Очистка вентиляционных газов от паров ацетона методом абсорбции

Научно-технический прогресс и связанные с ним грандиозные масштабы производственной деятельности человека привели к большим позитивным преобразованиям в мире. Вместе с тем резко ухудшилось состояние окружающей среды. Загрязнение атмосферы, водоемов и почвы твердыми, жидкими и газообразными отходами достигает угрожающих размеров. Дальнейшее ухудшение состояния экосферы может привести к далеко идущим отрицательным последствиям для человека. Поэтому охрана природы, защита ее от загрязнений стала одной из актуальных проблем современного общества.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются промышленные предприятия.

Для снижения загрязнения атмосферы от промышленных выбросов используют технологические процессы, предусматривающие эффективную очистку газов, под которой понимают отделение от газа или превращение в безвредное состояние загрязняющего вещества, поступающего от промышленного источника.

Выбор метода очистки газа зависит от многих факторов: концентрация извлекаемого компонента в отходящих газах, объема и температуры газа, содержания примесей, требуемой степени очистки и др.

Адсорбционные методы очистки основаны на поглощении примесей пористыми телами-адсорбентами. Достоинством метода является высокая степень очистки, недостатком — невозможность очистки запыленных газов.

Абсорбционные методы основаны на поглощении примесей жидкими веществами. Одним из главным преимуществ является непрерывное ведение процесса, а также экономичность очистки больших количеств газовых выбросов. К недостаткам следует отнести громоздкость оборудования, и охлаждение газов в процессе очистки — что приводит к снижению эффективности их рассеяния про отводе в атмосферу.

Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Метод используется для очистки газов от оксидов серы, азота, углерода и от органических примесей. Достоинством является простота аппаратурного оформления, высокая точность, недостатком — невысокая селективность.

Термические методы (методы прямого сжигания) применяются для обезвреживания газов от легкоокисляемых, токсичных, а также дурнопахнущих примесей. Основными достоинствами является простота аппаратуры, универсальность использования, недостатками — дополнительный расход топлива, при сжигании низкоконцентрированных газов, а также необходимость дополнительной адсорбционной или абсорбционной очистки газов после сжигания.

Биохимический метод основан на фильтровании газов через твердый слой, содержащие биологически активные вещества. Достоинства: несложное аппаратное оформление, невысокие эксплуатационные затраты. Недостатки: необходимость предварительного удаления токсичных веществ.

Далее требуется концентрирование поглощенного вещества. В данной работе использован метод ректификации.

Ректификация — разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. Основным достоинством является простота монтажа ректификационных колонн и долговечность использования, а также непрерывность процесса.

1. Идентификация вредной примеси

Идентифицируем по молекулярной массе вредную примесь, если навеску вещества m=0,5 г при температуре t=40⁰C испарили в объеме 1 л при давлении P=22,4 кПа.

Один из физико-химических способов методов определения природы вещества следует из нулевого начала термодинамики:

Если две системы находятся в термодинамическом равновесии с третьей системой, то они состоят в термодинамическом равновесии друг с другом.

Важнейшим следствием этого закона является существование термодинамического уравнения состояния:

F (P, V, T)=0 (1.1)

Для идеальных газов это уравнение получено Клапейроном и Менделеевым:

PV=nRT (1.2)

где n-число молей вещества; R=8.314 Дж/моль^.К; P, V, T - параметры состояния, выраженные, соответственно, в Па, м³, К.

Выражая через n через массу вещества m (г) и молекулярную массу

n=m/M (1.3)

из уравнения (1.2) следует способ определения молекулярной массы вещества в виде пара или газа:

M=mRT/PV

M= (0,5^.8,314^.(273+40))/22,4^.10^3.1^.10^-3=58,08 г./моль.

Такую молекулярную массу (М=58 г./моль) имеют ацетон и триметиленоксид. (C₃H₆O-брутто-формула) Уточнить формулу можно, измерив и рассчитав его молекулярную рефракцию. Измерения показали, что R=16,06. Методом аддитивности рассчитываем молекулярную рефракцию для триметиленоксида и ацетона.

Рассмотрим триметиленоксид:

Рисунок 1.1 Триметиленоксид

Rат=3*2,418+6*1,100+1,643=7,254+6,600+1,643=15,49

Rсв=0,46

R=15,95 cм³ /г*моль Рассмотрим ацетон:

Рисунок 1.2 Ацетон

Rат=3*2,418+6*1,100+2,211=7,254+6,600+2,211=16,065 cм³ /г*моль.

Расчет и экспериментальные данные совпадают, это значит что вредная примесь-ацетон.

2. Токсикологическая характеристика ацетона

Встречается в составе так называемых лесотехнических растворителей.

Применяется как растворитель нитроклетчатки, ацетилклетчатки, резины, смол (в частности виниловых); в ацетиленовых баллонах — для абсорбции ацетилена; для желатинизации нитроклетчатки; для денатурирования спирта; как исходный материал для получения кетена и в ряде других синтезов.

Общий характер действия. Наркотик, последовательно поражающий все отделы нервной системы. В течение длительного времени накапливается в организме. Токсический эффект зависит не только от концентрации, но и от времени действия; медленное выведение из организма увеличивает возможность хронического отравления.

Острое отравление. Порог восприятия запаха человеком составляет 0,0011 мг/л. Порог действия по образованию электрокортикального эффекта составляет 0,44 мг/л. При вдыхании 1,2 мг/л в течение 3−5 минут — раздражение слизистых оболочек глаз, носа и горла, а вдыхание 0,01 мг/л в течение 6 часов повышает активность холинэстеразы крови и коэффициент использования кислорода. Увеличение содержания в крови кетоновых тел происходило и при воздействии 0,001 мг/л; в моче содержание кетоновых тел не изменилось.

В случае острого отравления, у пострадавшего содержание А. в крови на второй день достигло 18 мг% (норма 1−2 мг%); А. был обнаружен также и в моче; также через некоторое время там обнаружились небольшое количество белка, лейкоциты и эритроциты. Уровень сахара в крови достигал в день отравления 142 мг%

При одновременном содержании в воздухе 2,3−3 мг/л А. и метилэтилкетона отмечены случаи обморочного состояния у работниц. При применении в качестве растворителя, А. вместе с метилэтилкетоном, описано отравление нескольких рабочих (недомогание, слезотечение, недолгое обморочное состояние, сопровождающееся судорогами, головные боли).

Хроническое отравление. При концентрации 0,1−0,12 мг/л А. у рабочих не наблюдалось никаких признаков отравления, хотя в моче постоянно обнаруживался А.; при 0,5−1 мг/л А. в крови не определялся в течение недели. Концентрация 5 мг/л в воздухе при ежедневном воздействии вызывала появление в крови до 40 мг% А. При наличии примерно 0,6 мг/л А. в воздухе (в присутствии бутилацетата и этилового спирта) отмечались признаки отравления. Наблюдались изменения со стороны верхних дыхательных путей, чаще всего в форме атрофических катаров, анемия, сдвиг влево лейкоцитарной формулы, упадок питания. У некоторых рабочих в сыворотке крови было выявлено снижение уровня альбуминов и повышение общих липидов, без других симптомов интоксикации.

Действие на кожу. Компрессы с А., наложенные на плечо на сутки, вызывали незначительное покраснение, которое впоследствие исчезало. У рабочих на участках кожи, подвергшихся воздействию А. в течение для уменьшалось рН и количество холестерина, угнеталась функция сальных желез.

Поступление в организм, распределение, превращение и выведение. Жидкий А. может всасываться через кожу. А. появляется в крови сразу после начала вдыхания, концентрация его постепенно нарастает до установления динамического равновесия. Содержание в тканях составляет следующий ряд: головной мозг > селезенка > печень > поджелудочная железа > почки > легкие > мышцы > сердце. Меченый углерод, входящий в молекулу А., обнаружен в составе гликогена, мочевины, холестерина, жирных и аминокислот.

Неотложная терапия. Свежий воздух. При обморочном состоянии вдыхание нашатырного спирта (на ватку несколько капель); крепкий сладкий чай или кофе; ингаляция кислорода; кофеин с амидопирином. Сердечные средства — подкожно 1 мл 10% раствора кофеина или 1 мл 25% раствора кордиамина. При попадании в желудочно-кишечный тракт — зондовое промывание желудка 2% раствором соды (10−15 л) с последующим введением адсорбирующих и обволакивающих средств (яичный белок, слизистые отвары).

