Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор различных вариантов математического моделирования аэродинамики воздушных потоков 10
1.1. Известные математические модели систем очистки воздуха
1.1.1. Модель 1. Математическая модель сорбции углекислого газа
и паров воды в системе очистки газовой среды
и герметических объектов 10
1.1.2. Модель 2. Математическое моделирование и управление процессом регенерации воздуха 15
1.1.3. Модель 3. Моделирование многоступенчатых теплообменников 19
1.2. Математическое моделирование систем подачи воздуха в закрытых и открытых пространствах 21
1.2.1. Система подачи воздухав закрытом пространстве 21
1.2.2. Система подачи воздуха в открытом пространстве 24
Заключение к главе I 30
Глава II. Разработанные математические модели аэродинамических процессов в системах очистки воздуха 31
Введение 31
2.1. Модель 4. Обобщенный вариант использования математического аппарата диффузии, сорбции и химической кинетики для описания хемосорбционных процессов 32
Заключение к главе II 36
Глава III. Математическое моделирование процессов тепло- и массообмена применительно к производственным системам теплообмена и очистки воздуха 37
3.1. Математические модели процессов аэродинамических систем при очистке воздуха от различных токсикантов 37
3.1.1. Математическое моделирование аэродинамических систем регулируемых воздушных потоков 37
3.1.2. Физическая картина процессов, происходящих над источником токсикантов, и модель расчета параметров очистки воздуха 41
Заключение к главе III 43
Глава IV. Практическая реализация созданных математических моделей моделирования аэродинамических потоков 44
4.1. Известные схемы регулирования аэродинамических потоков 44
4.1.1. Классификация оборудования для очистки атмосферного воздуха от различных токсикантов 45
4.2. Проектирование сконструированных и примененных в работе воздухоочистительных систем с использованием известных баз данных 73
4.2.1. Модель адсорбера с верхним неподвижным слоем сорбента 73
4.2.2. Модель адсорбера со взвешенным (кипящим) слоем сорбента 74
4.2.3. Воздухоочистительные системы над промышленными ваннами 76
4.3. Схемы сконструированных и примененных
в работе воздухоочистительных систем 77
4.3.1. Схема адсорбера с верхним неподвижным слоем сорбента 77
4.3.2. Схема воздухоочистительной системы над промышленными ваннами 79
4.3.3. Получение и сорбционные характеристики сорбента С-КП 83
4.3.3.1. Получение и физико-механические характеристики сорбента С-КП 83
4.3.3.2. Истираемость и измельчаемость сорбента К-КП 84
4.3.3.3. Определение «условной механической прочности» 85
4.3.3.4. Метод определения процентного содержания воды 86
4.3.3.5. Суммарная пористость 88
4.4. Изучение адсорбции ряда токсикантов сорбентом С-КП 90
4.4.1. Статическая адсорбция на сорбенте С-КП 90
4.4.2. Изучение диффузии различных газов и паров в сорбенте С-КП 95
4.5. Результаты очистки атмосферного воздуха от токсикантов сорбентом С-КП 101
Заключение к главе IV 111
Выводы 112
Публикации автора по теме диссертации 113
Библиографический список
- Математическое моделирование систем подачи воздуха в закрытых и открытых пространствах
- Обобщенный вариант использования математического аппарата диффузии, сорбции и химической кинетики для описания хемосорбционных процессов
- Математическое моделирование аэродинамических систем регулируемых воздушных потоков
- Схема адсорбера с верхним неподвижным слоем сорбента
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Состояние вопросов, связанных с реализацией на практике различных моделей аэродинамических потоков при очистке атмосферного воздуха промышленных предприятий и жилых массивов, неоднозначно. Имеются отдельные математические модели, описывающие потоки пылегазовых смесей в шахтах, угольных карьерах, в различных замкнутых пространствах, например, в подводных лодках или космических аппаратах.
В большинстве случаев, в качестве математической модели процессов циркуляции воздуха рассматриваются модели потоков, в которых газ проходит через слой жидкости (сорбция диоксида серы суспензией гидроксида кальция) или поток воздуха проходит через гранулы специально приготовленных сорбентов (потоки углекислого газа через гранулы размерами от 5 до 15 мм в диаметре, гранулы покрыты пироксидами натрия или бария).
В других случаях предлагаются математические модели работы абсорберов, которые поглощают небольшое число токсикантов. Практически только в ограниченных случаях предлагаются математические модели процессов регенерации воздуха.
Все математические модели описывают только лишь этапы прохождения воздушных потоков через очистители и практически отсутствуют модели, основой которых являются изменение скорости и направления потоков. Не используются модели, предусматривающие импульсную подачу очищаемых потоков, или предусматривающие смешивание подаваемого воздуха и токсичных газов.
Перечисленные проблемы требуют детального рассмотрения, осмысления и, в конечном итоге, приложения известного и создания нового математического аппарата.
Цель работы. Разработка фундаментальных основ и применение математического моделирования для планирования работы воздухоочистительных систем.
Для решения поставленной задачи были необходимы следующие исследования:
поиск вариантов математического моделирования аэродинамических систем, позволяющих оптимизировать воздушные потоки, при которых утечка токсикантов была бы практически исключена;
сравнение созданных и действующих математических моделей с наилучшими из существующих;
экспериментальная проверка аэродинамических систем, основанных на использовании выбранных алгоритмов и математического аппарата аэродинамики в целом и необходимых лабораторных установок;
создание нового сорбента, свойства которого определены из вариантов математического моделирования аэродинамических систем, позволяющих оптимизировать воздушные потоки, при которых утечка токсикантов была бы практически исключена.
Методы исследования. При выполнении работы применялся программный продукт TEPLOOV, который обеспечил надежность и корректность аэродинамических расчетов систем вентиляции.
Научная новизна. Создан один из вариантов объединенной математической модели аэродинамики воздушных потоков в системах очистки воздуха.
Создана математическая модель очистки атмосферного воздуха от токсикантов с использованием кипящего слоя сорбента.
Создан новый сорбент, свойства которого определены из вариантов математического моделирования аэродинамических систем, позволяющих оптимизировать воздушные потоки, при которых утечка токсикантов была бы практически исключена.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель аэродинамических систем, позволяющая создавать оптимальные варианты регулируемых воздушных потоков;
подтверждение правильности математической модели аэродинамических систем, выбранных алгоритмов и математического аппарата в целом, с помощью лабораторного эксперимента;
сравнение созданных моделей и устройств с наилучшими из существующих и используемых на практике;
новый сорбент, свойства которого определены из вариантов математического моделирования аэродинамических систем, позволяющих оптимизировать воздушные потоки, при которых утечка токсикантов была бы практически исключена.
Практическая значимость. Разработанные математические модели могут быть использованы повсеместно при создании систем очистки атмосферного воздуха.
Отдельные положения, развитые в диссертации, и некоторые результаты, нашли применение в программах учебных курсов «Физика жидкости и газа», «Экология», «Охрана воздушного бассейна», «Общая химия» (раздел «Адсорбция») для студентов инженерно-строительных специальностей, ряда разделов физической и коллоидной химии, нефтехимии и в спецкурсах эколого-химического профиля для студентов химического факультета.
На основе керамзита и диоксида марганца, создан сорбент С-КП, который является эффективным средством очистки атмосферного воздуха от ряда промышленных токсикантов.
Достоверность полученных результатов. Результаты исследований получены апробированными методами математического моделирования с использованием современных программ и компьютерной техники. Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением результатов расчетов и эксперимента.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на XI международной конференции «Эколого-биологические проблемы Каспийского моря» (Астрахань, 2006); Международном конгрессе молодых ученных, студентов и аспирантов «Перспектива 2007» (Нальчик, 2007); II Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии» (Астрахань, 2008); на ежегодных научных конференциях Астраханского инженерно-строительного института (Астрахань, 2006, 2007, 2008) и Астраханского государственного университета (Астрахань, 2006, 2007, 2008).
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы, содержащего 129 название работ отечественных и зарубежных авторов. К диссертации прилагаются технические условия, описание патента, акты о внедрении результатов работы в практику. Диссертация содержит 111 страниц основного текста, 32 рисунка, 17 таблиц. Общий объем работы - 133 страниц.
