Operatii unitare si procedee intensive in tehnologiile de depoluare

PREFATA

Controlul si combaterea poluarii mediului sunt probleme fundamentale si globale ale omenirii in epoca prezenta.

Bunastarea natiunilor, in sens fizic si economic, depinde de asigurarea unui mediu ambiant sanatos.

Dintre diferitele forme de poluare, poluarea chimica este foarte raspandita si cea mai agresiva.

Stiinta si ingineria protectiei mediului se dezvolta ca un domeniu interdisciplinar, antrenand specialisti din domenii diverse - chimie, biologie, fizica, inginerie chimica, stiinta materialelor, mecanica, agronomie, electronica etc.

Bibliografia actuala referitoare la ingineria si protectia mediului este bogata in lucrari care prezinta punctiform rezultatele cercetarii pentru cazuri specifice de tratare si purificare a efluentilor industriali in faza gazoasa si lichida sau a solului impurificat de industriile prelucratoare de metale rare si radioactive, de haldele de depozitare a deseurilor industriale si orasenesti.

Exista, de asemenea, numeroase lucrari care descriu operatiile unitare si procesele chimice si biochimice si progresele inregistrate in multitudinea de cazuri practice cu care se confrunta poluarea agresiva a mediului.

Ingineria chimica, ca ramura a ingineriei industriale, constituie baza tehnico-stiintifica pentru conceperea, proiectarea si exploatarea instalatiilor tehnologice din industriile de proces, in care au loc transformari moleculare ale materiilor prime naturale sau/si sintetice prin procese fizico-chimice, biochimice, in diferite produse. Prin includerea inca din faza de proiectare a unor procedee specifice si intensive de tratare a efluentilor poluanti se poate dezvolta o politica de preventie a poluarii mediului.

Intensificarea proceselor de transfer de impuls, de masa, de caldura, realizarea de operatii unitare economice de separare inaintata a efluentilor industriali sub forma amestecurilor omogene sau eterogene, dezvoltarea biotehnologiilor, sunt posibilitatile prin care stiinta ingineriei chimice moderne poate contribui la realizarea productiilor curate („green chemistry”) si la protectia mediului inconjurator.

Aprofundarea cunostintelor referitoare la:
- mecanismele de transport de proprietate prin care se realizeaza operatii eficiente de purificare;
- principiile generale de intensificare a proceselor, reprezinta suportul teoretic si experimental pentru interventia motivata economic in activitatile de cercetare-dezvoltare-proiectare-exploatare tehnologica si protectia mediului, prin asigurarea unui continut minim al poluantilor in efluentii industriali.

Prezenta lucrare, este bazata pe sinteza informatiei vaste recente din literatura de specialitate, pe experienta si cercetarile proprii ale autorilor.

Lucrarea este structurata intr-o succesiune logica urmarind scopul propus, stiintific si aplicativ, in trei parti.

In prima parte, dupa o prezentare succinta a tipurilor de poluanti si a surselor de poluare, (capitolul 2) se prezinta:
- procedee si exemple de scheme tehnologice pentru tratarea efluentilor gazosi, lichizi si a deseurilor solide (capitolul 3);
- se dezvolta bazele teoretice si legile cantitative ale mecanismelor, molecular si turbulent, de transfer de proprietate, principiile generale de intensificare a proceselor de transfer, in functie si de particularitatile conditiilor dinamice de contactare a fazelor implicate in procesul de transfer
(capitolul 4);
- caracterizarea fazelor disperse si a unui sistem eterogen multifazic (capitolul 5).

Partea a doua cuprinde tratarea ampla a operatiilor de separare a efluentilor industriali poluanti.

Se prezinta elementele de proiectare tehnologica si tipurile de aparate pentru:
- operatiile fizico-mecanice de separare a sistemelor eterogene lichide - sedimentarea in camp gravitational si centrifugal, filtrarea, centrifugarea (capitolul 6);
- operatiile fizico-mecanice de separare a sistemelor eterogene gazoase - sedimentarea in camp gravitational si centrifugal, filtrarea, separarea prin impact, separarea prin procedee umede, separarea prin procedee electrice si sonice (capitolul 7);
- operatiile de separare a efluentilor industriali sub forma de fluide omogene - absorbtia si chemosorbtia (capitolul 8.1), adsorbtia (capitolul 8.2), schimbul ionic (capitolul 8.3);
- tratarea chimica si biochimica a apelor uzate, tipuri noi de bio-reactoare (capitolul 8.4);
- piroliza uleiurilor vegetale uzate (capitolul 8.5), rezultate in procesarea termica din industria alimentara.

In partea a treia se prezinta elemente de proiectare tehnologica si tipuri de aparate pentru procedeele intensive de contactare a fazelor in operatiile de purificare a efluentilor poluanti;
- fluidizarea, tehnici de fluidizare modificata pentru eficientizarea fluidizarii cu gaze, prin utilizarea oscilatiilor, vibratiilor, ultrasunetelor (capitolul 9);
- stratul fluidizat circulant (capitolul 10);
- stratul strapuns (capitolul 12).

In fiecare capitol al partii a treia se prezinta mecanismul de intensificare pentru fiecare procedeu intensiv, evidentiindu-se importanta conditiilor dinamice de contactare a fazelor, marirea turbulentei datorita reinnoirii continue a ariei de contact si maririi acesteia, influenta asupra duratei de stationare optime in operare.

Se prezinta relatiile care descriu fenomenele specifice fiecarei operatii si procedeu de intensificare, aplicarea acestora la realizarea unor aparate perfectionate, de mare eficacitate si productivitate.

Informatia stiintifica si practica din aceasta carte este utila celor care vor sa cunoasca progresele in domeniul ingineriei protectiei mediului, prin prisma stiintei ingineriei chimice.

Cartea este utila tuturor inginerilor din cercetare, proiectare si invatamant, studentilor din ultimii ani de studiu, masteranzilor si doctoranzilor.

Autorii

CUPRINS

Partea intai . BAZE TEORETICE ALE PROCESELOR DE TRANSFER DE PROPRIETATE 19

1. INTRODUCERE 21
1.1. Dezvoltare durabila 21
1.2. Definire termeni: mediu, poluare/depoluare, ingineria protectiei mediului 24
1.3. Politici de depoluare 26
1.4. Depoluarea in contextul integrarii europene 28

2. TIPURI DE POLUANTI. SURSE DE POLUARE. CLASIFICAREA POLUANTILOR 30
2.1. Tipuri de poluanti si surse de poluare 30
2.1.1. Poluanti naturali 30
2.1.2. Agenti poluanti generati de nisa umana 32
2.1.3. Agenti poluanti proveniti din activitati economice 33
2.2. Clasificarea agentilor poluanti 38

3. PROCEDEE DE TRATARE A EFLUENTILOR POLUANTI 42
3.1. Procedee de tratare a efluentilor gazosi 43
3.2. Procedee de tratare a efluentilor lichizi 45
3.3. Procedee de tratare a deseurilor solide 47
3.4. Scheme tehnologice de tratare a efluentilor. Exemple 48
3.4.1. Efluenti gazosi 48
3.4.2. Efluenti lichizi 57

4. NOTIUNI TEORETICE IN INTENSIFICAREA PROCESELOR DE TRANSFER DE PROPRIETATE 63
4.1. Operatii si procese unitare 64
4.1.1. Clasificarea operatiilor unitare 65
4.1.2. Etape in studiul operatiilor unitare 70
4.2. Mecanisme de transport de proprietate. Baze fizice si legi cantitative 72
4.2.1. Tipuri de mecanisme de transport de proprietate 76
4.2.2. Mecanism molecular (difuzional) 77
4.2.2.1. Ecuatii generale ale transportului molecular 78
4.2.2.2. Ecuatii specifice ale transportului molecular unidirectional in regim stationar pentru impuls, masa, caldura 81
4.2.2.3. Ecuatia generala pentru transportul convectiv molecular in regim nestationar 85
4.2.2.4. Cazuri particulare ale ecuatiei generale pentru transport convectiv molecular 86
4.2.3. Mecanism turbulent 89
4.2.3.1. Caracteristici generale 89
4.2.3.2. Ecuatii generale ale transportului turbulent de proprietate 93
4.3. Strat limita hidrodinamic 103
4.3.1. Definitia stratului limita hidrodinamic 103
4.3.2. Particularitatile curgerii in stratul limita hidrodinamic 105
4.3.2.1. Structura curgerii in stratul limita hidrodinamic 105
4.3.2.2. Desprinderea stratului limita hidrodinamic 108
4.3.3. Ecuatii caracteristice pentru stratul limita hidrodinamic 112

5. CARACTERIZAREA SISTEMELOR ETEROGENE 115
5.1. Caracterizarea fazei polidisperse 115
5.1.1. Diametrul mediu 116
5.1.2. Distributia granulometrica 117
5.1.3. Suprafata specifica 120
5.2. Caracterizarea unui sistem eterogen multifazic 121
5.2.1. Densitatea 121
5.2.2. Suprafata specifica 122
5.2.3. Fractia de goluri 123
5.2.4. Vascozitatea 124

Partea a doua. OPERATII DE SEPARARE A EFLUENTILOR INDUSTRIALI POLUANTI 127

6. SEPARAREA FIZICO-MECANICA A EFLUENTILOR POLUANTI - SISTEME ETEROGENE FLUID-SOLID 129
6.1. Factori determinanti ai operatiilor fizico-mecanice de separare 131
6.2. Operatii fizico-mecanice de separare a sistemelor eterogene lichide 132
6.2.1. Sedimentarea 132
6.2.1.1. Tipul de suspensie 133
6.2.1.2. Viteza de sedimentare 135
6.2.1.3. Intensificarea procesului de separare prin modificarea structurii suspensiei 147
6.2.1.4. Tipuri de aparate pentru sedimentarea in camp gravitational 150
6.2.1.5. Aparate pentru sedimentarea in camp centrifugal 171
6.2.2. Filtrarea 187
6.2.2.1. Aspecte teoretice 187
6.2.2.2. Tipuri de filtre 198
6.2.2.3. Centrifuge filtrante 218

7. OPERATII FIZICO-MECANICE DE SEPARARE A SISTEMELOR ETEROGENE GAZOASE 227
7.1. Separarea prin sedimentare 230
7.1.1. Aparate de sedimentare in camp gravitational 231
7.1.1.1. Camere de sedimentare 231
7.1.1.2. Camere de sedimentare cu polite 231
7.1.1.3. Elemente de calcul 232
7.1.2. Aparate de sedimentare in camp centrifugal 233
7.1.2.1. Cicloane 234
7.1.2.2. Multicicloane 236
7.1.2.3. Elemente de calcul 237
7.2. Separarea prin impact 239
7.3. Separarea prin procedee umede 240
7.3.1. Scrubere 241
7.3.1.1. Turnuri de spalare 241
7.3.1.2. Scrubere cu umplutura 243
7.3.2. Separatoare umede cu strat de fibre 244
7.3.3. Separatoare cu talere 244
7.3.4. Separatoare cu jet de fluid 245
7.3.5. Separatoare centrifugale 247
7.3.6. Separatoare mecanice 248
7.4. Separarea prin filtrare 249
7.5. Separarea prin procedee electrice 251
7.5.1. Elemente de calcul 251
7.5.2. Tipuri de filtre electrice 253
7.5.2.1. Filtre electrice tubulare 253
7.5.2.2. Filtre electrice cu electrozi in planuri paralele 254
7.6. Separarea prin procedee sonice 256

8. OPERATII DE SEPARARE A EFLUENTILOR INDUSTRIALI - SISTEME OMOGENE FLUIDE 258
8.1. Absorbtia. Chemosorbtia 258
8.1.1. Echilibrul gaz-lichid 260
8.1.2. Elemente de calcul tehnologic al aparatelor de absorbtie 262
8.1.2.1. Viteza de absorbtie 262
8.1.2.2. Debitul de substanta absorbita 262
8.1.2.3. Debitul de lichid absorbant 264
8.1.3. Absorbere 266
8.1.3.1. Absorbere de suprafata 266
8.1.3.2. Absorbere cu pulverizare 266
8.1.3.3. Absorbere cu umplutura 268
8.1.3.4. Absorbere cu barbotare de gaz. Coloane cu talere 270
8.1.3.5. Absorbere air-lift 276
8.1.4. Dimensionarea tehnologica a unei coloane de absorbtie cu talere 278
8.1.5. Dimensionarea tehnologica a unei coloane de absorbtie cu umplutura 281
8.2. Adsorbtia 285
8.2.1. Echilibrul de adsorbtie. Izoterme de adsorbtie 287
8.2.2. Materiale adsorbante 290
8.2.3. Elemente de cinetica adsorbtiei 298
8.2.3.1 Viteza de adsorbtie 298
8.2.3.2 Capacitatea de adsorbtie 299
8.2.4. Procedee de adsorbtie. Adsorbere 300
8.2.4.1. Adsorbtia statica 300
8.2.4.2. Adsorbtia dinamica 301
8.2.4.3. Tipuri de adsorbere 303
8.2.4.4. Elemente de proiectare a adsorberelor 305
8.3. Schimbul ionic 306
8.3.1 Clasificarea schimbatorilor de ioni 307
8.3.1.1. Schimbatori de ioni anorganici 307
8.3.1.2. Schimbatori de ioni organici 309
8.3.2. Proprietatile rasinilor schimbatoare de ioni 310
8.3.2.1. Gradul de reticulare 310
8.3.2.2. Granulatia si forma particulelor de rasina 310
8.3.2.3. Porozitatea 311
8.3.2.4. Capacitatea totala de schimb ionic 312
8.3.2.5. Taria acida. Taria bazica 313
8.3.2.6. Imbibarea 314
8.3.3. Rolul schimbatorilor de ioni in tratarea apelor reziduale 315
8.3.3.1. Reactii de schimb ionic 315
8.3.3.2 Tratarea apelor reziduale prin schimb ionic 316
8.4. Tratarea chimica si biologica a apelor reziduale 320
8.4.1. Metode chimice de tratare 320
8.4.1.1. Indepartarea azotului amoniacal 320
8.4.1.2. Indepartarea ionului de cianura 321
8.4.2. Tratarea biologica a apelor reziduale 324
8.4.3. Aspecte privind procesul de nitrificare 325
8.4.3.1. Factori care influenteaza procesul 325
8.4.3.2. Tipuri de bioreactoare 327
8.5. Tratarea termica a uleiurilor vegetale uzate 335
8.5.1. Procedee de realizare a pirolizei uleiurilor vegetale 337
8.5.1.1. Piroliza simpla 337
8.5.1.2. Piroliza in arc electric 338
8.5.1.3. Piroliza in camp de microunde 338
8.5.1.4. Piroliza in reactor continuu 339
8.5.1.5. Piroliza in prezenta de catalizatori 340

Partea a treia. PROCEDEE INTENSIVE DE CONTACTARE A FAZELOR IN OPERATIILE DE PURIFICARE A EFLUENTILOR POLUANTI 345

9. FLUIDIZAREA 345
9.1. Caracteristicile stratului fluidizat. Avantaje tehnologice si de operare 345
9.1.1. Principiul fluidizarii 345
9.1.2. Caracteristicile principale ale stratului fluidizat 347
9.1.3. Avantaje tehnologice si de operare 348
9.2. Structura stratului fluidizat. Factori determinanti 349
9.2.1. Structura stratului fluidizat 349
9.2.2.Factori determinanti ai structurii stratului fluidizat 354
9.3. Aparate cu strat fluidizat 360
9.4. Elemente de calcul utile in operarea stratului fluidizat 363
9.4.1. Parametrii hidrodinamici ai stratului fluidizat 363
9.4.1.1. Caderea de presiune 363
9.4.1.2. Viteza de fluidizare 367
9.4.1.3. Fractia de goluri 375
9.4.1.4. Expandarea stratului fluidizat 378
9.4.2. Evaluarea cantitativa a structurii stratului fluidizat cu gaze 378
9.4.2.1. Relatii teoretice 378
9.4.2.2. Diagrame empirice 379
9.5. Procedee de fluidizare modificata pentru eficientizarea fluidizarii cu gaze 381
9.5.1. Tehnici de fluidizare modificata prin actiunea asupra agentului de fluidizare 383
9.5.1.1. Fluidizarea cu gaze sub presiune 383
9.5.1.2. Fluidizarea cu circulatie pulsata a fluidului 383
9.5.2. Modificari in constructia aparatului de fluidizare 385
9.5.2.1. Tipul distribuitorului de fluid 386
9.5.2.2. Fluidizarea in aparate cu sicane. Fluidizarea franata 389
9.5.2.3. Aparate cu sectiune variabila 390
9.5.2.4. Fluidizarea cu agitare mecanica 390
9.5.3. Fluidizarea cu suprapunere de campuri externe de forte 392
9.5.3.1. Fluidizarea in camp centrifugal 392
9.5.3.2. Fluidizarea in camp de vibratii mecanice 394
9.5.3.3. Fluidizarea in camp electric, magnetic si electromagnetic 402
9.6. Fluidizarea cu adaos de material inert 409
9.6.1. Parametrii dinamici ai stratului fluidizat cu flotatie 411

10. STRATUL FLUIDIZAT CIRCULANT 415
10.1. Principiul si structura stratului fluidizat circulant 416
10.2. Tipuri de aparate 416
10.3. Parametrii dinamici ai stratului fluidizat circulant 419
10.3.1. Caderea de presiune 420
10.3.2. Viteza critica 421
10.3.3. Viteza de alunecare 422
10.3.4. Inaltimea zonelor de faza 423
10.3.5. Fractiile de solid si de gaz 423
10.4. Domeniul de stabilitate 425

11. FLUIDIZAREA TRIFAZICA 426
11.1. Principiul fluidizarii trifazice 426
11.2. Structura stratului fluidizat trifazic. Regimuri de curgere 429
11.3. Parametrii dinamici ai stratului fluidizat trifazic 435
11.3.1. Viteze minime de fluidizare 436
11.3.2. Caderea de presiune 439
11.3.3. Fractiile de faza fluida 440
11.3.4. Porozitatea stratului 443
11.3.5. Expandarea stratului 445

12. STRATUL STRAPUNS 447
12.1. Principiul operarii in strat strapuns 447
12.2. Structura stratului strapuns 449
12.3. Parametrii dinamici ai stratului strapuns 451
12.3.1. Caderea de presiune 451
12.3.2. Viteze de strapungere 457
12.3.3. Fractia de goluri 460
12.3.4. Stabilitatea stratului strapuns. Inaltimea maxima de strapungere 461
12.3.5. Alte marimi necesare proiectarii si operarii aparatelor cu strat strapuns 464
12.3.5.1. Ecuatii de similitudine in stratul strapuns 464
12.3.5.2. Viteza gazului in jetul central 465
12.3.5.3 Viteza particulelor solide 466
12.3.5.4. Durata maxima a ciclului de rotatie a particulelor solide in strat 466
12.4. Tipuri de aparate cu strat strapuns 467

BIBLIOGRAFIE 469

DESPRE AUTORI

Prof. univ. dr. ing. Cosmin Jinescu a absolvit Facultatea de Chimie Industriala a Universitatii Politehnica din Bucuresti (U.P.B.), obtinand diploma de inginer chimist in anul 1992. A finalizat un program de masterat in inginerie chimica la CLEMSON University in Statele Unite ale Americii (1996), sustinandu-si apoi doctoratul in Inginerie Chimica in anul 2003 in cadrul U.P.B. Dupa revenirea in tara a parcurs toate gradele didactice iar din anul 2015 este profesor universitar la Departamentul Echipamente pentru Procese Industriale din cadrul Facultatii de Inginerie Mecanica si Mecatronica a Universitatii Politehnica din Bucuresti. Activitatea didactica s-a desfasurat in cadrul programului de licenta si a trei programe de masterat (Termomecanica Echipamentelor pentru Procese Industriale, Evaluarea Riscului, Sigurantei si Integritatii Echipamentelor sub Presiune si Ingineria Calitatii si Mediului in Industriile de Proces). Cercetarea a acoperit domeniile fenomenelor de transfer, tehnologiilor si instalatiilor din industriile de proces, curgerii fluidelor multifazice in echipamentele industriale, proceselor de separare si echipamente lor specifice, procedeelor intensive in industriile de proces, cat si ingineria si protectia mediului. Rezultatele cercetarilor au fost publicate in 67 de lucrari stiintifice, in reviste si in volumele unor congrese nationale si internationale, 3 carti publicate pentru nivel universitar si post-universitar si 2 brevete de inventie.

Dr. ing. Alina Monica Mares a absolvit Facultatea de Chimie Industriala din Universitatea Politehnica din Bucuresti obtinand diploma de inginer chimist specializarea Inginerie chimica, in 1994. In anul 1998 a finalizat un program de Studii aprofundate in inginerie chimica specializarea „Separari si purificari avansate”, UPB. In anul 2008 a obtinut titlul stiintific de Doctor inginer, in domeniul Inginerie Chimica. In perioada 2006-2007 a urmat stagii de pregatire profesionala la Universitatea Blaise Pascale, Clermont Ferrand, Franta si Technical University of Lodz, Department of Heat and Mass Transfer Processes, Lodz, Polonia. Pe parcursul a peste 28 ani in cadrul Departamentului Inginerie chimica si biochimica, preocuparile din cadrul echipei de cercetare au acoperit domenii de interes stiintific privind fenomenele de transfer in sisteme omogene si heterogene, intensificarea proceselor si operatiilor unitare, tehnologii de uscare a materialelor si a biomaterialelor, modelarea proceselor de transfer, procedee intensive in ingineria si protectia mediului. Rezultatele cercetarilor au fost publicate in 50 de lucrari stiintifice, in reviste ISI (28) si in volumele unor congrese nationale si internationale (22).

Prof. univ. Em. dr. ing. DHC Gheorghita Jinescu a absolvit Facultatea de Chimie Industriala din Institutul Politehnic Bucuresti (IPB), obtinand diploma de inginer chimist in anul 1960; in anul 1970 a obtinut titlul de Doctor inginer. Din anul 1985 este conducator de doctorat in domeniul Inginerie Chimica. A desfasurat o neintrerupta activitate didactica parcurgand toate gradele didactice; din anul 2009 este profesor universitar emerit la Universitatea Politehnica din Bucuresti. Cercetarile fundamentale si aplicative au acoperit domeniile:
- fenomene de transfer de proprietate - impuls, energie, masa;
- intensificarea operatiilor unitare prin utilizarea oscilatiilor mecanice si ultrasonice;
- uscarea materialelor, baze teoretice si procedee intensive; - fluidizarea in camp gravitational, vibrational si electromagnetic; - depoluarea efluentilor industriali; - modelarea si simularea fenomenelor de transfer de proprietate in ingineria de proces.
Cercetarile au fost concretizate in: 284 de lucrari stiintifice publicate in reviste si in volumele unor congrese nationale si internationale; 16 carti publicate pentru nivel universitar si post-universitar; 105 contracte de cercetare stiintifica realizate in colaborare cu unitati de cercetare si productie; 8 brevete de inventie. Este titularul a trei titluri onorifice de Doctor Honoris Causa la universitatile: Politehnica din Timisoara, Petrol - Gaze din Ploiesti si „Vasile Alecsandri” din Bacau. Din anul 2002 este Membru titular al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania.