Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Курсовий проект
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра ХТНР
Курсовий проект
Вступ
На всіх стадіях свого розвитку людина була тісно пов'язана з навколишнім світом. Але з тих пір як з'явилося високоіндустріальне суспільство, небезпечне втручання людини в природу різко підсилилося, розширився обсяг цього втручання, й зараз загрожує стати глобальною небезпекою для людства. Витрата не відновлювальних видів сировини підвищується, усе більше орних земель вибуває з економіки, так як на них будуються міста й заводи. Людині доводиться усе більше втручатися в господарство біосфери - тієї частини нашої планети, у якій існує життя. Біосфера Землі в цей час піддається наростаючому антропогенному впливу. При цьому можна виділити декілька найбільш істотних процесів, кожний з яких не поліпшує екологічну ситуацію на планеті.
Найбільш масштабним і значним є хімічне забруднення середовища невластивими їй речовинами хімічної природи. Серед них - газоподібні й аерозольні забруднювачі промислово-побутового походження. Прогресує й нагромадження вуглекислого газу в атмосфері. Подальший розвиток цього процесу буде підсилювати небажану тенденцію убік підвищення середньорічної температури на планеті. Викликає тривогу в екологів і триваюче забруднення Світового океану нафтою й нафтопродуктами, що досягло уже 1/5 площі його загальної поверхні. Нафтове забруднення таких розмірів може викликати істотні порушення газо- і водообміну між гідросферою й атмосферою. Не викликає сумнівів і значення хімічного забруднення ґрунту пестицидами і його підвищена кислотність, що веде до розпаду екосистеми. У цілому , всі розглянуті фактори, яким можна приписати забруднюючий ефект, впливають на процеси, що відбуваються в біосфері.
Хімічне забруднення біосфери.
Одна з найважливіших складових біосфери - атмосфера. Людина забруднює атмосферу вже тисячоліттями, однак наслідки вживання вогню, яким вона користувався весь цей період, були незначні. Доводилося миритися з тим, що дим заважав диханню й що сажа лягала чорним покривом на стелю й стіни житла. Одержуване тепло було для людини важливіше, ніж чисте повітря й незакінчені стіни печери. Це початкове забруднення повітря не представляло проблеми, тому що люди жили тоді невеликими групами, займаючи безвимірно велике недоторкане природне середовище. І навіть значне зосередження людей на порівняно невеликій території, як це було в класичній стародавності, не супроводжувалося ще серйозними наслідками.
Так було аж до початку дев'ятнадцятого століття. Лише за останні сто років розвиток промисловості "обдарував" нас такими виробничими процесами, наслідки яких спочатку людина ще не могла собі представити. Виникли міста-мільйонери, ріст яких зупинити не можна. Все це результат великих винаходів і завоювань людини.
В основному існують три основних джерела забруднення атмосфери: промисловість, побутові котельні, транспорт. Частка кожного із цих джерел у загальному забрудненні повітря сильно різниться залежно від місця. Зараз загальновизнано, що найбільш сильно забруднює повітря промислове виробництво. Джерела забруднень - теплоелектростанції, які разом з димом викидають у повітря сірчистий і вуглекислий газ; металургійні підприємства, особливо кольорової металургії, які викидають у повітря оксиди азоту, сірководень, хлор, фтор, аміак, сполуки фосфору, частинки й сполуки ртуті й миш'яку; хімічні й цементні заводи. Шкідливі гази попадають у повітря в результаті спалювання палива для потреб промисловості, опалення осель, роботи транспорту, спалювання й переробки побутових і промислових відходів. Атмосферні забруднювачі поділяють на первинні, поступаючі безпосередньо в атмосферу, і вторинні, що є результатом перетворення останніх. Так, сірчистий газ ,що надходить в атмосферу, окисляється до сірчаного ангідриду, що взаємодіє з парами води й утворює крапельки сірчаної кислоти. При взаємодії сірчаного ангідриду з аміаком утворюються кристали сульфату амонію. Подібним чином, у результаті хімічних, фотохімічних, фізико-хімічних реакцій між забруднюючими речовинами й компонентами атмосфери, утворяться інші побічні речовини. Основним джерелом пірогенного забруднення на планеті є теплові електростанції, металургійні й хімічні підприємства, котельні установки, що споживають більше 70% добуваємого щорічно твердого й рідкого палива. Основними шкідливими домішками пірогенного походження є :
а) Оксид вуглецю. Виходить при неповному згорянні вуглецевих речовин. У повітря він попадає в результаті спалювання твердих відходів, з вихлопними газами й викидами промислових підприємств. Щорічно цього газу надходить в атмосферу не менш ніж 1250 млн.т. Оксид вуглецю є сполукою, що активно реагує зі складовими частинами атмосфери й сприяє підвищенню температури на планеті, і створенню парникового ефекту.
б) Сірчистий ангідрид. Виділяється в процесі згоряння сірковмісного палива або переробки сірчистих руд (до 170 млн.т. у рік). Частина сполук сірки виділяється при горінні органічних залишків у гірничорудних відвалах. Тільки в США загальну кількість викинутого в атмосферу сірчистого ангідриду склало 65 % від загальносвітового викиду.
в) Сірчаний ангідрид. Утвориться при окислюванні сірчистого ангідриду. Кінцевим продуктом реакції є аерозоль або розчин сірчаної кислоти в дощовій воді, що підкисляє ґрунт, загострює захворювання дихальних шляхів людини. Випадання аерозолю сірчаної кислоти з димових труб хімічних підприємств відбувається при низької хмарності й високої вологості повітря. Листові пластинки рослин, що виростають на відстані менш 11 км. від таких підприємств, звичайно бувають густо засіяні дрібними некротичними плямами, що утворилися в місцях осідання крапель сірчаної кислоти. Пірометалургічні підприємства кольорової й чорної металургії, а також ТЕС щорічно викидають в атмосферу десятки мільйонів тонн сірчаного ангідриду.
г) Сірководень і сірковуглець. Надходять в атмосферу окремо або разом з іншими сполуками сірки. Основними джерелами викиду є підприємства по виготовленню штучного волокна, цукру, коксохімічні, нафтопереробні, а також нафтопромисли. В атмосфері при взаємодії з іншими забруднювачами піддаються повільному окислюванню до сірчаного ангідриду.
д) Оксиди азоту. Основними джерелами викиду є підприємства, що роблять азотні добрива, азотну кислоту й нітрати, анілінові барвники, нітросполуки, віскозний шовк, целулоїд. Кількість оксиду азоту, що надходиь в атмосферу, становить 20 млн.т. на рік.
е) Сполуки фтору. Джерелами забруднення є підприємства з виробництва алюмінію, емалей, скла, кераміки, сталі, фосфорних добрив. Фторовмісні речовини надходять в атмосферу у вигляді газоподібних сполук - фтороводню або пилу фторида натрію й кальцію. Сполуки характеризуються токсичним ефектом. Похідні фтору є сильними інсектицидами.
ж) Сполуки хлору. Надходять в атмосферу від хімічних підприємств, що роблять соляну кислоту, хлоровмісні пестициди, органічні барвники, гідролізний спирт, хлорне вапно, соду. В атмосфері зустрічаються як домішка молекули хлору й пар соляної кислоти. Токсичність хлору визначається видом сполук і їхньою концентрацією. У металургійній промисловості при виплавці чавуну й при переробці його на сталь відбувається викид в атмосферу різних важких металів і отрутних газів. Так, в розрахунку на 1 т. чавуну виділяється крім 12,7 кг. сірчистого газу й 14,5 кг пилових часинок, що визначають кількість з'єднань миш'яку, фосфору, сурми, свинцю, пар ртуті й рідких металів, смоляних речовин і ціаністого водню.
Аерозольне забруднення атмосфери. Аерозолі - це тверді або рідкі частинки, що перебувають у в повітрі. Тверді компоненти аерозолів у ряді випадків особливо небезпечні для організмів, а в людей викликають специфічні захворювання. В атмосфері аерозольні забруднення сприймаються у вигляді диму, тумана, імли або серпанку. Значна частина аерозолів утвориться в атмосфері при взаємодії твердих і рідких частинок між собою або з водяною парою. Середній розмір аерозольних частинок становить 1-5 мкм. В атмосферу Землі щорічно надходить близько 1 куб.км. пилоподібних частинок штучного походження. Велика кількість пилових частинок утвориться також у ході виробничої діяльності людей. Відомості про деякі джерела техногенного пилу наведені в таблиці 1.
Таблиця 1.
ВИРОБНИЧИЙ ПРОЦЕС
ВИКИД ПИЛУ,
МЛН.Т/РІК
Спалювання кам'яного вугілля
93,600
Виплавка чавуну
20,210
Виплавка міді (без очищення)
6,230
Виплавка цинку
0,180
Виплавка олова (без очищення)
0,004
Виплавка свинцю
0,130
Виробництво цементу
53,370
Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря є ТЕС, які споживають вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитові й сажеві заводи. Аерозольні частинки від цих джерел відрізняються більшою розмаїтістю хімічного складу. Найчастіше в їхньому складі виявляються сполуки кремнію, кальцію й вуглецю, рідше - оксиди металів: заліза, магнію, марганцю, цинку, міді, нікелю, свинцю, сурми, вісмуту, селен, миш'яку, бериллія, кадмію, хрому, кобальту, молібдену, а також азбест. Ще більша розмаїтість властива органічному пилу, що включає аліфатичні й ароматичні вуглеводні, солі кислот. Він утворюється при спалюванні залишкових нафтопродуктів, у процесі піролізу на нафтопереробних, нафтохімічних і інших подібних підприємствах. Постійними джерелами аерозольного забруднення є промислові відвали - штучні насипи з перевідкладеного матеріалу, переважно розкривних порід, утворених при видобутку корисних копалин або ж з відходів підприємств переробної промисловості, ТЕС. Джерелом пилу й отрутних газів служать масові підривні роботи. Так, у результаті одного середнього по масі вибуху (250-300 тонн вибухових речовин) в атмосферу викидається близько 2 тис.куб.м. оксидів вуглецю й більше 150 т. пилу. Виробництво цементу й інших будівельних матеріалів також є джерелом забруднення атмосфери пилом. Основні технологічні процеси цих виробництв - подрібнювання й хімічна обробка шихт, напівфабрикатів і одержуваних продуктів у потоках гарячих газів завжди супроводжується викидами пилу й інших шкідливих речовин в атмосферу. До атмосферних забруднювачів відносяться вуглеводні - насичені й ненасичені, що включають від 1 до 13 атомів вуглецю. Вони піддаються різним перетворенням, окислюванню, полімеризації, взаємодіючи з іншими атмосферними забруднювачами після збудження сонячною радіацією. У результаті цих реакцій утворяться перекісні сполуки, вільні радикали, сполуки вуглеводнів з оксидами азоту й сірки часто у вигляді аерозольних частинок. При деяких погодних умовах можуть утворюватися особливо великі скупчення шкідливих газоподібних і аерозольних домішок у приземному шарі повітря.
