3. Очистка газовоздушных выбросов.

Очистка - удаление (выделение, улавливание) примесей из различ­ных сред.

Способы очистки выбросов от га­зообразных и парообразных примесей можно разделить на две основные группы: абсорбция жидкостями и адсорбция твердыми поглотителями.

Абсорбция - это процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями - абсорбентами. Различают физическую и химическую абсорбцию. При физической абсорбции молекулы поглощаемого вещества (абсорбтива) не вступают с молекулами абсор­бента в химическую реакцию. При этом над раствором существует определенное равновесное давление компонента. Процесс абсорбции проходит до тех пор, пока парциальное давление целевого компонента в газовой фазе выше равновесного давления над раствором.

При химической абсорбции молекулы абсорбтива вступают в химическое взаимодействие с активными компонентами абсорбента, образуя новое химическое соединение. При этом равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало по сравнению с физической абсорбцией и возможно полное его извлечение из газовой среды.

Процесс абсорбции является избирательным и обратимым. Избира­тельность - это поглощение конкретного целевого компонента (абсорбтива) из смеси при помощи абсорбента определенного типа. Процесс является обратимым, так как поглощенное вещество может быть снова извлечено из абсорбента (десорбция), а абсорбтив снова может быть использован в процессе.

На рис. 4.24 показана принципиальная схема абсорбционной установ­ки для улавливания целевого компонента из газовой смеси.

Газовая смесь поступает в абсорбер 1, где контактирует с охлажденным абсорбентом, который избирательно поглощает извлекаемый компо­нент (абсорбтив). Газ, очищенный от компонента, удаляется, а раствор поглотителя, содержащий абсорбированный компонент, поступает в теп­лообменник 4, нагревается в нем и подается насосом 5 в десорбер 3, где из него извлекается поглощенный компонент путем нагревания поглотителя водяным паром. Освобожденный от целевого компонента поглотитель на­сосом 6 направляется сначала в теплообменник 4, где охлаждается, отда­вая тепло насыщенному абсорбенту, затем через холодильник 2 он снова поступает на орошение абсорбера.

Применяемые абсорбенты должны хорошо растворять извлекаемый газ, иметь минимальное давление паров, чтобы возможно меньше загряз­нять очищаемый газ парами поглотителя, быть дешевым, не вызывать коррозию аппаратуры.

Для очистки газов от диоксида углерода в качестве абсорбентов ис­пользуются вода, растворы этаноламинов, метанол.

Очистка от сероводорода осуществляется растворами этаноламинов, водными растворами Na₂CO₃, К₂СО₃, NH₃ (с последующим окислением поглощенного H₂S кислородом воздуха с получением элементарной серы).

Для очистки газов от диоксида серы используются аммиачные методы, известковый метод, марганцевый метод.

Для удаления оксида углерода его абсорбируют медно-аммиачными растворами.

Процесс абсорбции протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аб­сорбер должен иметь возможно более развитую поверхность соприкосно­вения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхно­сти абсорберы можно разделить на поверхностные, насадочные и барботажные Поверхностные абсорберы малопроизводительны и используют­ся для поглощения только хорошо растворимых газов. Наиболее распро­страненными универсальными видами являются насадочные абсорберы. Они имеют более развитую поверхность соприкосновения, просты по уст­ройству, надежны. Их широко применяют для очистки газов от оксидов азота, SO₂, СО₂, СО, С1₂ и некоторых других веществ.

Более компактными, но и более сложными по устройству являются барботажные абсорберы, в которых газ барботируется через слой абсор­бента, размещенного в колонне на тарелках.

Еще более совершенными являются пенные абсорберы. В этих аппара­тах жидкость, взаимодействующая с газом, приводится в состояние пены, что обеспечивает большую поверхность контакта между абсорбентом и газом, а следовательно, и высокую эффективность очистки.

В общем случае в качестве абсорберов могут использоваться любые массообменные аппараты, применяющиеся в химической промышленности.

Удаление абсорбтива из абсорбента может осуществляться нескольки­ми способами:

• отгонкой в токе водяного пара или инертного газа в десорберах, по своей конструкции похожих на насадочные или тарельчатые колонны; при использовании инертного газа или воздуха в процессе последующее извлечение компонента из смеси затруднительно, по­этому этот способ применяют в тех случаях, когда компонент в дальнейшем не используется;

• подогревом абсорбента; для этого к десорберу подводят глухой пар и при повышении температуры из абсорбента выделяется абсорбтив; если вместе с ним частично выделяются и пары абсорбента, то смесь разделяют ректификацией;

• снижением давления над абсорбентом в десорбере; при этом в тех случаях, когда процесс абсорбции проводится под давлением выше атмосферного, десорбцию можно осуществлять при атмосферном давлении.

Адсорбция - основана на избирательном извлечении примесей из газа при помощи адсорбентов - твердых веществ с развитой поверхностью. Адсорбенты должны обладать высокой поглотительной способностью, избирательностью, термической и механической стойкостью, низким со­противлением потоку газа, легкой отдачей адсорбированного вещества. В качестве адсорбентов применяют в основном активные угли, силикагели, синтетические и природные цеолиты.

Активные угли представляют собой зернистые или порошкообразные углеродные адсорбенты, изготовленные по специальной технологии из каменного угля, торфа, полимеров, косточек кокосовых орехов, древеси­ны и другого сырья. Для очистки газовоздушных выбросов используют газовые и рекуперационные угли.

Газовые угли применяют для улавливания относительно плохо сорби­рующихся веществ с небольшой концентрацией. Если же концентрация целевого компонента в газовом потоке значительна, то в этом случае не­обходимо использовать рекуперационные угли. Чаще всего для очистки вентиляционных выбросов используют газовые угли типа АГ, КАУ, СКТ раз­личных модификаций или рекуперационные угли типа АР, APT, CKT-3 и др.

Отечественная промышленность в настоящее время выпускает активи­рованные углеродные волокна, из которых могут быть получены полотна различной толщины, жгуты, объемные маты, ленты, войлоки и т. п. Эти современные материалы находят широкое применение в технике защиты окружающей среды.

Силикагели являются минеральными адсорбентами с регулярной структурой пор (средний радиус пор 0,8 х 1(Г⁹ - 10~⁸ м). Они производят­ся двух типов: кусковые (зерна неправильной формы) и гранулированные (зерна сферической или овальной формы). Силикагели представляют со­бой твердые стекловидные или матовые зерна размером 0,2 - 7,0 мм, на­сыпной плотностью 400 - 900 кг/м³. Силикагели используют в основном Для осушки воздуха, газов и поглощения паров полярных веществ, на­пример метанола.

Близкими по свойствам к силикагелям являются алюмогели (активный оксид алюминия), которые выпускаются промышленностью в виде гранул цилиндрической формы (диаметром 2,5 - 5,0 мм и высотой 3,0 - 7,0 мм) и в виде шариков (со средним диаметром 3-4 мм).

Цеолиты (молекулярные сита) - это синтетические алюмосиликатные кристаллические вещества, обладающие большой поглотительной спо­собностью и высокой избирательностью даже при весьма низком содер­жании определенного вещества (адсорбтива) в газе.

Отличительным признаком цеолитов является наличие строго регу­лярной структуры пор. Размеры входных «окон» в полости кристалличе­ской структуры цеолитов близки к размерам поглощаемых молекул. Одни молекулы из смеси веществ проходят в эти «окна» и адсорбируются в кристаллах цеолитов, другие, более крупные, молекулы остаются в носи­теле. Таким образом происходит «просеивание» молекул различных ве­ществ, в связи с чем эти сорбенты получили название молекулярных сит.

По происхождению цеолиты подразделяются на природные и синтети­ческие. К природным цеолитам относятся такие минералы, как клиноптилолит, морденит, эрионит, шабазит и др. Синтетические цеолиты характеризуются практически идеально однородной микропористой структурой и способностью избирательно адсорбировать молекулы малых размеров при низких концентрациях адсорбируемого компонента. Наиболее широкое практическое применение получили цеолиты марок КА, NaA, CaA, NaX, СаХ Первый индекс марки цеолита соответствует форме катионов (на­пример, К⁺, Na⁺, Са²⁺), а второй обозначает тип кристаллической решетки. Цеолиты имеют следующие размеры входных «окон»:

Синтетические цеолиты выпускаются в виде гранул цилиндрической формы (диаметром 2-4 мм и высотой 2-4 мм) и в виде шариков диа­метром 2-5 мм.

Цеолиты марки NaA используются для улавливания многих промыш­ленных газов, критический размер молекул которых не превышает 4х10~¹⁰м (сероводород, сероуглерод, аммиак, этан, этилен, пропилен, метан, оксид углерода и др.). Цеолит СаА улавливает углеводороды и спирты только нормального строения. Цеолит КА в основном использует­ся для осушки нейтральных газовых потоков, воздуха.

При помощи адсорбентов газы очищаются в основном от СО₂, серни­стых соединений, углеводородов, растворителей, и-ксилола, сероуглерода и др.

Адсорбцию осуществляют в основном в адсорберах периодического действия. Очищаемый газ проходит сверху вниз через слой адсорбента. Процесс поглощения адсорбтива начинается с верхнего слоя сорбента, за­тем фронт поглощения постепенно передвигается вниз, захватывая все его слои, и после исчерпания поглотительной способности всех слоев насту­пает «проскок» поглощаемого компонента, показывающий, что аппарат должен быть переключен на процесс десорбции.

Десорбцию ведут обычно острым паром, подаваемым снизу, который выносит из сорбента поглощенный им продукт (адсорбат) и поступает в холодильник-конденсатор, где продукт отделяется от воды.

Адсорберы периодического действия отличаются простотой и надеж­ностью. Недостатками их является периодичность процесса, низкая про­изводительность и относительно небольшая эффективность.

Непрерывные процессы адсорбционной очистки газов осуществляются в кипящем слое адсорбента.

На рис. 4.25 показана принципиальная схема адсорбционной очистки газов с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом.

Подлежащий очистке газ подается в адсорбер 7 с такой скоростью, чтобы в нем образовывался и поддерживался кипящий слой адсорбента 3, в котором поглощаются целевые компоненты. Какая-то часть адсорбента постоянно опускается в десорбер 2 для регенерации, которая осуществля­ется вытесняющим веществом, подаваемым в нижнюю часть десорбера. В десорбере также поддерживается кипящий слой адсорбента, из него из­влекается адсорбат и выводится из системы. Регенерированный адсорбент снова возвращается в адсорбер 1.

Адсорберы с кипящим слоем сложны по устройству, требуют точного регулирования процесса.

Непрерывные процессы адсорбционной очистки газов дают возмож­ность обрабатывать относительно небольшим количеством адсорбента большие объемы газов с низкой концентрацией веществ, подлежащих удалению, и достигать при этом высокой степени очистки.

Адсорбционные процессы с аппаратами периодического действия особенно перспек­тивны для рекуперации органических растворителей, многие из которых являются озоноразрушающими и поэто­му представляют определен­ную опасность для окружаю­щей среды. В связи с этим ре­куперация таких веществ из вентиляционных промышлен­ных выбросов может не только вернуть в производство ценные продукты, но и предотвратить загрязнение атмосферного воз­духа.

Примером может служить применение адсорбционного процесса для улавливания параксилола в производстве диметилтерефталата на могилевском ПО «Химволокно». Адсорбционная установка является неотъем­лемой частью технологии получения синтетических волокон из диметил­терефталата (ДМТ). Она предназначена для очистки вентиляционного воздуха цеха ДМТ и одновременной рекуперации паров параксилола. В качестве адсорбента в этом процессе используют уголь «Норит», изготов­ленный из косточек кокосовых орехов. Основные данные установки пред­ставлены в табл. 4.26.

Подключение шести адсорберов кольцевого типа позволяет осущест­вить процесс непрерывной очистки воздуха от параксилола. Активный уголь регенерируется насыщенным паром давлением 0,3 МПа.

Д

ля предприятий по производству резинотехнических изделий разра­ботана установка по рекуперации этилацетата, схема которой приведена на рис. 4.26. На этой установке вентиляционный воздух, не только очища­ется от паров этилацетата, но и уловленный продукт вновь используется в производстве. Степень очистки вентиляционного воздуха составляет 95 - 98 %. .Вентиляционный воздух, загрязненный парами этилацетата, вентиля­тором 1 подается через огнепреградитель 2 в адсорбер 3, заполненный ак­тивированным углем. После отработки угля производится его десорбция водяным паром. Смесь адсорбата с водяным паром поступает в теплооб­менник 4, конденсируется и разделяется в сепараторе 5. Уловленный этил-ацетат через мерник 6 насосом 7 направляется обратно в производство.

Проведенный анализ состава теряемых с вентиляционным воздухом растворителей в промышленности показывает, что ими чаще всего явля­ются: сероуглерод, ацетон, бензин, толуол, хлористый этил и т. д. Кон­центрация этих веществ в паровоздушной смеси (ПВС) может меняться в очень широких пределах. В зависимости от величины концентрации целе­вых компонентов в ПВС можно определить рентабельность применения адсорбционных установок для извлечения органических растворителей. В табл. 4.27 приведены минимальные концентрации, при которых обеспечи­вается окупаемость капитальных затрат и обслуживания установок реку­перации растворителей.

Как видно из таблицы, практически для всех хорошо адсорбируемых веществ минимальная концентрация составляет примерно 2,0 г/м³. Однако в данном случае не учитывается экологическая сторона, т. е. влияние вы­брасываемых веществ на окружающую среду. Многие компоненты, вклю­чая толуол, ксилол, бензол, четыреххлористый углерод, сероуглерод, яв­ляются ЛОС и обладают канцерогенными, мутагенными и другими опас­ными свойствами. Поэтому использование адсорбционных установок ока­зывается целесообразным при любых концентрациях этих веществ в ПВС.

Эффективность применения адсорбционных установок для очистки _t паровоздушных смесей определяется также материальными и энергетическими затратами на 1 т выделяемого компонента. Анализ работы отечественных и зарубежных промышленных установок реку­перации растворителей показывает, что на 1 т получаемого растворителя

необходимо водяного пара - 2 - 8 т, охлаждающей воды - 25 - 200 м³ элект­роэнергии — 50 - 1000 кВт ч и активного угля - 0,22 - 2,5 кг.