Галактионова Н.А. Промышленная экология - файл n1.doc

приобрести
Галактионова Н.А. Промышленная экология
скачать (1064 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1064kb.24.08.2012 05:13скачать

n1.doc

1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13

Рис. 4.29. Разделение смеси ректификацией.



РЕКТИФИКАЦИЯ



Дистиллят Остаток

Gр, Xр GW, XW

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей, или ступеней — верхней и нижней, каждая из которых представляет собой любым способом организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

Сущность процесса ректификации можно характеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате двухступенчатого взаимодействия жидкости с парами.

В нижней ступени исходная, подвергаемая разделению смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу остатка; вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава, соответствующего составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята; вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационного аппарата получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

РЕКТИФИКАЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ.

Задача разделения многокомпонентных смесей в практике встречается гораздо чаще, чем двухкомпонентных, поэтому ректификация многокомпонентных смесей является основным процессом ректификации в производствах (рис. 4.30).



Рис. 4.30. Принципиальная схема ректификации

многокомпонентной смеси.
Возможные схемы разделения многокомпонентных смесей. Схема разделения на составляющие двухкомпонентных смесей однозначна, в то время как для многокомпонентных смесей представляется некоторая свобода выбора схемы разделения. Пусть смесь состоит из трех компонентов А, В и С, причем относительные летучести их аА, аВ и аС.

На первый взгляд разделение указанной смеси на компоненты возможно двумя путями, показанными на рис. 4.30. Следует подчеркнуть, что первая схема разделения и аналогичные ей возможны всегда. Вторая схема и аналогичные ей возможны не всегда, и использование их ограничивается соотношением относительных летучестей компонентов и их содержанием в исходной смеси.

Так, в рассмотренном примере возможность отделения смеси компонентов А и В от С имеется лишь при условии аВ > ?аx (где ?аx – суммарная относительная летучесть остальных двух компонентов). Иными словами, отделение в паровой фазе f-го компонента возможно только в том случае, когда его относительная летучесть аf, больше средней относительной летучести всех компонентов:

?аx = аАxА + аВxВ + аСxС + . . . . . .

Из рассмотренного примера одновременно следует, что для разделения многокомпонентных смесей непрерывным методом на п частей необходимо п — 1 ректификационных аппаратов.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПРОЦЕССОВ РЕКТИФИКАЦИИ

В технике широко используются ректификационные установки, построенные на различных принципах; их целесообразно классифицировать путем разделения на периодически и непрерывно действующие.




С
Рис. 4.31. Принципиальная схема ректификационной установки периодического действия:

1 куб; 2 — ректи-фикационная колонна; 3дефлегматор; 4 —разделительный стакан; 5 холодильник; 6, 7 — сборники.

хема периодически действующей ректификационной установки приведена на рис. 4.31. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре 3, богатые легко летучим компонентом пары конденсируются и конденсат поступает в делитель потока 4. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение ректификационной колонны, а другая часть — дистиллят — проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.

Установка непрерывного действия для разделения исходной смеси на две составляющие части приведена на рис. 4.32. Исходная смесь поступает в подогреватель 1, где ее температура повышается за счет тепла греющего водяного пара до температуры




Рис.4.32. Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия:

1 — подогреватель; 2 — ректификационная колонна; 3 — дефлегматор; 4 — кипятильник; 5 — холодильник; 6 — сборник кубового остатка; 7 — сборник дистиллята.
кипения. Нагретая смесь поступает в питающую секцию ректификационной колонны 2, присоединяясь к орошению, которое обеспечивается конденсацией паров в дефлегматоре 3.

Необходимое для проведения ректификации многокомпонентное испарение жидкости осуществляется в кипятильнике 4. В дефлегматоре 3 происходит полная конденсация паров. Из делителя потока часть дистиллята, отвечающая флегме, возвращается в колонну, а остальная часть проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 7. Менее летучая часть исходной смеси непрерывно отбирается из нижней части ректификационного аппарата и поступает в сборник 6.

В рассмотренной схеме не учитывается возможность рационального использования тепла. Практически тепло отходящих потоков можно использовать для нагревания входящих и, в частности, нагревать исходную смесь за счет тепла жидкости, удаляющейся из нижней части колонны.

Ректификация многокомпонентных смесей непрерывным методом осуществляется в аппаратурных агрегатах, построенных по типу многоколонных схем (рис. 4.33). Если исходная смесь должна быть разделена на три части А, В и С, то одна колонна может обеспечить разделение либо на А + ВС, либо на АВ + С; для последующего разделения АВ или ВС необходима вторая колонна. Следовательно, для разделения исходной смеси на п частей необходим ректификационный агрегат, состоящий из n — 1 ректификационных аппаратов.

Рис. 4.33. Принципиальная схема разделения многокомпонентной смеси.

АБСОРБЦИОННАЯ И РЕКТИФИКАЦИОННАЯ АППАРАТУРА

Аппараты, предназначенные для проведения процессов абсорбции и ректификации, называются соответственно абсорберами или ректификационными колоннами.

Указанные аппараты можно подразделить на три основные группы:

Аппараты, в которых поверхностью фазового контакта является поверхность жидкости, растекающейся по насадке. К аппаратам указанного типа относятся пленочные аппараты и аппараты со смоченной насадкой.

