《化工环保技术》讲义.docx
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《化工环保技术》讲义
化工环保技术
EnvironmentalProtectionTechniquesforChemicalEngineering
在了解环境、环境污染及环境保护等基本概念的基础上，对化工行业废气、废水和废渣的产生及控制技术和处理技术有一定的认识，而且在今后的生产、运行、设计及研究等工作中自觉地把污染排放减量化和污染物控制处理放在重要位置。
同时，提高专业英语阅读能力，增加有关化工与环保英语词汇，掌握必备的英文写作技巧，为以后工作、学习中有关化工与环保的英文科技资料的阅读和写作打好基础。
专业英语的语法特点
在学习专业英语是普遍存在以下问题：
1）词汇难。
化工的专业词汇与化学、材料、工艺、环保、安全等密切相关，日常英语很少涉及，加上专业知识有限，因而生词量大。
另一方面，英语单词一词多义，往往造成误解。
例如，英语名词carrier在不同的学科和专业场合就具有不同的词义：
支架（机械）、底盘（车辆）、载波（通信）、载流子（半导体）、载体（化学）、母舰（军事）。
要根据上下文逻辑关系和语气连贯性来选择词义。
2）句子难。
专业英语采用正式文体，逻辑性强，每个句子包含的信息量大、容量大、句子特别长、语法结构复杂，从而增加了裂解的困难度。
3）汉语表达难。
由于专业英语词汇的特殊性和专业知识的不完备性，同学普遍存在英译汉翻译时汉语表达困难的问题。
一是学生对翻译技巧不了解，采用“译电码”式的机械翻译法，自然词不达意或汉语不规范，二是有的同学中文基础薄弱，中文写作本身就存在问题，翻译起来就力不从心。
例如：
Manganesehasthesameeffectonthestrengthofsteelassilicon.
锰有同样的影响在强度的钢上像硅。
（死译）锰像硅一样会影响钢的强度。
（直译）钢中锰的含量像硅含量一样会影响钢的强度。
（意译）
1．大量使用被动语态：
由于专业英语的客观性，决定了它非人称的表达方式。
读者或者都知道动作的执行者是谁，或者不需要关心谁是动作的执行者。
专业英语中的大多数语句采用被动语态。
Twoproblemsareconsidered…，而一般不用Weconsidertwoproblems…
2．大量使用非限定动词：
大量使用了不定式，分词和动名词。
多数情况下是为了使句子简洁和精练。
inorderto…，too…to…，theintegratedcircuit，operatingthedevicewithRobot，networking等。
3．词性转换较多：
专业英语也较多使用了词性的转换。
转换后词意往往于原来的词意相关。
常见的词性转换类型有：
名词——动词；形容词——动词；动词——名词；形容词——名词等等。
这里有两种情况：
一种是词本身可以在句子中充当另一种词类；另一种是在译文中被转换成另一种词类。
back背，后面（n.）——支持（v.）；slow慢的（adj.）——使…慢下来（v.）
4．条件句较多：
条件句最多见于数学式的表达。
尽管在生活英语和文学英语中表达条件的方式很多，但专业英语中则基本上只是使用if从句。
5．省略句较多：
专业英语为了简洁，有时省略掉句子中的一些成分，如状语从句中的主语和谓语，关联词which或that引导的定语从句中的关联词和从句中的助动词等。
常见的省略句型有：
Asdescribedabove如上所述AsindicatedinFig.X如图X所示
Ifnecessary如果必要的话Ifso倘若如此
Whenneeded需要时Wherepossible在可能的情况下
6．惯用时态：
专业英语所描述的内容主要是一般真理或客观规律，所以最常用的句型是一般现在时和现在完成时。
除此之外，有时使用过去时和过去完成时。
《化工环保技术》讲义-中文部分
0绪论：
化工对环境的污染
