Проблемы очистки газовых выбросов от органических веществ участка покраски
Федеральное агентство по образованию
Тульский Государственный Университет
Кафедра «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды»
Курсовая работа
по дисциплине «Промышленная экология»
На тему:
«Проблемы очистки газовых выбросов от органических веществ участка покраски »
Выполнил: ст.гр.320631 Москвин О.Ю.
Тула 2007
Содержание:
Введение 3
1. Методы очистки газовых выбросов от паров органических
растворителей 4
1.1 Абсорбция 5
1.2 Ионообменная очистка
газов 6
1.3 Процессы сжигания 7
1.4 Каталитическое сжигание органических материалов 7
1.5 Каталитическая очистка газов 8
1.6 Конденсация паров 9
1.7 Адсорбция 9-11
2. Обоснование выбора метода очистки газов от органических
растворителей 12
3. Технологическая схема адсорбционной очистки отходящих газов от
паров органических растворителей 13
4. Расчет адсорбера с неподвижным слоем АУ 14-16
5. Конструкция адсорберов 17-18
Заключение 19
Литература 20
Введение
Загрязнение окружающей среды отходами производственной деятельности человека наносит обществу огромный ущерб, который состоит в губительном воздействии на здоровье людей, животных и растительный мир и, кроме того, в потере ценных материалов и химических веществ.
Защита воздушного бассейна - одна из важнейших задач современного общества, так как уже сейчас в некоторых промышленных районах концентрация ядовитых веществ в атмосфере достигает опасных пределов.
Очистка газов в промышленности является сложной и актуальной проблемой. Решение этой сложной проблемы предполагает реализацию комплекса технических и организационных мероприятий на основе глубокого и всестороннего анализа способов и аппаратов, предназначенных для очистки газов в различных производствах.
В ОАО «ПАТП № 3» одним из загрязняющих компонентов является, выделяющийся с участка покраски, толуол.
1. Методы очистки газовых выбросов от паров органических растворителей.
Для снижения загрязнения атмосферы от промышленных выбросов совершенствуют технологические процессы, осуществляют герметизацию технологического оборудования, применяют пневмотранспорт, разрабатывают и внедряют различные очистные сооружения. Наиболее эффективным направлением снижения выбросов является создание безотходных технологических процессов. Однако до настоящего времени основными средствами предотвращения выбросов остаётся разработка и внедрение эффективных систем очистки газов. При этом под очисткой газа понимают отделение от газа или переведение в безвредное состояние загрязняющего вещества, поступающего от промышленного источника.
В основе многих технологических методов очистки газов лежат процессы взаимодействия газов с жидкими или твердыми поглотителями, а также процессы химического превращения ядовитых примесей в нетоксичные соединения при высоких температурах или в присутствии катализаторов. В связи с этим наибольшее распространение при очистке газов получили абсорбционные, адсорбционные и каталитические методы. Кроме того, применяют ионообменную очистку газов, сжигание, высокотемпературное окисление и восстановление, конденсацию паров и пр.
1.1 Абсорбция
Абсорбция-это процесс отделения газообразного компонента от газовой смеси поглощением его соответствующей жидкостью (абсорбентом).
Массоперенос из газовой фазы в жидкость осуществляется посредством диффузии. Перенос вещества между двумя фазами является неравновесным состоянием, т.е. концентрация отделяемого компонента в газовой фазе выше, чем в жидкой. Для отделения требуемого компонента газовая фаза приводится в контакт с абсорбентом. Поглощаемое вещество перемещается из газа в направление градиента концентрации.
Абсорбент должен удовлетворять следующим требованиям:
- обладать высокой поглотительной способностью по отношению к
извлекаемому компоненту,
- легко регенерироваться при десорбции,
- иметь высокую селективность по отношению к извлекаемому
компоненту, невысокую летучесть,
- обладать достаточными кинетическими свойствами и термической
устойчивостью,
- не оказывать коррозионного воздействия на аппаратуру,
- иметь возможно низкую стоимость и доступность для промышленного применения.