Предельно допустимая концентрация 200 мг/м³

Индивидуальная защита. Меры предупреждения. Фильтрующий промышленный противогаз марки А. При очень высоких концентрациях — изолирующие шланговые противогазы с принудительной подачей воздуха. При длительном контакте — защита кожи — перчатки (из поливинилового спирта, поливинилхлорида, хлорсульфированного полиэтилена и др.), фартуки с непроницаемым покрытием. Применение защитных мазей и паст типа «невидимых перчаток» Полонского, «биологических перчаток» Арутюнова, а также регенеративных ожиряющих кремов типа «Питательный», «Спермацетовый» и др.

3. Расчет некоторых свойств компонента газо-воздушных выбросов

Уравнение (1.2) позволяет определить некоторые свойства изучаемого вещества в составе газо-воздушных выбросов (ГВВ):

— объем пробы при нормальных условиях: для анализа ГВВ обычно отбирают пробу газа при рабочих условиях (P, Т, V), далее объем пробы необходимо привести к нормальным условиям (Р₀, Т₀, V₀). Переводим систему из состояния пара, при котором его исследовали, в состояние при нормальных условиях:

P=22,4 кПа Р₀=101,3кПа Т=(273+40) К > Т₀=273К

V=1^.10^-3м³ V₀

PV/Р₀V₀=Т/Т₀

V₀=PVТ₀/Р₀Т=22,4*1*10^-3*273/101,3*313=0,19 м³ = 0,19 л

— плотность пара при нормальных условиях

d=m/V₀=Р₀М/RТ₀=101,3^.10^3.58/8,314^.273=2588,59 г./м³.

— проверяем расчет m=0,5 г; объем V₀=1,9*10^-4м³, тогда

d=0,5/1,9*10^-4=2588,99 г./м³.

— расчет мольно-объемной концентрации; задано, что в воздухе рабочей зоны парциальное давление ацетона равно Р_раб=1240 Па. Уравнение (1.2) позволяет вычислить мольно-объемную концентрацию (С, моль/м³), при Т=298К:

С=n/V=Р_раб/RТ=1240/8,314^.298 = 0,50 моль/м³=500 ммоль/м³= 500 000 мкмоль/м³

Для ацетона предельно-допустимая концентрация (ПДК) в воздухе составляет 200 мг/м³ =3500 мкмоль/м³; ПДК в воде 2,2 мг/л.

Вышеприведенный расчет показал, что концентрация ацетона в воздухе рабочей зоны много больше ПДК, поэтому воздух необходимо очистить до допустимой концентрации.

Исходные данные для выбора метода отчистки воздуха:

· В воздухе рабочей зоны находятся пары ацетона;

· Молекулярная масса ацетона — 58;

· Молекулярная рефракция -16,06;

· Концентрация ацетона C = 500 ммоль/м³ или P_раб = 1240 Па

4. Расчет отчистки вентиляционных газов методом абсорбции

Характеристика абсорбционного метода отчистки

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс — выделение растворенного газа из раствора — носит название десорбции.

В абсорбционных процессах участвуют две фазы — жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, поглотитель используется однократно. При этом в результате абсорбции получают готовый продукт, полупродукт или, если абсорбция проводится с целью санитарной очистки газов, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер — десорбер — абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. При этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель.

Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом.

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из этого, абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности, загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца, кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей.

б) Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой. В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах. В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями.

Очистка воздуха от паров ацетона методом абсорбции, равновесие при абсорбции

Рассмотрим равновесный процесс поглощения пара ацетона из воздуха с помощью абсорбента, в качестве которого используем воду.

Т=298К Воздух с примесью ацетона Р₂; µ₂^газ.

Раствор ацетона в воде х₁; х₂; µ₁; µ_2.

Общим условием равновесного процесса является

(dG)_p,T=0. (4.1)

Используя понятие химического потенциала и уравнение Гиббса-Дюгема, получаем:

µ_i=()_{p,T, Уni}; (4.2)

dG=µ_i^р-р(+dn_i)+µ_i^газ(-dn_i)=0

µ_i^р-р=µ_i^газdµ_i^р-р=dµ_i^газ (4.3)

где µ_i — химический потенциал i-ого компонента в фазе раствора или газа, dn_i— изменение числа молей i-ого компонента при равновесном переходе из одной фазы в другую.

При небольших концентрациях компонента в смеси газов (газовом растворе) и жидком растворе уравнение (4.3) можно решить в приближении идеального газового раствора и бесконечно разбавленного жидкого раствора.

Для последних химические потенциалы равны,

dµ_i^р-р=RTdlnx_i (4.4)

dµ_i^газ=RTdlnp_i (4.5)

Тогда при равновесии (4.3)

RTdlnx_i=RTdlnp_i (4.6)

После интегрирования получаем уравнение Генри

lnp₂=lnx₂+lnKг (4.7)

P₂=Kг^.x₂ (4.8)

где lnKг — постоянная интегрирования; Kг — константа Генри; индекс 2 придан поглощаемому компоненту, т. е. ацетону; P₂ — парциальное давление ацетона в газовой фазе; x₂ — мольная доля ацетона в воде.

Растворимость ацетона в воде (x₂) зависит от присутствия растворенных солей, этот фактор учитывает уравнение Сеченова

lnx=lnx₂ — kC (4.9)

где C - концентрация солей в воде; k — эмпирический коэффициент; x — действительная равновесная концентрация ацетона в воде. В данном случае концентрация ацетона в воздухе равна Р_раб=1240 Па.

Для расчета константы Генри экспериментально были измерены растворимости ацетона в воде х_а и х_в при двух парциальных давлениях Р_а и Р_в:

х_а=0,012, х_в=0,083, Р_а=3,25 Торр Р_в=22,75 Торр.

(1Торр=1 мм. Нg ст.= 101 330/760Па= 133 Па) Тогда

К_г^а=Р_а/х_а=3,25*133/0,012=36 020,83 Па

К_г^в=Р_b/х_b=22,75*133/0,083=36 454,81 Па среднее значение К_г=36 237,82 Па Равновесную растворимость ацетона в чистой воде (конденсат водяного пара) вычисляем по уравнению (4.8)

х₂=Р_раб/К_г=1240/36 237,82=0,034

Если абсорбцию ацетона проводить артезианской водой с заданным содержанием солей, 300 мг/л, то согласно уравнению Сеченова при k=6^.10^-4мг/л равновесная концентрация составит

lnx=ln0,034−6^.10^-4.300= -3,55; х=0,0287

Таким образом, при очистке газовых выбросов от ацетона получается низкоконцентрированный раствор (принимаем d=1 г/см³) с концентрацией (концентрации в скобках соответствуют применению артезианской воды):

мольной долей х_аб= 0,971% (мольных); (х= 0,811%);

массовой долей

Wаб=0,034*58/(0,034*58+(1−0,034)*18)=10,10% масс; (W=8,69%);

молярностью

C_аб=0,034*1000/(0,034*58+(1−0,034)*18)=1,75 моль/л (С=1,49 моль/л).

Эти данные позволяют рассчитать теоретический минимальный расход L_minпоглотителя (воды) для очистки ГВВ до ПДК (ПДК = 3,5 ммоль/м³). При очистке V = 1000 м³ воздуха из него необходимо удалить следующее количество ацетона:

G=V (C_раб — ПДК) = 1000 (0,50 — 0,0035)=496,5 моль.

Это количество ацетона должно быть поглощено (абсорбировано) водой с получением раствора с равновесной концентрацией

C_аб=1,75 моль/л.

L_min=496,5/1,75=283,71 л.

Так как концентрация в воде значительно превышает ПДК, то раствор необходимо поставить на ректификацию.

5. Ректификация раствора ацетона в воде

Этот раствор с концентрацией x_н=0,15=15% мольн. н47аправили на ректификацию в количестве G_н =1000 кг для получения дистиллята с концентрацией x_д =0,955 и кубового остатка с концентрацией х_к=0,01.

(р=760 Торр)

Характеристика метода ректификации

Ректификация — разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом основное отличие ректификации от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичное испарение — конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Нагрев исходную смесь состава x₁ (Рис. 5.1.) до температуры кипения, получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава x₂обогащенную испаряемым веществом (x₂>x₁). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t₂, получим пар (точка d), конденсация которого дает пар с еще большим содержанием испаряемого вещества, имеющим состав x₃, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющий собой практически чистое вещество.

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости x_4,путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из нужного вещества.

Рис. 5.1. Изображение разделения бинарной смеси путем ректификации В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров на первой ступени, в третей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким путем моно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах — ректификационных колоннах.

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массои теплообмен, обусловленный стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта системы перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается дистиллятом, а жидкость — кубовым остатком. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократное их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Процесс ректификации осуществляется непрерывно или периодически. Осуществляется при атмосферном давлении, под вакуумом (высококипящие вещества), а так же под давлением больше атмосферного (для газообразных при н.у.). Пример непрерывной ректификационной установки приведен на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 Ректификационная установка непрерывного действия: 1-куб-испаритель, 2-колонна, 3-дефлегматор При ректификации (рис 5.2.) в тарельчатых аппаратах исходная смесь в кол-ве F с концентрацией низкокипящего компонента X_F поступает (здесь и далее в единицу времени) в среднюю часть колонны; верх. продукт-дистиллят в кол-ве D с концентрацией низкокипящего компонента X_D отбирается из дефлегматора, а обедненный этим компонентом остаток в количестве W с концентрацией X_w отводится из куба-испарителя. Образующиеся в нем пары поднимаются по колонне, контактируя на тарелках со стекающей жидкостью, и поступают в дефлегматор, откуда часть образовавшегося конденсата, наз. флегмой (Ф моль), возвращается в верх. часть колонны.

Расчет процесса ректификации

Согласно первому закону Коновалова, в идеальных двухкомпонентных системах, состав жидкости не совпадает с составом равновесного с ней пара, следовательно, в равновесной системе пар по сравнению с жидкостью обогащен тем компонентом, добавление которого к жидкости повышает давление пара в системе. Повышение относительного содержания данного компонента в жидкой фазе вызовет увеличение относительного содержание его в парах.

Второй закон Коновалова гласит, что в точках минимума или максимума общего давления пара (или температуры кипения) концентрации данного компонента в растворе и паровой фазе одинаковы.

На диаграмме (рис. 5.3) построена зависимость температуры кипения раствора ацетона в воде от состава раствора (нижняя кривая) и пара (верхняя кривая). Концентрация раствора, который поступает на ректификацию, равна x_н=0,15=15% мольн. По первому закону Коновалова на монотонных участках равновесной кривой концентрации жидкой и паровой фазы различаются. Начальный раствор закипает при температуре 67⁰С (точка D), при этом образуется пар (точка Е) с концентрацией у_н=79%. Это является теоретической основой разделения раствора, так как если сконденсировать полученный пар, то образуется раствор с концентрацией х_а=y_н много большей, чем концентрация исходного раствора.

Теоретический (в равновесных условиях) процесс разделения показан на рисунке 5.3. Исходный раствор при кипении дает пар состава у_н (точка Е), обогащенный ацетоном. При этом раствор обедняется ацетоном и температура его кипения повышается по кривой DlC и последняя его порция будет иметь концентрацию в точке С — х_с. Пар состава у_н может быть сконденсирован и повторно испарен, на диаграмме это точка b, концентрация в которой после конденсации паров составит х_д= 95,5%. Повторное же испарение раствора с концентрацией х_с (точки d и l) даст практически чистую воду с содержанием ацетона х_к = 0,01% (точка l).

Таким образом, равновесный процесс разделения раствора с х_н=0,15 содержит четыре теоретических ступени разделения (ЧТТ=4) при получении дистиллята с заданной концентрацией х_д =95,5% и кубового остатка х_к=0,01.

На разделение поступает G_н=1000 кг раствора. Так как все концентрации выражены в мольных долях, целесообразно массу раствора выразить в молях, для этого рассчитываем среднюю молекулярную массу исходного раствора М_ср=0,15*М_{ацетона}+(1−0,15)*М_воды=0,15*58+0,85*18=8,7+15,3=24

G_н=1000*10³/24=41 666,66 моль Схема материальных потоков приведена на рис. 5.4 (все концентрации выражены в мольных долях ацетона) Тогда общий баланс:

G_н=G_д+G_к (5.1)

Баланс по ацетону:

G_нх_н=G_дх_д+G_кх_к (5.2)

Решая систему уравнений (4.1) и (4.2), получаем:

G_д=G_н[(х_н-х_к)/(х_д-х_к)]=41 666 [(0,15−0,01)/(0,955−0,01)]=6172,83 моль;

G_к=G_н-G_д=41 666,66−6172,83=35 493,83 моль.

