Технологічна схема очищення газових викидів виробництва хлорвінілу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра ЕЗП

Пояснювальна записка

До курсового проекту

з курсу «Основи промислової екології»

На тему: «Технологічна схема очищення газових викидів виробництва хлорвінілу»

Виконала:

ст. гр. ЕО-41

Гула Л.

Керівник проекту:

Проф. Дячок В. В.

Львів, 2015

Вступ

Атмосферне повітря є елементом довкілля, життєво значущий для біологічних організмів, включаючи людей, і є захистом від космічних випромінювань, підтримує певний теплової баланс планети, визначає клімат тощо. Поруч із екологічними функціями атмосферне повітря виконує найважливіші економічних функцій, оскільки виступає незамінним елементом виробничих процесів, енергетичної, транспортної та інших діяльностей людини.

Інтенсивний розвиток промисловості, зростання міст, збільшення кількості транспортних засобів, активне освоєння навколоземного простору приводять до зміни газового складу атмосфери, нагромадженню різних видів забруднень (пилового, хімічного, електромагнітного, радіаційного, шумового та інших), руйнації озонового шару атмосфери, порушення її природного балансу. викид забруднення газовий хлорвініл

Стан повітряного середовища має особливо важливе значення для нормального функціонування людського організму й підтримки здоров'я.

Головними і найбільш небезпечними джерелами забруднення атмосфери є промислові, транспортні і побутові викиди. Унаслідок діяльності людини в атмосферу поступають вуглекислий і чадний гази, діоксид сірки, метан, оксиди азоту, тощо. При використанні аерозолів в атмосферу поступають хлорфторвуглеводні, в результаті роботи транспорту - вуглеводні.

Маса забруднювальних речовин в атмосфері становить приблизно 9 - 10 млн. т. Порівняно з масою земної атмосфери це мізерна величина, однак на висоті 50 - 100 м. від Землі, де саме концентруються забруднювальні речовини, частка їх є істотною, відносно кількості чистого повітря. Головними екологічними глобальними наслідками забруднення атмосфери є: парниковий ефект, озонова дірка, кислотні дощі, смог.

Заходи щодо захисту атмосферного повітря. Тривалий час локальні забруднення атмосфери порівняно швидко розбавлялися масами чистого повітря. Пил, дим, гази розсіювалися повітряними потоками і випадали на землю з дощем і снігом, нейтралізувалися, вступаючи в реакції з природними сполуками. Зараз обсяги та швидкість викидів перевершують можливості природи до їх розбавленню і нейтралізації. Тому необхідні спеціальні заходи для усунення небезпечного забруднення атмосфери. Основні зусилля зараз спрямовані на попередження викидів забруднюючих речовин в атмосферу. На діючих і нових підприємствах встановлюють пилевловлююче і газоочисне обладнання. Таким чином, затримується близько 3/4 всіх викидів. В даний час триває пошук більш досконалих способів їх очищення.

Інший важливий напрямок - це створення і впровадження безвідходних технологій, будівництво таких промислових комплексів, в яких використовується вся вихідна сировина і будь-які відходи підприємств. Безвідходні технології цінні схожістю з процесами, що відбуваються в біосфері, де відходів не існує, так як всі біологічні виділення утилізуються різними ланками екосистем. Прикладами таких технологічних процесів можуть служити замкнуті цикли повітря та води, при яких повністю виключаються викиди відходів в навколишнє середовище.

Важливе значення в боротьбі із забрудненнями атмосфери має озеленення міст і промислових центрів. Рослини збагачують повітря киснем. На деревах і кущах осідає до 72% зважених у повітрі часток пилу й до 60% діоксиду сірки. Тому в міських парках, скверах, садах пилу в десятки разів менше, ніж на відкритих вулицях і площах. Багато видів дерев і чагарників виділяють фітонциди біологічно - активні речовини, що вбивають бактерії. Зелені рослини регулюють мікроклімат міста, поглинають і знижують міський шум.

У навколишньому середовищі вінілхлорид з'являється виключно внаслідок його викидів під час виробництва та переробки. За оцінкою фахівців, більше 99% викиду вінілхлориду залишається в повітрі , де відбувається його фотохімічна деградація під впливом гідроксил-радикалів; при цьому період його напіврозпаду становить 18 годин (за іншими даними, це час складає 2,2-2,7 днів). З поверхні грунту вінілхлорид швидко випаровується, однак може мігрувати в її глиб через ґрунтові води. В рослинах і тваринах не накопичується.

У грунті і воді вінілхлорид піддається аеробній біодеградації (переважно до CO2) під впливом мікроорганізмів, наприклад, роду Мікобактерії (Mycobacterium); біорозпад в грунтових водах може носити і анаеробний характер, причому його продуктами є метан, етилен, вуглекислий газ і вода.

Дослідження показують, що в грунті і воді під дією мікроорганізмів вінілхлорид розкладається на 30% протягом 40 днів і на 99% протягом 108 днів.

1. Технологічна схема виробництва та її опис

Етилен подається приблизно в рівних кількостях у реактор прямого хлорування (поз.1, рис. 2.1) і в реактор окислювального хлорування (поз.3, рис. 2.1). В реакторі поз.1, рис. 2.1 - сталевий порожній апарат, заповнений рідким 1,2-дихлоретаном. Одночасно подається хлор у кількості, що забезпечує 1-3 %-ний надлишок етилену. Реакція йде з виділенням тепла, що може відніматися за рахунок вмонтованих у реактор теплообмінників або за рахунок кипіння самого 1,2-дихлоретану. У першому випадку відбір продукту проводиться з рідкої фази, у другому - з парової. При відборі з рідкої фази 1,2-дихлоретан-сирець піддається ступеневому промиванню (кислотою, лугом і водою) (на схемі умовно зображений один апарат поз.2) для видалення залишків каталізатора - хлорного заліза - і далі направляється в колону азеотропної осушки поз.6.

Реактор оксіхлорування поз.3 - сталевий апарат з вмонтованим змійовиком (у випадку проведення процесу в псевдозрідженому шарі контакту). У реактор одночасно з етиленом подається повітря (або кисень) й хлористий водень у співвідношенні, що забезпечує деякий надлишок етилену й кисню.

Процес звичайно проводять при 0,304-0,507 МПа й 210-250 °С. Як каталізатор використовують хлориди міді, нанесені на носій (каталізатор Дікона). Реакційні гази після реактора поз.3, рис.2.1, що містять пари 1,2-дихлоретану, води й інертні гази, направляються в гартувальну колону поз.4, яка зрошується водою з фазороздільника (на схемі не показаний). У колоні 4 уловлюються залишки пилу каталізатора й хлористий водень.

Потім гази надходять у конденсатор поз.15. Сконденсована рідина розділяється на 1,2-дихлоретан-сирець і воду. Водний шар повертається в гартувальну колону поз.4, а 1,2-дихлоретан-сирець передається на ступеневе (лугом і водою) промивання для видалення хлораля (на схемі умовно показаний один апарат поз.5). Продукти дегідрохлорування після печі піролізу поз.9, рис.2.1 надходять у гартувальну колону поз.10 для виділення з них смолистих продуктів і різкого охолодження за рахунок рециклу кубової рідини цієї колони.

Далі продукти піролізу надходять у ректифікаційну колону поз.11, де виділяється чистий хлористий водень; останній передається на стадію окислювального хлорування. Кубовий продукт колони поз.11 проходить колону поз.12 для виділення чистого вінілхлориду. Вінілхлорид з колони поз.12 направляється в колонну поз.13 для відділення залишків ацетилену й хлористого водню, потім проходить скрубер поз.14, заповнений твердим їдким натрієм для осушки від залишків хлористого водню і води та передається на склад вінілхлориду. Кубовий продукт колони поз.12 - так званий зворотний 1,2-дихлоретан - повертається на ректифікацію в колону поз.7.

Теоретична витрата основної сировини в кг на 1 т готового продукту - вінілхлориду:

Етилен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

Хлор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568

2. Інвентаризація джерел забруднення

Під час виробництва хлорвінілу з етилену вибіляються: хлор, хлористий водень, хлориди міді, пил, смолисті продукти, 1,2-дихлоретан, водяна пара.

Хлор Ї зеленувато-жовтий газ з різким запахом. У 2,5 рази важчий повітря. Температура кипіння - 34,6є С. При вдиханні дуже подразнює слизову оболонку і викликає гострий кашель, а у великих кількостях -- навіть смерть. У вільному стані в природі він не зустрічається, оскільки в хімічному відношенні хлор дуже активний. У лабораторних умовах хлор звичайно одержують взаємодією хлоридної кислоти HCl з двоокисом марганцю MnO₂ (це також і перший промисловий метод одержання). Гранично допустимі концентрації (ГДК) хлору в атмосферному повітрі: середньодобова - 0,03 мг / м ^3; максимальна разова - 0,1 мг / м³ .

Хлористий водень Ї безбарвний задушливий газ з різким запахом, димить на повітрі. Легко розчиняється у воді (500 об'ємів газу у 1 об'ємі води) з утворенням соляної кислоти. Вдихання хлороводню може призвести до кашлю, задухи, запалення носу, горла, і верхніх дихальних шляхів, а у важких випадках, набряку легень, порушення роботи кровоносної системи, і навіть смерть. Контактуючи зі шкірою може викликати почервоніння, біль, і важкі опіки. Хлористий водень спричиняє серйозні опіки очей і незворотне пошкодження очей. У лабораторних умовах хлороводень одержують при дії концентрованої сульфатної кислоти на хлорид натрію при сильному нагріванні. У промисловості його добувають зазвичай спалюванням водню в атмосфері хлору у спеціальних пальниках. ГДК хлористого водню в повітрі - 5,0 мг/мі.

Хлорид міді (I) - бінарна хімічна сполука, мідна сіль соляної кислоти. Являє собою білий або зеленуватий порошок, практично нерозчинний у воді (0,0062 г / 100 мл при 20 ° C). Зеленувате забарвлення надають домішки хлориду міді (II). Хлорид міді (II) (мідь хлорне) - бінарна неорганічна речовина, з'єднання міді з хлором, що відноситься до класу галогенідів і солей (може розглядатися як сіль соляної кислоти і міді). Утворює кристалогідрати виду CuCl2 · nH2O. ГДК - 1 мг/л.

Пил виробничий - дисперсна система, яка складається з частинок твердих речовин різноманітної форми, розміру і фізико-хімічних властивостей, що утворюються внаслідок виробничої діяльності. За розмірами частинки ПВ поділяються на грубі (10-100 мкм); мікроскопічні (0,25-10 мкм) і субмікроскопічні (менше 0,25 мкм). Дисперсні системи з частинками твердих речовин розміром менше 0,1 мкм називають димами. ПВ утворюється внаслідок дроблення порід, вугілля, розпилення пилоподібного палива і його згоряння, при переробці корисних копалин, транспортуванні і пересипанні матеріалів тощо. ПВ руйнує обладнання, знижує якість продукції, викликає проф. захворювання, погіршує санітарно-гігієнічні умови праці, утворює вибухонебезпечне і пожежонебезпечне середовище. Відповідними держстандартами встановлені певні ГДК пилу на робочих місцях. Багато видів пилу - вугільний, алюмінієвий, магнієвий, ацетатцелюлозний, борошняний, цукровий, сірчаний та ін. при відповідних концентраціях і при наявності джерела тепла займаються і вибухають. Ефективні способи боротьби з ПВ: вентиляція, очищення повітря від пилу фільтрами, зв'язування пилу і змив його, зволоження гірничого масиву, промивання шпурів і свердловин при їх бурінні, осадження пилу з повітря шляхом зрошування, герметизація обладнання тощо. Відповідними держстандартами встановлені певні ГДК пилу на робочих місцях.

1,2-дихлоретан ClCH₂--СН₂Cl - хлорорганічна сполука, прозора безбарвна рідина з сильним запахом схожим на запах хлороформу, практично не розчинна у воді. Хороший розчинник. Легко випаровується, утворює азеотроп з водою (71, 5 ° С, 82,9 вага% дихлоретану). 1,2-дихлоретан відноситься до токсичних речовин. Основним методом отримання є каталітична реакція приєднання хлору до етилену. ГДК дихлоретану складає 10 мг/м³.

3. Фізико-хімічні властивості основного забрудника

Хлор -- важкий газ жовтувато-зеленого кольору з різким, задушливим запахом, неметал. При вдиханні дуже подразнює слизову оболонку і викликає гострий кашель, а у великих кількостях -- навіть смерть.

Густина газоподібного хлору за нормальних умов 3,214, рідкого при t кипіння - 1,557, твердого - 1,9 (при t -102^оС). t_пл. - 101 ^оС; t_кип. - 34,6 ^оС.

Під тиском близько 6 атмосфер хлор вже при звичайній температурі скраплюється у жовту важку рідину, яка під нормальним тиском кипить при ?34°С, а при ?102,4°С замерзає в жовтувату кристалічну масу. Скраплений хлор зберігають і транспортують у стальних балонах.

У воді хлор розчиняється добре. В одному об'ємі води при звичайній температурі розчиняється понад два об'єми хлору. Розчин хлору в воді називають хлорною водою.

Хімічно дуже активний. Окиснювач. Утворює сполуки майже з усіма хім. елементами. Хлор маючи в зовнішньому електронному шарі сім електронів,, його атоми легко віднімають валентні електрони від атомів інших елементів і перетворюються в негативно одновалентні іони Cl^-. Цим самим проявляються його різко виражені окисні властивості. За своїми окисними властивостями хлор поступається лише перед фтором і приблизно рівноцінний кисню. Завдяки великому спорідненню його атомів до електрона, хлор безпосередньо сполучається з усіма металами і більшістю неметалів. Причому з багатьма металами він реагує дуже енергійно з виділенням тепла і світла. Наприклад, якщо в наповнений хлором циліндр внести розтертий в порошок стибій, він спалахує і згоряє, утворюючи густий білий дим трихлориду стибію (сурми) SbCl₃:

· 2Sb + 3Cl₂=2SbCl₃

Попередньо нагріті кальцій, залізо, мідь і інші метали теж енергійно згоряють в атмосфері хлору, утворюючи відповідні хлориди. Наприклад:

· Cu + Cl₂ = CuCl₂

Запалений на повітрі червоний фосфор продовжує енергійно горіти в атмосфері хлору:

· 2Р + 3Cl₂ = 2PCl₃

З воднем хлор теж реагує. Але при звичайній температурі реакція йде дуже повільно, а при нагріванні і під впливом сонячного світла -- досить швидко і навіть з вибухом:

· Cl₂+Н₂=2HCl

Гранично допустимі концентрації (ГДК) хлору в атмосферному повітрі: середньодобова - 0,03 мг / м ^3; максимальна разова - 0,1 мг / м³ .

4. Вибір методу очищення від даного забрудника та короткі теоретичні відомості

Нейтралізація реакційних компонентів відбувається у насадковій колоні, яка зрошується лужним розчином. При чому у рідкій фазі протікає реакція :

Отже, процес нейтралізації можна розглядати як процес абсорбції з одночасною хімічною реакцією (хемосорбції) хлору лужним розчином.

Абсорбцією називають процес поглинання газу рідким поглиначем, у якому газ розчинний у тій чи іншій мірі. Зворотний процес - виділення розчиненого газу з розчину - носить назву десорбції.

У абсорбційних процесах (абсорбція, десорбція) беруть участь дві фази - рідка і газова, і відбувається перехід речовини з газової фази в рідку (при абсорбції) або, навпаки, з рідкої фази в газову (при десорбції). Таким чином, абсорбційні процеси є одним з видів процесів масопередачі.

Промислове проведення абсорбції може поєднуватися чи не поєднуватися з десорбцією. Якщо десорбцію не виробляють, поглинач використовується одноразово. При цьому в результаті абсорбції отримують готовий продукт, напівпродукт або, якщо абсорбція проводиться з метою санітарної очистки газів, залишковий розчин, зливається (після знешкодження) в каналізацію.

Поєднання абсорбції з десорбцією дозволяє багаторазово використовувати поглинач і виділяти абсорбований компонент в чистому вигляді. Для цього розчин після абсорбера направляють на десорбції, де відбувається виділення компонента, а регенерований (звільнений від компонента) розчин знову повертають на абсорбцію. При такій схемі (круговий процес) поглинач не витрачається, якщо не вважати деяких його втрат, і весь час циркулює через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

У деяких випадках (при наявності малоцінного поглинача) в процесі проведення десорбції відмовляються від багаторазового застосування поглинача. Через це регенерований в десорбері поглинач скидають в каналізацію, а в абсорбер подають свіжий поглинач.

Хемосомрбція (або хемосорбційний процес) -- це хімічний процес, частинний випадок адсорбції. На відміну від фізичної адсорбції під час хемосорбції не зберігається індивідуальність адсорбтива і адсорбента. При наближенні молекул адсорбтива з поверхнєю адсорбента відбувається перерозподіл їх електронів з утворенням хімічного зв'язку.

Хімічна адсорбція (хемосорбція) йонів або молекул приводить до створення поверхневих хімічних сполук, тобто супроводжується перебудовою електронних оболонок атомів.

Хемосорбція - різновид сорбції, за якої частинки сорбенту і сорбованої речовини хімічно взаємодіють. Характерна особливість Х. - її специфічність, тобто чутливість до хімічної природи адсорбента і чистоти поверхні. Крім того, швидкість Х. часто залежить від температури, що свідчить про наявність активізаційного бар'єра. Енергія активації знаходиться в межах 40-80 кДж/моль. Хемосорбовані молекули утворюють на поверхні мономолекулярний шар. Х. використовують при глибокому очищенні газових сумішей, вона може мати місце в ряді процесів переробки вугілля, фізико-хімічних процесах збагачення корисних копалин тощо.

5. Опис апарату, який застосовується при адсорбційному очищенні

Абсорбер - апарат для поглинання газів, парів, для поділу газової суміші на складові частини розчиненням одного або декількох компонентів цієї суміші в рідині, яка називається абсорбентом (поглиначем). Абсорбер звичайно являє собою колонку з насадкою або тарілками, в нижню частину якої подається газ, а у верхню - рідина; газ видаляється з абсорбера зверху, а рідина - знизу. Абсорбер застосовується в хімічній, нафтопереробній та інших галузях промисловості.

При абсорбції процес протікає на поверхні зіткнення фаз. Тому абсорбери повинні мати розвинену міжфазну поверхню. Виходячи зі способу створення цієї поверхні, абсорбери умовно ділять на три групи: поверхневі абсорбери, барботажні абсорбери, розпилюють абсорбери.

Необхідно відзначити, що один і той же тип апарата залежно від умов роботи може працювати в різних режимах. Так, наприклад, насадок колон абсорбер може працювати як в плівковому режимі, так і в барботажному.

Насос (рос. насос) -- гідравлічна машина, призначена для створення потоку рідкого середовища, яка перетворює механічну енергію приводу насоса у кінетичну енергію та енергію тиску рідини. Робота насоса характеризується його подачею, напором, потужністю, коефіцієнтом корисної дії та частотою обертання.

6. Технологічна схема очищення викидів та опис її роботи

Газоповітряна суміш за допомогою газодувки ГД подається в насадковий абсорбер А. У верхню частину абсорбера відцентровим насосом Н подається залужена вода. Вона стікає по насадці донизу, а назустріч їй рухається газоповітряна суміш. Під час взаємодії фаз хлор вступає в реакцію із залуженою водою, проходить процес хемосорбції й повітря очищається.

Вода, насичена хлором, самопливом надходить у приймальну ємкість ПЕ, а очищене повітря викидається в атмосферу.

7. Розрахунок основного апарату

Технологічний розрахунок.

Мета технологічного розрахунку - визначення поверхні масопередачі і геометричних розмірів апарата.

Поверхню масопередачі можна знайти з основного рівняння масопередачі:

де Кх і Ку - коефіцієнти масопередачі відповідно для рідкої і газової фаз,кг/(м2·с); Xc iYc - середні рушійні сили у фазах, кг/кг; М - кількість хлору, що поглинається лужною водою за одиницю часу, кг/с.

Коефіцієнт масопередачі знайдемо з рівняння адитивності фазових дифузійних опорів:

де вх і ву - коефіцієнти масовіддачі відповідно у рідкій і газовій фазах, кг/(м2·с);

m = 0,24 - коефіцієнт розподілу.

Поверхня масообміну з основного рівняння масопередачі:

Висота насадки:

Загальна висота насадкової колони:

де - відстань від верху насадки до кришки абсорбера; - відстань між днищем абсорбера і насадкою. Приймаємо = 2 м;

Відношення висоти насадки до діаметра колони Н/d = 2,46/0,8 = 3,075.

Над верхнім шаром насадки встановлюємо розподільну тарілку ТСН-III.

Тоді Н = 2,46 + 2 + 1,2 = 5,66 (м).

Діаметр абсорбера:

Приймемо діаметр абсорбера (з ряду стандартизованих діаметрів) d = 0,8 м.

Гідравлічний розрахунок.

Опір зрошуваної насадки в разі плівкового руху розрахуємо за емпіричним рівнянням

де - опір сухої насадки, Па; b - дослідний коефіцієнт; U = 4,1·10-3 - густина зрошування, м3/(м2·с). Стала b залежить від типу насадки та її укладання; для неупорядкованої насадки з кілець Рашига b = 169.

Гідравлічний опір сухої насадки визначимо за рівнянням:

де л - коефіцієнт опору; dе = 0,035 - еквівалентний діаметр насадки, м; = w/е - швидкість газу у вільному перерізі насадки (в м/с), w - фіктивна швидкість газу в колоні; е - питомий об'єм насадки, мі/мі.

Гідравлічний опір зрошуваної насадки:

Конструктивний розрахунок

Товщина обичайки:

де D = 0,8 м - внутрішній діаметр апарата; р = 0,02 МПа - надлишковий тиск в апараті; [у] = 230 МПа - граничне напруження для сталі Х18Н10Т; ц = 0,8 - коефіцієнт послаблення обичайки через зварний шов; Ск = 0,001 м - добавка на корозію/

Діаметр штуцерів розраховують за формулою:

,

де G - масова витрата, кг/с; с - густина речовини, кг/м3; w - швидкість руху речовини в штуцері, м/с.

Приймаємо швидкість рідини в штуцері w = 1 м/с, а для газової суміші w = 25 м/с.

Діаметр штуцера для входу й виходу води:

Діаметр штуцера для входу й виходу газової суміші:

Висновок

Вінілхлорид є одним з найважливіших мономерних продуктів, які надходять головним чином на виробництво полівінілхлориду - другого серед найбільш багатотоннажного виду пластичних мас (реакція 2.35), а також на виробництво різних сополімерів з вініліденхлоридом, вінілацетатом, метил- акрилатом і т.д. Сам по собі вінілхлорид - це безбарвний газ, тяжчий за повітря, з характерним запахом.

Вінілхлорид є одним з найбільших за обсягом органічних напівпродуктів світового хімічного виробництва, поступаючись лише етилену, пропілену, метанолу, терефталевої кислоті, бензолу.

Вінілхлорид є речовиною надзвичайно вогненебезпечною, його суміші з повітрям вибухонебезпечні; при горінні виділяє дратівливі, токсичні і корозійно-активні речовини, серед яких, зокрема, виявляється вкрай отруйний фосген.

У навколишньому середовищі вінілхлорид з'являється виключно внаслідок його викидів під час виробництва та переробки. За оцінкою фахівців, більше 99% викиду вінілхлориду залишається в повітрі , де відбувається його фотохімічна деградація під впливом гідроксил-радикалів; при цьому період його напіврозпаду становить 18 годин (за іншими даними, це час складає 2,2-2,7 днів).

Представлена технологічна схема виробництва вінілхлориду відповідає усім нормам, багато відходів виробництва, наприклад, 1,2-дихлоретан, повертаються назад на виробництво і використовуються знову.

Список використаної літератури

1. А.І. Дубинін, Р.І. Гаврилів, І.О. Гузьова. Процеси та апарати хімічної технології. - Львів. Видавництво Львівської політехніки. - 2012 р.

2. Р.В. Гармаш. Очистка газових викидів від хлору і хлористого водню виробництва вінілхлориду. - 2013 р.

3. С.А. Курта. Хімія і технологія хлорорганічних сполук. - Івано-Франківськ - Калуш. - 2009 р.

Размещено на Allbest.ru