Очистка отходящих газов химических производств

 

Очистка от аэрозолей. Для этих целей преимущественно используют механические и физические методы.

Механические методы бывают сухими и мокрыми.

Сухие методы основаны на улавливании частиц без использования жидкости (очистка такими методами проводятся в гравитационных, инерционных, центробежных пылеуловителях, в рукавных фильтрах). Мокрые методы – на улавливании частиц с помощью жидкости, чаще всего воды. Аппараты, в которых проводится такая очистка, называются скрубберами (полые и насадочные башни, центробежныескрубберы (мокрые циклоны), пенные аппараты, скоростные скрубберы Вентури и др.).

Загрязненный воздух Чистый воздух

Физические методы основаны на осаждении взвешенных частиц под воздействием электрического поля или акустических волн. Электроосадители (старое название – электрофильтры) имеют коронирующий и осадительный электроды (рис. 5). К ним подводится постоянный электрический ток высокого напряжения (до 35 – 40 кВ). В центре, вблизи коронирующего электрода, создается максимальная напряженность электрического поля, а на краях, около осадительного электрода – минимальная. Благодаря этому вблизи коронирующего электрода создается коронирующий электрический разряд, вызывающий ионизацию газа. Проходя вдоль этих электродов, взвешенные частички заряжаются, в основном, от-

Рис. 5. Схема и принцип действия электросадителя (электрофильтра): 1 – коронирующий электрод, 2 – осадительный электрод

рицательным зарядом и осаждаются на положительно заряженном осадительном электроде. По мере накопления уловленных частиц на поверхности осадительного электрода их удаляют тем или иным способом. Работа такого аппарата полностью автоматизирована.

Электроосадители наиболее эффективны для очистки газов от самых мелких частиц (например, тумана серной кислоты), которые обычными механическими методами уловить очень сложно.

Аппараты обладают очень большой производительностью (≈10⁵ м³/час), а также малым гидравлическим сопротивлением. Недостатком их является высокая стоимость, особенно трансформаторов и выпрямителей переменного тока.

Очистку газов от мельчайших частиц можно интенсифицировать также методом акустической коагуляции. Он основан на агрегировании (слипании) мельчайших частиц друг с другом при воздействии на очищаемый газ звуковых или ультразвуковых волн.

Очистка от парообразных и газообразных примесей. Для этих целей применяют методы абсорбции, адсорбции, термические и каталитические.

Методы абсорбции – физическую и хемосорбцию – используют для поглощения из газа примесей Н₂S, SО₂ , NO_х , паров кислот (HF, H₂SO₄), СО₂ , СО и др.

В качестве абсорбентов используются различные жидкости (вода, растворы аммиака, известковое молоко – Са(ОН)₂), а также органические жидкости –моноэтаноламин (МЭА), диэтаноламин (ДЭА), минеральные масла и др.).

Адсорбция – это поглощение примесей твердыми пористыми поглотителями. К ним относятся активированный уголь, силикагель, цеолиты, алюмогель и др. Этим методом преимущественно извлекают высокотоксичные органические соединения, а также Cl₂, F₂ и пары ртути.

Этот метод весьма эффективный, но очень дорогой. Его используют в качестве окончательной ступени очистки.

Термические методы используют в основном для очистки газов от горючих органических примесей (спиртов, эфиров, аминов и т. д.). Процесс проводится в специальных печах при 700 – 900 °С и временем пребывания 0,5 – 0,7 с. Степень очистки достигает 95 % и выше.

Если концентрация горючих примесей выше нижнего предела воспламенения, то применяют наиболее дешевый метод – факельное сжигание. Если же концентрация ниже нижнего предела воспламенения, то необходимое количество тепла для сжигания примесей получают за счет сжигания топлива. В этом случае обезвреживание проводят в специальных печах. Для повышения экономичности этого процесса теплоту отходящих очищенных газов используют, например, для получения водяного пара.

Каталитические методы основаны на использовании твердых катализаторов. В результате катализа вредные примеси превращаются в безвредные соединения, либо в соединения, которые могут легко удаляться из газа.

Этот метод очень эффективен, степень очистки газа достигает 99 % и более. Кроме того, процесс протекает при относительно низкой температуре (250 – 400 °С).

Очистка сточных вод

 

Существуют очистные сооружения трех основных типов: локальные или цеховые, общие или заводские, районные или городские.

На химических предприятиях используют локальные и общие очистные сооружения. Применяемые при этом основные методы очистки подразделяются на механические, физико-химические, термические и биохимические.

Механические методы – отстаивание, осветление и фильтрование –

используют для удаления грубодисперсных взвешенных частиц. Для ускорения осаждения частиц вводят добавки коагулянтов и флокулянтов. В последнее время для этих целей начали использовать высокопроизводительные отстойные центрифуги.

Физико-химические методы – флотация, дистилляция, ректификация, адсорбция, экстракция, ионный обмен, обратный осмос, диализ и др. – применяют для очистки сточных вод от высокодисперсных коллоидных частиц, которые практически не осаждаются, а также от растворимых примесей.

Флотация заключается в том, что диспергированные в сточной воде мельчайшие пузырьки воздуха прилипают к гидрофобным частицам примеси и всплывают на поверхность, образуя слой загрязненной пены.

Эту пену собирают и перерабатывают тем или иным методом. Для

гидрофобизации поверхности частиц используют добавки ПАВ.

Дистилляция основана на испарении легколетучих примесей при нагреве сточной воды. Этот метод применяют в случае, когда концентрация легколетучих примесей высока, а объемы образующихся сточных вод относительно не велики.

Ректификация – процесс разделения, основанный на многократномпротивоточном взаимодействии паров и жидкой фазы. Процесс проводят в колонных аппаратах. Ректификация в отличие от дистилляции позволяет более полно выделить легколетучие примеси из воды. Однако этот процесс более энергоемкий.

Адсорбция – поглощение растворенных примесей твердыми пористыми поглотителями (активными углями, синтетическими органическими и неорганическими сорбентами). Это очень эффективный, но дорогой способ, поэтому он используется только в качестве заключительной стадии очистки.

Экстракция – процесс извлечения примесей при помощи жидких поглотителей (экстрагентов). Экстрагенты должны быть нерастворимыми в воде, обладать большой поглотительной способностью по отношению к примесям и иметь большую разность плотности с водой. Это очень эффективный и перспективный метод очистки, в особенности от вредных органических примесей.

Термические методы используются для обезвреживания высококонцентрированных сточных вод, содержащих горючие примеси. Процесс проводится на установках термического обезвреживания промышленных стоков (УТОПС). Чаще всего они представляют собой топки циклонного типа. В них сжигается топливо и в образующиеся высокотемпературные топочные газы (800 – 900 °С) через форсунки впрыскивается сточная вода. Она испаряется, и органические примеси сгорают с образованием паров воды и углекислого газа.

Для повышения экономичности процесса тепло отходящих топочных газов утилизируется в экономайзерах, где вырабатывается водяной пар.

 

Биохимические методы широко используются для очистки от органических примесей, а также от некоторых неорганических веществ. В результате биологического разложения вредные примеси превращаются в безвредные вещества: N₂, CO₂ , СН₄ и воду.

Биоочистку можно производить в аэробных и анаэробных условиях. В аэробных условиях примеси разлагаются до N₂, СО₂ и Н₂О, в анаэробных условиях продуктом жизнедеятельности специальных бактерий является метан. Поэтому сооружения для анаэробного разложения называются метантенками.

Аэробная очистка проводится в присутствии кислорода воздуха и наиболее часто используется на практике. Она более интенсивна и позволяет достичь большей степени очистки воды.

Однако при чрезмерно высокой концентрациях вредных примесей аэробный метод не применим. В этом случае используется анаэробный метод, как предварительная ступень очистки. При этом образующийся метан может быть использован как топливо.

В результате жизнедеятельности бактерий, кроме инертных веществ, образуются твердые отходы, так называемый активный ил. Его можно использовать после сушки и обеззараживания в качестве органического удобрения. Однако препятствием для этого может явиться наличие в нем примесей тяжелых металлов.

Биоочистные сооружения подразделяются на две группы:

1. Сооружение, в которых очистка протекает в условиях, близких к естественным. Это поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды. Данные сооружения достаточно просты и дешевы, но скорость очистки в них очень низкая.

2. Более совершенными являются сооружения, в которых создаются искусственные условия (температура, величина рН, аэрация и др.). К ним относятся биофильтры, аэротенки, окситенки и др. Скорость очистки в них гораздо выше.

Очистные сооружения имеют очень большую мощность.

Степень очистки воды биологическим методом характеризуется величиной биологического потребления кислорода (БПК), т.е. количеством кислорода в мг, необходимым для биохимического разложения примесей, содержащихся в одном литре загрязненной воды, за определенный промежуток времени (одни сутки, двое суток и т.д.).

Это очень прогрессивный и универсальный метод очистки.

Недостатками его являются довольно низкая скорость очистки (несколько суток), а отсюда и громоздкость используемого оборудования, чувствительность бактерий к некоторым ядовитым веществам, а также образование собственного отхода (активного ила).

 

Водооборотные циклы

 

В этих циклах осуществляется многократное использование водных ресурсов без сброса загрязненных сточных вод в водоемы. Расходование свежей воды связано только с естественной убылью ее в процессе многократной циркуляции на испарение, брызгоунос и утечку через неплотности оборудования, а также с необходимостью частичного обновления оборотной воды (так называемой «продувки»).

В настоящее время используют три основные схемы водооборотных циклов:

1) отработанную воду только охлаждают в специальных контактных аппаратах воздушного охлаждения (градирнях);

2) отработанную воду только очищают от примесей;

3) воду и охлаждают и очищают.

Основными аппаратами водооборотного цикла, служащими для охлаждения воды, являются градирни. Они подразделяются на два типа:

– градирни с естественной конвекцией охлаждающего воздуха;

– градирни с принудительной конвекцией охлаждающего воздуха.

Градирни с естественной конвекцией (башни Эстнера) представляют собой пустотелые башни в виде усеченного конуса диаметром 10–30 м и высотой 25–40 м, выполненные из железобетона или металлического каркаса, покрытого деревянными или синтетическими листами (рис. 6).

Рис. 6. Схема водооборотного цикла с охлаждением воды:

1 - корпус градирни; 2 - циркуляционный насос; 3 – потребитель охлажденной воды

 

Для повышения устойчивости против ветровой и снеговой нагрузки эти башни у основания расширяются.

В верхней части градирни размещены специальные форсунки (брызгалки) для подачи через них теплой оборотной воды. В нижней части расположен сборник охлажденной воды в виде герметичного бассейна из бетона. Здесь охлажденная вода отстаивается от механических взвешенных частиц и откачивается насосом потребителям.

По всему периметру в нижней части корпуса имеются отверстия для проникновения через них внутрь градирни атмосферного воздуха.

Движущей силой естественной конвекции является разность атмосферных давлений вне градирни и внутри нее (D Р). Согласно основному

уравнению гидростатики ее можно выразить как:

 

Δ Р = Δρ_{воздуха} ×g×H,

 

где Δρ_{воздуха} – разностьплотностей атмосферного воздуха за пределами градирни и внутри нее, Н – высота градирни.

Из этого уравнения видно, что для увеличения Δ Р необходимо увеличить Δρ_{в оздуха} и Н.

Воздух в градирне при контакте с диспергированной теплой водой насыщается водяными парами. При этом он интенсивно отбирает у воды теплоту испарения и, тем самым, снижает ее температуру. Максимальное охлаждение воды возможно до так называемой температуры мокрого термометра (t _мт), которая зависит от параметров атмосферного воздуха (отно-

сительной влажности и температуры).

Одновременно с увлажнением воздуха в градирне уменьшается и его плотность. Это объясняется тем, что водяные пары имеют меньшую молекулярную массу (18) и, согласно закону Клайперона - Менделеева, и меньшую плотность, чем сухой воздух (29). Благодаря этому внутри градирни создается разряжение и туда устремляется более плотный атмосферный воздух. Возрастанию разряжения, согласно приведенному уравнению, способствует также увеличение высоты градирни.

Величина Δρ_вможет быть равна нулю только при относительной влажности атмосферного воздуха, равной 100 %. По этой причине градирни хуже работают в периоды года с высокой влажностью атмосферного воздуха. Напротив, наиболее благоприятные условия создаются при низкой относительной влажности воздуха.

Примерно 60 –70 % количества тепла отнимается от воды за счет частичного ее испарения. Остальное количество отводится за счет разности температур теплой воды и более холодного воздуха.

Для увеличения межфазной поверхности и интенсификации процесса испарения воду разбрызгивают. При этом возрастает также время падение капель. Однако при чрезмерном диспергировании резко увеличивается брызгоунос. Степень испарения воды в градирнях может достигать 3 – 5 %. Чем выше степень испарения, тем выше эффективность работы градирни.

В этих градирнях вода охлаждается всего на 10 – 15 °С.

 

Более современными является градирни с принудительной конвекцией (рис. 7).

 

Рис. 7. Схема градирни с принудительной конвекцией воздуха: 1 – корпус; 2 – осевой вентилятор; 3 – насадка

 

Здесь подача воздуха внутрь градирни осуществляется принудительно вентиляторами. Чаще всего для этих целей используют осевые (пропел-

лерные) вентиляторы. В них направление движения воздуха происходит параллельно оси вращения пропеллера. Преимуществами осевых вентиляторов перед центробежными являются простота конструкции, большая производительность (подача) и высокий КПД. Это обеспечивает большую кратность воздухообмена (отношение количества подаваемого воздуха к объему градирни).

Благодаря наличию насадки вода медленно стекает сверху вниз в виде пленки и успевает хорошо охладиться (примерно на 15 – 25 °С).

Такие градирни более компактны и эффективны. Их работа в меньшей степени зависит от метеорологических условий. Однако, они требуют затрат электроэнергии и большего обслуживания.

В настоящее время разрабатываются и применяются еще более современные, так называемые безвентиляторные градирни. В них засасывание охлаждающего воздуха осуществляется за счет эжекционного эффекта, создаваемого высокоскоростной струей самой охлаждаемой воды.

Свойства воды по мере ее длительного использования в водооборот-

ных циклах ухудшаются. При контакте с атмосферным воздухом она загрязняется различными частицами (пылью и др.), насыщается сравнительно хорошо растворимыми кислородом и углекислым газом. Вследствие частичного испарения в градирнях увеличивается содержание солей в воде и ее жесткость. В результате вода загрязняется, повышается коррозионная активность воды, в ней развиваются различные микроорганизмы и водоросли и т.д.

Все эти негативные факторы необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации систем оборотного водоснабжения: воду следует очищать, обрабатывать различными реагентами (умягчать, обеззараживать и др.). Во избежание чрезмерного накопления нежелательных примесей часть оборотной воды необходимо постоянно выводить из оборота (производить так называемую продувку), заменяя ее свежей водой.

Эффективность работы водооборотных циклов оценивается различными критериями, важнейшим из которых является коэффициент использования воды (К):

 

,

 

где Q _з и Q _сб – количество забираемой свежей воды и сбрасываемой в водоем сточной воды.

На передовых предприятиях величина К превышает 90 %.

Для снижения расхода воды на предприятиях в последние годы все шире используются аппараты воздушного охлаждения различных конструкций.

 

Учебное издание

 

 

ЗАГИДУЛЛИН Сафар Хабибуллович

 

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

 

 

Учебное пособие

 

Лит. редактор

Техн. редактор

Корректор

 

 

Лицензия ЛР № 020370

 

Подписано в печать …… Формат 60 ´ 90/16.

Набор компьютерный. Усл. печ. л.

Уч.–изд. л…. Тираж 100. Заказ № ….

 

 

Издательство

Пермского государственного технического университета

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 13

Тел. (342) 219-80-33