На скорость абсорбции воздействует ряд факторов, но главным образом давление и температура. С ростом давления и снижением температуры скорость абсорбции увеличивается.
Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента и, когда очистке подвергаются большие газовые потоки. При этом следует иметь в виду, что абсорбционный метод очистки газов характеризуется образованием значительных объемов жидких отходов (шламов), которые, как правило, подлежат дальнейшей обработке.
1.2. Ионообменная очистка газов
Использование ионитов для удаления примесей из газов по существу представляет собой разновидность адсорбционной очистки.
Иониты - это адсорбенты, которыми являются как природные, так и синтетические неорганические и органические вещества. К природным газам относятся цеолиты, глинистые минералы, ископаемые угли и др.
Синтетическими ионитами являются плавленые цеолиты и молекулярные сита, ионообменные смолы, активированные минералы и органические вещества и др.
Для извлечения из отходящих газов токсичных примесей, являющихся одновременно и ценными веществами, ионитовые фильтры встраивают в устанавливаемые возле производственных аппаратов - ванн, смесителей, дозаторов, окрасочных камер и т.п. - бортовые отсосы или общий вытяжной коллектор. Растворы после регенерации таких фильтров можно вновь возвращать в производственный цикл.
Возможности применения ионитов резко расширились в связи с синтезом ионообменных волокнистых материалов (ИВМ). Высокие кинетические характеристики последних и возможность изготовления на их основе фильтров с тканевой и тканеподобной структурами позволяет эффективно решить задачу одновременного газо- и пылеулавливания.
Таким образом, способность ионитов к поглощению газообразных веществ самой различной природы позволяет использовать эти материалы для решения разнообразных технических задач, а возможность многократного повторения сорбционно-десорбционных циклов делает их по существу «вечными» реагентами.
1.3. Процессы сжигания
Если загрязняющие вещества легко окисляются, как, например, пары
углеводородов в отходящих газах цехов растворителей и красок, то их
удаление может быть осуществлено путем сжигания газов, причем
образуются диоксид углерода и вода при сжигании углеводородов или
диоксид серы и вода - в случае органических сульфидов. Если концентрация
этих примесей в газах достаточно велика и входит в область
воспламеняемости, после первоначального поджигания будет
поддерживаться процесс самоокисления.
Самая низкая концентрация, при котором происходит этот процесс, является нижним пределом воспламеняемости, а самая верхняя - верхним. В этих пределах может происходить регулируемое сжигание, однако в некоторых условиях возможен взрыв.
Методы термического или огневого обезвреживания газообразных отходов широко используют в лакокрасочных производствах, в процессах получения ряда видов химической, электротехнической и электронной продукции, в пищевой индустрии, типографском деле, при обезжиривании и окраске изделий и т.п.
1.4. Каталитическое сжигание органических материалов
Каталитическое сжигание представляет собой дальнейшее расширение технологии сжигания газов в замкнутом пространстве. К его преимуществам относится тот факт, что окисление на поверхности катализатора происходит при температуре ниже температуры самовоспламенения и при таких концентрациях горючих газов, которые не обеспечивают тепловыделения, необходимого для протекания самоподдерживающей реакции горения. Дополнительным преимуществом является лишь расход стехиометрического количества кислорода из воздуха без необходимости предварительного подогрева газовой смеси.
Каталитическое сжигание может быть полезно при удалении запаха некоторых органических соединений, содержащихся в промышленных выбросах, например паров органических растворителей.
Каталитическое дожигание считается целесообразным в тех случаях, когда отходящие газы представляют собой многокомпонентные смеси различных веществ, разделение которых другими методами малоэффективно.
1.5. Каталитическая очистка газов
Катализ как метод очистки газов от нежелательных примесей позволит значительно расширить область применения как чисто химических, так и сорбционных процессов для разделения газовых смесей. Кроме того, при каталитической очистке газов не существует проблемы утилизации жидких отходов, как, например, при адсорбционной газоочистке.
Каталитические методы очистки основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом на твердых катализаторах.
Сравнительная оценка показывает, что глубокое окисление на гетерогенных катализаторах представляет собой наиболее перспективный метод очистки отходящих газов. Проточные каталитические системы оправдывают себя в сравнительно крупных производствах, с постоянным во времени потоком отходящих газов и узким изменением концентраций токсичных веществ.
Однако для малых производств характерно непостоянство потока отходящих газов и концентраций токсичных веществ, разнообразие токсичных компонентов. Проблемы очистки отходящих газов в данном случае можно решить, используя совмещение в одном аппарате двух процессов: глубокой адсорбции отходящих токсичных веществ из газовой среды (практически до ПДК) и последующего гетерогенного каталитического окисления адсорбированных токсичных веществ.
1.6. Конденсация паров
Конденсационная очистка газов наиболее эффективна при высоких
концентрациях вредных примесей в газовых выбросах, а также при
утилизации уловленных ценных компонентов и обработке газов,
содержащих пары веществ, при температурах, близких к точке росы.
Поэтому такую очистку применяют для удаления из отходящих газов сероводородов и летучих органических соединений, имеющих достаточно высокие температуры кипения при обычных условиях и присутствующих в газовой фазе в относительно высоких концентрациях.
Достоинствами метода являются простота аппаратурного оформления эксплуатации рекуперационной установки. Однако проведение процесса очистки паровоздушной смеси методом конденсации сильно осложнено, так как содержание паров летучих растворителей в этих смесях обычно превышает нижний предел их взрываемости.
К недостаткам этого метода относятся также высокие расходы холодильного агента и электроэнергии и низкий выход растворителей -обычно 70-90%. Метод конденсации является рентабельным лишь при содержании паров растворителя в очищаемом газовом потоке не менее 100 г что существенно ограничивает область применения установок конденсационного типа.
1.7. Адсорбция
Адсорбция - это избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси твердыми веществами -адсорбентами. Поглощаемое вещество носит название адсорбата либо адсорбтива.
Процессы адсорбции обычно обратимы. Благодаря этому становится возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента или проведение процесса десорбции.
Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким гзотителем.
Адсорбция наиболее эффективна при небольших концентрациях извлекаемого вещества, когда требуется достичь практически полного его извлечения, например, при тонкой очистке технологических газов от сернистых соединений и СО2 в производстве аммиака; при извлечении жгучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами; при чистке ацетилена, получаемого гидролизом углеводородов; при очистке аспирационных газов и т.д.
В отличие от абсорбционных методов адсорбционные позволяют проводить очистку газов при повышенных температурах.
Различают физическую адсорбцию и химическую, а также
копиллярную конденсацию. Физическая адсорбция происходит когда молекулы какого-либо вещества захватываются твёрдой поверхностью в
результате сил Ван-дер-Вальса при температуре, превышающей температуру
конденсации
Химическая адсорбция включает перенос или объединение электронов адсорбата и адсорбента, как у химических соединений. Поскольку при этом происходит химическая реакция и на поверхности образуется новое соединение, то выделение теплоты, как правило, значительно выше, чем при физической адсорбции. Связывание хемосорбционного вещества на поверхности адсорбента обычно бывает настолько велико, что процесс становится необратимым.
Адсорбция газа на поверхности твёрдого тела происходит в несколько
стадий. Первой стадией является перенос молекул газа к внешней
поверхности адсорбента. Вторая стадия заключается в том, что молекулы
газа проникают в поры адсорбента. Третьей стадией является собственно
адсорбция молекул в определённой области поры.
Эффективность адсорбционных систем во многом определяется Hi твердой фазы адсорбента. В качестве адсорбентов применяются твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно близкой к единице массы вещества.
Адсорбент должен удовлетворять следующим требованиям: иметь достаточно высокую адсорбционную способность, обладать высокой активностью, иметь высокую механическую прочность, хорошо порироваться, иметь возможно более низкую стоимость.
2 Обоснование выбора метода очистки газа от органических
растворителей.
Исходя их химических и физических свойств паров органических растворителей, технологических условий, при которых образуются и выбрасываются пары органических растворителей, их концентрацией в теплоносителе, его объёма и температуры и др., а также сравнивая все преимущества и недостатки рассмотренных методов очистки газов, выбираем адсорбционный метод.
В качестве адсорбентов в области газоочистки и рекуперации органических веществ обычно используются активные угли (АУ), силикагель, цеолиты
(природные и синтетические), активный оксид алюминия, иониты и др.
Из названных адсорбентов необходимым требованиям, предъявляемым твердому поглотителю, больше всего отвечают АУ: гидрофобность, высокая емкость, небольшая удерживающая способность, прочность, стабильность поглотительной способности, минимум каталитического действия на органический компонент.
Для адсорбции газов и паров органических растворителей используют микропористые гранулированные АУ. С этой целью промышленность России выпускает в настоящее время следующие марки газовых и рекуперационных КУ: АГ-2, СКТ, АР, СКТ-3, APT. Уголь АР-В получают из каменноугольной пыли и смолы методом паро-газовой активации. Он предназначен для очистки газов от паров летучих растворителей.
Технологическая схема адсорбционной очистки отходящих газов от паров органических растворителей.
Рис. 1 Технологическая схема адсорбционной очистки отходящих газов паров органических растворителей: 1-вентилятор; 2-адсорберы; 3-калорифер; 4-конденсатор; 5-разделитель фаз; 6-расслаиватель; 7-источник выброса.
4.Расчет адсорбера с неподвижным слоем АУ.
4.1. Исходные данные для расчета:
1. Количество паровоздушной смеси, поступающей на очистку,
V=0.36 м3/с .
2. Концентрация поглощаемого вещества в паровоздушной смеси,
■оступающей на очистку, Со=О,38 г/м3.
3. Температура паровоздушной смеси tB=20°C .
4. Марка угля и его характеристики:
Уголь марки АР-В,
а) влажность;8%;
б) средний размер зерен d=4 мм;
в) насыпная масса угля 7с.у.=550 кг/м3;
4.2 Расчет:
1. Задаемся фиктивной скоростью паровоздушной смеси, т.е.
эоростью, отнесенной к полной площади сечения слоя, нормальной к
вправлению потока, Уф=0,8 м/с.
2. Определяем диаметр адсорбера:
Да= 0,019 $4V~6 ,
3
где V- объем паровоздушной смеси, м3/ч;
Уф- фиктивная скорость паровоздушной смеси, м/с. V=0.36*3600=1296 м3/ч,
Да=0,019*41296/0,8 =0,76«0,8 м. Уточняем фиктивную скорость по формуле:
гдеР=0.785*Д2,м2. F=0.785*0,82=0.5024 м,
Уф=1296/3600*0,5024=0,72 м/с.
1 После этого по конструктивным соображениям выбираем диаметр (до 3
м) и высоту (до 7 м) кольцевого адсорбера.
3. Из конструктивных соображений выбираем высоту слоя активного
угля h=0.5 м.
4. Определяем значение критерия Рейнольдса:
где Дэ- эквивалентный диаметр, м;
v - коэффициент кинематической вязкости паровоздушной смеси,
ire
Для вертикальных цилиндрических аппаратов
Дэ=Да=0,8 М.
Кинематический коэффициент вязкости паровоздушной смеси рассчитываем по формуле: v=n*g/yB*9810,
где ц - коэффициент динамической вязкости для воздуха, спуаз. ц=0,0181 спуаз;
ув - удельная масса воздуха, кгш , ув=1,2 кг/м3. v=0,0181*9,81/l,2*9810=0,
5. Находим величину геометрического подобия:
Г>Дэ/п,
где h-высота слоя активного угля, м. Г,=0,8/0,5=1,6.
6. Пересчитаем начальную концентрацию изопропилового спирта в %
■о объему:
Со=(22,4*100*Т*Со)/(273*1000*
где T=273+tB;
М - молекулярная масса адсорбируемого вещества.
