Утилизация твердых бытовых отходов в г. Уфе

Министерство  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

рОСсийской  Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Уфимская  государственная академия

экономики и  сервиса

ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ И  ТЕХНОЛОГИИ СЕРВИСА

Кафедра  «Охрана окружающей среды и РИПР»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Промышленная экология»

на тему: « Утилизация твердых бытовых отходов в г. Уфе»

КР ДО спец. 28020165 группа ОД – 41 № 08969

Уфа - 2011

Содержание

Введение

Ежегодно население и промышленный сектор Уфы производят 620000 тонн твердых бытовых отходов (ТБО)[1].Большая часть бытового мусора свозится на полигон в Черкассах, где подвергается процедуре утилизации. Все это не лучшим образом сказывается на состоянии окружающей среды и приводит к отчуждению земель. Однако, «физическое» измерение проблемы ТБО – не только не единственное, но даже и не самое важное. Существуют другие взаимосвязанные аспекты этой проблемы, которые делают ее насущной именно в наше время. Их можно сформулировать следующим образом:

• Объем ТБО непрерывно возрастает как в абсолютных величинах, так  и на душу населения;

• Состав ТБО резко усложняется, включая в себя все большее  количество экологически опасных компонентов;

• Отношение населения к традиционным методам сваливания мусора на свалки становится резко отрицательным;

• Законы, ужесточающие правила обращения  с отходами, принимаются на всех уровнях правительства.

• Новые технологии утилизации отходов, в том числе современные системы  разделения компонентов мусора, мусоросжигательные заводы, производящие тепловую и электрическую  энергию, санитарные полигоны для захоронения, все более широко внедряются в  жизнь.

В связи с этими проблемами, вторичная  переработка отходов стала актуальнейшей  задачей современности.

Состав ТБО в среднем по Уфе приведен на рисунке 1. Наиболее значительную часть отходов на этой диаграмме составляют пищевая органика – 63%. Вторая по величине категория ТБО в городе – это отходы пластмасс.

Рис. 1. Приблизительный морфологический состав отходов в г. Уфа (по данным компании Etha- Tech), % [1].

Отходы пластмасс, большую часть которых занимают полиэтилентерефталатные (ПЭТФ) тары, в отличии от органики, разлагаются более 100лет, нанося непоправимый вред экологической обстановке, а при сжигании выделяют крайне токсичные вещества – диоксины. В Уфе сбор данного вида отходов осуществляют ООО «Чистый город», ОАО «Вторпластэкология». Однако, из-за отсутствия в республике специализированных предприятий данные отходы направляются на переработку и повторное использование за пределы республики, преимущественно в г.Москву или г.Ижевск (Удмуртия)[3], что является крайне не экономично, т.к. из вторичного бутылочного полиэтилентерефталата можно получить значительный ассортиментный ряд изделий. Основным крупнотоннажным производством является получение лавсановых волокон (в основном штапельных), производство синтепонов и нетканых материалов. Большой сегмент рынка занимает экструзия листов для термоформования на экструдерах с листовальными головками, и, наконец, наиболее перспективным способом переработки повсеместно признано получение гранулята, пригодного для контакта с пищевыми продуктами, т.е. получение материала для повторной отливки преформ.

Исходя из важности данной проблемы, в  работе поставлены следующие  задачи:

1. Проанализировать существующие технологии переработки ПЭТФ-бутылок;

2.  Рассмотреть наиболее экономичную и экологичную технологию с точки зрения:

1. кинетики и термодинамики процесса;
2. технологической конструкции;
3. экологизации.

1. Литературный обзор

Программа по утилизации ТБО и планирование стратегии демонстрируются приведенной на рис. 2 схемой. В первую очередь целесообразно рассматривать мероприятия по первичному сокращению отходов. Затем уменьшать количество отходов за счет повторного использования и переработки их части. В самую последнюю очередь осуществлять мероприятия по утилизации или захоронению тех отходов, возникновения которых не удалось избежать, и которые не поддаются переработке во вторсырье.

Рис. 2. Схема утилизации ТБО[2].

Под сокращением понимается не только уменьшение общего количества отходов, но и уменьшение их токсичности и иных вредных свойств. Сокращение отходов достигается вследствие переориентации производителей и потребителей на продукты и упаковку, приводящие к меньшему количеств отходов. В России в настоящий момент более разумно говорить не о сокращении объема отходов, а об ограничении их бесконтрольного роста.

