Технологія очистки та рекуперації відходів

 Міністерство освіти і науки України

Черкаський державний  технологічний університет

Кафедра хімічної технології неорганічних речовин

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з предмету: “Технологія очистки та рекуперації відходів ”

 

 

 

 

 

 

 

 

Перевірив: доцент Вязовик В.М. ___________

Виконав:                            студентка гр. ЗХТ -52                            Скринник Я. В.                             _____________

 

 

 

 

 

2009

Зміст

 

    1. Теоретичне питання № 1………………………………………………..с.

   2. Теоретичне питання № 2………………………………………………..с.

    3. Задача…………………………………………………………………….с.

    Перелік використаної літератури…………………………………………с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретичне питання № 1.

    Основи абсорбційних методів очищення газів.

       Рівновага в системі газ – рідина. При абсорбції проходить взаємодія  між газом та розчином , в якому міститься речовина, яка реагує з цим газом. Іноді газ, що розчиняється реагує безпосередньо з самим розчинником. Дослідні дані з розчинності газів у рідинах наведені у довідниках. Коли концентрація розчиненого газу мала, а температура та тиск далекі від критичних значень, рівновага в системах газ – рідина визначається законом Генрі:

 

                                                        p_i=H_ix_i                                                          (1.1)

                                                  або y_i^*=(H_i/P)x_i=Kx_i,                                           (1.2)

 

де р_і – парціальний тиск і-го компоненту в газах при рівновазі;

    Н_і – константа Генрі і-го компоненту, яка має розмірність тиску;

   х_і – молярна доля і-го компоненту у рідині;

    у_і – молярна доля і-го компонента у газовій фазі при рівновазі; 

    Р – загальний тиск;

    К = Н_і/Р – безрозмірна константа.

     Константа Генрі збільшується із зростанням температури, при цьому дотримується співвідношення

 

                                            d In H_i/d(1/T) = ΔH/R,                                     (1.3)

 

де R – універсальна газова стала;

     Т – температура;

    ∆Н – теплота абсорбції.

     Коли газ вступає  у розчині у хімічну реакцію,  закон Генрі  слід застосовувати не до загальної концентрації розчиненого газу, а до концентрації газу який не прореагував.

     Кінетичні закономірності. В залежності від здібностей  взаємодії поглинача та компоненту, який добувається з газової суміші, абсорбційні методи поділяються на методи, які базуються на закономірностях фізичної абсорбції, ті методи абсорбції, які супроводжуються хімічною реакцією у рідинній фазі.

    В процесах фізичної  абсорбції перенесення речовини у межах фази визначається рівняннями масовіддачі:

                                              G_A=b_гF(у-у_p),                                                            (1.4)

                                    G_A=b_жF (x_p-x).                                                           (1.5)

 

     Перенесення речовини з однієї фази в іншу визначається рівняннями масопередачі:

                                            G_A =К_гF(у-у^*),                                                         (1.6)

                                            G_A=K_жF(x_*–х).                                                        (1.7)

 

     Зв’язок коефіцієнтів  масопередачі з коефіцієнтами  масовіддачі:

 

                          1/К_г=(1/b_г)+(m/b_ж), 1/К_ж=(1/b_гm)+(1/b_ж)               (1.8) 

 

тут G_a – кількість речовини, що переноситься в одиницю часу при фізичній абсорбції, кмоль/год.;

       β_г і β_ж – коефіцієнти масовіддачі відповідно в газовій та рідинній фазах, м/год;

       F – поверхня контакту фаз, м²; 

       у і х – концентрації компоненту який передається у газовій та рідинній фазах,кмоль/м³;

       у_р і х_р - концентрації компоненту, який передається на кордоні розділу фаз в газі та рідині, кмоль/м³;

       К_г і К_ж – коефіцієнти масопередачі, віднесені до концентрації в газовій та рідинний фазах,м/год;

        у^* - концентрація компоненту в газі, рівноважна з концентрацією газу,кмоль/м³;

        х^* - концентрація компоненту у рідині, рівноважна з концентрацією газу,кмоль/м³;

      m – константа фазової рівноваги  (у_р =mх_р).  

