Каталитическое восстановление

_[К4]

4) 2NO₂ + 2NH₃ −−−−−→ N₂ + 3H₂O+0,5O₂+Q₄

^{t, τ, C}

 

_[К5]

5) NO₂ + 2H₂ −−−−−→ 1/2N₂ + 2H₂O+Q₅

^{t, τ, C}

Реактор трубчатого типа (рисунок 10)

1, 7 – коллектор ввода и вывода газа; 2, 6 – верхняя и нижняя крышки реактора; 3 – коллектор выдачи пара; 4 – коллектор подачи конденсата; 5 – реактор; 8, 11 – верхняя и нижняя трубные доски; 9 – труба; 10 – рекуперационный теплообменник; 12 – трубы с катализатором.

Рисунок 10 – Реактор трубчатого типа

АБСОРБЦИЯ [5]

Абсорбция – процесс селективного поглощения токсичных компонентов газа жидкими средами.

Процесс поглощения серного ангидрита протекает по уравнению:

_[P]

6) SO₃+ H₂O−−−−−−→ H₂SO_{4 +} Q₇ ,

^{t, τ, C}

В результате реакции (6) образуется товарная серная кислота - моногидрат.

Абсорбция классифицируется на две группы:

– физическая;

– химическая.

Абсорберы тарельчатого типа.

Для повышения эффективности поглощения газа в абсорберы вместо контактных насадок устанавливают тарелки специальной конструкции. Эскиз абсорбера, укомплектованного тарелками, приведен на рисунке 11.

1 и 4 – коллектор ввода и вывода газа; 2 – корпус; 3 и 13 – коллектор ввода и вывода абсорбента; 5 и 12 – крышка и днище; 6 – отбойные тарелки капель абсорбента; 7 – оросительное устройство; 8 – карманы для слива абсорбента; 9 – слой жидкой фазы на тарелке; 10 – тарелки; 11 – колосниковая решетка;

Рисунок 11 – Абсорбер тарельчатого типа

В зависимости от конструкции тарелок и линейной скорости газового потока различают три гидродинамических режима:

- пузырьковый (V_г=0,2 ÷0,4 м/с)

- пенный (V_г=0,5 ÷3 м/с)

- струйный (V_г=4 ÷ 20 м/с)

Колпачковые тарелки (рисунок 12).

1 – корпус тарелки; 2 – втулка; 3 – колпачок; 4 – сливной патрубок; δ – толщина тарелки, мм. h – высота сливного канала (слой абсорбента на тарелке), мм.

Рисунок 12 – Тарелка колпачкового типа

В колпачковых тарелках реализуется гидродинамический режим перекрестного типа. Высота жидкой фазы определяет сопротивление тарелки _ΔРс=h₁ (мм.ж.ф.).

Выводы

Освоена методика определения абсолютного и предотвращённого ущербов от отработанных газов СЭУ при работе на разных видах топлив.

Определён абсолютный ущерб от воздействия токсикантов отработанных газов СЭУ воздушному бассейну на разных видах топлив.

Определёна величина предотвращённого ущерба от отработанных газов СЭУ при работе на разных видах топлив.

Определена величина удельного ущерба воздушному бассейну при работе СЭУ на разных видах топлив.

Разработаны технические рекомендации по снижению ущерба воздушному бассейну от отработанных газов СЭУ при работе на разных видах топлив.

 

Список рекомендованої літератури

1. Леонов В.Е. Экология. Учебное пособие. Новосибирск: НГАВТ, 1999. – 133с.

2. Лєонов В.Є. Патент на корисну модель “Спосіб переробки сірководню на паливо для суднових енергетичних установок”. Патент України на корисну модель № 66509, від 10.01.2012, Опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.

3. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. - Взамен СНиП 2.01.01-82; Введ. 01.01.2000. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 50 с.

4. Дмитриев В.И., Леонов В.Е., Химич П.Г., Ходаковский В.Ф, Куликова Л.Б. Обеспечение безопасности плавания судов и предотвращение загрязнения окружащей среды. Монография/под ред. В.И. Дмитриева, В.Е. Леонова. - Херсон: ХГМА, 2012-397 с.: рос.мовою.

5. Леонов В.Е, Ходаковский В.Ф., Куликова Л.Б. Основы экологии и охрана окружающей среды: Монография. / Под редакцией д.т.н., профессора В.Е. Леонова. – Херсон: Издательство Херсонского государственного морского института, 2010. – 352 с.: рос. мовою.

Приложение 1

Таблица 2 - Выбросы вредных компонентов отработанных газов

Компоненты	Сiдт – выброс вредных компонентов отработанных газов дизельного топлива, кг/т	Аi – показатель относительной опасности вредного компонента i- го вида, усл.т/т	Сi к - выброс вредных компонентов отработанных газов дизельного топлива после каталитического нейтрализатора, кг/т
Монооксид углерода (СО)		1,0
Оксид азота (NOx)		41,0
Оксид серы (SO2)	По расчёту	22,8	По расчёту
Углеводороды (СНХ)		3,16
Твёрдые частицы (сажа)			1,0

Приложение 2

Исходные данные к выполнению работы на тему «Расчёт предотвращённого ущерба от отработанных газов судновых энергетических установок (СЭУ) при работе на разных видах топлив»

№	Вид топлива	Маса используемого топлива, Q, т/год.	Геометрическая висота выхлопной трубы от выхода из СЭУ до устья выхлопа, h, м
1.	ДТ+4,5%МК
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.

 

21.	ДТ+3,5%МК
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.	ДТ+1,0%МК
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.	ДТ+0,1%МК
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
81.	ДТ+4,5%МК+К
82.
83.
84.
85.
86.
87.
88.
89.
90.
91.
92.
93.
94.
95.
96.
97.
98.
99.
100.

Практическое занятие № 2

Тема: Предотвращение загрязнения морской среды от соединений тяжёлых металлов и нефтепродуктов

Введение

При эксплуатации судов и контакте их металлических поверхностей с морской средой протекают электрохимические процессы, в результате которых в морскую среду поступают ионы тяжёлых металлов. Последние ингибируют жизнедеятельность морепродуктов, приводят к нарушениям биохимических процессов морской среды, и, как результат, к уменьшению биопроизводства сине-зеленых водорослей (источника кислорода на Земле) и биопланктонов, разрушают морские экосистемы.

В процессе эксплуатации судов образуются отходы, которые можно разделить на две группы:

1) отходы, образующиеся вследствие неполноты выгрузки судов, обработки водой палуб, трюмов и танков;

2) отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности экипажа и пассажиров (хозяйственно-бытовые, фекальные стоки и бытовой мусор), а также в результате эксплуатации судовых механизмов (подсланевые, нефтесодержащие воды, отработанные газы СЭУ, шум, вибрация, ЭМП, твердые отходы).

Нефтесодержащие воды (льяльные воды) – образуются вследствие негерметичноси трубопроводов, арматуры, насосов, через обшивку корпуса и донную арматуру, при ремонте механизмов, топливной и масляной аппаратуры. Нефтесодержащие воды образуются и вследствие попадания под слани воды, использованной при промывке деталей, механизмов, пропарке топливных и масляных цистерн, а также в результате аварийных протечек, конденсации паров воды на внутренней поверхности корпуса судов в машинно-котельном отделении.

 

Цель работы

- освоить методику определения уровня экологической опасности морской среды при загрязнении её соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами, углеводородами;

- приобрести практические навыки выполнения расчётов с определением уровня экологической опасности морской среды;

- рассчитать концентрации соединений тяжёлых металлов, нефтепродуктов в морской среде;

- выполнить санитарно-гигиеническую оценку морской среды при загрязнении её соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами, углеводородами;

- разработать технические предложения по снижению уровня экологической опасности морской среды в процессе её загрязнения соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами при эксплуатации судов.

Теоретическая часть работы

Основными загрязнителями морской среды являются соединения тяжёлых металлов и нефтепродукты.

В качестве соединений тяжёлых металлов, расстворимых в морской воде, рассматриваются такие соединения, как:

· мышьяк (М);

· ртуть (РТ);

· свинец (СВ).

В качестве нефтепродуктов рассматриваются:

· углеводороды (УВ);

· бензол (Б);

· толуол (Т).

Ионы тяжёлых металлов, поступающие за счёт коррозии металлических корпусов судов, а также коррозии затонувших судов, их фрагментов, орудий и боеприпасов, металлических трубопроводных коммуникаций, арматуры, в морскую среду, ухудшают качество этой воды, которая становится непригодной для разведения морепродуктов, рекреационных целей [1-4].

Соединения тяжёлых металлов, поступающие в организм человека по "пищевой цепочке", ингибируют процессы, происходящие в коре головного мозга, в спинном мозге и кровеносной системе.

Результатом этого влияния на человека соединений тяжёлых металлов являются такие осложнения, как лейкемия крови, проявляются тенденции к мутагенным и терратогенным последствиям [3, 4].

Борьба с угрозой глобального экологического кризиса стала международной проблемой. Решить ее в рамках отдельных стран невозможно. Предпринятые некоторыми государствами меры по охране природы не будут эффективными, если другие их не поддержат. В настоящее время эта проблема стала мировой и обусловлена следующими факторами:

- сброс промышленных и хозяйственных вод без очистки непосредственно в море или с речным стоком;.

- ядохимикаты, используемые в сельском и лесном хозяйствах, в частности наиболее вредный, токсичный ДДТ;

- балластные воды и перенос бактерий, биопланктона, морская инвазия;

- аварийные выбросы и сбросы со скважин, буровых или подводных трубопроводов при разведке, добычи, транспортировки нефти, попутного и природного газа, конденсата;

- разработка полезных ископаемых на морском дне;

- перенос вредных веществ в атмосферу, гидросферу и почву.

Экологическая обстановка стала заметно ухудшаться в 60-70 годах XX столетия.

К основным источникам антропогенного воздействия на экологию Черного моря относятся [3]:

1)сток рек с содержащимися в них различных вредных, токсчных веществ;

2) сельское хозяйство (удобрения, пестициды, инсектициды);

3) промышленность (соединения тяжёлых металлов, детергенты, нефтепродукты);

4) населенные пункты (сточные воды, патогенные организмы, детергенты, нефтепродукты);

5) атмосферные осадки;

6)речное и морское судоходство;

7) порты;

8) рыбный промысел;

9) добыча минеральных ресурсов;

10) защита берегов;

11) рекреация и туризм.

В процессе эксплуатации судов образуются газообразные, жидкие и твёрдые отходы.

Нефтесодержащие воды. В процессе эксплуатации судовых механизмов образуется особый вид отходов – подсланевые нефтесодержащие воды, которые скапливаются под сланями (льялами) машинных отделений. Основные причины их образования – негерметичность трубопроводов, обшивки корпуса и донной арматуры, разливы нефтепродуктов при ремонте механизмов, топливной и масляной аппаратуры. Количество нефтепродуктов во многом зависит от технического состояния оборудования и от выполнения правил его эксплуатации. Среднесуточное накопление нефтесодержащих вод в основном определяется мощностью главного двигателя.

При попадании в воду нефтепродукты образуют эмульсию. Ее устойчивость повышается, если в таких водах присутствуют эмульгаторы, они препятствуют укрупнению и всплытию частичек нефти. Содержащиеся в морской воде ионы различных металлов и солей также могут способствовать образованию эмульсии. Удалять из воды эмульгированные нефтепродукты гораздо сложнее, чем грубодисперсные. Поэтому по возможности следует исключать факторы, способствующие их образованию.

Сточные воды. При использовании природной, пресной воды для питьевых и хозяйственных нужд на судне накапливаются сточные воды. Сточные воды запрещено сбрасывать в морскую среду, их накапливают в специальных герметичных танках с последующей обработкой и нейтрализацией.

Влияние нефти на морскую среду:

1. нарушается природный кругооборот воды;

2. снижается концентрация растворимого кислорода в морской среде;

3. загрязняется морская поверхность, толща и морское дно.

Существенную роль в ухудшении качества морской, окружающей среды играет загрязнение оболочек Земли нефтепродуктами. Во всем мире при добыче, транспортировании, переработке и использовании нефти теряется» 2 % ежегодно добываемой нефти, при этом 7 млн. т. – только при её добыче. Из 50 млн. т. в год потерь нефти на суше теряется 25 млн. т., на морской поверхности – 8 млн. т. и выбрасывается в атмосферу – 17 млн. т. Для сравнения, поступление нефти в океан по разломам земной коры не превышает 0,5 млн. т/год. Одна тонна сырой нефти покрывает тонкой пленкой около 6 км² морской акватории. Длительное воздействие нефти и её продуктов приводит к гибели» 1/3 молодых морских организмов, особенно в прибрежной зоне. Морские организмы, аккумулируя соединения тяжёлых металлов и углеводороды, становятся опасными для человека.

В результате использования соединений свинца (тетраэтилсвинец) в качестве антидетонационной присадки к бензинам ежегодно в природную среду поступает свыше 2 млн. т. оксида и диоксида свинца от ДВС. За последние 100 лет концентрация соединений свинца в толще Гренландского ледника возросла в 5 раз, достигнув 2 мг/кг льда. За последние 20 лет концентрация свинца в воде возросла в 10 раз.

Аналогичное положение с ртутью, 8 тыс. т. которой ежегодно поступает в окружающую среду, из них 40 % при выветривании горных пород и 60 % техногенным путем, главным образом за счет отходов целлюлозно-бумажного, содового производства и рассеивания содержащих ртуть пестицидов.

Главная особенность современной экологической обстановки – накопление отходов промышленности и загрязнение окружающей среды. Только небольшое количество (5-15 %) добываемого минерального сырья превращается в полезный продукт, остальное в процессе переработки возвращается природе в виде отходов – газо-парообразных, жидких, твёрдых и энергетических. По ориентировочным данным, в настоящее время в биосферу ежегодно поступает в твердой, жидкой и газообразной фазах до 20-25 млрд. т. бытовых и промышленных отходов. Причем часто в биосферу поступают новые вещества, которые не вовлекаются в природный круговорот и постоянно накапливаются.

Воздействие современного промышленного производства оказывает влияние на тепловой баланс планеты. Одна из причин этого – отток в окружающую среду антропогенной энергии.

В определенных небольших концентрациях соединения тяжёлых металлов необходимы для роста и развития растений. Они выполняют разные физиологичные функции в организмах растений и других живых организмах. Они связываются с определенными белками и образуют много ферментов. Система цитохромов содержит железо. При высоких концентрациях соединения тяжёлых металлов наносят непоправимый урон окружающей среде, биосфере и человеку.

Практическая часть работы

Необходимо определить уровень экологической опасности морской среды по истечении одного месяца и одного года при непрерывном поступлении в морскую среду соединений тяжёлых металлов, нефтепродуктов.

Исходные данные принимаются по заданию согласно варианта курсанта (студента) и выдаются ответственным за практические работы преподавателем кафедры судовождения, охраны труда и окружающей среды:

· объём морской среды (V_мс, л (м³));

· интенсивность стока морской воды с соединениями тяжёлых металлов (V_тм, л/с);

· интенсивность стока морской воды с нефтепродуктами (V_нп, л/с);

· концентация соединений тяжёлых металлов и нефтепродуктов в стоке морской среды (С_м, С_рт, С_св, С_ув, С_б, С_т), мг/л.

 

Методика расчета

Объём стока с соединениями тяжёлых металлов (V_{тм мес}, м³/мес; V_{тм год}, м³/год) и нефтепродуктов (V_{нп мес}, м³/мес; V_{нп год}, м³/год) через один месяц и один год определяется по формулам:

 

V_{тм мес} = V_тм * τ_мес, (1)

V_{тм год} = V_тм * τ_год, (2)

 

V_{нп мес} = V_нп * τ_мес, (3)

V_{нп год} = V_нп * τ_год, (4)

 

где τ_мес – месячный фонд рабочего времени (τ_мес = 24 * 30 = 720 час),

τ_год - годовой фонд рабочего времени (τ_год = 365 * 24 = 8760 час).

Масса тяжёлых металлов (G_{м мес}, G_{рт мес}, G_{св мес}, G_{м год}, G_{рт год}, G_{св год}, тонн/мес) и нефтепродуктов (G_{ув мес}, G_{б мес}, G_{т мес}, G_{ув год}, G_{б год}, G_{т год}, тонн/год), поступающих на протяжении одного месяца и одного года в морскую среду определяется по формулам:

 

G_{м мес} = С_м * V_{тм мес} , (5)

G_{рт мес} = С_рт * V_{тм мес}, (6)

G_{св мес} = С_св * V_{тм мес}, (7)

 

G_{ув мес} = С_ув * V_{нп мес}, (8)

G_{б мес} = С_б * V_{нп мес}, (9)

G_{т мес} = С_т * V_{нп мес}, (10)

 

G_{м год} = С_м * V_{тм год}, (11)

G_{рт год} = С_рт * V_{тм год}, (12)

G_{св год} = С_св * V_{тм год}, (13)

G_{ув год} = С_ув * V_{нп год}, (14)

G_{б год} = С_б * V_{нп год}, (15)

G_{т год} = С_т * V_{нп год}, (16)

 

Концентрация тяжёлых металлов (С_{м мес}, С_{рт мес}, С_{св мес}, С_{м год}, С_{рт год}, С_{св год}, мг/л) и нефтепродуктов (С_{ув мес}, С_{б мес}, С_{т мес}, С_{ув год}, С_{б год}, С_{т год}, мг/л) в морской среде через один месяц и один год определяется по формулам:

 

С_{м мес} = G_{м мес} / V_мс, (17)

С_{рт мес} = G_{рт мес} / V_мс, (18)

С_{св мес} = G_{св мес} / V_мс, (19)

 

С_{ув мес} = G_{ув мес} / V_мс, (20)

С_{б мес} = G_{б мес} / V_мс, (21)

С_{т мес} = G_{т мес} / V_мс, (22)

 

С_{м год} = G_{м год} / V_мс, (23)

С_{рт год} = G_{рт год} / V_мс, (24)

С_{св год} = G_{св год} / V_мс, (25)

 

С_{ув год} = G_{ув год} / V_мс, (26)

С_{б год} = G_{б год} / V_мс, (27)

С_{т год} = G_{т год} / V_мс, (28)

 

Санитарно-гигиеническая оценка уровня экологической опасности морской среды (по соединениям тяжёлых металлов) через один месяц и один год определяется по критериальному уравнению:

 

С_{м мес} ♎ ПДК_м (29)

С_{рт мес} ♎ ПДК_рт (30)

С_{св мес} ♎ ПДК_св (31)

Если С_{тм мес} ПДК_тм – морская среда безопасна.

Если С_{тм мес} > ПДК_тм - морская среда представляет опасность для человека, биосферы и окружающей среды.

 

С_{м год} ♎ ПДК_м (32)

С_{рт год} ♎ ПДК_рт (33)

С_{св год} ♎ ПДК_св (34)

Если С_{тм год} ПДК_тм - морская среда безопасна.

Если С_{тм год} > ПДК_тм - морская среда представляет опасность для человека, биосферы и окружающей среды.

Санитарно-гигиеническая оценка уровня экологической опасности морской среды (по нефтепродуктам) через через один месяц и один год:

 

С_{ув мес} ♎ ПДК_ув (35)

С_{б мес} ♎ ПДК_б (36)

С_{т мес} ♎ ПДК_т (37)

Если С_{нп мес} ПДК_нп - морская среда безопасна.

Если С_{нп мес} > ПДК_нп - морская среда представляет опасность для человека, биосферы и окружающей среды.

 

С_{ув год} ♎ ПДК_ув (38)

С_{б год} ♎ ПДК_б (39)

С_{т год} ♎ ПДК_т (40)

Если С_{нп год} ПДК_нп - морская среда безопасна.

Если С_{нп год} > ПДК_нп - морская среда представляет опасность для человека, биосферы и окружающей среды.

 

Для веществ однонаправленного действия [2, 3] критерий опасности морской среды по рассчитываемым токсичным веществам через один месяц и один год определяется по уравнениям:

 

φ^тм_мес = ∑(С_{тм мес}/Сⁱ_ПДКтм) = (С_{м мес}/C_ПДКм)+(С_{рт мес}/C_ПДКрт)+(С_{св мес}/C_ПДКсв) (41)

 

φ^тм_год = ∑(С_{тм год}/Сⁱ_ПДКтм) = (С_{м год}/C_ПДКм)+(С_{рт год}/C_ПДКрт)+(С_{св год}/C_ПДКсв) (42)

 

Если φ_{тм мес, год} 1 – морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровью человека.

Если φ_{тм мес, год} > 1 - опасно для морской среды.

 

φ^нп_мес = ∑(С_{нп мес}/Сⁱ_ПДКнп) = (С_{ув мес}/C_ПДКув)+(С_{б мес}/C_ПДКб)+(С_{т мес}/C_ПДКт) (43)

 

φ^нп_год = ∑(С_{нп год}/Сⁱ_ПДКнп) = (С_{ув год}/C_ПДКув)+(С_{б год}/C_ПДКб)+(С_{т год}/C_ПДКт) (44)

 

Если φ_{нп мес, год} 1 – морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровью человека.

Если φ_{нп мес, год} > 1 - опасно для морской среды.

Опасность вещества определяется по формуле:

 

Z_тм= 1/ ПДК_Zтм, (45)

Чем больше значение Z_тм, тем опаснее вещество для морской среды.

 

Z_нп= 1/ ПДК_Zнп, (46)

Чем больше значение Z_нп, тем опаснее вещество для морской среды.

 

При условии, что расчетный критерий опасности морской среды составит
φ_{нп мес, год} < 1 необходимо рассчитать время за которое он станет представлять опасность морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровью человека.

Расчетное количество времени Тгод превышения критического порога для морской среды вычисляется по следующей формуле:

 

Тгод = 1 / φ_{нп год}, мес.

 

Соответственно количество дней с учетом погрешности при предыдущих расчетах составит:

 

Тсут = Тгод * 365 + 15, сут.

 

Полученное значение округляем в большую сторону.