Разработка установки по очистке воздуха от паров ацетона

[Введите текст]

Охрана воздушной среды от загрязнений промышленными выбросами, очистка промышленных выбросов входит в комплекс глобальных проблем охраны природы. Каждый год в атмосферный воздух попадает свыше тысячи тонн промышленной пыли и вредных газообразных веществ.

Загрязнение атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий приводит к значительному уменьшению солнечной радиации, снижению видимости, освещенности, к увеличению частоты туманов, что отрицательно сказывается на экологии и здоровье населения. Присутствие в воздухе различных загрязняющих веществ в сочетании с другими факторами окружающей среды вызывает повреждение материалов, конструкций, в частности подвергаются разрушению сооружения, имеющие большую художественную и историческую ценность.

Без специальных мероприятий по снижению загрязнения воздуха выбросы могут стать источником серьезного ухудшения экологической обстановки, а расширение производств и постоянный рост объемов транспортных средств только усугубляют сложившуюся обстановку.

В качестве мероприятий по снижению загрязнения воздуха применяют различные методы очистки воздуха от примесей. Применение тех или иных методов зависит от физико-химических свойств загрязняющего вещества, его агрегатного состояния, концентрации в очищаемой сред.

Одним из распространённых загрязняющих веществ, применяемых в различных процессах на производствах, является ацетон. Ацетон, являясь хорошим растворителем, находит применение в лакокрасочной промышленности, в производстве искусственной кожи, в пищевой промышленности и др. Ацетон служит сырьём для производства многих химических продуктов.

А так как пары ацетона тяжелее воздуха, то в помещениях, где происходит его испарение, создается опасность отравления его парами. Поэтому крайне важно наличие на таких производствах установок по очистке воздуха от паров ацетона.

Таким образом, актуальность данной работы определяется распространённостью применения ацетона в производственных процессах и одновременной его токсичностью.

Целью данной работы является разработка установки по очистке воздуха от паров ацетона.

Задачи же определяются так:

провести анализ существующих методов очистки выбросов от газообразных загрязнителей;

рассчитать абсорбционную установку для очистки воздуха от паров ацетона.

Глава 1. Литературный обзор

Многие промышленные газы, кроме пыли и золы, содержат вредные газообразные выбросы в виде оксидов серы, оксидов азота, сероводорода и другие, а также пары ацетона. Эти примеси можно удалить путём их улавливания специальными конструкциями. Однако, помимо санитарной очистки газов, этот процесс преследует ещё и иную цель: использование улавливаемых компонентов для получения удобрений, кислот, серы и других ценных химических продуктов.

1.1 Методы очистки выбросов от газообразных примесей

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять основных групп:

промывку выбросов растворителями примесей (абсорбция);

промывку выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция);

поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция);

термическую нейтрализацию отходящих газов и

поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

1.1.1 Метод хемосорбции

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием мало летучих или малорастворимых химических соединений. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температуры раствора образующееся химическое соединение разлагается с выделением исходных элементов.

При хемосорбции выделяется значительное количество тепла. Подобно химическим реакциям, хемосорбция требует, как правило, значительной энергии активации. Поэтому при повышении температуры хемосорбция ускоряется (т. н. активированная адсорбция). Хемосорбция избирательна, т. е. зависит от химического сродства адсорбируемого вещества к поверхности твёрдого тела.

Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредных примесей в отходящих газах.

Примером хемосорбции может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода путем применения мышьяково-щелочного, этаноламинового и других растворов. При мышьяково-щелочном методе извлекаемый из отходящего газа сероводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе.

Основным видом аппаратуры для реализации процессов хемосорбции служат насадочные башни, пенные и барботажные скрубберы, распылительные аппараты типа труб Вентури и аппараты с различными механическими распылителями. В промышленности распространены аппараты с подвижной насадкой, к достоинствам которых относятся высокая эффективность разделения при умеренном гидравлическом сопротивлении, а также большая пропускная способность по газу.

На рис. 1 показана принципиальная схема скруббера с подвижной насадкой. В верхней части аппарата установлен ороситель 1, под ним размещены верхняя 2 и нижняя опорная 5 ограничительные решетки, между которыми находится подвижная насадка. К опорной решетке меньшим основанием прикреплен расширяющийся усеченный кольцевой элемент 4, делящий пространство опорной решетки на кольцевую 3 и центральную 6 зоны. В качестве насадочных тел используют полые, сплошные и перфорированные шары, а также кольца, полукольца, кубики, скрещенные сплошные и перфорированные диски.

Рис. 1 — Скруббер с подвижной насадкой Установки для хемосорбции внешне напоминают используемые при методе абсорбции. Оба эти метода называют мокрыми и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого растворителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75−0,92. Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит в конечном итоге к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в атмосфере. Кроме того, оборудование мокрых методов очистки громоздко и требует создания системы жидкостного орошения. В процессе работы абсорбционных аппаратов образуется большое количество отходов, представляющих смесь пыли, растворителя и продуктов поглощения. В связи с этим возникают проблемы обезжиривания, транспортировки или утилизации шлама, что удорожает и осложняет эксплуатацию.

1.1.2 Метод адсорбции

Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых пористых материалов селективно извлекать из газовоздушной среды отдельные ее компоненты. Широко известный пример адсорбента с ультрамикроскопической структурой — активированный уголь. Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных или горизонтальных емкостей, заполненных адсорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.

Один из примеров — установка для удаления оксида серы из горячего топочного газа с температурой в области адсорбера 100−150 0С. Адсорбер заполнен древесным активированным углем. Горячий газ через теплообменник, где подогревается воздух, подается в адсорбер. Адсорбент после насыщения подается в десорбер, где нагревателем поддерживается температура 300−600 0С. Регенерированный адсорбент поступает в бункер, откуда вновь может поступить в адсорбер механическим путем.

1.1.3 Каталитический метод

При каталитическом методе токсичные компоненты газовоздушной смеси, взаимодействуя со специальным веществом — катализатором, превращаются в безвредные вещества. В качестве катализаторов используются металлы или их соединения (платина, оксиды меди и марганца и пр.).

Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительные количества катализатора, расположенного таким образом, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в спираль. Катализатор может состоять из смеси неблагородных металлов с добавкой платины и палладия (сотые доли % к массе катализатора), нанесенных в виде активной пленки на нихромовую проволоку, свитую в спираль.

В последние годы каталитический метод очистки нашел свое применение в процессах нейтрализации выхлопных газов автомобилей. Для комплексной очистки выхлопных газов — окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксида азота — применяют двухступенчатый каталитический нейтрализатор (рис.2). Установка состоит из последовательно соединенных восстановительного 2 и окислительного 4 катализатора. Отработавшие газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору 2, на котором происходит нейтрализация оксидов азота.

В качестве восстановительного катализатора применяют монельметалл (медноникелевый сплав) или катализатор из благородных металлов (например, платина на глиноземе). Эффективность очистки по NO достигает 90% и выше.

После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды через патрубок подводится вторичный воздух. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация продуктов неполного сгорания — оксида углерода и углеводородов.

Рис. 2 — Двухступенчатый каталитический нейтрализатор: 1 — входной патрубок; 2 — восстановительный катализатор; 3 — патрубок вторичного воздуха; 4 — окислительный катализатор Для окислительных процессов применяют катализатор из благородных металлов или оксидов переходных металлов (медь, никель, хром и др.). Содержание оксида углерода в выхлопных газах автомобиля с нейтрализатором снижается почти в 10 раз, а углеводородов — примерно в 8 раз.

1.1.4 Термический метод

Термический метод или высокотемпературное дожигание, который иногда называют термической нейтрализацией, требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода.

Если выбрасываемые газы имеют высокую температуру, процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так происходит дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавительных печей, дожигание продуктов неполного сгорания (СО и СхНу) автомобильного двигателя непосредственно на выходе из цилиндров в условиях добавки избыточного воздуха.

Если температура выбросов недостаточна для протекания окислительных процессов, то в потоке отходящих газов сжигают природный или другой высококалорийный газ.

Одним из простейших устройств, используемых для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов, является горелка, предназначенная для сжигания природного газа (рис. 3). Обезвреживаемые выбросы в этом случае подаются в канал 1, где они омывают горелку 2. Из коллектора 3 газ, служащий топливом, поступает в сопла, при истечении из которых инжектируется первичный воздух из окружающей среды. Горение смеси газа с первичным воздухом осуществляется в V-образной полости коллектора. Процесс догорания происходит на выходе из полости, где хвостовая часть факела контактирует с обезвреживаемыми выбросами при их истечении из кольцевой щели между корпусом горелки и коллектора.

Рис. 3 — Установка огневого обезвреживания:1 — входной патрубок; 2 — теплообменник-подогреватель; 3 — V-образная полость коллектора горелки; 4 — камера смешения; 5 — выходной патрубок В термических нейтрализаторах сжигаются такие газы, как углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного производства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9−0,99, температура в зоне горения составляет 500−750 0С.

1.2 Абсорбция

Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора [1,2].

Абсорбцией называют процесс поглощения растворимого компонента газовой смеси жидким поглотителем. Абсорбцию применяют в промышленности для получения готового продукта (производство кислот), разделения газовых смесей (получение бензола из коксового газа), улавливания вредных (H2S, CO, влага) и ценных (рекуперация спиртов и др.) компонентов. При абсорбции происходит контакт жидкости и газа; при этом масса одного из компонентов газовой фазы переносится в жидкую фазу или наоборот (десорбция). При наличии разности концентраций или парциальных давлений между фазами (движущая сила процесса) происходит процесс массопередачи, который прекращается при достижении состояния равновесия.

Установки, реализующие метод абсорбции, называются абсорберами. В них жидкость дробится на мелкие капли для обеспечения большего контакта с газовой средой [1,2].

