Table Of Content•САНКТ(cid:7)ПЕТЕРБУРГ
•МОСКВА
•КРАСНОДАР
2014
А.Г.ВЕТОШКИН
ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ
ИНЖЕНЕРНОЙ
ЭКОЛОГИИ
ТЕОРИЯ, ПРИМЕРЫ, ЗАДАЧИ
РЕКОМЕНДОВАНО
ГОУ ВПО «Московский государственный
технический университет им. Н. Э. Баумана»
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по направлениям подготовки
«Техносферная безопасность»
и «Защита окружающей среды»
САНКТ(cid:7)ПЕТЕРБУРГ
МОСКВА
КРАСНОДАР
2014
ББК 20.1я73
В 39
ВетошкинА.Г.
В 39 Основы процессов инженерной экологии. Теория, примеры, задачи:
Учебное пособие.— СПб.: Издательство «Лань», 2014.— 512с. (+CD).—
(Учебники для вузов. Специальная литература).
ISBN 978(cid:17)5(cid:17)8114(cid:17)1525(cid:17)0
Предлагаемая книга является учебно8практическим курсом по теоретическим осно8
вам процессов инженерной экологии. Изложение теоретического материала и расчет8
ных методик сопровождается многочисленными типовыми примерами, контрольными
вопросами и заданиями для самоподготовки, а также задачами для самостоятельного
решения, отдельно представленными на CD.
Пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по профилю «Инженерная
защита окружающей среды» направления подготовки «Техносферная безопасность»,
атакже по направлениям подготовки «Природообустройство и водопользование» и «Энер8
го8и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехно8
логии».
Пособие может быть использовано преподавателями вузов при проведении учебных
занятий, студентами при изучении теоретического курса инженерной экологии, подго8
товке к практическим занятиям, выполнении курсовых, выпускных квалификацион8
ных работ, дипломных работ и проектов, а также магистрантами и аспирантами для
углубленного изучения теории технологических процессов инженерной экологии.
ББК 20.1я73
Рецензенты:
А.А.АЛЕКСАНДРОВ— доктор технических наук, ректор МГТУ им.Н.Э.Баумана;
Д.А.БАРАНОВ— доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Процессы и ап8
параты химических производств» Московского государственного университета инже8
нерной экологии; К.Р.ТАРАНЦЕВА— доктор технических наук, профессор, зав. ка8
федрой «Биотехнология и техносферная безопасность» Пензенской государственной тех8
нологической академии.
Обложка
Е. А. ВЛАСОВА
Охраняется Законом РФ об авторском праве.
Воспроизведение всей книги или любой ее части
запрещается без письменного разрешения издателя.
Любые попытки нарушения закона
будут преследоваться в судебном порядке.
©Издательство «Лань», 2014
©А. Г. Ветошкин, 2014
©Издательство «Лань»,
художественное оформление, 2014
ПРЕДИСЛОВИЕ
У
чебный курс по теоретическим основам защиты окружаю!
щей среды как составной части инженерной экологии является комплекс!
ной научно!технической дисциплиной, изучающей теоретические аспекты
создания ресурсосберегающих технологий, экологически безопасных про!
мышленных производств, реализации инженерно!экологических решений
по рациональному природопользованию и защите окружающей среды.
Знание содержания этого курса необходимо для более глубокого изуче!
ния и усвоения дисциплин профессионального цикла (вариативная часть)
бакалавров по профилю подготовки «Инженерная защита окружающей сре!
ды» направления подготовки «Техносферная безопасность» и профессиональ!
ных дисциплин «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», «Тех!
ника защиты окружающей среды», «Промышленная экология», а также
дисциплин специализации при подготовке инженеров!экологов по специ!
альности «Инженерная защита окружающей среды».
Цель данного учебно!практического пособия состоит в закреплении тео!
ретических знаний и приобретении практических навыков обоснования вы!
бора технологий инженерной защиты окружающей среды и расчета пара!
метров основных физико!химических процессов очистки промышленных
выбросов в атмосфере и стоков в гидросфере, переработки и утилизации про!
мышленных и бытовых отходов, защиты окружающей среды от негативных
энергетических воздействий.
Настоящее пособие представляет собой сборник теоретических и практи!
ческих сведений, примеров и задач по теоретическим основам технологиче!
ских процессов инженерной экологии, он составлен в дополнение к учебным
пособиям А.Г.Ветошкина «Процессы инженерной защиты окружающей
среды (теоретические основы)» (Пенза: Изд!во Пенз. гос. ун!та, 2005), «Тео!
ретические основы защиты окружающей среды» (М.: Изд!во «Высшая шко!
ла», 2008). Вусвоении материала этих учебных пособий как составных частей
учебного курса по теоретическим основам защиты окружающей среды суще!
ственную роль играют семинарские и практические занятия, на которых
ПРЕДИСЛОВИЕ 5
студенты овладевают навыками обоснования и расчета основных процессов
и элементов ресурсосберегающих технологий инженерной экологии.
Предлагаемая книга является учебно/практическим курсом по теорети/
ческим основам инженерной экологии, в первой части которого представле/
ны: сведения о физико/химических свойствах газов, паров, жидкостей и рас/
творов; физико/химические свойства дисперсных систем и поверхностные
явления; теплофизические свойства выбросов, сбросов и отходов; свойства
явлений переноса в окружающей среде; химические и биохимические про/
цессы инженерной экологии; основы диффузионных (массообменных) про/
цессов; основы сорбционных процессов; электрофизические процессы; во
второй части представлены основные гидромеханические, массообменные,
тепловые процессы и основы защиты окружающей среды от негативного воз/
действия физических полей.
В начале каждой главы приведены сведения о теоретических основах
рассматриваемых экобиозащитных процессов и расчетные формулы, необ/
ходимые для решения задач, на CD для каждой из глав приводятся типовые
примеры, контрольные вопросы и задания для самоподготовки, задачи для
самостоятельного решения.
Пособие предназначено для подготовки бакалавров, обучающихся по про/
филю «Инженерная защита окружающей среды» направления подготовки
«Техносферная безопасность», и для подготовки инженеров/экологов по спе/
циальности «Инженерная защита окружающей среды». Оно может быть ис/
пользовано также при реализации образовательных программ бакалавриата
по направлениям подготовки «Природообустройство и водопользование» и
«Энерго/и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефте/
химии и биотехнологии».
Пособие может быть использовано преподавателями вузов при проведе/
нии учебных занятий, студентами при изучении теоретического курса ин/
женерной экологии, подготовке к практическим занятиям, выполнении кур/
совых, выпускных квалификационных работ, дипломных работ и проектов,
а также магистрантами и аспирантами для углубленного изучения теории
технологических процессов инженерной экологии.
Содержание пособия составлено на основе опыта проведения лекционных
и практических занятий по дисциплине «Теоретические основы защиты ок/
ружающей среды» на кафедре «Экология и безопасность жизнедеятельности»
Пензенского государственного университета, на кафедре «Инженерная эколо/
гия» Пензенского государственного университета архитектуры и строитель/
ства и на кафедре «Технологии и инженерные средства защиты окружающей
среды» Пензенской государственной технологической академии.
Автор выражает благодарность коллективу кафедры «Экология и безо/
пасность жизнедеятельности» Пензенского государственного университета
за помощь и поддержку при написании и оформлении материала учебно/
практического пособия.
6 ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
ВВЕДЕНИЕ
З
ащита окружающей среды является составной частью кон(cid:28)
цепции устойчивого развития человеческого общества, означающей длитель(cid:28)
ное непрерывное развитие, обеспечивающее потребности ныне живущих лю(cid:28)
дей без ущерба удовлетворению потребностей будущих поколений. Концеп(cid:28)
ция устойчивого развития не сможет реализоваться, если не будут разработаны
конкретные программы действий по предотвращению загрязнения окружаю(cid:28)
щей среды, включающие в себя также организационные, технические и тех(cid:28)
нологические разработки по развитию ресурсо(cid:28), энергосберегающих и мало(cid:28)
отходных технологий, снижению газовых выбросов и жидкостных сбросов,
переработки и утилизации хозяйственных отходов, уменьшению энергетиче(cid:28)
ского воздействия на окружающую среду, усовершенствованию и использова(cid:28)
нию средств защиты окружающей среды.
Организационно(cid:28)технические методы охраны окружающей среды мож(cid:28)
но условно разделить на активные и пассивные методы.
Активные методы защиты окружающей среды представляют собой тех(cid:28)
нологические решения по созданию ресурсосберегающих и малоотходных
технологий.
Пассивные методы защиты окружающей среды делятся на две подгруппы:
1)рациональное размещение источников загрязнения;
2)локализация источников загрязнения.
Рациональное размещение предполагает территориальное рациональное
размещение объектов экономики, снижающее нагрузку на окружающую сре(cid:28)
ду, а локализация по существу является флегматизацией источников загряз(cid:28)
нений и средством снижения их выбросов. Локализация достигается примене(cid:28)
нием различных средозащитных технологий, технических систем и устройств.
Процессы инженерной экологии для защиты окружающей среды связа(cid:28)
ны с разнообразными физическими и химическими явлениями. Примене(cid:28)
ние основных физических и физико(cid:28)химических законов к изучению техно(cid:28)
логических процессов защиты окружающей среды составляет теоретическую
основу инженерной экологии.
ВВЕДЕНИЕ 7
В теоретических основах инженерной экологии, базирующихся на об*
щих законах физики, химии, физической и коллоидной химии, термодина*
мики, гидро* и аэродинамики, теоретических основах химической техноло*
гии, изучается физико*химическая сущность основных процессов экобиоза*
щитных технологий. Такой системный подход к средозащитным процессам
позволяет сделать обобщения по теории таких процессов, применить к ним
единый методологический подход.
В зависимости от основных закономерностей, характеризующих проте*
кание средозащитных процессов, последние подразделяют на следующие
группы:
(cid:2) химические;
(cid:2) физико*химические;
(cid:2) гидромеханические и механические;
(cid:2) диффузионные (массообменные);
(cid:2) биохимические;
(cid:2) тепловые процессы;
(cid:2) физико*энергетические.
Химические процессы, протекающие с изменением физических свойств
и химического состава исходных веществ, характеризуются превращением
одних веществ в другие, изменением их поверхностных и межфазных свойств.
Кэтим процессам можно отнести процессы нейтрализации, окисления и вос*
становления. Движущей силой химических процессов является разность
химических (термодинамических) потенциалов.
Физико*химические процессы характеризуются взаимосвязанной сово*
купностью химических и физических процессов. Кфизико*химическим про*
цессам разделения можно отнести коагуляцию и флокуляцию, флотацию,
ионный обмен, обратный осмос и ультрафильтрацию, катализ, электрохи*
мические методы, в частности, электрическую очистку газов. Вэту группу
можно также отнести часть массообменных процессов (экстрагирование, кри*
сталлизацию). Движущей силой этих процессов является разность физиче*
ских и термодинамических потенциалов разделяемых компонентов на гра*
ницах фаз.
К гидромеханическим процессам, основой которых является гидроста*
тическое или гидромеханическое воздействие на среды и материалы, отно*
сят перемешивание, отстаивание (осаждение), фильтрование, центрифуги*
рование, рассеивание выбросов и разбавление стоков в окружающей среде.
Движущей силой этих процессов является гидростатическое давление или
центробежная сила.
К механическим процессам, основой которых является механическое воз*
действие на твердые и аморфные материалы, относят измельчение (дробле*
ние), сортирование (классификация), прессование и смешивание сыпучих
материалов. Движущей силой этих процессов являются силы механическо*
го давления или центробежная сила.
К массообменным (диффузионным) процессам, в которых большую роль
наряду с теплопередачей играет переход вещества из одной фазы в другую за
счет диффузии, относят сорбционные процессы (абсорбцию, адсорбцию, де*
8 ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
сорбцию), экстрагирование, ректификацию, сушку и кристаллизацию. Дви(cid:27)
жущей силой этих процессов является разность концентраций переходяще(cid:27)
го вещества во взаимодействующих фазах.
Биохимические процессы, в основе которых лежат каталитические фер(cid:27)
ментативные реакции биохимического окисления и разложения органиче(cid:27)
ских веществ в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, характери(cid:27)
зуются протеканием биохимических реакций и синтезом веществ на уровне
живой клетки. Движущей силой этих процессов является энергетический
уровень (потенциал) живых организмов.
К тепловым процессам, основой которых является изменение теплового
состояния взаимодействующих сред, относят нагревание, охлаждение, вы(cid:27)
паривание и конденсацию. Вэту группу можно отнести также ректифика(cid:27)
цию и сушку. Движущей силой этих процессов является разность темпера(cid:27)
тур (термических потенциалов) взаимодействующих сред.
В отдельную группу выделены физические процессы защиты от энерге(cid:27)
тических воздействий, в основном базирующиеся на принципах отражения
и поглощения избыточной энергии основных технологических процессов
природопользования.
ВВЕДЕНИЕ 9
