книги / Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности.-1

По уравнению

Рабочая высота псевдоожиженного слоя должна составлять 0,75 от высоты кристаллорастителя до уровня отводящего патрубка

Диаметр кристаллорастителя находим из уравнения расхода:

Dк = 4Vц.р / (3600πω) ,

Vц.р = Cx / (Cн − Cк ) = 2046,5 / (341, 2 − 333, 6) = 269,3 м3/ч.

Подставив значение V, получим диаметр кристаллорастителя:

Dк = 4 269,3 / (3,14 3600 0, 021) = 2,13 м.

14.3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ РАСТВОРЕНИЯ (ЭКСТРАКЦИИ) ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

К процессам растворения в технологии обычно относят такие процессы, которые завершаются полным исчезновением (растворением) твердых тел. При выборочном растворении, когда вещество извлекается из пор инертных носителей, которые не взаимодействуют или слабо взаимодействуют с жидкостью, инертный носитель по завершении процесса сохраняется. Эти особенности обусловливают различие кинетических закономерностей процессов и, как следствие, обозначение их различными терминами – растворение и экстрагирование [19].

При растворении вещество, переходящее в раствор, на протяжении всего процесса контактирует с движущейся жидкостью через ламинарный пристенный слой небольшой толщины. В случае экстрагирования такой механизм наблюдается только в самом начале процесса, когда происходит вымывание растворяющегося вещества с поверхности твердых тел и из устьев пор. В дальнейшем граница межфазного взаимодействия непрерывно продвигается в глубь инертного носителя, контакт растворяющегося вещества с движущейся жидкостью утрачивается. Скорость процесса экстрагирования, при прочих равных условиях, ниже скорости растворения, так как путь диффузионного массопереноса при

341

экстрагировании включает не только толщину ламинарного пристенного слоя, но и участки капилляров от зоны растворения до поверхности твердого тела, заполненные неподвижной жидкостью. И растворение,

иэкстрагирование завершаются переходом извлекаемого вещества в раствор. Однако по окончании процесса экстрагирования часть раствора содержится в порах инертного носителя и теряется после его отделения (фильтрацией илицентрифугированием) от основногообъема жидкости.

Впрактике растворения и экстрагирования встречается физическое

ихимическое растворение. При физическом растворении твердое вещество может быть возвращено в исходное состояние кристаллизацией из раствора. В случае химического растворения, представляющего собой гетерогенную реакцию, возврат к исходному твердому веществу кристаллизацией невозможен. Химическое растворение может сопровождаться выделением газообразных продуктов реакции или твердых веществ, блокирующих доступ экстрагента к поверхности растворения. В качестве растворителей (экстрагентов) применяются жидкости, которые хорошо растворяют целевые компоненты и практически не растворяют остальные составляющие твердого тела. Для этого используются вода, кислоты, щелочи, спирты, кетоны, нефтяные фракции, сжиженные газыит.п.

Основной закон кинетики растворения сформулировал в 1896 году А.Н. Щукарев: плотность потока вещества с поверхности растворения пропорциональна концентрационному недонасыщению раствора:

где М – масса растворенного вещества, t – время, F – поверхность растворения, сs и с1 – концентрация насыщения и концентрация в основном объеме растворителя соответственно, K – коэффициент скорости растворения.

Чаще всего скорость межфазного перехода высока, поэтому у поверхности растворения формируется слой насыщенного раствора, из которого вещество диффундирует через пристенный слой в основной объем растворителя. Коэффициент скорости растворения в этом случае приблизительно равен коэффициенту массоотдачи:

K ≈ βс= Dδм ,

где β с – коэффициент массоотдачи, Dм – коэффициент молекулярной диффузии, d – толщина диффузионного пристенного слоя.

342

В общем случае сопротивление переходу вещества из твердой фазы в раствор складывается из двух составляющих:

цесса лимитируется межфазным переходом. Константа Kм зависит от температуры и не зависит от гидродинамической обстановки в аппарате. Коэффициент массоотдачи β с повышается с увеличением температуры, так как увеличивается Dм, снижается вязкость жидкости n и уменьшается толщина пристенного слоя. Вместе с тем β с существенно зависит от гидродинамической обстановки в аппарате, поскольку

где l – характеристический размер твердого тела, Re – критерий Рейнольдса.

Помимо термина «экстрагирование» для обозначения процесса в литературе встречаются термины «выщелачивание», «частичное растворение» и «экстракция в системе «твердое тело– жидкость» [19].

Выщелачиванием традиционно называют процесс извлечения компонентов из твердого тела водой или водными растворами неорганических соединений, в то время как термин «экстрагирование» не ограничивает круг применяемых растворителей. Термин «частичное растворение» соотносит экстрагирование с растворением, однако растворение – только одна из стадий экстрагирования, причем, как правило, не лимитирующая процесс в целом.

Извлечение целевых компонентов как из жидкостей, так и из твердых пористых тел нередко называют экстракцией (иногда экстрагированием) без уточнений или с добавлением «жидкостная», «жидкофазная», «в системе жидкость– жидкость», «из твердого тела», «в системе твердое «тело– жидкость». Возможно, это связано с формальным сходством уравнений материального баланса и методов расчета процессов в стати-

343

ческих условиях с использованием прямоугольных и треугольных диаграмм. Между тем кинетика процессов в системах «жидкость– жидкость» и «твердое тело– жидкость» существенно отличается. Например, в системе «жидкость– жидкость» межфазная поверхность зависит от гидродинамических условий в аппарате, а в системе «твердое тело– жидкость» она формируется на предшествующей операции измельчения и от гидродинамики не зависит.

Терминологическое разнообразие затрудняет поиск информации о процессе и соотносит его с процессами, существенно отличающимися от экстрагирования. В монографии, посвященной данному процессу (Экстрагирование. Система твердое тело– жидкость. 1974), Г.А. Аксельруд и В.М. Лысянский указали на целесообразность использования единого термина «экстрагирование».

После выхода этой монографии термин «экстрагирование» стал использоваться чаще, однако в периодической печати по-прежнему встречается термин «экстракция», а в «Общем курсе процессов и аппаратов химической технологии» (2000 г.) под редакцией В.Г. Айнштейна использован термин «частичное растворение».

Пористое тело, играющее роль инертного носителя, содержит пустоты и извлекаемое вещество в виде раствора, заполняющего поры, либо в виде твердого вещества, находящегося на поверхности пор или заполняющего их. В соответствии с этим в литературе отдельно рассматривают процессы экстрагирования растворимых и твердых компонентов, хотя первый из них является завершающей стадией второго. Внутри пористого тела могут существовать открытые (сквозные и тупиковые) и закрытые поры, из которых целевой компонент без дополнительного измельчения твердого тела извлечь невозможно.

После смешения твердой и жидкой фаз одновременно начинаются процессы проникновения растворителя в поры под действием капиллярных сил и растворения целевых компонентов, находящихся на внешней поверхности пористых частиц и в устьях крупных капилляров. Проникновению растворителя препятствует воздух, находящийся в порах, из-за чего продолжительность процесса может быть значительной. Для ускорения процесса применяют предварительное вакуумирование сырья, замену воздуха на легкорастворимый газ, повышение давления и различного рода колебательные воздействия на систему.

По мере извлечения целевого компонента фронт растворителя движется в глубину пористой частицы, оставляя инертную структуру

344

в неизменном виде. На подвижной границе (фронте растворения) концентрация раствора равна концентрации насыщения с = сs. В периферийном слое создается поле концентраций, изменяющееся в пространстве и времени. Его можно представить в виде поверхностей одинаковых концентраций (изоконцентрационных), постепенно перемещающихся в глубь пористого тела. Их вид зависит от размеров, формы и структуры пористого тела, размеров и формы пор.

На поверхности пористого тела концентрация извлекаемого компонента сп меньше сs и больше, чем в основном объеме растворителя c1. Скорость диффузии вещества от фронта растворения к поверхности пористой частицы меньше скорости молекулярной диффузии вследствие извилистости пор, блокировки диффузионного потока инертным скелетом, торможения движения молекул стенками пор и других факторов. Для расчетов вместо коэффициента свободной молекулярной диффузии Dм используют коэффициент массопроводности D, который определяется как произведение Dм на коэффициент Kэф, учитывающий влияние перечисленных факторов [7, 19].

Отношение потока вещества из периферийного слоя пористого тела к поверхности частицы имеет вид:

нормали к поверхности пористого тела.

Такое же количество вещества отводится с поверхности частицы по механизму массоотдачи, поэтому

где β c – коэффициент массоотдачи.

Для сферических частиц последнее уравнение может быть переписано в виде:

345

где φ = r ; r и R – радиусы текущий и пористого тела соответственно;

R

Bi – диффузионный критерий Био, Bi = βc R .

D

Возможны два предельных случая экстрагирования. Если Bi > 1, то сп < с1 – градиент концентрации внутри частиц, достигает максимального значения. Такой режим называется внутридиффузионным, так как скорость процесса экстрагирования определяется скоростью диффузии в пористых частицах. Поскольку внешнедиффузионное со-

экстрагирования во внутридиффузионном режиме протекает наиболее интенсивно. Если коэффициент массоотдачи мал и Bi œ 1, то градиент концентрации внутри пористых частиц стремится к нулю и распределение концентрации в них равномерное. Такой режим называется внешнедиффузионным, так как скорость процесса лимитируется скоростью диффузии извлекаемого компонента с поверхности частиц.

При протекании процесса экстрагирования во внутридиффузионном режиме естественным путем интенсификации является уменьшение размеров пористых частиц. Однако это влечет за собой увеличение затрат энергии на их измельчение и ухудшение работы сепараторов при отделении твердой фазы от экстракта. Кроме того, уменьшение размеров пористых частиц может сопровождаться снижением селективности процесса – увеличением выхода в экстракт балластных веществ [19].

По окончании растворения твердого вещества процесс экстрагирования переходит в стадию извлечения раствора. В этот момент доля неизвлеченного компонента в пористых частицах определяется по формуле

где mс – объемная доля инертного скелета в пористых частицах, c0 и cр – средние объемные концентрации целевого компонента в пористых частицах в начальный момент времени и в момент полного растворения твердого вещества.

346

В зависимости от режима экстрагирования (внешнеили внутридиффузионного), cр может находиться в диапазоне от c1 до cs. В равновесных условиях процесс экстрагирования заканчивается, когда концентрация раствора в пористых частицах станет равной концентрации в основном объеме экстрагента c1• . Если обозначить через B отношение

объема пор в частицах (1 – mс) к объему экстрагента, то в периодическом режиме экстрагирования равновесная концентрация в объеме экстрагента будет определена как

а доля неизвлеченного компонента

Если cн = 0, то

ωкон = B 1− mc .

1+ B

Таким образом, в процессе экстрагирования из пористых тел в отличие от процессов растворения никогда не достигается полного извлечения целевого компонента, то есть значения wкон = 0. Если cн = 0 и B ® 0, то wкон ® 0, но такой вариант не имеет практического значения, так как для дальнейшего использования экстракта его концентрация должна быть максимально возможной.

Эффективным способом повышения выхода в процессах экстрагирования, а также интенсификации процессов растворения и экстрагирования является применение противоточных аппаратов или противоточных многоступенчатых установок. Снижение потерь целевого компонента с истощенным сырьем (инертным пористым носителем) достигается также путем удаления раствора из пористого тела. Для этого применяют центрифугирование, отжим, промывку «свежим» экстрагентом, продувку воздухом и другие способы.

347

ГЛАВА 15. РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

15.1. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ АЭРОБНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

15.1.1. Полевое компостирование отходов

Компостирование – сложный аэробный биологический процесс, сопровождающийся интенсивным выделением тепла. Легкогниющие органические вещества разлагаются с образованием подвижных форм гуминовых кислот, хорошо усваиваемых растениями. В результате компостирования синтезируется гумус, который является основным компонентом почвы. В основе получения компоста лежит процесс аммонификации под воздействием аэробных бактерий. В свою очередь аммонификация является процессом разложения органических соединений отходов с выделением аммиака. Поэтому при компостировании отходов теряют до 20 % (по весу) органических веществ.

Разложение органического вещества отходов, инициируемое аэробной микрофлорой, требует постоянного притока кислорода и отвода газообразных продуктов окисления, в том числе углекислого газа. Накопление углекислого газа, снижая окислительный потенциал, может тормозить процесс. Поэтому в отходах должно поддерживаться определенное соотношение углерода и азота (С:N = 25…30). В процессе компостирования можно выделить две основные фазы: I – получение биотоплива; при этом снижение содержания органического вещества составляет 5–8 вес. %; II – получение компоста, при котором снижение веса органического вещества составляет 20 вес. %.

Компостирование отходов производится на площадках, расположенных рядом с полигонами [8].

Наиболее простая технология компостирования заключается в складировании в штабеля, расположенные параллельными рядами с проездом между ними 3 м. Ширина основания и высота варьируются в зависимости от климатических условий. Для предотвращения выплода мух, устранения запахов и уменьшения теплообмена между штабелями и воздушной средойих покрывают слоемземли илиторфа высотой15–20 см.

348

Вштабелях весенне-летней закладки в результате протекания аэробного компостирования в течение первых 15–20 дней происходит саморазогрев штабеля до 60–70 ° С; затем в течение 2–4 месяцев температура держится на уровне 40–45 ° С, а в дальнейшем снижается до 30–35 ° С. Через 10 месяцев «горения» температура устанавливается на уровне 14–18 ° С и держится до следующей весны. Рекомендуемая продолжительность компостирования ТБО в штабелях – от 12 до 18 месяцев. При регулярном перелопачивании и увлажнении штабелей срок может быть существенно уменьшен.

Впроцессе компостирования интенсивно снижается влажность отходов. Для обеспечения активизации процесса наряду с перелопачиванием и принудительной аэрацией материал следует увлажнять.

Полученный компост очищается от балластных фракций – стекла, камней, металла с использованием установки для механизированной сортировки. Установка для механизированной сортировки содержит магнитный сепаратор, виброгрохот и транспортеры.

Другим вариантом технологии полевого компостирования является предварительное дробление отходов перед укладкой в штабеля, осуществляемое при помощи молотковых дробилок. В этом случае выход компоста увеличивается, а количество отходов снижается.

Более совершенная технология полевого компостирования осуществляется на специальных секционных площадках с водонепроницаемым основанием (бетонные плиты), оборудованных грейферным

краном, осуществляющим создание и перелопачивание штабелей. На площадках имеется дробильно-сортировочное отделение, оборудованное приемным бункером с пластинчатым питателем, магнитным сепаратором для отбора металлолома, системой ленточных транспортеров, цилиндрическим грохотом, дробилкой для компоста. Для аэрации отходов в штабелях прокладывают перфорированные воздуховоды, соединенные с вентилятором. Площадки содержат также систему полива и пожаротушения. Для ликвидации крупного отсева балластных фракций площадки могут содержать мусоросжигательные или пиролизные установки небольшой производительности; при их отсутствии балласт вывозится на полигон. Компостирование в максимальной степени соответствует природному кругообороту веществ, обеспечивая обезвреживание и утилизацию ТБО.

349

Санитарное обезвреживание ТБО при компостировании происходит в результате их нагрева, который обеспечивается жизнедеятельностью различных микроорганизмов. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов при компостировании ТБО на первой стадии происходит развитие неспороносных мезофильных микроорганизмов. Температурный оптимум их развития составляет 25–30 ° С с повышением температуры за счет выделения энергии окисления органических кислот и белков под воздействием мезофильных микроорганизмов до 42–50 ° С. При этом создаются условия для развития теплолюбивых споровых микроорганизмов – термофилов, а мезофилы начинают отмирать. Далее происходит развитие термофильных микроорганизмов. Температурный оптимум их развития – 55–60 ° С, однако температура компостируемого материала продолжает повышаться и достигает 65–70 ° С, что является губительным для патогенных микроорганизмов. В результате обеспечивается обезвреживание биотоплива и компоста. Затем происходит медленное падение температуры при сокращении количества термофилов, которые переходят в спорообразное состояние; вновь развиваются мезофильные микроорганизмы. Падение температуры указывает на то, что подвижные соединения органической массы в основном усвоены. В этой фазе работают аммонифицирующие микроорганизмы. На завершающем этапе процесса компостирования развиваются целлюлозоразлагающие микроорганизмы.

Для успешного течения процесса компостирования необходимо соблюдение следующих условий: влажность отходов должна быть не менее 50–60 вес. %; содержание пищевых отходов – не менее 25–30 вес. %; отношение С:N в ТБО, равное порядка 25–30 [8].

15.1.2. Компостирование в тоннелях и бункерах

Для ускорения процесса ферментации необходимо, чтобы в ферментируемой массе развивались достаточно высокие температуры. Для этого необходимо, чтобы компостируемая смесь хорошо снабжалась воздухом.

Идея ферментации компоста с использованием подачи воздуха под компостируемую массу принадлежала Синдену. В 60-х годах XX века она была усовершенствована Сарацином. С этого времени для производства компоста стали использовать аэрацию буртов (табл. 15.1).

350