Математическое моделирование систем подачи воздуха в закрытых и открытых пространствах
В последнее время математическому моделированию управления воздушными потоками в открытом и замкнутом пространствах систем очистки воздуха уделяется большое внимание [1, с. 25-29; 2, с. 73—76; 3, с. 273-283; 4, с. 25-30; 5, с. 6-8]. Рассмотрим различные варианты математического моделирования систем очистки воздуха.
Для решения задачи синтеза алгоритмов управления авторы (В. Н. Чернуха, А. Ф. Моргунов) предлагают математическую модель сорбции углекислого газа в поглотительных патронах. Модель представлена в форме, пригодной к практическому использованию. Что касается самих алгоритмов управления [7, с. 14-19], то для их отработки требуется модель объекта исследования. Математическое описание процессов адсорбции СОг и паров воды в поглотительных патронах системах очистки атмосферы (СОА) дается в виде системы уравнений.
Уравнение массопереноса для одного сорбируемого компонента (для единицы объема пористой среды) известно [8, с. 115-136]. Оно записывается так: где С- концентрация адсорбата в газовой среде; а - концентрация адсорбата в твердой фазе; и — средняя скорость движения газа в промежутках между зернами; )ц — коэффициент конвективной диффузии в пористой среде; Dm — коэффициент молекулярной диффузии; Dr - коэффициент термодиффузии; Т— температура единицы объема среды поглотителя; - порозность слоя (отношение объема межзернового пространства к общему объему слоя). Процесс адсорбции в объекте протекает в условиях экзотермичности. Для ее учета введем уравнение теплопередачи для газа в единице объема среды поглотителя [8, с. 120-136]: СГ —- + %CritVTr = -VQ + &TVT + — \EdCl + q. (1.2) дт Q J где Сг - теплоемкость единицы объема газа при постоянном давлении; Тг -температура единицы объема газа; Яг - теплопроводность газа; Q - элементарный объем слоя поглотителя; Q - объем межзернового пространства в объеме Q; Q - пульсационный поток теплоты, обусловленный случайной структурой межзернового пространства; Е - энергия, диссипируемая в виде теплоты в единице объема газа благодаря вязкости; q - количество теплоты, перетекающее от сорбента к газу в единицу времени на единицу объема пористой среды.
Уравнение теплопередачи в среде поглотителя имеет вид (1-4)CS -JL + (X-Z)q-!L + (l-Z)VAsVT-q. (1.3) дт дт где Cs - теплоемкость материала зерна; As — теплопроводность материала зерна; q — удельная теплота адсорбции сорбируемой примеси; 7 - температура единицы объема поглотителя.
Тепловой поток на границе «зерно - газ» q может быть представлен следующим образом: q,=a(TsB), (1.4) где a - коэффициент теплоотдачи; Тв - температура единицы объема воздуха. Система уравнений (1.30) - (1.33) обычно дополняется уравнениями кинетики неизотермической адсорбции
Представленная система (1.30) - (1.35) с соответствующими начальными и граничными условиями является математическим описанием процесса неизотермической адсорбции [8, с. 115—136], на базе которого может строиться и модель динамики адсорбции С02 в блоке очистки атмосферы СОА «Воздух». Для этого систему уравнений (1.1) - (1.6) следует упростить. Для этого авторы принимают следующие допущения, правомерность применения которых подтверждается результатами натурных испытаний поглотительных патронов СОА: адсорбция рассматривается в элементарном слое поглотителя; температурное поле и поле концентраций в слое осесимметричны и изменяются вдоль одной пространственной координаты - в направлении продольной оси потока и слоя; пульсационный перенос массы и теплоты, а также диссипация энергии пренебрежимо малы, так как скорость перемещения газа-носителя в слое поглотителя СОА невелика (0,05-0,15 м/с); температурные градиенты в слое небольшие, так как концентрация СОг в потоке газа-носителя, поступающего из гермокабины, не превышает 2 % по объему (15 мм рт. ст.), поэтому можно пренебречь переносом массы за счет термодиффузии; потоки массы и теплоты за счет аксиальной диффузии и теплопроводности незначительны по сравнению с конвективными потоками теплоты и массы. Данное допущение обусловлено низкой теплопроводностью слоя-поглотителя, небольшими градиентами температур при адсорбции, а также значительным диффузионным сопротивлением слоя длиной L, состоящего из мелких зерен диаметром d (в СОА d/L 10"2).
Обобщенный вариант использования математического аппарата диффузии, сорбции и химической кинетики для описания хемосорбционных процессов
Одноступенчатая очистка аспирационного воздуха в фильтровальных рукавах, имеющих коэффициент очистки п = 0,999, при высокой начальной запыленности не обеспечивает выполнения санитарных норм для возврата очищенного воздуха в цех. Концентрация пыли в очищенном рукавами воздухе при коэффициенте проскока пыли є = (1 - rj) - 1 - 0,999 = 0,111 составляет С2 =CU. =3000-0,001 = 3мг/м3, что превышает ПДКрВ для рециркули-руемого воздуха в 1,66 раза (3/1,8). Кроме того, выпускаемые отечественными производителями рукавные фильтры по конструктивному исполнению не обеспечивают взрывобезопасность цеха белого шлифования при возможном взрыве пыли в фильтре, так как не оснащены постоянно действующей системой задержания огня на выходе из фильтра. Поэтому в цехах белого шлифования в качестве пылеуловителей применяют в основном циклоны типа УЦ-3 8, загрязняющие атмосферу пылевыми выбросами (С2 72 мг/м ) [65, с. 25-31] и вызывающие большой расход энергоносителя в системе приточной вентиляции.
Комплексная задача обеспечения эффективной защиты атмосферного воздуха от вредных пылевых выбросов и максимально возможного энергосбережения в цехах белого шлифования решается за счет замены циклонов типа УЦ-3 8 взрывобезопасными рециркуляционными рукавными фильтрами (РРФ) с повышенной эффективностью очистки аспирационного воздуха, обеспечивающими: - 100%-ный возврат очищенного воздуха в цех и, как следствие, за мену технологических выбросов через циклоны вентиляционными выбросами (через камеру общеобменной вытяжной вентиляции), имеющими существенно меньшие объемы и концентрацию пыли, чем технологические выбросы; — максимально возможное по санитарным нормам уменьшение произ водительности камеры приточного воздуха при заданном значении C = 3000 мг/м3 за счет многократного уменьшения концентрации пыли в ре-циркулируемом воздухе С2 после РРФ по сравнению с допускаемым значением Сг = ПДКрв= 1,8 мг/м .
Повышение эффективности очистки аспирационного воздуха в РРФ достигается путем увеличения числа ступеней очистки в одном корпусе РРФ, которое определяется путем теоретического обоснования энергосберегающей эффективности очистки воздуха Гэ0 в РРФ. /7,о=Ю0 тр=100(1- д) (4.1) где 7тр - требуемый коэффициент очистки аспирационного воздуха; єд допустимый коэффициент проскока пыли через РРФ. Расчет эффективности очистки воздуха пРРф (%) в составленных вариантах ступеней очистки РРФ производился по следующей формуле [68, с. 57-87]: 77РРФ =100[l-(l-/7l)(l- )(l- )(l-75)] (4.2) Во всех рассмотренных вариантах ступеней очистки использовались фильтровальные рукава (т]2 = 0,999). Результаты расчета гррф по шести вариантам составленных ступеней очистки воздуха в РРФ приведены в [65, с. 25-31].
Многие технологические процессы (дробление материалов, их загрузка, разгрузка, транспортирование, смешивание и др.) сопровождаются интенсивным выделением пыли в атмосферу производственных помещений.
На полу и других горизонтальных поверхностях, расположенных на высоте до 2 м от уровня пола, оседает 4-12 (г/м2)/ч твердых частиц, а на поверхностях, отстоящих от пола на большей высоте, - около 1 (г/м")/ч.
Использование для уборки помещений щеток, метел, скребков, а тем более сдува сжатым воздухом не обеспечивает необходимой чистоты, а са мое главное, приводит к вторичному пылеобразованию: осевшая пыль во время ручной уборки вновь поднимается в воздух, переходит во взвешенное состояние, повышая, таким образом, свою концентрацию в воздухе рабочей зоны.
Как показали исследования, при ручной уборке с пола удаляется 50-60 % массы пыли, остается неубранной 40-50 % , в том числе во взвешенное состояние переходит около 10 % пыли. Запыленность воздуха в рабочей зоне уборщика возрастает в 10-20 раз по сравнению с фоновой концентрацией, имевшей место до уборки [72, с. 83-90].
Высокими санитарно-гигиеническими характеристиками отличается вакуумная пылеуборка. Она обеспечивает высокую производительность, полное отсасывание пыли, удаление ее из труднодоступных мест и транспортирование к месту выгрузки, отсутствие пыления, возможность возврата собранного материала в производство.
Проектирование системы вакуумной пылеуборки заключается в выборе наиболее рациональной схемы системы, в аэродинамическом расчете сети воздуховодов и подборе устройств по очистке удаляемого из помещения воздуха от пыли и побудителей тяги. Принципиальная схема стационарной системы вакуумной очистки промышленных зданий приведена на рис. 4.2.
Математическое моделирование аэродинамических систем регулируемых воздушных потоков
Эффективен в работе жалюзийно-магнитный фильтр-сепаратор [112, с. 26-29], в корпусе которого расположена жалюзийная решетка с параллельными полыми элементамис находящимися в них постоянными магнитами. Элементы обращены друг к другу разнополярными поверхностями, ориентированы под углом к направлению очищаемого газовоздушного потока и смещены относительно друг друга таким образом, что каждый последующий (по ходу движения потока) элемент перекрывает предыдущий. В результате образуется магнитная ловушка, магниты не только делают элементы магнито-активными, но и создают дополнительные зоны повышенной интенсивности поля в областях их взаимного перекрытия. В этих зонах проходит завершающий процесс захвата ферропримесей, в том числе высокодисперсных.
Эффективную работу с минимальными затратами электроэнергии обеспечивает установка для каталитической очистки газовоздушных выбросов промышленных предприятий от токсичных и горючих загрязнений [113]. Установка содержит теплообменник, нагреватель и каталитический нейтрализатор, которые соединены последовательно по ходу движения очищаемых газовоздушных выбросов и помещены внутрь теплонакопительного устройства. Выход нейтрализатора подсоединен к теплообменнику. Теплообменник служит для предварительного подогрева вновь поступающих в теплообменник очищаемых газовоздушных выбросов уже очищенными выбросами. Теп-лонакопительное устройство снабжено датчиками температуры теплонакопительного материала и температуры очищенного воздуха и системой нагрева, связанными с системой регулирования.
Фирма «Filter Ltd.» (Великобритания) совместно с фирмой «Haldor Topsoe A/S» (Дания) разработала комплексные фильтры марки Cerafil TopKat [114, с. 16], содержащие пористые цилиндрические элементы из керамики и катализатор на основе оксидов металлов. Эти фильтры не только обеспечивают качественную очистку газовоздушных выбросов от мелкодисперсных механических частиц, но и благодаря наличию катализатора позволяют осуществить деструкцию диоксинов, летучих органических соединений и оксидов азота. Фильтры марки Cerall TopKat снижают содержание в очищенных газовоздушных выбросах летучих органических соединений до 1,0 %.
Транснациональная компания «Ингерсолл Рэнд» («Ingeisoll Rand») разработала систему механической и химической фильтрации загрязненного воздуха [115, с. 40-41], поступающего в компрессорную станцию. Система является автономной установкой для очистки загрязненного воздуха, в первую очередь, от твердых взвешенных частиц и химических загрязнений и включает: предварительный механический фильтр, сменные контейнеры с химическим наполнителем, механический фильтр тонкой очистки, камеру с перфорированным металлическим корпусом.
Фирмой «Keller Lufttechnik GmbH» (Германия) разработана фильтрующая установка для комплексной очистки газовоздушных выбросов промышленных производств от примесей легколетучих органических соединений с применением окислительных реакций, протекающих при низких температурах [116, с. 54-55]. В установке применены процессы адсорбции, озонирования и фотолиза. Синтез озона, используемого для окисления легколетучих органических примесей, осуществляется под действием ультрафиолетовой радиации. В процессе очистки газовоздушных выбросов используются два фильтра, работающие попеременно: один фильтр находится в рабочем режиме очистки, а второй - в регенерации, проводимой с применением обратного потока очищенных газовоздушных выбросов. Информация о процессах, протекающих в обоих фильтрах, выводится на специальный экран.
Российская фирма «ЭКОсервис - НЕФТЕГАЗ» серийно выпускает установки «Форсаж-1» [117, с. 24], которые позволяют утилизировать горючие органические отходы в газовоздушных выбросах методом сжигания.
Преимуществами применения биологических фильтров для защиты воздушного бассейна от выбросов технологического воздуха, содержащего опасные для здоровья людей вредные вещества, являются в основном простота технологии защиты и ее малозатратность [119]. В этих фильтрах используется биологическая энергия микроорганизмов и некоторых живых организмов, в результате чего обеспечивается высокая степень обезвреживания промышленных отходов, находящихся в технологическом воздухе.
Фильтр-пылеуловитель с жестким фильтрующим элементом удобен в эксплуатации [119]. Он обеспечивает также отделение влаги от очищаемого воздушного потока. Выбросы технологического процесса поступают по трубопроводу и через окно проникают в полость тройников. Выделившийся конденсат и выпавшая в осадок производственная пыль оседают на нижней крышке тройника, откуда периодически выводятся по трубопроводу. Очищаемый воздух из полости тройников входит в полость трубы, а затем через жесткий фильтрующий элемент и радиальные окна поступает во внутреннюю часть трубы и в выходной трубопровод. Трубопроводы закреплены соответственно в тройниках с помощью боковых крышек.
Установка и извлечение фильтрующего элемента для промывки, ремонта и замены производятся быстро.
Большим ресурсом и надежностью работы отличается рукавный фильтр-пылеуловитель [118] с регенерирующим устройством. Фильтр-пылеуловитель состоит из корпуса с входным и выходным патрубками, фильтрующего рукава, вала с щетками, закрепление которых по длине вала произведено по спирали так, что обеспечивается их равномерное по высоте прилегание к внутренней поверхности рукава. Запыленный воздушный поток через патрубок поступает внутрь рукава, проходит через него, осаждая пыль на внутренней поверхности рукава. Очищенный воздух выходит через пат рубок. После того, как внутренняя поверхность рукава забьется частицами пыли, что определяется по перепаду давления на входе и выходе воздуха из фильтра-пылеуловителя, подачу запыленного воздуха прекращают и производят регенерацию рукава. Винтообразное движение щеткам обеспечивается валом, установленном в подшипниках и получающем вращение от привода. Щетки удаляют с внутренней поверхности рукава частицы пыли, которые падают в бункер.
Фирма «Headline Filters GmbH» (Германия) выпускает воздушные фильтры-пылеуловители [121] с высокопористыми фильтрующими перегородками из высокопрочного пористого микростекловолокна. Фильтры обеспечивают пропускную способность по воздуху от 2 до 700 км/ч со степенью улавливания твердых частиц до 99,9 %.
Эффективен в работе вихрединамический воздушный фильтр-пылеуловитель [123], состоящий из цилиндрического корпуса с впускным и выпускным патрубками, конуса, колец, фильтроэлементов и трубы отвода. Кольца имеют одинаковой поперечное сечение, установлены на одинаковом расстоянии друг от друга и уменьшаются по диаметру последовательно к выходу.
Фирма «Mikro Pul GmbH» (Германия) выпускает компактные воздушные фильтры-пылеуловители марки Everclean RPB [14, с. 34], имеющие производительность 1500-100000 нм3/ч и обеспечивающие высокую степень очистки воздуха от пыли. Их фильтрующие элементы выполнены в виде бесконечных лент, которые движутся в вертикальном направлении между двумя шкивами. Предусмотрены регенерация фильтрующих элементов и сборник для пыли.
Схема адсорбера с верхним неподвижным слоем сорбента
Результаты, приведенные в табл. 4.3, позволяют сделать однозначное заключение, смысл которого состоит в том, что хемосорбционный процесс протекает очень полно и с достаточно высоким выходом продуктов реакции пиролюзита (диоксид марганца) с сорбатами. Практическая близость сорбци-онных констант для случая характерной сорбции S02, СН3ОН, НСОН на сили кагелях и алюмосиликатах, вместе с очень хорошей сорбцией H2S, NO и СО, для которых сорбция на силикагелях и алюмосиликатах нехарактерна, позволяют считать, что хемосорбционные процессы связаны с диффузией различных сорбатов в сорбенте С-КП и фактические скорость и глубина диффузионных процессов являются главными в поглощении сорбатов сорбентом С-КП. В связи с этим были поставлены опыты по изучению диффузии в сорбенте, представляющий собой не опушенный пиролюзитом керамзит тех органических и неорганических веществ, для которых была изучена адсорбция: SO2, H2S, NO, N02, СО, С02, CS2, СН3ОН, СбН5ОН, CH3(CH2)2-CH2SH.
Установка для изучения диффузии является развитием методики для изучения диффузии электролитов в почвах по методу Лебедева [50, с. 48-68; 83, с. 73-83].
В наших исследованиях для изучения диффузии была использована установка, показанная на рис. 4.25. С помощью штурвала, соединенного с винтом и платформой в трубке из нержавеющей стали, покрытой тонким слоем парафина, можно опускать или поднимать набор стеклянных колец.
В каждое кольцо достаточно плотно, но без особых усилий, вноситься сорбент, и платформа опускается, устанавливается новое кольцо и так далее. Платформа имеет специальные отверстья и прорези, необходимые для того, чтобы создавать избыточное давление над кольцами и диффундирующий воздух, проходя через систему колец с сорбентом, мог уходить через отверстия платформы и корпуса (путь Р-С).
Генератор паров или газов — сосуд объемом 1 дм , снабжен капельной воронкой и газоотводной системой. Перед генерированием газов (например, H2S, S02, NO2, COi) на дно сосуда кладут чашку Петри с навеской какого-либо компонента, например, сульфида железа, тиосульфата натрия, медных опилок или мрамора. В капельную воронку заливают кислоту, от узкой газоотводной трубки через пробку подсоединяют к прибору для изучения диффузии широкую газоотводную трубку (рис. 4.26). После того, как вся система собрана, из капельницы подается кислота внутрь колбы, при этом протекают химические реакции с выделением газов. Рис. 4.26. Прибор для генерирования газов: 1 - склянка; 2 — подача газа на диффузию или сорбцию; 3 — капельная воронка; 4 - отвод в вакуум насосу; 5 — чашка Петри с солью
Так как верхняя часть цилиндра остается открытой, то над поверхностью сорбента создается постоянная концентрация паров и газов. Сам сорбент частично адсорбирует на поверхности цилиндра пары и газы, но заведомо высокая их концентрация (0,05 кг/м ) позволяет считать Со величиной постоянной. Через 2 ч установку для изучения диффузии отсоединяют от газогенератора, выдавливают поворотом штурвала отдельные кольца, отбирают по 5 г проб сорбента (расстояния хо = 0 мм, Xi = 20 мм, х2 = 40 мм, х3 = 60 мм, х4 = 80 мм, х5 = 100 мм). Каждый образец высыпают в 50 см воды, быстро перемешивают и йодометрическим титрованием определяют концентрацию SO? и H2S в каждой из этих проб (с0, сь с2, Сз, сд, с5), или с использованием фотометрических методов определяют содержание отдельных веществ по [51, с. 12-125; 52, с. 54-68; 84, с. 185-190; 85]. Коэффициент диффузии D рассчитывали по уравнению: 2л[тЮІ где с - концентрация (кг/м3) диффундирующего вещества на расстояние х (м), t - время (с), D - коэффициент диффузии (м2/с).
Анализ результатов, приведенных в табл. 4.4-4.13, свидетельствует о том, что, во-первых, в сорбенте С-КП легко диффундируют те вещества, которые в той или иной степени растворимы в воде {НСОН, SO2, NO2, СНзОН, CgHsOH). Поэтому и коэффициенты диффузии этих веществ резко возрастают с увеличением влажности сорбента и температуры среды. Для веществ, трудно растворимых в воде (H2S, CH3CH2CH2-CH2SH, NO, СО), влажность мало влияет на коэффициенты диффузии, и определяющим фактором является температура, с увеличением которой скорость диффузии возрастает.
Весьма важным фактором является то, что во всех случаях происходит проникновение диффундирующих веществ в толщу сорбента. Это особенно важно в тех случаях, когда сорбент обрабатывается не водой, а диоксидом марганца. При этом хемосорбционные процессы наблюдаются не только на поверхности, но и в толще сорбента.
Особо следует отметить еще одно важное обстоятельство, которое связано с дисперсностью сорбента С-КП (а также и СВ-100-П) [36, с. 76-80], -это скорость поглощения и масса поглощенного вещества.