Если на первую тарелку поступает начальный раствор в количестве G_m=500 кг=500/24=20,83 кмоль при температуре 80,2 ⁰С (точка М), то он будет выкипать до концентрации х_м=5,5% и образует пар с концентрацией у_м=49%. Схема материального баланса приведена на рис. 5.5, из которого следует:

G_m=G_n+G_p (5.3)

G_mх_н= G_nу_м+G_pх_м (5.4)

Решая систему уравнений (5.3) и (5.4), получаем:

G_n=G_m[(х_н-х_м)/(у_м-х_м)]=20 830 [(0,15−0,055)/(0,49−0,055)]=4549 моль;

G_p=G_m-G_n=20 830−4549=16 281 моль.

Рис. 5.5. Схема материального баланса на первой тарелке Таким образом, в результате разделения получили:

— концентрированный раствор ацетона Х_д=95,5% который, если не может быть использован в производстве, должен быть направлен на дальнейшее разделение специальными методами ректификации или экстракции.

— очень разбавленный раствор ацетона Х_к=1,0% или

Что существенно превышает ПДК в воде (2,2 мг/л), а значит отправляем этот раствор на биологическую очистку.

6. Биологическая очистка

Основы биологической отчистки Очистка сточных вод подразумевает практически полное биологическое разложение органических соединений в воде. По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 0,10 мг/л.

Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата[6].

Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых мокулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Считается, однако, что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды. Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробами. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты.

Принцип работы любой локальной очистной системы канализации заключается в поэтапной очистке сточных вод в нескольких камерах. Обычно этапа два: предварительная (грубая) очистка и окончательная (доочистка). Выйдя по трубам из дома, стоки попадают в специальную емкость — септик, в котором под действием специальных микроорганизмов, происходит процесс первичной очистки. Протекает он без доступа кислорода — анаэробный процесс и поэтому бактерии расщепляющие загрязнения в этой емкости — анаэробные бактерии. По санитарным нормам процесс этот должен длиться три дня. Поэтому объем септика делают в три раза больше суточного объема сточных вод. На четырех жителей, каждый из которых расходует примерно 170 — 250 л в сутки, необходим септик объемом 2 — 3 м³. После первого этапа очистки, (в септике) получаем осадок и на выходе жидкие стоки, осветленные примерно на 50 — 60% в зависимости от типа установки. Дальше они отправляются на доочистку, которая может осуществляться несколькими способами[7].

Расчет кинетики процесса очистки

Направим кубовый остаток после ректификации на биологическую очистку, исходная концентрация ацетона С₀=3,25 г./л. Необходимо произвести снижение концентрации ацетона до ПДК С_к=2,2 мг/л, путем биохимического разложения.

Известно, что разложение ацетона описывается кинетическим уравнением первого порядка с константой скорости к=0,17 ч^-1 при температуре 22⁰С.

Уравнение кинетики первого порядка:

(6.1)

(6.2)

Где С₀, С — концентрации ацетона в моменты времени 0 и ф. Подставляем в него исходные данные С₀=3254 и к=0,17 ч^-1 и получаем уравнения, которые позволяет прогнозировать изменение концентрации ацетона и скорости процесса во времени.

lnC=lnС₀-k = ln3254 — 0,17 (6.3)

=kC=0,17C (6.4)

Для построения кинетической кривой по уравнениям (6.3) и (6.4) рассчитываем изменение концентрации и скорости процесса в произвольные моменты времени до достижения концентрации ацетона ниже ПДК. Полученные данные сводим в табл. 6.1.

Таблица 6.1 Кинетика биохимического разложения ацетона

Из таблицы 6.1 видно, что ПДК может быть достигнуто за время менее 43 ч. Скорость разложения ацетона велика в начале процесса, когда концентрация ацетона в растворе большая, а затем быстро уменьшается из-за снижения движущей силы процесса — разницы рабочей и равновесной концентрации. Кинетические кривые, построенные согласно вычислениям, приведены на рис. 6.1: наблюдается линейная зависимость .