Со=(22,4*100*293*0,38)/(273*
7. Определяем значение критического комплекса по формуле:
Re*CoU8*ri=38400*0,011'28*l,6=
Если Re*Co1'28*ri>0.351, то симплекс А определяется по формуле для области высоких концентраций: A=0,0016*Re05*Co, А=0,0016*38400°'5*0,01=0,
8. Определяем количество сухого угля в адсорбере по формуле:
Gc.y=S*h* ycy;
ус.у- насыпная масса угля, усу=550 кг/м3,
h= 0,5 м.,
S=F=0,5 м2 - площадь поперечного сечения адсорбера,
Gc.y=0,5*0,5*550=137,5 кг.
9. Рассчитываем продолжительность процесса адсорбции по формуле:
г={ Gcy* ад)/( Уф* S* Со*3600); а^- динамическая активность АУ,кг/кг. *=3.2 ч=192 мин.
10. Расчет гидравлического сопротивления слоя активного угля:
Ap=2,68*h* Уф1'43;
Ар- сопротивление слоя АУ, кг/м2, h - высота слоя, м;
Уф - фиктивная скорость воздуха в слое, м/мин. Др=2,68*0,5*43,21'43=292,3 кг/м3;
С учетом местных сопротивлений принимаем потерю напора, равным ЗЮ кг/м'г
Для транспортирования ПВС необходим вентилятор с характеристи -■им: производительность V=10000 м /ч, полный напор Н=300 кг/м . Мощность на валу вентилятора определяем по формуле: N=(V*H)/(3600*102*77); где V - проиводительность вентилятора, м3/ч,
Н - полный напор, кг/м2;
ц - КПД вентилятора, ^=0,55; №=(10000*300)/(36000*102*0,55)
16
4. Конструкция адсорберов.
Вертикальные адсорберы имеют диаметр до 3 м и высоту корпуса до 4 м. Днища и крышки конические, что облегчает их изготовление. Высота угольной шихты принимается от 0,5 до 2,0 м.
Вертикальные адсорберы изготавливают сварными из листовой стали толщиной 8-10 мм. Марка стали выбирается в зависимости от коррозионных свойств улавливаемых компонентов.
Угольная шихта покоится в адсорберах на разборных чугунных решетках, которые укладываются на балки, установленные на опоры, приваренные к стенке корпуса адсорбера.
Чтобы уголь не ссыпался под решетку, на нее помещают слой гравия или настилают два слоя проволочной сетки из нержавеющей стали. Высота слоя гравия составляет 100мм.
Вертикальные адсорберы с плоским слоем угля обычно применяют на рекуперационных установках малой и средней мощности (до 30000 м3/ч).
Рис.3 Вертикальный адсорбер:
1-слой гравия; 2-разгрузочный люк; 3-сетка; 4- разгрузочный люк; 5-патрубок для подачи ПВС, сушильного и охлаждающего воздуха: 6-патрубок для вывода десорбирующего пара; 7-патрубок для предохранительного клапана; 8-крышка; 9-корпус; 10-уголь; 11-колосниковая решето.
патрубок для выхода очищенного газа; 13-смотровой люк; 14-патрубок для отвода конденсата; 15-днище; 16-патрубок для подачи пара.
Заключение
В курсовой работе был предложен метод очистки газовых выбросов от толуола. Установка адсорбционного очистного оборудования явилось наиболее эффективным способом улавливания органических растворителей.
Благодаря огромной удельной поверхности адсорбентов при адсорбции возможны очень большие скорости поглощения и полное поглощение компонентов, выделение которых путем абсорбции было бы невозможно из-за малой концентрации их в смеси. Поэтому адсорбция является эффективным способом разделения «бедных» смесей, содержащих незначительное количество поглощаемых веществ, а также смесей, состоящих из компонентов, очень близких друг к другу по химическим и физическим свойствам[1].
Литература:
1.
химической технологии.-М.: Химия, 1966. - 848 с.
2.
растворителей с адсорберами периодического действия. - М.:
Государственное научно-техническое издательство, 1961. -
238 с.
3.
гос. ун-т, Тула, 1999.-259 с.
