поправку Кп = 0,098, визначаємо нове значення а = - 0,52 – 0,098 = - 0,618.

 

6. По таблиці 3.4 [1,стор.64] знаходимо нове значення А(а) = - 0,45 і по ньому розраховуємо кінцеву величину ηп за формулою:

 

                                                                                                      (1.4)

                                     

 

     7. При η20 = 0,70 аналогічно з попереднім розрахунком розраховуємо:

 

                       

                      

                                           

                                                      

 

     8. З урахуванням поправки  нове значення  а=-0,23-0,098=-0,33. Виправлене  значення η2 де А(а) = -0,26, буде η2 =0,5·[1+(-0,26)] = -0,37.

 

     9. При η20 =0,95 аналогічно до вище написаного маємо:

 

                       

                                                                   ; з урахуванням поправки а = 0,43 – 0,098 = 0,332; А(а) = 0,43; η3 =0,5·[1+(0,43)] = 0,715 ≈ 0,72.

 

    10. Таким чином, трьом значенням η20 відповідають три значення повних к.к.д:

η20    0,50          0,70          0,95

ηі      0,28          0,37          0,72

 

      11. За отриманими  трьома точками будуємо криву  приведення рис.1 1, по якій знаходимо,  що для досягнення заданої  ефективності в 60 % потрібно підібрати циклон, який мав би η20 = 0,375 ≈ 0,4.

 

     12. по графічний залежності [1,рис.3.2] визначаємо шукані варіанти типів циклонів і τу:

ЦН – 24 … 1,2

 

     13. Визначаємо конструктивний  коефіцієнт циклона ЦН – 24 по зсередненному  значенню коефіцієнта капітальних затрат, використовуючи таблиці 3.5 і 3.2 [1,стор.62 і с.65] за формулою:

 

                                                         Кц = К.к.з / ζ,                                                  (1.5)

 

де К.к.з – коефіцієнт капітальних  затрат [1,стор.65]

ζ – коефіцієнт опору циклону [1,стор.62].

                                                         Кц = 1143 / 75 = 15,2

 

      14.  Знаходимо оптимальний діаметр циклону за формулою:

 

                                                    ;                                         (1.6)    

де τу – умовний час перебування газу в циклоні,

Кц – конструктивний коефіцієнт циклону;

Ке – експлуатаційний коефіцієнт циклону;

 

                                                                                                (1.7)

Технологія очистки та рекуперації відходів