Абсорбционная очистка вентиляционных газов jт N-метилформамида и выделение его в чистом виде методом ректификации

 Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

«Санкт-Петербургский государственный университет

технологии и дизайна»

Кафедра Инженерной химии и промышленной экологии

 

Работа защищена с оценкой

Руководитель, к.х.н., доц.      Ибрагимова Р. И.

 

 

 

АБСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ГАЗОВ

ОТ N-МЕТИЛФОРМАМИДА И ВЫДЕЛЕНИЕ ЕГО В ЧИСТОМ ВИДЕ

МЕТОДОМ РЕКТИФИКАЦИИ

 

Пояснительная записка к расчетной работе по дисциплине

«Теоретические основы защиты окружающей среды»

 

 

 

Работу выполнил   

Студент группы 2-ХД -44      Козлова Н. М.

 

 

2014

 

ЗАДАНИЕ

ВАРИАНТ 3

1. Идентифицировать по молекулярной массе вредную примесь, если навеску вещества m = 0,5 г при температуре t0 = 470C испарили в объеме V = 1 л при давлении P = 22,6 кПа. Результаты подтвердить расчетом молекулярной реакции R и сравнением с опытной величиной R=15.05.
2. В вентиляционных газах парциальное давление N-метилформамида равно Pраб = 990 Па.
1. Дать токсикологическую характеристику N-метилформамида.
2. Сделать вывод о необходимости очистки вентиляционных газов.
3. Очистку вентгазов от N-метилформамида осуществляют методом абсорбции водой при температуре 298 К и парциальном давлении паров N-метилформамида Pраб = 990 Па.
1. Дать характеристику процессов абсорбции.
2. Для расчета константы Генри измерили концентрации раствора Xa(a) = 0,025 и Xb(b) = 0,075. Рассчитать равновесную концентрация абсорбата Хаб при использовании чистой и артезианской воды при содержании солей в ней 300 мг/л, константа Сеченова k = 5*10^(-4) л/мг.
4. Этот раствор с концентрацией Храб направили на ректификацию в количестве Gн = 100 кг для получения дистиллята и кубового остатка с концентрациями ХД = 1 и ХК = 95 соответственно.
1. Дать характеристику процесса ректификации.
2. Рассчитать процесс ректификации.
5. Низкоконцентрированный раствор разбавляется другими сточными водами в 10 раз и направляется на биологическую очистку
1. Принципы очистки сточных вод.
2. Рассчитать кинетику процесса по данным К1 = 0,32 ч-1, К2/К1 = 2,7, t1 = =17 0C, t2 = 27 0С (принять порядок реакции n = 1).
3. Дать прогноз изменения времени процесса при колебаниях температуры ±50С и увеличении концентрации сточных вод в 10 раз.  
   ВВЕДЕНИЕ

 

На 2014 год основной угрозой для окружающей среды является сброс сточных вод, выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и накопление твердых отходов. Поэтому необходимо внедрение новых технологий или применение методов по удалению вредных веществ из воздуха и сточных вод. Одним из таких методом является абсорбция.

Абсорбция – процесс поглощения газа жидкой средой, в которой газ растворим в той или иной степени. В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газообразная; происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую или в обратном направлении при десорбции. Поглощаемые составные части называют абсорбируемыми компонентами, а остальные части – инертным газом. [1]

Абсорбционный метод очистки газов имеет как преимущества, так и недостатки.

Недостатки:

1. Громоздкость оборудования.
2. Невысокая эффективность очистки.
3. Образование твердых осадков, что затрудняет работу оборудования, и коррозионную активность многих жидких сред.

Преимущества:

1. Позволяет улавливать наряду с газами и твердые частицы.
2. Непрерывность процесса.
3. Низкие капитальные и эксплуатационные затраты.
 

1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВРЕДНОЙ ПРИМЕСИ

 

Требуется идентифицировать вещество, находящееся в жидком состоянии, которое может быть переведено в газообразное состояние путем испарения. Для анализа навеску жидкого вещества m = 0,5 г переводят в газовую фазу в сосуде объемом V = 1 л при заданной температуре t = 470С. Давление в сосуде P = 22,6 кПа.

Для решения данной задачи воспользуемся уравнением Менделеева-Клапейрона

,                                                                (1.1)

где n – число молей вещества; R = 8,314 Дж/моль*К – универсальная газовая постоянная; P, V, T – параметры состояния, выраженные, соответственно, в Па, м3, К.

Выразим n через массу вещества m (г) и молекулярную массу

                                                       (1.2)

Подставим известные данные в уравнение (1.2):

Близкую молекулярную массу имеет N-метилформамид с брутто-формулой C2H5NO:          

                                                                           O

                                                  CH3    NH  C  

                                                                            H

Уточнить структурную формулу вещества можно, измерив и рассчитав его молекулярную рефракцию. Измерения показали, что R = 15,05. Методом аддитивности рассчитываем молекулярную рефракцию

Расчет и экспериментальное определение совпадают.

 

2. РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ КОМПОНЕНТА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ПРИМЕСЕЙ

 

Уравнение (1.1) позволяет определить некоторые свойства N –метил-формамида в составе газо-воздушных выбросов (ГВВ):

• объем пробы при нормальных условиях: для анализа ГВВ обычно отбирают пробу газа при рабочих условиях (P, V, T), далее объем пробы переводят к нормальным условиям (P0, V0, T0). Для условий идентификации вещества переводим систему из состояния пара, при котором его исследовали, в состояние при нормальных условиях:

         P = 22,6 кПа                                         P0 = 101,3 кПа

  T = (273+47) К                                      T0 = 273 К

                         V = 1*10-3 м3                                        V0

Рис.2.1 Переход к нормальным условиям

 

Запишем уравнение (1.1) для 1 и 2 состояния и разделим их друг на друга

• плотность пара при нормальных условиях

Проверяем расчет m = 0,5 г; V0 = 1,903*10-4 м3, тогда

• Расчет мольно-объемной концентрации: пусть задано, что в воздухе рабочей зоны парциальное давление N-метилформамида равно Pраб = 990 Па. Уравнение (1.1) позволяет вычислить мольно-объемную концентрацию (С, моль/м3) при Т = 320 К:

 

1. Токсикологическая характеристика N-метилформамида

 

Описан острый случай отравления человека при приеме внутрь 50 мл N-метилформамида. Преимущественно действие яда сказалось на печени. Выявлено эмбриотоксическое действие в опытах на крысах. Доза 1 г/кг, введенная на седьмой день беременности, губила 90 % плодов; доза 0,4 г/кг – вызвала частичную гибель плодов и развитие злокачественных опухолей у выжившего потомства. [2]

ПДК (воздух) = 10 мг/м3 =10/59 ммоль/м3 = 0,169 мммоль/м3.

ПДК (вода) = 10 мг/л = 10000 мг/м3 = 169,5 ммоль/м3. 

 

2. Вывод

 

Расчет в пункте 2 показал, что концентрация N-метилформамида в воздухе рабочей зоны (372,1 ммоль/м3) много больше ПДК (0,1695 ммоль/м3), поэтому воздух необходимо очистить до допустимой концентрации.

 

3. ОЧИСТКА ВОЗДУХА ОТ ПАРОВ N-МЕТИЛФОРМАМИДА МЕТОДОМ АБСОРБЦИИ

 

1. Характеристика метода абсорбции

 

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс – выделение растворенного газа из раствора – десорбция. В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газообразная; происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую или в обратном направлении при десорбции. Поглощаемые составные части называют абсорбируемыми компонентами, а непоглощаемые составные части – инертным газом. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в реакцию с абсорбируемым компонентом газовых смесей. Инертный газ и растворитель являются носителями в соответствующих фазах.

Существует два вида абсорбции: физическая и химическая. При физической абсорбции поглощение газа не сопровождается протеканием химической реакции. При химической абсорбции поглощаемый компонент взаимодействует с каким-либо компонентом жидкой фазы или с самим растворителем с образованием химического элемента. [3]

Содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси). В состоянии равновесия между концентрациями газа в обеих фазах устанавливается некоторое соотношение, характеризуемой константой фазового равновесия m. Она равна отношению концентрации газа в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе.

В зависимости от единиц измерения концентрации константа m выражается различными величинами:

• если концентрации обеих фаз выражены в мольных долях, то константу фазового равновесия обозначают mxy:

                                                                   

где y – концентрация абсорбируемого компонента в газовой фазе; x – концентрация поглощенного вещества в жидкой фазе.

• если концентрации компонента C в обеих фазах выражены в кмоль/м3 или c - кг/м3, то константы фазового равновесия обозначают mC и mc соответственно:

Здесь индексы «г» и «ж» указывают на принадлежность соответственно газовой и жидкой фазе.

Для бинарных растворов при физической абсорбции можно воспользоваться уравнением Кричевского

где f – фугитивность (летучесть) растворенного газа; x – концентрация раствора; x02 – мольная доля поглотителя в растворе (x0 = 1 - x); К – коэффициент растворимости  ( коэффициент Генри); A – постоянная.

В идеальных растворах силы взаимодействия между молекулами каждого из компонентов раствора, а также между молекулами разных компонентов равны. Для таких растворов коэффициент активности равен единице. При низких значениях фугитивность можно заменить на равновесное парциальное давление компонента в газе p , тогда

                                                            

где pk – давление насыщенного пара чистого компонента. [1]

Уравнение (3.2) выражает закон Рауля: Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

Уравнение (3.2) применимо к растворам таких газов, критическая температура которых выше температуры раствора и которые, таким образом, способны конденсироваться при температуре процесса. Если температура раствора выше критической температуры газа, то применяют уравнение (3.3)

                                                          

причем mpx = К. [3]

Уравнение (3.3) выражает закон Генри: при постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.

 

2. Расчет равновесной концентрации абсорбата xаб при использовании чистой и артезианской воды

 

Рассмотрим равновесный процесс поглощения пара N-метилформамида из воздуха с помощью абсорбента, в качестве которого используем воду. В данном случае система состоит из двух фаз: 1 – раствор N-метилформамида в воде, 2 – воздух с примесью N-метилформамида (рис. 3.1):

 

Воздух с примесью N-метилформамида

           P2 ;µ2 газ

T = 298K

                                                         Раствор N-метилформамида в воде

                     x1 ; x2 ; µ1 ; µ2

Рис. 3.1 Абсорбция

 

Уравнение Генри имеет вид

                                                    (3.1)