Содержание
Введение
1. Общаяхарактеристика термических методов
2. Огневойметод
3. Задачапо абсорбции
Заключение
Вопросы
Литератураи источники
Введение
Антропогенноезагрязнение окружающей среды в настоящее время уже не компенсируется полностьюпроцессами, происходящими в биосфере. В результате интенсивной деятельностичеловека происходит значительное загрязнение окружающей среды, биосферапостоянно деградирует: ухудшается качество атмосферы, водоёмов и почв,уничтожается фауна и флора. Выбросы и сбросы промышленных предприятий,энергетических систем и транспорта в атмосферу, водоёмы и почву достигли такихмасштабов, что в некоторых регионах земного шара, особенно в крупныхпромышленных центрах, уровни загрязнений окружающей среды значительно превышаютдопустимые санитарные нормы.
Поэтомупроблема защиты окружающей среды является одной из важных задаччеловечества.
Составнойчастью природопользования является переработка и воспроизводство природныхресурсов, охрана их и защита окружающей среды в целом, которая осуществляетсяна основе инженерной экологии – науки о взаимодействии технических и природныхсистем.
Теоретическиеосновы защиты окружающей среды –комплекснаянаучно-техническая дисциплина инженерной экологии, изучающая основы созданияресурсосберегающих технологий, экологически безопасных промышленныхпроизводств, реализации инженерно-экологических решений по рациональномуприродопользованию и охране окружающей среды.
Вцелях защиты окружающей среды (ЗОС) работа промышленности должна бытьорганизована так, чтобы её отходы не наносили вреда природе и человеку. Охранаприроды требует, чтобы производство совершенствовалось, а отходыутилизировались; все новые процессы создавались на основе малоотходной ибезотходной технологии. Это позволит не только решить проблему ЗОС, ноодновременно обеспечит высокую экономическую эффективность производства.
Данная реферативнаяработа посвящена вопросу термического обезвреживания (сжигания) сточных вод.
Теоретическими основамипроцессов удаления взвешенных загрязнений из состава сточных вод являются общиезаконы физической и коллоидной химии, термодинамики, гидро- и аэродинамики.
1. Общая характеристикатермических методов обезвреживания сточных вод
Все методы очисткисточных вод могут быть разделены на деструктивные и регенеративные.
Под деструктивнымипонимают такие методы, при которых загрязняющие воду вещества подвергаютсяразрушению. Образующиеся продукты распада удаляются из воды в виде газов илиосадков или остаются в растворе, но уже в обезвреженном виде. Чаще всего этопроисходит при использовании естественных или искусственных окислительных процессов.
Регенеративныеметоды решают две задачи: очистку сточных вод и утилизацию ценных веществ.Практически нередко приходится совмещать обе группы методов, а также проводитьстадии предварительной очистки и доочистки.
Методы очистки сточныхвод можно подразделить также на гидромеханические, химические,физико-химические, термические, электрохимические, биохимические.
Если в сточных водахимеются весьма вредные вещества, применяют термические методы,позволяющие уничтожить эти примеси, например, при сжигании. Такой процессприменим для обезвреживания органических примесей сточных вод. Для очисткиминерализованных сточных вод из термических методов можно использоватьвыпаривание, адиабатное испарение, вымораживание и кристаллизацию из растворови др.
Для обезвреживания значительнойгруппы жидких, твердых, пастообразных и газообразных промышленных отходов сбольшим набором и высокой концентрацией органических и минеральных веществприменяют термические методы. Они заключаются в тепловом воздействии на отходы,при котором происходит окисление или восстановление некоторых вредных веществ собразованием безвредных или менее вредных.
К термическим методам относятжидкофазное окисление, гетерогенный катализ, газификацию отходов, пиролизотходов, плазменный и огневой методы.
Потеплотворной способности промышленные стоки делят на сточные воды, способныегореть самостоятельно, и на воды, для обезвреживания которых необходимодобавлять топливо. Эти сточные воды имеют энтальпию ниже 8400 кДж/кг (2000ккал/кг).
При использованиитермоокислительного метода все органические вещества, загрязняющие сточныеводы, полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах донетоксичных соединений. К этим методам относят метод жидкофазногоокисления, метод парофазного каталитического окисления и пламенный или«огневой» метод. Выбор метода зависит от объемасточных вод, их состава и теплотворной способности, экономичности процесса итребований, предъявляемых к очищенным водам.
