Абсорбционная очистка вентиляционных газов jт N-метилформамида и выделение его в чистом виде методом ректификации

 

Рис. 5.1 Энергетические схемы прохождения реакций

 

Зная энергию активации, можно рассчитать константу скорости реакции (К2) при температуре Т2, если она известна при температуре Т1. Логарифмируя уравнение (5.1), далее записывая его для двух температур, вычитая одно уравнение из другого и учитывая, что Е и А не зависят от температуры получаем

                                                              

Исходя из этого уравнения можно определить энергию активации, знак константы скорости реакции при двух температурах.

Теоретическое обоснование уравнения Аррениуса дала теория переходного состояния Эйринга и Поляни. Основное уравнение этой теории раскрывает смысл энергии активации и предэкспоненциального множителя

                                              

где NA = 6,02*1023 – число Авогадро; h = 6,625*10-34 Дж*с – постоянная Планка; – энтропия образования переходного состояния; – энталь-пия образования переходного состояния.

 

2. влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции

Скорость реакции по закону действующих масс пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. Для реакции (5.6) скорость реакции равна

                                                                    

                                                                      

где nA и nB  - частные порядки реакции по компоненту «А» и компоненту «В» соответственно.

Константа скорости реакции не зависит от концентрации реагентов и времени реакции.

В закрытых системах концентрация исходных веществ со временем уменьшается, и скорость реакции падает. В открытых системах при стационарном процессе (большинство процессов в проточных промышленных реакторах) концентрации реагирующих веществ и скорости химического процесса в данной области реактора остаются постоянными.

Следует заметить, что при увеличении начальной концентрации загрязняющего вещества в 10 раз не значительно повлияет на скорость химической реакции, а, следовательно, на время очистки, что далее будет приведено в расчетах.

 

 

 

3. Расчет кинетики биологической очистки низкоконцентрированных растворов от органических веществ

 

Кинетику биологической очистки сточных вод будем рассчитывать исходя из следующих данных: К1 = 0,32 ч-1, К2/К1 = =2,7, t1 = 17 0C, t2 = 27 0С, при этом порядок реакции (n) примем равный 1.

 

Направим разбавленный раствор с концентрацией C0 = 16,47 г/л на биологическую очистку. Необходимо произвести снижение концентрации N-метил-формамида до ПДК Cк = 10 мг/л путем биохимического разложения.

Известно, что разложение N-метилформамида описывается кинетическим уравнением первого порядка с константой скорости К1 = 0,32 ч-1 при температуре 17 0С.

Уравнение кинетики первого порядка

Разделяем переменные и интегрируем это уравнение

где С0, С – концентрации C2H5NO в моменты времени 0 и τ.

Подставляем в него исходные данные. При этом концентрацию С0 разбавляем в 10 раз, т.е. С0 = 16470/10 мг/л = 1647 мг/л. В конце получаем уравнения, которые позволяют прогнозировать изменение концентрации C2H5NO и скорости процесса во времени.

                                          

Для построения кинетической кривой по уравнениям (5.9) и (5.10) рассчитываем изменение концентрации и скорости процесса в произвольные моменты времени до достижения концентрации N-метилформамида ниже ПДК. Полученные данные сводим в таблице 5.1.

 

Таблица 5.1 – Кинетика биохимического разложения C2H5NO

τ, ч	2	4	6	8	10	12	14	16	18
lnC	6,77	6,13	5,49	4,85	4,21	3,57	2,93	2,29	1,65
C, мг/л	868	458	242	127	67	35	19	9,8	5,2
ω, мг/ч*л	278	146	77	41	22	11,3	5,97	3,15	1,66

 

Из таблицы 5.1 видно, что ПДК может быть достигнута за время менее 18 ч. Скорость разложения N-метилформамида велика в начале процесса, когда концентрация N-метилформамида в растворе большая, а затем быстро уменьшается из-за снижения движущей силы процесса – разницы рабочей и равновесной концентраций. Кинетические кривые, построенные согласно вычислениям, приведены на рисунке 5.2: наблюдается линейная зависимость lnC = f (τ), конечный участок кривой представлен в большем масштабе (правая ось и правая кривая).

Время достижения ПДК можно вычислить по уравнению (5.9)

Кроме концентрации на скорость существенное влияние оказывает температура. В данном случае при увеличении температуры до 27 0С константа скорости возросла в два раза. Это позволяет вычислить энергию активации E и с помощью уравнения Аррениуса (5.2) прогнозировать скорость процесса при изменении температуры.

Решая систему уравнений (5.2) и (5.3), вычисляем энергию активации E и предэкспоненциальный множитель K0:

Рис. 5.2 Кинетические кривые очистки раствора от C2H5NO

 

Таким образом, для данного процесса уравнение Аррениуса можно записать в виде

                          

Энергия активации E = 71,8 кДж/моль> 30 кДж/моль характерна для кинетической области протекания процесса биологической очистки. Дополнительную информацию о процессе можно получить из уравнения кинетики переходного состояния (5.5):

Полученные данные позволяют вычислить :

Энергия Гиббса образования переходного состояния будет равна

т.е. в данном случае основное значение при образовании переходного состояния имеет энергетическая составляющая ( ), энтропийный член ( на несколько порядков ниже.

 

 

 

4. Прогноз изменения времени процесса при колебаниях температуры ±5 0С и увеличении концентрации сточных вод в 10 раз

 

Полученные выше данные позволяют прогнозировать время контакта сточных вод с активным илом при изменении концентрации N-метилформамида и температуры среды. Это есть совместное решение уравнений (5.8) и (5.11)

Рассмотрим как изменится время очистки по сравнению с предыдущими расчетами (t = 17 0C) при колебании температуры ±5 0С:

температура 22 0С;          Т = 273+22 = 295 К;

температура 12 0С;            T = 273+12 = 285 К;

Как видно, даже небольшие изменения температуры приводят к резкому изменению скорости процесса очистки. Значительно меньше влияет изменение начальной концентрации N-метилформамида. Пусть в условиях предыдущего расчета (t = 12 0C) начальная концентрация возросла в 10 раз, т.е. С0 = 16490 мг/л

Таким образом, изменение концентрации в 10 раз увеличило время реакции на 45 %.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной работе были проведены расчеты по очистке газо-воздушных выбросов от паров N-метилформамида методом абсорбции. В качестве поглотителя использовалась вода. Применение абсорбционного метода очистки обусловлено высокой интенсивностью абсорбционных процессов и экономичностью. Также абсорбция – непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. Но также существуют недостатки, связанные, прежде всего, с громоздкостью оборудования.

Далее в работе были проведены расчеты процесса ректификации. После ректификации были получены концентрации дистиллята и кубового остатка.

Так же была рассчитана кинетика биологической очистки, в которой были выведены зависимости времени процесса от температуры и начальной концентрации.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Панов В. П. Теоретические основы защиты окружающей среды / В. П. Панов, Ю. А. Нифонтов, А. В. Панин – М.: Академия, 2008 –

320 с.

2. Вредные вещества в промышленности: Справочник. Изд. 7-е. В 3 т. Т. 2 / Под ред. Н. В. Лазарева и Э. Н. Левиной – Л.: Химия,1976. – 608 с.
3. Рамм В. М. Абсорбция газов / В. М. Рамм. – М.: Химия, 1976. – 656 с.
4. Гребенников С. Ф. Физическая и коллоидная химия процессов защиты и реабилитации объектов окружающей среды / С. Ф. Гребенников, Л. М. Молодкина, М. Ю. Андрианова – СПб.: СПГУТД, 2010 – 421 с.
5. Романков П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии / П. Г. Романков, В. Ф. Фролов, О. М. Флисюк – СПб.: - ХИМИЗДАТ, 2009 – 544с.
6. Гребенников С.Ф. Физико-химические расчеты в инженерной защите окружающей среды: учеб. пособие для вузов / С. Ф. Гребенников,   

 И. И. Шамолина, А. Т. Кынин. – СПб.: СПГУТД, 2001.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВРЕДНОЙ  ПРИМЕСИ 4

2. РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ  КОМПОНЕНТА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ПРИМЕСЕЙ 5

2.1. Токсикологическая характеристика N-метилформамида 6

2.2. Вывод 6

3. ОЧИСТКА ВОЗДУХА ОТ  ПАРОВ N-МЕТИЛФОРМАМИДА МЕТОДОМ АБСОРБЦИИ 7

3.1. Характеристика метода абсорбции 7

3.2. Расчет равновесной концентрации абсорбата xаб при

использовании чистой и артезианской воды 9

4. РЕКТИФИКАЦИЯ РАСТВОРА N-МЕТИЛФОРМАМИДА В ВОДЕ 12

4.1. Характеристика процесса  ректификации 12

4.2. Расчет процесса ректификации 13

5. КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ  ОЧИСТКИ НИЗКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ  РАСТВОРОВ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ 18

5.1. Принципы очистки сточных  вод 18

5.2. Кинетика биологического процесса 19

  5.3. Расчет кинетики процесса по данным К1 = 0,32 ч-1, К2/К1 = =2,7,

t1 = 17 0C, t2 = 27 0С 22

5.4. Прогноз изменения времени процесса при колебаниях

температуры ± 5 0С и увеличении концентрации сточных вод

в 10 раз……………………………………………………………………26          

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 28