Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Аппаратурное оформление процессов защиты атмосферы от газовых выбросов

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 646429.02.99
Рассмотрены основы процессов и аппаратов технологии защиты атмосферы от выбросов вредных газов и паров с использованием массообменных процессов очистки газовых выбросов путем абсорбции и адсорбции. Приведены основы расчета и проектирования процессов и аппаратов (абсорберов и адсорберов) для защиты атмосферы от вредных газов и паров. Для студентов, обучающихся на уровне бакалавриата по направлениям подготовки 05.03.06 - Экология и природопользование, 18.03.02 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, 20.03.01 - Техносферная безопасность. Может быть использовано при изучении дисциплин «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности» других направлений подготовки, при подготовке магистров, аспирантов, а также преподавателями вузов и специалистами проектных организаций.
Ветошкин, А. Г. Аппаратурное оформление процессов защиты атмосферы от газовых выбросов : учебное пособие / А. Г. Ветошкин. — 2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 248 с. : ил., табл. - ISBN 978-5-9729-0510-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1167694 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

А. Г. Ветошкин








                АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАЩИТЫ АТМОСФЕРЫ ОТ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ





2-е издание, исправленное и дополненное




Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 20.03.01 «Техносферная безопасность»












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 628.5
ББК 20.1
     В39




Рецензенты:
кафедра инженерной экологии Пензенского государственного университета архитектуры и строительства
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Демьянова В. С.);
д-р техн. наук, профессор Таранцева К. Р.
          (Пензенский государственный технологический университет)






        Ветошкин, А. Г.
В39 Аппаратурное оформление процессов защиты атмосферы от газовых выбросов : учебное пособие / А. Г. Ветошкин. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 248 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0510-2

     Рассмотрены основы процессов и аппаратов технологии защиты атмосферы от выбросов вредных газов и паров с использованием массообменных процессов очистки газовых выбросов путем абсорбции и адсорбции.
     Приведены основы расчета и проектирования процессов и аппаратов (абсорберов и адсорберов) для защиты атмосферы от вредных газов и паров.
     Для студентов, обучающихся на уровне бакалавриата по направлениям подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование», 18.03.02 «Энерго-и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 20.03.01 «Техносферная безопасность».
     Может быть использовано при изучении дисциплин «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности» других направлений подготовки при подготовке магистров и аспирантов, а также преподавателями вузов и специалистами проектных организаций.
УДК 628.5
ББК 20.1



ISBN 978-5-9729-0510-2

  © А. Г. Ветошкин, 2020
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

        ПРЕДИСЛОВИЕ


        Учебное пособие по проектированию «Аппаратурное оформление процессов защиты атмосферы от газовых выбросов» является составной частью курса «Инженерная защита атмосферы от газовых выбросов». Его место в профессиональной подготовке бакалавра по инженерной защите окружающей среды связано с изучением и усвоением практической базы техники и технологии защиты одного из компонентов окружающей среды - атмосферы.
        Большую роль при изучении курса дисциплины играют практические занятия, на которых студенты овладевают навыками расчета аппаратов и установок, а также с помощью схем и чертежей изучают устройство и принцип их действия.
        Предметом курсового проекта являются технологические процессы и аппараты для обезвреживания газовых выбросов, расчеты и проектирование реализующего их оборудования и технических средств.
        Выполнение курсового проекта необходимо для более глубокого практического усвоения специального курса «Инженерная защита атмосферы от газовых выбросов», других дисциплин бакалавриата и выполнения выпускной квалификационной работы.
        Для выполнения данного курсового проекта необходимо знание следующих дисциплин:
        высшая математика, информатика, физика, химия, экология, начертательная геометрия, инженерная графика, теоретические основы защиты окружающей среды, механика, гидрогазодинамика, теплофизика, материаловедение и технология конструкционных материалов.
         Основные результаты выполнения курсового проекта могут быть использованы в дальнейшем при изучении следующих дисциплин:
        промышленная экология; инвентаризация и нормирование выбросов загрязняющих веществ, инженерные методы защиты атмосферы, экономика природопользования и природоохранной деятельности, экономические аспекты охраны окружающей среды, защита окружающей среды при чрезвычайных ситуациях, природопользование.
        Компетенции обучающегося в соответствии с ФГОС ВО 3+ по направлениям подготовки 05.03.06, 18.03.02, 20.03.01, формируемые в результате освоения курса «Инженерная защита атмосферы от газовых выбросов»:
        - профессиональные компетенции (ПК):
        способностью ориентироваться в основных методах и системах обеспечения техно-сферной безопасности, обоснованно выбирать известные устройства, системы и методы защиты человека и окружающей среды от опасностей;
        способностью участвовать в совершенствовании технологических процессов с позиций энерго- и ресурсосбережения, минимизации воздействия на окружающую среду;
        готовностью обосновывать конкретные технические решения при разработке технологических процессов; выбирать технические средства и технологии, направленные на минимизацию антропогенного воздействия на окружающую среду;
        способностью проектировать отдельные узлы (аппараты) с использованием автоматизированных прикладных систем;
        - профессионально-прикладные компетенции (ППК):
        способностью ориентироваться в основных методах, системах и средствах обеспечения техносферной безопасности;
        способностью обоснованно выбирать известные средства и системы защиты человека и

3

Ветошкин А.Г. Аппаратурное оформление процессов защиты атмосферы от газовых выбросов

   окружающей среды от опасностей;
        владением знаниями теоретических основ экологического мониторинга, экологической экспертизы, экологического менеджмента и аудита, нормирования и снижения загрязнения окружающей среды, основ техногенных систем и экологического риска, проводить мероприятия и мониторинг по защите окружающей среды от вредных воздействий; осуществлять производственный экологический контроль;
        владением навыками эксплуатация очистных установок, очистных сооружений и полигонов и других производственных комплексов в области охраны окружающей среды и снижения уровня негативного воздействия хозяйственной деятельности.
        По своей структуре курсовой проект состоит из следующих разделов: Введение.
            1 Область применения процесса очистки газовых выбросов.
            2. Описание заданного процесса и технологии очистки газов.
            3. Теоретические основы процесса очистки газовых выбросов.
            4. Методы расчета аппарата и технологической установки.
            5. Результаты расчета аппарата и установки.
            Выводы по итогам курсового проекта.
            Список использованной литературы.
            Приложение.
            Примечание: схемы, рисунки, графики, таблицы (по тексту и в приложении).
        Такое деление позволяет более четко выделить предмет изучения и методологию выполнения курсового проекта.
        Содержание учебного пособия соответствует федеральным государственным образовательным стандартам высшего образования (ФГОС ВО 3+) и примерным основным образовательным программам высшего образования на уровне бакалавриата по направлениям подготовки 05.03.06 - Экология и природопользование, 18.03.02 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, 20.03.01 - Техносферная безопасность.
        Данное учебное пособие является 2-м исправленным и дополненным изданием учебного пособия по проектированию: «Защита атмосферы от газовых выбросов» (автор Ветошкин А.Г. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005).
        Учебное пособие может быть использовано преподавателями вузов при проведении учебных занятий, студентами при изучении теоретического курса инженерной экологии, подготовке к практическим занятиям, выполнении курсовых проектов, выпускных квалификационных работ, а также при подготовке магистров и аспирантов для углубленного изучения теории и практики технологических процессов инженерной экологии.
        Содержание учебного пособия составлено на основе опыта проведения лекционных и практических занятий по дисциплине «Техника защиты окружающей среды» на кафедре «Техносферная безопасность» Пензенского государственного университета, на кафедре «Инженерная экология» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства и кафедры «Биотехнология и техносферная безопасность» Пензенского государственного технологического университета.

4

        ВВЕДЕНИЕ


        На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушной среды.
        В настоящее время используются различные методы улавливания и обезвреживания паро- и газообразных веществ из воздуха. На практике применяют следующие способы очистки газа: абсорбционный, адсорбционный, каталитический, термический и др.
        Методики расчета аппаратов для физико-химической очистки газов базируются на закономерностях тепло- и массообмена. При этом используются элементы теории подобия диффузионных процессов [1-4].
        Цель настоящего учебного пособия - систематизировать сведения по массообменным процессам инженерной экологии, методические подходы к расчету оборудования по абсорбции и адсорбции вредных примесей из вентиляционных выбросов. Приводятся необходимые сведения по устройству, работе типового оборудования, а также справочные материалы.
        Изложение материала сопровождается примерами расчета, которые облегчают усвоение теоретических вопросов.

5

        Глава 1. Абсорбция газовых примесей

        Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем соприкасающейся с ней конденсированной фазы. При абсорбции происходит избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидкими поглотителями.
        Обратный процесс, т. е. удаление из объема конденсированного вещества поглощенных молекул газа, называется дегазацией или де(аб)сорбцией.
        Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем (поглотителем или абсорбентом), вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, т.е. поглощаемый компонент, называют абсорбтивом, поглощаемое вещество в объеме поглотителя -абсорбат ом.
        Абсорбат удерживаются в абсорбенте, равномерно распределяясь среди его молекул, вследствие растворения или химической реакции.
        Процесс, завершающийся растворением абсорбата в поглотителе, называют физической абсорбцией (в дальнейшем - абсорбция). При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, при этом молекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между собой в химическое взаимодействие.
   Иногда растворяющийся газ вступает в химическую реакцию непосредственно с самим растворителем. Процесс, сопровождающийся химической реакцией между поглощаемым компонентом и абсорбентом, называют химической абсорбцией (в дальнейшем - хемосорбция). При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.
        При физической абсорбции обычно используют в качестве абсорбента воду, а также органические растворители и неорганические, не реагирующие с извлекаемыми компонентами и их водными растворами.
        При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей, органические вещества и водные суспензии различных веществ.
        Абсорбция представляет процесс химической технологии, включающей массоперенос между газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в аппарате для контактирования газа с жидкостью. Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберы.
        Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Если изменяются условия, например, происходит понижение давления над жидкостью или снижается температура, процесс становится обратимым и происходит выделение газа из жидкости. Таким образом, может быть осуществлен циклический процесс абсорбции-десорбции. Это позволяет выделить поглощенный компонент. Сочетая абсорбцию с десорбцией, можно многократно использовать почти без потерь жидкий поглотитель (абсорбент) в замкнутом контуре аппаратов: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговой процесс), выделяя поглощенный компонент в чистом виде.
        Абсорбция — наиболее распространенный процесс очистки газовых смесей во многих отраслях, например, в химической промышленности. Абсорбцию широко применяют для очистки выбросов от сероводорода, других сернистых соединений, паров соляной, серной кислот, цианистых соединений, органических веществ (фенола, формальдегида и др.).

6

ГЛАВА 1. Абсорбция газовых примесей

        Для более полного извлечения компонента из газовой смеси при физической абсорбции необходимо использовать принцип противотока с непрерывной подачей в абсорбер свежего

   раствора.

     Схема абсорбционной установки приведена на рис. 1.
Очищенный газ

Рис. 1. Схема абсорбционной установки:
1 - вентилятор (газодувка); 2 - абсорбер; 3 - брызгоотбойник; 4, 6 - оросители; 5 - холодильник;
7 - десорбер; 8 - куб десорбера; 9, 13 - ёмкость для абсорбента; 10, 12 - насосы;
11 - теплообменник-рекуператор

        Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или тарелки). Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Очищенный газ, пройдя брызгооотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7, после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно охлаждается в холодильнике 5.
        Абсорбционная система может быть простой, в которой жидкость применяется только один раз и удаляется из системы без отделения абсорбированного загрязнения. В другом варианте загрязнение отделяют от абсорбирующей жидкости, выделяя её в чистом виде. Затем абсорбент вновь подают на стадию абсорбции, снова регенерируют и возвращают в систему.


7

        Глава 2, Способы выражения составов смесей

        Содержание компонентов и другие характеристики реальной смеси могут быть оценены лишь с некоторой степенью приближения,
        Гомогенную газовую смесь представляют в виде смеси идеальных газов, считая возможным применять к ней и к каждому ее компоненту законы идеальных газов,
        Для расчетов процессов, связанных с изменением давления в системе, состав смеси обычно задают в единицах давления,
        Согласно закону Дальтона давление газовой смеси P можно подсчитать, складывая парциальные давления ее компонентов:

P = N Z Pi,
i -1

        Парциальным давлением i -го компонента называют давление, которое он производил бы при температуре смеси и в том же количестве, если бы один занимал весь объем смеси, Задание состава идеальной газовой смеси набором парциальных давлений ее компонентов равносильно заданию количества (числа молей) каждого компонента в долях от общего количества (числа молей) смеси,
        По закону Амага, аналогичному с законом Дальтона, предполагается аддитивность парциальных объемов:
N
V-Z Гi-1

        Парциальный объем i-го компонента газовой смеси - это объем, который он занимал бы, находясь в том же количестве при температуре и давлении смеси, Исходя из этого состав смеси может задаваться парциальными объемами компонентов в единицах измерения объема,
        Часто составы смесей задают относительными величинами, используя для этого объемные, молярные и массовые доли или проценты,
        Объемная доля i-го компонента vi выражается отношением его парциального объема к объему смеси, молярная доля ni - количеством вещества (молей) i-го компонента, отнесенным к количеству вещества (молей) смеси, массовая доля gi - отношением массы i-го компонента к массе смеси:

v₍ - Vₜ IV; nₜ - Ni IN; gi - mi I m,

        Численные значения объемных и молярных долей компонентов идеальной газовой смеси одинаковы, так как в равных объемах идеальных газов при равенстве температур и давлений содержится одинаковое количество вещества (молей), Массовые доли связаны с объемными и молярными долями соотношением:

gi - v.M. IM - nᵢMₗ IM ,

   где M - средняя (кажущаяся) молярная масса смеси, которую подсчитывают по правилу аддитивности:


8

ГЛАВА 2. Способы выражения составов смесей

N            N
M = £M,v, = 1/£(gi IM,).
i=1          i=1
   Очевидно, что:
N        N
N X vi =X ⁿi =X g, =¹-i=1      i=1      i=1

   Наряду с долями содержание компонентов смеси выражают в объемных, молярных и массовых процентах.
        В практике пылегазоочистки принято состав газа-носителя (воздуха, дымовых газов) задавать объемными или массовыми процентами, а содержание вредных ингредиентов - массовыми концентрациями на единицу объема выбросов.
        Используемые в дальнейшем изложении и расчетах обозначения концентраций вещества А в веществе В, выраженных различными способами, приведены в таблице П.1 приложения, а в таблице П.2 приложения представлены формулы для пересчета концентраций вещества А в газовой и жидкой фазах.


9

Глава 3. Устройство и принцип действия абсорберов


         Процесс абсорбции осуществляется в специальных аппаратах - абсорберах.
         Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта между жидкой и газовой фазами (абсорбента с газом-носителем). По способу образования этой поверхности и диспергации абсорбента, что непосредственно¹ связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие или распылительные (брызгальные).
         По способу организации массообмена абсорбционные устройства принято делить на аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. К устройствам с непрерывным контактом можно отнести насадочные колонны, распылительные аппараты (полые скрубберы, скрубберы Вентури, ротокло-ны и др.), однополочные барботажные и пенные устройства, а к устройствам со ступенчатым контактом - тарельчатые колонны, многополочные барботажные и пенные устройства.
         Для абсорбции газовых загрязнителей чаще всего применяются насадочные и тарельчатые колонные аппараты.


    3.1. Насадочные колонны


        Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. В насадочных колоннах обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом, чем в полых распылителях, благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств.
        Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. Некоторые распространенные типы насадок показаны на рис. 2.
















руо

                             ³ „ "
Рис. 2. Насадочные элементы:
а — кольца Рашига; б — седлообразная насадка «Инталокс»; в — кольца с перегородками; г — шары; д — пропеллерная насадка; е — кольца Палля; ж — хордовая насадка; з — спирали;
и — керамические блоки


        К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность/ (м²/м³) и свободный объем а (м³/м³). Еще одной характеристикой насадки является ее свободное сечение S (м²/м²). Принимают, что свободное сечение насадки S равно по величине ее свободному объему, т. е. S = а.


10