Методжидкофазного окисления. Этот метод очистки основан наокислении органических веществ, растворенных в воде, кислородом притемпературах 100– 350°С и давлениях 2 –28 МПа. При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значительновозрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ.Эффективность процесса окисления увеличивается с повышением температуры.Летучие вещества окисляются в основном в парогазовой фазе, а нелетучие — вжидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в водеэкономичность процесса жидкофазного окисления возрастает.
Методначинают использовать для очистки сточных вод в химической,нефтеперерабатывающей, целлюлознобумажной, фармацевтической и других отрасляхпромышленности.
Методпарофазного каталитического окисления. В основе метода находитсягетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха при высокойтемпературе летучих органических веществ, находящихся в сточных водах. Процесспротекает интенсивно в паровой фазе в присутствии медно-хромового,цинк-хромового, медно-марганцевого или другого катализатора. Основнойнедостаток метода — возможность отравления катализаторов соединениями фосфора,фтора, серы. Поэтому необходимо предварительное удаление каталитических ядов изсточных вод.
Достоинстваметода: возможность очистки большого объема сточных вод без предварительногоконцентрирования, отсутствие в продуктах окисления вредных органическихвеществ; возможность комбинирования с другими методами; безопасность в работе.
Недостаткиметода: неполное окисление некоторых органических веществ; высокая коррозияоборудования в кислых средах.
Огневойметод. Этот метод обезвреживания сточных вод является наиболееэффективным и универсальным из термических методов. Сущность его заключается враспылении сточных вод непосредственно в топочные газы, нагретые до 900 –1000°С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают.
Огневойметод применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих только минеральныевещества. Метод может быть использован также для обезвреживания небольшогообъема сточных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очисткаот которых другими методами невозможна или неэффективна. Кроме того, огневойметод целесообразен, если имеются горючие отходы, которые можно использоватькак топливо.
В процессеобезвреживания сточных вод различного состава могут образовываться оксидыщелочных и щелочно-земельных металлов (CaO, MgO, BaO, K2O, Na2O и др.). Придиссоциации хлоридов в дымовых газах содержится хлор и хлороводород.Органические соединения, содержащие серу, фосфор, галогены, могут образовывать SO2, SO3, P2O5, HC1, C12 и др. Присутствие этихвеществ в дымовых газах нежелательно, т.к. это вызывает коррозию аппаратуры. Изсточных вод, содержащих нитросоединения, могут выделяться оксиды азота. Междуэтими соединениями происходят взаимодействия с образованием новых соединений, втом числе и токсичных.
2. Огневой метод
Огневой метод используют для сжиганиянегорючих сточных вод. Сущность метода заключается в распылении сточных вод втопочные газы, имеющие высокую температуру (900—1000 °С). Вода при этомполностью испаряется, органические примеси сгорают с образованием газовыхпродуктов, а минеральные вещества образуют твердые или расплавленные частицы,которые затем улавливаются.
Для обезвреживания особо опасных,ядовитых и неутилизируемых отходов огневой метод является наиболеецелесообразным, а зачастую единственно возможным. Однако у данного метода естьсущественный недостаток – это высокие затраты энергоресурсов и дороговизна,которые ограничивают возможности и масштабы его применения. Поэтому снижениесебестоимости термического способа очистки сточных вод является весьмаактуальным.
Разработан ряд технологическихустановок для огневого метода обезвреживания: без рекуперации тепла и очисткигазов; без рекуперации тепла с очисткой газов; с рекуперацией тепла без очисткигазов; с рекуперацией тепла и очисткой газов. Во всех этих схемах отсутствуетрекуперация твердых отходов. Предложены схемы и с рекуперацией твердых отходов,выделяющихся при использовании огневого метода обезвреживания сточных вод.Огневой метод требует больших затрат топлива на испарение воды и полногосгорания токсичных примесей. Обычно расход топлива составляет 250—300 кг на 1 тсточной воды.
История развития термических способовобезвреживания сточных вод начинается с использования камерных и шахтных печей,в которых осуществлялось подсушивание и сжигание распыливаемой при помощи сопелсточной воды за счет сжигания топлива.
Основными их недостатками являютсягромоздкость, дороговизна и малая удельная производительность.
Наиболее совершенными для сжиганияжидких отходов являются циклонные печи, преимущества которых обусловленыаэродинамическими особенностями (вихревая структура газового потока),обеспечивающими высокую интенсивность и устойчивость процесса сжигания с малымитепловыми потерями и минимальными избытками воздуха. Это позволяет создаватьмалогабаритные устройства, работающие с высокими удельными тепловыминагрузками, в десятки раз превышающими нагрузки камерных, шахтных и барабанныхпечей. Широкое применение циклонные печи нашли для обезвреживания сточных вод,загрязненных органическими и минеральными компонентами. Подача воздуха итоплива осуществляется тангенциально газо-мазутными горелками предварительногосмешения, расположенными на боковой поверхности камеры сгорания. Распыливаниесточных вод осуществляется центробежными механическими форсунками,установленными радиально ниже зоны горения топлива.
Дальнейшее развитие техники сжиганиясточных вод привело к созданию многоподовых печей и печей с псевдоожиженнымслоем. Однако имеющиеся существенные недостатки — сложность технологическойсхемы подготовки и сжигания сточных вод и недостаточная стойкость футеровки — ограничили широкое их распространение.
В связи с огромным разнообразием исложностью химических процессов, появлением сложных соединений различногокласса, пластификаторов, синтетических материалов, ядохимикатов и др. резковозросла необходимость в поиске путей эффективного обезвреживания сточных водразличных производств, содержащих токсичные органические и неорганическиевещества. Описанные выше методы и способы термического обезвреживания сточныхвод оказываются не в состоянии обеспечить надежную их очистку и утилизациюсодержащихся в них солей. В этих случаях наиболее надежным, а часто иэкономически целесообразным, является огневой способ обезвреживания в циклонныхпечах.
Однако, несмотря на стольсущественные качественные преимущества метода термического обезвреживания итермической очистки сточных вод промышленных предприятий, его применение всовременных условиях является достаточно ограниченным и несоответствующимпотенциальным возможностям последнего и относится, главным образом, лишь толькок области обезвреживанияпутем прямого сжигания небольших количеств высококонцентрированных поорганическим примесям жидких отходов производств или сжигания с выпариваниемнебольших количеств высококонцентрированных по минеральным веществам сточныхвод.
Основными недостатками методовтермического обезвреживания и термической очистки сточных вод промышленныхпредприятий, препятствующих дальнейшему расширению применения последних,являются:
1) высокая стоимостьпроцесса термического обезвреживания и термической очистки сточных водпромышленных предприятий, обусловленная, прежде всего, большой удельнойзатратой топлива в процессе обезвреживания в существующих промышленныхустановках ;
2) конструктивнаясложность и большие размеры установок;
3) высокая начальнаястоимость установок ;
4) недостаточнаянадежность установок ;
5) сложностьэксплуатации установок ;
6) трудностьосуществления полной и высоконадежной автоматизации установок.
Жидкие отходы перед поступлением вкамеру сгорания распыляются с помощью форсунок, поэтому, чтобы избежать забивкифорсунок, жидкие отходы должны быть тщательно очищены, а зимой, когда отходыгустеют, их тщательная очистка перед форсунками вообще неосуществима.
Циклонные топки по сравнению скамерными и шахтными обладают целым рядом преимуществ, связанных, в первуюочередь, с лучшей организацией смешения воздуха с топливом, что позволяет резкоувеличить теплонапряжение топочного объема. В циклонных топках значительноудлиняется процесс сжигания во времени и сравнительно просто решается вопрос овыгрузке плава.
В комбинированных установках,сопряженных, например, с технологическими печами, где подогрев сточной водыосуществляется за счет утилизации теплоты уходящих из печей газов, затраты наэлектроэнергию становятся определяющими.
Недостатками циклонных печей являютсячастичный унос солевой массы газом (иногда до 60%) и загрязнение поверхностейкотлов — утилизаторов. Кроме того, недостаточная утилизация теплоты уходящихгазов приводит к излишнему расходу топлива, а следовательно, увеличению затратна обезвреживание сточных вод.
Сточные воды производств переработкинефти содержат загрязняющие вещества разнообразного характера: нефть инефтепродукты, растворенные минеральные соли и твердые механические примеси,серную кислоту и ее соли, щелочи (сульфиды и гидросульфиды натрия, меркаптаны идр.), спирты (метиловый, этиловый и бутиловый) и другие органическиесоединения, жирные кислоты, парафин, фенол, эфиры, загрязняющие примеси отпроизводства катализаторов, токсичные и ядовитые вещества (например, тетраэтилсвинец)и др. Основная масса стоков НПЗ характеризуется повышенным рН и разнообразнымсолевым составом.
Объем перечисленных отходовизмеряется многими миллионами тонн в год. В настоящее время значительную частьих складируют на полигонах, в шламонакопителях, сливают в канализацию. Этоприводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, воздуха и почвы.Применение установок сжигания и огневого обезвреживания отходов позволяет нетолько предотвратить загрязнение окружающей среды, но и (в результатепереработки части отходов в товарные продукты и сырье и их энергетическогоприменения) более экономично использовать природные ресурсы.
/>
Циклонная печь для сжигания сточныхвод.
/>
Печь для сжигания жидких,газообразных и твердых отходов.
Печь включает: огнеупорную цилиндрическую стенку печи 1, заключенную вкожух 2, в пространстве между которыми установлена камера подачи воздуха 3,выполненная в виде трубы, перфорированная поверхность 4 которой переходит вгофрированную 5, причем суммарная площадь отверстий перфорации составляет неменее 1,2 площади проходного сечения перфорированного трубопровода, а отношениедлины гофрированной поверхности к длине перфорированной поверхности не менее0,2. Трубопроводы для подачи сжигаемых отходов 6, основного 7 и дополнительного8 воздуха расположены коаксиально относительно друг друга и соединены междусобой радиальными пластинами 9, 10, 11, 12, равномерно распределенными покругу. Трубопровод для дополнительной подачи воздуха 8 соединен с камеройподачи воздуха 3 через кольцевой конусообразный клапан 13 с регулируемымзазором 14, образованным внутренней стенкой трубопровода 8 и наружной стенкойкольцевого конусообразного клапана 13. На стенке кожуха печи 2 камера подачивоздуха 3 закреплена с помощью резьбовой муфты 15, на наружной поверхностикоторой установлен регулятор зазора 16 и имеется зазор 17, образованный торцамитрубопроводов 6 для подачи отходов и 7 для подачи основной части воздуха. Печьдля сжигания жидких, газообразных и твердых отходов работает следующим образом.В камеру подачи воздуха поступает воздух, причем часть потока с постояннымрасходом проходит через перфорированную стенку кольцевого конусообразногоклапана 13 и направляется к трубопроводу для подачи основного воздуха 7, приэтом его площадь обеспечивает оптимальную и постоянную во времени скоростьвоздушного потока, необходимую для наилучшего диспергирования жидких отходов. Втрубопровод для дополнительной подачи воздуха 8 через регулируемый зазор 14поступает другая часть воздуха. Величина зазора изменяется с помощью регуляторазазора 16 и позволяет обеспечить дополнительную подачу воздуха на горение. Скоростьподачи основного воздуха остается постоянной независимо от изменения подачидополнительного воздуха на горение. Для регулирования положения фронта пламенивозможно изменение зазора 17 путем осевого смещения трубы отходов 6. Врезультате такой организации подачи воздуха и отходов в камеру печи улучшаетсятепломассообмен, ускоряется процесс горения, что приводит к резкойинтенсификации окисления продуктов неполного сгорания, и необходимость вдополнительной турбулизации и рециркуляции газового потока отпадает.
/>
Конструктивная схема рекуперативной печи для сжигания сточных вод:
1 — входной воздушный патрубок; 2 — кольцевой канал; 3 — воздухонагревательные трубы; 4 — нижняя часть обечайки печи; 5 — верхняя частьобечайки печи; 6 — змеевиковый теплообменник; 7 — верхний фланец печи; 8,9 — воздушные сопла; 10 — камера сгорания; 11 — топливный патрубок; 12 — топливнаяфорсунка; 13 — летка; 14 — входной патрубок в змеевиковый теплообменник; 15 — выходной патрубок из змеевикового теплообменника; 16 — продувочный патрубок; 17- распыляющее устройство; 18 — регулировочный вентиль; 19 — патрубок для выходадымовых газов.
3. Решение задачи по абсорбции
Условия задачи:
Рассчитать диаметр ивысоту насадки абсорбера для улавливания из воздуха ацетона водой. Рассчитатьтакже расход поглотителя в м3/ч, если расход газовой смеси в рабочихусловиях 6000 (м3/ч) с концентрацией ацетона 8 (%, объемн.), степеньулавливания составляет 90 (%). Концентрация ацетона в воде на входе в абсорберХн = 0, а на выходе составляет 71 % от максимально возможной вданных условиях, т.е. от равновесной с входящим газом. Уравнение линииравновесия имеет вид Y* = 1,68X, где Y[кмоль А/кмольвоздуха], X [кмоль А/кмоль В]. Скорость газа в абсорбере 1,1(м/с), коэффициент массопередачи 0,3[кмоль А/(м2×ч×кмольА/кмоль В)], коэффициент смачиваемости насадки φ = 0,88. Вкачестве насадки используются керамические кольца Рашига размером 25х25х3,давление в колонне 0,2 (МПа) и температура 20 оС. Датьпринципиальную схему абсорбера и фазовую диаграмму Y-X.
Решение:
1. Приведёмрасход газовой смеси к нормальным условиям:
/>
2. Определимколичество (расход) паров ацетона в составе газовой смеси расчёте на 1 час:
/>
Где VM– молярный объём газа, кмоль/м3.
3. Построениерабочей линии и линии равновесия.
Для построения рабочейлинии процесса абсорбции необходимо определить координаты точек А и В,характеризующих состав газовой и водной фаз на входе и выходе изабсорбера.
а)Содержание паров ацетона во входящем воздухе (в отн. мольных долях) составляет:
/>
б)Относительная мольная доля паров ацетона в газовой смеси на выходе изадсорбера:
/>
в)Содержание ацетона в поглотителе-воде при входе в абсорбер по условию задачисоставляет Хв=0.
г) Находим координату Хн.
По условию задачикоордината Хн, т.е. концентрация ацетона в поглотителе на выходе изабсорбера составляет n= 71% от равновесной с входящим газом. Поэтому необходимо сначала найти равновеснуюсо входящим газом концентрацию Х*.
Т.к. уравнение линииравновесия Y* =1,68·Х и при входе в абсорбер отн. мольнаядоля ацетона составляла Yн = />, то:
/>
Следовательно,
/>
/>
Таким образомкоординаты точек А и В составляют:
А(0;0,08695) и В(0,03674; 0,008695)
На основе полученныхданных строим линию равновесия и рабочую линию процесса АВ, а такжесхему абсорбера для противоточной абсорбции:
Построение рабочейлинии АВ и линии равновесия ОС:
/>
Схема движенияабсорбата и абсорбента в абсорбере:
/>
4. Найдёмсреднюю движущую силу процесса по газовой фазе ∆Yср на входе вабсорбер и выходе из него:
/>
/>
Средняя движущая сила вабсорбере при прямой линии равновесия определяется по формуле:
/>
5. Изуравнения массопередачи:
/>
/>
при условии, что Ку= Кх/1,68, рассчитаем площадь контакта фаз в адсорбере F,необходимую для обеспечения перехода требуемого количества газа в жидкую фазу.
/>
/>
Площадь контакта вабсорбере создаётся с помощью керамических колец Рашига. Для колец формата25х25х3, удельная поверхность насадки δ = 204 м2/м3.
6. Рассчитаемгабариты адсорбера:
Поскольку
F= Hн·S·δ · ψ,
где Hн–высота насадки колец Рашига;
S– площадь сечения абсорбера;
δ – удельнаяповерхность насадки ,
Ψ– коэффициент смачивания = 0.88,
то можно записать:
/> – объёмнасадки,
где Vн–объём слоя колец Рашига, необходимый для создания данной поверхности Fпри коэффициенте смачивания />
Таким образом, объёмнасадки колец Рашига должен составить:
/>
/>
Далее находим площадьпоперечного сечения абсорбера S:
/>
где V0– расход газовой смеси при н.у.,
w– линейная скорость газового потока (м/с).
Для цилиндрическогоабсорбера площадь сечения определяется из площади круга:
/>
Откуда определяемдиаметр абсорбера:
/> – нормальныеряды колонных аппаратов, мм = 1400
и высоту насадкиабсорбера Нн:
/>
/>
7. Требуемыйдля проведения процесса расход поглотителя–воды