Методы борьбы с загрязнением атмосферного воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА: «АВТОТРАКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЭКОЛОГИЯ»

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по курсу «Оценка экологического состояния предприятия»

при подготовке бакалавров по направлению 5850100- “Защита окружающей среды”

Ташкент-2009

Лабораторные работы составлены для студентов бакалавриата направления 5850100 - «Защита окружающей среды» согласно рабочей программе курса «Оценка экологического состояния предприятия»

Обсуждены и одобрены на заседании кафедры «Автотракторные двигатели и экология».

Протокол № _____ от «_____»______________2009г.

Зав.кафедрой проф.Базаров Б.И.

Утверждены на Методическом совете Автотранспортного факультета ТАДИ.

Протокол № _____ от «_____»______________2009г.

Председатель МС АТФ проф. Махмудов Г.Н.

Введение

Ежегодно в атмосферу выбрасывается более 200 млн т С02, 150 млн т SO,, свыше 50 млн г оксидов азота, более 50 млн т различных углеводородов, более 250 млн т аэрозолей и т. д. Кроме того, при сжигании угля в окружающую среду поступает ряд высокотоксичных веществ, таких как ванадий, мышьяк, ртуть, уран, кадмий, бериллий, цирконий, олово и др.

В 1998 году в воздушный бассейн республики выброшено стационарными источниками 414,4 тыс. т вредных веществ, в том числе 145,6 тыс. т SO,; 90,4 тыс. т СО; 50,6 тыс. г оксидов азота; углеводородов 65,3 тыс. т; твердых веществ 48,8 тыс. т.

В настоящее время в крупных городах одним из основных загрязнителей воздуха является автомобильный транспорт. Один автомобиль в среднем поглощает ежегодно 4 т кислорода, а выбрасывает в атмосферу с выхлопными газами около 800 кг оксидов углерода, 40 кг оксидов азота, почти 200 кг различных углеводородов и многие другие токсичные вещества. Автомобильные выхлопные газы -- это смесь газов, содержащая более 200 веществ.

В Республике Беларусь выбросы вредных веществ в атмосферу от автотранспорта за 1998 год составили 1788,2 тыс. т, это более чем в четыре раза больше, чем от всех вместе взятых предприятий. При этом выброс угарного газа составляет 943,5 тыс. т.

Сжигание топлива ежегодно вносит в атмосферу не менее 1 * 10'° т С02. Общее поступление его в атмосферу растет экспоненциально, увеличиваясь на 4--5% в год. Согласно расчетам, концентрация С02 в атмосферном воздухе будет расти и в 2030 г. достигнет 0,07%. А от концентрации СОг зависит средне-планетарная температура воздуха, что может сказаться на изменении климата на планете.

Следует отметить, что загрязняющие атмосферу вещества распределяются неравномерно, и в некоторых местах концентрация загрязнений достигает недопустимо высокого уровня, что при определенных условия приводит к образованию густых токсичных туманов, называемых смогом. Смог оказывает резко отрицательное влияние на состояние дыхательных путей у здорового человека и приводит к катастрофическому ухудшению здоровья людей, страдающих различными бронхиальными заболеваниями.

При определенных климатических условиях возможно образование сухого тумана с влажностью около 70%, называемого фотохимическим, для которого характерна желто-зеленая или сизая дымка. Для его возникновения необходим солнечный свет, вызывающий сложные фотохимические превращения между загрязняющими воздух веществами. При фотохимических реакциях образуются новые вещества, которые по своей токсичности могут значительно превосходить исходные примеси. У человека фотохимический смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, симптомы удушья, обострение легочных заболеваний и т. д.

Наличие промышленных выбросов в атмосферу -- это точный индикатор несовершенства технологии. Поэтому наиболее активным методом охраны атмосферного воздуха от загрязнений является создание безотходных и малоотходных технологических процессов. При этом предполагается как разработка рационального выделения примесей из газов, так и принципиальное изменение технологий либо ее отдельных стадий. Практика показывает, что безотходная технология и есть в конечном счете самая выгодная.

Безотходная технология -- это технология, при которой энергия и сырье расходуются экономно, а отходы одних технологических процессов являются сырьем для других .Таким образом все компоненты исходного сырья используются полностью.

Однако в настоящее время очистка загрязненного воздуха и отходящих газов, образующихся при технологических процессах, от содержащихся в них вредных компонентов является основным способом защиты воздушного бассейна. Очистка используется во всех случаях, когда использование активных методов пока невозможно или экономически нецелесообразно.

К активным методам борьбы с загрязнением атмосферного воздуха относятся замена токсичных веществ нетоксичными, неутилизируемых отходов -- утилизируемыми, создание новых безотходных технологических процессов и т. д. Очистка газовых выбросов состоит из двух принципиально различных процессов: механической очистки от аэрозолей (извлечение твердых и жидких примесей -- пыли, брызг и т. д.), а также очистки, обезвреживания, обеззараживания и дезодорации газо- и паровоздушных примесей.

Все многообразие существующих методов пылегазоочистки можно свести к нескольким группам: гравитационные, инерционные, электростатические, акустические, фильтрация, сухие, мокрые, комбинированные.

Очистку в обеспыливающих устройствах можно условно разделить на грубую (от частиц размером более 10 мкм) и тонкую (менее 10 мкм). Для грубой очистки используются гравитационные и сухие пылеуловители, некоторые фильтры контактного действия. Тонкая очистка проводится в инерционных пылеуловителях с применением воды, скрубберах Вентури, абсорберах, контактных фильтрах, электрофильтрах и других аппаратах. На практике нередко применяются комбинации из нескольких методов очистки. Выбор метода обусловлен степенью запыленности газа, дисперсностью частиц и требованиями к очистке.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. ОЧИСТКА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ

1.1 Очистка газовоздушных выбросов от пыли в циклонах

Цель работы: изучение основных закономерностей очистки газовоздушных выбросов от твердых частиц в циклоне.

Теоретическая часть

Пылеулавливающие системы, в которых твердые частицы удаляются из закрученного газового потока под действием центробежных сил, называются циклонами. Циклоны чаще .всего относятся к аппаратам сухой механической очистки. В некоторых случаях на практике используются и мокрые циклоны. В настоящее время это наиболее распространенный в промышленности тип обеспыливающего оборудования. Так, в республике они составляют около 57% от всего обеспыливающего оборудования. Циклоны просты в конструкции и обычно не имеют движущихся частей, поэтому могут изготавливаться из различных материалов, в том числе из огнеупорных, коррозионностойких. Это обеспечивает возможность очистки газов как при обычных, так и при высоких температурах. В циклонах можно извлекать из газов твердые продукты -- пыли в сухом виде.

Циклоны используются для очистки газов от сравнительно крупных ,-(d > 10 мкм) частиц. При этом концентрация пыли в очищаемом газе может быть

от 0,1 до 0*4 кг/м3 а достигаемая степень очистки 70 -- 95%.

В зависимости от способа придания газовому потоку закручивающего движения циклоны делятся на прямоточные и противоточные. В прямоточном направляющие лопатки или через специальные вентиляторы. Наиболее распространены противоточные циклоны, в которых газ на очистку поступает по касательной в верхнюю цилиндрическую секцию. В некоторых случаях для повышения эффективности очистки используются

конструкции, в которых сочетаются прямоточный и противоточный принципы очистки. В практике пылеочистки применяются различные типы циклонов. Наибольшее распространение получили цилиндрические и конические циклоны конструкций НИИОГАЗ (рис. 4.1). Выбор типа циклона обусловливается как характеристиками очищаемого газа, так и требованиями к его очистке. Цилиндрические циклоны относятся к высокопроизводительным, а конические -- к высокоэффективным. Например, кривая фракционной эффективности циклонов диаметром 200 мм будет иметь вид, показанный на рис. 2.

Основными конструкционными элементами циклона конструкции НИИО-ГАЗ (рис. 4.3) являются: цилиндрический корпус 1, коническое днище-5, сообщающееся с пылесборником-6, крышка-2. Ввод очищаемого от пыли газа осуществляется тангенциально со значительной скоростью (до 30 м/с) через приваренный к корпусу патрубок-3. В результате поток газа закручивается вдоль стенки корпуса циклона, при этом частицы пыли под действием сил тяжести и

центробежной силы отбрасываются к стенке корпуса и перемещаются вниз в пыле-сборник-6. Очищенный газ удаляется через выхлопную трубу-4.

Вследствие интенсивного вращения газа в корпусе циклона статическое давление понижается от его периферии к центру, такое же явление наблюдается в пылесборном бункере. Следовательно, необходима строгая герметичность бункера, т. к. несоблюдение этого условия приводит к резкому снижению пылеотделения в циклоне. Это объясняется тем, что вихрь, образующийся в циклоне, опирается своим основанием о дно пылесборного бункера и затем винтообразно движется вверх. При отсутствии герметичности в бункере нарушается вращательное движение газа, что вызывает заметное снижение степени очистки, эффективность очистки также зависит от дисперсного состава частиц пыли, типа аппарата и параметров его работы, затрат энергии на очистку.

Чтобы достичь требуемой степени очистки больших объемов газа от пыли, необходимо увеличение конструкционных размеров (D, Н) циклонов. Однако с ростом диаметра циклона при постоянной тангенциальной скорости газового потока центробежная сила, действующая на частицы, уменьшается, и эффективность такой установки снижается. При этом размещение громоздких циклонов при общей компоновке технологического оборудования вызывает целый ряд затруднений и неудобств. Теоретические расчеты показывают, что при одних и тех же скоростях газового потока небольшие циклоны являются гораздо более эффективными, особенно для частиц малых размеров, чем большие циклоны. Поэтому на практике широкое распространение получили групповые и батарейные циклоны. В групповых компоновках циклоны устанавливают вокруг вертикального газохода по 10 -- 14 шт.

Степень очистки в групповом циклоне обычно принимают равной степени очистки в одиночном циклоне, который входит в данную компоновку.

Батарейный циклон--это пылеулавливающий аппарат, состоящий из большого количества циклонных элементов малого диаметра, которые объединены в одном корпусе, имеют общие подвод, отвод газов и пылесборник. Принципиальная схема компоновки батарейного циклона показана на рис. 4.4.

Запыленный газ подается через-патрубок-1 в клиновидную камеру-2, проходит между выхлопными трубами-5 на закручивающие устройства циклонных элементов-6. Выделившаяся пыль"поступает в пылесборный бункер-7, а очищенный таз поднимается по трубам-5 в сборную камеру-4 и удаляется из аппарата через патрубок- 3.

Батарейные циклоны называют также мультициклонами. В отечественных конструкциях в одном мультициклоне может быть до 792 циклонных элементов при расходе газа до 650000 м3/ч. Диаметр циклонных элементов принимается в пределах 150 -- 250 мм. Оптимальная скорость газов в элементах находится в интервале 3,5 -- 4,75 м/с, для прямоточных циклонных элементов она может быть 11 -- 13 м/с

К важнейшим достоинствам мультициклонов относят их габариты. Так для единичного высокоэффективного циклона производительностью 4600 м3/ч диаметром 900 мм необходима высота 7,6 м (циклон, пылесборник и выхлопная труба), а для мультициклона этой же производительности она составляет всего 2,4 м. Но изготовление мультициклона значительно дороже.

Эффективность батарейного циклона обычно на 20 -- 25% ниже эффективности отдельных элементов. В батарейных циклонах с диаметром

250 мм допускаемая запыленность газов составляет 75 -- 100 г/м3 в зависимости от закручивающего газовый поток устройства.

Батарейные циклоны не рекомендуется применять для сильно слипающихся пылей, т. к. резко падает производительность установки. В зависимости от характеристики пыли и требуемой степени очистки применяют различные типы мультициклонов.

Таким образом, имея необходимые данные о свойствах пыли, содержащейся в отходящих газах, зная расход газа, учитывая требования к очищенному газу и ориентируясь в различных типах циклонов, можно не только выбрать нужный циклон, но и предложить соответствующую технологическую схему очистки.

Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки для очистки воздуха от пыли приведена на рис. 4.5. Установка включает циклон-1, приемник пыли-5, источник пыли-12, ротаметр-11, вентилятор-10, алонжи-3,8 для отбора пыли на анализ, а также распределительные вентили-2, 4, 7, 9, 13, 14.

На данной установке можно исследовать степень очистки от пыли в зависимости от ее концентрации, дисперсности и расхода воздуха. По заданию преподавателя установить расход воздуха по ротаметру-11. Воздушный поток направить в источник пыли, который предварительно заполнить каким-либо порошком (например, СаСО3) определенной степени помола. Затем с помощью вентилей-13,9 и 7 провести отбор пробы пыли в алонж-8, заправленный бумажным фильтром и предварительно взвешенный на аналитических весах. Отобрав пробу пыли, направить воздух на очистку в циклон-1. На выходе из циклона провести также отбор пробы с помощью вентилей-2,4 и алонжа-3, подготовленного, как указано выше: Степень очистки воздуха, n, % рассчитывают по формуле:

где Свх ,Свых --концентрация пыли на входе и выходе из циклона, мг/л.

Объем пропущенного воздуха определяют по его расходу и времени опыта.

Порядок выполнения работы



Подготовить к работе алонжи для отбора проб пыли. Для этого вставить в них доведенные до постоянной массы стандартные фильтры АФА, ФПП и т. п. алонжи присоединить к установке согласно приведенной схеме.

Включить вентилятор, установить заданный расход воздуха, открыть вентили-13,14 и направить аэродисперсный поток через циклон в атмосферу, минуя алонж-3. После установления стационарного режима отобрать пробу запыленного воздуха на анализ. Для этого необходимо открыть вентиль-7, а также одновременно открыть вентиль-9 и закрыть вентиль-14. При этом поток запыленного воздуха будет проходить через алонж-8, оснащенном фильтром. Работу провести строго по секундомеру. После очистки воздух направить с помощью вентилей-2 и 4 через контрольный алонж-3 в атмосферу. Отбор пробы пыли на алонж-3 после очистки провести аналогично вышеописанному, строго замеряя продолжительность отбора и расход воздуха.

Лабораторная установка очистки газовоздушных выбросов в циклонах.

При этом необходимо воспользоваться вентилями 2 и 4. По окончании опыта фильтры достать из алонжей, довести до постоянной массы (в эксикаторе) и взвесить на аналитических весах. По разности между массами запыленного и чистого фильтра найти массу уловленной пыли. По массе уловленной пыли и расходу воздуха определить концентрацию пыли в воздухе до очистки и после нее по формуле:

мг/м3 и мг/м3

где

m1 и m2 -- массы пыли, уловленной на алонжах 8 и 3 до очистки и после нее, мг;

V1 и V2 -- соответственно объем пропущенного воздуха через алонжи до и после очистки, м\

Рассчитать эффективность работы циклона (степень очистки), экспериментальные данные занести в табл. 1.

Таблица 1

Масса фильтра	Продолжительность опыта, мин	Расход воздуха, м3	Объем воздуха, м3	Концентрация пыли, мг/м3	Степень очистки %
Начальная	Конечная				До циклона	После циклона

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОЧИСТКА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ АЭРОЗОЛЕЙ НА ВОЛОКНИСТОМ ФИЛЬТРЕ

Цель работы: ознакомление с устройством волокнистого фильтра, изучение зависимости степени очистки воздуха от ряда технологических параметров (скорости потока, концентрации аэрозоля, плотности орошения фильтра и др.).

Теоретическая часть

Волокнистыми фильтрами называют пористые перегородки, состоящие из беспорядочно расположенных, однако более или менее равномерно распределенных по объему волокон.

В основе работы волокнистых фильтров всех видов лежит фильтрация запыленного газа через перегородку, в процессе которой частицы аэрозоля, взвешенные в газе, задерживаются перегородкой, а газ беспрепятственно проходит сквозь нее.

В зависимости от вида, структуры и условий работы пористой перегородки уловленные частицы либо осаждаются на стенках поровых каналов, накапливаясь во всем объеме пористой перегородки, либо образуют на лобовой поверхности перегородки пылевой слой, являющийся высокоэффективной фильтрующей средой.

По мере накопления уловленных частиц сопротивление движению газа непрерывно возрастает, а скорость фильтрации уменьшается. Для поддержания постоянной скорости фильтрации необходимо увеличивать перепад давления на пористой перегородке. При достижении некоторого предельного сопротивления фильтр приходится подвергать регенерации, осуществляемой несколькими способами: ослаблением фильтровальной ткани и встряхиванием ее в вертикальном и поперечном направлениях; реверсированием потока газов в очищаемой секции; продувкой фильтра мощной струей воздуха. Иногда применяют комбинации этих методов. В последние годы в промышленную практику вводится акустическая вибрация и воздействие ударных волн низкого давления.

Применяемые фильтры по своей структуре и свойствам очень разнообразны -- это могут быть зернистые слои, металлические сетки, керамика и металлокерамика, волокнистые материалы, бумага, ткани.

Размеры поровых каналов в фильтрующей перегородке обычно во много раз превышают размеры улавливаемых частиц пыли, поэтому фильтрацию нельзя рассматривать как процесс просеивания через некоторое сито. Улавливание частиц, проникающих вглубь, происходит за счет осаждения их на стенках каналов, образованных твердыми элементами перегородки, где они удерживаются силами адгезии.

Процесс фильтрации можно условно разделить на две стадии. На первой -- начальной (стационарная фильтрация) стадии, -- осажденные частицы накапливаются внутри пористой перегородки в незначительном количестве, что практически не меняет ее структуры. На второй стадии процесса (нестационарная фильтрация) вследствие большого количества осажденных частиц пористая перегородка претерпевает непрерывные структурные изменения. В соответствии с этим все время изменяются аэродинамическое сопротивление и эффективность работы фильтра, что осложняет процесс фильтрации и связанные с этим расчеты. В условиях эксплуатации промышленных фильтров определяющее значение имеет именно нестационарная фильтрация.

Волокнистые фильтры используют при концентрации дисперсной фазы 0,5--5 мг/м3, и только некоторые виды регенерируемых грубоволокнистых фильтров экономически целесообразно применять при концентрации 5 -- 50 мг/м3.

Основным требованием, предъявляемым ко всем фильтровальным материалам для очистки воздуха, является максимальная эффективность очистки при большой скорости фильтрации, малом аэродинамическом сопротивлении и большой пылеемкости. В свою очередь, эффективность очистки, сопротивление и пылеемкость волокнистых фильтров зависят от многих параметров. Например, от скорости движения газа, дисперсного и минералогического состава пыли, влажности газовой среды и самого материала, электрического заряда частиц пыли и волокон материала и т. д. В большей степени показатели фильтрации зависят от параметров, характеризующих структуру волокнистого материала.

Для фильтров используют естественные или специально получаемые волокна диаметром от 0,01 до 100 мкм, а также их смеси. Толщина фильтрующих сред от десятых долей миллиметра (бумага) до двух метров (многослойные глубинные насадочные фильтры долговременного использования).

Основным свойством волокнистой перегородки является пористость, представляющая собой отношение пустого пространства (объема пор) между твердыми непроницаемыми элементами пористой среды к общему объему, занимаемому пористой средой. Величину объема твердых элементов фильтрующей перегородки, заключенную в единице объема пористой среды, называют плотностью упаковки.

Пористость фильтрующей среды е и плотность упаковки - а можно определить из выражения:

где pэ -- плотность материала элементов фильтрующей среды, кг/м3; рф -- кажущаяся плотность фильтрующей среды, кг/м3.

Важной характеристикой пористой перегородки является пылеемкость, которая представляет собой количество пыли, задерживаемой фильтром за период непрерывной работы, т. е. между двумя очередными регенерациями.

Критерием пылеемкости является интенсивность роста удельного сопротивления ц:



где ?P2 и ?P1 -- начальное и конечное сопротивление фильтра, Па; M1 -- удельная пылеемкость фильтра, кг/м2:

где М-- количество уловленной пыли, кг; F--рабочая поверхность фильтра, м2.

При заданном предельном сопротивлении пылеемкость фильтра рассчитывается по формуле:

Под скоростью фильтрации понимают условную скорость, получаемую как отношение объемного расхода газа Vr, проходящего через фильтр, к полной площади перегородки. Численно скорость фильтрации равна газовой нагрузке фильтра, т. е. объему газа, проходящему через единицу поверхности фильтра в секунду.

Производительность фильтрованной установки зависит в первую очередь от площади фильтрующей ткани. При выборе скорости газового потока необходимо учитывать механизм улавливания частиц. Так, при диффузионном механизме она должна быть невысокой, а при инерционном -- необходима высокая скорость газового потока. Следует учитывать и ряд других факторов. Из практического опыта эмпирически выведены серии оптимальных соотношений между расходом газов и фильтрующей поверхностью. Эти соотношения выводятся отдельно для различных пылеулавливающих материалов и типов оборудования и выражаются в кубических миллиметрах фильтруемых газов за 1 с на 1 м2 поверхности, т. е. мм/с. В зависимости от конкретных условий принятые соотношения колеблются в пределах от 5 до 125 мм/с.

Волокнистые фильтры применяются для очистки газовоздушных выбросов как от твердых частиц, так и от капелек аэрозоля. Различие в работе в этих случаях заключается в том, что при улавливании аэрозоля нет необходимости в очистке фильтра от пыли, т. к. уловленные капли стекают с фильтрующей поверхности. Поэтому /конструкции фильтра для улавливания аэрозолей должен быть предусмотрен дренаж уловленной жидкости.

Аэрозольные фильтры используются для улавливания туманов абсорбционных и ректификационных колонн, а также для очистки отходящих газов в производстве кислот.

Главными факторами при выборе и оценке фильтров являются стоимость. аппарата и фильтровального материала, его долговечность и энергетические затраты, определяемые аэродинамическим сопротивлением и расходами на регенерацию, а также степень очистки.

Описание лабораторной установки

Исследование процесса очистки газовоздушных выбросов от аэрозолей проводится на установке, схема которой приведена на рис. 4.6. Корпус фильтра -1 выполнен из оргстекла, внутри размещены две кассеты с фильтрующим материалом-13. В корпусе фильтра предусмотрены штуцеры-11,16 для подачи воды на орошение и отвода шлама в емкость-5, для измерения скорости газа, перепада давления до и после фильтра-12, 14, 15.

Сжатый воздух от воздуходувки через ротаметр-10 поступает в волокнистый фильтр, при этом по ходу газового потока в него дозируется исследуемый аэрозоль из генератора аэрозоля-9. Таким образом, воздушный поток с аэрозолем поступает на фильтрующую перегородку-13, где происходит очистка воздуха. Обработанный воздух выбрасывается в систему вытяжной вентиляции. Давление в аппарате измеряется U-образными манометрами-6. В схеме предусмотрена возможность циркуляции орошающей жидкости с помощью емкос-ти-5 и насоса-4.

Фильтр работает в режиме накопления уловленного продукта на поверхности фильтрующего материала. По достижении определенного перепада давления фильтр подвергается периодической регенерации с помощью форсунки-11. Отбор проб и определение концентрации примеси производят в следующем порядке:

1. устанавливают необходимый расход воздуха и требуемую концентрацию аэрозоля (по заданию преподавателя);

2. замеряют перепад давления до и после фильтрующей перегородки с помощью U-образных манометров;

3. предварительно доведенный до постоянной массы и взвешенный с точностью до 0,1 мг стандартный фильтр типа ФПП или АФА вставляют в алонж-7 и с помощью Трехходовых кранов-8 по секундомеру отбирают пробу пыли на анализ. Время отбора пробы определяют экспериментально. После отбора пробы фильтр вынимают из алонжа, доводят его до постоянной массы и взвешивают с той же точностью;

4. аналогичный отбор пробы проводят после фильтрующей перегородки с помощью трехходовых кранов-2 и алонжа-3;

5. рассчитывают концентрацию аэрозоля С, мг/м5 до и после фильтру-Ющего устройства по формуле:



где g1, и g2 -- масса фильтрующего элемента до и после отбора, мг; V-- скорость отбора проб воздуха, л/мин; t -- продолжительность отбора пробы, мин. Оценку работы фильтрующей перегородки производят либо по величине остаточной запыленности очищенного газа, либо по степени очистки газа т), которую определяют по формуле:

где Свх , Свых -- концентрация пыли, соответственно на входе и выходе из аппарата.

Порядок выполнения работы

До начала работы необходимо измерить температуру, влажность и атмосферное давление воздуха в лаборатории. Подготовить требуемое количество фильтров типа ФПП или АФА. Замерить перепад давления в аппарате до и после фильтрующей перегородки при различных расходах воздуха. Следует ознакомиться с характеристиками фильтрующего материала, определить площадь фильтрующей поверхности, толщину и массу фильтра. Рекомендуется предварительно рассчитать воздушную нагрузку в м3/(м2 * ч).

Затем требуется установить нужную концентрацию аэрозоля в воздухе и начать определение степени очистки. Результаты занести в таблицу 5.1.

Кроме того, по указанию преподавателя можно определить пылеемкость фильтра, а также зависимость степени очистки от концентрации пыли, скорости воздушного потока, толщины слоя, воздушной нагрузки на фильтр, плотности орошения, фильтрующей поверхности и др.

Таблица 2. Результаты исследования работы волокнистого фильтра

Номер опыта	Расход воздуха через алонж, м3/с	Продолжительность отбора пробы, с	Привес пыли на фильтре, мг
	До очистки	После очистки		До очистки	После очистки
1	2	3	4	5	6
Концентрация пыли в воздухе, мг/м3	Сопротивление фильтра, Па	Степень очистки, %	Удельная пыдеемкость, мг/м3
До очистки	После очистки
7	8	9	10	11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Цель работы -- изучение основных закономерностей очистки газовоздушных выбросов в адсорберах.

3.1 Теоретическая часть

Адсорбция -- это процесс поглощения веществ из газовой или жидкой фазы твердым пористым поглотителем -- адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе, называется адсорбтивом, а поглощенное -- адсорбатом.

Адсорбционные процессы широко применяются для разделения газовых и жидких смесей, тонкой очистки и осушки газов. В последние годы адсорбция находит широкое применение для очистки промышленных выбросов.

Адсорбенты, используемые для этих целей, должны отвечать ряду требований: иметь большую адсорбционную способность при поглощении компонентов с небольшой концентрацией их в очищаемых потоках, обладать высокой селективностью, иметь высокую механическую прочность и способность к регенерации, а также небольшую стоимость.

Для промышленных адсорбентов характерно наличие пор различного размера: микропоры (размер от 5 * 10"10 до 1 * 10"" м), переходные лоры (от 1,5 * I О-* до 1 * 10~7 м) и макропоры (более 2 * 10~7 м). Соответственно типам пор адсорбенты бывают микропористые, переходные и макропористые. Но в большинстве случаев промышленные адсорбенты, применяемые для очистки газовых выбросов, относятся к смешанному типу. Промышленные адсорбенты должны иметь развитую удельную поверхность. Так, удельная поверхность адсорбентов с переходными порами колеблется от 10 до 400 м2/г. Поглощающая способность поверхности адсорбентов объясняется особым (несимметричным) состоянием молекул на границе раздела фаз. Как термодинамический процесс адсорбция характеризуется уменьшением свободной энергии системы адсорбент - адсорбат. На практике применяются следующие адсорбенты: активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.

Активные угли представляют собой специально обработанные угли для освобождения их пор от смолистых веществ и увеличения адсорбирующей поверхности. Получают их из различных видов органического сырья: твердого топлива, древесины, ореховой скорлупы, отходов кожевенной промышленности и др. Активные угли характеризуются двумя отличительными свойствами: гидрофобностью и горючестью. По размеру и форме частиц они бывают гранулированные и порошкообразные. Гранулированные угли используют в аппаратах с неподвижным слоем, порошкообразные -- только для очистки жидкостей. Уголь является единственным неполярным адсорбентом, имеющим промышленное значение. Он обладает поверхностью, состоящей практически из нейтральных атомов одного вида с равномерным распределением зарядов без градиента потенциалов. Уголь является очень эффективным адсорбентом для неполярных органических молекул, даже в присутствии паров воды.

К неполярным адсорбентам относятся силикагели, алюмогели, цеолиты, некоторые оксиды металлов. По своей природе силикагель является гидрофильным адсорбентом с высокой адсорбционной емкостью.

Силикагели используют для осушки газов и поглощения паров полярных органических веществ, например метанола. По сравнению с углями силикагели негорючи, имеют низкую температуру регенерации (100 -- 200°С) и соответственно меньшие энергетические затраты на десорбцию. Их возможно синтезировать в широком интервале заданных структурных характеристик при использовании несложных технологических приемов.

Цеолиты по химической природе являются алюмосиликатами, они содержат оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов и подразделяются на природные и синтетические. Цеолиты отличаются строго регулярной структурой пор, заполненных при нормальной температуре водой. Нагреванием можно выделить цеолитную воду, а освободившиеся поры могут заполняться другими веществами (жидкими или газообразными). Цеолиты с очень тонкими порами,

размеры которых соизмеримы с размерами молекул, называют молекулярными ситами.

Из природных цеолитов практическое применение находят клиноптилолит, морденит, шабазит, эрионит. Разработаны технологии получения синтетических цеолитов, которые представлены алюмосиликатами натрия, кальция и некоторых других металлов. Для адсорбции газовых компонентов применяют преимущественно синтетические цеолиты типов NaA, CaA, CaX, NaX, выпускаемые в виде шарообразных гранул или цилиндров. Основным достоинством цеолитов является то, что их можно использовать при высоких температурах, когда силикагель и глинозем теряют эффективность. Цеолиты применяют как селективные адсорбенты.

В последнее время для очистки газовых выбросов от вредных примесей предложено использовать иониты и активированные углеродные волокна.

Все адсорбенты разделяют на 3 группы:

неполярные -- на них происходит в основном физическая адсорбция;

полярные, где происходит физическая адсорбция без изменения химической структуры молекул газа и поверхности адсорбента;

адсорбенты, имеющие поверхности с чисто химической адсорбцией.

Механизм адсорбции молекул газа на поверхности твердых тел очень сложен и зависит от физических и химических свойств как адсорбента, так и адсорбата в каждом конкретном случае.

При адсорбции молекулы газа осаждаются на поверхности адсорбента также, как и при конденсации, а затем удерживаются на ней физическими или химическими силами, или одновременно теми и другими. Это определяется химической природой как адсорбента, так и адсорбата. Некоторые поверхности обладают способностью селективно адсорбировать Определенные виды молекул.

Адсорбция газа на поверхности адсорбента происходит в несколько стадий. На первой стадии осуществляется перенос молекул газа к внешней поверхности адсорбента, на второй стадии молекулы газа проникают в поры адсорбента, на третьей -- происходит собственно адсорбция молекул в определенные области поры. Третья стадия протекает очень быстро по сравнению с первыми двумя.

Отработанные адсорбенты подвергают регенерации, которая осуществляется либо термическим методом, либо десорбцией насыщенным или перегретым паром. Иногда используют инертные газы. Термическая регенерация проводится при 700 -- 800°С, при этом возможны потери адсорбента (5 -- 10%).

При регенерации десорбцией используется нагретый пар при 200 -- 300°С или инертные газы при 120-- 140°С.

Адсорберы, применяемые для очистки газов, подразделяются на аппараты периодического и непрерывного действия. В аппаратах периодического действия слой адсорбента неподвижен, а непрерывные процессы осуществляются в адсорберах с движущимся или кипящим слоем поглотителя.

3.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис.7) состоит из адсорбера-1, заполненного активированным углем; воздуходувки-7; источника паров ацетона-10 с дозирующим вентилем-11; сборника конденсата-4; поглотителей-6, 12; ротаметра-9; регулирование направлений газового потока осуществляется трехходовыми кранами-5, 8, 11.

Для проведения работы на установке необходимо загрузить адсорбер активированным углем через штуцер-2, включить воздуходувку-7 и установить по ротаметру-9 необходимый расход воздуха с помощью регулирующего крана-8. Емкость-10 заполнить ацетоном и краном-11 подавать его пары в воздушный поток от вентилятора. Концентрацию ацетона в воздухе до и после очистки измеряют с помощью поглотителей-6, 12. Газ на очистку подается в адсорбер-1, конденсат собирается в емкость-4. Поток очищаемого газа выводится в вытяжной шкаф. Концентрацию ацетона в воздухе можно регулировать с помощью вентиля-11, а в случае необходимости использовать либо охлаждение емкости-10 льдом, либо ее подогрев на водяной бане. Установка периодического действия. Для десорбции ацетона из угля необходимо продуть ее горячим воздухом. Выгрузка отработанного адсорбента осуществляется через штуцер-3.

Порядок выполнения работы

В соответствии с заданием преподавателя установить необходимый расход воздуха краном-8, открыть кран-11 для подачи паров ацетона в воздушный поток. Определить концентрацию ацетона в воздухе до подачи в адсорбер. После очистки краном-5 направить воздушный поток в поглотитель-6 для отбора пробы на содержание ацетона после адсорбции. При необходимости более точного определения концентрации ацетона ставят последовательно несколько поглотителей-6.

Для отбора пробы воздух просасывают через поглотитель (или поглотители), заполненный 4 мл дистиллированной воды, с расходом 300 мл/мин в течение 5 -- 10 мин. Для точных анализов при отборе проб необходимо измерить температуру воздуха и атмосферное давление.

3.3 Анализ отобранных проб

Приборы, аппаратура, посуда: колбы конические, колбы мерные на 50 мл, пипетки на 1--2 мл, поглотительные склянки, пробирки с пробками, фотоколориметр, воздуходувка, секундомер, весы.

Реактивы: КОН, ацетон, йод 0,1 н (фиксанал).

Метод основан на взаимодействии ацетона с йодом в щелочной среде с образованием взвешенной в растворе мути йодоформа по реакции:

(СH3)2СО + 3I2 + 4 КОН > CHI3+ CH3COOK. + 3KI + ЗН20.

После отбора проб из поглотителя отобрать 2 мл раствора, поместить в пробирки, добавить 1,5 мл КОН (50% масс) и I мл 0,1 н раствора I . Содержимое встряхивать в течение 5 мин, а затем измерить интенсивность помутнения раствора в кювете на 10 мл при длине волны 400 нм. В качестве раствора сравнения нужно использовать дистиллированную воду. Время с момента добавления реактивов до измерения оптической плотности должно быть строго выдержано. Концентрацию его С, мг/л рассчитывают по формуле:

где

а -- количество вещества, найденного в анализируемом объеме поглотительного раствора, мкг или мг; V -- общий объем поглотительного раствора, мл;

b - объем поглотительного раствора, взятый для анализа, мл:

Vcm -- объем воздуха, отобранный для анализа, приведенный к стандартным условиям при Т = 20°С (293 К) и атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм рт.ст.):

Где Vt -- объем воздуха при температуре t в месте отбора проб, л;

Р -- атмосферное давление, мм рт.ст.;

t -- температура воздуха, °С.

Степень очистки воздуха n в адсорбере рассчитывают по формуле:

где Свх , Свых -- концентрация ацетона соответственно на входе и выходе из адсорбера.По заданию преподавателя можно исследовать зависимость степени очистки газа от расхода воздуха, концентрации в нем ацетона, типа адсорбента, а также найти адсорбционную емкость и время защитного действия адсорбента

Построение градуировочного графика

В мерную колбу вместимостью 50 мл наливают 10--15 мл воды и взвешивают. Затем добавляют 2--3 капли перегнанного ацетона и колбу снова взвешивают. По разности масс находят навеску ацетона и, разделив ее на объем колбы, определяют содержание ацетона в 1 мл раствора. Этот раствор считают основным рабочим раствором. Из него готовят раствор с-содержанием 0,01 мг/мл ацетона, который устойчив в течение рабочего дня.

Шкала стандартов готовится в соответствии с табл. 3.

Табл. 3.

Реактив	0	1	2	3	4	5	6	7
Стандартный раствор, содержащий 0,01 мг/л ацетона, мл	0	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,5
Вода, мл	2	1,9	1.8	1,6	1,4	1,2	1,0	0,5
Раствор КОН (50%)	во все пробирки по 1,5 мл
Раствор, (0,1 н)	во все пробирки по 1,0 мл
Содержание ацетона, мкг	0	1	2	4	6	8	10	15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ОЧИСТКА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИЕ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УЧАСТКОВ

Нефтепродукты в сточных водах АТП и АРП могут быть в свободном, эмульгированном и растворенном состоянии. Наличие эмульгированных нефтепродуктов характеризуется попаданием в сток эмульсий и СМС при мойке автомашин, деталей и узлов.

Масляные эмульсии, попадающие в сток, представляют собой коллоидные растворы, которые состоят из капелек минерального масла, окруженных ионами эмульгатора и ориентированных углеводородными радикалами в сторону масла, а карбоксильными группами в сторону дисперсионной среды (воды). Очистка маслоэмульсионных стоков является серьезной задачей.

Количество нефтесодержащих сточных вод, образующихся на АТП, колеблется от 50 до 1000 м3/сут. Объем сточных вод АРП относительно невелик, но отличается большой загрязненностью, трудностью обработки и высоким содержанием вредных веществ. Необходимо повышение качества ремонта, культуры производства и уменьшение количества требуемой воды для мойки агрегатов и узлов.

Наибольшее количество стоков с высокой концентрацией загрязнений на АРП поступает от участков наружной мойки автомобилей и разбо-рочно-моечного участка. Эти стоки характерны только для АРП и существенно отличаются от стоков промышленных предприятий.

Разборочно-моечный участок АРП обычно состоит из 5--10 моечных постов для мойки кабин, оперения и отдельных узлов и деталей. Почти все установки разборочно-моечного участка имеют оборотную систему подачи моющих растворов, в качестве которых используется вода (80--100 °С) с добавлением едкого натра или технических моющих средств типа Лабо-мид или Темп. После мойки в горячем растворе узлы и агрегаты ополаскиваются горячей водой (80--100°С). Детали, прошедшие очистку растворами типа Лабомид, не требуют ополаскивания. После многократного использования моющие растворы и промывочные воды содержат взвешенные вещества и нефтепродукты в эмульгированном состоянии. Отработанные растворы типа Лабомид, поступающие от моечных машин, содержат переднем 5 г/л нефтепродуктов, 20 г/л щелочных электролитов, 0,1 г/л ПАВ.

Количество стоков составляет: непрерывных -- 30--100 м3/сут, периодических -- 20--30 м3/смену. К непрерывным относятся стоки от промывки аккумуляторов и деталей после смены моющего состава, к периодическим (единовременный сброс от ванн, установок, а также воды от промывки этих ванн. Периодический сброс производят в основном в ночную смену. Такая технология требует увеличения очистных сооружений, поэтому периодический спуск стока осуществляют строго по графику.

Сильное механическое перемешивание моющего раствора (перекачка в оборотной системе) и длительный контакт загрязнений с раствором обусловливают стабилизацию эмульсий.

Это влияет на снижение эффективности моющего раствора и увеличивает затраты тепловой энергии на 20--45% (на подогрев обрабатываемой жидкости). Чем дольше не выводится из раствора загрязнение, тем больше накапливается нефтяных мыл и тем стабильнее становится эмульсия. Поэтому для продления срока службы раствора и повышения качества мойки поверхностей необходимо применять технологическую очисткумо-ющего раствора в процессе его использования;

Очистка раствора производится отстоем с коагуляцией и фильтрацией (коагуляция может быть заменена электрокоагуляцией).

Наиболее рациональными методами очистки растворов являются ультрафильтрация через полупроницаемые мембраны.

Ультрафильтрация. Способ ультрафильтрационного разделения масляных эмульсий состоит в том, что эмульсия с определенной скоростью под давлением до 0,5 М Па прокачивается вдоль мембран. При этом вода вместе с истинно растворимыми солями проходит через мембраны, а частицы минеральных масел, продуктов их превращений, а также самые мельчайшие механические примеси задерживаются. Задерживаются также отдельные компоненты моющих средств, физически адсорбирующиеся на частицах загрязнений и образующие нерастворимые комплексы с загрязнениями или солями воды. Это в некоторой степени относится к ПАВ и полифосфатам натрия.

Постоянное движение эмульсии позволяет обновлять ее у поверхности мембраны и создает условия, при которых производительность фильтрации незначительно понижается вплоть до содержания масла около 40%, а затем резко падает. Эта пороговая концентрация зависит также от интенсивности перемешивания и скорости движения потока вдоль трубок, температуры концентрированной эмульсии и давления во всех последовательно соединенных трубчатых мембранах, а также концентрации и вида ПАВ. Для регенерации водных растворов технических моющих средств разработаны блоки трубчатых ультрафильтрационных мембран БТУ 0,5/2 Ф1. В одном блоке объединены семь трубок с внутренним диаметром 12,6 мм и длиной 2 м путем заливки их с двух сторон эпоксидной композицией. Каркас трубок изготавливается из стеклоткани с порами около 10--14мкм. В этих трубках на внутреннюю поверхность нанесена фторлоновая мембрана толщиной 60--100 мкм, имеющая поры со средним диаметром около 500 А0. Материалы трубок и мембраны выдерживают водные растворы кислот и щелочей при температуре 20--70°С. Поэтому все моющие щелочные растворы могут регенерироваться в холодном или нагретом до рабочей температуры виде.

Для уменьшения забивания пор трубчатых мембран рекомендуется поддерживать в них скорость потока не менее 5 м/с и периодически, по мере снижения производительности фильтрования, промывать моющими растворами. Иное положение складывается при ультрафильтрации эмульсий моющих растворов. Так как они обладают достаточной моющей способностью по отношению к масляным загрязнениям, которые I являются основным фактором закупоривания (замасливания) пор, то при наших испытаниях не наблюдалось закупоривание и при скорости 1,2 м/с. Особенно хорошие результаты ультрафильтрации достигаются при подогретых растворах, когда наиболее полно проявляется их моющая способность. С повышением температуры разделяемой эмульсии производительность ультрафильтрации возрастает прямолинейно. Например, при температуре 20°С производительность фильтрации через мембраны БТУ 0,5/2 Ф1 составляет около 50 л/(м2-ч), а при температуре 70°С - 150-350 л/(м2 * ч).

Применение мембранной технологии разделения масляных эмульсий является значительным прогрессом в решении проблемы охраны окружающей среды.

Основные достоинства процесса мембранного разделения эмульсий и суспензий: газовоздушный выброс очищение вода

· не требуется введения химикатов, снижающих стабильность разделяемых систем;

· высокая степень чистоты фильтрата и практически полное сохранение в нем моющих компонентов;

· практически отсутствует зависимость эффективности и производительности фильтрации от марки технического моющего средства, стабильности и концентрации нефтепродуктов в эмульсии до 300 г/л;

· компактность установки, малые суммарные затраты на ее обслуживание и эксплуатацию, малые потери моющих растворов при фильтрации;

· возможность бесконечного использования моющей жидкости без образования сточных вод.

Ультрафильтрацией достигается высокая степень концентрирования выделенных нефтепродуктов (до 30%-ной эмульсии). Такая эмульсия становится нестабильной. Поэтому, давей отстояться в течение нескольких часов, можно получить еще более концентрированную эмульсию, которая пригодна к сжиганию через форсунки и иногда к регенерации.

Из недостатков мембранной ультрафильтрационной установки следует отметить недопустимость присутствия в очищаемой эмульсии твердых абразивных взвесей крупностью более 50--100 мкм из-за возможного износа мембраны движущейся суспензией. Поэтому мембранную установку ставят, как правило, после отстойника, грубого фильтра или другого очищающего устройства, обеспечивающего требуемый класс чистоты жидкости. Ультрафильтрационная установка (рис.) включает емкость-отстойник для отработанного моющего раствора, три бака 9,10, 11, блоки 6 ультрафильтрационной очистки, насос 8, трубопроводы и запорную аппаратуру. Отстоявшийся раствор из дополнительного отстойника самотеком поступает по трубопроводу 1 через запорное устройство 13 в бак 10. Из него насос 8 забирает моющую жидкость и попадает по напорному патрубку в блоки трубчатых ультрафильтров 6. Очищенный раствор по трубопроводу 5 сливается в бак 11, а в бак 10 автоматически доливается подлежащая очистке эмульсия. Со временем в баке 10 накапливается все более концентрированная эмульсия. При определенной концентрации масла, близкой к 40%, производительность ультрафильтрации резко падает. Поэтому установка должна быть оснащена прибором контроля содержания масла. При достижении упомянутой концентрации по команде прибора автоматически концентрат перекачивается в бак 9. После заполнения бака 10 новой порцией эмульсии цикл ультрафильтрации повторяется. Фильтрат периодически сливается в емкость для регенерированного моющего раствора. На некоторых ультрафильтрационных установках в тех случаях, когда требуется очень чистый фильтрат, для его откачки устанавливается специальный насос. В ультрафильтрационной установке ОМ-22629 вместо прибора контроля масла установлено устройство контроля производительности. Поэтому недопустимо малая производительность фильтрации служит сигналом для перекачки концентрата из среднего бака 10 в бак 9 и к обновлению регенерируемого моющего раствора в баке 10. Описанная схема ультрафильтрационной установки позволяет при необходимости промывать трубчатые мембраны фильтратом, если внутренние поверхности трубок замаслятся.)

Схема ультрафильтрационной мембранной установки: 1 -- трубопровод подачи раствора на очистку; 2 -- электромагнитное запорное устройство; 3 -- фильтр грубой очистки; 4, 7 -- манометры; 5 -- трубопровод ультрафильтрата; 6 -- блоки трубчатых ультрафильтрационных мембран; 8-- насос; 9--бак концентрата; 10-- бак для грязного раствора; 11 -- бак фильтрата; 12 -- трубопровод слива фильтрата; 13 -- поплавковое запорное устройство

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД СОДЕРЖАЩИХ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ

Наиболее токсичные сточные воды, сбрасываемые АРП, поступают от цехов и участков гальванических покрытий и других видов обработки поверхностей металлов (травления, пассивации, электрополировки, никелирования и др.). Эти сточные воды содержат кислоты, щелочи, соединения хрома, соли меди, никеля, цинка, кадмия и других металлов. Сброс этих сточных вод в открытые водоемы и городскую канализацию недопустим без соответствующей очистки.

Основное количество кислотно-щелочных стоков от гальванических участков поступает непрерывно в течение смены от промывки изделий после обезжиривания, травления, нанесения защитных и декоративных покрытий. Периодически сбрасываются отработанные растворы электролитов от основных ванн в их промывные воды.

Стоки гальванических участков АРП характеризуются следующей концентрацией загрязнений (мг/л):

Взвешенные вещества 400--800

Сухой остаток 600--3000

Хлориды (С1-) 500-1000

Сульфаты (80 ~2) 400-800

Хром(Сг+6) 200-240

Ионы тяжелых металлов 200--500

Количество сточных вод от гальванических участков АРП зависит от назначения и программы предприятия и составляет около 5--7 м3/сут. Наиболее постоянным стоком является сток от промывки деталей. Количество сточных вод составляет в среднем для холодной промывки 0,6--0,8 м3/ч, для горячей -- 0,3--0,5 м3/ч.

Отработанные растворы из рабочих ванн сменяются один раз в несколько суток. Травильные растворы сменяются один раз в 3--12 сут. Электролиты, содержащие хром, заменяются в тех случаях, когда в ваннах скапливается значительное количество грязи и примесей, нарушающих технологический процесс. Растворы фильтруются, корректируются и возвращаются в рабочие ванны, а сток от промывки спускается в канализацию.