Расчетная работа По учебной дисциплине «Теоретические основы защиты окружающей среды», часть 1 (Вариант 14) (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

Кафедра инженерной защиты окружающей среды

Факультет 9

Курс 4

Группа

РАСЧЕТНАЯ РАБОТА

По учебной дисциплине

«Теоретические основы защиты окружающей среды», часть 1

(Вариант 14)

Студент

Руководитель

Оценка за работу

Санкт-Петербург

2010г

Задание 3.1. Идентификация неизвестного вещества

1.  Идентифицировать по молекулярной массе вредную примесь, если навеску вещества с массой m = 0,5 г при температуре t =40˚ С испарили в объем 1л при давлении 22,4 кПа. Результаты подтвердить расчетом молекулярной рефракции R и сравнением с опытной величиной (R = 16,06).

2.  В вентиляционных газах парциальное давление вещества А равно Рраб = 1240 Па. Рассчитать параметры вентиляционных газов.

3.  Дать токсикологическую характеристику вещества А и сделать вывод о необходимости очистки вентиляционных газов.

Решение:

1) Один из физико-химических методов определения природы вещества следует из нулевого закона термодинамики, важнейшим следствием из которого является существование термического уравнения состояния:

f (P, V, T) = 0.

Для идеальных газов это уравнение получено Клапейроном и Менделеевым

PV = nRT

Где n – число молей вещества; R = 8.314 Дж/моль· К; P, V, T – параметры состояния, выраженные соответственно, в Па, м3, К.

Выражая n через массу вещества m (г) и молекулярную массу:

Из уравнения следует способ определения молекулярной массы вещества в виде пара или газа

Например, требуется идентифицировать вещество, находящееся в жидком состоянии. Для этого вещество может быть переведено в парообразное состояние путем испарения. Для анализа навеску жидкого вещества m =0,5 г переводят в газовую (паровую) фазу в сосуде объемом V =1л при заданной температуре t = 40˚ С. Измерение давления в сосуде показало, что P =22,4 кПа. Эти данные позволяют определить (в приближении идеальных газов) молекулярную массу вещества с точностью до десятых:

M = (0,5·8,314·(273 +40))/ (22,4·1) = 58 г/моль

Близкую молекулярную массу имеет ацетон с брутто-формулой С3Н6O

Н3С-СН2-СН3

[[

O

Уточнить структурную формулу вещества можно, измерив и рассчитав его молекулярную рефракцию. Этот метод позволяет быстро и с минимальными затратами идентифицировать чистое вещество, а также определить его чистоту и концентрацию. Измерения показали, что рефракция неизвестного вещества R = 16.06. Методом аддитивности рассчитываем молекулярную рефракцию.

R = 3RC + 6RH + RO = 3·2,418 + 6·1,1 +2,211 = 16,065

Теоретический расчет и экспериментальное определение рефракции практически совпадают с точностью до десятых. Такое значение рефракции имеет ацетон.

2) Уравнение Менделеева-Клапейрона также позволяет определить некоторые свойства изучаемого вещества в составе газо-воздушных выбросов:

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

P =22,4 кПа P =22,4 кПа

T = (273+40) K

V = 1·10-3 м3

P0 = 101,3 кПа

T0 = 273 K

V0

Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для I и II состояния и разделим их друг на друга

-плотность пара при нормальных условиях

Проверяем расчет m = 0,5 г; V0 =1,928· 10-4 , тогда

Расчет мольно-объемной концентрации; задано, что в воздухе рабочей зоны парциальное давление ацетона равно Рраб = 1240 кПа. Можно вычислить мольно-объемную концентрацию (С, моль/м3), например при Т=298 К:

3) Для ацетона ПДК в воздухе 3500 мкмоль/м3 или 200 мг/м3 ; ПДК в воде 2,2 мг/л.

Вышеприведенный расчет показал, что концентрация ацетона в воздухе рабочей зоны много больше ПДК, поэтому воздух необходимо очистить до допустимой концентрации.

Исходные данные для выбора метода очистки воздуха:

-в воздухе рабочей зоны находятся пары ацетона;

-молекулярная масса ацетона – 58;

-молекулярная рефракция – 16,06;

-концентрация ацетона С0 = 0,5моль/м3 (Т = 298 К) или Рраб = 1240 Па

Токсикологическая характеристика ацетона. Класс опасности четвертый. Оказывает наркотическое действие. Пары раздражают верхние дыхательные пути. Вызывает хроническое отравление.

Задание 3.2 Очистка вентиляционных газов от вещества А (ацетона) методом каталитического окисления

1.  Очистку вентгазов произвести методом каталитического окисления вещества А (ацетона) при температуре tок =350˚ С. Описать термические методы обезвреживания газовых выбросов, природу катализаторов для процессов окисления, что может происходить с азотом воздуха в этих процессах.

2.  Рассчитать константу равновесия k. Исходные и промежуточные данные свести в таблицу.

3.  Вычислить равновесную концентрацию примеси при её окислении в воздухе.

4.  Рассчитать кинетику каталитического окисления вещества А (ацетона) по экспериментальным данным, приведенным в таблицах:

Изменение концентрации вещества А (ацетона) моль/м3 при окислении в воздухе. Концентрация С (моль/м3) при времени реакции τ, с.

0	1	5	10	15	20	40	60
10	1,94	0,738	0,481	0,374	0,313	0,203	0,158

Изменение константы скорости реакции при увеличении температуры

t1, ˚С	t2, ˚С	К2/К1
490	530	2,1

Решение:

1) Сущность метода термического сжигания газовых выбросов состоит в окислении органических веществ кислородом воздуха до двуокиси углерода и водяного пара при определённой температуре и времени контакта. Все реакции практически необратимы и идут с выделением тепла, которое впоследствии утилизируется в теплообменном оборудовании.

Принцип действия установок каталитического дожигания (УКД) в основном тот же. Разница заключается в том, что с целью интенсификации процесса горения применяют катализаторы, позволяющие снизить температуру горения до 300-500°С и сократить время пребывания выбросов в камере сжигания. Но затраты на техническое обслуживание УКД довольно велики, поскольку катализатор постепенно теряет свою активность и нуждается в периодической регенерации или замене.

Вредные вещества в парообразном состоянии можно улавливать путём конденсации при повышенном давлении или охлаждении. Конденсирующие установки для обезвреживания выбросов основаны на принципе охлаждения с последующей конденсацией паров и удалением конденсата. С помощью этих установок можно рекуперировать многие химические вещества. Но в данном случае, учитывая многокомпонентность выбросов, рекуперация отдельных её составляющих представляется нецелесообразной.

Абсорбция водой газовых выбросов в скрубберах также не позволяет достигнуть необходимого эффекта очистки, т. к. компоненты газовой смеси имеют разную растворимость (например, толуол нерастворим в воде).

Выбор метода и типа аппарата газоочистки определяется физико-химическими свойствами компонентов и технико-экономическими соображениями, а также возможностями предприятия (наличие свободных площадей, энергоресурсов и т. д.).

Метод сжигания вредных примесей, способных окисляться, находит всё большее применение в промышленности для очистки технологических и вентиляционных выбросов различных производств. Этот метод отличается от других более высокой степенью очистки, отсутствием в большинстве случаев коррозионных сред и сточных вод.

В установке сжигания газовых выбросов (УСГВ), содержащих фенол, толуол, этанол, ацетон и т. д., осуществляется в реакторе дожигания органики при температуре 1200°С.

Для создания температурного поля зоны горения в топку подаётся природный газ или мазут с применением в качестве дутьевого воздуха газовых выбросов. Тепло продуктов сгорания природного газа или мазута и органики от реакторов используются в котлах-утилизаторах Г-445БИ.

Реактор дожигания находится вне здания котельной, исполнен из огнеупорного материала и оснащен горелками двухступенчатого сжигания.

Сгорание должно быть максимально полным, что зависит от подачи достаточного количества кислорода, поддержания необходимой температуры в зоне горения, времени пребывания дожигаемых веществ в камере сгорания, полноты смешения этих веществ с топочным газом и факелами пламени. Чем выше концентрация горючих веществ, тем выше эффективность установки дожигания. Но по соображениям безопасности концентрация не должна превышать нижнего предела взрываемости более чем на 25-50%. В задней части реакторного объёма, по ходу продуктов сгорания, установлена керамическая решётка, перекрывающая все поперечное сечение топочной камеры. Продукты сгорания природного газа и газовые выбросы проходя через ячейки решётки, образуют множество рециркуляционных зон, способствующих эффективной очистке технологических выбросов. Проектный коэффициент очистки УСГВ - 0,99.