Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Сентября 2014 в 16:57, курсовая работа
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.
ЗАДАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВРЕДНОЙ ПРИМЕСИ 4
2. РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ КОМПОНЕНТА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ПРИМЕСЕЙ 5
2.1. Токсикологическая характеристика N-метилформамида 6
2.2. Вывод 6
3. ОЧИСТКА ВОЗДУХА ОТ ПАРОВ N-МЕТИЛФОРМАМИДА МЕТОДОМ АБСОРБЦИИ 7
3.1. Характеристика метода абсорбции 7
3.2. Расчет равновесной концентрации абсорбата xаб при
использовании чистой и артезианской воды 9
4. РЕКТИФИКАЦИЯ РАСТВОРА N-МЕТИЛФОРМАМИДА В ВОДЕ 12
4.1. Характеристика процесса ректификации 12
4.2. Расчет процесса ректификации 13
5. КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ НИЗКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ 18
5.1. Принципы очистки сточных вод 18
5.2. Кинетика биологического процесса 19
5.3. Расчет кинетики процесса по данным К1 = 0,32 ч-1, К2/К1 = =2,7,
t1 = 17 0C, t2 = 27 0С 22
5.4. Прогноз изменения времени процесса при колебаниях
температуры ± 5 0С и увеличении концентрации сточных вод
в 10 раз……………………………………………………………………26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 28
где индекс 2 придан поглощаемому компоненту, то есть N-метилформамиду;
P2 – парциальное давление N-метилформамида в газовой фазе;
Х2 – мольная доля N-метилформамида в воде.
Для расчета константы Генри экспериментально были измерены растворимости N-метилформамида в воде ха и хв при двух парциальных давлениях Pа и Pв :
ха = 0,025, хв = 0,075, Pа = 1,52 Торр, Pв = 4,51 Торр;
(1 Торр = 1 мм. Hg. ст = 101330/760 Па = 133 Па).
Тогда выразим из уравнения (3.1) константу Генри и подставим известные данные
Среднее значение
Равновесную растворимость N-метилформамида в чистой воде (конденсат водяного пара) вычисляем по уравнению (3.1)
Если абсорбцию N-метилформамида проводить артезианской водой с заданным содержанием солей, например 300 мг/л, то равновесную концентрацию рассчитывают по уравнению Сеченова (k = 5*10-4 л/мг)
Таким образом, при очистке газовых выбросов от N-метилформамида водой получается низкоконцентрированный раствор (принимаем dр-ра = 1 г/см3) с концентрацией (концентрация в скобках соответствует применению артезианской воды):
мольной долей
массовой долей
молярностью
Эти данные позволяют рассчитать теоретический минимальный расход Lmin поглотителя (воды) для очистки ГВВ до ПДК (ПДК = 0,1695 ммоль/м3). При очистке V = 1000 м3 воздуха из него необходимо удалить следующее количество N-метилформамида:
Это количество N-метилформамида должно быть поглощено (абсорбировано) водой с получением раствора с равновесной концентрацией Cаб = 5,3378 моль/л, тогда
Ректификация – это неравновесный тепло – и массообменный процесс, осуществляемый в ректификационных колоннах, где происходит непрерывный обмен компонентами между жидкостью и паром, находящимися в постоянном контакте. При этом пар обогащается более летучим компонентом, а жидкость – менее летучим. Результатом процесса является дистиллят – более летучий продукт (компонент) и кубовый остаток – менее летучий продукт (чистый компонент).
Теоретический процесс разделения раствора на компоненты или на компонент или азеотропную смесь складывается из «ступенек». Общее число таких ступенек – это число теоретических тарелок (ЧТТ).
Сущность процессов, из которых складывается ректификация, удобно проследить с помощью Т(х, y) диаграммы состояния (рис.4.1).
Рис. 4.1 Схема принципа ректификации (P=const)
Здесь на оси ординат отложены температуры кипения раствора, на оси абсцисс – концентрация компонента «В» в составе раствора (xB) и составе пара (yB). Нижняя кривая отражает зависимость температуры кипения раствора от концентрации компонента «В» в нем. На верхней кривой находим равновесный состав пара при температуре кипения раствора.
Имеется раствор с начальной концентрацией компонента «В», равной ха (рис.4.1). Нагревая раствор до температуры кипения Та, получается находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b) состава yb. Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава хс, обогащенную компонентом «В» (хс>ха). На этом принципе основано частичное разделение раствора методом простой перегонки. Если проводить этот процесс многократно: нагреть жидкость состава хс до температуры кипения Тс, получить пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием компонента «В» – хе, затем повторить этот процесс через точки е, f, k и т.д. – то можно получить жидкость, представляющую собой практически чистый компонент «В». При этом в первом кипятильнике жидкость будет постепенно обедняться компонентом «В» через точки a, l, m и т.д., и в результате можно получить практически чистый компонент «А» (кубовый остаток).
На диаграмме (рис.4.2) по данным таблицы 4.2 построена зависимость температуры кипения раствора N-метилформамида в воде от состава раствора (нижняя кривая) и пара (верхняя кривая). Состав выражен в мольных долях N-метилформамида.
