Предельно допустимые концентрации некоторых веществ в воздухе, мг/м3

Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах

Под ПДК природных вод подразумевается концентрация индивидуального вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного вида водопользования. При концентрации вещества равной или меньше ПДК вода так же безвредна для всего живого, как вода, в которой полностью отсутствует данное вещество.

При нормировании качества воды водоемов ПДК устанавливается по лимитирующему признаку вредности (ЛПВ) - признаку вредного действия вещества, который характеризуется наименьшей пороговой концентрацией. Кроме этого ПДК устанавливается по органолептическому и токсикологическому признакам вредности. ПДК устанавливаются для водоемов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения.

В качестве основного показателя опасности загрязнения воды принята концентрация примесей, измеряемая в мг/л. ПДК для некоторых веществ в воде приведена в таблице 2.

Таблица 2

Критерии оценки загрязненности воды по ПДК вредных веществ

Нормирование загрязняющих веществ в почве

Загрязняющие вещества нормируются: 1) в пахотном слое почвы сельскохозяйственных угодий; 2) в почве территорий предприятий; 3) в почвах жилых районов в местах хранения бытовых отходов.

ПДКпочвы - это концентрация химического вещества (мг/кг) в пахотном слое почвы, которая не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы. ПДК некоторых загрязняющих веществ в почве приведены в таблице 3.

Таблица 3

ПДК некоторых загрязняющих веществ в почве

ПДК устанавливается в зависимости от допустимой остаточной концентрации (ДОК) в пищевых, кормовых растениях и в продуктах питания. ДОК- это максимальное количество вещества в продуктах питания, которое, поступая в организм в течение всей жизни, не вызывает никаких нарушений в здоровье людей.

Предельно допустимое количество отходов на территории предприятия - это такое их количество, которое можно разместить при условии, что выделение вредных веществ в воздух не превысит 0,3ПДК этих веществ, установленных для воздуха рабочей зоны.

Содержание ядовитых соединений в отходах определяет класс их опасности.

Кроме перечисленных ПДК, Законом ООПС предусмотрено нормирование предельно допустимых уровней (ПДУ) шума, магнитных полей, радиационного воздействия, применения химикатов в сельском хозяйстве, остаточных количеств химических веществ в продуктах питания и другой продукции.

Экологическое нормирование

Цель санитарных и токсикологических норм - охрана здоровья населения и отдельных популяций живых организмов. Задача же экологического нормирования - обеспечение благополучия экологической системы в целом, в том числе и здоровья человека, т.е. сохранение установившегося в природе равновесия в пределах возможной саморегуляции. Экологические нормативы должны разрабатываться на локальном и региональном уровнях, обеспечивая тем самым экологическое равновесие в глобальном масштабе. При этом вводится понятие ЭДК - экологически допустимая концентрация

ЭДК- это экологически допустимая концентрация вредных веществ в окружающей среде, поступающих от различных антропогенных источников и не нарушающих гомеостатические механизмы саморегуляции экосистем.

На основе ЭДК можно рассчитывать экологически допустимые нагрузки (ЭДН) - это та мера, которая позволит обеспечить баланс экологических и социально-экономических интересов человека. ЭДН по другому называют ПДВВ - предельно допустимое вредное воздействие.

Регламентация выбросов загрязнений в окружающую среду

Предельно допустимый выброс в атмосферу (ПДВ) - это количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени, которое в сумме с выбросами других источников загрязнения не создает приземной концентрации примеси, превышающих ее ПДК.

Сущность введения ПДВ состоит в том, что при существующих методах сокращения отходов производства практически невозможно полностью избежать проникновения вредных веществ в атмосферу. Вместе с тем можно уменьшить их выбросы до установленного предела путем разбавления чистым воздухом. Здесь есть лазейка для так называемой технологии “высоких труб”.

Если ПДК и ПДВ предприятием не могут быть достигнуты, а продукция нужна, то устанавливают временно согласованные выбросы (ВСВ). ВСВ - утвержденный поэтапно снижаемый норматив мощности выброса вредного вещества из действующего источника загрязнения атмосферы, устанавливаемый на уровне выбросов предприятий с наилучшей технологией производства или на уровне предприятий, аналогичных по мощности и технологическим процессам.

Предельно допустимый сброс (ПДС) - это количество вредных веществ в сточных водах, сбрасываемых в единицу времени, которое допустимо к отведению в данном пункте водного объекта с целью обеспечения норм качества воды (ПДК) в контрольном пункте (створе).

Сущность введения ПДС состоит в том, что при существующих методах сокращения отходов производства практически невозможно полностью избежать проникновения вредных веществ в гидросферу. Вместе с тем можно уменьшить их вредное воздействия до установленного предела путем разбавления чистой водой. Здесь есть лазейка для сброса ненормативно очищенных вод, которые путем разбавления в водном объекте в контрольном створе будут иметь содержание вредного компонента на уровне ПДК.

Глава 2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Лекции 5. Основные понятия и законы природоохранных технологий

«Процессы и аппараты защиты окружающей среды» - дисциплина, изучающая закономерности, обуславливающие изменение состояния физических и химических компонентов в процессе устранения их действия на окружающую среду, базируется на закономерностях фундаментальных наук - физики, химии, биологии и др. В основе же науки о технологических процессах лежат основные законы природы - закон сохранения энергии и закон сохранения массы. Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы защиты окружающей среды.

В этой лекции рассмотрим два вида переноса, движущую силу процесса, закономерности переноса массы и энергии, классификацию основных процессов и принципы оптимизации технологических процессов.

Два вида переноса

Изучение многих технологических процессов позволило выявить общее, характерное для всех производств. Этим общим является наличие одного из двух видов переноса на каждой стадии переработки вещества или энергии. Это перенос энергии или перенос массы.

Возьмем какой-либо аппарат, в котором осуществляется технологический процесс (рис. 9).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. К уравнению материального баланса

В аппарат подаются загрязняющие вещества в количестве МА и МВ и реагенты в количестве МС, а из аппарата выходят очищенные вода, воздух или почва в количестве МD и малоактивные отходы производства МЕ, которые можно в последствие использовать или же захоронить. Воспользовавшись законом сохранения массы, получим

МА + МВ + МС = МD + МЕ или УМвх = У Мвых (2)

Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения (2) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних компонентов, входящих в аппарат в другие.

Для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию (рис.10), уравнение материального баланса принимает форму неразрывности потока

w1S1 = w2S2 = w3S3, (3)

где w1 w2 w3 - средние скорости движения жидкости в соответствующем сечении; S1 S2 , S3 -площади живого сечения в плоскостях 1-1; 2-2; 3-3. Живое сечение - это сечение, заполненное жидкостью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. К уравнению неразрывности потока

Каждый компонент, входящий в аппарат и выходящий из него, вносит или выносит определенное количество энергии. Это теплота материалов, нагретых до определенной температуры (внутренняя энергия или энтальпия) ЕА, ЕВ, ЕD, EF; а также кинетическая энергия движущихся потоков ЕС. Наконец, это любой вид энергии, сообщаемой потокам в аппарате для осуществления необходимых преобразований Епр и необратимые потери энергии, которые возникают в результате протекания процессов, например, потери теплоты в окружающую среду Епот и потери на трение при прохождении потоков через аппарат Етр (рис. 11).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. К уравнению энергетического баланса

Закон сохранения энергии в этом случае выразится следующим уравнением:

ЕА+ ЕВ+ ЕС + Епр = ЕD+ EF + Епот + Етр или УЕвх = У Евых (4)

Уравнение (3) получило название энергетического или теплового баланса аппарата. Наиболее часто технологические процессы сопровождаются переносом тепловой энергии или кинетической энергии - количества движения.

Движущая сила процесса

Всякий перенос вещества или энергии не совершается сам по себе. Причиной переноса является наличие в системе неравновесия или градиента. Например, точечный источник теплоты образует вокруг себя температурное поле. Полем будем называть совокупность значений какой-либо величины в каждой точке рассматриваемого пространства. При этом температура в пространстве зависит от положения точки и от времени:

T = f (x, y, z, ф) (5)

Рассмотрим этот точечный источник теплоты q в плоском сечении пространства без изменения температуры по времени (рис. 12). Легко представить вокруг этого источника некоторые криволинейные поверхности, вдоль которых температура остается постоянной. Пусть на поверхности А поддерживается температура Т = const, а на поверхности В - температура на ДТ выше: Т+ДТ=const

В этом случае возникнет определенное движение, например тепловое из точки с более высокой температурой в точку с меньшей температурой. Таким образом, движущая сила процесса в данном случае является разность температур. Также движущей силой может служить разность концентраций, разность электрических или химических потенциалов.

Скорость изменения температуры от поверхности А к поверхности В можно охарактеризовать отношением ДТ к отрезку, на котором оно достигнуто (Дn). Если рассмотреть предел этого отношения ДТ/ Дn, при n 0, то получим

выражение называемое градиентом. Градиент - векторная величина. Он показывает, что температура увеличивается в направлении к источнику, т.е. навстречу потоку теплоты. Таким образом, градиент какой-то величины в технологическом процессе и есть его движущая сила.

lim (ДТ/Дn) = (рТ/рn) n = grad Т (6)

n 0

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Схема температурного поля

Закономерности переноса массы и энергии

Экономическая эффективность любого производства в значительной степени зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление этому действию:

L = Д/R , (7)

где L - скорость протекания процесса, R - сопротивление переносу, Д - движущая сила.

Это выражение носит название основного кинетического уравнения. Зная движущую силу можно получить основное уравнение для любого процесса.

Для процесса теплопередачи:

q= k ДТ , (8)

где q - скорость переноса теплоты, удельный тепловой поток, Дж/(м2.с); k - коэффициент теплопередачи, Дж/(м2.К.с); ДТ - движущая сила, т.е. средняя разность температур, К (или оС).

Вместе с тем тепловой поток - это количество теплоты, переносимое через единицу поверхности в единицу времени:

q= Q/ F ф, (9)

где Q - количество теплоты, Дж; F - площадь поверхности, через которую передается теплота, м2; ф - время, с.

Для процесса массопередачи удельный поток массы [кг/(м2.с)] равен:

m= Km ДC или m= М/ F. ф, (10)

где Km - коэффициент массопередачи, размерность которого зависит от размерности концентрации, например, кг/[м2.(кг/м3)с] либо м/с; ДC - движущая сила - средняя разность концентраций, кг/м3; М - количество переносимого вещества, кг.

Для гидродинамических процессов, например, для фильтрации, кинетическое уравнение примет следующий вид (уравнение фильтрования Дарси):

V/ F. ф = v = K Дp, (11)

где V - объем получаемого фильтрата, м3; F - площадь, через которую осуществляется фильтрование, м2; ф - время, с; v - скорость фильтрования, м3/м2.с или м/с; К - коэффициент, характеризующий проводимость фильтрующей перегородки, м3/(м2.с.Па) или м2.с/кг; Дp - разность давлений, Па.

Классификация основных процессов

Все процессы делятся по движущей силе и типу переноса. Пример такого разделения приведен в таблице 4.

Таблица 4

Классификация основных процессов пищевых технологий

Принципы оптимизации технологических процессов

Технологический процесс может осуществляться при различных параметрах. При этом затраты энергии, скорость процесса, а, следовательно, выход продукции, затраты живого труда, материалов и т.д. будут различными. Совершенствование производства направлено на поиск таких режимов, при которых затраты были бы наименьшими, а природоохранный эффект - наибольший. Такой поиск называется оптимизацией, а режим работы аппарата в наилучших условиях - оптимальным. Для оценки эффективности процесса на основании экспериментальных и теоретических исследований выводится критерий оптимизации, куда входят параметры, противоположно влияющие на процесс. Оптимизация при этом будет означать поиск компромисса между этими параметрами.

Первый принцип оптимизации формулируется следующим образом: «оптимально организованный процесс» - это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый процесс.

Второй принцип - оптимальным является противоточное движение взаимодействующих веществ.

Третий принцип - процесс тем лучше, чем выше турбулизация потоков и скорость их движения.

Четвертый принцип - оптимизация процессов предполагает максимальную утилизацию теплоты.

Пятый принцип - оптимизация процессов тесно связана с созданием замкнутых малоотходных энергосберегающих технологий, с полной утилизацией энергии и отходов.

Лекция 6. Теплообменные и массообменные процессы

Теплообменные процессы

При очистке сточных вод (в особенности при тепловом загрязнении) и отходящих газов существенное место занимает тепловая обработка, в результате которой изменяется состояние водной или воздушной среды, загрязняющие вещества могут окисляться или переходить в более стабильное и менее опасное для окружающей среды состояние. Кроме этого ускоряются химические и биохимические процессы, происходящие при очистке воздуха, вод и почвы. К тепловым процессам относятся: тепловая обработка, разогрев или охлаждение среды, сушка, сорбция и десорбция газов жидкостями (сатурация), растворение твердых веществ и кристаллизация, выпаривание и конденсация.

Известно три способа переноса теплоты: за счет теплопроводности, конвекции и радиации.

Теплопроводностью называется перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа. Количество переносимой теплоты при этом способе описывается законом теплопроводности Фурье: количество теплоты dQ, переносимое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный к тепловому потоку, за время dф прямо пропорционально температурному градиенту рt/рn, площади поверхности dF и времени dф:

dQ = - л (рt/рn)dFdф, (12)

Тепловой поток по закону Фурье

q= dQ/ dFdф = - л (рt/рn) (13)

Знак минус в уравнениях (12) и (13) показывает, что теплота переносится в сторону убывания температуры. Коэффициент л в уравнении Фурье называется коэффициентом теплопроводности, имеющий размерность [Дж/м.К.с].

Коэффициентом теплопроводности показывает, какое количество теплоты переносится за счет теплопроводности за одну секунду при разности температур один градус на расстоянии в единицу длины нормали к изотерме поверхности.

Теплопроводность зависит от физической природы тела, его структуры, температуры и давления. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, наименьшей - газы.

Если написать уравнение теплопроводности по трем направлениям x, y, z для элементарного параллелепипеда с ребрами dx, dy, dz и сложить переносимые количества теплоты, то получим следующее выражение:

dQ= л(р2t/рx2 + р2t/рy2 + р2t/рz2) dx dy dz dф (14)

Эта теплота изменила энтальпию параллелепипеда на следующую величину:

dQ= Cp dx dy dz (рt/рф) dф (15)

где Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Приравняв правые части уравнений (14) и (15), получим дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье (второй закон Фурье):

рt/рф= л/Ср (р2t/рx2 + р2t/рy2 + р2t/рz2) (16)

Множитель л/Ср называется коэффициентом температуропроводности, обозначается буквой б и характеризует тепловую инерцию тела. Размерность этого коэффициента [м2/с]. Она совпадает с размерностью кинематической вязкости, но никак не связана с его физическим смыслом.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье можно переписать в следующем виде:

рt/рф = б 2t , (17)

где (р2t/рx2 + р2t/рy2 + р2t/рz2) = б 2t - оператор Лапласа.

Конвекция

Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в жидкости (газе) от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. Как уже говорилось в неподвижной жидкости или газе теплота переносится за счет теплопроводности. В движущейся жидкости появляется еще один механизм переноса теплоты за счет перемешивания. Нагретые частицы жидкости, попадая в окружение холодных частиц, отдают им свою теплоту. Скорость переноса теплоты при этом тем выше, чем интенсивнее перемешивание, т.е. чем выше степень турбулизации потока теплоносителя. Следовательно, конвекционный теплообмен включает в себя оба механизма переноса теплоты, а их вклад зависит от гидродинамических характеристик движения жидкости.

Теория гидравлического трения предполагает, что в пристеночной области формируется ламинарный слой, толщина которого определяет характер взаимодействия основного потока со стенкой. Этот слой будет влиять и на характер теплоотдачи от стенки жидкости и наоборот. В ядре потока, где жидкость движется в турбулентном режиме, преобладает перенос теплоты за счет перемешивания. В ламинарном пристеночном слое перемешивание отсутствует, поэтому теплота через этот слой переносится за счет теплопроводности, а интенсивность этого процесса определяется толщиной ламинарного слоя. Последняя, зависит от физических свойств жидкости, входящих в критерий Прандтля:

Pr = мсC/ л, (18)

где м - вязкость жидкости, с - плотность ее, С - удельная теплоемкость, л - удельная теплопроводность жидкости.

Критерий Прандтля имеет и другое написание:

Pr = v/ б , (19)

где v - кинематическая вязкость жидкости, б - коэффициент температуропроводности.

Толщина гидравлического ламинарного слоя, определяющего гидравлическое трение, совпадает с толщиной слоя, определяющего теплоотдачу только в случае, если Pr = 1. Обычно для жидкости он больше единицы, а для газов меньше или равен единице.

Количество теплоты, отдаваемое стенкой жидкости, рассчитывают по закону теплоотдачи Ньютона: количество теплоты dQ, отдаваемое за время dф поверхностью стенки dF, имеющей температуру tст, жидкости температурой tж, прямо пропорционально dF и разности температур tст - tж:

dQ= a dF (tст - tж), (20)

где а - коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты передается 1 м2 поверхности стенки жидкости (или от жидкости к стенке) в течение 1 с при разности температур между стенкой и жидкостью 1о. Он имеет размерность [Дж/м2.К.с].

Коэффициент теплоотдачи зависит от факторов, определяющих процесс переноса в пристеночном слое. Это физические свойства жидкости - теплопроводность, удельная теплоемкость, коэффициент объемного расширения, а также геометрические характеристики стенки.

Радиация или тепловое излучение

Перенос теплоты излучением (радиация) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых в настоящее время ограничено из-за довольно высокой энергоемкости. Сюда же можно отнести и микроволновые печи, используемые в быту. Об этом переносе теплоты вам расскажут в курсе «Общая технология отрасли».

Если на поверхность тела попадает лучистая энергия в количестве Q, то в общем случае телом поглощается с превращением в тепловую только часть ее QА; часть лучистой энергии QR отражается от поверхности тела, а часть QD проходит сквозь тело. Очевидно, что

Q = QА + QR + QD (21)

Первое слагаемое правой части равенства (21) характеризует поглотительную способность тела, второе - отражательную, третье - пропускающую. Если первое слагаемое гораздо больше других, то такое тело называется абсолютно черным, если это можно сказать о втором слагаемом, то - тело абсолютно белое, а если о третьем, то тело абсолютно прозрачное. О продуктах питания такое сказать нельзя. Каждое тело обладает своей лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью. Эта характеристика (Е) в общем случае выражается формулой:

Е = Q/F (22)

Продифференцировав это выражение по длине волны, а затем, проинтегрировав его с учетом выражения Планка для различных длин волн, получим зависимость лучеиспускательной способности тела от температуры, которое получило название закона Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела:

Е = ko T4 , (23)

где ko - константа излучения абсолютно черного тела.

Но в жизни тела бывают в большей части серыми. Поэтому в выражение (23) была внесена поправка Э, названная степенью черноты тела, а закон Стефана-Больцмана принял вид:

Е = Э Со (Т/100)4 , (24)

где Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Соотношение же между лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью тела определяется законом Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности тел к их поглотительной для всех тел одинаково, равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре и зависит только от температуры.

Теплоносители и их свойства

Самый распространенный теплоноситель - насыщенный водяной пар. Он обладает высокой аккумулирующей способностью теплоты и высокими коэффициентами теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температурах 180-190оС и давлении 12.105 Па.

Чистая вода тоже широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды следует отнести доступность и дешевизну, сравнительно высокие значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам относятся сравнительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

Топочные газы широко используются в системах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000-1100оС, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло.

Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) - один из распространенных теплоносителей для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой температуре (до 800оС).

В качестве теплоносителей используют также ВОТ (высокотемпературные органические теплоносители), например дифенильная смесь (Даутерм А), а также расплавы металлов (литий, натрий, калий, их смеси и др.

Теплоотдача при конденсации пара

Теплоотдача возникает при контакте пара с охлажденной поверхностью. При этом на поверхности образуются капельки жидкости - конденсата. Если этот процесс продолжается, то капельки заполняют всю поверхность конденсации и сливаются в сплошную пленку. В дальнейшем пар конденсируется на поверхности пленки, которая представляет собой дополнительное термическое сопротивление в процессе теплоотдачи от пара к стенке. Так как при этом термическое сопротивление в паровой фазе ничтожно мало, скорость передачи теплоты зависит от толщины и свойств этой пленки. Формула для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара, рассчитанная путем преобразования критериальных уравнений теплоотдачи, представляет следующее выражение:

__________

а= А 4v л3с2gr/мLДtпк, (25)

где А - коэффициент, связанный с ориентацией поверхности: для вертикальных поверхностей А=0,94, для горизонтальный - А=0,72; л, с, м - коэффициенты теплопроводности, вязкости и плотности конденсата; L - высота поверхности по которой стекает конденсат, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; Дtпк- разность температуры пара и пленки, К.

Использование уравнения (25) для расчета «а» на практике связано с трудностями определения перепада температур на пленке, поэтому эту величину определяют методом последовательных приближений от произвольно выбранного начального значения или определяется путем экспериментов.

Теплопередача при кипении жидкостей

Кипением называется процесс испарения жидкости, при котором пар образуется в виде пузырьков в определенных местах (центрах) поверхности нагрева либо в виде сплошной пленки. Первый вид парообразования называется пузырьковым или ядерным, второй - пленочным.

Теплоотдача при кипении жидкостей относится к числу особенно сложных процессов, поэтому до последнего времени никому из исследователей не удалось еще сделать теоретических обобщений, позволяющих надежно вычислять коэффициенты теплоотдачи для этого случая. На основании же опытных данных С.С.Кутателадзе предложил формулу для определения этого коэффициента при пузырьковом кипении:

а= 7.10-4 л [g(сж - сп)/у]0,5 [pq/g(сж - сп)r сп v]0,7 (v/б)0,35 , (26)

где сж , сп - плотности жидкости и пара, кг/м3; р - давление над поверхностью пара, Па; у - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; v - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; б - коэффициент температуропроводности, м2/с; q - тепловой поток, Дж/м2.с; r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Часто этим уравнением (26) невозможно пользоваться из-за отсутствия необходимых данных при температурах кипения. Поэтому для расчетов применяют найденные опытным путем зависимости для различных жидкостей вида:

а= А1рn qm, (27)

где А1, n, m - константы, которые находят по справочникам, р - давление, q - плотность теплового потока.

Процессы выпаривания

Выпаривание - процесс концентрирования растворенных нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Превращение же жидкости с ее свободной поверхности в пар называется испарением.

Образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. Такая последовательная передача вторичного пара из одного аппарата в другой значительно увеличивает коэффициент полезного действия системы аппаратов. Такую последовательность аппаратов можно использовать при выпаривании сточных вод с высоким содержанием соли, которую невозможно выделить реагентным путем. Например, выпаривание применяется для обессоливания морских вод и получения пресной воды, а также для извлечения солей натрия или калия, хлоридов.

На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства. Количество теплоты, необходимое для выпаривания:

Q = m r, (28)

где m - масса выпаренного растворителя, кг; r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как r = f (p). При этом она тем выше, чем ниже давление. Поэтому в промышленности широко используется выпаривание под вакуумом (рис. 13).

Рис. 13. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией растворов

1 - сепаратор; 2 - паровое пространство над жидкостью; 3 - циркуляционная труба большого диаметра; 4 - межтрубное пространство; 5 - патрубок нагревательной камеры; 6 - нагревательные трубы малого диаметра; 7 - патрубок для вывода раствора; 8 - нагревательная камера; 9 - патрубок для вывода некондицируемых газов; 10 - патрубок для подачи растворов в аппарат.

Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, - это, прежде всего теплообменный аппарат (рис. 13). За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденсируемые газы - через патрубок 9. Очищаемый раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образовавшийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 - устройство, расположенное в верхней части аппарата. Для увеличения интенсивности выпаривания следует увеличить скорость движения жидкости по трубам. Поэтому устанавливают нагревательные трубы малого диаметра 6, а в центре циркуляционную трубу большого диаметра 3. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой. Кроме этого существуют выпарные аппараты однокорпусные, многокорпусные и т.д.

Массообменные процессы

Основы массопередачи

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы), называются массообменными. К массообменным процессам относятся: абсорбция, адсорбция, ионный обмен, перегонка и ректификация, растворение и кристаллизиция, сушка, экстрагирование и экстракция, мембранные процессы.

Движущей силой массобменных процессов является разность концентраций. При растворении вещества в воде оно переходит из твердой фазы в жидкую. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переходит из жидкой или газовой фазы в твердую. При разбавлении растворов происходит переход вещества из одной жидкой фазы в другую.

Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз. Переход вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называется массопередачей. Значит, в основе наших представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Массоперенос начинается, если концентрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной. Достижение равновесия системы подчиняется принципу Ле-Шателье: реакция системы против внешнего воздействия направлена на уменьшение этого воздействия. При этом, скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между его фактической концентрацией в данной фазе и равновесной концентрацией. Это и есть истинная движущая сила этого процесса.

Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, которое гласит: для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно числу компонентов К минус число фаз Ф, плюс два:

С = К - Ф + 2 (29)

Число степеней свободы - это число независимых переменных (температура, давление и концентрация вещества в фазах). Если однокомпонентная система состоит из двух фаз находящихся в равновесии, число степеней свободы в этом случае равно 1. Это значит, что для нее произвольно выбирать можно только один параметр, с помощью которого эту систему можно будет вывести из равновесия и начать технологический процесс. Например, для однокомпонентной системы вода-пар от изменения давления изменяются количество воды, обращенной в пар и температура смеси.

Основной закон массопередачи можно сформулировать, исходя из общих кинетических закономерностей физико-химических процессов: скорость процесса равна движущей силе, деленной на сопротивление:

d2M/dFdф = ДC/R, (30)

где dM - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, dF - площадь поверхности фазового контакта; dф - продолжительность процесса; ДC - движущая сила массообменного процесса; R - сопротивление массопереносу.

Заменив сопротивление R в уравнении (30) на коэффициент массопередачи

kм = 1/R и проинтегрировав его по времени получим для установившихся процессов основное уравнение массопередачи:

М = kм ДC F (31)

Основные законы массопередачи

В процессах переноса распределяемого вещества из одной фазы в другую надлежит различать два случая: 1)перенос из потока жидкости в поток жидкости; 2)перенос из твердого тела в поток жидкости или в обратном направлении. Элементарными законами, которым подчиняется этот перенос, являются законы молекулярной диффузии, закон массоотдачи и закон массопроводности.

Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика). Молекулярная диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического движения молекул, не связанного с движением потока жидкости. Благодаря этому осуществляется перенос вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, который подчиняется первому закону Фика: количество диффундирующего вещества пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной к направлению диффузного потока, через которую осуществляется перенос и времени:

d2M= - D (рC/рx) dFdф, (32)

где D - коэффициент диффузии; рC/рx - градиент концентрации в направлении диффузии; dF - площадь поверхности, через которую диффундирует вещество; dф - продолжительность диффузии.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества переходит через поверхность в 1 м2 за 1 с при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.

Знак минус в уравнении (32) показывает, что перенос вещества осуществляется навстречу градиенту концентраций. Размерность коэффициента диффузии зависит от размерности концентрации, но в системе СИ она имеет следующий вид [м2/с]. Эти коэффициенты измеряются опытным путем, и для большинства веществ эти данные приводятся в справочной литературе.

Заметим, что первый закон Фика является аналогом закона теплопроводности Фурье, а явления переноса теплоты и массы во многом схожи. Это обстоятельство и аналогичность в описании других законов тепло- и массопереноса используются при расчетах массопередачи.

Второй закон Фика - дифференциальное уравнение молекулярной диффузии. Аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности Фурье дифференциальное уравнение молекулярной диффузии имеет следующий вид:

рC/рф = D(р2C/р2x + р2C/р2y+ р2C/р2z) или рC/рф = D 2 С (33)

Закон массоотдачи Щукарева. Этот закон является аналогом закона теплоотдачи (закона охлаждения) твердого тела Ньютона. Он был сформулирован русским ученым А.Н.Щукаревым при изучении кинетики растворения твердых тел: Количества вещества, переносимого из одной фазы в другую, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности фазового контакта и времени:

d2M= в (Cr - Сf) dFdф, (34)

где Cr и Сf - концентрации вещества у поверхности раздела и в ядре потока воспринимающей фазы; в - коэффициент массоотдачи, имеющий размерность м/с.

Коэффициент массоотдачи показывает, какое количества вещества переносится из одной фазы в другую через 1 м2 поверхности фазового контакта за 1 с, если разность концентраций на границе раздела фаз и в ядре потока равна единице.

Для установившихся процессов и неизменности коэффициента теплоотдачи закон Щукарева принимает форму:

M= в (Cr - Сf) F (35)

Закон массопроводности. Массопередача в система с твердой фазой представляет особо сложный процесс. В нем, кроме массопередачи от поверхности раздела фаз в поток жидкости, имеет место и перемещение вещества в твердой фазе - массопроводность. К указанным процессам можно отнести процессы адсорбции, сушки и выщелачивания (извлечение вещества растворителем из пор твердого тела). Закон массопроводности заключается в следующем: количество вещества, переместившегося в твердой фазе за счет массопроводности, пропорционально градиенту концентраций, площади перпендикулярной направлению потока вещества, и времени: