Учение о химическом производстве (стр. 6 из 6)

Концентрация горючего

Рис.1.1 Зависимость температуры самовоспламенения (Тсв) от концентрации горючего в смеси (С).

Наиболее благоприятные условия для воспламенения создаются при стехиометрическом содержании (Сст) горючего в смеси. Собственно и температура самовоспламенения будет самой низкой. При уменьшении или увеличении концентрации горючего по сравнению со стехиометрической Тсв возрастает. Кривая, ограничивающая область воспламенения смеси, асимптотически приближается к ординатам, указывая на предельные минимальные и максимальные концентрации горючего в смеси, вне которых воспламенение невозможно. Значения

есть нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения.

Концентрационные пределы смесей можно определить по правилу Ле-Шателье:

где

- содержание отдельных горючих компонентов в смеси.

-концентрационные пределы распространения пламени по каждому из компонентов горючей смеси.

Вопрос о распространении пламени в горючей смеси является одним из наиболее сложных в теории горения. Горение может происходить в неподвижных средах, при ламинарном течении горючей смеси и в турбулентном потоке. Горение также, может происходить при предварительном перемешивании горючего и окислителя или при их раздельной подаче. Процесс горения представляет химическую реакцию, однако скорость горения, по существу, определяется физическими процессами - испарением, переносом вещества и тепла.

Наиболее сложным видом горения является горение жидкостей, протекающих при взаимном влиянии кинетических, тепловых и гидродинамических процессов.

Горение жидкостей происходит в газовой фазе. В результате испарения над поверхностью жидкости образуется паровая струя, смешение и химическое взаимодействие которой с кислородом воздуха обеспечивает формирование зоны горения.

Зоной горения является тонкий светящийся слоя газов, в который с поверхности жидкости поступают горючие пары, а из воздуха диффундирует кислород.

Основными параметрами, характеризующими процесс горения, являются: фронт пламени, ширина фронта пламени, скорость распространения фронта пламени.

Фронтом пламени называют зону, где происходит превращение химической энергии горючего вещества в тепловую. Ширина фронта пламени газовых смесей при атмосферном давлении составляет несколько десятых долей миллиметра.

Перед распространяющимся фронтом пламени находится свежая смесь, а сзади - продукты горения. Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным.

К свежей смеcи от единицы поверхности пламени в единицу времени в результате теплопроводности подводится количество тепла

(1)

где? - коэффициент теплопроводности; - ширина фронта пламени.

Выделившееся тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной температуры То до температуры Тг:

(2)

где u - скорость потока газа, равная скорости распространения пламени;

с - удельная теплоемкость; р - плотность смеси; (с учетом зависимостей (1) (2) и определяется соотношением

- коэффициент температуропроводности.

Известно, что скорость, химического превращения сильно зависит от температуры. Поэтому сгорание основной массы горючего вещества происходит в зоне, температура которой близка к Тг. В связи с этим зона самой реакции оказывается меньше. Приблизительно можно принять, что? =u?, где - время пребывания смеси в зоне реакции. Время обратно пропорционально скорости реакции, т.е.? =1/К,

При распространении пламени тепло, которое выделяется в результате реакции, расходуется на нагрев свежей смеси и частично теряется в окружающее пространство. Но если потеря тепла превышает некоторое критическое значение, то произойдет прогрессивное снижение температуры пламени и его затухание. С учетом взаимного влияния потерь тепла из зоны горения и температуры горения, а также скорости распространения пламени сформулированы основные положения о пределах распространения пламени, согласно которым условием возможности распространения пламени по горючей смеси является соотношение

где Тпред - предельное значение Тг;

Ттеор - теоретическая температура горения.

Предельное значение скорости распространения пламени определяется как

.

Отсюда следует, что пламя не сможет распространятся по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической на величину, превышающую R Т2теор/Е

Экологические проблемы химической технологии

Система "человек - окружающая среда" находится в состоянии динамического равновесия, при котором поддерживается экологически сбалансированное состояние природной среды, при котором живые организмы, в том числе человек, взаимодействуют друг с другом и окружающей их абиотической (неживой) средой без нарушения этого равновесия.

В эпоху научно-технической революции возрастающая ролью науки в жизни общества нередко приводит к всевозможным негативным последствиям использования научных достижений в военном деле (химическое оружие, атомное оружие), промышленности (некоторые конструкции атомных реакторов), энергетике (равнинные ГЭС), сельском хозяйстве (засоление почвы, отравление речных стоков), здравоохранении (выпуск лекарств непроверенного действия) и других областях народного хозяйства. Нарушение равновесного состояния между человеком и окружающей его средой может иметь уже в настоящее время глобальные последствия в виде ухудшения среды обитания, разрушения природных экологических систем, изменения генофонда населения. По данным ВОЗ 20-40% здоровья людей зависят от состояния среды, 20-50% - от образа жизни, 15-20% - от генетических факторов.

По глубине реакции окружающей среды различают:

Возмущение, временное и обратимое изменение среды.

Загрязнение, накопление поступающих извне или генерируемых самой средой в результате антропогенного воздействия примесей техногенного характера (веществ, энергии, явлений).

Аномалии, устойчивые, но локальные количественные отклонения среды от состояния равновесия.

При длительном антропогенном воздействии могут наступить:

Кризис среды, состояние, при котором параметры ее приближаются к допустимым пределам отклонений.

Разрушение среды, состояние, при котором она становится непригодной для обитания человека или использования в качестве источника природных ресурсов.

Чтобы предотвратить настолько пагубное действие антропогенного фактора, было введено понятие ПДК (предельно допустимые концентрации веществ) - концентрация веществ, которая не оказывает на человека прямого или косвенного влияния, не снижает работоспособности, не сказывается на здоровье и настроении.

Для оценки токсичности определяют свойства вещества (растворимость в воде, летучесть, рН, температурные и другие константы) и свойства среды, куда оно попало (климатические характеристики, свойства водоема и почвы).

Может также наблюдаться эффект синергизма (усиление) и антагонизма, так как заводы загрязняют биосферу комплексно.

Решение экологических проблем:

Изменить технологическую схему производства (прекращение или снижение образования отходов, максимальное выделение промежуточных продуктов и использование их в циклических процессах).

Выделить максимальное количество элементов из отходов для других производств.

Обезвреживание производственных выбросов.

Методы решения экологических проблем:

Газообразные отходы (гомогенные: оксиды серы и азота, органические вещества в виде газов - и гетерогенные: туман, пыль, аэрозоли).

Метод рассеивания через трубу.

Фильтры.

Каталитическая очистка газов:

Химические методы очистки:

абсорбционные - поглощение газов жидкости при пониженной температуре и повышенном давлении (вода, органические абсорбенты, перманганат калия, раствор поташа, меркаптоэтанол);

адсорбция (активированный уголь, силикогель, циалиты).

Очистка сточных вод химических предприятий.

Фильтрование.

Отстаивание и фильтрование.

Флотация.

Дистилляция.

Ионный обмен.

Биохимические (для нефти).

Микроорганизмы для вод с повышенным содержанием азота, фосфора и ПАВ.

Создание водооборотных циклов.

Твердые отходы (непрореагировавшее сырье, фильтры и катализаторы).

Извлечение полезных компонентов путем экстракции (благородные металлы из отработанных катализаторов).

Термические методы.

Санитарные засыпки.

Закапывание в океане.

В XIX и XX столетиях взаимодействие человека с окружающей средой или антропогенная деятельность реализуется в форме крупномасштабного материального производства.