Время достижения ПДК можно вычислить по уравнению (6.3)

=[ln (С₀/ПДК)]/k=[ln (3254/2,2)]/0,17=42,87 ч Кроме концентрации на скорость существенное влияние оказывает температура, при увеличении температуры до 30 °C константа скорости возросла в 3,1 раза. Это позволяет вычислить энергию активации и с помощью уравнения Арениуса прогнозировать скорость процесса при изменении температуры:

(6.5)

(6.6)

Решая систему уравнений (6.6), вычисляем энергию активации Е и предэкспоненциальный множитель k₀:

Е=[Rln (К₂/К₁)]/[1/Т₁-1/Т₂]=[8,314ln3,1]/[0,3 389−0,330]=105,617 кДж/моль

lnk₀=lnk₁+E/RТ₁=ln0,17+105 617/(8,314*295)=41,29

lnk₀=2,3logk₀=41,29

log k₀=17,95

k₀=8,91*10¹⁷

Таким образом, для данного процесса уравнение Аррениуса можно записать в виде

k=8,91*10¹⁷*exp (-105 617/8,314*T) (6.7)

Энергия активации Е=105,617 кДЖ/моль > 30 кДж/моль характерна для кинетической области протекания процесса биологической очистки. Дополнительную информацию о процессе можно получить из уравнения кинетики переходного состояния [8]:

Где =6,02*10²³ — число Авогадро; h=6,625*10^-34 Дж*с — постоянная Планка; - энтропия образования переходного состояния; - энтальпия образования переходного состоянии, равная энергии активации.

Полученные данные позволяют вычислить:

S=R [ln (k N*h/RT)=98,8 Дж/моль*К

Тогда энергия Гиббса образования переходного состояния будет равна:

?G^#=H-TS=105 617−295*98,8=76 471 Дж/моль т. е. в данном случае основное значение при образовании переходного состояния имеет энергетическая составляющая, энтропийный член на порядок ниже.

Прогноз изменения времени процесса от температуры и концентрации Полученные данные прогнозировать время контакта сточных вод с активным илом при изменении концентрации ацетона и температуры среды. то есть совместное решение уравнений (6.2) и (6.7)

=[ln (C/Co)/k]=[ln (C/Co)/8,91*10¹⁷*exp (-105 617/8,314*T)]

Рассмотрим как изменится время очистки по сравнению с предыдущим расчетом (t=22) при колебании температуры +5

Температура +27 С Т=273+27=300К

=20 ч Температура +17 С Т=273+17=290К

=86 ч Как видно, даже небольшие изменения температуры приводят к резкому изменению скорости процесса очистки. Значительно меньше влияет изменение начальной концентрации ацетона. Пусть в условиях предыдущего расчета (t=17 C) начальная концентрация возросла в 10 раз, т. е. Со=3,254*10⁴ мг/л

=113,26 ч.

Таким образом, изменение концентрации в 10 раз увеличило время реакции на 24%.

Заключение

В данной работе были проведены расчеты по очистке газо-воздушных выбросов от паров ацетона. Использовался процесс абсорбции, поглотитель-вода, исходная концентрация раствора 500 мм/м³. Далее проведена ректификация и биологическая очистка, на которую отправили раствор с меньшей концентрацией. Достоинством данного метода очистки является то, что ацетон регенерируется и снова может быть запущен в производство, по сравнению с методом сжигания, в котором к тому же выделяется углекислый газ, что нежелательно при современном уровне экологии.

Список использованных источников

1. Вредные вещества в промышленности: Справочник. Изд. 7-е. В 3 т. Т. 1/ Под ред. Н. В. Лазарева и Левиной Э. Н. Химия, 1976.-592с

2. Техника защиты окружающей среды. Родионов А. И., Клушин В. Н., Торочешников Н.С.-Москва «Химия» 1989.-511с

3. Абсорбция газов. Рамм В. М. — М/:Химия, 1966.-767с

5. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. Романков П. Г., Фролов В. Ф., Флисюк О. М., Курочкин М. И. — СПб.:Химия, 1993.-496с

6. Гребенников С. Ф. Физико-химические основы инженерной защиты окружающий среды. — СПб.:СПГУТД-2001, -300с

7. http://www.atmgkspb.ru/index.php? cat=48

8. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. — М.:Стройиздат, 1982. -122 с.