Вторичная переработка. Довольно многие компоненты ТБО могут быть переработаны в полезные продукты. Стекло обычно перерабатывают путем измельчения и переплавки (желательно, чтобы исходное стекло было одного цвета). Стеклянный бой низкого качества после измельчения используется в качестве наполнителя для строительных материалов. Во многих российских городах существуют предприятия по отмыванию и повторному использованию стеклянной посуды. Она на 30 – 40% является оборотной тарой. Такая же, безусловно, положительная практика существует, например, в Дании.

Стальные и алюминиевые  банки переплавляются с целью получения соответствующего металла. При этом выплавка алюминия из баночек для прохладительных напитков требует только 5% от энергии, необходимой для изготовления того же количества алюминия из руды, и является одним из наиболее выгодных видов вторичной переработки.

Бумажные отходы различного типа, знакомые нам как макулатура, уже многие десятки лет применяют наряду с обычной целлюлозой для изготовления пульпы – сырья для бумаги. Из смешанных или низкокачественных бумажных отходов можно изготовлять туалетную или оберточную бумагу и картон. К сожалению, в России только в небольших масштабах присутствует технология производства высококачественной бумаги из высококачественных отходов (обрезков типографий, использованной бумаги для ксероксов и лазерных принтеров и т.д.). Бумажные отходы могут также использоваться в строительстве для производства теплоизоляционных материалов и в сельском хозяйстве – вместо соломы на фермах.

Полимерную составляющую ТБО лишь 20 – 30 лет назад стали относить к вторичному сырью. Стоимость полимерных материалов достаточно высока, поэтому и полимерные отходы рассматриваются сегодня как ценные продукты, подлежащие материальному рециклингу, то есть переработке с получением: 1). исходных полимеров, наполнителей, армирующих элементов; 2). мономеров; 3) других химических соединений, пригодных для использования.

На рис. 3 приведены данные по стоимости переработки различных видов вторсырья. Утилизация бумажной массы – наиболее дешевый по стоимости процесс регенерации отходов. Переработка пластика в целом – наиболее дорогая, сложная и трудоемкая технология.

Рис.3. Стоимости переработки  различных видов вторсырья[2].

Однако, учитывая сравнительно высокие цены на полимерное сырье  в России, можно с уверенностью утверждать, что при разумной организации  сбора и переработки  пластмассового отхода  данное производство будет  достаточно выгодным.

Технологические отходы ПЭТФ – это ценный продукт, из которого могут быть регенерированы исходные мономеры. На сегодняшний день существует множество путей химического разложения ПЭТФ на составляющие:

1. Гидролиз является реакцией, обратной поликонденсации. С его помощью при направленном действии воды по местам соединения компонентов поликонденсаты разрушаются до исходных соединений. Гидролиз происходит под действием экстремальных температур и давлений. Глубина протекания реакции зависит от pH среды и используемых катализаторов. Расщепление отходов водой до терефталевой кислоты и этиленгликоля может быть проведено в присутствии серной, азотной или фосфорной кислоты в качестве катализатора или щелочным раствором с концентрацией 5 –7%.
2. По сравнению с гидролизом для расщепления отходов ПЭТФ более экономичен другой способ – гликолиз. Деструкция происходит при высоких температурах и давлении в присутствии этиленгликоля и с участием катализаторов до получения чистого дигликольтерефталата.
3. Метанолиз. Наиболее часто ПЭТФ расщепляют метанолом до получения диметилтерефталата. На практике применяют и комбинацию методов гликолиза и метанолиза.
4. Следует заметить, что разработан новый способ переработки ПЭТФ-отходов с использованием суперкритической воды. Гидролиз ПЭТФ протекает за 30 мин при температуре 350–400 °С и давлении 25–30 Мпа[4]. Преимущество разработанного способа перед уже известными заключается в простоте и небольшой продолжительности процесса.

После реализации любого из описанных процессов расщепления  отходов получают мономеры, из которых в дальнейшем можно синтезировать ПЭТФ.

Рассмотренные технологии весьма разнообразны. Но далеко не все из них  применимы к отходам пищевой  тары. Многие из данных технологий позволяют  перерабатывать только незагрязненные технологические отходы. К тому же применяемые в этом случае установки  сложны в эксплуатации и ориентированы  на переработку большого объема отходов, оставляя незатронутой утилизацию пищевой  тары, которая, как правило, очень  сильно загрязнена.

В данной курсовой работе будет  рассмотрен самый распространенный химический метод переработки отходов ПЭТФ – метанолиз, т.к. при этом методе выход диметилтерефталата достигает 80% и технология является более экономичной и экологичной[4].

2. Характеристика продукции, сырья, отходов
1. Характеристика сырья

    Первичный   ПЭТФ (полиэтилентерефталат, более известный как ПЭТ или лавсан) представляет собой сложный термопластичный полиэфир терефталевой кислоты и этиленгликоля. По физическим свойствам это твёрдое вещество белого цвета без запаха. Полиэтилентерефталат прочный, жёсткий и лёгкий материал. Пластик не ядовит. Полиэфирные волокна находят все большее применение  в технике и в быту. Сравнительно  высокий  модуль  наряду  с  большой  прочностью,  относительно высокой термостойкостью,  а  также  высокие  диэлектрические  характеристики позволяют применять полиэфирные материалы для  производства  шинного  корда, транспортерных  лент,   приводных   ремней,   парусов,   пожарных   рукавов, электроизоляционных и других материалов. ПЭТФ обладает хорошей термостойкостью в диапазоне температур от - 40 °С до + 200 °С. Небольшое водопоглощение обусловливает высокую стабильность свойств и размеров изделий.  Изделия из ПЭТФ устойчивы к удару и растрескиванию, и могут работать при температуре до + 70 °С. ПЭТФ устойчив к действию разбавленных кислот, масел, спиртов, минеральных солей и большинству органических соединений, за исключением сильных щелочей и некоторых растворителей. ПЭТФ минимально  адсорбирует запахи и проявляет свойства хорошего газового барьера[5].

Качество сырья : 
• высокая прочность и жесткость 
• высокое сопротивление ползучести 
• высокая поверхностная твердость 
• хорошо полируется 
• высокая устойчивость к деформации 
• хорошее свойство трения скольжения и износостойкость 
• хорошие электрические изолирующие свойства 
• высокая стойкость к химикатам 
• хорошо лакируется

Недостатки качества сырья:

• средние диэлектрические свойства

Вторичный ПЭТФ не является по своим качествам идентичным первичному. Он обладает меньшей плотностью, худшими термо- и морозостойкостью, менее устойчив к растяжению и изгибу. Поэтому упаковочные решения, использующие в качестве сырья 100%-ый вторичный ПЭТФ являются скорее исключением из правила. С присутствием вторичного материала связано, например, снижение вязкости расплава, что осложняет процесс производства и негативно отражается на качестве конечного продукта.  

2. Характеристика продукции

Внешний вид диметилтерефталата: бесцветные кристаллы призматической формы.

tпл=140-1410С, d(200C)=163, хорошо растворяется в горячей воде, растворяется в спирте, эфире, бензоле, ацетоне[4].

Диметиловый эфир терефталевой кислоты является одним из важнейших химических продуктов, используемых для производства полиэфирных волокон, полиоксадиазолов, полибензимидазолов, алкидных смол и пластификаторов. Полиэфирные волокна находят все большее применение в технике и в быту. Сравнительно высокий модуль наряду с большой прочностью, относительно высокой термостойкостью, а также высокие диэлектрические характеристики позволяют применять полиэфирные материалы для производства шинного корда, транспортерных лент, приводных ремней, парусов, пожарных рукавов, электроизоляционных и других материалов.

Благодаря высокой устойчивости к  сминанию и способности сохранять форму, хорошему внешнему виду и достаточно низкой стоимости полиэфирные волокна в чистом виде или в смеси с другими волокнами используют для изготовления широкого ассортимента товаров народного потребления: платяной и костюмной тканей, верхнего трикотажа, занавесей, постельного белья, изделий из искусственной замши и искусственного меха.

Приведенные выше свойства полиэфирных  волокон обусловили наиболее крупнотоннажное  производство по сравнению с производством  волокон других видов.

3. Характеристика отходов

Вода используемая для мытья бутылок содержит: остатки бумажных этикеток (целлюлоза, например), органические отходы(этанол, глюкоза), всевозможные красители, углеводороды, механические примеси. Трудность очистки промывной воды заключается именно в том, что трудно определить  ее состав.

Терефталевая кислота - бесцветное кристаллическое вещество, слабо растворима в воде, спиртах, диметилсульфоксиде. Терефталевая кислота представляет собой чистый белый порошок, получаемый путем окисления параксилола при наличии катализаторов и уксусной кислоты. Не образует мономерного ангидрида; при нагревании с уксусным ангидридом превращается в полимерный ангидрид. Взаимодействие терефталевой кислоты со спиртами приводит к образованию эфиров, из которых наиболее практическое значение имеет диметилтерефталат. Из терефталевой кислоты синтезируют прозрачный термостойкий полимер полиэтилентерефталат. Его получают в результате поликонденсации этиленгликоля с терефталевой кислотой. Из него делают бутылки, полиэфирное волокно терилен (лавсан), упаковочные материалы, в том числе для пищевой промышленности, радиодеталей, химического оборудования.

Этиленгликоль (гликоль; 1,2-диоксиэтан; этандиол-1,2), простейший представитель полиолов. В очищенном виде представляет собой прозрачную бесцветную жидкость слегка маслянистой консистенции. Не имеет запаха и обладает сладковатым вкусом. Токсичен. Попадание этиленгликоля или его растворов внутрь организма человека может привести к необратимым изменениям в организме и к летальному исходу.

В рассматриваемом производстве этиленгликоль  выделяется из сточной воды и может  быть использована:

1. Как компонент автомобильных антифризов и тормозных жидкостей;
2. В качестве теплоносителя в виде раствора в автомобилях, в системах жидкостного охлаждения компьютеров;
3. В производстве целлофана, полиуретанов и ряда других полимеров.;
4. Как растворитель красящих веществ;
5. В органическом синтезе;
6. Этиленгликоль является исходным сырьём для производства взрывчатого вещества нитрогликоля;
7. При производстве конденсаторов;
8. При производстве 1,4-диоксана;
9. Компонент в составе систем жидкостного охлаждения компьютеров;
10. В качестве компонента крема для обуви (1-2%)
11. В составе для мытья стёкол вместе с изопропиловым спиртом[6].

3. Основные характеристики производства
1. Физико- химические основы производства
1. Химизм процесса

[-O-(CH₂)₂-O-(CO)-C₆H₄-(CO)-] _n + CH₃OH -----> C₆H₄(COOСН₃)₂  + Н₂О

полиэтилентерефталат                      метанол                 диметилтерефталат

2. Кинетика и термодинамика процесса

Процесс протекает при  следующих условиях: температура – 180°С, давление 2,5–2,8 МПа (25–28 ат), время реакции 2–3 ч. Катализаторами метанолиза могут служить те же вещества, которые являются катализаторами переэтерификации и гликолиза. В патентной литературе в качестве катализаторов переэтерификации предложены почти все металлы периодической системы элементов, их окиси, соли, алкоголяты и более сложные соединения. Множество катализаторов разного характера позволяет отнести описываемый процесс к реакциям кислотно-основного типа катализа, в котором имеет место промежуточное кислотно-основное взаимодействие реагирующих веществ с катализатором.

Однако, из большого  числа запатентованных катализаторов многие обладают небольшой каталитической активностью, а иные сложны по составу или токсичны. В промышленности применяют очень ограниченное число катализаторов, и среди них – ацетат цинка, мараганца, кобальта, свинца, кальция, кадмия, сурьмы, окись свинца. С точки зрения практики, в которой обычно учитывают расход катализатора (по массе), наиболее активными катализаторами являются ацетаты цинка, марганца и кобальта, о чем свидетельствуют данные на рисунке 40.

Рис. 4. Зависимость продолжительности реакции от типа катализатора( в количестве 0,0345%  от массы ДМТ). 1 - ацетат цинка, 2 – ацетат марганца, 3 – хлорид цинка, 4 – ацетат кобальта, 5 – хлорид кобальта, 6 – ацетат кальция[10].

На рисунке 5 приведены кинетические кривые хода переэтерификации при разных температурах для смешанного катализатора, состоящего из ацетата цинка и окиси свинца.

Рис.5. Кинетика переэтерификации при различных температурах с катализатором.1 – 215⁰ С, 2 – 200, 3 - 175, 4 – 152[10].

4. Технологическое оформление процесса

4.1. Общая характеристика элементов и связей

Характеристика  элементов. Главным элементом является реактор метилирования. Реактор метилирования и реактор гидролиза являются  реакторами непрерывного действия.  В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества и подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно, одновременно и, следовательно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и выгрузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических производствах, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осуществляют в непрерывно действующих реакторах.  
      Время пребывания отдельных частиц потока в непрерывно-действующем реакторе, в общем случае, - случайная величина. Так как от времени, в течение которого происходит реакция, зависит глубина химического превращения, то она будет разной для частиц с разным временем пребывания в реакторе. Средняя глубина превращения определяется видом функции распределения времени пребывания отдельных частиц, зависящим, в свою очередь, от характера перемешивания, структуры потоков в аппарате и для каждого гидродинамического типа реактора индивидуальным.

Форсунка - устройство для распыливания жидкостей. Подача жидкости осуществляется под давлением или при помощи сжатых газа, пара. Вещество из форсунки поступает непрерывно (в топках, газотурбинных и реактивных двигателях, паяльных лампах и др.) или периодически в короткие промежутки времени (в дизелях и др.). В центробежных и вихревых форсунках, а также в форсунках с вращающимся распылителем жидкость приобретает вращательное движение и вытекает из распылителя тонкой плёнкой. Вращение жидкости достигается у центробежных форсунках путём подвода её по каналу  по касательной к поверхности камеры, у вихревых – в результате движения по винтовым канавкам, у форсунок с вращающимся распылителем – вращением корпуса. Форсунка может иметь клапан, например игольчатый , с помощью которого осуществляются изменение количества подаваемого вещества, начало и конец подачи. Управление работой клапана производится вручную, давлением подаваемой жидкости или автоматическими устройствами. С помощью форсунка распыливают воду для регулирования процесса горения, увлажнения воздуха и почвы, а также яды, растворы удобрений и др. Устройства, аналогичные форсунке, но применяемые для распыливания газового и пылевидного топлива, называются горелками.

Смеситель – аппарат для смешения материалов с целью получения однородных смесей и масс из жидких компонентов. Представляет собой цилиндр, в котором расположена мешалка, предназначенная получения однородных смесей.

Ректификационная колонна - аппарат для  разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах (ректификационных колоннах), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости).

Ректификационные колонны  состоят из собственно колонны, где  осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены т. н. тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка. Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители).        

 Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар — жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

Циклонный сепаратор - один из типов газовой сепарации.  Газовые сепараторы используются для очистки продукции газовых и газоконденсатных скважин от капельной влаги и углеводородного конденсата, твёрдых частиц и др. примесей. Примеси затрудняют транспортировку газа и являются причиной коррозии трубопроводов, закупорки (частичной или полной) скважин, шлейфов и промыслового оборудования вследствие образования пробок гидратов или льда.

Газовый сепаратор, как правило, имеют сепарационные секции: основную сепарационную (для отделения большей части жидкости из газового потока); осадительную, в которой примеси отделяются под действием сил гравитации; окончательной очистки газа (от мельчайших капель жидкости); для сбора и предварительного отстоя жидкости. Газовые сепараторы разделяются по типу основного сепарационного устройства на гравитационные, циклонные (центробежные) и насадочные; по положению сборника жидкости — с выносным сборником и со сборником, находящимся в объёме  газового сепаратора.

В циклонных газовых сепараторах сепарация примесей происходит под действием центробежных сил. При равной с гравитационными эффективности циклонные газовые сепараторы обладают большей пропускной способностью, менее металлоёмки и имеют меньшие габаритные размеры.

Конденсатор - аппарат для осуществления перехода вещества из газообразного (парообразного) состояния в жидкое или твёрдое. Широко используется в химической технологии, в теплоэнергетических и холодильных установках для конденсации рабочего вещества, в испарительных установках для получения дистиллята, разделения смесей паров и т. д. Конденсация пара в конденсаторе происходит в результате соприкосновения его с поверхностью твёрдого тела (поверхностные конденсаторы) или жидкости (контактные жидкостной), имеющих температуру более низкую, чем температура насыщения пара при данном давлении. Конденсация пара сопровождается выделением тепла, затраченного ранее на испарение жидкости, которое должно отводиться какой-либо охлаждающей средой.        

 Поверхностные конденсаторы  обычно выполняются в виде  пучка горизонтальных или вертикальных  труб. При этом охлаждающая среда  (вода, рассол, воздух) может протекать  внутри труб, а пар— поступать в пространство между трубами и конденсироваться на их наружной поверхности или наоборот. Пространство, в котором происходит конденсация, может быть под атмосферным, повышенным или пониженным давлением. По устройству поверхностные конденсаторы аналогичны другим поверхностным теплообменникам (обычно кожухотрубным) и используются в тех случаях, когда конденсат необходимо сохранить в чистом виде.        

 Если при конденсации  пара образуется жидкость, она  стекает с поверхности теплообмена  под действием силы тяжести  или увлекается движущимся паром;  если же образуется твёрдая  фаза (например, лёд), она непрерывно  или периодически удаляется скребками  или другими устройствами. При  использовании в качестве охлаждающей  среды воздуха или другого  газа поверхность конденсаторы  с целью интенсификации теплообмена  обычно снабжается со стороны  этой среды ребрами. 

Кристаллизатор - аппарат для перевода вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного кристаллического состояния в другое. В малотоннажных производствах (например, реактивов) обычно применяют отдельные формы определенных размеров или конфигурации, в которых расплав охлаждается путем естестенного теплообмена с окружающей средой; в крупнотоннажных производствах (нафталина и др.) кристаллизацию  проводят в секционированных, трубчатых, конвейерных и иных кристаллизаторах со встроенными формами, принудительно охлаждаемыми водой, жидким NH3, хладонами и т. п.