3 страница. /Грушко Я.M., Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу

/Грушко Я.M., Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справ. изд. – Л.: Химия, 1987. – 192 с./

1. Al – алюминий /температура плавления 660,4 °С, плотность 2699 кг/м³/.

Вызывает пневмосклероз, алюминоз, поражение печени, дерматит, acтму, изменения в тканях глаза.

Перед такой "перспективой" возникает желание собрать всю домашнюю алюминиевую посуду и сдать ее в металлолом.

1. Fe – железо /1539 °С, 7870 кг/м³/.

Отставание в росте, изменения в легких, раздражающее действие /глаза, слизистые оболочки/, канцерогенное действие.

1. Сd – кадмий / 321,1 °С, 8650 кг/м³/.

Головокружение, головная боль, слюнотечение, кашель, рвота, носовое кровотечение, прободение носовой перегородки, металлический вкус во рту, желто-золотистое окрашивание десен – "кадмиевая кайма", эмфизема и фиброз легких, поражение костей, канцерогенное, мутагенное и тератогенное действие.

1. Сu – медь /1084,5 °С, 8960 кг/м³/.

Мутагенное действие, головная боль, головокружение, слабость, боли в мышцах, нарушение функции печени и почек, раздражает кожу и глаза, изъявление носовой перегородки и роговицы глаза, расстройства нервной системы, сладкий вкус во рту, повышение температуры тела до 38-39 °С, "медная лихорадка".

1. Ag – серебро /261,9 °С, 10500 кг/м³/.

Пигментация кожи и слизистых оболочек.

1. Zn – цинк /419,5 °С, 7130 кг/м³/.

Канцерогенное действие, сладкий вкус во рту, сухость в горле, кашель, тошнота рвота, раздражение кожи и слизистых оболочек, бессонница, похудение, ослабление памяти, потливость, малокровие, кровоизлияния, отек легких.

Пауза. Реклама автомобиля ИЖ: "А кузов-то – с оцинковкой. Будете ездить со сладким вкусом во рту...".

1. Ni – никель /1455 °С, 8900 кг/м³/.

Канцерогенное, мутагенное и тератогенное действие.

1. Ti – титан /1665 °С, 4320 кг/м³/.

Канцерогенное действие.

Рекомендуются:

/Малахов А.И., Андреев Н.Х. Конструкционные материалы химической аппаратуры. – М.: Химия, 1978. – 224 с./

а/ Коррозионно-стойкие /нержавеющие/ конструкционные стали.

Например, сталь 2Х13 /0,2% углерода, 13% хрома/, термостойкость до 600 °С, предел прочности 850 МПа.

б/ Обычные углеродистые стали ст.2 и ст.З с покрытием:

– оловом, Sn, /231,9 °С, 5850 кг/м³/, жесть, консервные банки.

– эмалями на основе кремнийорганических соединений /плотность эмалей 2100-2500 кг/м³, термостойкость до 300 °С, предел прочности на сжатие 600 МПа.

– тефлоном /полимер CF₂=CFCl или фторопласт 3/, плотность 2100-2160 кг/м³, термостойкость до 210 °С, предел прочности при растяжении 35-40 МПа.

Б. Силикатные материалы

Данные сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Материал	Плотность кг/м3	Предел прочности при сжатии МПа	Предельная температура °С
Кварцевое стекло
Боросиликатное стекло	2200-2400	600-1300	300-400
Ситаллы	2500-2700	450-880	600-900
Фарфор	2300-2500	450-500

Следует обратить особое внимание на ситаллы – материалы будущего. Ситалл – прозрачный, коррозионно-стойкий материал, по прочности превосходящий обычную углеродистую сталь, а по плотности гораздо легче ее /на уровне алюминия/. В последнее время из ситалла изготовляют аппаратуру /включая трубопроводы/ для цеха по переработке молока, ректификационные колонны /пока небольшой производительности/ и др.

В. Полимерные материалы

1. Фторопласт 4 – полимер тетрафторэтилена, плотность 2160-2260 кг/м³, предел прочности при растяжении 14-25 MПa, предельная температура 327 °С /трубы, арматура, прокладки и др./.

2. Фторкаучук /условное название резины, содержащей фторкаучук и до 30% мас. наполнителя – кремнекислота, вулканизация проводится с применением диаминов/ – плотность 1800-1900 кг/м³, предел прочности на растяжение 20-25 МПа, предельная температура 200-250 °С /шланги, ленты, прокладки и др./.

Г. Другие материалы

В этой рубрике следует отметить материалы, которые не являются конструкционными для промышленности, но очень широко используются в артельных производствах /виноделие, квашение и др./, а также для изготовления бытовой утвари.

1. Дерево – плотность сырой древесины 300-900 кг/м³, предел прочности на сжатие: пихта – 47, дуб – 65 МПа; термостойкость до 150 °C, температура вспышки /при внесении огня/ 230-260 °С, температура самовоспламенения: /нагревание без огня/ около 400 °С.

В настоящее время примерно треть земной суши покрыта лесами, но только 11% лесного покрова Земли можно назвать лесными угодьями, т.е. используются. Человек научился обрабатывать древесину более 10 тыс. лет назад. На Руси испокон веков были развиты ремесла по обработке дерева /чаны, бочки, кадки, посуда и др./. Некоторые ремесла дошли до наших дней и вышли на уровень искусства, например, производство деревянной посуды с яркой лаковой росписью /Хохлома/, которая имеет большой спрос, особенно у иностранцев.

1. Керамика /фаянс/ – обожженная смесь гончарной глины, кварцевого песка, полевого шпата и др., покрытая глазурью. Температура обжига 1250-1300 °С, плотность 1800-1900 кг/м³, предел прочности при сжатии 100-130 МПа.

Археологические раскопки у села Триполье Киевской области показали, что по крайней мере 6 тыс. лет назад человек знал гончарное ремесло. Изготовлялись: кувшины, вазы, чаши, посуда, плитки и др. В настоящее время производство фаянсовых изделий /посуда, сантехника, плитка и др./ осуществляется на промышленной основе.

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, должен быть представлен расчет на прочность по формуле Госгортехнадзора. Толщина стенки аппарата:

мм /8/

где D_в – внутренний диаметр аппарата, мм,

p – расчетное давление, МПа /1,03-1,1 от номинального/,

φ – поправочный коэффициент прочности сварного шва /1,0-0,8/,

С – прибавка на коррозию, мм,

σ _доп – допустимое напряжение, МПа.

Для аппаратов, расположенных на открытом воздухе, проводится расчет на ветровую нагрузку. Скорость ветра принимается 45 м/с /скорость урагана 33 м/с/. Для вращающихся барабанов, имеющих две опоры, осуществляется расчет на изгиб. Для решеток, работающих под нагрузкой, представляется расчет на срез.

ЭРГОНОМИКА, ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Эргономика – наука, занимающаяся изучением взаимной адаптации человека и машины. Эргономические показатели отражают взаимодей­ствие человека с техникой в комплексе гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических свойств человека.

Эргономика непосредственно связана с техникой безопасности, собственно, вышла из нее. При выборе вариантов аппаратуры, например, нужно предусматривать ограждения вращающихся деталей, удобство фор­мы и расположение рукояток управления, небольшие усилия для приведения их в действие. Между аппаратами должны быть достаточные проходы для удобства обслуживания и ремонта. Если аппараты располагаются на откры­том воздухе /выпаривание, ректификация/, то рабочее место оператора должно быть организовано рядом в помещении. Освещенность, температура и влажность воздуха на рабочем месте должны соответствовать стандарту /кондиционер/. Рабочее место должно быть защищено от запыленности, шума, вибрации, излучения, действия вредных веществ, иметь запасной выход для срочной эвакуации. Персонал снабжается спецодеждой /каска, куртка, брюки, сапоги, рукавицы, очки и др./, питьевой водой /допус­каются чай и кофе/, горячим душем и т.д.

Эстетические показатели характеризуют информационную выразитель­ность, рациональность формы, целостность композиции, совершенство исполнения аппаратов и машин. Немаловажное значение имеет цветовое оформление аппаратов и рабочего места.

Для умственной работы /ИТР/ рекомендуются оттенки холодного цвета /голубой, зеленый/, для физической работы – оранжевый, желтый. Желательно иметь цветы или декоративные растения на рабочем месте.

По технике безопасности принимается следующая окраска трубопро­водов:

водяной пар – красный,

вода очищенная – зеленый,

пожарный трубопровод – оранжевый,

техническая вода – черный.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Экология – отношение организмов между собой и с окружающей средой.

Экологические показатели – это уровень вредных воздействий на окружающую среду, которые возникают при эксплуатации оборудования, например, содержание вредных примесей, вероятность выбросов вредных частиц, газов, излучений и др.

В условиях платности природных ресурсов возникает и платность за загрязнение окружающей среды. В зависимости от величины загрязне­ния взимаются платежи за сбросы загрязняющих веществ. Величина пла­тежей устанавливается на основании проекта норм предельно допустимых сбросов /ПДС/ и выбросов /ПДВ/.

Интегральный показатель выбросов

/9/

где

К – коэффициент выполнения нормативов,

а – коэффициент значимости,

Р_б – базовые показатели,

P_i – фактическое значение показателей ПДВ и ПДС.

При K_i < 1 наблюдается низкий уровень работы предприятия и оно должно быть остановлено.

Зоологическая экспертиза проекта установки, цеха или предприятия проводится по Закону РФ "0б охране окружающей природной среды". Экспертиза проводится Министерством охраны окружающей среды, Минздравом, Санэпиднадзором.

Проект должен обеспечивать улавливание, утилизацию, обезвреживание вредных веществ и отходов, либо полное исключение выбросов загрязняющих веществ.

МАСШТАБНЫЙ ПЕРЕХОД И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Различают три основных вида моделирования процессов:

1/ физическое,

2/ математическое,

3/ элементное.

1/ Физическое моделирование

По этому методу исследование процесса с обработкой опытных данных последовательно проводят на физических моделях: лабораторная /стекло, емкость до 1 л/, пилотная /металл, до 100 л/, полупромышлен­ная /до 0,5 м³/, промышленная /5 м³ и более/. Метод очень громоздкий и длительный, но обеспечивает надежные результаты.

Физическое моделирование основано на теории подобия.

Определение. Явлениями, подобными друг другу, называются системы тел,

а/ геометрически подобные друг другу;

б/ в которых протекают процессы одинаковой природы;

в/ в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа

x´ = a_x · x´´ /10/

где a_x – константа подобия.

Сам по себе принцип "подобия" был известен человечеству в глу­бокой древности /наглядный пример – египетские пирамиды/. Однако теория подобия сформировалась только в 20 веке. Основу теории сос­тавляют три теоремы.

/Брайнес Я.M. Подобие и моделирование в химической и нефтехимической технологии. – М.: Гостоптехиздат, 1961. – 220 с./

1-я теорема. Жозеф Бертран, французский математик, 1848 г.

– У подобных явлений индикаторы подобия равны единице или критерии подобия численно одинаковы.

/Индикатор подобия – комплекс констант подобия, критерий подобия – безразмерный комплекс величин/.

2-я теорема. Т.А. Афанасьева-Эренфест, 1925 г., отеч. математик.

– Система уравнений, буквенно одинаковая для группы подобных явлений, может быть преобразована в критериальное уравнение.

3-я теорема. М.В. Кирпичев, А.А. Гухман, 1930 г., отеч. ученые.

– Для подобных явлений критерии подобия, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

Условия однозначности включают:

а/ геометрические размеры системы;

б/ физические константы веществ;

в/ характеристика начального состояния системы;

г/ состояние системы на ее границах /граничное условие/.

Таким образом, применение теории подобия к исследованию и раз­работке процесса состоит в следующем.

1. Составление полного математического описания процесса, т.е. вывод дифференциального уравнения и постановка условий однозначности.

2. Проведение подобного преобразования дифференциального уравнения и условий однозначности, определение критериев подобия и об­щего вида критериального уравнения / метод анализа уравнений /.

3. Определение опытным путем на моделях конкретного вида критериального уравнения /физическое моделирование/.

Для сложных процессов, когда невозможно пока составить дифферен­циальное уравнение, критерии подобия получают на основе метода ана­лиза размерностей величин, влияющих на процесс /теоремы Бертрана и Букингэма/. Таким методом были, например, получены критерии меха­нического перемешивания.

Различают геометрическое, гидродинамическое, тепловое, диффузионное и химическое подобие.

Геометрическое подобие учитывается симплексами "Г", например, отношение длины трубопровода к диаметру.

Гидродинамическое подобие изучается в курсе гидравлики на примере подобного преобразования уравнения Навье-Стокса. Тепловое и диффузионное подобия рассматриваются в дисциплине ПАПП.

Вспомним критериальное уравнение гидродинамики:

/11/

где – критерий гомохронности, учитывает неустановившееся движение жидкости;

– критерий Фруда, учитывает силы тяжести;

– критерий Эйлера, учитывает силы гидростатического давления;

– критерий Рейнольдса, учитывает силы внутреннего трения.

2/ Математическое моделирование

Методы теории подобия применяются и при использовании других видов моделирования, в которых моделирующие процессы отличаются от моделируемых по физической природе. Важнейшим из них является математическое моделирование, при котором различные процессы воспро­изводятся на электрических моделях – электронных вычислительных машинах /ЭВМ/.

По Р. Фрэнксу общая схема математического моделирования включает семь стадий /Фрэнкс Р. Математическое моделирование в химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 272 с./.

1. Постановка задачи.
2. Определение фундаментальных законов, которым подчиняется механизм явлений, лежащих в основе проблемы.
3. На основе выбранной физической модели применительно к реша­емой задаче записывается система соответствующих математических уравнений.
4. Проводится естественное расположение уравнений с помощью
   построения блочной поточно-информационной диаграммы. Диаграмма
   отражает схему связей отдельных стадий технологического процесса.
5. Выбирается один из нескольких возможных способов решения системы уравнений /модели/, например, логический, аналитический, численный с применением ЭВМ.
6. Решение /анализ модели/.
7. Изучение и подтверждение результатов, полученных при решении математической модели /проверка адекватности модели/.

Математическое моделирование гораздо дешевле физического моде­лирования, позволяет решать вопросы автоматического регулирования и оптимизации процессов, исследовать процесс при неполном математи­ческом описании /кибернетическая задача/.

3/ Элементное моделирование

При этом моделировании процесс исследуется на элементарной ячейке промышленного аппарата, а сам аппарат принимается затем состоящим из сотен и тысяч таких ячеек. Например, исследуется теп­лообмен на одной трубке аппарата, а теплообменник будет состоять из 1000 таких труб. Метод применяется для процессов фильтрования, теплообмена, каталитического крекинга и др., позволяет в кратчайшие сроки перевести лабораторные данные в промышленность.

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В пищевых производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных смесей, которые в дальнейшем подлежат разделению /кристаллизация, сушка и др./.

Часто встречается задача противоположного характера: из веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, оказывается необходимым получить смесь /смешение, перемешивание/.

Решение как первой, так и второй задачи относится к области гидромеханических процессов.

Классификация

В гидромеханических процессах применяются неоднородные системы. Последние по меньшей мере состоят из двух фаз:

а/ внутренней или дисперсной фазы, находящейся в тонко раздробленном состоянии;

б/ внешней фазы или дисперсионной среды, окружающей частицы внутренней дисперсной фазы.

Различают системы.

1. Газ – твердое тело: а/ пыль, диаметр частиц 5-50 мкм,

б/ дым, 0,3-0,5 мкм.

/Для сравнения: размер космической пыли 0,1–1 мкм/.

1. Газ – жидкость: а/ туман 0,3–3 мкм; б/ пена.
2. Жидкость – твердое тело: а/ грубые суспензии, > 100 мкм,

б/ тонкие суспензии, 100-0,1 мкм,

в/ коллоидные растворы, < 0,1 мкм.

1. Жидкость – жидкость; а/ эмульсии.

По классификации гидромеханических процессов не существует единого мнения. Однако большинство авторов склоняется к следующей классификации.

1/ Разделение газовых неоднородных систем.

2/ Разделение жидких неоднородных систем.

3/ Псевдоожижение.

4/ Перемешивание.

Во всех гидромеханических процессах имеет место движение частиц в газовой или жидкой среде. Изучение закономерностей этого движения составляет важную задачу гидродинамики. Некоторые общие понятия и закономерности движения частиц рассматриваются ниже.

Движение тел в жидкостях

Определяющий размер

За определяющий размер твердой частицы произвольной формы принимается эквивалентный диаметр шаровой частицы, имеющей ту же массу /М/ и объем /V/.

/12/

где – плотность твердой частицы, кг/м³.

Режимы обтекания

Для оценки режима обтекания твердой частицы внешним потоком применяют число Рейнольдса:

/13/

где – плотность и вязкость среды.

Различают области.

1. Ламинарное обтекание, Re < 2 /0,1 по другим данным/.
2. Переходная область, 2 /0,1/ < Re < 500.
3. Турбулентное обтекание, Re > 500.

Осаждение частиц в поле силы тяжести

При осаждении частицы в неподвижной среде через короткий промежуток времени /от секунды до долей секунды/ устанавливается равновесие сил и движение частицы становится равномерным.

– Скорость равномерного движения частицы при балансе сил, действующих на нее, называется скоростью осаждения.

В идеальном случае действие сил на одиночную частицу шаровой формы при осаждении в неподвижной среде представлено на рис. 1.

Рис. 1. Силы, действующие на частицу при осаждении

в поле силы тяжести.

Силы: G_T – тяжести, А – Архимеда, R_c – сопротивления.

Баланс сил:

G_T – A = R_c /14/

Или

/14а/

где ξ – коэффициент сопротивления.

Откуда скорость осаждения

/15/

Для ламинарного режима: , d = 2 · r, тогда

/15a/

Уравнение /15а/ представляет собой закон Стокса.

Другая обработка. Умножим обе части уравнения /14а/ на

, левую часть – еще на ,

Или

; ;

Обозначим – критерий Архимеда, учитывает влияние выталкивающей силы /силы Архимеда/.

Тогда получим уравнение в общей форме:

Re = f(Ar) /16/

Уравнение /16/ для идеальных условий осаждения шаровой частицы принимает вид:

1. Ламинарный режим, Ar < 36 /3,6/

/16a/

1. Переходный режим, 36 < A_r < 83000

Re = 0,152 · /16б/

1. Турбулентный режим, A_r > 83000

Re = 1,74 · /16в/

Для реальных условий осаждения учитывает пристеночный эффект, коллективное осаждение и фактор формы частиц.

Осаждение частиц в поле центробежных сил

В поле центробежных сил на частицу массой "m", будет дополнительно действовать центробежная сила, как это показано на рис 2.

Рис. 2. Силы, действующие на частицу при осаждении

в поле центробежных сил.

R – радиус вращения частицы, W_R – окружная скорость, G_ц – центробежная сила, W_ос – скорость осаждения, Ц – центр.

Поле центробежных сил создается при вращении частицы относительно центра "Ц" с радиусом "R". Частица движется по окружности с окружной скоростью "W_R" и в то же время под действием центробежной силы отбрасывается к периферии /осаждается/ со скоростью "W_ос" вдоль радиуса "R". Частица пойдет по спирали /R будет увеличиваться/.

Центробежная сила

/17/

Вводим понятие – фактор разделения – показывает, во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести.

/18/

Для определения скорости осаждения, входящей в критерий Re, применяется уравнение

Re= A · (Ar · K_p)ⁿ /19/

Значения констант "А" и "n" для уравнения /19/ принимаются такими же из уравнений /16a, б, в/.

Неоднородные системы в пищевой промышленности имеют очень малый /микронный/ размер частиц. Осаждение таких частиц в поле силы тяжести будет протекать очень медленно по уравнению /16/. Например, осветление вин в бочках может длиться годами /заодно и выдержка/. Поле центробежных сил явилось мощным средством для интенсификации процесса осаждения. Осветление /декантация/ вин /а также растительного масла, соков и др./ в сверхцентрифугах /К_р = 60000/ проводится за несколько секунд.

1/ РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Классификация методов и аппаратуры

Классификация приводится по учебнику /Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 784 с./ и сводится в таблицу 2.

Таблица 2.

Классификация методов и аппаратуры по разделению газовых

неоднородных систем

Метод очистки	Аппаратура
1. Гравитационная – осаждение частиц под действием силы тяжести.	Пылеосадительная камера
2. Инерционная – осаждение частиц под действием инерционных и центробежных сил.	1/ Инерционные пылеуловители 2/ Циклоны 3/ Ротационные пылеуловители
3. Фильтрование – пропускание потока газа через пористую перегородку, способную задерживать частицы пыли.	1/ Рукавные /тканевые/ фильтры 2/ Керамические фильтры 3/ Масляные /висциновые/ фильтры и другие.
4. Мокрая очистка – улавливание пыли путем ее столкновения с каплями или со свободной поверхностью жидкости.	1/ Скрубберы – полые и насадочные 2/ Струйный скруббер Вентури 3/ Инжекционные скрубберы 4/ Дезинтеграторы 5/ Пенные аппараты и другие.
5. Электроочистка – улавливание заряженных частиц в электрическом поле.	Электроосадители /электрофильтры/: а/ трубчатые, б/ пластинчатые.
6. Акустическая – укрупнение частиц пыли с помощью звуковых волн с дальнейшим улавливанием.	Акустические пылеуловители
7. Комбинированная – сочетание некоторых предыдущих методов очистки в одном аппарате.	Комбинированные пылеуловители

Конструкции некоторых пылеуловителей представлены на рис. 3-19 /данные МХТИ/. Подбор некоторых пылеуловителей /циклон, батарейный циклон, рукавный фильтр, полый скруббер/ не представляет собой сложности и выполняется студентами самостоятельно при курсовом проектировании по печатному пособию.

РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Рис. 3

Пылеотстойный газоход

I. Перегородка

II. Бункеры – сборники пыли.

Рис. 4. Пылеосадительная

камера: устройство /а/

и разрез аппарата /б/.

1. Горизонтальные полки. 2. Люки для удаления пыли.

3. Колокольные затворы.

Рис. 5.

Центробежный пылеуловитель – циклон.

1. Штуцер для тангенциального ввода запыленного газа.
2. Цилиндрический корпус с коническим днищем.
3. Патрубок для вывода очищенного газа.
4. Разгрузочный бункер для пыли.

Рис. 6. Батарейный циклон /а/, его элементы /б/ и наглядное изображение /в/.