Пленочные аппараты выполняются преимущественно в виде трубчатых теплообменников и аппаратов с листовой насадкой. Взаимодействующая с газом (паром) жидкость поступает в верхнюю часть аппарата на трубную решетку, равномерно распределяется по трубам и в виде тонкой пленки и стекает по их внутренней поверхности.

Газ (пар) поступает в нижнюю часть аппарата и движется навстречу жидкости.

Аппараты со смоченной насадкой или просто насадочные колонны выполняются в виде цилиндрической колонны, заполненной насадочными телами.

Насадка, или насад очные тела, могут иметь самую разнообразную форму. Практическое значение имеют хордовая насадка, кольца, фасонные насад очные тела, спиральная и сетчатая металлическая насадка, а также дробленый кусковой материал.

Хордовая насадка (рис. 4.34), как правило, делается из деревянных брусьев, располагающихся правильными рядами друг над другом. Кольцевая насадка (рис. 4.35) состоит из керамических или стальных цилиндров, загружаемых в аппарат либо правильными рядами, либо навалом. Фасонная насадка (рис. 4.36) выполняется из керамики в виде седел, цилиндров с перегородками, пропеллеров и т. д., загружаемых в аппарат навалом.





Рис. 4.34.

Хордовая насадка





Рис. 35. Кольцевая насадка

Организованная укладка



Навал












Рис. 4.36. Различные типы фасонной насадки


Спиральная и сетчатая насадки выполняются обычно из стальной оцинкованной ленты и загружаются в аппарат правильными рядами.

В качестве кусковой насадки обычно используют дробленый кокс или кварц в виде кусков размерами 25—75 мм

Наиболее эффективна насадка, имеющая меньший эквивалент-диаметр dэк, а следовательно, меньший коэффициент свободного объема и большую удельную поверхность.

dэк = 4f / S,

где f – свободное сечение каналов между насадочными телами; S – суммарный периметр каналов.

В промышленных аппаратах чаще всего используется кольцевая насадка и дробленый кусковой материал.

Аппараты, в которых поверхность фазового контакта развивается потоками газа н жидкости. В рассматриваемую группу аппаратов входят насадочные колонны, работающие в режиме подвисания, и колонны с ситчатыми, решетчатыми, колпачковыми и другими тарелками.

Насадочные колонны, работающие в режиме подвисания. Практика показывает, что насадочные колонны работают наиболее эффективно в условиях режима подвисания, близкого к режиму захлебывания, т. е. такого, при котором вес задержанной на насадке жидкости становится равным силе трения газового потока о жидкость. При этом орошающая жидкость задерживается в свободном объеме колонны в максимальном количестве, образуя в проходах насадки газо-жидкостную смесь — плотную пену. Этот режим отличается тем, что небольшое увеличение скорости газа (пара) приводит к захлебыванию колонны вследствие преобладания сил трения над силами тяжести.

Оптимальный режим работы колонны достигается при скоростях газового (парового) потока, на 15—20% меньших скоростей, вызывающих захлебывание. Очевидно, что в этих условиях массообмен становится весьма эффективным. Поверхность фазового контакта превышает поверхность насадки, а коэффициенты массоотдачи достигают предельных величин для аппаратов подобного типа.

Тарельчатые колонны. Колонны с тарелками, или тарельчатые колонны, являются эффективными и наиболее распространенными аппаратами. Они выполняются в виде вертикальных цилиндров, внутри которых одна под другой размещено определенное количество горизонтальных перегородок — тарелок, обеспечивающих возможность течения жидкости сверху вниз, а газа или пара снизу.

Различают тарельчатые колонны с переливными устройствами колонны с неорганизованным переливом жидкости, или с провальными тарелками.

Колонны с провальными тарелками (рис. 4.37) по характеру гидродинамики потоков аналогичны насадочным колоннам, работающими в режиме подвисания. На тарелках одновременно происходит барботаж газа или пара через слой жидкости и частичное «проваливание» жидкости. Газ (пар) движется снизу вверх только через часть отверстий или щелей пульсирующим потоком. Распределение опускающих газ или жидкость отверстий носит статистический характер, жидкость стекает с тарелки на тарелку в местах макси-ального статического давления.

1

2






Рис. 4.38. Тарельчатая колонна с переливными устройствами: 1 — тарелка; г — переливное устройство.







Рис. 4.37. Тарельчатая колонна

с неорганизованным переливом

жидкости.

Суммарную площадь всех отверстий (щелей), или так называемое свободное сечение тарелок, подбирают так, чтобы при заданной скорости газового (парового) потока через часть отверстий происходило «проваливание» жидкости.

Тарельчатые колонны с переливными устройствами. Эти аппараты (рис. 4.38) имеют горизонтальные тарелки 1 и переливные устройства 2. Жидкость поступает на верхнюю тарелку, переливается через переливные устройства сверху вниз и удаляется из нижней части аппарата. Газ (пар) вводится в нижнюю часть аппарата и перемещается вверх, распределяясь на каждой тарелке в виде пузырьков или факелов. В зависимости от способа распределения газа (пара) на тарелках различают тарелки ситчатые (рис.4.39) и колпачковые (рис.4.40).

Характер распределения газа и жидкости зависит не столько от конструкции распределяющих устройств, сколько от скорости газового потока. При небольшой скорости газа в отверстиях ситчатой тарелки отдельные пузырьки газа (пара) отрываются и перемещаются в жидкости один за другим; при этом тарелка работает неполным сечением. Такой режим распределения газа называется пузырьковым. В интервале скоростей газового потока, соответствующих пузырьковому режиму, отмечаются граница скорости, при которой часть жидкости «проваливается»через отдельные отверстия, граница скорости, при которой «провал» отсутствует, но отверстия работают неравномерно, и, наконец, граница скорости, ответствующая равномерной работе тарелки во сем сечении. При этом на тарелке образуется ячеистая пена.

При увеличении скорости газа происходит разрушение ячеистой пены; подобное распределение газа или пара называется факельным. При сильном возрастании скорости газа (пара) потоки его разбивают пену и начинают подбрасывать жидкость на большую высоту.




Рис. 4.39. Ситчатая тарелка: 1, 2— пороги.



а






Рис. 4.40

Колпачковые

тарелки

с круглыми (а) и с туннельными (б) колпачками.



4.6.3. Эстракция

ЖИДКОСТНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ

Экстракция (жидкостная) — извлечение одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой, практически не смешивающейся с первой.

Процесс широко используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов. Но главное, экстракцию следует рассматривать, наряду с ректификацией, как один из основных способов разделения жидких однородных смесей.
L
ЭКСТРАКЦИЯ

РЕКТИФИКАЦИЯ
+ M
(разбавленный раствор) G + M (концентрированный раствор) G L M

Рис. 4.41.Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации.

(G – экстрагент; M – распределяемое вещество; G + M экстракт; L – рафинат)

В большинстве случаев экстракция используется в сочетании с ректификацией. Пусть в растворителе L растворено распределяемое вещество М, и концентрация раствора (исходной смеси) незначительна. Можно подобрать второй растворитель G (экстрагент), которым можно экстрагировать распределяемое вещество М из исходного раствора и получить концентрированный раствор распределяемого вещества в растворителе G + М (экстракт) и очищенный от распределяемого вещества растворитель L (рафинат). Поскольку расход тепла на ректификацию резко уменьшается с ростом концентрации исходного вещества в разделяемой смеси, предварительное экстрагирование позволяет значительно сократить затраты тепла на разделение исходной смеси. Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации показана на рис. 4.41.

Для регенерации экстрагента вместо ректификации иногда используют простую перегонку с водяным паром, выпаривание, вторичную экстракцию (реэкстракцию), реже – кристаллизацию и химическую очистку.

Влияние температуры. В большинстве случаев взаимная растворимость компонентов с увеличением температуры повышается и область существования гетерогенных двухфазных систем уменьшается.

Влияние давления. Изменение растворимости малорастворимых жидкостей, вызванное изменением внешнего давления, невелико и в большинстве случаев им можно пренебречь.

Принципиальные схемы экстракции. В химических производствах используются преимущественно следующие схемы экстракции: однократная экстракция, многократная экстракция с перекрестным током растворителя, многократная экстракция с противотоком растворителя, непрерывная противоточная экстракция, ступенчатая противоточная экстракция.



Рис. 4.42. Схема однократной экстракция, проводимой периодическим (а) или непрерывным (б) способом.

Однократная экстракция. Однократная экстракция может быть проведена периодическим или непрерывным способом. Схема однократной периодической экстракции показана на рис. 14.42, а. В аппарат загружается исходный раствор F, содержащий распределяемое вещество концентрацией хF и к нему прибавляется порция растворителя G концентрацией YG. Обе жидкости перемешивают до установления равновесия. По окончании перемешивания жидкости расслаиваются в том же аппарате. После отстаивания сливают сначала нижний слой рафината R концентрацией ХR, а затем — верхний слой экстракта Е концентрацией Yе

Для расслаивания фаз часто используют особые отстойники (рис. 4.42, б). В этих случаях процесс однократной экстракции проводят непрерывным способом, так как при непрерывном вводе исходного раствора F и свежего растворителя G из отстойника также непрерывно выводят полученные экстракт Е и рафинат R. Количества F, G, Е и R относят к единице времени.

Эффективность экстракции может быть значительно повышена, если ее проводить многократно, используя каждый раз свежую порцию растворителя для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током растворителя.

Многократная экстракция с перекрестным током растворителя. Из первой ступени однократной экстракции исходного раствора F растворителем G полученный рафинат состава R1 вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя G. Тройная смесь состава N2 расслаивается на рафинат R2 и экстракт Е2. Процесс обработки ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава.

Полученные в каждой ступени порции экстракта E1, Е2,. . . и т. д. содержат все меньшее количество распределяемого вещества.

Общий расход растворителя равен сумме всех порций G во всех ступенях экстракции.

Процесс многократной экстракции можно провести периодическим способом в одном аппарате с мешалкой (см. рис. 4.42, а). Для этого одну и ту же порцию исходного раствора обрабатывают несколькими порциями растворителя, каждый раз смешивая, расслаивая и выводя порцию экстракта из одного и того же аппарата. Процесс ведут до тех пор, пока рафинат не будет иметь заданную концентрацию.

Недостатками способа являются большой расход свежего растворителя и его недостаточное насыщение в ступенях экстракции. Эти недостатки могут быть устранены, если использовать противоточное движение рафината и экстракта при многократной экстракции.

Многократная экстракция с противотоком растворителя. Исходный раствор перетекает самотеком со ступени на ступень, отдавая распределяемое вещество растворителю G. В каждой ступени осуществляется однократная экстракция очищенного рафината более свежим противоточно движущимся растворителем. В последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем G.

Противоток растворителя от последней ступени к первой (по току рафината) осуществляется насосами. На первой ступени насыщенный распределяемым веществом растворитель контактирует с концентрированным раствором F и выходит в виде экстракта Е предельно насыщенного распределенным веществом.

ЭКСТРАКЦИЯ ИЗ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

Экстракция (твердофазная) - извлечение из твердого вещества одного или нескольких компонентов с помощью растворителя. При этом извлекаемые компоненты переходят из твердой фазы в растворитель (экстрагент). Для последующего выделения целевого компонента из смеси с экстрагентом применяют выпаривание или ректификацию. Используются следующие основные типы экстракторов: смесительно-отстойные, колонные и центробежные.

Принцип действия установки по очистке грунта от нефти и нефтепродуктов (разработчик ЦНИИХМ, г. Москва) основан на использовании интенсивной виброкавитационной экстракции загрязнений, содержащих нефть и нефтепродукты, с последующим разделением пульпы на чистый (песок) и извлеченную нефть (нефтепродукты) [2]. В качестве экстрагентов могут использоваться различные вещества, в частности, вода, нефть, углеводороды. При проведении работ на морском побережье - соленая морская вода.

В конструкции установки применяется специально разработанный экстрактор, обладающий высокой производительностью и эффективностью, а также оригинальный узел для последующего отделения грунта от нефти и нефтепродуктов.

Установка массой не более 2,5 т и производительностью 1 т загрязненного грунта в час имеет модульную конструкцию. Тип модулей и их количество определяются видом и степенью загрязненности грунта. Габаритные размеры модуля установки составляют: ширина – 2м, длина – 2м, высота – Зм. Расход воды не превышает 200 кг на 1 тонну исходного грунта, затраты электроэнергии – 10 кВт в час.

Способ экстракции о6еспечивает степень очистки грунта не менее 99% и высокую производительность процесса при компактности оборудования. Технология является безотходной и экологически чистой. Возможно создание передвижной очистной установки, что позволяет использовать ее при ликвидации последствий аварий, в частности на нефтепромыслах и нефтепроводах.

Существенным достоинством метода является то, что извлекаемые из грунта нефтепродукты можно применять повторно, например, в виде топлива. По сравнению с зарубежными технологиями данный метод обеспечивает снижение эксплуатационных затрат в 3-4 раза и капитальных -в. 10 раз.

4.6.4. Адсорбция

Адсорбция — поглощение газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми поглотителями, называемыми адсорбентами.

Особенностью процессов адсорбции являются избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из паро-газовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в других условиях, десорбирование их, т. е. выделение нужного компонента из твердой фазы в более или менее чистом виде.

Адсорбция широко распространена в различных отраслях химической технологии как метод разделения смесей. В качестве конкретных примеров можно указать выделение бензола из паро-газовых смесей, разделение смесей газообразных углеводородов, сушку воздуха, очистку жидких нефтепродуктов от растворенных в них примесей и т. д.

Природа сил, вызывающих адсорбцию, может быть различной. При адсорбции происходит концентрация молекул поглощаемого вещества на поверхности адсорбента под действием ван-дер-ваальсовых сил. Этот процесс часто сопровождается конденсацией паров поглощаемого вещества в капиллярных порах адсорбента, присоединением молекул поглощаемого вещества по месту ненасыщенных валентностей элементов, составляющих кристаллическую решетку адсорбента, и другими процессами. Независимо от природы адсорбционных сил на величину адсорбции влияют следующие факторы: природа поглощаемого вещества, температура, давление и примеси в фазе, из которой поглощается вещество.

Природа поглощаемого вещества весьма существенно влияет на равновесие при адсорбции. Считается правилом, что равновесная концентрация Xр тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа, а в случае растворов — чем меньше растворимость поглощаемого вещества в жидкости.

Температура и давление также относятся к весьма существенным факторам, влияющим на равновесие при адсорбции. С повышением температуры при прочих равных условиях равновесная концентрация уменьшается. С ростом давления в паро-газовой фазе равновесная концентрация Xр увеличивается.

Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. Обнаружено, при наличии в фазе, из которой адсорбент поглощает вещество А, конкурирующего (вытесняющего) вещества В, т. е. вещества, также способного поглощаться этим адсорбентом, уменьшается равновесная концентрация Xр вещества А. В этом случае вещество В либо частично, либо полностью вытесняет или замещает вещество А в адсорбенте.

При адсорбции смеси паров двух или нескольких веществ обнаружено, что адсорбируются все компоненты смеси, причем степень адсорбции каждого компонента ниже, чем адсорбция индивидуальных веществ в тех же условиях, а соотношение их концентраций в адсорбенте будут обратно пропорциональны их относительной летучести.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Принципиальные схемы адсорбционных процессов показаны на рис. 4.49. При применении зернистого адсорбента используют схемы с неподвижным (а) и с движущимся адсорбентом (б). В первом случае процесс проводится периодически. Вначале через адсорбент L пропускают паро-газовую смесь G и насыщают его поглощаемым веществом; после этого пропускают вытесняющее вещество В или нагревают адсорбент, осуществляя таким образом десорбцию (регенерацию адсорбента). Во втором случае (рис. 4.49, б) адсорбент циркулирует в замкнутой системе: насыщение его происходит в верхней – адсорбционной – зоне аппарата, а регенерация в нижней – десорбционной. При применении пылевидного адсорбента используют схему с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом (рис. 4.49, в)

Аппараты, предназначенные для проведения адсорбции называются адсорберами. Адсорберы можно подразделить по условиям работы на следующие группы: а) с неподвижным адсорбентом; б) с движущимся зернистым адсорбентом; в) с псевдоожиженным пылевидным адсорбентом

На рис. 4.44 приведена схема периодически действующей адсорбционной установки,

предназначенной для извлечения бензола из газовой смеси. Исходная смесь вводится в адсорбер 1 и пропускается через него до момента проскока бензольных паров. Затем газовый поток направляется в адсорбер 2, а в адсорбере 1 проводится десорбция. Для этого через адсорбер пропускают водяной пар, который десорбирует бензол. Смесь паров воды и бензола удаляется из адсорбера 1 в конденсатор-холодильник 3, где конденсируется





Рис. 4.43. Принципиальные схемы адсорбционных процессов:

(а — с неподвижным зернистым адсорбентом; б — с движущимся зернистым

адсорбентом; в — с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом)


Отработанный воздух


Рис. 4.44. Схема периодически действующей адсорбционной установки: 1,2 адсорберы; 3 — конденсатор-холодильник;4 — отстойник; 3 — вентилятор; 5 — калорифер.





Отработанная газовая смесь



и охлаждается. Конденсат, представляющий собой смесь не растворяющихся друг в друге жидкостей, идет в непрерывно действующий отстойник 4, где разделяется на бензол (направляемый в качестве продукта в сборник) и воду (направляемую обычно в канализацию).

После десорбции бензола адсорбент высушивают продувкой горячего воздуха, который нагнетается вентилятором 5 и нагревается в калорифере 6. Регенерация адсорбента завершается сушкой в адсорбере 1. Поток исходной смеси газов с парами бензола направляется вновь в этот адсорбер, а адсорбер 2 переключается на десорбцию. Таким попеременным включением одного или нескольких периодически действующих адсорберов достигается непрерывная работа установки.

Непрерывно действующая адсорбционная установка показана схематически на рис. 4.45. Она также предназначается для извлечения бензола из смеси его паров с газами. Исходная смесь поступает в адсорбционную секцию непрерывно действующего адсорбера 1,





Рис. 4.45. Схема непрерывно действующей адсорбционной установки:

1 –адсорбер; 2 — затвор-отводчик; 3 — загрузочное устройство пневмотранспортной системы; 4 — сепаратор; 5 — холодильник-конденсатор; 6 — отстойник; 7 — сборник.

адсорбционную секцию непрерывно действующего адсорбера 1, через который непрерывно перемещается зернистый адсорбент. В секции происходит адсорбция паров бензола. Далее адсорбент проходит через десорбционную секцию адсорбера 1. Здесь адсорбент взаимодействует с острым водяным паром, в результате чего и происходит десорбция бензола. Регенерированный адсорбент через затвор-отводчик 2 поступает в загрузочное устройство 3 пневмотранспортной системы. Далее он поднимается по пневмотранспортной трубе транспортирующим газом, попадает в сепаратор 4, отделяется от транспортирующего газа и вновь направляется в адсорбер, 1.

Смесь водяного пара с бензольными парами удаляется из верхней части десорбционной секции адсорбера и поступает в холодильник-конденсатор 5. Из него конденсат стекает в непрерывно действующий отстойник 6, где происходит расслаивание жидкой смеси бензола и воды; бензол из отстойника 6 направляется в сборник 7, вода выводится из системы.

Сушка адсорбента осуществляется транспортирующим газом по пути из загрузочного устройства 3 в сепаратор 4.

4.6.5. Сушка

Наиболее распространенном способом удаления влаги из твердых влажных материалов является сушка. Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров


Пар

Влажный

материал


Увлажненный, газ

Теплоноситель



Влажный, материал





а

б


Отработанный

теплоноситель

Рис. 4.46. Принципиальные схемы сушки:

а — газовая сушка: 1 — сушилка; 2 — топка или теплообменник; 3 — вентилятор;

б — простая (контактная) сушка

Сушка в технике осуществляется двумя основными способами:

а) нагреванием влажных материалов теплоносителем через твердую непроницаемую перегородку — так называемый процесс контактной сушки;

б) нагреванием влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем (воздух, топочные газы и др.) — так называемая газовая, или воздушная сушка12.

Схемы указанных способов сушки показаны на рис. 4.46.

Иногда тепло подводится к высушиваемому материалу токами высокой частоты или инфракрасными лучами; указанные способы сушки называют соответственно диэлектрической и радиационной сушкой.

РАВНОВЕСНЫЕ СООТНОШЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ СУШКИ

Почти каждый твердый материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Направление течения процесса переноса влаги является наиболее существенным вопросом в практике сушки, так как от него зависит ее режим, условия, в которых влажный материал способен отдавать влагу окружающей среде.

Окружающая влажный материал среда содержит либо водяной пар либо смесь водяного пара с газами. Обозначим давление водяного пара, когда только он является окружающей средой, через PП, а парциальное давление его в смеси с газами окружающей среды PD.

Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное давление водяного пара РМ, называемое далее давлением водяного пара



во влажном высушиваемом материале.

Очевидно, что условием сушки являются

неравенства

РМ, > PП или PH , > PD

Д
Рис. 4.47. Кривые равновесной влажности материала
авление водяного пара в высушиваемом материале РМ зависит от влажности материала, температуры


и характера связи влаги с материалом.
С ростом влажности материала и температуры величина РМ возрастает. Абсолютное значение этой величины зависит от характера связи влаги с материалом. Чем сильнее эта связь, тем меньше тем меньше при прочих равных условиях давление водяных паров во влажном материале.

Влажность материала, отвечающая условиям РМ = РП или РМ = РD соответствует достижению равновесия.

Кривые, выражающие зависимость между давлением водяного пара во влажном материале РМ температурой t и влажностью высушиваемого материала с, показаны на рис. 4.47. Очевидно, что подобные кривые и характеристики высушиваемого материала, позволяющие определить давление водяных паров в высушиваемом материале, необходимы для нахождения основных параметров сушки: температуры, конечной влажности материала и давления водяных паров в пространстве, окружающем высушиваемый материал.

Как было указано выше, величина РМ зависит не только от значения t и с, но и от характера связи влаги с материалом. Различают несколько форм связи влаги с материалом (в порядке убывающей энергии связи).

Химически связанная влага. Под химически связанной влагой понимают воду гидроокиси, которая в результате реакции гидратации вошла в состав гидроокисей и соединений типа кристаллогидратов. Связь нарушается только в результате химического взаимодействия (иногда в результате прокаливания), и влага не удаляется при сушке.

Адсорбционно связанная влага. Влажность обусловлена адсорбцией воды на наружной поверхности материала и на поверхности его пор. Осмотически связанная влага находится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами.

В этих двух случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.

Капиллярно связанная влага заполняет макро- и микрокапилляры. Она механически связана с материалом и наиболее легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна эта связь у гигроскопичных веществ, Давление пара над ними наиболее отличается от давления насыщенных паров.

Влажному материалу присущи все формы связи с водой, и очень трудно разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам связи молекул воды с молекулами вещества. Поэтому экспериментальным путем строят изотермы сорбции, т. е. линии РМS = f(С) при постоянной температуре. Изотермы сорбции позволяют установить связь между влажностью материала и относительной влажностью воздуха, а также определить равновесную влажность при сушке.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СУШИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

Кроме простого приема воздушной сушки, когда воздух нагревается и однократно проходит через сушильную камеру, на практике используют и другие варианты сушки:

Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха схематически представлена на рис. 4.48 В этом случае обычно принимают верхние и нижние пределы температур воздуха

2


1

Рис. 4.48. Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха:

1 —сушильная камера; 2 — промежуточные нагреватели.









Воздух




tB и tH. Воздух предварительно нагревается до tВ и после этого взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до температуры tH. Далее воздух вновь нагревают до температуры tВ и направляют для взаимодействия с влажным материалом, температура воздуха понижается до tH и т. д.

Рассмотренный рабочий вариант сушки характеризуется тем, что требуемое количество тепла подводится к высушиваемому материалу при пониженной температуре воздуха.

Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха схематически показана на рис. 4.49 исходный воздух смешивается предварительно с частью отработанного воздуха, далее нагревается до требуемой температуры и после этого взаимодействует с высушиваемым материалом. Особенностями этого варианта сушки по сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха являются пониженная температура воздуха при контактировании его с влажным материалом, повышенное начальное влагосодержание воздуха и большая массовая скорость воздуха, а следовательно, болъшая линейная скорость его в сушильной камере.


Рис. 4.49. Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха:

1 — сушильная камера; 2 — нагреватель; 3 — вентилятор.

Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха и промежуточными нагреваниями представляет собой сочетание двух рассмотренных выше вариантов. Очевидно, что этот вариант сушки отличается одновременно пониженной температурой воздуха, большим начальным влагосодержанием воздуха и большей линейной скоростью его в сушильной камере (рис. 4.50).


Рис. 4.50. Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха и промежуточными нагреваниями:

1 — сушильная камера; 2 — подогреватель.




Нетрудно видеть, что рассмотренные рабочие варианты сушильных процессов обеспечивают смягчение условий сушки, т. е. понижение температуры и повышение влажности высушивающего воздуха. Одновременно с этим частичный возврат отработанного воз­духа приводит к росту линейной скорости его в сушильной камере, что обеспечивает увеличение скорости сушки.

Сушка с замкнутой циркуляцией высушивающего газа схематически показана на рис. 4.51. Она применяется в тех случаях, когда в качестве высушивающего газа используется чистый и дорогостоящий газ, например водород. Очевидно, что в этих условиях отработанный газ не может быть выпущен в атмосферу и появляется необходимость замкнутой его циркуляции. Полностью насыщенный водяными парами газ нагревается, в результате чего резко снижается его относительная влажность и одновременно возрастает высушивающая способность. После этого газ взаимодействует с влажным материалом, насыщаясь влагой. Увлажненный газ охлаждается до точки росы, и часть находящейся в нем влаги конденсируется. Затем газ вновь направляется на нагревание и сушку.





Рис. 4.51. Сушка с замкнутой циркуляцией высушивающего газа:

1 – сушилка; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – водоотделитель; 4 – сборник.




Здесь следует особенно подчеркнуть, что, используя тот или ругой рабочий вариант сушки, можно лишь ускорить или замедлить процесс сушки, сделать более мягкими или более жесткими условия проведения процесса, но нельзя существенно повлиять на расход тепла, поскольку последний определяется только начальными и конечными параметрами высушивающего газа..

4.6.6. Кристаллизация

Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Процесс характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости. Далее выделенный кристаллический продукт подлежит вторичному использованию, а фильтрат подвергается дальнейшей переработке.

Схема кристаллизатора с принудительной циркуляцией суспензии приведена на рис. 4.52. Циркуляция создается мешалкой. Кристаллизатор с естественной циркуляцией раствора представлен на р и 4.53.




Рис. 4.52. Кристаллизатор с принудительной циркуляцией суспензии:

I -–соковый пар; II – маточный раствор; III – суспензия; IV – сточная вода; 1 – мешалка; 2 – циркуляционная труба; 3 – осадительная камера.

Рис. 4.53. Кристаллизатор

с естественной циркуляцией

раствора:

I раствор; II – суспензия; 1 сепаратор; 2 – корпус; 3 центральная труба; 4 гидрозатвор; 5 – мешалка.


1




В данном пособии не рассматриваются механические и химические (биохимические) процессы.
ЛИТЕРАТУРА

  1. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. – М.: Химия, 1981. – 812 с.

  2. Калыгин В.Г. Промышленная экология. Курс лекций. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. –240 с.

  3. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химичекой и нефтехимической технологии. Изд. 2-е доп. Перераб. – М.: Химия, 1972. – 496 с.

  4. Родионов А.И. и др. Технологические процессы экологической безопасности /Основы энвайроменталистики/.3-е изд. Перераб. И доп. – Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2000 – 800с.


Раздел 5. БЕЗОТХОДНЫЕ И МАЛООТХОДНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА

Переход в «новое зволюционное состояние - ноосферу возможен лишь при сохранении циклов вещества й знергии, сложившихся в биосфере ».

В. Й. Вернадский
Дальнейшее устойчивое развитие производства и связанное с ним решение проблемы охраны окружающей среды должны базироваться на новом подходе. Его принципиальная новизна обусловлена невозможностью эффективно решать проблемы охраны среды и рационального использования природных ресурсов только путем развития методов переработки, обезвреживания и захоронения отходов в условиях экспоненциального роста их объемов.

Народная мудрость гласит: «Чисто не там, где убирают, а там, где не сорят». Если «уборка» — это очистка предприятия от вредных выбросов, то «не сорить» позволяют разработка и внедрение малоотходных (безотходных) технологий.

Концепция безотходного производства была предложена и развита академиками Н. Н. Семеновьым, И. В. Петряновим-Соколовьым, Б. Н. Ласкориным и др. Анализ развития производств и динамики потребления сырья и образования отходов привели к неизбежному виводу о том, что дальнейшее развитие производств (и общества в целом) не может осуществляться на базе исторически спожившихся традиционных зкстенсивних технологических процессов без учета зкологических офаничений и требует принципиально нового подхода. эгот подход, получивший название «безотходная технология», а позднее «чистая технология», основой которого является цикличность материальнмх потоков, подсказан самой природой.

5.1. Определение и концепция безотходного производства

Развитие представлений об окружающей среде и рациональном природопользовании, а также практические задачи создания и внедрения безотходных производств, сделали необходимым уточнение их понятия.

В достаточно полном виде понятие безотходная технология было сформулировано на Общеевропейском совещании по сотрудничеству в области охраны окружающей среды (Женева, 1979 г.). На совещании была принята специальная «Декларация о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов», в которой говорится, что: «Безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду» [8] Развитие представлений об окружающей среде и рациональном природопользовании, а также практические задачи по созданию и внедрению безотходных производств привели к необходимости сформулировать новое определение безотходной технологии, которое и было принято на семинаре Европейской экономической комиссии по малоотходной технологии (Ташкент, 1984 г.). Рекомендации ташкентского семинара рассмотрены и одобрены на заседании старших советников правительств ЕЭК по окружающей среде и направлены всем странам – участницам [1]: «Безотходная технология – это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные сырьевые ресурсы таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования».

Здесь важно обратить внимание на 3 основных положения.

Во-первых, подчеркивается необходимость использования сырьевых ресурсов в цикле, включающем и среду потребления. Это означает, что замкнутым такой цикл может быть только на уровне территориально-производственного комплекса (ТПК), т.е. в формулировке уже заложен принцип кооперации производств и региональный подход. Отсюда безотходное производство должно быть практически замкнутой системой, организованной по аналогии с экосистемами. В них продукт жизнедеятельности одних организмов потребляется другими и в целом осуществляется саморегулирующийся биогеохимический круговорот веществ. Основу производства составляет сознательно организованный и регулируемый человеком техногенный круговорот сырья, продукции и отходов.

Во-вторых, обязательным, положением безотходного производства является включение в него всех компонентов сырья. При этом должно быть обеспечено максимально возможное использование энергетического потенциала. Здесь также наблюдается прямая аналогия с природными экосистемами. Будучи практически замкнутыми, они, пропуская через весь цикл солнечную энергию, поглощают её, трансформируют и излучают в космическое пространство. Таким же образом и безотходное производство является практически замкнутым, но неизолированным.

Третьей составляющей частью концепции безотходного производства является сохранение или не нарушение нормального функционирования окружающей среды (сложившегося экологического равновесия), при котором оно не оказывает неблагоприятного воздействия на здоровье человека. Критерием качества окружающей среды считают в настоящее время предельно допустимые концентрации (ПДК) или рассчитанные на их основе предельно допустимые выбросы (ПДВ и ПДС), а в будущем предельно допустимые экологические концентрации (ПДЭК) или нагрузки (ПДЭН).

Актуален вопрос, что такое безотходное производство – красивая мечта или реальность?

К концепции безотходной технологии имеются два подхода. Один из них основан на законе сохранения вещества, в соответствии с которым, материя всегда может быть преобразована в ту или иную продукцию. А если это так, то всегда можно создать такой технологический цикл, в котором все экологически опасные вещества будут преобразовываться в безопасный продукт или исходное сырье. Согласно другому подходу, полностью безотходную технологию нельзя создать ни практически, ни даже теоретически, коль скоро это определенным образом противоречит второму закону термодинамики. Подобно тому, как энергию нельзя полностью перевести в полезную работу, так и сырье невозможно полностью перевести в полезный экологически безопасный продукт. Второй подход кажется не только теоретически более обоснованным, но и практически более трезвым и реальным. Другими словами, полностью безотходная технология — это идеальная система, к которой должен стремиться всякий реальный технологический цикл, и чем больше будет это приближение, тем меньшим будет экологически опасный след.

В этом отношении более реальной является так называемая малоотходная технология. Под малоотходным понимается такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами; при этом по техническим, организационным, экономическим или другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение.

В настоящее время, особенно после «Семинара по стимулированию чистого производства» ЮНЕП/ИЕО (Кантенбери, Великобритания, 17-20 сентября 1990 г.), в основном применяется термин чистое производство.

Термин чистое производство был введен на заседании рабочей группы ЮНЕП/ИЕО в 1989 г. Было дано следующее определение чистого производства: «это производство, которое характеризуется непрерывным и полным применением к процессам и продуктам природоохранной стратегии, предотвращающей загрязнение окружающей среды таким образом, чтобы понизить риск для человечества и окружающей среды.

С точки зрения продукции чистое производство означает уменьшение ее воздействия на окружающую среду в течение всего жизненного цикла (продукта) от добычи сырья до утилизации (или обезвреживания ) после использования.

Чистое производство достигается путем улучшения технологии, применением ноу-хау и/или путем изменения управления производством и его организации» [2]

В связи с принятием большинством стран специального природоохранного законодательства и программ по стимулированию безотходного или чистого производства сама концепция и определение безотходного или чистого производства имеют важное практическое значение, поскольку речь идет в основном об экономических методах стимулирования, связанных с налоговыми льготами, льготным кредитованием выпуска экологически чистой продукции и внедрения малоотходных и безотходных или чистых технологических процессов и производств и, наоборот, введением специального налогообложения экологически вредной продукции и соответствующих производств

Они переходят от ограничения выбросов и сбросов загрязняющих веществ и ликвидации отходов к поддержке государственных требований и предотвращению загрязнения атмосферы и гидросферы и уменьшению отходов, как в интересах населения, так и для повышения эффективности производства и конкурентоспособности. В то время как экономика промышленно развитых стран выросла, расход ресурсов, например, и энергоемкость продукции уменьшились. С 1970 года химические предприятия промышленно развитых стран удвоили выпуск продукции, сократив более чем на половину потребление энергии на единицу продукции.

Таким образом, по своей сути принцип чистой технологии отличается от так называемых традиционных технологий и больше приближается к малоотходной. Но так, или иначе, если стоять на позиции, что полностью безотходная технология — это идеальная модель производства, то совершенно очевидно, что и малоотходная технология и чистая технология требуют определенных коэффициентов, оценивающих степень их приближения к безотходной. А поскольку каждое производство имеет свою целенаправленную особенность, то и такие коэффициенты для каждого из них могут быть свои.

5.2. Коэффициенты для оценки степени приближения традиционной технологии к безотходной.

Количественная оценка приближения производства к безотходному подразумевает формирование критериев, позволяющих отнести его к категории безотходных, малоотходных или рядовых (традиционных).

В основу критериев, ограничивающих вредное воздействие производства на среду, положены существующие санитарно-гигиенические нормативы – предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ, предельно допустимые выбросы (ПДВ) в атмосферу и предельно допустимые сбросы (ПДС) в водоемы. ПДВ и ПДС измеряются во времени для каждого источника организованного выброса или сброса. При этом поступление вредных веществ от данного источника и от всех источников района с учетом дальнейшего развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмо– и гидросфере не должно создавать концентрации, превышающей предельно допустимую.

Таким образом, говоря о степени приближения традиционной технологии в безотходной, первое, что надо иметь в виду – это то, что предприятия должны выполнять санитарно-гигиенические требования, поскольку экологические нормативы пока не разработаны.
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13


Рис. 4.29. Разделение смеси ректификацией
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации