Очистка вентиляционных газов от паров n-метилформамида методом адсорбции
Курсовой проект - Экология
Другие курсовые по предмету Экология
µлезобетонная стенка; 4 - загрузка биофильтра; 5 - подача сточной воды; 6 - отводящий лоток
Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем
Рис. 5.4.2.2.1. Схемы биофильтров
5.5 Расчет кинетики процесса биологической очистки
Направим кубовый остаток после ректификации на биологическую очистку, исходная концентрация N-метилформамида С0 = 1,6 г/л = 16000 мг/л и по условию задачи, разбавляем в 10 раз. Необходимо произвести снижение концентрации N-метилформамида до ПДК Ск = 10 мг/л см. (приложение 1) путем биохимического разложения.
Например, известно, что разложение N-метилформамида описывается кинетическим уравнением первого порядка с константой скорости k = 0,32 ч-1.
Уравнение кинетики первого порядка
Разделяем переменные и интегрируем это уравнение
,(5.5.1)
где С0, С - концентрации N-метилформамида в моменты времени 0 и t. Подставляем в него исходные данные С0 = 1600 мг/л и k = 0,32 ч-1 и получаем уравнения, которые позволяет прогнозировать изменение концентрации N-метилформамида и скорости процесса во времени.
(5.5.2)(5.5.3)
Для построения кинетической кривой по уравнениям (5.5.2) и (5.5.3) рассчитываем изменение концентрации и скорости процесса в произвольные моменты времени до достижения концентрации N-метилформамида ниже ПДК. Полученные данные сводим в табл. 5.5.1.
Таблица 5.5.1. Кинетика биохимического разложения N-метилформамида
t, ч135791113151719ln C7,066,425,785,144,503,863,222,581,94-1,30C, мг/л11646143241719047251370,27W, мг/чл37219610455291584,22.20,086
Из табл. 5.5.1 видно, что ПДК может быть достигнута за время менее 17 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 концентрации. Кинетические кривые, построенные согласно вычислениям, приведены на рис. 5.5.1: наблюдается линейная зависимость lnC=f(t), конечный участок кинетической кривой представлен в большем масштабе (правая ось и правая кривая).
Время достижения ПДК можно вычислить по уравнению (5.5.1)
Кроме концентрации на скорость существенное влияние оказывает температура, например, в данном случае при увеличении температуры до 30С константа скорости возросла в три раза. Это позволяет вычислить энергию активации и с помощью уравнения Аррениуса прогнозировать скорость процесса при изменении температуры:
(5.5.4)(5.5.5)
Решая систему уравнений (5.5.5), вычисляем энергию активации и предэкспоненциальный множитель :
.
Таким образом, для данного процесса уравнение Аррениуса можно записать в виде
(5.5.6)
Энергия активации характерна для кинетической области протекания процесса биологической очистки.
(5.5.7)
где NA =6,021023 - число Авогадро; h =6,62510-34 Джс - постоянная Планка; - энтропия образования переходного состояния; - энтальпия образования переходного состояния, равная энергии активации.
Полученные данные позволяют вычислить
Тогда энергия Гиббса образования переходного состояния будет равна
т.е. в данном случае основное значение при образовании переходного состояния имеет энергетическая составляющая
Полученные данные позволяют прогнозировать время контакта сточных вод с активным илом при изменении концентрации N-метилформамида и температуры среды. Это есть совместное решение уравнений (5.5.1) и (5.5.6)
Например, рассмотрим, как изменится время очистки по сравнению с предыдущими расчетами (t=20C) при колебании температуры 5C:
температура 25C;Т=273+25=298 К;
температура 15C;Т=273+15=288 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=15C) начальная концентрация возросла в 10 раз, т.е. C0 = 16000 мг/л
Таким образом, изменение концентрации в 10 раз увеличило время реакции на 45,5%.
Заключение
Подводя итоги можно утверждать, что адсорбция заняло ведущее место среди способов защиты биосферы от вредных промышленных выбросов. Можно сделать вывод, что адсорбционные процессы разносторонни. Уже при выборе технологии основной стадии адсорбции необходимо учитывать многочисленные и разнообразные аспекты (кинетика, динамика, и др.).
Но процесс адсорбции подразумевает другой не менее трудоемкий процесс - десорбции, в результате которого образуются сточные воды с содержанием вредных веществ. Это означает, что процесс адсорбции - только часть огромного цикла обезвреживания загрязняющих веществ.
Поэтому необходимо постоянно улучшать технологический цикл очистки как газовых выбросов, так и очистки сточных вод, с минимальными затратами энергии.
В качестве сравнения можно привести другой менее энергоемкий процесс очистки воздуха от загрязняющих веществ - это абсорбция - здесь также происходит процесс поглощения газа, но только жидким поглотителем.
В химической технологии абсорбция используется для осуществления ряда процессов, к которым относятся: получение целевых продуктов, выделение ценн