Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная экология. Практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ПРОМЫШЛЕННАЯ
ЭКОЛОГИЯ
ПРАКТИКУМ
Направление подготовки 241000.62 –
Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической
технологии, нефтехимии и биотехнологии
Профиль подготовки «Охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов
Бакалавриат
Ставрополь
2015
УДК 502.3:574 (075.8)
ББК 20.1:28.080 я73
Печатается по решению
университета
П 78
редакционно-издательского совета
Северо-Кавказского федерального
Рецензенты:
канд. педагог. наук, доцент М. Д. Полтавская,
канд. техн. наук, доцент А. Ю. Калиниченко
П 78 Промышленная экология: практикум / авт.-сост. О. Г. Ла-
рина. – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2015. – 110 с.
Пособие содержит сведения об основных закономерностях
и механизме рассеивания примесей загрязняющих веществ в атмосфере. Дается характеристика основных технологий очистки газовых выбросов, рассматривается принцип работы и методика расчета сухих и мокрых пылеуловителей, фильтров, абсорберов и адсорберов, установок для высокотемпературного обезвреживания
газов. Приводятся рекомендации по определению класса опасности
производственных отходов для окружающей среды.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению
подготовки 240100.62 – Энерго- и ресурсосберегающие процессы в
химической технологии, нефтехимии и биотехнологии.
УДК 502.3:574 (075.8)
ББК 20.1:28.080 я73
Автор-составитель
кандидат технических наук, доцент О. Г. Ларина
© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский
федеральный университет», 2015
2
ВВЕДЕНИЕ
Целью изучения дисциплины «Промышленная экология» яв-
ляется формирование набора профессиональных компетенций выпускника по направлению подготовки 241000.62 – Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии. Для освоения дисциплины поставлены следующие задачи:
– ознакомить студентов с основными источниками выбросов
загрязняющих веществ, механизмом распространения примесей;
– заложить основу знаний по теории и практике основных
промышленных методов очистки выбросов и применяемом
оборудовании;
– сформировать научный подход к подбору оборудования для
конкретных процессов очистки;
– научить общим принципам и методам расчета
природоохранного оборудования;
– подготовить к проведению исследований, связанных с
разработкой и внедрением средозащитных и ресурсосберегающих
мероприятий, различных видов новой средозащитной техники,
экологически чистых и малоотходных технологических процессов,
производств и производственных комплексов.
Дисциплина «Промышленная экология» относится к
профессиональному циклу Б3.Б.10 (базовая часть). Компетенции
обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины:
– использование основных законов естественнонаучных
дисциплин в профессиональной деятельности, применение
методов математического анализа и моделирования,
теоретического и экспериментального исследования (ПК-1);
– способность использовать основные естественнонаучные
законы для понимания окружающего мира и явлений природы
(ПК-2);
– владение основными методами защиты производственного
персонала и населения от возможных последствий аварий,
катастроф, стихийных бедствий (ПК-6);
– способность участвовать в совершенствовании
технологических процессов с позиций энерго- и ресурсосбережения, минимизации воздействия на окружающую среду (ПК-8);
3
– готовность обосновывать конкретные технические решения
при разработке технологических процессов; выбирать технические
средства и технологии, направленные на минимизацию антропогенного воздействия на окружающую среду (ПК-11);
– способность использовать элементы эколого-экономического анализа в создании энерго- и ресурсосберегающих технологий
(ПК-14);
– способность систематизировать и обобщать информацию по
формированию и использованию ресурсов предприятия (ПК-18).
Промышленное производство и другие виды хозяйственной
деятельности людей сопровождаются выделением в воздух помещений и в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих
воздушную среду. В воздух поступают аэрозольные частицы
(пыль, дым, туман), газы, пары. На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных
выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна. Благодаря очистке выбросов перед их поступлением в атмосферу предотвращается загрязнение атмосферного воздуха. Очистка воздуха имеет важнейшее санитарно-гигиеническое, экологическое и экономическое
значение. Однако при отсутствии эффективной очистки все вредности через систему пылеулавливания выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее. Ухудшение качества атмосферного воздуха и среды в целом происходит и при неправильной утилизации отходов
производства и потребления.
При изучении дисциплины «Промышленная экология»
студенты знакомятся с основными методами защиты окружающей
среды от промышленных выбросов, изучают принципы создания
малоотходных и безотходных производств. Решение задач
является важным элементом изучения курса, поскольку позволяет
лучше усвоить теоретический материал, уменьшить проблему
формализации знаний.
4
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
1. РАССЕИВАНИЕ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ
ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ
Цель: расширение и закрепление теоретических представлений о факторах, закономерностях и механизме рассеивания примесей загрязняющих веществ в атмосфере.
Знания и умения, приобретаемые студентом в результате
освоения темы, формируемые компетенции или их части
Практическое занятие направлено на формирование
профессиональных компетенций (ПК-1, ПК-2). Привить студентам
стремление использовать основные законы естественнонаучных
дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы
математического анализа и моделирования, теоретического и
экспериментального исследования (ПК-1). Сформировать способность использовать основные естественнонаучные законы для
понимания окружающего мира и явлений природы (ПК-2).
Актуальность темы
Ни одно предприятие не может существовать без выбросов,
сбросов, отходов. Выброс – это целенаправленное кратковременное или в течение длительного времени поступление загрязняющих веществ в атмосферный воздух (преимущественно газообразных). Попадая в биосферу, эти загрязнения должны быть, как можно быстрее и тщательнее перемешаны с принимающей средой,
чтобы концентрация в регламентируемых точках не превышала
нормативных (допустимых) значений. На условия рассеивания
примесей оказывает влияние множество факторов, к которым относятся: застройка территории, особенности ландшафта, климатические характеристики и т. д. В этой связи основу определения
действий предприятия по газоочистке должна составлять оценка
загрязнения атмосферного воздуха, анализ рассеивания выбросов.
Теоретическая часть
1. Воздушная среда и ее подвижность
Воздушная среда является наиболее подвижной частью биосферы. В результате непрерывной миграции и круговорота загряз-
5
няющие вещества способны существовать в атмосфере длительное
Температура, оС
30
40
50
70
80
90
–40
слой
озона
тропосфера
стратосфера
мезосфера
ионосфера
время, накапливаться и обнаруживаться повсеместно. Роль атмосферного воздуха в формировании планетарных (глобальных) процессов столь велика, что он является приоритетным объектом систематических наблюдений с 1972 года в рамках глобального мониторинга. Именно мониторинг атмосферного воздуха рассматривают как информационную систему для принятия экологически
значимых решений, а следовательно, как основу оценки воздействия предприятия на окружающую среду.
Качество атмосферного воздуха, бесспорно, влияет на здоровье, благополучие, работоспособность людей. В сутки человек потребляет 13–15 кг воздуха, что в 6–7 раз выше объема воды. Состав
сухого незагрязненного воздуха (% об.): азот – 78,084; кислород –
20,946; аргон – 0,934; следовые количества – СО
N
O, Xe; пары воды – менее 2 %. Средняя молекулярная масса –
2
, Nе, He, CH4, H2, Kr,
2
0,02897 кг/моль; теплоемкость – 29,05 Дж·моль/К.
Непрерывное направленное движение воздушных масс – объективная реальность. Рассмотрим причины и механизмы циркуляции воздуха.
Атмосфера имеет слоистое строение (рис. 1 .1). Плотность воздуха непрерывно убывает с высотой. Температура снижается в
среднем на 0,5–0,6 °С на каждые 100 метров до высоты 15–18 км.
Высота, км
Рис. 1.1. Строение и температурный режим атмосферы
6
Затем снижение температуры прекращается, и на высоте 30–40
км отмечается её рост, достигающий +75 °С на высоте 60 км, после
чего температура вновь понижается, достигая (-75 °С) на высоте
80 км.
Это связано с наличием озонового слоя, который интенсивно
поглощает ультрафиолетовые лучи (УФ) и способствует активизации фотохимических реакций. В стратосфере почти нет водяного
пара, там нет облаков, способных давать осадки.
Изменение температуры в атмосфере на каждые 100 метров
высоты называется температурным градиентом, а слой тропосферы, где температура изменяется в обратном направлении, называется тропопаузой. Высота тропопаузы зависит от географической широты, а в нижних слоях – от свойств земной поверхности и
даже распределения суши и моря на Земле. Тропопауза – это верхняя граница перемешивания, так как в ней этот процесс замедляется, а вещества могут проникать выше, в стратосферу, только с помощью очень медленной диффузии. Итак, снижение температуры
есть важнейшая причина циркуляции воздуха.
Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному распределению давления, в результате чего возникают воздушные течения, которые создают общую циркуляцию
атмосферы.
Различают вертикальное и горизонтальное перемешивания
в атмосфере.
Процесс смещения охлажденных слоев воздуха (газов) вниз и
скопление их под слоями теплого воздуха, приводящий к увеличению их концентраций в приземной части атмосферы, называется
инверсией (рис. 1.2.). Инверсия – причина вертикального перемешивания воздуха. Горизонтальное перемешивание связано с адвек-
цией, то есть горизонтальным движением воздуха в направлении
скорости ветра, обуславливающее перенос тепла и влаги из одних
регионов в другие.
Инверсия означает переворот, изменение обычного хода событий; такое состояние атмосферы, когда над слоем холодного воздуха размещается слой теплого воздуха.
7
Пример: температура
T = 20 °С.
тропосфе-
8-18
тепло
холодно
литосфе-
тропопауза
стратосфера
тепло
7 см/с
Какова вероятная
Температура воздуха
на высоте 3 км?
100 м – 0,5°С,
1000 м – Х Х = 5 °С.
Если на высоте 1000 м
падение t = 5 °С, то на 3000 м
это 15 °С.
Ответ: t = 5 °С.
Рис. 1.2. Схема инверсионного процесса
Несмотря на большую высоту атмосферы (более 80 км), только тропосфера влияет на погоду. Тропосфера относительно неустойчива, так как в ней часто образуются вертикальные течения,
приводящие к конденсации водяного пара и появлению облаков и
осадков. Скорость перемещения воздуха в вертикальном направлении по сравнению со скоростью в горизонтальном в большинстве
случаев составляет незначительную величину (7 см/с). Способность к диффузии сильно зависит от температуры. При неизменной
температуре на всех высотах вертикальный градиент температуры
называется изотермическим. Особое значение имеет температурный градиент, при котором масса воздуха перемещается с одного
уровня на другой, сохраняя плотность окружающей среды. Инверсионный слой может служить естественной преградой, предотвращающей опускание загрязняющих веществ на Землю, следовательно, фактором их рассеивания.
В инверсионных слоях резко ослабляется турбулентный обмен. С точки зрения рассеяния, приподнятая инверсия оказывает
влияние на выбор эффективной высоты трубы (Н
понимают сумму реальной ее высоты (Н) и той добавки к ней, ко-
), под которой
эф.
торая обусловлена скоростным поднятием дыма (∆Н):
Н
= Н + ∆Н. (1.1)
эф
Инверсия (в т. ч. приподнятая) резко уменьшает ∆Н, вместе с
ней Н
– успех рассеяния. Влияние инверсии наблюдается только
эф
в случае веерообразной струи. Рассмотрим возможные ситуации
(рис. 1.3–1.6).
8
Рис. 1.3. Инверсионный слой ниже устья трубы
Ситуация, когда температура падает на 1–3 °С при заходе
солнца, то образуется веерообразная приподнятая струя. Загрязнение приземного слоя значительно ниже расчетного, т. к. инверсионный слой служит естественной преградой, предотвращающей
опускание загрязняющих веществ на землю.
Рис. 1.4. Инверсионный слой выше устья трубы
Если инверсионный слой расположен на значительной высоте
от устья трубы, то образуется веерообразная задымляющая струя.
Инверсионный слой является преградой для нормального рассеивания ЗВ, которые в больших концентрациях попадают в приземный слой воздуха. Он действует, как «крышка», а развивающиеся
конвективные вихри перемешивают струю в пределах примыкающего к земле неустойчивого слоя. Возможно увеличение концентрации (приземных) ЗВ в окрестностях трубы до самых больших
значений примерно в течение 30 минут. Если рост неустойчивого
слоя атмосферы замедлен или даже отсутствует (например, мор-
9
ской бриз), то задымление может существовать в течение многих
часов и распространяться на значительную длину.
Рис. 1.5. Выброс в пределах инверсионного слоя
Выброс попадает в инверсионный слой, это нейтральный выброс.
Загрязнение не стремится приблизиться к земной поверхности.
Рис. 1.6. Влияние инверсионных процессов на концентрации примесей
Повышение температуры с высотой приводит к тому, что выбросы из труб не могут подниматься выше определенного уровня –
потолка, который для мощных тепловых электростанций составляет 200–800 м, а для холодных выбросов из труб небольшого диаметра 20–40 м.
Для промышленных установок выбросы через трубу большой
высоты имеют преимущество перед факельным выбросом, т. к. высокая труба часто позволяет устранить нежелательное влияние инверсионного слоя ниже ее устья. Высота трубы является важней-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]