При физической? абсорбции поглощаемый? газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора — десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией? позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощённый компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не обязательно, так как абсорбент и абсорбтив представляют собой дешевые продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать (например, при очистке газов). В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей. В зависимости от конкретных задач применяются абсорберы различных конструкций: пленочные, насадочные, трубчатые и др. Наибольшее распространение получили скрубберы, представляющие собой химически инертную насадку, размещенную в полости вертикальной колонны (рис. 4).

Рис. 4 — Орошаемый скруббер-абсорбер с насадкой: 1 — химически инертная насадка; 2 — разбрызгиватели В орошаемом скруббере-абсорбере насадки размещают в плоскости вертикальной колонны. В качестве насадок используют кольца с перфорированными стенками, изготавливаемыми из металла, керамики, пластмассы и других материалов с высокой коррозионной устойчивостью. Орошение абсорбента осуществляется через разбрызгиватели. Загрязненный газ поступает снизу и направляется вверх, подвергаясь непрерывной очистке. Скорость абсорбции зависит главным образом от температуры и давления.

1.3 Выбор типа абсорбера и абсорбента

Выбор типа абсорбера определяется видом контакта потоков газа и жидкости. Для создания развитой поверхности контакта фаз газ пропускают через колонку с насадкой, орошаемую жидкостью (насадочные абсорберы), либо через аппарат, в котором жидкость распыляется форсунками или вращающимися механическими элементами (распыляющие абсорберы). Для хорошо растворимых газов используют поверхностные абсорберы, в которых газ пропускают над поверхностью жидкости или над поверхностью текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). Кроме того, газ может распределяться в жидкости в виде струек и пузырьков (барботажные абсорберы) [3,4].

Наиболее широкое распространение получили насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы.

1.3.1 Насадочные абсорберы

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал деревянные решетки и т. д.), которую укладывают в один или несколько слоев (рис.5).

Рис. 5 — Насадочный абсорбер — общая схема (слева) и схемы насадочных абсорберов (справа): а — со сплошным слоем насадки; б — с секционной загрузкой насадки: 1 — корпус; 2 — распределитель жидкости; 3 — насадка; 4 -опорные решетки; 5 — перераспределитель жидкости; 6 — гидравлические затворы Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки: жидкость стекает по насадке в виде пленки, газ движется противотоком [3,4].

В насадочной колонне 1 (рис. 6, а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерное распределение жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам и практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3…4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рис. 3.3, б), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

Течение жидкости по насадке носит в основном пленочный характер, вследствие чего насадочные абсорберы можно рассматривать как разновидность пленочных. В то же время между насадочными и пленочными абсорберами, в том числе абсорберами с листовой насадкой, имеются различия. В пленочных абсорберах пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, тогда как в насадочном — лишь по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. Некоторая часть жидкости при этом проваливается в виде капель через расположенные ниже слои насадки. При определенных условиях пленочное течение жидкости в насадочных абсорберах нарушается, и контакт между газом и жидкостью осуществляется в режиме барботажа.

Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.

В качестве насадок используют кольца, седла, куски кокса или кварца, бруски дерева, полиэтиленовые розетки и др. Некоторые распространенные типы насадок показаны на рис. 6.

Рис. 6 — Формы элементов насадки: 1 — седло Берля; 2 — кольцо Рашига; 3 — кольцо Палля; 4 — розетка Теллера; 5 — седло «Инталокс»

Выбор насадки определяется как ее химической и механической стойкостью так и характеристиками насадки (удельной поверхностью f (м2м3) и свободным объемом Vc (м2м3)). Обычно в промышленности используют колонны диаметром от 1000 до 3000 мм [3,4].

Поскольку в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:

1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т. е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным;

2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т. е. иметь возможно большее значение свободного объема или сечения насадки;

3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения е или;

4) иметь малую плотность;

5) равномерно распределять орошающую жидкость;

6) быть стойкой к агрессивным средам;

7) обладать высокой механической прочностью;

8) иметь невысокую стоимость.

Максимальную поверхность контакта на единицу объема образуют седлообразные насадки «Инталокс» и Берля. Они имеют и минимальное гидравлическое сопротивление, но стоимость их выше, чем колец. Из кольцевых насадок наилучший контакт создают кольца Палля, но они сложны в изготовлении и дороже колец Рашига.

В абсорберах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппаратах (до 3…5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления. К основным достоинствам насадочных колонн следует прежде всего отнести простоту устройства и низкое гидравлическое сопротивление, а к недостаткам — сложность отвода теплоты, плохую смачиваемость насадки при низких плотностях орошения, большие объемы насадки вследствие недостаточно высокой ее эффективности (по сравнению с тарельчатыми аппаратами).

1.3.2 Другие типы абсорберов

Барботажные тарельчатые абсорберы также работают при противотоке газа и жидкости, которая переливается с тарелки на тарелку по сливным патрубкам. Газ распределяется между колпачками и барботирует сквозь слой жидкости на тарелке.

Помимо колпачковых широкое распространение получили ситчатые и провальные тарелки, используемые также в процессах ректификации. Обычные диаметры колонн от 1000 до 3600 мм. Выбор материала колонн определяется технологическими требованиями. Колонны изготовляют из стали, керамики, чугуна, титана и графита. В тарельчатых колоннах легче отводить тепло, выделяющееся при абсорбции.

Поверхностные абсорберы обычно выполняют из керамики и используют при выделении растворимых компонентов и одновременном отводе тепла; их применяют ограниченно. Пленочный абсорбер работает при прямотоке и противотоке газа и жидкости. Жидкость подается сверху, распределяется по трубам или вертикальным пластинам и стекает вниз тонкой пленкой. Пленочный абсорбер отличается малым гидравлическим сопротивлением (при нисходящей пленке) и значительной поверхностью контакта фаз. В этих абсорберах довольно удобно отводить выделяющееся тепло.

В распылительных абсорберах поверхность контакта фаз образуется при распыливании жидкости в газе на мелкие капли. В этих абсорберах распыливание жидкости производится либо форсунками, либо за счет кинетической энергии движущегося потока, либо при помощи вращающихся деталей. Эти аппараты просты по устройству, отличаются малым гидравлическим сопротивлением, могут работать при загрязненных газах. Эффективность полых абсорберов невысока, особенно, при малых нагрузках по жидкости. Для повышения интенсивности процесса применяют скоростные прямоточные абсорберы.

абсорбер ацетон газообразный примесь

1.3.3 Выбор абсорбирующего вещества

Состав абсорбента выбирается из условия растворения в нем поглощаемого газа. В качестве абсорбента чаще всего используются вода или органические жидкости, кипящие при высокой температуре. В аппаратах с органическими абсорбентами можно обрабатывать выбросы, не содержащие твердых примесей, которые практически не поддаются отделению от поглотительной жидкости [1,14].

Например, для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду, для улавливания водяных паров — серную кислоту, а для ароматических углеводородов из коксового газа — вязкие масла.

Для удаления паров ацетона целесообразно применять в качестве абсорбента воду.

1.4 Ацетон

Ацетон (диметилкетон, пропанон) — простейший представитель кетонов. Формула: CH3-C (O)-CH3. Бесцветная легкоподвижная летучая жидкость с характерным запахом.

Полностью смешивается с водой и большинством органических растворителей.

Ацетон является естественным метаболитом организма человека и животных. Он входит в триаду соединений (бета-оксибутират, ацетоацетат и ацетон), обозначаемых, как кетоновые тела. Ацетон образуется путем неферментативного декарбоксилирования ацетоуксусной кислоты (отщепление от молекулы ацетоуксуской кислоты карбоксильной группы без участия ферментов).

В нормальных условиях содержание ацетона в сыворотке крови человека обычно не превышает 6 мг/л (0,1 ммоль/л). Трехдневное голодание приводит к увеличению концентрации ацетона в сыворотке у лиц с ожирением до 17 мг/л, а у здоровых людей, не страдающих ожирением до 44 мг/л.

В условиях дефицита глюкозы (голодание) или при снижении ее биодоступности (сахарный диабет), содержание кетоновых тел в крови может возрастать в десятки раз. При этом они действуют и как часть регуляторного механизма с обратной связью, блокируя чрезмерную мобилизацию жирных кислот из жировой ткани и ослабляя тем самым токсическое действие последних.

Долгое время ацетон не имел широкого применения и производился в небольших масштабах термическим разложением уксуснокислого кальция («уксусного порошка»), получаемого при сухой перегонке древесины.

По мере зарождения и развития химии синтетических материалов возникла потребность в хорошем растворителе, каким является ацетон; это заставило ученых искать новые способы его получения. YY Ацетон хорошо растворяет многие органические вещества (антицеллюлозу и нитроцеллюлозу, воск, резину и др.), а также ряд солей (хлорид кальция, иодид калия).

Технический ацетон широко применяется в лакокрасочной промышленности в качестве растворителя нитролаков, нитроэмалей (при выработке авиационных, автомобильных, кабельных, кожевенных и других лаков), при получении ацетилцеллюлозы и нитроцеллюлозы, в производстве некоторых сортов искусственного шёлка, при изготовлении органического небьющегося стекла, в производстве киноплёнок, бездымного пороха, целлулоида, акрихина и других.

Способность ацетона растворять ацетилен используется в широких масштабах при наполнении стальных баллонов, в которых хранится ацетилен, применяемый для сварки металлов. Ацетилен поглощается пористым материалом, пропитанным ацетоном; при давлении 15 атм. 1 объём он растворяет 375 объёмов ацетилена.

Применение ацетона для извлечения воска из смазочных масел приобретает всё большее значение. Ацетон служит сырьём для производства многих химических продуктов: синтетического каучука, индиго, ионона (духи), сульфонала (снотворное средство). Соединения ацетона с солями сернистой и гидросернистой кислот применяют при крашении и печатании тканей.

Технический ацетон находит применение в производстве искусственной кожи, для обеззараживания шерсти и меха, для извлечения эфирных масел. Чистый ацетон применяется в пищевой промышленности при экстрагировании пищевых продуктов, витаминов, жиров; для экстрагирования некоторых лекарств и приготовления фармацевтических препаратов, требующих химически чистого растворителя с низкой температурой кипения.

Также его применяют для обезжиривания поверхностей или изделий используемых в промышленности и в быту.

Ацетон широко используется в промышленности как растворитель для извлечения ряда веществ, для перекристаллизации химических соединений, химической чистки, получения хлороформа и т. д.

Пары ацетона тяжелее воздуха. Поэтому в помещениях, в которых происходит испарение ацетона, создается опасность отравления при вдыхании его паров.

1.5 Токсичность ацетона

1.5.1 Пожароопасность, взрывоопасность

Ацетон, потерявший потребительские свойства, относится к III классу опасности.

Одна из основных опасностей при работе с ацетоном — его легкая воспламеняемость. Температура воспламенения +465 °C.

Воздушные смеси, содержащие от 2,5% до 12,8% (по объёму) взрывоопасны. С этим необходимо считаться, так как ацетон быстро испаряется, и образующееся облако может распространиться до места воспламенения (нагрев или искра) вдали от места работы с ним.

1.5.2 Токсичность

Считается, что ацетон сравнительно мало токсичен. В настоящее время максимально допустимой концентрацией принято считать 0,1%. Пребывание в течение короткого времени в атмосфере, в которой концентрация ацетона намного превышает указанную, не причиняет вреда.

Особую опасность представляет пероральное отравление большими дозами ацетона, а также ингаляционное отравление (особенно в закрытых помещениях). Тяжелые кожные отравления практически не встречаются и относятся к казуистическим.

Однако, влияние ацетона проявляется по-разному на разных живых существах и в разных условиях.

Гигиенические нормативы ПДКр.з. = 200 мг/м3 пары, класс опасности 4. ПДКм.р. и ПДКс.с. = 0,35 мг/м3, класс опасности 4. ПДКв = 2,2 мг/л, общесанитарный показатель, класс опасности 3.

ПДКв в рыбохозяйственных водоемах = 0,05 мг/л; токсикологический признак.

Его предельно допустимая концентрация (ПДК) в воде общего пользования составляет 2,2 мг/л.

Допустимый уровень ацетона, выделяемою в воздух из строительных полимерных материалов, 0,35 мг/м3, в пищевых продуктах — 60 мг/кг.

Общий характер действия на теплокровных Наркотик, поражающий все отделы ЦHC; угнетает гонадотропную функцию гипофиза и некоторые митохондриальные ферменты, оказывает эмбриотоксическое действие. Пары проникают через кожу.

Токсичность ацетона, поступающего в организм извне хорошо изучена. Острая токсичность ацетона (LD50), поступающего через желудок составляет по данным разных авторов для крыс — 5,8−9,8 г/кг, для мышей — 3,0−5,25 г./кг, для кроликов и собак — 3,8−8,0 г/кг. По этому показателю ацетон мало отличается от этанола.

ЛД50 для мышей при вдыхании в течение 4-х часов — 44 г/мі. Для человека ЛД50 оценивается в 1,159 г/кг. ЛД50 для рыб 8,3 г/л в течение 96 часов.

Концентрация ацетона около 750−790 мг/л тормозит процесс очистки сточных вод и задерживает сбраживание осадка и образование метана на очистных сооружениях. В концентрации 40−70 мг/л придает воде запах, 80 мг/л — привкус (ПКпривкуса 12 мг/л). В воде ацетон мало стабилен — при концентрации 20 мг/л на 7 сутки исчезает.

Гидробионты Для водных организмов ацетон сравнительно мало токсичен.

Токсические концентрации для молодых дафний 8300, для взрослых 12 900 мг/л; при 9300 мг/л дафнии гибнут через 16 ч. В то же время концентрации А. от 20 мг/л и выше стимулируют размножение дафний.

Для форели и гамбузии токсические концентрации составляют 14,2−15,5 г/л при 24 ч экспозиции. Прочие гидробионты выдерживают без вреда концентрацию 0,2%.

Комбинированное действие Ацетон дает эффект суммации токсического действия с акриловым альдегидом, фталевым ангидридом, ацетофеноном, фурфуролом, формальдегидом и фенолом.

При действии смеси паров ацетона и бензола имеют место реакции организма, отличные от тех, которые наблюдаются при действии этих веществ в отдельности. Один ацетон в концентрациях 2000 и 200 мг/м3 не влияет на показатели фагоцитарной активности лейкоцитов, но в сочетании с бензолом замедляет падение фагоцитарной активности, характерное для действия одного бензола. Смесь ацетона и бензола в различных сочетаниях при 3-х месячном воздействии вызывала раздражение кроветворных органов, более ярко выраженное, чем при раздельном воздействии каждого из этих веществ в тех же концентрациях.

Последствия воздействия на организм человека Токсическое действие ацетона связано с наркотическим влиянием на ЦНС, прижигающим действием на слизистую оболочку дыхательных путей и органов пищеварения, метаболическим ацидозом и негативным влиянием на развитие плода.

Входит в список IV (прекурсоры) наркотических и психотропных веществ.

Эффективная однократная действующая доза (EDmin) ацетона для человека, определяемая по его влиянию на нервную систему, почки и кровь при условии поступления через желудок, составляет 2,9 г/кг.

Смертельная доза для человека — более 100 мл.

Токсическая концентрация в крови 200 — 300 мг/л, смертельная — 550 мг/л.

Основные последствия воздействия ацетона: головная боль, головокружение, шаткая походка, общая слабость, состояние легкого опьянения, кашель, слезотечение, отеки слизистой рта, глотки, ларингоспазм, жжение во рту, по ходу пищевода, тошнота, рвота.

Поражает центральную нервную систему, печень, почки, гемолизует эритроциты. Местно раздражает и прижигает слизистые оболочки.

Ацетон обладает возбуждающим и наркотическим действием (что особенно хорошо проявляется при хроническом воздействии на людей, часто работающих с ацетоном как с растворителем), поражает центральную нервную систему, способен накапливаться в организме, в связи с чем токсическое действие зависит не только от его концентрации, но и от времени воздействия на организм.

Ацетон при высоких концентрациях (при более чем кратковременном воздействии) раздражает органы дыхания и вызывает жжение в глазах, при более длительном воздействии происходит кратковременный глазной отёк. Вероятно, способен вызывать головокружение, тошноту и дезориентацию при воздействии паров высоких концентраций.

При массивном отравлении наблюдается снижение артериального давления, угнетение дыхания, частый и слабый пульс, цианоз. Далее развивается кома, асфиксия. Смерть наступает от остановки дыхания.

При тяжелых отравлениях пострадавший теряет сознание уже через несколько минут и смерть наступает в течение 4−12 ч вследствие острой сердечно-сосудистой недостаточности. По одним данным, человек может без вреда принять 25 г ацетона. По другим же данным смертельная доза при приеме внутрь составляет 50 г или даже 1,5 г/кг. Особенно опасна аспирация жидкого ацетона в дыхательные пути, что может привести к асфиксии, остановке сердца и дыхания, мгновенной смерти.

Экология Из-за высокой летучести, значительная часть ацетона испаряется в атмосферу, где период полураспада под действием ультрафиолетовых лучей составляет 22 дня.

Период полураспада в водной среде от 1 до 10 суток. Ацетон может вызывать значительное понижение уровня кислорода в воде из-за потребления его микроорганизмами.

Однако ацетон в небольших концентрациях, быстро поглощается рядом бактерий, использующих его в качестве питательной среды.

1.6 Техника безопасности при работе с ацетоном

Ацетон — легковоспламеняющаяся жидкость, при контакте с перекисью натрия или хромовым ангидридом загорается со взрывом.

При работах с ацетоном должны соблюдаться следующие правила:

Все работы с ацетоном должны проводиться в помещениях с использованием приточно-вытяжной вентиляции.

Все оборудование, задействованное в технологических процессах (слива, налива, хранения) должно быть герметизировано.

В производственных помещениях и хранилищах необходимо соблюдать правила защиты от статического электричества.

Средства защиты органов дыхания при аварийных ситуациях, задействованных с техническим ацетоном — противогаз марки «А» или «БКФ».

Для пожаротушения горящего ацетона используют порошковые огнетушители, песок, асбестовое одеяло, воду и пену.

1.6.1 Упаковка

Технический ацетон заливают в специально выделенные для ацетона железнодорожные цистерны с верхним сливом или универсальным сливным прибором, автоцистерны, в бочки алюминиевые, стальные или оцинкованные, вместимостью от 100 до 275 дм³, в стеклянные бутыли по ОСТ 6−09−185, вместимостью 10 и 20 дм³. Ацетон, предназначенный для розничной торговли, упаковывают в стеклянные бутыли и флаконы вместимостью 30, 50, 100, 500 и 1000 см³.

1.6.2 Транспортировка

Ацетон транспортируют транспортом всех видов в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на транспорте данного вида.

Воздушным транспортом перевозят только на грузовых судах с максимальным объемом нетто на одну упаковку 60 дм³. По железной дороге перевозят в бочках в крытых вагонах. При транспортировании ацетона в бочках вместимостью 100 дм³ в крытых железнодорожных вагонах, речным и морским транспортом перевозку осуществляют пакетами в соответствии с правилами перевозки грузов.

1.6.3 Хранение

Технический ацетон хранят в стальных, алюминиевых, оцинкованных емкостях или бочках и в стеклянных бутылях в соответствии с правилами хранения огнеопасных веществ. Срок хранения не ограничен.

2. Расчёт абсорбера

2.1 Исходные данные

Для очистки воздуха от паров ацетона необходимо рассчитать насадочный абсорбер (рис.7), заполненный керамическими кольцами (размером 29×25×3 мм). Абсорбент — вода.

Рис. 7 — Схема насадочного абсорбера: 1 — корпус, 2 — насадка Данные:

L (массовый расход жидкости) = 2980 кг/г

Q (расход воздуха) = 1290 м3/ч

yн (начальная концентрация ацетона в воздухе) = 5% = 0,05

Cn (степень поглощения) = 0,96

Т (средняя температура в абсорбере) = 293К

ky (коэффициент массопередачи) = 0,4 кмоль Ш (коэффициент смоченности насадки) = 1

2.2 Расчёт

Определение количества поглощаемого ацетона (М):

(1)

где Q — расход воздуха (м3/ч);

yн — начальная концентрация ацетона в воздухе;

Cп — степень поглощения (доли единицы).

M = (1290*0,05*0,96) / ((1−0,05)*22,4) = 61,92/21,28 = 2,9098 кмоль/ч Начальная концентрация ацетона в воде, подаваемой в верхнюю часть абсорбера, равна 0.

; (2)

где Мв= 18 г/моль = 18 кг/моль Хн = 2,9098/(2980/18) = 2,9098/165,5556 = 0,0176 кмоль ацетона/ кмоль воды Начальная концентрация ацетона в воздухе в нижней части при входе в абсорбер:

; (3)

Yн= 0,05/(1−0,05) = 0,0526 кмоль ацетона/ кмоль воздуха Конечная концентрация ацетона на выходе из абсорбера:

; (4)

Yв= 0,05*(1−0,96)/1−0,05 = 0,002/0,95 = 0,0021 кмоль ацетона/кмоль воздуха Нахождение движущей силы абсорбции в нижней части абсорбера:

; (5)

где Yн* находится из уравнения Yн* = 1,68Xн (6), соответствующего низу абсорбера.

Yн* = 1,68*0,0176 = 0,0296

?Yн= 0,0526 — 0,0296 = 0,0230 кмоль ацетона/кмоль воздуха Движущая сила в верхней части:

; (7)

?Yв= 0,0021 — 0 = 0,0021 кмоль ацетона/кмоль воздуха Средняя движущая сила:

; (8)

?Yср= 0,023−0,0021 / 2,3*lg (0,0230/0,0021) = 0,0209 / 2,3*1,0395 = 0,0209 / 2,39 085 = 0,0087 кмоль ацетона/кмоль воздуха Нахождение требующейся поверхности массопередачи:

; (9)

где ky — коэффициент массопередачи.

F = 2,9098 / 0,0087*0,4 = 2,9098 / 0,348 = 836,1494 м², т. е. 836 м².

Объём слоя керамических колец (при Ш = 1):

V = F/у (10),

где у = 204 м2/м3 (удельная поверхность насадки).

V = 836/204 = 4,0980 м³? 4 м³

Определение эффективной скорости газа wз в точке захлёбывания:

; (11)

где g= 9,8 м/с,

Vсв (свободный объём насадки) = 0,74 м3/м3,

сж (плотность жидкости) = 1000 кг/м3,

(плотность газа), (12)

где с0 (плотность воздуха при нормальных условиях) = 1,293 кг/м3,

Т0 = 273К, Т (средняя температура в абсорбере) = 293К;

µж (динамический коэффициент вязкости жидкости) = 1 мПа*с,

L, G — массовые расходы жидкости и газа (кг/ч);

(13)

А = 0,022 (для насадки из колец и спиралей) сг = 1,293*(273/293) = 1,293*0,9317 = 1,2047 кг/м3

G = 1290*1,293 = 1667,97? 1668

Расчёт эффективной скорости газа из уравнения:

lg (wз2*204*1,2047*10,16 / 9,8*0,743*1000) = 0,022 — 1,75* (2980/1668)0,25 * (1,2047/1000)0,125

lg (wз2*245,7588/3971,1952) = 0,022 — 1,75*1,1561*0,4316

lg (wз2*245,7588/3971,1952) = 0,022 — 0,873

lg (wз2*245,7588/3971,1952) = -0,851

wз2*245,7588/3971,1952 = 10−0,851

wз2*0,0619 = 0,1409

wз2 = 0,1409/0,0619 = 2,2763

wз = 1,5087? 1,5 м/с Рабочая скорость газа:

; (14)

w = 0,75*1,5 = 1,125 м/с Нахождение площади поперечного сечения абсорбера:

; (15)

S = 1668/3600*1,125*1,2047 = 1668/4879,035 = 0,3418? 0,34 м²

(16)

D = v4*0,34/3,14 = v0,6581 = 0,66 м Требуемая высота насадки (Hн):

; (17)

Hн = 4/0,34 = 11,76 м

Выводы

Для очистки воздуха от паров ацетона разработана абсорбционная установка производительностью 1290 м3/ч. При требуемой поверхности массопередачи 836 м², диаметр насадочного абсорбера 0,66 м, высота насадки (керамические кольца размером 29×25×3 мм) — 11,76 м.

Заключение

В данной работе разрабатывалась установка по очистке воздуха от паров ацетона.

В первой части работы был дан литературный обзор: были рассмотрены различные методы очистки воздуха от газообразных примесей, в том числе метод абсорбции, который и был выбран для решения поставленной задачи. Затем были рассмотрены варианты типа абсорбера и абсорбирующего вещества. Также была дана подробная информация по загрязняющему веществу — ацетону: его токсичность, пожарои взрывоопасность, воздействие на человека, техника безопасности при работе с ацетоном, а также обзор производств и процессов, в которых он используется.

Во второй части работы был проведён сам расчёт абсорбционной установки для очистки воздуха от паров ацетона. В результате расчёта, среди прочего, были получены значения требуемой поверхности массопередачи, диаметр насадочного абсорбера и высота насадки.

Таким образом, задачи, поставленные в начале работы, были выполнены, а именно:

был проведён анализ существующих методов очистки выбросов от газообразных примесей, была рассчитана абсорбционная установка для очистки воздуха от паров ацетона.

Данная установка актуальна для использования на многих производствах, где происходит испарение ацетона, ведь, так как пары ацетона тяжелее воздуха, то в помещениях, где происходит его испарение, создается опасность отравления этими парами.

Библиографический список

1. Белов С. В. Охрана окружающей среды [Электронный ресурс]: § 19. Очистка выбросов от газои парообразных примесей / Белов С. В., Барбинов Ф. А., Козьяков А. Ф., Павлихин Г. П., Сивков В. П., Терехин А. С., М. «Высшая школа», 1983 // Зелёная планета. URL.

2. Зубцова И. Л., Загрязнение и защита окружающей среды [Электронный ресурс]: Разработан специалистом отдела освоения, разработки и трансфера электронных образовательных ресурсов Дальневосточного регионального центра новых информационных технологий ДВГТУ — Е. А. Пономаревой / Методы и системы очистки от газообразных примесей. URL:

3. Абсорбер // Холдинговая группа «Кондор Эко — СФ НИИОГАЗ». URL: http://www.yk-kondor.ru/catalog/66 (дата обращения: 2013;03−21).

4. Абсорбционные аппараты [Электронный ресурс] // Основные процессы химической технологии. URL: http://www.apparats.narod.ru/absorb.htm (дата обращения: 2013;03−21).

5. Ацетон [Электронный ресурс] // Малое предприятие региональный токсиколого-гигиенический информационный центр «ТОКСИ». URL: http://toxi.dyndns.org/base/keton/keton1/Aceton.htm (дата обращения: 2013;04−09).

6. Ацетон технический (диметилкетон) [Электронный ресурс]: ГОСТ 2768–84 // ООО «Химдетрит». URL: http://www.himdetrit.ru/info/chemtech/102/103/ (дата обращения: 2013;04−08).

7. Ацетон: химические и физические свойства [Электронный ресурс] // Химический портал ChemPort.Ru. URL: http://www.chemport.ru/chemical_substance₂₇.html (дата обращения: 2013;04−09)

8. Газообразные выбросы [Электронный ресурс] // Большая энциклопедия нефти и газа. URL: http://www.ngpedia.ru/id624996p1.html (дата обращения: 2013;04−08).

9. Отравления ацетоном [Электронный ресурс] // Медицинский портал EuroLab. URL: http://www.eurolab.ua/encyclopedia/urgent.medica.aid/2466/ (дата обращения: 2013;04−09).

10. Отравления бытовые. Ацетон [Электронный ресурс] // Информационный сервер Medkurs.ru. URL: http://www.medkurs.ru/section64/section460/section3341/33 856.html (дата обращения: 2013;04−08).

11. Очистка от газообразных примесей [Электронный ресурс]: дата публикации: 2008;07−01 // Промышленная экология, «Природа, город… и мы». URL: http://nature-life.ru/tehnika-tehnologii/ochistka-ot-gazoobraznyih-primesey.html (дата обращения: 2013;03−22).

12. Очистка промышленных выбросов от токсичных газовых выбросов [Электронный ресурс] // Ecode. URL: http://inforeklog.ru/voprosy-otvety-k-gosekzamenam-po-ekologii-ochistka-promyshlennyx-vybrosov-ot-toksichnyx-gazovyx.html (дата обращения: 2013;03−22).

13. Очистка промышленных выбросов предприятий, производств [Электронный ресурс] // Проектное бюро. URL: http://www.buroproject.ru/catalog/services/1292.html (дата обращения: 2013;03−22)

14. Хемосорбция [Электронный ресурс] // ХиМиК.ру: сайт о химии. URL: http://www.xumuk.ru/bse/2987.html (дата обращения: 2013;04−09)