РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ ОКИСЛЕННЯ НИЗЬКОКОНЦЕНТРОВАНОГО ДВООКСИДУ СІРКИ У ВИРОБНИЦТВІ ПАР
2.1. Розрахунок термодинамічних та екологічних характеристик процесу окислення низькоконцентрованого двооксиду сірки
Розрахунки основних термодинамічних характеристик процесу одержання сульфатуючого агента були проведені за тиском до 1,0 МПа і діапазоні температур від 673 до 900 К, що обумовлено використанням ванадієвого каталізатору типу СВД при вмісті в початковому газовому потоці 5% . Такий вміст двооксиду сірки пояснюється необхідністю мати на стадії сульфатування органічної сировини газову суміш, що містить 5% ; показали, що з підвищенням тиску з 0,1 до 1,0 МПа спостерігається підвищення значень рівноважного ступеня перетворення , що має нелінійний характер (рис. 2.1 та додаток А, табл. А.1).
З підвищенням тиску рівноважний ступінь перетворення збільшується, при цьому виникає питання про розширення температурного режиму через підвищення рівноважної температури, а відповідно й оптимальної (рис. 2.2 та додаток А, табл. А.1) температури процесу, що приведе до підвищення його швидкості.
Для визначеня тиску при якому, буде досягатися необхідний кінцевий ступінь перетворення що забезпечить гранично допустиму концентрацію (ГДК) в приземному шарі атмосферного повітря яка не повинна перевищувати 0,05 мг/м3 [57], проводимо наступний розрахунок.
Максимальна концентрація двооксиду сірки в приземному шарі (в мг/м3) при викиді нагрітих газів визначають за формулою [ 56 ]
, (2.1)
де - максимальна концентрація двооксиду сірки в приземному шарі, мг/м3;
- коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери, що визначає умови вертикального та горизонтального розподілу забруднюючих речовин в атмосферному повітрі, для України ;
- кількість шкідливої речовини, що викидається до атмосфери, г/с;
- безрозмірний коефіцієнт, що враховує швидкість осідання шкідливих речовин в атмосферному повітрі, для газоподібних шкідливих речовин ;
- безрозмірні коефіцієнти, що враховують умови виходу газоповітряної суміші з джерела викиду;
- висота джерела викиду над рівнем землі, м;
- об'ємна витрата газоповітряної суміші, м3/с.
, (2.2)
де - діаметр джерела викиду, м;
- середня швидкість виходу газоповітряного потоку з джерела, м/с.
Безрозмірний коефіцієнт визначають за формулою
, (2.3)
, (2.4)
де - коефіцієнт, , що знаходиться за формулою
. (2.5)
Значення параметру в залежності від швидкості повітря (м/с) знаходять за нижче наданими формулами:
, (2.6)
, (2.7)
. (2.8)
а визначається за формулою
. (2.9)
Максимальну висоту труби для поодинокого джерела при якій максимальна концентрація шкідливї речовини в приземному шарі не перевищує ГДК визначають за формулою:
. (2.10)
Граничнодопустимий викид шкідливої речовини (ГДВ) для поодинокого джерела, при якому його максимальна концентрація в приземному шарі повітря не перевищує ГДК, визначають за формулою:
. (2.11)
де ГДВ - граничнодопустимий викид шкідливої речовини, г/с.
Направляючи вихлопну струю вертикально до гори та надаючи їй підвищенну вихідну швидкість - 15 м/с , ми розраховуємо на те, що в спокійну, безвітряну погоду, факел, що викидається, досягає значної висоти, яка забезпечує розповсюдження забруднюючих речовин на великий простір.
Так за формулою (2.2) діаметр джерела викиду, взявши вихідну швидкість
,
.
Виходячи зі стандартних розмірів труб обираємо трубу внутрішнім діаметром 200 мм та товщіною стінки 10 мм, таким чином уточнене значеня :
.
Для визначення максимального значення концентрації в приземному шарі атмосфери на висоті 2 м від поверхні землі, за умов максимального ступеня перетворення в 95% при початковому вмісті -5% та об'ємній швидкості визначимо кількість , що викидається до атмосфери:
, (2.12)
де - відсоток в газовому потоці після контактування, %;
- густина , кг/м3 .
.
Розраховуємо за формулою (2.9) для визначення , при висоті труби :
,
таким чином .
Визначаємо за формулою (2.5):
,
згідно формули (2.3):
.
Таким чином
,
така величина майже в 10 разів перевищує ГДК=0,05 мг/м3 , це свідчить про те, що існуюче виробництво ПАР необхідно додатково оснащувати очисткою газів від що викидаються до атмосфери, або підвищити ступінь перетворення в до рівня, при якому вміст на виході з джерела викиду буде забезпечувати його ГДК в приземному шарі атмосферного повітря.
За формулою (2.11) визначимо максимальноможливий викид , що забезпечує його ГДК в приземному шарі атмосферного повітря [56]:
.
Згідно формули (2.12) визначимо відсотковий вміст в газоповітряній суміші після контактування:
.
Такий вміст після контактування забезпечується при кінцевому ступені перетворення .
Провівши аналіз рис. 2.1 та табл. А 1 , встановлено, що можна досягти вже при тиску 0,6 МПа при температурі
723 К, а при температурі 693 К -; подальше збільшені тиску не досить сильно впливає на збільшення рівноважного ступеня перетворення.
2.2. Вибір апаратурно-технологічного оформлення контактного вузла
Для вибору типу реактора був проведений порівняльний аналіз температурних режимів реакторів, що реалізуються в реакторах [14, 58]:
* контактний апарат з трьома шарами каталізатору процес в котрих проходить в адіабатичному режимі з двома проміжними теплообмінниками після першого та другого;
* комбінований апарат - перший шар каталізатора процес в котрому йде в адіабатичному режимі, другий шар - трубчастий реактор, процес в котрому йде в режимі з внутрішнім теплообміном та проміжний теплообмінник між ними для підтримування оптимального температурного режиму;
Процес одержання сульфатуючого