Ветошкин А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

291

жуточных или конечных продуктов. Часто посредством конденсации улавливают

и возвращают в технологический процесс пары растворителей, удаляемых с по-

верхности изделий после нанесения функциональных, защитных и окрашиваю-

щих слоев. Иногда конденсацию применяют для извлечения из газового потока

ценных (дорогостоящих) или особо опасных веществ. При экономически и тех-

нически приемлемых параметрах рабочей среды можно перевести в конденси-

рованное состояние пары легкокипящих соединений (обычно используемых в

качестве растворителей) с концентрациями не ниже 5...10 г/м

. Конденсация бо-

лее разбавленных загрязнителей представляет технически сложную задачу и

требует значительных затрат.

Степень улавливания (глубина извлечения) загрязнителя зависит от

степени охлаждения и сжатия газовых выбросов. В производственных условиях

температуру и давление принимают такими, чтобы энергозатраты на конденса-

цию составляли незначительную долю общих затрат на технологию. Поэтому

степень извлечения даже дорогостоящих продуктов назначают невысокой, как

правило, в пределах 70...80%. По этой же причине использовать конденсацию

в качестве самостоятельного средства санитарной очистки (т.е. с глубиной из-

влечения до санитарных норм) неприемлемо.

В то же время конденсационная обработка может успешно применяться в

многоступенчатых схемах очистки выбросов. Существуют три направления в

области газоочистки, где конденсация не только полезна, но и необходима.

Это - предварительное осаждение основной массы паров загрязнителей пе-

ред адсорберами при высокой степени загрязнения выбросов;

- парциальное извлечение паров, содержащих соединения фосфора, мышь-

яка, тяжелых металлов, галогенов перед термообезвреживанием смеси загрязните-

лей;

- конденсация загрязнителей после химической обработки с целью перевода

в легкоконденсируемые соединения, например, после хемосорбционных аппаратов.

Конденсация может быть применена для обработки систем, содер-

жащих пары веществ при температурах, достаточно близких к их точке ро-

сы. Этот метод наиболее эффективен в случае углеводородов и других ор-

ганических соединений, имеющих достаточно высокие температуры кипе-

ния, при обычных условиях и присутствующих в

газовой фазе в относи-

тельно высоких концентрациях. Для удаления загрязнителей, имеющих

достаточно низкое давление пара при обычных температурах,

можно ис-

пользовать конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением. Для бо-

лее летучих растворителей возможна двухстадийная конденсация с ис-

пользованием водяного охлаждения на первой стадии и низкотемператур-

ного - на второй. Максимальное снижение содержания инертных или не-

конденсирующихся газов в обрабатываемой смеси позволяет облегчить

проведение процесса концентрации и повысить ее экономическую эффек

292

тивность, поскольку дает возможность исключить необходимость охлаж-

дения до очень низких температур, соответствующих точке росы.

Конденсация может быть применена для предварительной обработки

газов, при которой выделяются ценные растворители и уменьшается коли-

чество загрязнителей перед последующей стадией обработки. Парциальная

конденсация может найти применение в тех случаях, когда обрабатывае-

мый газ не выбрасывается

, а снова возвращается в процесс или использу-

ется в процессе дожигания. Предварительная обработка конденсацией це-

лесообразна в тех случаях, когда перед основной обработкой газовой поток

необходимо охладить, например, при осуществлении адсорбции.

При охлаждении многокомпонентной газовой смеси, содержащей

обычные неконденсирующиеся газы, охлаждение смеси сначала происхо-

дит за счет конвекции, а теплосодержание

передающей поверхности (стен-

ка трубы в поверхностном конденсаторе либо капля или пленка хладоаген-

та при непосредственном контакте) уменьшается до тех пор, пока газовая

фаза не насыщается одним или несколькими из ее конденсируемых компо-

нентов. При дополнительном охлаждении конденсируемые газы диффун-

дируют к теплопередающей поверхности, где происходит их конденсация

с выделением скрытой

теплоты. Начальная точка росы или температура

насыщения для каждого компонента может быть определена из кривой за-

висимости температуры от давления пара для данного компонента при из-

вестной величине его мольной доли в парах:

· P = (P

)

, (8.1)

где

– мольная доля компонента А в парах; Р – суммарное абсолютное

давление газа; (

)

– парциальное давление компонента А в парах.