Звичайно це відбувається в тих випадках, коли в шарі повітря безпосередньо над джерелами газопилової емісії існує інверсія - розташування шару більш холодного повітря під теплим, що перешкоджає повітряним масам і затримує перенос домішок вгору. У результаті шкідливі викиди зусереджуються під шаром інверсії, вміст їх у землі різко зростає, що стає однієї із причин утворення раніше невідомого в природі фотохімічного туману.
Фотохімічний туман (смог). Фотохімічний туман являє собою багатокомпонентну суміш газів і аерозольних частинок первинного й вторинного походження. До складу основних компонентів смогу входять озон, оксиди азоту й сірки, численні органічні сполуки перекісної природи, називані в сукупності фотооксидантами. Фотохімічний смог виникає в результаті фотохімічних реакцій за певних умов: наявності в атмосфері високої концентрації оксидів азоту, вуглеводнів і інших забруднювачів, інтенсивної сонячної радіації й безвітряності або дуже слабкого обміну повітря в приземному шарі при потужній і протягом не менш доби підвищеної інверсії. Стійка безвітряна погода, що звичайно супроводжується інверсіями, необхідна для створення високої концентрації реагуючих речовин.
Такі умови створюються частіше в червні-вересні й рідше взимку. При тривалій ясній погоді сонячна радіація викликає розщеплення молекул двоокису азоту з утворенням оксиду азоту й атомарного кисню. Атомарний кисень із молекулярним киснем дають озон. Здавалося б, останній, окисляючи оксид азоту, повинен знову перетворюватись в молекулярний кисень, а оксид азоту - у двоокис. Але цього не відбувається. Оксид азоту вступає в реакції з олефінами вихлопних газів, які при цьому розщеплюються по подвійному зв'язку й утворять осколки молекул і надлишок озону. У результаті подальшої дисоціації нові маси двоокису азоту розщеплюються й дають додаткові кількості озону. Виникає циклічна реакція, в результаті якої в атмосфері поступово накопичується озон. Цей процес у нічний час припиняється. У свою чергу озон вступає в реакцію з олефінами. В атмосфері концентруються різні перекиси, які в сумі й утворять характерні для фотохімічного тумана оксиданти. Останні є джерелом так званих вільних радикалів, що відрізняються особливої реакційної здатністю. Такі смоги - нерідке явище над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком і іншими містами Європи й Америки. За своїм фізіологічному впливом на організм людини вони вкрай небезпечні для дихальної й кровоносної системи й часто бувають причиною передчасної смерті міських жителів з ослабленим здоров'ям.
Ступінь забруднення повітря основними забруднюючими речовинами перебуває в прямої залежності від промислового розвитку міста. Найбільші максимальні концентрації характерні для міст із чисельністю населення більше 500 тис. жителів. Забруднення повітря специфічними речовинами залежить від виду промисловості у місті. Якщо у великому місті розміщені підприємства декількох галузей промисловості, то створюється дуже високий рівень забруднення повітря, а проблема зниження викидів багатьох специфічних речовин дотепер залишається невирішеною.
ХАРАКТЕРИСТИКА ВИКОНАНИХ НАУКОВО-ДОСЛІДНИХ РОБІТ
Рідкофазні аерозолі є поширеними викидами в атмосферу, які, зокрема,утворюються на підприємствах енергетичної та металургійної галузей промисловості, у виробництві сульфатної, фосфатної та інших кислот, у процесі коксування кам’яного вугілля тощо. Переважна більшість цих аерозолей містить шкідливі, в тому числі кислотні, компоненти, що зумовлює їх небезпечність для населення та довкілля загалом, високу корозійну активність.
Очищення викидів від рідких аерозолей та парів залишається гострою проблемою і на сьогоднішний день. Складність очищення рідких аерозолей полягає в тому, що вони характеризуються метастабільністю, яка й визначає їх специфічність. Зазначені параметри безперервно змінюються в часі, залежно від температури й тиску, що, власне, й ускладнює вибір технологічно ефективного й економічного методу очищення викидів.
Загалом існуючі методи очищення газів від рідких аерозолей (парів) поділяють на конденсаційні та електростатичні.
Електростатичні способи реалізують в електрофільтрах різних типів та конструкцій. Вони забезпечують високий ступінь очищення викидів від твердих частинок та крапель, а газоподібні шкідливі домішки, зокрема SO2, який є в даних конкретних викидах з доволі високим вмістом (до 3500 мг/м3), практично не вловлюються. Електрофільтри мають низький гідравлічний опір, але їх експлуатація потребує значних питомих витрат.
Конденсаційні методи поділяють на дві групи: поверхневої конденсації та об’ємної (конденсація змішування). Ці методи відповідно здійснюють в поверхневих конденсаторах і конденсаторах змішування.
У поверхневих конденсаторах пара (рідкі аерозолі) відділені від охолоджуючого агента стінкою. Ці апарати-конденсатори за конструкцією аналогічні до поверхневих теплообмінників (наприклад, кожухотрубних, пластинчастих, зрошувальних тощо). Апарати цього типу переважно застосовують у тих випадках, коли пара або аерозолі, що конденсуються чи агрегатуються, є головним компонентом газового потоку, а гази, що не конденсуються, містяться лише у незначних кількостях і їх виведення з потоку не є необхідним. Робота поверхневих теплообмінників полягає в тому, що внаслідок охолодження парогазової суміші на поверхні теплообміну виникають центри конденсації, на яких відбувається подальший розвиток конденсаційних процесів.
Ефективність процесу очищення від рідких арозолей чи парів зростає при застосуванні відцентрових конденсаційних сепараторів. Як і в зазначених вище апаратах, первинна конденсація (виникнення центрів конденсації) відбувається на проверхні теплообміну, але внаслідок високих швидкостей парогазового потоку ці краплі зриваються з поверхні в ядро потоку і подальша конденсація відбувається в об’ємі потоку. Швидкість конденсації в цьому випадку є значно вищою, ніж у традиційних поверхневих конденсаторах. Створення закрученого потоку забезпечує виведення укрупнених рідкофазних частинок із потоку та інтенсивні мікро- і макротурбулентні потоки, що також сприяє очищенню газу.
Однак, застосування поверхневих конденсаторів (в тому числі й відцентрових) для очищення багатокомпонентних сумішей, зокрема викидів, що утворюються при кислотному розкладі ільменіту, є недоцільним. Це пояснюється тим, що при конденсації водяної пари уловлюватиметься аерозоль сульфатної кислоти, що призведе до підкислення конденсату.
Суттєвим недоліком поверхневих конденсаторів є необхідність створення великої площі масо- і теплообміну (передачі), що потребує значних габаритів апаратів, що, безумовно, спричинить зростання їх гідравлічного опору.
У конденсаторах змішування між середовищем, в якому міститься компонент, що конденсується чи (та) абсорбується, і теплоносієм (холодоагентом) контакт відбувається безпосередньо внаслідок змішування їх потоків. Змішування повинне бути якомога повнішим для того, щоб максимально наблизитись до умов рівноваги теплообміну. Для цього охолоджуючу рідину диспергують в потоці парогазової суміші, зокрема, в апаратах колонного типу (плівкових, барботажних чи розпилюючих) або ежекційних присторях.
Конденсатори колонного типу можуть працювати як у проти-, так і прямотечійному режимах. Зазвичай як плівкові або барботажні конденсатори використовують насадкові і тарілкові колони. Вони забезпечують високий ступінь конденсації та уловлення аерозольних домішок, а також дають змогу застосувати такий розчин, який одночасно із конденсацією одних компонентів абсорбував би інші, тобто давав би змогу здійснювати очищення викидів від декількох інградієнтів, чого були позбавлені поверхневі конденсатори. Головні недоліки колонних плівкових і барботажних конденсаторів: 1) порівняно високий гідравлічний опір; 2) працюють у вузькому діапазоні навантажень за потоками (а витрати викидів кислотного розкладу ільменіту знаходяться в широкому інтервалі значень); 3) на поверхнях насадки чи тарілок у випадку застосування як зрошуючої рідини вапняного молока можливе утворення інкрустацій CaSO3 та CaSO4(2H2O.
Колони з розпиленням рідини мають низький опір, але вони працюють в гідродинамічному режимі, близькому до ідеального витіснення за обома фазами, тому змішування потоків є недостатнім, а умови теплопередачі є далекими від рівноважних. Ще одним недоліком цих апаратів є складність досягнення насичення зрошуючого розчину за тими компонентами викидів (наприклад, сульфатною кислотою та сірки (IV) оксидом), який аб- чи хемо- сорбується.
Доволі ефективними для очищення газів від парів та аерозолей є розпилюючі скрубери ударної дії, зокрема скрубер Дойля та ротоклони, наприклад, ротоклон N. Інтенсивне диспергування рідини в об’єм парогазового потоку відбувається за рахунок кінетичної енергії самого потоку. Однак ці апарати є непридатними для очищення відхідних газів розкладу ільменіту через низькі значення лінійних швидкостей парогазового потоку, тобто через надто малу їх кінетичну енергію.
Ежекційне змішування, особливо у близькозвукових і звукових соплах, є дуже ефективним, бо утворюється надзвичайно розвинена поверхня масо- і теплопередачі, а сам ежектор створює додаткову тягу для потоку. Але таке змішування потребує високих і головне стабільних витрат рідини (інколи рідинно-парової суміші), яка подається в ежектор під напором. За умов нестабільності параметрів викидів, які очищують, застосування цього методу є не доцільним. Крім того, при застосуванні як хладоагента і абсорбента вапняного молока (суспензії Са(ОН)2) можлива інтенсивна ерозія ежектора.
На підставі здійснення аналізу літературних даних, присвячених методам очищення газів від парів та рідких аерозолей, і аналізу роботи реакторного відділення розкладу ільменіту зроблено такі висновки:
Кожен з методів очищення газів, які застосовуються в промисловості, має доволі вузьку область застосування, а саме, використовується для вилученя з газу конкретного забруднювача чи однотипних забруднювачів. Очищення багатокомпонентних викидів на практиці, як правило, здійснюють поєднанням декількох типових методів.
Практично кожен з апаратів для очищення парогазових сумішей працює у відносно вузькому діапазоні значень параметрів газу, який очищують, зокрема, витрат матеріальних потоків.
Очищення парогазових викидів кислотного розкладу ільменіту можна здійснити лише методом конденсації зі змішуванням за допомогою лужних розчинів.
Зменшення витрат води на очищення і зменшення кількості вторинних відходів виробництва можна досягти застосуванням як лужного агента кальцію гідроксиду (кальцію оксиду), тобто очищення здійснювати “вапняним” молоком. Це дасть змогу використовувати воду в замкненому технологічному циклі за періодичного відведення твердої фази (внаслідок відстоювання) та додавання свіжого лужного агента. Отже, в основу технології очищення викидів кислотного розкладу ільменіту покладено концепцію одночасної конденсації водяної пари, абсорбції кислотних компонентів парогазової суміші та відмивання газу від крапель сульфатної кислоти. Інтенсивно процеси масо- та теплообміну протікають в апараті, що наближується до моделі реактора ідеального змішування, при розбризкуванні лужного поглинального розчину.
Таким апаратом може бути скруберна камера з ковшоподібними розбризкувачами: кожна зона розбризкування може розглядатись як окремий реактор ідеального змішування, а їх сукупність як каскад цих реакторів.
Базуючись на вказаній концепції організації процесу очищення, провели комплекс теоретичних і експериментальних досліджень з метою визначення оптимальних технологічних умов здійснення процесу очищення відхідної парогазової суміші: витрати і лужності поглинальних розчинів; співвідношення рідина: парогазова суміш, температурного режиму процесу; часу контактування, тобто одержання всіх необхідних кількісних залежностей, показників тощо, які необхідні для розробки вихідних даних на промислове проектування і економічну оцінку процесу.
Експериментальні дослідження проводили на пілотній установці Установка (рис. 1.) складалась з блоку підготовки газової суміші, приготування поглинального розчину та абсорбційно-конденсаційного.
Перший вузол служить для приготування газової суміші, яка, в основному, імітує відхідні гази сульфатнокислотного розкладу ільменіту. Суміш складалась з повітря, сірки (IV) оксиду і водяної пари. Її готували змішуванням потоку сірки (ІV) оксиду, який окремою лінією надходив із цеху виробництва сульфатної кислоти (вміст SO2 в період проведення досліджень коливався в межах 7,5…9,7 % об.), водяної пари (подавалась з лінії пари з тиском 0,6 МПа), повітря (подавалось із системи стисненого повітря КВП і А). Витрати повітря і концентрованого SO2 контролювали за допомогою ротаметрів. Витрату водяної пари визначали калориметрично – за тепловим балансом стадії конденсації (за витратами води на конденсацію та конденсату, а також їх температурами). Використання газів і пари, взятих із технологічних систем, дало змогу підтримувати витрати усіх потоків з високою стабільністю і точно їх регулювати. Змішування зазначених потоків здійснювали у змішувальній трубі довжиною 1000 мм, що забезпечувало сталість складу парогазової суміші.
Приготована парогазова суміш надходила в скруберну камеру.
Протитечійно до парогазового потоку в скруберну камеру подавали поглинальний розчин, який готували із технічної води і лужного агента (кальцинованої соди). Величину рН поглинального розчину змінювали в межах 7,0…10,5. Витрату розчину контролювали ротаметром.
Головним апаратом установки була скруберна камера з ковшоподібними розбризкувачами.), виготовлена із ст.Х18Н10Т. Камера споряджена штуцерами для введення парогазового і рідинного потоків і їх виведення. На штуцерах є патрубки для встановлення термометрів або термопар і відбору проб газу на аналіз. Камера також має три оглядові вікна – два в торцевих стінках і одне зверху посередині обечайки камери.
На валі розміщенено ковшоподібні розбризкувачі. Їх число змінювали від 1 до 3. Зовнішній діаметр твірної ковшів – 200 мм. Ширина ковша – 15, ширина прорізів – 2 мм. Для зміни частоти обертання ковшів і відповідно лінійної швидкості кінців розбризкувачів вал споряджено багатоступеневим шківом.
Поряд із гетерогенною конденсацією, може відбуватись і гомогенна конденсація, яка призводить до утворення туману. Найбільша імовірність виникнення туману буде у цій частині камери, де існує, як розглянуто вище, найбільша різниця температур середовищ: рідкого і паро-газового. Отже, туман може виникати на виході (за газовою фазою) камери. У цій зоні виникає складна гетерогенна система, яка складається із газу, що не конденсується (азот, залишковий кисень), залишків неконденсованої пари, водяного туману та крапель зрошувальної рідини. Оскільки, у передній (за рухом газу) частині камери існують передумови для інтенсивної конденсації водяної пари, то концентрація водяної пари та частинок водяного туману в задній частині камери будуть порівняно незначними.
Проаналізуємо гідродинамічну ситуацію та процеси, що відбуваються у цій частині камери. Очевидно, що за сталої площі перерізу камери швидкість руху газової фази по її довжині буде падати внаслідок зменшення об’ємної витрати паро-газової суміші (за рахунок конденсації водяної пари та поглинання кислих компонентів суміші). Отже, турбулізація потоку буде дещо зменшуватись, порівняно з початковими (за рухом газу) ділянками камери. Тому, враховуючи низьку концентрацію частинок туману, можна передбачити, що самочинна турбулентна коагуляція не матиме суттєвого впливу на виведення туману з газового потоку. З цих же причин можна знехтувати також і тепловою (броунівською) коагуляцією частинок туману. Відтак, головним чинником, який сприятиме виведенню туману із газового потоку, буде інтенсивність зрошування камери (абсорбера-охолоджувача) абсорбційним розчином. Пояснюється це наступним.
По-перше, дисперговані краплі абсорбційного розчину рухаються перпендикулярно до напрямку газового потоку. При цьому вони “пронизують” туман. Внаслідок їх зіткнення з аерозольними частинками останні можуть коалесценціювати з нею. Проте, за значних відносних швидкостей великої диспергованої краплі і дрібнодисперсної частинки, яка має значний поверхневий натяг, може відбуватись пружне зіткнення. При цьому тривалість механічної взаємодії обох частинок буде малою. Тому коалесценція крапель може не відбуватись.
По-друге, так як швидкості руху частинок диспергованого розчину і туману є різними (8 проти 1,5 м/с), а їх діаметри і маси відрізняються на декілька порядків, то при русі великої (діаметр 2...3 мм) краплі абсорбційного розчину із значною швидкістю за нею виникає зона пониженого тиску, куди засмоктуються аерозольні частинки туману (рис. 3.2). В результаті напрям руху великих і дрібнодисперсних частинок буде однаковим, а відносна швидкість обох частинок (великої та дрібнодисперсної) буде незначною. Отже, час механічного контакту буде значно більшим, ніж у попередньому випадку. Тому, дрібнодисперсні краплі можуть коалесценціювати з великою диспергованою краплею або коагулювати між собою (аеродинамічна турбулентна коагуляція) за рахунок різкого збільшення концентрації аерозольних частинок позаду краплі. При цьому краплі укрупнюються і швидко виводяться з газового потоку. Схематично вказані процеси зображені на рис 4.
ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ
На підставі результатів досліджень, проведених на експериментальній установці, розроблена технологічна схема і технологічний режим додаткової стадії до існуючої системи очищення відхідних газів, яка наведена на рис.
Відхідні гази, після існуючої на ЗАТ „ Кримський титан” системи очищення, з температурою 65...71 0С надходять в скруберну камеру (1), оснащену ковшоподібними та колесоподібними диспергаторами і приводом (2). В скруберній камері (1), в адіабатичних умовах відбувається вловлення пилу ТіО2, хемосорбція кислих компонентів кислих газів з утворенням солей, передусім гіпсу. Очищений газ через краплевловлювач (6) з Z-подібними елементами і викидну трубу (7) викидається в атмосферу.
Протитечійно щодо руху газу в скрубер подається лужний поглинальний розчин. Його одержують шляхом змішування суспензія вапняного молока, яка містить 15% мас. активного СаО з освітленим оборотним розчином та технічною водою, до концентрації СаО 5% мас. (оптимальна концентрація). Вказану суспензію вапняного молока періодично заливають в резервуар з мішалкою (3), який одночасно служить напірною ємністю. Цей апарат має конусоподібне дно, над яким розміщене пласке перфороване фальшдно для затримування крупних частинок. Суспензія СаО із нижньої частини ємності (3) самоплином через фільтр (4) поступає в скрубер (1). У фільтрі (4) проходить відділення твердих частинок розміром більше 1,5 мм. Крім того, в об’ємі фільтра відбувається перемішування суспензії СаО з освітленим оборотним розчином та технічною водою. Витрата суспензії визначається із розрахунку 100 %-го використання СаО згідно із стехіометрією і регулюється залежно від рН ( 4,5-6) відпрацьованого поглинального розчину.
Об’єм скруберної камери за допомогою порогу 5 та перфорованої перегородки (11) розділено на дві частини: “слабокислу” (І) та “лужну” (ІІ). Це зумовлено тим, що лужний поглинальний розчин об’єму (ІІ) забезпечить високий ступінь очищення викидних газів від кислих компонентів, а слабокислий розчин об’єму (І) дозволить повністю використати СаО та одержати суспензію, яка добре осідає.
Перший за ходом газу переливний поріг (5а) є на 50 мм нижчим відносно другого (5б). Така конструкція порогів та використання перфорованої перегородки мінімізує перемішування рідкої фази між двома частинами камери.
Внаслідок високоінтенсивного масообміну між рідкою та газоподібною фазами в скруберній камері проходить насичення поглинального розчину киснем відхідних газів ( вміст О2 в відхідних газах ~ 15% об.), тому більше 90% кальцію сульфіту, який утворюється, окиснюється до кальцію сульфату, в результаті чого основним кінцевим продуктом процесу очищення буде гіпс (СаSO4 · 2Н2О).
Відпрацьований поглинальний розчин (рН 4,5...6) самоплином надходить у відстійник (8), де під дією гравітаційних сил відбувається його освітлення. Освітлена частина розчину насосом (9) повертається в процес, а згущена частина (Т:Р = 1:4) шлам-насосом (10) подається на утилізацію – виробництво керамічних виробів, так як тверда фаза згущеного шламу містить, в основному, чистий гіпс і частинки ТіО2.
Для проведення ремонтних робіт, випадків аварійних ситуацій тощо, передбачений байпасний газохід (12) з відповідними запірними пристроями. В цих випадках відхідні гази без доочищення викидаються в атмосферу. Крім того, для звільнення об’єму скруберної камери, газоходів від відхідних газів передбачена її продувка повітрям (13).
.МАТЕРІАЛЬНИЙ І ТЕПЛОВИЙ БАЛАНСИ ПРОЦЕСУ
Матеріальний і тепловий баланси складені на годинну продуктивність системи очищення газів двох печей (7500 нм3/год), що відповідає продуктивності однієї печі ≈ 0,27 т/год. Основою для розрахунків були такі дані, які наведені в таблиці 5.1.
Таблиця 5.1.
Склад, кількість і об`єм газів
Складник
Кг
нм3
% мас.
% об.
Н2О
1521,2
1893,0
15,86
23,53
SO2
12,05
4,2
0,13
0,05
SO3
0,48
0,13
0,005
0,002
TiO2
8,03
–
0,08
–
O2
1162,5
813,6
12,12
10,11
CO2
560,3
270,9
5,85
3,37
N2
6327,4
5061,9
65,94
62,93
HCl
0,8
0,5
0,008
0,006
NOx
0,8
0,6
0,008
0,006
Всього
9593,65
8045,0
100,00
100,00
5.1. МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС СКРУБЕРНОЇ КАМЕРИ
З КОВШОПОДІБНИМ ДИСПЕРГАТОРОМ
Надходження
1. Склад, маса і об`єм газової фази після системи очищення – 9593,65 кг або 8045,0 нм3 (див. табл.).
2. Абсорбційний розчин. Витрату абсорбційного розчину визначаємо за кількістю активного CaO, необхідного для взаємодії з кислими компонентами відхідних газів, та його оптимальною концентрацією в цьому розчині.
а) витрата CaO
СаО у формі Ca(OH)2 взаємодіє з SO2, SO3, HCl і NOх за реакціями
Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O 5.1
Ca(OH)2 + SO3 + Н2О = CaSO4 ∙ H2O 5.2
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O 5.3
Ca(OH)2 + 2NO3 = Ca(NO3)2 + 2H2O 5.4
Кальцію сульфіт, як встановлено експериментальними дослідженнями, в самому процесі очищення газів окисняється в рідкій фазі сорбованим киснем на 90% до СаSO4
СаSO3 + 1/2О2 + 2Н2О = СаSO4 ∙ 2Н2О 5.5
За масою кислих компонентів, які містяться в газі, визначаємо витрату СаО відповідно до реакцій стехіометрії (реакцій 5.1...5.4.)
,
де 56; 64; 80; 36,5 і 28 – маси 1 кмоля відповідно CaO, SO2, SO3, HCl і NO2
Згідно оптимальних технологічних умов, визначених експериментально, відпрацьований поглинальний розчин повинен бути слабокислим. Це означає, що ступінь використання активного СаО дорівнює 100%.
Концентрація активного СаО = 15% мас., то визначаємо витрату цього розчину, яка буде дорівнювати
(12,26 ∙ 100) : 15 = 81,73кг
В ньому буде води
81,73 – 12,26 = 69,47 кг
Оптимальна концентрація СаО в абсорбційному розчиннику 5%. Тоді маса цього розчину буде:
(12,26 ∙ 100) : 5 = 245,2 кг, а води в ньому 245,2 – 12,26 = 232,94 кг
Маса води на розведення розчину вапнякового молока до 5% СаО.
245,2 – 81,73 = 163,47 кг
Витрачання
В скруберній камері процес очищення відхідних газів відбувається, в основному, в адіабатичних умовах. Має місце лише невелика втрата теплоти в довкілля, яка частково компенсується за рахунок теплот реакцій нейлізації. Це призводить до часткової конденсації із газів водяної пари.
З врахуванням вказаного та хемосорбції шкідливих компонентів із газу, визначаємо масу та об’єм викидних газів.
Маси і об’єми окремих компонентів у викидних газах дорівнюють:
- SO2: 12,05 (1 – 0,987) = 0,16 кг або 0,056 м3;
- SO3: 0,48 (1 – 0,17) = 0,4 кг або 0,11 м3;
- NOх: 0,8 (1 – 0,21) = 0,63 кг або 0,47 м3;
- НСl: 0,8 (1 – 1) = 0 кг 0∙м3;
- ТіО2: 8,03 (1 – 0,6) = 3,2 кг;
- О2: 1162,5 кг або 813,75 м3;
- СО2: 560,3 кг або 285,2 м3;
- N2: 6327,4 кг або 5061,92 м3
де 0,987, 0, 17, 0,21, 0,6 – ступені вловлення відповідно SO2, SO3, NOx, TiO2.
Всього сухого очищеного газу
0,16 + 0,4+ 0,63 + 3,2 + 1162,5 + 560,3 +6327,4 = 8054,6 кг або
0,056 + 0,11 + 0,47 + 813,75 + 285,2 + 5061,92 = 6162,01 м3.
Вміст водяних парів у викидних газах дорівнює 23,2% об. Тоді маса і об’єм водяних парів буде
(6162,01 ∙ 23,2) : (100 – 23,2) = 1861,4 м3 або 1495,75 кг
Маса і об’єм вологих викидних газів:
8054,6 + 1495,75 = 9550,3 кг
або 6162,01 + 1861,4 =8023 4 м3
Визначимо маси продуктів реакцій (5.1...5.3):
;
,
,
де 120, 172 і 111 – маси 1 кмоля відповідно CaSO3, CaSO4∙2Н2О і CaCl2;
0,1 – частка СаСО3, яка не окисняється до СаSO4
Витрата кисню на окиснення CaSO3
(12,05 ∙ 0,9 ∙ 16) : 64 = 2,7 кг
Залишилось кисню в газах
1129,16 – 2,7 = 1126,5 кг
Маса ТіО2 у відпрацьованому поглинальному розчині дорівнює
.
Всього буде солей і ТіО2 у відпрацьованому розчині
2,08 + 28,43 + 7,3 + 4,8 = 42,61 кг
За реакціями 5.1, 5.3, 5.4 виділяється вода, а за реакціями 5.2 і 5.5 вода зв’язується. Баланс води на хімічні реакції дорівнює
Це означає, що 5,31 кг води із абсорбційного розчину переходить в тверду фазу.
Маса води у відпрацьованому розчині дорівнює
232,94 + (1521,2 – 1495,75) – 5,31 = 253,08 кг
Маса відпрацьованого розчину
253,08 + 42,61 = 295,7 кг
Результати розрахунків наведені в таблиці 5.2.
Таблиця 5.2.
Матеріальний баланс скруберної камери
Надходження
Витрачання
№ з/п
Стаття
Кг
нм3
№ з/п
Стаття
кг
нм3
1.
2.
Відхідні гази,
в т.ч.:
Н2О
O2
CO2
N2
SO2
SO3
TiO2
HCl
NOx
Абсорбційний розчин,в т.ч.
Н2О
СаО
9593,6
1521,2
1162,5
560,3
6327,4
12,05
0,48
4,03
0,8
0,8
247,3
234,86
12,37
8045,0
1 1893,1
813,6
1 270,9
5061,9
4,2
0,13
–
0,48
0,63
С 1.
2.
Очищений газ,
в т.ч.:
Н2О
O2
CO2
N2
SO2
SO3
TiO2
HCl
NOx
Відпрацьова-
ний розчин,
в т.ч.:
Н2О CaSO4∙2H2O
CaSO3
ТіО2
CaCl2
9546,4
1493,8
1160,2
3362,0
6327,4
0,16
0,4
3,2
0
0,8
294,6
256,8
29,4
2,2
4,8
1
8006,3
1859,1
812,7
560,3
5061,9
0,055
0,11
–
0
0,63
Всього
9840,9
Всього
9840,9
5.2. ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС СКРУБЕРНОЇ КАМЕРИ
Надходження
Теплоту газів після I-ої ступені очищення (Q1) знаходимо як суму теплот окремих компонентів цих газів, які згідно з експериментальними даними виходять з температурою 70 оС:
а) теплота водяної пари = 1521,2 кг ·2624,6 кДж/кг = 3992541,5 кДж;
де 2624,6 кДж/кг – тепловміст водяної пари за t=70 оС і Р =1·105Па;
б) теплота ;
в) теплота
г) теплота
д) теплота
ж) теплота
з) теплота
к) теплота
л) теплота
Отже, сумарна теплота відхідних газів дорівнює
Q1 = 4564348,7 кДж.
Теплота абсорбційного розчину (Q2)
Q2 = 4,01 кДж/(кг·град) · 247,3 кг · 60,7оС = 54351 кДж.
де 60,7 – температура циркуляційного розчину після регенерації, розрахована нижче.
3. Тепловий ефект реакцій нейтралізації кислих сполук відхідних газів (Q3).
Так як основним кислим компонентом є газ SO2 і, крім того, сульфіт-іон окисняється до сульфат-іону, то не буде значної помилки тепловий ефект рахувати за реакцією
Са(ОН)2 + SO3 + 2Н2О = СаSO4 ∙ 2Н2О + Q
Q3 =
де 66,2 – тепловий ефект реакції, кДж.
Витрачання
Теплоту очищеного газу (Q4) розраховуємо аналогічно, як і в попередньому випадку:
а) теплота водяної пари = 1493,9 кг ·2624,6 кДж/кг =3920846 кДж;
б) теплота ;
де 69,5 ОС – температура відпрацьованого розчину на виході з абсорбера;
в) теплота
г) теплота
д) теплота
ж) теплота
з) теплота
к) теплота
Всього очищений газ містить теплоти
Q4 = 4487643 кДж.
Теплота відпрацьованого розчину (Q5)
Q5 = 4,0 кДж/(кг ·град) · 294,6 кг · 69,5оС = 80566,7 кДж.
де 4,0 кДж/(кг ·град) – середня теплоємність відпрацьованого поглинального
розчину;
294,6 кг - маса відпрацьованого поглинального розчину.
Втрати теплоти у навколишнє середовище (Q6 ).
Втрати теплоти у навколишнє середовище визначимо із рівняння теплового балансу.
Складаємо тепловий баланс:
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6,
Q6 = Q1 + Q2 + Q3 - Q4 - Q5
Отже, втрати теплоти у довкілля дорівнюють
Q6 = 60786,3 кДж.
Це складає від приходу теплоти і відповідає прийнятим в інженерних розрахунках втратам теплоти у довкілля для апаратів, що працюють за температурного режиму нижче 100 оС. Ця втрата теплоти не перевищує 5%.
Результати розрахунків наведені в таблиці 5.3.
Таблиця 5.3.
Тепловий баланс скруберної камери
Надходження
Витрачання
№ з/п
Стаття
кДж
%
№ з/п
Стаття
кДж
%
1.
2.
3.
Теплота газів на вході
Теплота абсорб- ційного розчину
Теплота реакції
4564349
54351
10296
98,56
1,22
0,22
1.
2.
3.
Теплота газів на виході
Теплота відпрацьованого розчину
Втрати теплоти в довкілля
4487643
80567
60786
96,9
1,80
1,30
Всього
4628996
100,0
Всього
4628996
100,00
6. РОЗРАХУНОК, КОНСТРУЮВАННЯ І ВИБІР ОСНОВНОГО ОБЛАДНАННЯ
6.1. РОЗРАХУНОК СКРУБЕРНОЇ КАМЕРИ
Абсорбційний об’єм скруберної камери розраховуємо, виходячи із швидкості хемосорбції сірки (ІV) оксиду, вміст якого в газі є переважаючим порівняно з іншими шкідливими компонентами. Цей об’єм знаходимо із виразу
,
де Vабс. – необхідний об’єм, м3;
- маса сірки (ІV) оксиду, що поступає на очищення, кг/с;
∆Р – рушійна сила процесу, Па;
К – коефіцієнт хемосорб...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора