Адсорбционная очистка вентиляционных газов от этилового спирта и выделение его в чистом виде методом ректификации

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ДИЗАЙНА»
ИНСТИТУТ ПРИХЛАДНОЙ ХИМИИ И ЭКОЛОГИИ
Кафедра теоретической и прикладной химии
Курсовая работа
по дисциплине
Физическая химия
(наименование дисциплины)
на тему «Адсорбционная очистка вентиляционных газов от этилового
спирта и выделение его в чистом виде методом ректификации»
Выполнил(а):
Обучающий группы: _____________________________
Направление подготовки 18.03.01 – Химическая
технология органических и неорганических веществ
Номер зачетной книжки
(подпись студента)
Руководитель курсовой работы (проекта)
(подпись научного руководителя)
Оценка
Дата
Санкт-Петербург
2020 г.
Задание курсовой работы (вариант №7)
1. Идентифицировать по молекулярной массе используя нулевой закон
термодинамики и уравнение Менделеева-Клайперона вредную примесь в
воздухе рабочей зоны принимая допущение, что идентифицируемое вещество
имеет свойства идеального газа, если навеску вещества массой m = 0,5 г при
температуре 87 °C испарили в объём 1 литр при давлении 35,2 кПа.
Первоначальное предположение о природе вещества подтвердить методом
молекулярной рефракции.
В вентиляционных газах парциальное давление неизвестного вещества
при нормальных условиях Рраб = 372 Па. Рассчитать плотность пара двумя
методами и вычислить среднюю плотность пара. Использую полученные
данные рассчитать мольно-дольную концентрацию. Дать токсикологическую
характеристику вещества. Полученные данные о концентрации вредной
примеси в воздухе рабочей зоны сравнить с показателями ПДК для данного
вещества и сделать вывод о необходимости очистки вентиляционных газов;
2.
Дать
характеристику
адсорбционному
методу
очистки
вентиляционных газов. Вентиляционные газы очищаются от вещества
методом адсорбции при температуре 25 oC с использованием активного угля
марки СКТ-3 (объем микропор 0,37 - 0,46 см3/г, характеристическая энергия
адсорбции бензола равна 25,1 – 22,2 кДж/моль) , а так же рассчитать величину
адсорбции вещества при летних и зимних температурных условиях. Сделать
вывод об эффективности процесса поглощения углём из воздуха и можно ли
таким образом избавиться от загрязнителя;
3. Десорбция вещества водяным паром позволила получить раствор с
концентрацией 9%. При ректификации 900 кг, данного раствора при давлении
760 Торр получен дистиллят с концентрацией 90% и кубовый остаток
концентрацией 1%. Дать характеристику методу ректификации. Рассчитать
процесс ректификации водного раствора неизвестного вещества графически и
при помощи систем уравнений. Сделать вывод о том, где получено чистое
2
вещество в дистилляте или кубовом остатке и сравнивая его концентрацию с
ПДК, решить о необходимости его очистки.
4. Низкоконцентрированный раствор вещества разбавляется другими
сточными водами в 10 раз и направляется на биологическую очистку.
Рассчитать кинетику процесса и дать прогноз изменения времени процесса
при колебаниях температуры и увеличении концентрации сточных вод в 10.
Сделать вывод о влиянии данных факторов на время проведение очистки.
3
СОДЕРЖАНИЕ
1 Идентификация неизвестного вещества ............................................................ 5
1.1 Определение неизвестного вещества ........................................................ 5
1.2 Токсикологическая характеристика этилового спирта ........................... 6
1.3 Расчёт концентрации этилового спирта в воздухе рабочей зоны .......... 7
2 Адсорбционная очистка вентиляционных газов от этанола............................ 8
2.1 Характеристика адсорбционного метода отчистки газов ....................... 8
2.2 Характеристика системы и её параметры ................................................ 9
3 Ректификация водного раствора ....................................................................... 16
4 Биологическая очистка низкоконцентрированного раствора ....................... 22
4.1 Характеристика биохимической очистки сточных вод ........................ 22
4.2 Расчёт кинетики процесса ........................................................................ 23
5 Заключение ......................................................................................................... 30
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 32
4
1 Идентификация неизвестного вещества
1.1 Определение неизвестного вещества
Используя следствие из нулевого закона термодинамики возможно
определить природу анализируемого вещества (1.1):
𝑓 (𝑃, 𝑉, 𝑇) = 0
(1.1)
Воспользуемся уравнением Менделева-Клайперона для идеальных газов
(1.2):
𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
(1.2)
где n – число молей вещества;
R = 8,314 Дж/моль – универсальная газовая постоянная, К;
P, V, T – параметры состояния, выраженные соответственно, в Па, м3, К.
Выразим количество вещества через массу и молекулярную массу (1.3):
𝑛=
𝑚
𝑀
(1.5)
где n – колчиество вещества, моль;
m – масса вещества, г;
М – молеклярная масса вещества, г/моль.
Из уравнения (1.2) и (1.3) следует способ определения молекулярной
массы вещества в виде пара или газа (1.4):
5
𝑀=
𝑚𝑅𝑇
𝑃𝑉
(1.4)
Определим молекулярную массу искомого вещества (1.5) по уравнению
(1.4):
𝑀=
𝑚𝑅𝑇
0,5 ∙ 8,314 ∙ (273 + 87)
г
=
= 42,5
𝑃𝑉
35,2 ∙ 1
моль
(1.5)
Близкую молекулярную массу имеет этиловый спирт с брутто-формулой
С2Н5OН и муравьиная кислота с брутто-формулой CH2O2
Уточнить структурную формулу вещества можно, измерив и рассчитав
его молекулярную рефракцию. Дано, что рефракция неизвестного вещества R
= 12,96. Методом аддитивности рассчитываем молекулярную рефракцию
этилового спирта (1.6) и муравьиной кислоты (1.7) [8]:
𝑅 = 2𝑅𝐶 + 5𝑅𝐻 + 𝑅𝑂 = 2 ∙ 2,418 + 6 ∙ 6,1 + 1,525 = 12,961  12,96
(1.6)
𝑅 = 1𝑅𝐶 + 2𝑅𝐻 + 2𝑅𝑂 = 2,418 + 2 ∙ 6,1 + 2 ∙ 1,525 = 17,668  17,67
(1.7)
Из уравнений (1,5), (1.6) и (1.7) можем сделать вывод, что искомое
вещество – этиловый спирт. Брутто-формула С2Н5OН. Структурная формула
(1.8):
CH3 CH2 OH
(1.8)
1.2 Токсикологическая характеристика этилового спирта
Этиловый спирт по степени воздействия на организм человека
относится к 4-му классу опасности (малоопасные) по ГОСТ 12.1.007.
6
Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров этилового спирта в
воздухе рабочей зоны производственных помещений - 1000 мг/м3[1].
1.3 Расчёт концентрации этилового спирта в воздухе рабочей зоны
Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для I и II состояния (1.9)
𝑃𝑉
𝑇
=
𝑃0 𝑉0 𝑇0
(1.9)
где P – давление при рабочих условиях, кПа;
Т – температура при рабочих условиях, К;
V – объем при рабочих условиях, м3;
Р0 – давление при нормальных условиях, кПа;
Т0 – температура при нормальных условиях, К;
V0 – объем при нормальных условиях, м3
Из уравнения (1.9) выразим и определим объем при нормальных
условиях (1.10):
𝑃𝑉𝑇0 25,2 ∙ 1 ∙ 10−3 ∙ 273
𝑉0 =
=
= 0,2635 л
𝑃0 𝑇
101,3 ∙ (273 + 90)
(1.10)
Рассчитаем плотность пара при нормальных условиях по уравнению
(1.11):
𝑚 𝑃0 𝑀 101,3 ∙ 103 ∙ 59,9
𝑑= =
=
= 1897 г/м3
𝑉0 𝑅𝑇0
8,314 ∙ 273
(1.11)
7
Проверяем расчёт (1.12) подставляя данные из условия m = 0,5 г и
уравнения (1.10) V0 = 2,635  10-4 в левую часть уравнения (1.11)
𝑑=
𝑚
0,5
=
= 1897 г/м3
−4
𝑉0 2,635 ∙ 10
(1.12)
Значения плотности пара полученные в уравнениях (1.11) и (1.12) равны,
значить объем при нормальных условиях рассчитан верно.
Дано, что в воздухе рабочей зоны парциальное давление этилового
спирта Рраб = 372 Па. Вычислим молярную концентрацию этанола в воздухе
рабочей зоны при T = 298 К (1.13):
𝐶0 =
𝑛 𝑃раб
372
моль
ммоль
=
=
= 0,150 3 = 150
𝑉
𝑅𝑇
8,314 ∙ 298
м
м3
мкмоль
= 15 ∙ 104
= 6900 мг/м3
3
м
(1.13)
По уравнению (1.13) можно сделать вывод, что концентрация этилового
спирта в воздухе рабочей зоны превышает ПДК в 6,9 раз, согласно 18300-87
«Спирт этиловый ректифицированный технический. Технические условия»
воздух необходимо очистить до допустимой концентрации[1].
2 Адсорбционная очистка вентиляционных газов от этанола
2.1 Характеристика адсорбционного метода отчистки газов
Для удаления газообразных и парообразных примесей используют
адсорбционные методы очистки. Устройства для очистки называют
адсорберами. К достоинствам данного метода можно отнести высокую
степень очистки, а к недостаткам невозможность очистки запылённых газов.
8
В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещества,
имеющие большую площадь поверхности на единицу массы.
2.2 Характеристика системы и её параметры
Таблица 1 – данные задания
Газовоздушный раствор
Рпс = Рраб = 372 Па
этилового спирта
Марка СКТ-3
Т = 298К
V0 = 59 см3/моль
ЭС(г) в адсорбенте
W0 = 0,42см3/г;
E0 = 23,7 кДж/моль;
P0298 = 8153 Па.
Реальные системы удовлетворительно описываются термическим
уравнением теории объемного заполнения микропор (2.1):
𝑎 = 𝑊0 /𝑉0 exp[−(
∆𝜇1 2
) − 𝛼(𝑇 − 𝑇0 )]
𝛽𝐸0
(2.1)
где a – величина адсорбции, моль/г;
W0 – параметр адсорбента – объем микропор, см3/г;
V0 – мольный объем адсорбента, см3/моль;
E0 – параметр адсорбента – характеристическая энергия адсорбции
бензола;
β – коэффициент подобия;
 - термический коэффициент подобия, К-1;
Т – температура адсорбции, К;
  изменение химического потенциала сорбтива при адсорбции,
кДж/моль.
9
Из уравнения (2.1) в дальнейшем можно сделать вывод о влиянии
температуры на величину адсорбции.
Очистку ГВВ смеси от паров этилового спирта производят в адсорбере,
заполненном микропористым (радиус пор равен 13/Е0 = 13/23,7 = 0,5 нм)
активным углем СКТ-3.
Рабочее давление этилового спирта по условию Рраб = 372 Па, давление
насыщенного пара Р0 = Р0298 = 40 Торр = 61,3  133 = 8153 Па.
Рассчитаем изменение химического потенциала по уравнению (2.2)
∆𝜇1 =
𝑅𝑇𝑙𝑛𝑃
𝑃0
(2.2)
где P – рабочие давление этилового спирта, Па;
P0 – давление насыщенного пара, Па.
∆𝜇1 =
𝑅𝑇𝑙𝑛𝑃
372
Дж
= 298  8,314  ln (
) = −7649
𝑃0
8153
моль
= −7,649
(2.2)
кДж
моль
Изменение химического потенциала исходя из уравнения (2.2)
отрицательная величина. Из чего можно сделать вывод, что адсорбция
возможна и идёт при данной температуре самопроизвольно, так как
химический потенциал определяет изменение энергии Гиббса при изменении
числа частиц в системе. Зная значение химического потенциала можно
говорить о возможности адсорбции при данной температуре.
Коэффициент подобия равен отношению парахоров ПС и бензола (2.3).
𝛽 = П/П0
(2.3)
10
Парахор бензола – табличное занчение П0 = 205,4. Для этанола парахор
рассчитываем как сумму парахоров атомов С2Н5ОH по уравнению (2.4):
П = 2Пс + 5Пн(с) + Пн(о) + П0 = 2  9,2 + 5  15,4 + 10 + 20 = 115,4
(2.4)
Вычисляем коэффициент подобия по уравнению (2.3):
𝛽=
П
115,4
=
= 0,56
П0 205,4
(2.3)
Коэффициент сорбции (2.5):
𝜌кп
∗
𝜌кр
𝛼=
𝑇кр − 𝑇кп
ln
(2.5)
где кп – плотность жидкого этанола при температуре кипения;
кр – плотность жидкого этанола при температуре критической;
Ткп – температура кипения;
Ткр – критическая температура.
Вычислить плотность жидкого этанола при температуре критической
температуре можно по формулам (2.6) и (2.7):
∗
𝜌кр
= 𝑀
𝑃кр = 20,8 ∙
𝑃кр
𝑇
10,26 кр
𝑇кр
[(0,377П + 11)1,25 − 8]
(2.6)
(2.7)
Данные для расчёта приведены в таблице 2.
11
Таблица 2 – данные для расчёта
Tкр = 508,6 К;
Ткп = 355 К;
Ркр = 53 ат;
кп = 0,73 г/см3
Рассчитываем критическое давление жидкого этанола по формуле (2.7)
𝑃кр = 20,8 ∙
= 20,8 ∙
𝑇кр
=
[(0,377П + 11)1,25 − 8]
(2.7)
516
= 76,6 ат
[(0,377 ∙ 115,4 + 11)1,25 − 8]
Зная значение критического давления, рассчитываем критическую
плотность жидкого этанола (2.6):
∗
𝜌кр
= 𝑀
𝑃кр
46 ∙ 76,6
 𝑇кр =
= 0,67 г/см3
10,26
10,26 ∙ 516
(2.6)
Рассчитываем коэффициент сорбции (2.5):
𝜌кп
0,73
∗
ln
𝜌кр
0,59
𝛼=
=
= 0,72 ∙ 10−3 К−1
𝑇кр − 𝑇кп 508,6 − 355
ln
(2.5)
По уравнению (2.5) видно что коэффициент сорбции  положительный,
в следствии чего можно сделать вывод, что при понижении температуры
сорбция будет увеличиваться.
Рассчитываем величину адсорбции при рабочем давлении и Т = 298К по
уравнению (2.1):
12
𝑎 = 𝑊0 /𝑉0 exp[− (
∆𝜇1 2
) − 𝛼(𝑇 − 𝑇0 )] =
𝛽𝐸0
(2.1)
0,23
−8,250 2
=
exp[− (
) − 1,39 ∙ 10−3 (298 − 298) =
75
0,80 ∙ 22,6
г
= 0,003 ∙ exp[−0,208] = 5,1 ∙ 10−3 ∙ 103 ∙ 46 = 235,1
кг
Расчёт величины адсорбции при нормальных условиях можно
производить без учёта коэффициента сорбции, т.к. он равен нулю.
Величина адсорбции существенно зависит от температуры, что
учитывает термическое уравнение ТОМЗ через термический коэффициент
адсорбции α. Вычислим величину адсорбции для максимальной (t˚= 78,4 ˚C =
351,4 K) и минимальной (t˚= 63,5˚C = 336,5 K) температур. Однако давление
насыщенного пара Р0 также зависит от температуры. Для его расчета
воспользуемся следствием из уравнения Клаузиса-Клапейрона (2.7):
∆𝐻исп =
𝑅 ∙ 𝑙𝑛𝑃2 /𝑃1
1
1
−
𝑇1 𝑇2
(2.7)
Данные для расчёта приведены в таблице 3.
Таблица 3 – данные для расчёта величины адсорбции
Т1 = 63,5 ˚C = 336,5 К
Т2 = 78,4 ˚C = 351,4 К
Р1 = 400 Торр
Р2 = 760 Торр
Подставим данные из таблицы 3 в уравнение (2.7)
13
𝐻исп =
𝑅 ∙ 𝑙𝑛𝑃2 /𝑃1 8,314 ∙ 𝑙𝑛760/400
Дж
=
= 42349
1
1
1
1
моль
−
−
𝑇1 𝑇2
336,5 351,4
(2.7)
Вычисляем Р0Т через Р0298 = 8153 Па по уравнению (2.8) и изменение
химического потенциала (2.2):
𝑙𝑛𝑃𝑇 = 𝑙𝑛𝑃0 +
∆𝐻 1 1
( − )
𝑅 𝑇0 𝑇
(2.8)
При минимальной температуре (Т = -10 ˚C = 263 К):
𝑙𝑛𝑃𝑇 = 𝑙𝑛𝑃0 +
∆𝐻 1 1
42349 1
1
(2.8.1)
−
( − ) = 𝑙𝑛8153 +
(
) = 6,73
𝑅 𝑇0 𝑇
8,314 298 263
PТ = 837 Па;
∆𝜇1 = 𝑅𝑇𝑙𝑛 (
𝑃0
400
Дж
) = 8,314 ∙ 263 ∙ 𝑙𝑛 (
) = −13900
𝑃𝑇
837
моль
= −2,1
Изменение
(2.2.1)
кДж
моль
химического
потенциала
величина
отрицательная
–
адсорбция при данной температуре возможна.
При максимальной температуре (Т = 36 ˚C = 309 К):
𝑙𝑛𝑃𝑇 = 𝑙𝑛𝑃0 +
∆𝐻 1 1
43981 1
1
(2.8.2)
−
( − ) = 𝑙𝑛5320 +
(
) = 9,61
𝑅 𝑇0 𝑇
8,314 298 309
PТ = 14982 Па;
14
∆𝜇1 = 𝑅𝑇𝑙𝑛 (
𝑃0
760
Дж
) = 8,314 ∙ 305 ∙ 𝑙𝑛 (
) = −15690
𝑃𝑇
5324
моль
= −10,1
Изменение
(2.2.2)
кДж
моль
химического
потенциала
величина
отрицательная
–
адсорбция при данной температуре возможна.
Рассчитаем величину адсорбции:
При минимальной температуре (Т = -10 ˚C = 263 К) подставляя значения
из уравнений (2.8.1) и (2.2.1):
𝑎 = 𝑊0 /𝑉0 exp[− (
∆𝜇1 2
) − 𝛼(𝑇 − 𝑇0 )] =
𝛽𝐸0
(2.1.1)
0,23
−2070 2
=
exp[− (
) − 0,72 ∙ 10−3 (263 − 298)
75
0,56 ∙ 23,6
моль
= 7,1 ∙ 10−3
= 326 г/кг
г
При максимальной температуре (Т = 36 ˚C = 309 К) подставляя значения
их уравнений (2.8.2) и (2.2.2):
𝑎 = 𝑊0 /𝑉0 exp[− (
∆𝜇1 2
) − 𝛼(𝑇 − 𝑇0 )] =
𝛽𝐸0
(2.1.2)
0,42
−10136 2
=
exp[− (
) − 0,72 ∙ 10−3 (309 − 298)
59
0,56 ∙ 23,6
= 3,9 ∙ 10−3 моль/г = 179 г/кг
15
Исходя из уравнений (2.1.1) и (2.1.2) величина адсорбции увеличивается
при уменьшении температуры, как и было предсказано после расчёта
уравнения (2.5)
После улавливания паров этилового спирта активным углем адсорбат
удаляют из угля нагреванием с помощью водяного пара, последний выходит
из адсорбера в смеси с парами этилового спирта и конденсируется. Обычно
расход водяного пара составляет 2-5 кг на кг адсорбата. Концентрацию
полученного
раствора
ацетона
в
воде
можно
увеличить
методом
ректификации. На ректификацию необходимо подать раствор этанола в воде с
концентрацией xН = 0,09. Составим таблицу 4
Таблица 4 – расход динамического пара
0,09 моль ЭС
0,91 моль H2O
0,09  46 = 4,14 г ЭС
0,91  18 = 16,38 г H2O
Расход динамического пара (2.9) должен составить:
16,38
пара
= 3,96
4,14
кг
(2.9)
Расход водяного пара обычно составляет 2 – 5 кг/кг адсорбата [2]. Таким
образом
расход
динамического
пара
удовлетворяет
практическим
рекомендациям.
3 Ректификация водного раствора
Ректификация – процесс разделения смесей, состоящих из двух или
более компонентов, в результате многократного испарения раствора и
конденсации паров. Принцип данного метода состоит в различии температур
16
кипения и испарения различных веществ, входящих в состав раствора.
Движущая сила процесса – различие концентрации компонентов в паровой
фазе от равновесной для данного состава жидкой фазы.
Ректификацию проводят в башенных аппаратах, имеющих контактные
устройства, в основном тарелки или насадки. При контакте с жидкостью пар
обогащается легколетучими компонентами, которые в итоге конденсируются
на верхних тарелках колонны, либо выводиться вовсе. Жидкость в свою
очередь обогащается труднолетучими компонентами и накапливается в кубе
колонны.
Ректификация позволяет добиться практически полного разделения
смеси на составляющие её компоненты.
Параметры процесса ректификации представлены в таблице 5.
Таблица 5 - параметры процесса ректификации:
Вещество
Xн
Gн, кг
Xд
Xк
ЭС
С2Н5ОH
0,09
900
0,90
0,01
P, Торр
760
По табличным данным построим зависимость температуры кипения
раствора С2Н5ОH в воде от состава раствора (нижняя кривая) и пара (верхняя
кривая). Состав выражен в мольных долях С2Н5ОH. Концентрация раствора,
который поступает на ректификацию, равна
закону
Коновалова,
на
монотонных
х н = 0,09 = 9 %. По первому
участках
равновесной
кривой
концентрации жидкой и паровой фаз различаются. Начальный раствор
закипает при температуре 87,9 °С (точка D), при этом образуется пар (точка Е)
с концентрацией yн = 39,2 % Это является теоретической основой разделения
раствора, так как если сконденсировать полученный пар, то образуется
17
раствор с концентрацией xE = yн много большей, чем концентрация исходного
раствора.
По второму закону Коновалова – концентрации паровой и жидкой фаз
совпадают в экстремальных точках равновесной кривой. Это азеотропная
точка А, координаты xА = yA = 90 %, ТА = 78,4 °С. В данной точке прекращается
процесс разделения, так как образуется «однокомпонентный» нераздельно
кипящий раствор. Следовательно, теоретически данный раствор может быть
разделен только на чистую воду и азеотропный раствор.
Теоретически процесс разделения показан на диаграмме 1 и 2. Исходный
раствор при кипении дает пар с концентрацией этилового спирта = yн (точка
Е). При этом раствор обедняется, в результате температура его кипеняи
повышается по кривой жидкости, а последняя его порция будет иметь
концентрацию в точке С = xc = 1%. Пар так же может быть повторно
сконденсирован, на диаграмме это точка B, концентрация этилового спирта в
которой после конденсации паров составит Xд = 90 %. Повторное испарение
раствора с концентрацией xc даст практически чистую воду с содержанием
этилового спирта 0,1 %.
Таким образом, равновесный процесс разделения раствора этиловый
спирт – вода с заданной концентрацией 9 % содержит семь теоретических
ступени разделения (ЧТТ = 7) при получении дистиллята с заданой
концентрацией xд, что видно на рисунке 1.
18
101
100
99
С 2
98
97
96
95
94
93
92
Температура, t°C
91
90
89
3
D
88
E
87
86
85
84
83
82
4
81
80
5
79
0
yн
Xн
Xc
78
5
10
6 В
7
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Концентрация этилового спирта, %
Жидкость
Пар
65
70
75
80
A
85
Хд
90
95
100
Диаграмма 1 – графический расчёт количество теоретических тарелок
19
80,1
80
79,9
79,8
79,7
79,6
79,5
79,4
79,3
79,2
79,1
79
78,9
78,8
78,7
78,6
78,5
78,4
А
78,3
78,2
Хд
78,1
70
80
90
100
Диаграмма 2 – увеличенный масштаб азеотропной точки
20
Аналитический метод
На разделение поступает Gн = 900 кг раствора С2Н5ОH. Все
концентрации выражены в мольных долях, следовательно целесообразно
выразить массу в молях.
Рассчитываем среднюю молекулярную массу исходного раствора (3.1):
𝑀ср = 𝑋𝐶2𝐻5𝑂𝐻 ∙ 𝑀𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − 𝑋𝐶2𝐻5𝑂𝐻 ) ∙ 𝑀𝐻2𝑂
= 0,09 ∙ 46 + (1 − 0,09) ∙ 18 = 20,52
(3.1)
г
моль
где Mср – средняя молекулярная масса вещества, г/моль;
XC2H5OH – концентрация этанола, моль;
МC2H5OH – молекулярная масса этанола, г/моль;
МН2О – молекулярная концентрация воды.
Рассчитываем количество раствора (3.2):
𝐺н = (𝐺н ∙ 103 )/𝑀ср = (900 ∙ 103 )/20,52 = 43860 моль
(3.2)
Формула общего материального баланса (3.3):
𝐺н = 𝐺д + 𝐺к
(3.3)
где Gд – количество вещества в дистилляте, моль;
Gk – количество вещества в кубовом остатке, моль.
Баланс по этиловому спирту (3.4):
𝐺н ∙ 𝑥н = 𝐺д ∙ 𝑥д + 𝐺к ∙ 𝑥к
(3.4)
21
Решаем уравнения (3.4) и (3.5):
𝐺д = 𝐺н
𝑥н − 𝑥к
0,09 − 0,01
= 43860
= 3942 моль
𝑥д − 𝑥к
0,90 − 0,01
𝐺к = 𝐺н − 𝐺д = 43860 − 3942 = 39918 моль
(3.4)
(3.5)
Таким образом в результате разделения раствора «этиловый спирт –
вода» получаем:

в дистилляте концентрированный раствор этилового спирта xд =
90%, который может быть возвращен в технологический процесс,

в кубе разбавленный раствора этилового спирта xк = 1% .
Рассчитаем концентрацию этилового спирта в воде кубового остатка
(3.6):
𝐶=
𝑥к ∙ 𝑀𝐶2𝐻5𝑂𝐻 ∙ 1000 0,01 ∙ 46 ∙ 1000
г
=
= 25,5
𝑀𝐻2𝑂
18
л
(3.6)
Концентрация этилового спирта превышает ПДК в воде = 10 мг/л [1] в
2,5 раза, следовательно раствор должен быть направлен на дополнительную
очистку.
4 Биологическая очистка низкоконцентрированного раствора
4.1 Характеристика биохимической очистки сточных вод
22
Биохимическая очистка сточных вод применяется для удаления многих
растворенных в воде органических и некоторых неорганических веществ,
таких как аммиак, нитриты, сероводород и сульфиды. Процесс основан на
способности микроорганизмов использовать данные вещества в процессе
жизнедеятельности для питания, как источники углерода.
4.2 Расчёт кинетики процесса
Исходные данные представлены в таблице 6.
Таблица 6 - Константа скорости разложения этилового спирта при
биологической очистке и изменение её при увеличении температуры
K1, ч-1
К2/К1
t1, °С
t2, °С
0,22
3,0
21
30
Перед направлением кубового остатка на биологическую очистку
необходимо разбавить его в 10 раз. Таким образом концентрация этилового
спирта C0 = С/10 = 25,5/10 = 2,55 г/л.
Направим разбавленный кубовый остаток на биологическую очистку,
необходимо произвести снижение концентрации этилового спирта до ПДК Ск
= 10 мг/л. путём биохимического разложения.
Известно, что разложение этилового спирта описывается кинетическим
уравнение первого порядка с константой скорости K1 = 0,22 ч-1 при
температуре t1 = 21°С.
Запишем уравнение кинетики первого порядка (4.1):
𝜔=−
𝑑𝑐
= 𝑘𝐶
𝑑𝜏
(4.1)
Разделим переменные и интегрируем уравнение (4.1):
23
𝐶0
ln ( ) = 𝑘𝜏
𝐶
(4.2)
где С0 – концентрация этанола в начальный момент времени;
С – концентрация этанола в момент времени τ.
Подставим в уравнения (4.1) и (4.2) исходные данные:
𝑙𝑛𝐶 = 𝑙𝑛𝐶0 − 𝑘𝜏 = 𝑙𝑛2550 − 0,22𝜏 = 7,82 − 0,22𝜏
(4.3)
𝜔 = 𝑘 ∙ 𝐶 = 0,22 ∙ 𝐶
(4.4)
Данные уравнений (4.3) и (4.4) позволяют прогнозировать изменение
концентрации этилового спирта и скорости процесса во времени.
Время достижения ПДК можно вычислить по уравнению (4.5):
𝐶
ln ( 0 ) ln (2550)
ПДК
10 = 25,19 ч.
𝜏=
=
𝑘
0,22
Для
построения
кинетической
кривой
рассчитаем
(4.5)
изменение
концентрации и скорости процесса в произвольные моменты времени до
достижения концентрации этилового спирта ниже ПДК. Полученные данные
сведем в таблицу 7:
Таблица 7 – кинетика биохимического разложения этилового спирта
τ, ч
ln C
C, мг/л
ω, мг/л *ч
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
7,38
6,94
6,5
6,06
5,62
5,18
4,74
4,3
3,86
3,42
2,98
1611,1 1037,3 667,88 430,02 276,87 178,27 114,78 73,9 47,581 30,636 19,725
354,44 228,21 146,93 94,604 60,912 39,218 25,251 16,258 10,468 6,7398 4,3395
24
2,54
12,7
2,794
26
2,1
8,177
1,7989
Скорость разложения этилового спирта в начале процесса велика, но с
уменьшением его концентрации быстро снижается в результате снижения
24
движущей силы процесса – разницы рабочей и равновесной концентрации.
Согласно вычислениям построим кинетические кривые в виде диаграмм 3, 4,
5:
1800
1600
1400
C, мг/л
1200
1000
800
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
τ, ч
Диаграмма 3 – кинетическая кривая очистки раствора от этилового спирта
50
C, мг/л
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
τ, ч
Диаграмма 4 – кинетическая кривая очистки раствора от этилового спирта,
конечный участок в увеличенном масштабе
25
8
7
6
lnC
5
4
3
2
1
0
0
4
8
12
16
20
24
28
τ, ч
Диаграмма 5 – кинетическая кривая очистки растовра от этилового спирта
линейная зависимость lnC = f(τ)
Диаграмма 5 показывает, что предположение о том, что реакция имеет
первый порядок оказалось верным, так как в данных величинах lnC принимает
вид прямой.
Температура так же оказывает значительное влияние на скорость
очистки. С помощью уравнения Арениуса (4.6) можно прогнозировать
скорость процесса при изменении температуры, для этого составим систему
уравнений (4.7):
𝑘 = 𝑘0 exp(−
𝐸
)
𝑅𝑇
𝑙𝑛𝑘1 = 𝑙𝑛𝑘0 −
𝐸
𝑅𝑇1
𝑛𝑘2 = 𝑙𝑛𝑘0 −
(4.6)
(4.7)
𝐸
𝑅𝑇2
26
Вычислим энергию активации Е и предэкспоненциальный множитель,
решая систему уравнений:
𝑘2
)
8,314 ∙ ln 3
Дж
кДж
𝑘1
𝐸=
=
= 90407
= 90,4
1
1
1
1
моль
моль
−
−
𝑇1 𝑇2
273 + 21 273 + 30
𝑅 ∙ ln(
𝑙𝑛𝑘0 = 𝑙𝑛𝑘1 +
𝐸
90407
= 𝑙𝑛0,22 +
= 35,47
𝑅𝑇1
8,314 ∙ 294
𝑘0 = 2,53 ∙ 1015
Для данного процесса уравнение Аррениуса (4.6) можно записать в виде:
𝑘 = 𝑘0 exp (−
𝐸
90407
) = 2,53 ∙ 1015 exp (−
)
𝑅𝑇
8,314 ∙ 𝑇
Энергия активации Е = 90,4 кДж/моль > 30 кДж/моль характерна для
кинетической области протекания процесса биологической очистки [4] [8]. Из
уравнения кинетики переходного состояния (4.7) возможно получить
дополнительную информацию о процессе:
𝑅𝑇
∆𝑆 #
∆𝐻#
𝑘=
exp (
)
) exp(−
𝑁𝐴 ∙ ℎ
𝑅
𝑅𝑇
(4.7)
где NA = 6,02  1023 – число Авогадро;
h = 6,625  10-34 Джс – постоянная Планка;
S#  энтропия образования переходного состояния;
Н#  энтальпия образования переходного состояния, равная энергии
активации.
27
Полученные данные позволяют вычеслить S# :
𝑅𝑇
∆𝑆 #
𝑘=
exp (
);
𝑁𝐴 ∙ ℎ
𝑅
𝑅𝑇
∆𝑆 #
𝑙𝑛𝑘0 = 𝑙𝑛
+(
);
𝑁𝐴 ∙ ℎ
𝑅
∆𝑆 # = 𝑅 ∙ 𝑙𝑛
𝑘0 ∙ 𝑁𝐴 ∙ ℎ
𝑅𝑇
2,53 ∙ 1015 ∙ 6,625 ∙ 10−34 ∙ 6,02 ∙ 1023
= 8,314 ∙ 𝑙𝑛
8,314 ∙ 294 ∙ 3600
= 50
Дж
∙К
моль
Вычислим энергию Гиббса образования переходного состояния (4.8):
∆𝐺 # = ∆𝐻# − 𝑇∆𝑆 # = 90407 − 294 ∙ 50 = 75707
Дж
моль
(4.8)
В данном случае основное значение при образовании переходного
состояние имеет энергетическая составляющая (энтальпия), величина
энтропийного числа значительно ниже.
Полученные данные позволяют прогнозировать время контакта сточных
вод с активным илом при изменении концентрации этилового спирта и
температуры среды, что является совместным решением уравнений (4.5) и
(4.3):
𝜏=
𝑙𝑛𝐶0 /ПДК
𝑙𝑛𝐶0 /ПДК
=
90407
𝑘
2,53 ∙ 1015 exp (−
8,314 ∙ 𝑇)
28
Рассчитаем изменение времени очистки при колебании температуры на
±5 °С
При увеличении на 5 °С:
𝑙𝑛2550/10
𝜏=
2,53 ∙ 1015 exp (−
90407
8,314 ∙ 26 + 273)
= 13,6 ч
(4.3.1)
При уменьшении на 5 °С:
𝑙𝑛2550/10
𝜏=
2,53 ∙ 1015 exp (−
90407
8,314 ∙ 16 + 273)
= 48,0 ч
(4.3.2)
Как видно из уравнений (4.3.1) и (4.3.2) даже небольшое увеличение
температуры приводит к значительному увеличению скорости процесса и в
результате уменьшению времени процесса очистки.
Рассчитаем, как влияет изменение концентрации влияет на скорость
процесса очистки – увеличим концентрацию этилового спирта в 10 раз С0 =
25500:
25500
𝑙𝑛𝐶0 /ПДК ln( 10 )
𝜏=
=
= 35,7 ч.
𝑘
0,22
(4.3.3)
Из уравнения (4.3.3) видно, что концентрация этилового спирта влияет
на скорость очистки в значительно меньшей степени, чем изменение
температуры. При изменении концентрации в 10 раз время очистки
увеличилось на 41,6 %
29
5 Заключение
По мере выполнения курсового задание я определил неизвестное
вещество – этиловый спирт. Этиловый спирт по степени воздействия на
организм человека относится к 4-му классу опасности (малоопасные) по ГОСТ
12.1.007. Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров этилового спирта
в воздухе рабочей зоны производственных помещений - 1000 мг/м3.
В результате определения концентрации этилового спирта в воздухе
рабочей зоны я пришел к выводу, что концентрация этанола превышает ПДК
в 6,9 раз и согласно 18300-87 «Спирт этиловый ректифицированный
технический. Технические условия» воздух необходимо очистить до
допустимой концентрации.
Было решено проводить очистку воздуха адсорбцией активным углём
марки СКТ – 3, так как адсорбционные методы очистки дают высокую степень
очистки газов от загрязнителя. Расчётами были определены оптимальные
параметры для проведения адсорбции.
После улавливания паров этилового спирта активным углем адсорбат
удалили из угля нагреванием с помощью водяного пара. Расход водяного пара
обычно составил 3,96 кг пара на килограмм угля. Таким образом расход
динамического пара удовлетворяет практическим рекомендациям.
Полученную смесь (этиловый спирт – вода) направили на дальнейшее
разделение способом ректификации. Графически и расчётным способом
определили основные параметры ректификации. В результате разделения был
получен дистиллят с содержанием этилового спирта 90%, который был
направлен обратно на технологический процесс и кубовый остаток, с
концентрацией этанола 25,5 г/л, который было решено отправить на
дальнейшую биологическую очистку.
Очистка проводилось биохимическим методом. В результате расчёта
были определены основные параметры биохимической очистки, такое как
время очистки, концентрация этилового спирта, поступающего на очистку и
30
температура проведения очистки. Были получены зависимости времени
очистки от температуры и концентрации.
В результате проведенных расчётов можно сделать вывод, что очистка
от этилового спирта методом десорбции целесообразна. Она позволяет
проводить достаточную очистку при широком диапазоне температур, а так же
возвращать активный уголь после очистки водяным паром обратно в процесс,
расход же водяного пара удовлетворяет практическим рекомендациям.
Ректификация
водяного
раствора
этилового
спирта
позволяет
достаточно полно разделить раствор на этиловый спирт и воду. Наиболее
полное разделение можно достичь при использовании 7 теоретических
тарелок в ректификационной колоне. При данном процессе разделения в кубе
образуется раствор этилового спирта с концентрацией 90%, что позволяет
возвратить его обратно в технологический процесс. Концентрация этилового
спирта в дистилляте составляет всего 1%, что позволяет отправить его на
биологическую очистку и удалить из воды вредную примесь.
Биологическая очистка позволяет снизить концентрацию этилового
спирта в растворе до значений ПДК за 25 часов, интенсифицировать процесс
можно увеличением температуры, так как при изменении её всего на 5
градусов, скорость очистки увеличивается на 24,3%
31
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ГОСТ 12.1.007-76 «Система стандартов безопасности труда. Вредные
вещества. Классификация и общие требование безопасности» / М. :
Стандартинформ , 2007. – с.
2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники / Н.В. Кульцев . – М. :
Химия , 1984. – 592 с.
3. Лазарев Н.В. Вредные вещества в промышенности: Справочник /
Под ред. Н.В. Лазарева, Э.Н. Левиной – Л. : Химия , 1976. – 592 с.
4. Краснов К.С. Физическая химия. В 2-х кн. / К.С Краснов, Н.К. Воробьев,
И.И. Годнев и др. – М. : Высш. Шк. , 1995. – 806 с.
5. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии / Ю.И.
Дытнерский – М. : Химия , 1995. – 267 с.
6. Яковлев С.В. Биологические фильтры / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов . –
М. : Стройиздат. , 1982. – 122 с.
7. Яковлев С.В. Очистка сточных вод предприятий легкой промышлености
/ С.В. Яковлев, Ю.М. Ласков – М. : Стройиздат. , 1972. – 113 с.
8. Гребенников С.Ф. Физико-химические основы инженерной защиты
окружающей среды / С.Ф. Гребенников – СПб. : СПГУТД , 2001. – 300 с.
32