Адсорбційні і хемосорбційні методи очищення газів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Технологічний інститут

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля

(м. Сєвєродонецьк)

Факультет комп'ютерних технологій

Кафедра технології неорганічних речовин та екології

Контрольна робота

з дисципліни «Екологія»

Варіант 12

Група Студент

____________________________

(особистий підпис)

Робота здана на перевірку

_____________________________

(дата здачі)

2014/2015 навч.рік,

1 семестр

Практична частина

Завдання №1

Визначити категорію небезпечності підприємства (КНП) та ширину санітарно-захисної зони (СЗЗ) за даними:

Рішення.

Категорію небезпечності підприємств (КНП) розраховують за виразом:

де М_і - маса викиду і-тої речовини, т/рік; ГДКс.д. - середньодобова гранично допустима концентрація і-тої речовини, мг/м³; n - кількість шкідливих речовин, які викидаються підприємством в атмосферу; а_і - безрозмірна константа, яка дозволяє порівняти ступінь шкідливості і-тої речовини зі шкідливістю сірчаного газу.

Визначаємо КНП цього підприємства:

Отримане значення КНП перевищує 108, що дозволяє за ступенем забруднення віднести дане підприємство до 1-ої категорії.

Ширина санітарно-захисної зони повинна складати не менше 1000 м.

Завдання №2

Визначити ГДВ, значення приземної концентрації С_max, віддаль від джерела, на якій досягається максимальна концентрація шкідливих речовин Х_max, зону впливу підприємства за вихідними даними:

Рішення.

1) знаходимо значення параметру f

2) швидкість виходу газоповітряної суміші з отвору джерела складає

об'єм газоповітряної суміші

3) безрозмірний параметр m дорівнює

4) для визначення коефіцієнта n визначаємо V_max

При значенні Vmax ? 2, n розраховуємо за формулою:

5) гранично допустимий викид, г/с:

6) значення приземної максимальної концентрації, мг/м³:

7) відстань на якій очікується найбільша концентрація речовин Хтах дорівнює:

при F ? 2

8) зону впливу підприємства визначає відстань L, яку знаходять:

Внаслідок виконаних розрахунків отримані слідуючи значення:

ГДВ = 4,6 г/с; С_max = 0,93 мг/м³; Х_max = 87,45 м; L =.

Теоретична частина

Варіант 92

Тема: Адсорбційні і хемосорбційні методи очищення газів, що відходять

Адсорбційні методи використовують для очищення газів з невисоким вмістом газоподібних і пароподібних домішок. На відміну від абсорбційних методів вони дозволяють проводити очищення газів при підвищених температурах.

Цільовий компонент, що знаходиться в піддають очищенню газовій фазі, називають адсорбтивом, цей же компонент у адсорбованому стані - адсорбатом.

Розрізняють фізичну і хімічну адсорбцію (хемосорбцію). При фізичній адсорбції поглинаються молекули газів і парів утримуються силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбції - хімічними силами.

В якості адсорбентів використовують пористі матеріали з високорозвиненою внутрішньою поверхнею. Останні можуть мати синтетичне або природне походження. Внутрішня структура найбільш поширених на практиці промислових адсорбентів характеризується наявністю різних розмірів і форм пустот або пор, серед яких розрізняють макро-, перехідні (мезо-) і мікропори. Сумарний обсяг останніх в одиниці маси або об'єму адсорбенту визначає у вирішенні завдань газоочистки як швидкість (Інтенсивність) поглинання цільового компонента, так і адсорбційну здатність (Величину адсорбції) твердим поглиначем цього компонента. Сумарний обсяг мікропор зазвичай не перевищує 0,5 см³/м. Їх розміри умовно обмежені величиною ефективного радіуса r _еф = 1,5 • 10^-9 м і сумірні з r _еф адсорбованих молекул. Характерною особливістю адсорбції в мікропорах у цьому зв'язку є заповнення їх обсягу адсорбованими молекулами.

Перехідні пори характеризуються величинами ефективних радіусів від 1,5 • 10^-9 до 2 • 10^-7 м. На відміну від мікропор в них можлива шарова моно- або полімолекулярного адсорбція, так як адсорбційні сили тут не перекривають всього обсягу пір зважаючи на невеликі полів їх дії. Завершення заповнення обсягу перехідних пір відбувається за певних умов за механізмом капілярної конденсації, спричиненої зниженням тиску пари адсорбируємої речовини над увігнутим під дією сил поверхневого натягу меніском рідини в порах (капілярах). Віднесена до одиниці маси питома поверхня перехідних пір промислових адсорбентів зазвичай знаходиться в інтервалі 10 - 400 м²/м.

Макропори промислових адсорбентів володіють розмірами ефективних радіусів, переважаючими 2 • 10^-7 м. Питома поверхня цього різновиду пір зазвичай становить лише 0,5 - 2 м²/г, що зумовлює незначну величину адсорбції на їх стінках. Капілярна конденсація в цих порах відсутня. Макро- та перехідні пори виконують роль транспортних шляхів, що забезпечують при адсорбції доступ поглинання молекул в мікропори та евакуацію адсорбата при регенерації адсорбенту.

Основні типи промислових адсорбентів є змішанопористиміи матеріалами, однак у відповідно з переважаючим в їх структурі розміром пір вони можуть підрозділятися на мікро-, перехідно- і макропористі.

До основних типів промислових адсорбентів відносяться активні вугілля, силікагелі, алюмогелі (Активний оксид алюмінію), цеоліти і іоніти.

Активні вугілля

Активні вугілля характеризуються гидрофобністю (погана сорбіруємость полярних речовин, до яких належить і вода). Ця властивість визначає широке їх використання в практиці рекупераціонної та санітарної очистки газів, що відходять різноманітної вологості.

Для адсорбції газів і парів використовують мікропористі гранульовані активні вугілля. З цією метою промисловість випускає в даний час наступні марки газових і рекупераціонних активних вугіль: АГ-2, СКТ, АР, СКТ-3, АРТ. Вугілля АГ-2 (марок А і Б) та АР (марок АР-А, АР-Б, АР-В) отримують з кам'яновугільного пилу і смоли методом парогазової активації. Вугілля СКТ синтезують з торфу, а вугілля СКТ-3 і АРТ (марок АРТ-1 і АРТ-2) - з торфу і кам'яновугільного пилу методом хімічної активації. Вугілля АГ-2 призначені для адсорбції газів, вугілля СКТ - для уловлювання парів органічних речовин, вугілля АР, СКТ-3 і АРТ-для очищення газів від парів летючих розчинників. Активні вугілля для газоочистки характеризуються об'ємом мікропор в межах 0,24 - 0,48 см³/г при сумарному обсязі пір 0,52 - 1,00 см³/г, гравіметрична щільність їх гранул складає 0,3 - 0,6 г/см³. Теплоємність сухого вугілля - 0,84 кДж/(кг • К), теплопровідність при 30° С-0,17 - 0,28 Вт/( м • К).

Активні вугілля виробляють у вигляді циліндричних гранул діаметром 1-6 мм і довжиною, зазвичай перевершує поперечний розмір гранул, і найчастіше застосовують у вигляді стаціонарного шару, через який фільтрують підлягає очищенню газовий потік. Відповідно до діючих стандартів і технологічним умовам розмір поперечника гранул вугілля може змінюватися в певних межах. У цьому зв'язку в окремих випадках з метою інтенсифікації відповідних процесів гранульовані вугілля перед використанням піддають дробленню і класифікації з виділенням необхідних вузьких фракцій. Істотними недоліками активних вугілля є відносно невисока механічна міцність і горючість.

Значне зацікавлення стосовно до вирішення завдань газоочистки останнім часом викликають такі нетрадиційні вуглецеві адсорбенти, як активні вугілля з полімерних матеріалів, молекулярно-ситові активні вугілля і активовані вуглецеві волокна.

Продукція, з полімерних матеріалів активні вугілля характеризуються розвиненою системою мікропор з діаметром (1-1,5) •10^-9 м, більш регулярною структурою, забезпечує певне поліпшення характеристик міцності, і підвищеною адсорбційною активністю при низьких змістах цільових компонентів у очищчувальнихгазах.

Молекулярно-ситові активні вугілля відрізняються високою однорідністю мікропористої структури та володіють мікропорами ще більш вузьких розмірів [(0,4-0,7) • 10^-9 м], які мають той же порядок, що і розміри молекул. Перспективним напрямком їх використання вважають очистку вологих газів.

Активовані вуглецеві волокна являють собою виготовлені з синтетичних волокон мікропористі адсорбенти з широкою гамою фізичних форм продукції на їх основі (путанка, неткані вироби, повсть, тканина та інші матеріали), що забезпечує розмаїтість апаратурного оформлення відповідних процесів газоочистки. Поряд з високою термохімічної стійкістю і гарними поглинаючими і фільтруючими властивостями волокнисті вуглецеві адсорбенти зважаючи вельми малих діаметрів їх волокон, що становлять (0,6-1,0) • 10^-5 м, характеризуються підвищеними швидкостями адсорбційно - десорбційних процесів. адсорбція силікогель цеоліт

Силікогелі за своєю хімічною природою являють собою гідратовані аморфні кремнеземи, які є реакційноздатними сполуками змінного складу, перетворення яких відбуваються за механізмом поліконденсації.

Поліконденсація веде до формуванню структурної сітки сфероподобних частинок колоїдних розмірів (2 • 10^-9 - 2 • 10^-8 м), що зберігається при висушуванні гідрогелю кремнієвої кислоти і утворює жорсткий кремнекисневий каркас. Зазори між частинками утворюють пористу структуру силікагелю. Для отримання силікагелів в промисловості зазвичай використовують метод осадження аморфного кремнезему з силікатів лужних металів мінеральними кислотами. Випускають силікагель у вигляді кульок, таблеток або шматочків неправильної форми. Розміри їх зерен становлять від 0,1 до 7,0 мм. Адсорбційні та хімічні властивості силікагелів істотно залежать від наявності на їх поверхні груп Si-ОН.

За характером пористої структури силікагелю класифікують на крупно-, середньо- і дрібнопористі, до яких відносять кускові і гранульовані матеріали, що характеризуються середнім радіусом пір, складовим відповідно 5 • 10^-9 , (5-1,5) • 10^-9 і (1,5-1,0) • 10^-9 м. За розміром зерен кускові силікагелі широкого використання ділять на 4 марки (7,0 - 2,7; 3,5-1,5; 2,0-0,25; 0,5-0,2 мм), а гранульовані - на 2 марки (7,0 - 2,7 і 3,5-1,0 мм).

Для їх позначення використовують літерні сполучення:

КСК - великий силікагель великопористий,

КСС - великий силікагель срсднепорістий,

ЧСЧ - невеликий силікагель мілкопористий і т. п.

Середні фракції силікагелів називають шихтою і позначають відповідно як ШСК, ШСС і ШСМ. Гранульований мілкопористий силікагель містить 4-10% Аl₂O₃ в якості добавки, що попереджає розтріскування його гранул.

Обсяг пір силікагелів становить 0,3-1,2 см³/г, їх питома поверхня знаходиться в межах 300-750 м³/г, а гравіметрична щільність укладена в інтервалі 0,4 - 0,9 г/см³. Останній показник може служити непрямою характеристикою пористої структури силікагелів: для дрібнопористих силікагелів він становить 0,7-0,8 г/см³, а для крупнопористих - 0,4 - 0,5 г/см³. Теплоємність силікагелів - 0,92 кДж/(кг-К), теплопровідність при 30° С дорівнює 0,11 кДж/(м • ч • К).

Силікогелі служать для поглинання полярних речовин. Дрібнопористі силикагели використовують для адсорбції легкоконденсіруемих парів і газів, великопористі і частково среднепорістие силикагели служать ефективними поглиначами парів органічних сполук. Висока спорідненість поверхні силікагелів до пар води обумовлює широке їх використання, а якості агентів осушки різноманітних газових середовищ. Силикагели негорючі і характеризуються низькою температурою регенерації (110-200° С) і досить високою механічною міцністю. У той же час вони руйнуються під дією крапельної вологи, що необхідно враховувати при їх використанні в системах газоочистки.

Алюмогель. Основні марки випускаються вітчизняною промисловістю активного оксиду алюмінію являють собою циліндричні гранули діаметром 2,5-5,0 мм і довжиною 3-7 мм, а також кулькові гранули з середнім діаметром 3-4 мм. Питома поверхня Алюмогеля становить 170-220 м² /г, сумарний обсяг пір знаходиться в межах 0,6-1,0 см³/г, середній радіус пір і гравіметрична щільність гранул циліндричної і кульковою форми становлять відповідно (6-10) • 10 -9 і (3-4) • 10^-9 м і 500-700 і 600-900 кг/м³ . На відміну від силікагелів алюмогелі стійки до впливу крапельної вологи. Їх використовують для уловлювання полярних органічних сполук і осушення газів.

Цеоліти представляють собою алюмосилікати, що містять у своєму складі оксиди лужних і лужноземельних металів і характеризуються регулярною структурою пір, розміри яких порівнянні з розмірами молекул, що визначило і іншу їх назву - «молекулярні сита». Кристалічна структура (алюмосилікатний скелет) цеолітів утворена тетраедрами SiO₄ і А1O₄ , їх надлишковий негативний заряд компенсований позитивним зарядом катіонів відповідних металів. Катіони цеолітів в певних умовах їх обробки можуть заміщатися на відповідні катіони контактуючих з ними розчинів, що дозволяє розглядати цеоліти як катіонообмінники. Поглинання речовини відбувається в основному в адсорбційних порожнинах цеолітів, що з'єднуються один з одним вхідними вікнами суворо певних розмірів. Проникати через вікна можуть лише молекули, критичний діаметр яких (діаметр за найменшою осі молекули) менше діаметра вхідного вікна.

Цеоліт отримують синтетичним шляхом і добувають при розробці природних родовищ. Серед багатьох десятків різних синтетичних цеолітів у вирішенні завдань газоочистки в основному використовують вироблені в промислових масштабах цеоліти загального призначення марок NаА, Саа, Сах, мах, що характеризуються діаметром вхідного вікна, складовим у ангстремах (1 Г… = 10^-9 м) відповідно 4, 5, 8 і 9. Перший індекс марки цеоліту характеризує його обмінний катіон. Другий індекс позначає тип кристалічної решітки цеоліту-А або X, причому цеоліти з гратами типу Х характеризуються вхідними вікнами більшого розміру, ніж такі з гратами типу А. Синтетичні цеоліти випускаються промисловістю у вигляді циліндричних і кулястих гранул, діаметр яких зазвичай складає 2-5 мм, вироблених із застосуванням сполучного матеріалу (10-20% глини) або без нього (в останньому випадку механічна міцність гранул вище).

Цеоліти володіють найбільшою адсорбційної здатністю по парам полярних сполук речовин з кратними зв'язками в молекулах.

Цеоліт NаА може адсорбувати більшість компонентів промислових газів, критичний діаметр молекул яких не перевищує 4 • 10^-9 м.

До таких речовин відносяться Н₂S, СS₂, СО₂, NН₃, нижчі дієнові і ацетиленові вуглеводні, етан, етилен, пропилен, органічні сполуки, що містять в молекулі одну метильну групу, а при низьких температурах сорбції також СН₄, Nе, Аr, Кr, Хе, N₂, СО. Пропан і органічні сполуки з числом атомів вуглецю в молекулі більше трьох цим цеолітом НЕ адсорбуються.

Цеоліт Саа характеризується підвищеною стійкістю в слабокислому середовищі, що зумовлює можливість його використання в процесах декарбонізації і сіркоочищення газів. Цей цеоліт здатний адсорбувати вуглеводні і спирти нормальної будови. Цеоліти типу Х адсорбують всі типи вуглеводів, органічні сірчисті, азотисті і кисневі сполуки, галоідозамещенние вуглеводні, пента-і декаборан. При повному заміщенні катіона натрію на катіон кальцію цеоліт Сах на відміну від цеоліту NaХ НЕ адсорбує ароматичні вуглеводні та їх похідні з розгалуженими радикалами.

З природних цеолітів, в тому числі висококремнистих кислотостійких форм відомі кліноптілоліт, морденіт, еріон. Зміст власне цеолітів в деяких родовищах досягає 80-90%, а в окремих випадках перевершує і ці величини. З розроблюваних родовищ природні цеоліти надходять у вигляді освічених зернами неправильної форми фракцій певних розмірів, одержуваних дробленням і подальшої класифікацією відповідних цеолитсодержащих порід. Однак присутність в природних цеолітах різних домішок і супутніх порід, а також труднощі збагачення стримують скільки-небудь значне їх використання для вирішення завдань очищення газів, що відходять у промислових умовах.

Цеоліт, так само, як силикагели і активний оксид алюмінію, характеризуються значною сорбційної здатністю по парах води. Поряд з цим цеоліти відрізняються збереженням досить високої активності по відповідним цільовим компонентам при відносно високих (до 150 - 250° С) температурах. Однак у порівнянні з іншими типами промислових адсорбентів вони мають відносно невеликий обсяг адсорбційних порожнин, внаслідок чого характеризуються порівняно невеликими граничними величинами адсорбції. Гравіметрична щільність синтетичних цеолітів становить 600-900 кг/м³.

Іоніти - високомолекулярні сполуки - поки ще не знайшли широкого застосування для очищення газів, що відходять промисловості. Однак проводяться дослідження з витяганню з газів кислих компонентів (оксидів сірки та азоту, галогенів і т. п.) на аніонітах і лужних - на катионитом.

Література

1. Экология города: Учебник. - К.: Либра, 2000. - 464 с.

2. Экология. Учебное пособие. - М.: Знание, 1997. - 288 с.

3. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: Учебник для вузов. - М.: Химия, 1999. - 472 с.

4. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справ. изд. в 2-х част. : Пер. с англ./ Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М. - М.: Металлургия, 1988. - 1 ч. - 760 с. 2 ч. - 712 с.

5. Практикум по естествознанию и основам экологии: Учебн. пособие. - М.: Академия, 2000. - 124 с.

6. Воронков Н.А. Экология. Общая, социальная, прикладная: Учебник для студентов. Пособие для учителей. - М.: Агар, 1999. - 424 с.

7. Гарин В.М., Кленова И.А. Экология для технических вузов: Учеб. пособие. - Ростов н/Д: Феникс, 2001. - 384 с.

8. Інженерна екологія. Основи техноекології: Навч. посібник / За ред. Б.А. Шелудченко. - Житомир: Волинь, 1999. - 216 с.

Размещено на Allbest.ru