Компонент

А начинает конденсироваться, когда температура газа

снижается до температуры, при которой компонент

А имеет давление пара

= (Р

)

После начала конденсации температура газа будет понижаться толь-

ко по мере отвода соответствующего количества тепла и скрытой теплоты,

вследствие которого в процессе снижения температуры газ будет оставать-

ся насыщенным компонентом

А.

Поскольку пары вещества

А должны диффундировать к теплопере-

дающей поверхности, процесс контролируется тепло- и массапереносом. В

системе, содержащей другие конденсирующиеся компоненты (

В, С и т.д.),

каждый из этих компонентов начнет конденсироваться тогда, когда газ

станет насыщен этим компонентом, и для него будет выполняться соотно-

шение парциальных давлений, аналогичное

= (Р

)

Для определения температуры, до которой нужно охладить газ, что-

бы достичь после обработки требуемое содержание компонента

А, исполь-

зуются следующие уравнения:

293

)

= (y

)

; (y

)

·Р = (Р

)

, (8.2)

где (

)

- допустимая объемная доля компонента А в газовых выбросах;

(

)

- допустимая мольная доля компонента А в выбросах; Р - абсолютное

парциальное давление газа; (

)

- допустимое давление пара компонента .

Необходимая температура газа представляет собой температуру, при

которой давление пара компонента

А равно величине (Р

)

на кривой дав-

ления пара. В присутствии нескольких компонентов улавливание осущест-

вляется по компоненту, требующему наиболее низкой температуры.

8.2. Высокотемпературное обезвреживание газов

Очистка промышленных газообразных выбросов, содержащих ток-

сичные вещества, в настоящее время является непременным требованием

во всех производствах.

Помимо механических, физико-химических и химических методов

очистки газов широко применяют термические методы.

Методы сжигания вредных примесей, способных окисляться, нахо-

дят все большее применение для очистки дренажных и вентиляционных

выбросов. Эти методы выгодно отличаются

от других (например, мокрой

очистки в скрубберах) более высокой степенью очистки, отсутствием в

большинстве случаев коррозионных сред и исключением сточных вод. Как

правило, примеси сжигают в камерных топках с использованием газооб-

разного или жидкого топлива. Иногда на практике представляется возмож-

ным окислять органические вещества, находящиеся в газовых выбросах, на

поверхности

катализатора, что дает возможность понизить температуру

процесса.

Химические реакции между ингредиентами газовых выбросов, кото-

рые в обычных условиях практически незаметны, значительно ускоряются

с повышением температуры. Система, содержащая токсичные вещества,

может быть обезврежена посредством термообработки, если реакции, про-

исходящие в ней, приведут к образованию менее токсичных компонентов.

Из всех

термоокислительных процессов для термообезвреживания

пригодны исключительно реакции с кислородом, поскольку при участии

иных окислителей принципиально невозможно получить безвредные про-

дукты окисления. Поэтому далее под термином "окисление" подразумева-

ется процесс, окислителем в котором служит кислород.

Газофазный процесс осуществляют непосредственной огневой обра-

боткой (сжиганием в пламени) газовых выбросов при температурах, пре-

вышающих температуру воспламенения горючих компонентов выбросов.

Огневой обработкой, как и термокаталитическим окислением, прин-

ципиально возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не

содержат каких-либо других элементов, кроме водорода Н

, углерода С и

кислорода О. Это следующие химические соединения: водород

оксид

294

углерода СО, углеводороды C

и кислородные производные углеводо-

родов C

. Посредством сжигания возможно обезвреживание пере-

численных веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях, дис-

пергированных или компактных, а посредством термокаталитического

окисления - только в газообразном. Термокатализ неприемлем и для обра-

ботки газов (паров) высокомолекулярных и высококипящих соединений,

которые, плохо испаряясь с катализатора, коксуются и "отравляют" его,

т.е. заполняют активную поверхность

сажистыми продуктами неполного

окисления.

Загрязнители, содержащие какие-либо элементы, кроме Н, С и О -

серу S, фосфор Р, галогены, металлы и др., нельзя подавать на термоокис-

лительную обработку, так как продукты сгорания будут содержать высо-

котоксичные соединения. В реальных условиях и при сжигании чисто ор-

ганических соединений не удается обеспечить абсолютно полное

окисле-

ние исходных компонентов до практически безвредных углекислого газа

СО

и паров воды Н

O. В дымовых газах всегда присутствуют оксид угле-

рода СО и другие продукты химического недожога (неполного окисления).

Кроме того, при повышенных температурах заметно ускоряется реакция

окисления азота, который поступает в зону горения с топливом и возду-

хом. Некоторые оксиды азота оказывают вредное воздействие на организм

человека и окружающую среду.

Методы прямого

сжигания применяют для обезвреживания газов от

легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей. Их пре-

имуществами являются относительная простота аппаратурного оформле-

ния и универсальность использования, т.к. на работу термических нейтра-

лизаторов мало влияет состав обрабатываемых газов.

Суть высокотемпературной очистки газов заключается в окислении

обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы практически

для обезвреживания любых паров и газов, продукты сжигания которых

менее токсичны, чем исходные вещества. Прямое сжигание используют в

тех случаях, когда концентрация горючих веществах в отходящих газах не

выходит за пределы воспламенения.

При обработке горючих газов для разрушения токсичных органиче-

ских веществ может быть использовано дожигание, однако применение

этого метода

затруднено тем, что концентрация органических примесей,

распределенных в большом объеме воздуха, очень низка.

Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термиче-

ского окисления углеводородных компонентов до СО

и Н

О. В ходе про-

цесса дожигания другие компоненты газовой смеси, например, галоген- и

серосодержащие органические соединения, также претерпевают химиче-

295

ские изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извле-

каться из газовых потоков.

Для того, чтобы нагреть такие большие количества воздуха до тем-

ператур, при которых проводится дожигание, расходуется очень большое

количество энергии. Экономичность процесса дожигания может быть зна-

чительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию загряз-

нений перед дожиганием. Обрабатываемые

газы пропускают через слой

адсорбента, а насыщенный адсорбент продувают воздухом, который затем

поступает на дожигание. Такой метод позволяет повысить концентрацию

загрязнителя в 40 раз.

Большое распространение для уничтожения токсичных веществ в

отходящих газах получили установки факельного сжигания. К факельным

установкам предъявляются высокие требования в отношении обеспечения

безопасной и надежной работы в

условиях пожаро- и взрывоопасности хи-

мических производств.

8.3. Термические процессы обработки сточных вод

Термическими методами обезвреживаются сточные воды, содержа-

щие минеральные соли кальция, магния, натрия и др., а также органиче-

ские вещества. Такие сточные воды могут быть обезврежены:

- концентрированием сточных вод с последующем выделением рас-

творенных веществ;

- окислением органических веществ в присутствии катализатора;

- жидкофазным окислением органических веществ;

- огневым обезвреживанием.

8.3.1. Концентрирование растворов сточных вод

Этот метод в основном используют для обезвреживания минераль-

ных сточных вод.

Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой

воды, пригодной для оборотного водоснабжения. Процесс разделения ми-

неральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия

концентрирования и стадия выделения сухих веществ.

Концентрирование сточных вод может быть проведена испарением

(выпариванием), вымораживанием и кристаллизацией.

Выпаривание является энергоемким процессом. Энергия, затрачи-

ваемая на выпаривание, складывается из энергии на нагрев сточной воды

от начальной температуры до температуры испарения; на деформирование

и перенос центров парообразования; на работу, затраченную на разделение

растворителя и раствора; на формирование поверхностных паровых пузы-

рей при испарении; на преодоление сил давления при формировании пузы-

рей; на преодоление пузырем границы раздела фаз и на транспортирование

паровых пузырей до границы раздела фаз.

296

При расчете энергетических затрат учитывают энергию, затрачен-

ную на испарение

r, и на работу разделения раствора и растворителя l

, т.к.

остальные составляющие невелеки:

q = r + l

. (8.3)

Поскольку при выпаривании с кристаллизацией теплота кристалли-

зации

кр

, то затраты энергии на выпаривание будут

∗

= q – r

кр

. (8.4)

При выпаривании низкоконцентрированных растворов с кристалли-

зацией значение

кр

мало, поэтому затраты энергии на выпаривание соста-

вят

q = r – r

кр

. (8.5)

Процесс вымораживания заключается в том, что при температуре

ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного

льда, а раствор с растворенными в нем солями размещается в ячейках ме-

жду этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда ниже

температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации раство-

ренных солей. Для исключения образования мелких кристаллов

и отделе-

ния межкристаллитного рассола процесс вымораживания проводят при

режимах медленного переохлаждения.

Разность между температурой замерзания чистого растворителя

раствора

∗

называют понижением температуры замерзания раствора Δt

= t

∗

– t

. (8.6)

Понижение температуры замерзания для разбавленных растворов

неэлектролитов пропорционально концентрации раствора:

= k

m, (8.7)

где

k – криоскопическая константа растворителя, зависящая только от при-

роды растворителя (но не растворенного вещества), для воды

k = 1,85; m –

молярная концентрация.

Вымораживание можно проводить под вакуумом или при помощи

специального холодильного агрегата.

Наиболее распространенными хладоагентами являются аммиак, ди-

оксид углерода, бутан, пропан, изобутан, хладоны (ССl

, ССl

F, ССlF

) и

их оксиды.

8.3.2. Термоокислительное обезвреживание сточных вод

По теплотворной способности промышленные стоки делят на сточ-

ные воды способные гореть самостоятельно, и на воды, для обезврежива-

ния которых необходимо добавлять топливо. Эти сточные воды имеют эн-

тальпию ниже 8400 кДж/кг (2000 ккал/кг).

При использовании термоокислительного метода все органические

вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислоро-

дом воздуха при высоких

температурах до нетоксичных соединений. К

297

этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазно-

го каталитического окисления и пламенный или «огневой» метод

. Выбор

метода зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способ-

ности, экономичности процесса и требований, предъявляемых к очищен-

ным водам.

Метод жидкофазного окисления. Этот метод очистки основан на

окислении органических веществ, растворенных в воде, кислородом при

температурах 100…350

С и давлениях 2…28 МПа. При высоких давлени-

ях растворимость в воде кислорода значительно возрастает, что способст-

вует ускорению процесса окисления органических веществ. Эффектив-

ность процесса окисления увеличивается с повышением температуры. Ле-

тучие вещества окисляются в основном в парогазовой фазе, а нелетучие – в

жидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в воде

экономичность процесса жидкофазного окисления возрастает.

Метод начинают использовать для очистки сточных вод в химиче-

ской, нефтеперерабатывающей, целлюлознобумажной, фармацевтической

и других отраслях промышленности.

Метод парофазного каталитического окисления. В основе метода

находится гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха

при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в

сточных водах. Процесс протекает интенсивно в паровой фазе в присутст-

вии медно-хромового, цинк-хромового, медно-марганцевого или другого

катализатора. Основной недостаток метода – возможность отравления ка-

тализаторов соединениями фосфора, фтора, серы. Поэтому необходимо

предварительное удаление каталитических ядов из сточных вод.

Достоинства метода: возможность очистки большого объема сточ-

ных вод без предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах

окисления вредных органических веществ; возможность комбинирования с

другими методами; безопасность в работе.

Недостатки метода: неполное окисление некоторых органических

веществ; высокая коррозия оборудования в кислых средах.

Огневой метод. Этот метод обезвреживания сточных вод является

наиболее эффективным и универсальным из термических методов. Сущ-

ность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в то-

почные газы, нагретые до 900…1000

С. При этом вода полностью испаря-

ется, а органические примеси сгорают.

Огневой метод применяют для обезвреживания сточных вод, содер-

жащих только минеральные вещества. Метод может быть использован

также для обезвреживания небольшого объема сточных вод, содержащих

высокотоксичные органические вещества, очистка от которых другими ме-

тодами невозможна или неэффективна. Кроме того, огневой метод

целесо-

298

образен, если имеются горючие отходы, которые можно использовать как

топливо.

В процессе обезвреживания сточных вод различного состава могут

образовываться оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов (CaO,

MgO, BaO, K

O, Na

O и др.). При диссоциации хлоридов в дымовых газах

содержится хлор и хлороводород. Органические соединения, содержащие

серу, фосфор, галогены, могут образовывать SO

, SO

, P

, HCl, Cl

и др.

Присутствие этих веществ в дымовых газах нежелательно, т.к. это вызыва-

ет коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содержащих нитросоединения,

могут выделяться оксиды азота. Между этими соединениями происходят

взаимодействия с образованием новых соединений, в том числе и токсич-

ных.

Для огневого метода обезвреживания используют различные печи.

Процесс проводят при

температуре 800…890

С.

8.4. Термические процессы обработки отходов

8.4.1. Термическое обезвреживание минерализованных стоков

Минерализованные отходы широко распространены в химических

производствах, теплоэнергетике и других отраслях промышленности.

Наиболее распространенными методами, позволяющими обезврежи-

вать минерализованные стоки являются термические. Здесь возможны сле-

дующие направления:

- значительное уменьшение объемов стоков при их предельном кон-

центрировании и хранение этих растворов в искусственных или естествен-

ных хранилищах;

- выделение из стоков солей

и других ценных веществ и применение

опресненной воды для нужд промышленности и сельского хозяйства.

Процесс разделения воды и минеральных веществ может осуществ-

ляться в две стадии:

концентрированно исходного раствора и выделение из

него сухого остатка

. Если осуществляется первая стадия, то концентриро-

ванный раствор направляется на дальнейшую переработку или, в крайнем

случае, на захоронение. Можно подавать сточные воды, минуя стадию

концентрирования, непосредственно на выделение из них сухих веществ,

например, в распылительную сушилку или в камеру сжигания, например

циклонный реактор.

На первой стадии применяют выпарные установки различных

типов:

поверхностные, контактные, холодильные концентраторы. На второй ста-

дии - сушилки, печи и кристаллизаторы.

Концентрирование растворов может осуществляться в испаритель-

ных, вымораживающих, кристаллогидратных установках непрерывного и

периодического действия.

299

В испарительных установках концентрация раствора повышается

вследствие удаления паров раствора при испарении жидкости. Эти уста-

новки наиболее распространены в технике концентрирования растворов.

Они подразделяются на выпарные установки, в которых кипение осущест-

вляется на поверхности нагрева или в вынесенной зоне, и установки адиа-

батного испарения, в которых испарение перегретой жидкости происходит

в адиабатной камере.

Испарительные установки можно условно подразде-

лить на установки, в которых раствор контактирует с поверхностью нагре-

ва, и установки, в которых раствор не контактирует с поверхностью нагре-

ва. В установках первого типа образуются отложения солей с соответст-

вующим снижением плотности теплового потока и производительности

установок. Это обусловливает периодические остановки агрегатов для

очистки

поверхностей нагрева, что снижает технико-экономические пока-

затели и усложняет их эксплуатацию. Степень концентрирования раствора

в них существенно ограничена из-за резкого увеличения отложений с рос-

том концентрации раствора. Для улучшения условий работы приходится

применять специальные меры по снижению отложений.

В установках второго типа тепло передается промежуточному гид-

рофобному жидкому,

твердому или газовому теплоносителю, который за-

тем при непосредственном контакте нагревает или испаряет раствор. На-

гретый раствор подается в камеры адиабатного испарения. Степень кон-

центрирования раствора в таких установках существенно повышается, так

как опасность отложений на поверхностях нагрева практически исключа-

ется.

В установках, использующих

методы вымораживания, концентри-

рование минерализованных стоков основано на том, что количество солей

в кристаллах льда значительно меньше, чем в растворе, и образуется пре-

сный лед. Вследствие этого по мере образования льда концентрация солей

в растворе повышается. Концентрированно минерализованных вод можно

также осуществить двумя способами: вымораживанием при испарении под

вакуумом либо замораживанием с помощью

специального холодильного

агента.

кристаллогидратных установках концентрирование сточных вод

основано на способности некоторых веществ (фреоны, хлор и др.) при оп-

ределенных условиях образовывать кристаллогидраты. При этом молекулы

воды переходят в кристаллогидраты, а концентрация растворов повышает-

ся. При плавлении кристаллов вновь выделяется вода, которая является

гидратообразующим агентом. Процесс гидратообразования может проис-

ходить при температуре ниже и выше

окружающей среды. В первом слу-

чае, как правило, необходимо применение холодильных установок, а во

300

втором случае кристаллогидратная установка может использовать низко-

потенциальное тепло.

Холодильные и кристаллогидратные методы опреснения и концен-

трирования минерализированных стоков применяются еще сравнительно

редко, но в силу своих положительных качеств могут найти в будущем

широкое применение.