Таблица 4.2 – N-метилформамид - Вода; C2H5NO – H2O (P = 500 Торр)
x |
100 |
95,2 |
88,8 |
74,6 |
59,1 |
43,6 |
19 |
0 |
y |
100 |
44,6 |
27,2 |
12 |
4,8 |
2 |
0,7 |
0 |
t, 0C |
184,8 |
166,5 |
139,3 |
120,2 |
106,4 |
100,1 |
93,4 |
88,7 |
Концентрация раствора, который поступает на ректификацию, равна xн = 0,1 = 10 % мольн. По первому закону Коновалова на монотонных участках равновесной кривой концентрации жидкой и паровой фаз различаются. Начальный раствор закипает при температуре 910С (точка D), при этом образуется пар (точка Е) с концентрацией yн = 0,5 %.
Экстремальных (азеотропных) точек нет.
Рассмотрим теоретический процесс разделения. Исходный раствор при кипении дает пар состава yн (точка Е), обедненный N-метилформамидом. При этом раствор обогащается C2H5NO и температура его кипения повышается по кривой DLC и последняя его порция будет иметь концентрацию в точке С – xc. На диаграмме в точке E после испарения раствора, с концентрацией xн (точка D и E) дает практически чистую воду с содержанием C2H5NO xД = 0,5 %. Пар состава yн (точка F) может быть повторно испарен и сконденсирован; в точке e концентрация после конденсации паров составит xк = 97,5 %.
Таким образом, равновесный процесс разделения раствора с xн = 10 % содержит три теоретических ступеней разделения (ЧТТ = 3) при получении дистиллята с концентрацией xД = 0,5 % и кубового остатка - xк = 97,5 %.
На разделение поступает Gн = 100 кг раствора. Так как все концентрации выражены в мольных долях, массу раствора выразим в молях, для этого рассчитываем среднюю молекулярную массу исходного раствора
Схема материальных потоков приведена на рис. 4.3.
д
Дистиллят
Gд;
xД = 0,005
Рис. 4.3 Схема материального баланса процесса ректификации
(все концентрации выражены в мольных долях C2H5NO)
Тогда общий баланс
баланс по N-метилформамиду
Решая систему уравнений (4.1) и (4.2), получаем
Если на первую тарелку поступает начальный раствор в количестве Gm =100 кг = 100/22,1 = 4,5249 кмоль при температуре 103 0С (точка М), то он будет выкипать до концентрации xm = 51,5 % и образуется пар с концентрацией ym = 3,5 % (точки l и m). Схема материального баланса изображена на рис.4.4.
Пар Gп
ym = 0,035
Рис. 4.4 Схема материального баланса на первой тарелке
Из схемы материального баланса на первой тарелке следует:
Решая систему уравнений (4.3) и (4.4), получаем
Таким образом, в результате разделения получили:
0,005 моль C2H5NO
0,005*59 г C2H5NO
что превышает ПДК в воде (10 мг/л) и, следовательно, должен быть разбавлен другими сточными водами в 10 раз и направлен на биологическую очистку.
Все методы очистки сточных вод подразделяют на три группы:
Использование механических
методов приводит к выделению примесей
из воды без изменений их химических свойств. Грубодисперсные частицы в
зависимости от размеров улавливаются отстойниками, реш
При физико-химическом методе очистки из сточных вод удаляются тонко дисперсные, растворенные неорганические и органические вещества. К этим методам относятся коагуляция, флокуляция, окисление, сорбция, ионообменный метод, экстракция, электролиз и электрокоагуляция.
Биологический метод очистки сточных вод основан на способности микроорганизмов, использовать органические вещества, находящиеся в сточных водах, в качестве источника питания, в результате чего происходит их окисление загрязняющих веществ. Биологические методы очистки подразделяют на аэробные, анаэробные и комбинированные. Биологическая очистка сточных вод представляет собой результат функционирования системы активный ил — сточная вода. Активный ил – это сложное сообщество микроорганизмов различных систематических групп: бактерий, простейших, грибов, вирусов и др.
Сорбция органических веществ микроорганизмами существенного значения в механизме биологической очистки сточных вод не имеет. Основная роль принадлежит процессам превращения вещества внутри клетки, а интенсивность и эффективность биологической очистки определяется скоростью размножения бактерий.
Рассмотрим пути использования основных положений химической кинетики для оценки скорости метаболических превращений.
На скорость химической реакции влияет изменение температуры и концентрации загрязняющего вещества.
Скорость реакции определяется, как изменение количеств реагирующих веществ в единицу времени, в частности, при постоянном объеме системы вместо массы обычно используют концентрацию, тогда
где С и С` - концентрации исходного вещества и продукта реакции соответственно.
Влияние температуры на скорость химической реакции описывает уравнение С. Аррениуса
где А – предэкспоненциальный множитель; E – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; T – температура.
Константы уравнения А и Е не зависят (или мало зависят) от температуры.
Реакция может произойти только в том случае, когда энергия эффективных столкновений молекул реагентов превысит их средний уровень энергии на величину Е (рис.5.1). Энергия активации представлена в виде энергетического «барьера».