Очистка отходящих газов от легколетучих органических веществ (ЛОВ)

Использование легколетучих органических веществ в промышленности

Потери ЛОВ в Российской Федерации оцениваются в 600-800 тыс. т/год. К наиболее распространённым ЛОВ относятся: ацетон (СН3СОСН3), метанол (СНзОН), этанол (С2Н5ОН), пропанол (С3Н7ОН), бутанол (С4Н9ОН), фенол (С6Н5ОН), толуол (С6Н5СНз), бензол (С6Н6), ксилол [СбН4(СНз)2], н-гексан [СНз(СН2)4СНз], циклогексан C6Hi2 и др.

ЛОВ широко применяют при производстве красителей, лекарственных препаратов, продуктов микробиологического синтеза, дезинфицирующих средств, при производстве фенолформальдегидных смол, стеклопластиков, а также используют как растворители красок и лаков. Велики потери ЛОВ на заводах синтетического каучука.

Улавливать ЛОВ необходимо по двум причинам:

  • - экономическим (возврат их в производство)
  • - экологическим, так как ЛОВ вредны и ПДК для них в воздухе составляет порядка 5 мг/м

Утилизацию ЛОВ целесообразно проводить, если их концентрация в отходящем газе более 2-3 г/м3. В остальных случаях газ необходимо очищать деструктивными методами, т.е. осуществлять санитарную очистку.

Методы очитски газов от ЛОВ

8.2.1. Деструктивные методы

Деструктивные методы включают в себя: химические, каталитические и биохимические методы разложения ЛОВ и используются при санитарной очистке газов.

8.2.1.1. Химические методы разложения ЛОВ

Химическое разложение ЛОВ проводится активными окислителями, например, озоном или водным раствором диоксида хлора (CIO2). Далее приведены реакции по обработке отходящих газов озоно-воздушной смесью

С6Н6 + 5О3 -» 6СО2 + ЗН2О (8.1)

Отходящие газы промывают от малых концентраций ЛОВ водным раствором диоксида хлора в колонных аппаратах, после промывки раствор нейтрализуют.

С6Н6 + 6С1О2 -? 6СО2 + 6HCI (8.2)

8.2.1.2. Каталитические методы разложения ЛОВ

При разложении ЛОВ используются катализаторы на основе меди, хрома, кобальта, марганца, никеля, платины, палладия и других металлов. Иногда применяют природные материалы (бокситы, цеолиты).

Среди катализаторов условно различают:

  • - цельнометаллические - металлы платиновой группы или неблагородные металлы переходной валентности, нанесённые на ленты, сетки, спирали или листы из нержавеющей стали;
  • - смешанные, включающие металлы платиновой группы и оксиды металлов, нанесённые на оксид алюминия или другие носители;
  • - керамические, состоящие из металлов платиновой группы или оксидов металлов, нанесённых на керамическую основу, выполненную в виде сот или решёток;
  • - насыпные в виде гранул или таблеток из оксида алюминия с нанесёнными на них металлами платиновой группы или оксидами металлов.

Катализаторы на металлическом носителе более термостойкие, период их работы составляет I год и более, они обладают высокой износостойкостью и развитой поверхностью контакта. Их регенерация не вызывает затруднений. Эти показатели наряду

с малым гидравлическим сопротивлением (200-250 Па) обуславливают перспективность их использования для обработки больших объёмов газовоздушных выбросов, содержащих пары ЛОВ.

Наиболее простыми и дешевыми являются катализаторы на основе керамики. Они также имеют низкое гидравлическое сопротивление, сохраняют активность при обезвреживании запылённых газов, однако, менее термостабильны. Наиболее активны керамические катализаторы, включающие платину и палладий.

Насыпные катализаторы нередко в качестве носителя имеют активный оксид алюминия. Они имеют значительное гидравлическое сопротивление, невысокую механическую прочность и короткий период эксплуатации (иногда до 3 месяцев.).

Установки каталитической очистки газов от паров органических веществ отличаются конструкцией контактных аппаратов, способами нагрева газов, используемыми катализаторами и приёмами рекуперации тепла.

Одним из вариантов классификации конструкций аппаратов каталитической очистки газов являются их конструктивные решения и условия работы (рис. 8.1):

102

Очищенный газ ir

на разбавление очистку

Очищенный газ

Конструктивные решения каталитических реакторов

Рис. 8.1. Конструктивные решения каталитических реакторов: а - каталитический реактор с двухслойной корзиной и радиальным ходом газа (КР); б, в -термокаталитические реакторы, в которых в одном корпусе размещены контактный узел и подогреватель (ТКР): г - каталитические реакторы с внутренним рекуператором (КВР): б, е. .ж — термокаталитические реакторы со встроенным рекуператором тепла (ТКВР).

ж

Такие конструкции реакторов (ТКВР) наиболее распространены в настоящее время.

Термокаталитические реакторы имеют производительность 25-45 тыс. м3/ч газа, объёмную скорость процесса 15000— 40000 м33-час и температуру t = 360-500 °C. В процессе каталитической очистки газа удаляются следующие компоненты ЛОВ: толуол, этилбензол, ксилол, формальдегид, стирол, спирты. фенол, 3-4-бенз(а)пирен, меркаптаны и др. Эффективность очистки составляет 90-99 %.

8.2.1.3. Биохимические методы разложения ЛОВ

Биохимические методы очистки отходящих газов основаны на использовании аэробных микроорганизмов, потребляющих органические вещества. Им необходим кислород, который они поглощают только из воды, т.е. используют в растворённом виде.

Реакторы биохимической очистки подразделяют на «мокрые» и «сухие». «Мокрый» реактор или биоскруббер работает как насадочный или тарельчатый реактор, где в качестве орошающей жидкости часто используют сточные воды. Загрязняющие органические вещества переносятся из газа в жидкость, растворяются в ней, а затем окисляются микрофлорой в биопленке или в жидкостном слое.

К преимуществам биохимического окисления ЛОВ относятся:

  • - высокая эффективность поглощения, так как биоокисление снижает концентрацию улавливаемых ингредиентов в жидкости практически до нуля, тем самым усиливая массоперенос из газовой фазы;
  • - объём жидкой фазы, необходимый для поглощения, резко снижается.

«Сухой» реактор имеет насадку из биоактивного, сорбирующего материала. Загрязнённые газы продуваются через слой насадки.

/

/

/

/Паразиты''..

/ Хищники

...........................

/ Растительноядные

/ Хищные мелкие

/ беспозвоночные

/ Бактерии и мелкие

/ бесиозронсчные, питающиеся

/ грибами

/..................................

Первичные потребители

Насадка фильтра

Рис. 8.2. Трофическая пирамида в биопленке биофильтра

Биопленка в биофильтрах устроена сложнее, чем активный ил (рис. 8.2). Бактерии образуют нижний трофический уровень. Именно они разрушают загрязнения. Простейшие, (коловратки) поедают бактерий и, в свою очередь, служат пищей высшим видам, например, личинкам насекомых. Учёт отдельных видов, участвующих в трофической пирамиде, несуществен для проектирования. Однако дисбаланс видового состава вызывает сложности при проведении биохимического процесса, происходит заиливание насадки и смыв биопленки.

Основные параметры периодической биоочистки газовоздушных выбросов. После того как в колонный аппарат загрузили среду, создали нужную температуру, добавили посевной материал и стали продувать газовоздушную смесь начался процесс биологической очистки газа. При поглощении загрязняющих веществ из газа в жидкость возрастает концентрация биомассы микроорганизмов.

Фазы ферментации в полулогарифмической системе координат

Рис. 8.3. Фазы ферментации в полулогарифмической системе координат:

X— концентрация биомассы; г - время ферментации

Фазы периодического процесса очистки газовоздушных выбросов. В начале очистки некоторое время микроорганизмы (рис. 8.3) как бы приспосабливаются к новой среде, их концентрация не меняется - лаг-фаза (I). Далее начинается рост - фаза ускоренного роста (II). Третья (III) - фаза наиболее интенсивного роста или фаза экспоненциального роста. Затем скорость роста уменьшается фаза (IV) - замедление роста. Достигнув некоторой максимальной величины, концентрация биомассы перестаёт расти - стационарная фаза (V), в среде истощаются питательные вещества и накапливаются продукты обмена, тормозящие рост. Биомасса растёт и одновременно происходит гибель части клеток (автолиз), так что общая концентрация в жидкости сохраняется постоянной. И, наконец, в фазе отмирания (VI) автолиз начинает преобладать над ростом, и концентрация биомассы микроорганизмов снижается.

Кинетические характеристики процесса отражают скорость протекания биохимических превращений и влияют на биомассу, продукт и субстрат.

Рост биомассы. Хотя сам вид кривой (рис. 8.3) очень похож для различных микроорганизмов, время ферментации существенно различается. Для быстрорастущих бактерий весь цикл может закончиться за несколько часов, а для мицелиальных микроорганизмов или изолированных клеток растений время составляет несколько недель и месяцев. Большой интерес представляет удельная скорость роста на единицу биомассы (ведь рост биомассы пропорционален концентрации клеток).

На рис. 8.4 показано изменение удельной скорости роста биомассы ц во времени.

Изменение удельной скорости роста биомассы во времени в периодическом процессе ферментации

Рис. 8.4. Изменение удельной скорости роста биомассы во времени в периодическом процессе ферментации

Кинетика потребления субстрата. По аналогии со скоростью роста биомассы существует общая скорость потребления субстрата извлекаемых вредных веществ из газовоздушных выбросов.

Устновлены источники выбросов газа постоянно действующие (от нескольких недель до нескольких месяцев). Тогда процесс биоочистки рассматривается как непрерывный. Различают непрерывные процессы полного вытеснения (тубулярный) или полного перемешивания (хемостатный).

В хемостатном процессе в аппарат с постоянной скоростью осуществляется подпитка свежей жидкой фазы с питательными веществами, извлекаемыми из отходящих газов. Из газоочистного аппарата с такой же скоростью отводится ферментационная среда, содержащая биомассу, продукты метаболизма и остатки субстрата.

В отличие от непрерывного в периодическом процессе устанавливается стационарное состояние, при котором скорость роста биомассы будет равна скорости ее вымывания из аппарата, а скорость притока субстрата за вычетом оттока остаточного субстрата равна скорости его расходования на рост микроорганизмов. В настоящее время биохимические методы очистки отходящих газов от ЛОВ находят все более широкое применение, например, очистка вентиляционных газов парфюмерных производств.

  • 8.2.2. Утилизационные методы очистки газов отЛОВ
  • 8.2.2.1. Абсорбция

В работе по циклическим схемам абсорбция-десорбция при многократным использовании поглотителя, последний теоретически не расходуется. Необходимо учитывать следующие требования к поглотителю:

  • - высокая поглотительная способность и малое парциальное давление компонента над поглотителем при температуре абсорбции;
  • -легко регенерироваться при десорбции;
  • - селективность, хорошо поглощать извлекаемый компонент и не поглощать другие;
  • - парциальное давление пара самого поглотителя при температурах абсорбции и десорбции должно быть невелико во избежание его потерь с уходящими газовыми потоками;
  • - устойчив в процессе работы, т.е. не подвергается изменениям (разложение, окисление, ©смоление и т.д.);
  • -дешевый и доступный;
  • - не оказывать коррозионного воздействия на аппаратуру;
  • - коэффициент массопередачи должен быть достаточно высок.

В некоторых случаях при использовании дешёвого поглотителя его после десорбции сливают в канализацию, а на абсорбцию подают свежий поглотитель. Схемы с многократным использованием поглотителя (циклические процессы) используют значительно больше.

Типовая схема циклического процесса табсорбции с десорбцией глухим паром

Рис. 8.5. Типовая схема циклического процесса табсорбции с десорбцией глухим паром

Из абсорбера 1 раствор через теплообменник 3 поступает в десорбер 2 (рис. 8.5). Освобождённый от компонента раствор снова подают в абсорбер через тот же рекуперационный теплообменник 3 и холодильник 4. Выходящий из десорбера отогнанный компонент содержит пары поглотителя. Для освобождения от паров газ направляют в дефлегматор 5, где пары поглотителя конденсируются. Флегма содержит некоторое количество растворённого компонента, отделяется от газа в сепараторе 6 и воз-' вращается в десорбер. В этой схеме абсорбцию и десорбцию проводят при одинаковом давлении.

Если легколетучие органические вещества хорошо растворимы в воде, например, ацетон, то в качестве абсорбента используют воду, из которой выделяют ЛОВ на стадии десорбции путем простой перегонки. Для нерастворимых в воде ЛОВ, например, бензол, в качестве абсорбентов используют маловязкие масла, например, индустриальное масло. При поглощении масляным поглотителем ЛОВ. имеющем сравнительно высокую температуру кипения, выделяемый при десорбции компонент получают в жидком виде. Так как вода не смешивается с компонентом и абсорбентом, десорбцию ведут острым паром (рис. 8.6). Вытекающий из абсорбера 1 раствор абсорбента перед поступлением в десорбер 2 подогревают в дефлегматоре 3, теплообменнике 4 и подогревателе 5. Дополнительно в десорбер подают острый пар. Выходящие из десорбера пары направляют в дефлегматор 3. После отделения от воды в сепараторе 8 смесь водяного пара с парами бензола поступает в конденсатор 7. Не-сконденсированные газы отделяются от жидкой фазы бензола и воды в сепараторе 9. За счёт разности плотностей бензола и воды происходит расслоение двух жидкостей и бензол возвращается в цикл вместе с бензолом, поступающим из нижней части десорбера 2.

газ

Схема масляной абсорбции бензола

Рис. 8.6. Схема масляной абсорбции бензола

8.2.2.Z. Адсорбционные методы

В отличие от абсорбции непрерывного процесса, адсорбция -периодический процесс, поэтому его целесообразно вести при малых концентрациях ЛОВ в отходящих газах. Целевой компонент в газовоздушных выбросах - адсорбтив. Целевой компонент в адсорбированном состоянии - адсорбат.

При физической адсорбции поглощаемые молекулы газов и паров удерживаются в порах силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбции - химическими связями.

Различают адсорбенты синтетические и природные. Поры у адсорбента по размеру могут быть макро-, переходные (мезо-) и микропоры, последние являются определяющими.

Суммарный объём микропор составляет менее 0,5 см3/г. Размеры ограничены величиной эффективного радиуса Гэф=1,5-10*9 м и соизмеримы с радиусом адсорбируемых молекул. Характерной особенностью адсорбции в микропорах является заполнение их объёма адсорбируемыми молекулами.

Переходные поры имеют радиус 1,5-10’9 - 1,5-10'7 м. В них возможна слоевая моно- или полимолекулярная адсорбция, так как адсорбционные силы здесь не перекрывают весь объём пор из-за небольших полей их действия. Окончательное заполнение пор происходит по механизму молекулярной конденсации, вызываемой понижением давления пара над вогнутым под действием сил поверхностного натяжения мениском жидкости. Удельная поверхность переходных пор равна 10—400 м2/г.

Макропоры имеют эффективный радиус >210’7 м, удельную поверхность 0,5-2 м2/г и для них характерна ничтожная величина адсорбции на стенках. Капилярная конденсация отсутствует.

Макро- и переходные поры выполняют роль транспортных путей к микропорам и от них.

К наиболее используемым адсорбентам относятся: активированные угли. силикагели, алюмогели и цеолиты.

Активированные угли получают из древесного угля путем его прокаливания при t = 900 °C в струе водяного пара. Они гидрофобны, плохо сорбируют полярные вещества, в том числе воду. Объём микропор 0,24-0,48 см3/г при суммарном объёме пор 0,52-1,0 см3/г, плотность гранул - 0,3-0.6 г/см3. Недостатками активированных углей являются их невысокая механическая прочность и горючесть.

Значительный интерес для очистки газов от ЛОВ представляют активированные угли из полимерных материалов с радиусом пор (1-1,5)-10"9 м. Молекулярно-ситовые активированные угли имеют радиус пор (0,4-0,7)-10'9 м и содержат активированные углеродные волокна (диаметр волокон (0,6-1,01)-10‘5 м).

Силикагели - гидратированные аморфные кремнезёмы SiO2nH2O, превращение которых происходит по механизму поликонденсации:

nSi(OH)4 —* SinO2n.m + (2n-m)H2O (8. 3)

Поликонденсация приводит к формированию структурной сетки сфероподобных частиц коллоидных размеров (2 10'9-2 10‘8 м), сохраняющейся при высушивании гидрогеля кремниевой кислоты и образующей жесткий кремнекислородный каркас. Зазоры между частицами дают пористую структуру силикагеля. Выпускают силикагель в виде шариков, таблеток или гранул (0,1-7,0 мм). Подразделяют силикагели на крупно- (510'9 м), средне-(5-1,5-10‘9 м) и мелкопористые (1,5-1,0-10’9 м). Объём пор силикагелей 0,3-1,2 см3/г, удельная поверхность 300-750 м2/г. Силикагели служат для поглощения полярных веществ,в частности, при осушке газов. Мелкопористые силикагели используются для адсорбции легкоконденсируемых паров и газов. Крупнопористые и, частично, среднепористые - для адсорбции паров органических соединений. Силикагели негорючи, имеют низкую температуру регенерации (110-200 °C), прочны, разрушаются от капельной влаги.

Алюмогели представляют собой активный гидротирован-ный оксид алюминия Al2O.ynH2O, 0<п<0,6. Алюмогели получают прокаливанием различных гидроксидов алюминия. Их щелевидные или бутылкообразные поры образованы первичными кристаллическими частицами размером (3-8)-10’9 м. Алюмогели выпускают в виде цилиндрических гранул диаметром 2,5-5,0 мм; длиной 3-7 мм или шаров диаметром 3-4 мм. Удельная поверхность 170-220 м2/г, суммарный объём пор 0,6-1,0 см3/г, средний радиус пор (6-10)-10‘9 м и (3-4)-10'9 м. Алюмогели стойки к капельной влаге, их используют для улавливания полярных органических веществ и осушки газов.

Цеолиты или алюмосиликаты содержат оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов с порами, соизмеримыми с размерами молекул, что определило их название - «молекулярные сита». Общая формула Me2<nO-Al2O.ySiO2-yH2O, где Me - катион щелочного металла и-й валентности. Кристаллическая структура цеолита представляет собой алюмосиликатный скелет и образована 8Юд и AIO4. Их отрицательный заряд компенсирован положительным зарядом катионов соответствующих металлов.

Катионы цеолитов иногда могут замещаться на катионы контактирующих с ними растворов и использоваться как катионооб-менники.

На практике применяют, в основном, синтетические цеолиты NaA, СаА, СаХ с диаметром входного окна 4, 5, 8 и 9 А.

Процессы адсорбции проводят в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента или в аппаратах с движущимся слоем адсорбента.

В аппаратах с неподвижным слоем адсорбента регенерацию можно осуществлять продувкой горячим воздухом (3 стадии регенерации) или паром (4 стадии регенерации), т.е. адсорбция может быть 3-цикловая или 4-цикловая.

При 3-цикловой адсорбции воздух, выходящий после регенерации, содержит ЛОВ, его можно направить только на термическое разложение органического вещества.

При 4-цикловой адсорбции после конденсации пара получают воду с органическим веществом. Если ЛОВ нерастворим в воде, то его можно выделить отстаиванием, если ЛОВ растворим и его температура кипения отличается от температуры кипения воды, то ЛОВ можно выделить ректификацией и вернуть в производственный цикл.

На рис. 8.7 показан аппарат с неподвижным слоем адсорбента, цикл работы которого составляет 4 стадии:

  • - адсорбция - газовоздушный выброс подают через штуцер 7 и отводят через штуцер 3.
  • - десорбция - пар подают через штуцер 5, отводят пар через штуцер 6, а конденсат - через штуцер 4.
  • - сушка адсорбента - горячий воздух подаётся через штуцер 7 и выходит через ш гуцер 3.
  • - адсорбент охлаждается холодным воздухом через штуцер
  • 7 с выходом через штуцер 3.

8 > од газз на о чьлк'ку

Кокденсзлэ

Рис. 8.7. Схема адсорбции периодического действия с неподвижным слоем поглотителя

Включение в схему нескольких адсорберов создаёт условие для непрерывной работы системы очистки газов.

Недостатками данного процесса являются сложность управления и высокая материалоемкость установки.

Аппарат с движущимся слоем адсорбента показан на рис. 8.8. Колонна имеет вмонтируемый холодильник 8, подогреватель 6 и распределительные тарелки 2. Зернистый адсорбент перемещается сверху вниз. Скорость перемещения регулируется дозатором 5. Адсорбент вначале охлаждается в трубах холодильника 5, затем взаимодействует с газом, содержащим ЛОВ, поступающим через штуцер 7. Не поглощенная часть газа отводится через штуцер 1. Далее адсорбент нагревается в трубчатом подогревателе 6 десорбционной секции и, опускаясь, взаимодействует с вытесняющим острым водяным паром, который вводится через штуцер 4. Регенерированный адсорбент удаляется через дозатор 5. Продукты десорбции отводятся вместе с вытесняющим веществом через штуцер 3. Распределительные тарелки 2 препятствуют смешению парогазовых потоков адсорбционной и десорбционной секций.

j Адсорбент

Газ на

Выход воды

Вход охлажденной воды

Очищенный газ

:тку Выход

Пао 7 * продуктов

Вход острог~б пара

Конденсат

Адсорбент

Рис. 8.8. Адсорбер с движущимся зернистым адсорбентом

Аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента могут быть одноступенчатыми (рис. 8.9) и многоступенчатыми (рис. 8.10). В них адсорбент перемещается сверху вниз со ступени на ступень, а газ движется навстречу, снизу вверх. Хотя каждая ступень работает в режиме полного перемешивания, общее секционирование аппарата позволяет ему работать по схеме, близкой к полному вытеснению, т.е. наиболее полно использовать движущую силу процесса.

Адсорбер с псевдоожиженным слоем адсорбента

Рис 8.9. Адсорбер с псевдоожиженным слоем адсорбента: / - пылеотделяющее устройство; 2 - корпус;

3 - газораспределительная решетка

В аппаратах непрерывного действия с псевдоожиженным слоем (рис. 8.10 нагретый адсорбент после регенерации поступает из сепаратора - циклона 7 на две верхние ситчатые тарелки 2, где охлаждается отходящим очищенным газом. Далее адсорбент по перетокам спускается вниз на две нижние тарелки 3, где он поглощает целевые компоненты ЛОВ из газа, поступающего на очистку через штуцер 4. Ниже в десорбционной зоне насыщенный адсорбент движется по трубкам теплообменника 6, обогреваемым снаружи глухим паром, подаваемым через штуцер 10. Выделяемые адсорбированные компоненты выводятся через штуцер 5 в конденсатор. Для более полной десорбции через штуцер 7 может вводиться острый пар, поступающий далее в конденсатор. Через дозатор 8 зернистый адсорбент выводится из колонны и пневмотранспортом 9 направляется наверх в циклон 7.

Пар

I Газ

  • 1
  • -—- Очищенный газ

i

у/2

'73

. 4

У- Газ на очистку Отходящий пар

5 +/7OS

„,6

з —. Конденсат

  • 3
  • 4— Острый пар

''7

8

Газ

?J

Рис. 8.10. Адсорбер непрерывного действия с псевдоожиженным слоем на тарелках

Основное достоинство рассмотренного аппарата состоит в том, что он обладает непрерывным действием. Однако аппарат сложен в управлении и отходящий очищенный от ЛОВ газ может выносить твердые частицы адсорбента, которые измельчаются в процессе работы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >