Содержание к диссертации
Введение
1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 11
1.1. Анализ выбросов вредных веществ при нанесении покрытий в стройиндустрии 11
1.1.1. Токсикологические свойства выбросов вредных веществ при нанесении покрытий 14
1.2. Современные представления капельного уноса 15
1.3. Исследование факторов, определяющих характер барботажа и размер газовых пузырьков 16
1.4. Исследование закономерностей капельного уноса при разрыве пузырей на поверхности жидкость-газ 18
1.5. Природа электрокинетических явлений на границе жидкость — газ 22
1.6. Механизм электризации капель 23
1.7. Обеспыливание воздуха 25
1.8. Улавливание вредных веществ в электрическом поле 26
1.9. Основные пути решения экологических проблем при нанесении покрытий на металлические строительные материалы 28
1.10. Выводы 32
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОУЛАВЛИВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ НАДПОВЕРХНОСТНЫМИ
ЭЛЕКТРОУЛОВИТЕЛЯМИ 33
2.1. Уточнение основных теоретических положений процессов электроулавливания 33
2.2. Новые количественные и качественные характеристики капельного выброса 39
2.3. Математический аппарат оценки эффективности процессов электроулавливания 42
Движение капель в неоднородном электрическом поле 48
Движение капель в однородном электрическом поле 57
Статистические исследования капельного уноса из технологических ванн 58
Обоснование эффективности электроулавливания аэрозолей статистическими методами 64
Выводы 67
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОУЛАВЛИВАНИЯ 69
Уточненная методика измерения заряда капель вредных аэрозолей 73
Исследование распределения уноса вредных веществ по высоте 76
Математические модели траекторий капель в электрическом поле 77
Определение фракционной эффективности МНЭУ 85
Оптимизация элементов конструкций МНЭУ 86
Исследование эффективности электроуловителей 88
Исследование эффективности МНЭУ с Т-образным электродом 88
Исследование эффективности МНЭУ с чередующимися плоскими и проволочными электродами 92
Исследование эффективности МНЭУ с Г-образными электродами 95
Виды распределений капель вредных электролитов по размерам и ошибки их оценок 98
Выводы 99
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 100
Опытно-промышленное испытание МНЭУ 100
Опытно-промышленная установка для улавливания аэрозолей
при нанесении покрытий 101
Внедрение многофункциональных надповерхностных электроуловителей в строительной отрасли 102
Оценка эколого-экономической эффективности применения МНЭУ 103
4.5. Выводы 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
ЛИТЕРАТУРА 109
ПРИЛОЖЕНИЕ 124
- Анализ выбросов вредных веществ при нанесении покрытий в стройиндустрии
- Уточнение основных теоретических положений процессов электроулавливания
- Уточненная методика измерения заряда капель вредных аэрозолей
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие строительной промышленности в настоящее время сопровождается увеличением потребности в металлоконструкциях, дорогостоящих и вредных электролитах, расходе электрической энергии, на производство которых тратится значительная часть природных ресурсов. В связи с этим увеличивается загрязнение окружающей среды (ОС) вредными выбросами не только в районах предприятий стройиндустрии.
Строительная индустрия является одной из основных загрязнителей воздушного бассейна. Так, по уровню загрязнения ОС строительная промышленность конкурирует с газовой, химической и нефтехимической, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной, а также с машиностроением и металлообработкой. При нанесении покрытий на металлы выбрасывается до 30% от объема технологического раствора вредных электролитов [1], содержащих Ni, Zn, Сг, что указывает на необходимость разработки экологоохранного оборудования для радикального снижения загрязнений ОС.
Несмотря на то, что ассортимент защитных и упрочняющих покрытий чрезвычайно широк, на предприятиях стройиндустрии ограничиваются стандартными устройствами защиты ОС и воздуха рабочей зоны (например, бортовой отсос с дальнейшим улавливанием вредных веществ). При этом выбросы в ОС могут достигать 90 %.
В сложившейся практике борьбы с вредными выбросами при нанесении покрытий в стройиндустрии мало используются достижения в области обеспыливания воздуха, в том числе и мокрого обеспыливания. К ним можно отнести оборудование барботажного действия (ротоклоны), с эффективностью подавления вредных выбросов, равной 93% [2]. Однако, их применение в стройиндустрии ограничивается из-за громоздкости оборудования и необходимости создания высокоскоростных воздушных потоков.
Заслуживает внимания применение пленочного уловителя вредных веществ с использованием динамической пленки того же состава [3]. Однако,
техническая реализация этого принципа применительно к нанесению покрытий в стройиндустрии неизвестны.
Особое место в пылеулавливании занимают циклонные аппараты и их многообразные модификации [4]. Для повышения эффективности улавливания используются акустика и вибрация.
Известны фильтрующие элементы, устанавливаемые в вентиляционных системах для защиты окружающей среды [5]. При этом они снижают выбросы в атмосферу, но не уменьшают загрязнение окружающей среды, так как отработанные фильтрующие элементы, не подвергаясь регенерации, вывозятся на полигоны для захоронения.
Перечисленные методы и средства усложняют эксплуатацию технологического оборудования и делают его громоздким, не применимым при нанесении покрытий в стройиндустрии.
Эффективным средством защиты ОС являются пенные уловители, используемые для подавления аэрозолей [1]. Однако, применяемый для этих целей препарат хромпротект, известный способностью создавать динамическую пену в процессе покрытия, весьма дефицитен, а другие пенообразователи, обладая повышенной смачивающей способностью, ухудшают качество процесса.
Менее результативны поплавковые элементы различной конфигурации, применяемые для тех же целей, так как при всплывании пузырьков вблизи электродов и обрабатываемых деталей наблюдается эффект их разбегания с захватом поплавков [6, 7]. В результате образуются зоны интенсивного капельного выброса, что снижает эффективность защиты ОС.
Наиболее эффективным средством защиты окружающей среды являются электроуловители [8, 9, 10, 11, 12]. Однако до сих пор недостаточно исследованы зависимости капельного выброса от режима барботажного процесса и свойств жидкости, определяющие эффективность улавливания.
Таким образом, основными причинами неэффективного применения существующего экологоохранного оборудования является низкая надежность
7 защиты ОС при эксплуатации, не полное использование улавливающих
возможностей электрического поля.
В данной работе задачу снижения выброса вредных веществ в ОС предлагается решать путем повышения эффективности подавления капельного уноса в зоне его максимальной локализации многофункциональными надповерхностными электроуловителями (МНЭУ) [13 — 15, 16].
Таким образом, разработка и исследование перечисленных выше проблем актуальны.
Целью работы являются: снижение массы выбросов вредных веществ в ОС за счет совершенствования многофункционального экологоохранного электроуловителя.
Идея работы состоит в использовании способа подавления вредных выбросов в месте их образования при нанесении покрытий на элементы строительных металлоконструкций и изделия для повышения эффективности защиты ОС.
Областью исследований является процессы и устройства электроулавливания аэрозолей в стройиндустрии.
Предметом исследований является капельный выброс вредных веществ, закономерности, средства и методы его контроля, исследование и оптимизация многофункциональных электроулавливающих устройств.
Методы исследований включали анализ и обобщение результатов исследований других авторов, физическое и математическое моделирование процессов и многофункциональных экологоохранных устройств, фото и киносъемку процесса выброса капель, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и планирования эксперимента, апробацию теоретических и расчетных результатов в лабораторных и заводских условиях.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована выбором физических моделей, базирующихся на фундаментальных положениях теории капельного уноса, аэромеханики, и подтверждена
8 адекватностью теоретических положений, научных выводов результатам
экспериментальных исследований других авторов, испытанием разработок
автора в условиях производства.
Научная новизна работы. В результате теоретических и
экспериментальных исследований решены следующие аспекты проблемы:
установлены новые количественные и качественные зависимости
капельного выброса от режима барботажного процесса и свойств жидкостей,
которые положены в основу создания многофункционального
экологоохранного оборудования с электроулавливанием вредных аэрозолей;
предложена уточнённая методика измерения распределения капель по высоте и по поверхности технологического оборудования предприятий стройиндустрии с МНЭУ и без него;
разработан математический аппарат, позволяющий оценивать эффективность процессов электроулавливания;
получены математические модели траекторий движения капель в электрическом поле многофункциональных экологоохранных электроуловителей;
проведена оптимизация элементов конструкций многофункциональных электроуловителей.
Практическое значение работы заключается в следующем:
разработаны, испытаны и внедрены многофункциональные экологоохранные устройства для защиты окружающей среды от вредньк аэрозолей, предложены способы их применения в стройиндустрии;
предложен автоматизированный метод измерения заряда капель во внешнем электрическом поле, позволяющий уточнить механизм электризации капель.
разработана методика расчёта эффективности электроулавливания
аэрозолей для отдельных ячеек разной конфигурации, включающая
автоматизированный метод расчёта траекторий капель в электрическом поле,
9 которая может быть использована для выбора наиболее эффективной
конструкции многофункционального экологоохранного устройства;
разработан пакет программ для решения задач электроулавливания при нанесении покрытий, позволяющий проводить неограниченное число имитационных экспериментов с минимальной трудоемкостью (по сравнению с условиями лабораторий и заводов);
результаты диссертационной работы позволяют определить эффективность известных и вновь разрабатываемых экологоохранных электроуловителей вредных аэрозолей на предприятиях стройиндустрии.
Реализация результатов работы осуществлена в виде следующих конструкторских решений, программных и учебных материалов:
проектов многофункциональных электроуловителей аэрозолей, внедренных на заводах стройиндустрии;
пакетов программ для решения основных задач электроулавливания;
пакетов вспомогательных метрологических программ для распознавания отпечатков капель на подложках зонда;
методических указаний для лабораторных и практических занятий по курсам: «Промышленная экология», «Безопасность жизнедеятельности».
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование процесса электроулавливания и экспериментальные исследования многофункционального надповерхностного электроуловителя и его элементов;
математическая модель элементов процесса улавливания вредных аэрозолей, учитывающая взаимосвязь параметров барботажа со свойствами растворов;
методика измерения заряда вредных капель различных растворов;
элементы системы автоматизированного проектирования многофункционального надповерхностного электроуловителя.
10 Апробация работы:
Материалы диссертационной работы докладывались и получили
одобрение на:
международной конференции «Промышленная экология» в 2000 году;
научно-практическом семинаре «Безопасность, экология, энергосбережение» в 2000 году;
международных научно-практических конференциях в Ростовском государственном строительном университете: «Строительство» в 2003 — 2005 годах;
Всероссийских научно-практических конференциях «Техносферная безопасность» в 2000 и 2005 годах;
международных конференциях «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды» в 2002 - 2005 годах;
областной научной конференции «Экология-Безопасность-Жизнь» в 2005 году.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 14 научных работах, одном методическом указании для лабораторной работы и доложены на 11 конференциях международного и регионального уровня.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений, содержит 148 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 17 таблиц и приложений.
Автор работы выражает благодарность кандидату технических наук, доценту В.И. Гаршину за большую помощь в проведении экспериментальных исследований.
Анализ выбросов вредных веществ при нанесении покрытий в стройиндустрии
Основными нормативными документами, регламентирующими предельно допустимые концентрации и общие требования безопасности в воздухе рабочей зоны являются:
ГОСТ 12.1.005 - 88 (ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования) устанавливает предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных газов, паров и пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений.
ГОСТ 12.3.008 - 75 (ССБТ. Производство покрытий металлических и неметаллических неорганических. Общие требования безопасности) в перечне технологических процессов, при которых обязательно устройство вентиляции и местных отсосов, содержит: обезжиривание органическими растворителями, химическое, электрохимическое; травление химическое, катодное; химическое полирование, электрополирование; приготовление растворов кислот и щелочей; нанесение покрытий способом электрохимическим, химическим, анодного окисления металла, катодного распыления; фосфатирование; оксидирование и другие.
Процессы химической и электрохимической обработки поверхностей металлов осуществляют в ваннах, заполненных различными растворами минеральных кислот, солей и их смесями. При этом выделяются аэрозоли серной и соляной кислот, хромового ангидрида, едких щелочей; оксиды азота; пары плавиковой, азотной и соляной кислот; пары воды; аэрозоли и капли растворов со всеми содержащимися в них химикатами, в частности растворимые соли никеля.
Для эффективного электроулавливания необходимо знать физические и химические свойства веществ, употребляемых в технологических процессах, их превращения, изменения, токсичность, источник и места выделения вредных веществ, состояние и свойства их в момент выделения [27].
Важнейшими исходными данными являются количественные показатели выделяющихся вредных веществ, без знания которых невозможно выполнить необходимые расчеты, связанные с очисткой вентиляционных выбросов и защитой окружающей атмосферы.
В настоящей работе основное внимание уделено следующим вредным веществам: оксиды хрома СЮз, СггОз, CrS04 и др. выделяются с аэрозолями растворов, в которых они содержатся. серная кислота H2SO4 употребляется при травлении металлов, разбавленная серная кислота действует на металлы, стоящие в ряду активности перед водородом (магний, цинк, алюминий, железо и др.), образуя соли и выделяя водород, который выносит с собой аэрозоли раствора. При действии на медь, серебро, ртуть (стоящие в ряду напряжений после водорода) нагретой концентрированной серной кислотой, получаются соли и выделяется сернистый ангидрид. Если техническая серная кислота загрязнена мышьяковистыми соединениями, то при травлении образуется и выделяется мышьяковистый водород, являющийся сильным ядом. фосфорный водород РН3 образуется при растворении различных металлов в кислотах, а также в процессах электротравления и реже электрополирования; поступает в воздух в виде аэрозолей. хлористый водород НС1 в воздухе образует белый туман в результате сгущения атмосферных водяных паров и образования соляной кислоты в виде мельчайших капелек. Выделяется при обработке металла в соляной кислоте. Техническая соляная кислота содержит 37% НС1. При нагревании ее выше 35 С хлористый водород интенсивно испаряется. Плотность паров НС1 по отношению к воздуху 1,27.щелочные аэрозоли NaOH, КОН выделяются при обезжиривании металлов, травлении цинка, свинца, алюминия и его сплавов, в воронении черных металлов.пыль, состоящая из волокон войлока и матери, а также из частичек металла, абразивов и паст (содержащих 40—80% оксида хрома Сг203), выделяется при шлифовании и полировании, при накатке кругов. Пыль песчаная, наждачная, металлическая выделяется в очистных камерах и устройствах.
class2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОУЛАВЛИВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ НАДПОВЕРХНОСТНЫМИ
ЭЛЕКТРОУЛОВИТЕЛЯМИ class2
Уточнение основных теоретических положений процессов электроулавливания
Для расчета простейшего электроуловителя конденсаторного типа с не однородным полем необходимо знать параметры электрического поля: среднюю напряженность и степень его неоднородности, а также величину собственного за ряда капли и ее дипольного момента. При невозможности определения дипольного момента можно воспользоваться эквивалентным (наведенным) зарядом [33]. .
Разработанный авторами [33] метод измерения эквивалентного заряда основан на измерении параметров траектории капель в поле уловителя при известной максимальной высоте их взлета. Предварительные оценки показали, что силой F\ можно пренебречь по сравнению с силой F2.
При изучении проблемы заряда важным вопросом остается вопрос о соотношении величин собственного и наведенного заряда. Собственный заряд, обязанный своему происхождению явлению специфической адсорбции ионов и их разделению при капельном выбросе, очевидно, играет существенную роль лишь в начальный момент выброса капли и, возможно, ограничивает высоту ее взлета.
Наведенный заряд играет основную роль в электроулавливании капель. Описанная методика измерения заряда справедлива для случая приблизительно однородного поля. Степень неоднородности поля воспринимается экспериментатором как причина ошибки, причем, так как тенденция ошибок при измерении напряженности известны, то ошибка носит характер систематической. При необходимости ее можно учесть и исключить.
В случае неоднородного поля можно моделированием получить характер пространственного изменения напряженности, которая возрастает вблизи острия электрода. Вместе с ней возрастает и сам заряд (вернее дипольный момент капли). Но так как о размере капли при ее полете и поляризации, (а возможно и деформации) в электрическом поле нельзя судить определенно, то неизбежно приходим к необходимости принятия термина «эффективный заряд».
Зная эффективный заряд и степень неоднородности электрического поля, можно оценить дипольный момент капли. Геометрию электрического поля исследовали методом построения эквипотенциальных поверхностей на бумаге, смоченной электролитом.
Другим перспективным методом исследования электрических полей при различных форме и взаимном расположении электродов является моделирование полей с помощью ЭВМ.
При исследовании улавливающего действия фильтра наблюдалось отклонение размеров следов капель на электродах от равновесных. Этот факт нашел объяснение в наличии связи остаточной деформации капли при ее торможении на электроде с ускоряющим действием поля [106], а полученное аналитическое выражение (2.11).
Для получения более точной формулы следует провести специальный прецезионныи эксперимент по выделению капель вторичного уноса по типу опыта Ирибарне, где определялся радиус вторичной капли при бомбардировке поверхности каплями жидкости.
Уточненная методика измерения заряда капель вредных аэрозолей
Следует подчеркнуть, что по мере накопления информации о капельном уносе и о закономерностях электроулавливания капель многократно появлялась необходимость уточнения экспериментальных зависимостей. Так в вопросе о заряде капель до сих пор остается нерешенным вопрос о соотношении влияния собственного и наведенного зарядов. Количественные проверки установили, что для большей корректности объяснения действия дипольного механизма улавливания необходимо пользоваться дипольными моментами и градиентом напряженности электрического поля. Такие оценки получены, и не противоречат экспериментальным данным по измерению заряда. Но практически удобнее пользоваться локальным значением напряженности поля и соответствующим значением заряда, поэтому в дальнейшем моделировании задач электроулавливания потребовалось уточнить методику измерения самого заряда [72, 122].
Впервые эта методика была уточнена в работе [119]. Уточнение состояло в применении убывающей линейной зависимости максимальной высоты взлета капель от их размера, полученной методом наименьших квадратов.
Со временем от линейной зависимости h{r) пришлось отказаться в пользу экспоненциальной зависимости. С учетом этого была разработана программа для расшифровки информации о размерах и ординатах отпечатков капель на приэлектродных стеклах в ходе траєкторних исследований. Окончательным результатом такого эксперимента являлся заряд капель и его зависимость от их размера [46].
Однако, в формуле заряда, определяемого по методу [74], использовалась максимальная высота взлета капель, определенная как предельное значение высоты взлета, это может быть оправдано только в случае обеспечения стандартных условий генерации одиночных пузырьков, то есть при достаточно большом периоде их появления, Более строгий подход требует учета реального распределения капель разных размеров по высоте взлета, полученного в результате исследования статистики размеров капель и высоты взлета капель над поверхностью ванн,
В первом приближении, если учесть распределение капель по высоте, может быть получена уточненная зависимость, но на данный момент возможно использование только привычного метода.
Алгоритм программы по откорректированному автоматическому измерению заряда капель приведен в [122].
Как показали опыты по разграничению влияния собственного и наведенного заряда, величина собственного заряда (объясняемого селективной адсорбцией ионов при разрушении пузыря) оценивается порядком 10"16 Кл, в то время как величина наведенного заряда меняется от 10" до 10 13 Кл, что говорит о преобладающей роли индуцированного заряда в процессе улавливания капель. Но так как по конечному результату (форме траектории) нельзя установить соотношение зарядов, то мы вынуждены ввести понятие эффективного заряда. Эффективный заряд - это заряд капли, полученный косвенно по результатам обработки траектории капли в поле уловителя.
Опираясь на опыт многолетних и многочисленных исследований капельного уноса, а также на результаты собственных исследований зависимости массы уноса от режима барботажа, возьмем в качестве фундаментальной закономерности экстремальную зависимость массы уноса от расхода газа при барботаже жидкости.
В эксперименте по исследованию эффективности надповерхностных электроуловителей установим расход газа, при котором унос капель максимален. При выключенном поле произведем зондирование капель с одинаковой экспозицией на разных высотах.
Зависимость зондируемой массы электролита от высоты получали неоднократно.
![Методическое обеспечение экоаналитического контроля технологических сред в зонах предприятий по утилизации О-изобутил-S-[(2-диэтиламино)этил] метилтиофосфоната (RVX)](/i/i/4708/572659.png "Методическое обеспечение экоаналитического контроля технологических сред в зонах предприятий по утилизации О-изобутил-S-[(2-диэтиламино)этил] метилтиофосфоната (RVX) Густылева Людмила Константиновна")