化学工业是环境污染较为严重的行业。
从原料到产品，从生产到使用，都有造成环境污染的因素。
化学工业的特点是产品多样化、原料路线多样化和生产方法多样化。
随着化工产品、原料和生产方法的不同，污染物也多种多样。
弄清这些污染物的来源和特点，对于进行防（预防）治（治理）具有十分的重要意义。
0-1化工环境污染概况
化学工业是对环境中的各种资源进行化学处理和转化加工的生产部门，其产品和废弃物从化学组成上讲是多样化的，而且数量也相当大，这些废弃物含量在一定浓度时大多是有害的，有的还是剧毒物质，进入环境就会造成污染。
有些化工产品在使用过程中又会引起一些污染，甚至比生产本身所造成的污染更为严重、更为广泛。
随着工业生产的迅速发展，工业污染的治理工作越来越引起人们的广泛注意。
然而，我国工业污染治理的发展还远远落后于工业生产的发展，工业废水治理率仅20％，工业废气治理率为56％，工业废渣治理率为50％，因此，解决我国工业污染的任务还相当艰巨。
西方发达国家，由于近代化学工业迅速发展，化工污染也随之严重过程来看，国外化工污染大体可以分为三个阶段。
1．化学工业污染的发生期
早期的化学工业（大约在19世纪末），是以生产酸（acid）、碱（alkaline）等无机化工原料为主，虽然也有些有机化工原料的工业，如以煤焦油（tar）为原料合成染料（dye）以及酒精（alcohol）工业等，但都还是处于发展的初级阶段。
特别在生产规模上与无机化学工业相比要小得多，所以当时化学工业主要的污染物还是酸、碱、盐（salt）等无机污染物。
同时，这一时期的无机化工生产规模没法与现在的化学工业相比，品种也比较少，因此产生的污染物质比较单一，这不足以构成大面积的流域性污染，环境污染问题还不明显。
2．化学工业污染的发展时期
从20世纪初到20世纪40年代，由于冶金、炼焦工业的迅速发展，并进入以煤为原料来生产化工产品的煤化学工业时期。
从那时起，煤不再单纯作为燃料燃烧，而且成为化学工业的主要原料。
一系列以煤、焦炭（coke）和煤焦油为原料的有机化学工业产品开始大量生产，大量新建的化工企业不断兴建，世界化学工业有了较快的发展。
同时，在这个时期内无机化学工业的规模和数量也不断扩大，所以造成的无机污染在数量上及危害程度上都有所加剧；同时有机化学工业也开始发展，导致有机污染物对环境污染的影响加大，有时有机污染物与无机污染物有协同作用。
因此，化学工业污染现象显得更加严重。
3．化学工业污染的泛滥时期
从20世纪50年代开始，世界各国陆续发现了储量丰富的油气田，从此石油工业迅速发展，已成为现代能源及国民经济的重要组成部分。
石油工业的倔起，引起世界各国的燃料结构逐步从煤转向石油（crudeoil）和天然气（naturalgas）。
从而化学工业也进入了以石油和天然气为主要原料的“石油化学时代”，环境污染泛滥成灾，达到了前所未有的地步。
污染类型也发生了质的转变，由原先的煤烟型转化为石油型污染。
0-2化工污染物种类及来源
化工污染物的种类．按污染物的性质可分为无机化学（inorganic）工业和有机（organic）化学工业污染；按污染物的形态可分为废气、废水及废渣（gaseous,liquidandsolidwastes）。
一、化工生产的原料、半成品及产品
1．化学反应不完全（incompletereaction）
目前，所有的化工生产中，原料不可能全部转化为半成品或成品，其中有一个转化率（conversionrate）的问题。
未反应的原料，虽有部分可以回收再用，但最终总有一部分因回收不完全或不可能回收而被排放掉。
若化工原料为有害物质，排放后便会造成环境污染。
化工生产中的“三废”，实际上是生产过程中流失的原料、中间体（intermediate）、副产品，甚至是宝贵的产品。
尤其是农药、化工行业的主要原料利用率一般只有30％~40％，即有60％~70％以“三废”形式排入环境。
因此，对“三废”的有效处理和利用．既可创经济效益又可减少环境污染。
如氮肥工业利用氨（ammonia）与硫酸（sulfuricacid）的中和反应制取硫酸铵时，虽然反应过程比较简单，技术也比较成熟，但260kg氨和750kg硫酸，共重l010kg，生产的硫酸铵也只有1000kg，还有约1％的原料不能有效反应，随着排气到空气中去了。
再如硫酸工业制造硫酸时，最后的工序是用硫酸吸收三氧化硫，吸收后的废气排入空气中，其中既含有硫酸不吸收的二氧化硫（sulfurdioxide），也含有吸收不完全而随着废气排掉的三氧化硫和硫酸雾。
2．原料不纯（impurityproblem）
化工原料有时本身纯度不够，其中含有杂质。
这些杂质因一般不需要参与化学反应．最后也要排放掉，而且大多数杂质为有害的化学物质，对环境会造成重大污染。
例如氯碱工业电解食盐溶液制取氯气（chlorine）、氢气（hydrogen）和烧碱（sodiumhydroxide），只能利用食盐（tablesalt）中的氯化钠（sodiumchloride），其余占原料约10％左右的杂质则排入下水道，成为污染源。
3．“跑、冒、滴、漏”（leakage）
由于生产设备、管道等封闭不严密，或者由于操作水平和管理水平跟不上，物料在贮存、运输以及生产过程中，往往会造成化工原料、产品的泄露，习惯上称为“跑、冒、滴、漏”现象。
这一现象不仅造成经济上的损失，同时还可能造成严重的环境污染事故，甚至会带来难以预料的后果。
二、化工生产过程中排放出的废弃物
1．燃烧过程（combustionprocess）
化工生产过程一般需要在一定的压力和温度下进行，因此需要有能量的输入，从而要燃烧大量的燃料。
但是在燃料的燃烧过程中，不可避免地要产生的大量的废气和烟尘（smoke）．对环境造成极大的危害。
2．冷却水（coolingwater）
化工生产过程中除了需要大量的热能外，还需要大量的冷却水。
例如生产1t烧碱，大约需要100t冷却水。
采用直接冷却时，很容易使水中含有化工物料，而成为污染物质。
但当采用间接冷却时，虽然冷却水不与物料直接接触，但因为在冷却水中往往加入防腐剂（preservative）、杀藻剂（herbicide）等化学物质，排出后也会造成污染，即便没有加入有关的化学物质，冷却水也会对周围环境带来热污染问题。
破坏鱼类的生活，藻类种群也随温度而发生变化。
3．副反应（sidereaction）
化工生产中，在进行主反应的同时，还经常伴随着人们所并不希望的副反应和副反应产物（by-product）。
副反应产物（副产物）虽然有的经过回收之后，即使可以成为有用的物质，但是往往由于副产物的数量不大，而且成分又比较复杂，要进行回收存在许多困难，经济上需要耗用一定的经费，所以往往将副产物作为废料排弃，而引起环境污染。
如磷肥工业中用磷矿、焦炭、硅石（silicone）反应制取黄磷（yellowphosphorus）时，同时还生成一氧化碳和硅酸钙分别形成了废气和废渣。
4．生产事故（incident）造成的化工污染
比较经常发生的事故是设备事故。
尤其是化工生产，因为原料、成品或半成品很多都是具有腐蚀性的（corrosive），容器、管道等很容易被化工原料或产品所腐蚀。
比较偶然的事故是工艺过程事故，由于化工生产条件的特殊性，如反应条件没有控制好，或催化剂没有及时更换，或者为了安全而大量排气、排液，或者生成了不需要的东西；这种废气、废液和不需要的东西，数量比平时多，浓度比平时高，就会造成一时的严重污染。
0-3化工生产的污染特点
一、水污染的特点
1．有毒性（toxicity）和刺激性（pungency）：
有些是有毒或剧毒的物质，如氰、酚、砷、汞（mercury）、镉和铅（lead）等。
有的物质不易分解，在生物体内长期积累会造成中毒，如六六六、滴滴涕等有机氯化物；有些据称是致癌物质，如多环芳烃化合物、芳香族胺以及含氮杂环化合物等；此外，还有一些有刺激性、腐蚀性的物质．如无机酸、碱类等。
2．生化需氧量（biologicaloxygendemand）和化学需氧量（chemicaloxygendemand）较高：
化工废水特别是石油化工生产废水，含有各种有机酸、醇、醛、酮、醚和环氧化物等，其特点是生化需氧量和化学需氧量都较高。
这种废水一经排入水体，就会在水中进一步氧化分解，从而消耗水中大量的溶解氧，直接威胁水生生物的生存。
3．pH值不稳定：
时而呈强酸性，时而呈强碱性，对水生生物、构筑物和农作物都有极大的危害。
4．营养化物质较多：
化工生产废水中有的含磷、含氮量过高，造成水域富营养化，使水中藻类和微生物大量繁殖，严重时还会形成“红潮’，造成鱼类窒息而大批死亡。
5．废水温度较高：
由于化学反应常在高温下进行，排出的废水水温较高。
这种高温废水排入水域后，会造成水体的热污染，使水中溶解氧降低，从而破坏水生生物的生存条件。
6．油污染较为普遍：
石油化工废水中一般都含有油类杂性。
7．恢复比较困难：
受化工有害物质污染的水域，即使减少或停止污染物排出，要恢复到水域的原来状态，仍需很长时间，特别是对于可以被生物所富集的重金属污染物质，停止排放后仍很难消除污染状态。
二、大气污染的特点
1．易燃（flammable）、易爆（explosive）气体较多：
这类气体有低沸点的酮、醛，易聚合的不饱和烃（unsaturatedhydrocarbon）等。
在石油化工生产中，特别是发生事故时，会排出大量易燃易爆气体，如不采取适当措施，容易引起火灾、爆炸事故，危害很大。
2．排放物大都有刺激性或腐蚀性：
化工生产排出刺激性和腐蚀性的气体很多，如二氧化硫、氮氧化物、氯气、氯化氢和氰化氢等，其中以二氧化硫和氮氧化物的排放量最大。
二氧化硫气体直接损害人体健康，腐蚀金属、建筑物和器物的表面，而且还易氧化成硫酸盐降落地面，污染土壤、森林、河流和湖泊。
在硝酸、硫酸、尼龙和染料的生产过程中，会产生大量的氮氧化物，除直接损害人体健康外，对农林业也有极大破坏。
3．浮游粒子种类多、危害大：
包括粉尘（dust）、烟气（smoke）和酸雾（fog）等，种类繁多，其中以各种燃烧设备排放的大量烟气和化工生产排放的各种酸雾对环境的危害较大。
烟气中微小碳粒子吸附性很强，能吸附烟气中的焦油状碳氢化合物。
其中如苯并芘是一种致癌物质，它容易被烟气吸附而污染环境，威胁人体健康。
三、固体废弃物对环境污染的特点
1．对土壤的污染：
放废渣需要占用大量的场地，在自然界的风化作用（weathering）下到处流散，尤其是有毒的废渣，既会使土接受到污染，又导致农作物等受到污染，污染物转入农作物或者转入水域后，会给人类健康带来很大的危害。
而且一旦土壤受到污染，很难得到恢复，甚至永远成为不毛之地。
2．对水域的污染：
废渣对水域的污染以化工废渣最为突出，尤其是将化工废渣不撤任何处理直接倒入江河、湖泊或沿海海域，将造成更为严重的水体环境污染。
3．对大气的污染：
化工废渣在堆放过程中，一定温度下．在水分的作用下某些有机物质发生分解，产生的有害气体扩散到大气中，对大气造成污染。
例如，石油化工厂排出的重油渣及沥青块等，在自然条件的作用下，要产生致癌（carcinogenic）物质多环芳烃（polycyclicaromatichydrocarbon,PAH）气体。
0-4化工污染防治的发展趋势
一般认为，有效地控制污染源．主要在于合理地选择适当的工艺流程、选择有效的操作条件和生产设备．以及加强企业的管理。
同时对废弃物应进行妥善处理、回收及综合利用。
一、采用和开发少废无废工艺
化工生产在资源转化为产品的过程中，生产一种产品往往有多种原料路线和生产方法，不同的原料路线和生产方法产生的污染物的种类和数量可能有很大的差异。
无废少废工艺对保护环境具有决定性的作用。
因此采用和开发这类工艺能将污染物最大限度地消除在工艺过程中，例如制造乙醛时，如果采用乙炔作为生产原料，利用水合法，其中所用的催化剂硫酸汞是一种溶液，而造成汞污染。
当改用乙烯为生产原料，利用直接氧化法，从而避免汞的污染。
在氯乙烯的生产工艺中有乙炔法和乙烯氧氯化法。
前者需要电石为原料，不仅耗能多，而且排放大量的含尘量高的废气，还有大量的含汞含硫废水、废渣排出；而采用氧氯化法基本上不产生废物。
再如生产烧碱有水银法、隔膜法和离子膜法，前两种方法分别存在着汞污染和石棉绒、铅、沥青污染等问题，对人体危害极大，而采用离子膜法则从根本上消除了上述物质的污染。
因此目前此法已在国内外得到普遍使用。
在涂料生产中，污染大气严重的溶剂性涂料正逐步向水溶性涂料、粉末涂料转换。
在改变原料路线的生产方法的同时，改进生产设备也是实现清洁生产、控制污染源的另一重要途径。
例如，对化学物质的直接冷却，如果改用间接冷却器进行间接冷却，可以减少污染物的排放数量。
此外，采用密闭循环是当前化工生产过程中改进的一个新的发展方向。
二、加强废弃物综合利用实现资源化
近年来在化肥、氯乙烯、炭黑等行业污染治理中，开发推广了不少资源合理利用项目，事实说明化工行业的“三废”综合利用有巨大的潜力。
目前技术上存在的主要问题是，要尽快开发或完善净化分离废弃物的关键技术，才可促进化工行业综合利用向广度和深度发展。
1化工废气污染控制技术
各种生产过程中产生的空气污染物，按其存在状态可分为两大类：
其一，是气溶胶态污染物，如粉尘、烟尘、雾滴和尘雾等颗粒状污染物；其二，是气态污染物，如SO2,NOx,CO、NH3、H2S、有机废气等主要以分子状态存在于废气中。
前者可利用其质量较大的特点，通过外力的作用将其分离出来，通常称为除尘；后者则要利用污染物的物理性质和化学性质，通过采用冷凝、吸收、吸附、燃烧、催化等方法进行处理。
1-1除尘装置及技术
根据各种防尘装置作用原理的不同，可以将除尘装置大致分为四大类，即机械除尘器、湿式除尘器、电除尘器和过滤除尘器。
此外，声波除尘器亦是依靠机械原理进行除尘。
由于它还利用了声波的作用使粉尘凝集，故有时将声波除尘器另分为一类。
机械除尘器，通常又分为三类，即重力除尘器（沉降室）、惯性力除尘器（挡板式除尘器）、离心力除尘器（旋风式分离器）。
除尘技术的方法和设备种类很多，各具有不同的性能和特点，在治理颗粒污染物时要选择一种合适的除尘方法和设备，除需要考虑当地大气环境质量、尘的环境容许标推、排放标准、设备的除尘效率及有关经济技术指标外，还必须了解尘的特性，如它的粒径、粒度分布、形状、密度、比电阻、亲水性、粘性、可燃性、凝集特性以及含尘气体的化学成分、温度、压力、湿度、粘度等。
总之，只有充分了解所处理含尘气体的特性，又能充分掌握各种除尘装置的性能，才能合理地选择出既经济又有效的除尘装置。
除尘器效率是评价除尘器性能的重要指标之一。
它是指除尘器从气流中捕集粉尘的能力，常用除尘器全效率表示。
（1）质量算法：
含尘气体通过除尘器时所捕集的粉尘量占进入除尘器的粉尘总量的百分数称为除尘器全效率，以表示，定义为：
（1）
式中 —进入除尘器的粉尘量，g/s；G2—从除尘器排风口排出的粉尘量，g/s；G3—除尘器所捕集的粉尘量，g/s。
（2）浓度算法：
如果除尘器结构严密，没有漏风，除尘器入口风量与排气口风量相等，均为L，则式
（1）可改写为:
（2）
式中 L—除尘器处理的空气量，m3/s；y1—除尘器进口的空气含尘浓度，g/m3；y2—除尘器出口的空气含尘浓度，g/m3。
公式
（1）要通过称重求得全效率，称为质量法，用这种方法测出的结果比较准确，主要用于实验室。
在现场测定除尘器效率时，通常先同时测出除尘器前后的空气含尘浓度，再按公式
（2）求得全效率，这种方法称为浓度法。
含尘空气管道内的浓度分布既不均匀又不稳定，要测得准确的结果是比较困难。
（3）两台除尘器串联总效率
在除尘系统中为提高除尘效率常把两个除尘器串联使用，两个除尘器串联时的总除尘效率为：
（3）
式中 0—除尘系统的除尘总效率；1—第一级除尘器效率；2—第二级除尘器效率。
应当注意，两个型号相同的除尘器串联运行时，由于它们处理粉尘的粒径不同，1和2是不相同的。
1-2气态污染物的处理技术
1）吸收法
吸收（absorption）是利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解度的不同，或者与吸收剂发生选择性化学反应，从而将有害组分从气流中分离出来的过程。
吸收法用于治理气态污染物，技术上比较成熟，操作经验比较丰富，适用性比较强，各种气态污染物如二氧化硫、氮氧化物等一般都可选择适宜的吸收剂和吸收设备进行处理，并可回收有用产品。
吸收法中所用吸收设备的主要作用是使气液两相充分接触，以便很好地进行传递。
大多数为填料塔、板式塔或喷淋塔。
填料塔（fillingcolumn）内填充适当高度的填料（填料有环形、球形、旋桨形、栅板形等），以增加两种流体间的接触表面。
用作吸收剂的液体由塔的上部通过分布器进入塔内，沿填料表面下降。
需要净化的气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上与液体接触，气体中的污染物被吸收而达到气体净化的目的。
筛板塔（sieve-platecolumn）内装若干层水平塔扳，板上有许多小孔，其形状如筛，并装有溢流（overflow）管。
操作时，液体由塔顶流入，经溢流管逐板下降，并在板上积有一层一定厚度的液膜。
需要净化的气体由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相可充分接触，气体中的污染物被吸收液所吸收而达到净化的目的。
而喷淋塔（sprayingcolumn）内既无填料也无塔板，所以又称之为空心吸收塔。
操作时液体由塔顶进入，经过安装在塔内各处的喷嘴，被喷成雾状或雨滴状。
而气体和前两种吸收塔一样由塔底部进入塔体，在上升过程中与雾状或雨滴状的吸收液充分接触，使液体吸收气体中的污染物，而吸收后的吸收液由塔底流出，净化后的气体由塔顶排出。
2）催化法
催化法（catalysis）净化气态污染物是利用催化剂的催化作用，将废气中的气体有害物质转化为无害物质或转化为易于去除的物质的一种废气治理技术。
催化法与吸收法、吸附法不同，应用催化法治理污染物过程中，无需将污染物与主气流分离，可直接将有害物质转变为无害物，这不仅可避免产生二次污染，而且可简化操作过程。
此外，由于所处理的气体污染物的初始浓度都很低，反应的热效应不大，一般可以不考虑催化床层的传热问题，从而大大简化了催化反应器的结构。
目前此法已成为一项重要的大气污染治理技术。
例如利用催化法使废气中的碳氢化合物转化为二氧化碳和水，氮氧化物转化为氯，二氧化硫转化为三氧化硫后加以回收利用，有机废气和臭气催化燃烧等。
该法的缺点是催化剂价格较高，废气预热需要一定的能量。
绝大多数气体净化过程中所用的催化剂为金属盐类或金属，通常载在具有巨大表面积的惰性载体上。
典型的载体为氧化铝、铁矾土、石棉、陶土、活性炭和金属丝等。
由于存在于气流中的杂质作用而引起的丧失催化活性的现象通常称为催化剂中毒（poison）。
工业催化剂不仅必须具有所要求的活性和抗中毒的能力，还必须具有一定的强度，特别是在连续流动的过程中使用时更是这样。
其次，还要控制催化剂的形状和大小，以降低通过床层的压力降（pressuredrop）。
3）燃烧法
燃烧法是通过热氧化（thermal-oxidation）作用将废气中的可燃有害成分转化为无害物质的方法。
例如含烃废气在燃烧中被氧化成无毒的CO2和H2O。
燃烧法已广泛应用于石油化工、有机化工、食品化工、涂料和油漆的生产、金属漆包线的生产、纸浆和造纸、动物饲养场、城市废物焚烧处理等主要含有有机污染物的废气治理。
该法工艺简单、操作方便，可回收含烃废气的热能。
4）冷凝法
冷凝法（condensation）是利用物质在不同温度下具有不同饱和
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