     В системах з високою  розчинністю  m наближується  до 0, тому К_г≈ β_г тому, в такій системі газ – рідина увесь опір масопередачі зосереджено на боці газу. При малій розчинності газу у рідині m має більше значення, тому К_ж≈ β_ж. У цьому випадку весь опір масопередачі зосереджено у рідинній фазі. Так як величина β_г значно більше, ніж β_ж то процес абсорбції буде йти швидше  у системі з дифузійним опором в газовій фазі, тому розміри апарату в цьому випадку будуть менше.

     При протіканні  хімічної  реакції в рідинній фазі компонент, який абсорбується, вступає в реакцію з поглиначем. Зростає градієнт концентрацій у поверхні розділу, у порівнянні з фізичною абсорбцією  швидкість поглинання збільшується. При цьому чим більше швидкість хімічної реакції, тим більше прискорення абсорбції. Воно може бути враховано збільшенням коефіцієнта масовіддачі у рідинній фазі, якщо рухаючу силу вважати такою ж, як і при фізичній абсорбції; або збільшенням рухаючої сили при рівності коефіцієнтів масовіддачі у рідинній фазі для фізичної абсорбції і хемосорбції.

     Рівняння масовіддачі  при хемосорбції:

 

                               G'_A=b'_жFΔ_ж=b_жF(Δ_ж+d).                                                    (1.9)

 

     Коефіцієнт прискорення абсорбції в рідинній фазі при протіканні хімічної реакції

                                   х=b'_ж/b_ж=1+d/Δ_ж.                                        (1.10)

 

     Зв’язок коефіцієнта  масопередачі з коефіцієнтом  масовіддачі при хемосорбції визначається рівняннями:

 

                                1/К'_г=1/b_г+m₁/b'_ж,  1/К'_ж=1/b_г+1/b'_ж.               (1.11)

 

     Тут позначення зі  штрихом відповідають параметрам  абсорбції, яка супроводжується хімічною реакцією;

   Д_ж – рухома сила абсорбції;

     m\ - константа фазової рівноваги для фізичної абсорбції з поправкою на іонну силу розчину;

     б – величина, на яку підвищується рухома сила в рідинній фазі при протіканні у ній  хімічної реакції.

     Коефіцієнт прискорення  залежить від швидкості  хімічної  реакції та ступеня турбулізації рідини. Беззворотня хімічна реакція у рідинній фазі призводить до нульового значення рівноважного парціального тиску розчинного газу у широкому діапазоні концентрацій. У випадку швидкої беззворотної реакції між розчиненим газом та хімічним реагентом, який розчинений в рідинній фазі, або самою рідинною фазою як реагентом,  m має невелике значення.

     Відносний  опір газової і рідинної фаз в процесі дифузії при абсорбції, що супроводжується хімічною реакцією, є функцією не тільки коефіцієнта дифузії розчиненого газу в газовій і рідинній фазах, розчинності газу та часу  проникнення , але й концентрації реагенту, який не прореагував, а також швидкості дифузії реагенту в рідинній фазі та швидкості реакції.

       Швидкість абсорбції  при хімічній реакції типу

                                                 A+nB⇄Е+F                                             (1.12)

 

повільного порядку а по компоненту А, порядку β (0, 1, 2) по хемосорбенту В  і першого порядку по кожному  з продуктів реакції Е і F рекомендується визначати по наближеному рівнянню

 

                       (1.13)

 

      Помножувач, що стоїть  у фігурних скобках, відповідає  коефіцієнту прискорення х. Значення параметрів рівняння  (1.13)

M=B_ж/nA_p, A=Ap/A_ж, K_1,2= -N₁/2±

z= (K₁ – K₂)x/w_ж=

   =(K₁ – K₂)(4/p) D_A/b²_ж.                                    

 

     тут а – питома  поверхня  контакту фаз,м²/м³;

          М – стехіометричний параметр;

         В_ж – концентрація вільного хемосорбенту в основній масі  рідини,кмоль/м³;

         А_р і А_ж – концентрація компоненту, який передається  на кордоні розділу фаз і в основній масі  рідини, кмоль/м³;

          D_А – коефіцієнт дифузії компонента, який передається, м²/год;

          х – відстань, яку проходить частка рідини в дифузійному шарі,м;

          ω_ж – повздовжня швидкість руху частки рідини,м/год.;

          К_1.2, N,N₁,N₂ – коефіцієнти.

      Нижче наведені  рівняння для розрахунку коефіцієнтів  прискорення для різних випадків хемосорбції.

     Беззворотня реакція  нульового порядку по хемосорбенту. Наприклад, поглинання кисню водним розчином сульфіту натрію  у присутності солі міді (n=2, а=1–2, b=0). Коефіцієнт прискорення вираховується за формулою:

 

                       

.                            (1.14)

 

     Беззворотня реакція  першого порядку. До такого  випадку відноситься поглинання СО₂ водними розчинами моноетаноламіну при високих ступенях карбонізації (n=2, а=b=1):

 

                           X=1+[1/(1–A_ж)][R/(R/M)+1]                                  (1.15)

 

або за більш точним рівнянням:

 

                        Х = 2(M

)/[1+ ],                     (1.16)

причому

 

 

де R – кінетичний параметр;

    q – дифузійний параметр;

    D_B – коефіцієнт молекулярної дифузії хемосорбенту, м²/ч;

    r_п – константа швидкості прямої реакції, 1/с.

При D_A»D_B для розрахунку х можна користуватися також рис. 1.1, а. При R>5М, А_ж»0 и В_ж<В_ж.кр коефіцієнт прискорення не залежить від кінетичного параметру R. Наприклад, для абсорбції NH₃ сірчаною кислотою коефіцієнт прискорення

                                              X=1+M.                                                         (1.17)

 

       В цих умовах реакція протікає миттєво і швидкість абсорбції дорівнює:

 

                                      

.                                  (1.18)

 

при В_ж ≥В_ж.кр реакція протікає миттєво на поверхні розділу фаз, тому весь опір зосереджено в газовій фазі. В цьому випадку концентрація хемосорбенту В_ж значно перевищує концентрацію компоненту, що абсорбується, А_р:

                           В_ж.кр= (n/q) (b_г/b_ж)·А_г=пG_A/qab_ж.                        (1.19)

 

В області M>5R, A_ж»0 коефіцієнт прискорення не залежить від М. Наприклад, поглинання СО₂ розчином NOH при надлишку лугу (n=2, a=b=1). В цьому випадку коефіцієнт прискорення дорівнює:

 

                                                            х=1+R.                                     (1.20)

 

     Незворотна реакція  другого порядку. В цьому випадку  коефіцієнт прискорення дорівнює:

 

              x=1+[M/(1+A_ж)][(

)/( )]  (1.21)

 

при умові

 

z=2(a+1)/p(R

)

 

     Зворотна  реакція першого порядку. Константа рівноваги реакції A⇄В дорівнює К=r _п/r₀=В/А.

      Якщо А – концентрація  вільного компоненту у рідині, а С = А + В – загальна концентрація компоненту, тоді ці концентрації і коефіцієнти масовіддачі будуть пов’язані між собою наступними співвідношеннями:

 

                                            А=С/(1+К), b_A=b_c(1+K)                                 (1.22)

 

Тоді коефіцієнт  прискорення  буде дорівнювати

 

                                  

,                    (1.23)

 

                                                 

,                                  (1.24)

де r_п, r₀ – константи швидкості прямої і зворотної реакцій, 1/с;

     b_A і b_c –коефіцієнти масовіддачі, які визначається відповідно при рухаючий силі, що дорівнює (A_р–A_ж) и (С_р–С_ж).

При використанні в розрахунках b_c коефіцієнт прискорення дорівнює:

          x_c=b_c/b_ж=x_A/(1+K)=

 (1.25)

В цьому випадку х_с<1, т. є. коефіцієнт b_c нижче, чим коефіцієнт масовіддачі при фізичній абсорбції – b_ж.

Для абсорбції, яка супроводжується  повільною  зворотною реакцією, наприклад поглинання SO₂ або С1₂ водою, коефіцієнт прискорення може бути розрахований за формулою: