СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1.АДСОРБЦИЯ ПАРОВ ЛЕТУЧИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
1.1 Улавливание паров
1.2 Адсорберы вертикального типа
1.3 Трехфазный цикл
1.4 Комбинированные методыулавливания паров летучих растворителей
2.ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ АДСОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
2.1 Адсорбционно-каталитическийфильтр
2.2 Проточно-каталитический фильтр
2.3 Криогенные адсорбционно-каталитические устройства Литература
Введение
Тема реферата «Адсорбцияпаров летучих растворителей. Примеры конструкций адсорбционно-каталитическихаппаратов» по дисциплине «Технология очистки и утилизации газовых выбросов».
Рекуперация органическихрастворителей имеет как экономическое, так и экологическое значение, посколькупотери их с выбросными газами составляют 600—800 тыс. т/год. Выбросы пароврастворителей происходят при их хранении и при использовании в технологическихпроцессах. Для их рекуперации наибольшее распространение получили методыадсорбции.
1.АДСОРБЦИЯ ПАРОВ ЛЕТУЧИХРАСТВОРИТЕЛЕЙ
1.1 Улавливание паров
Улавливание пароввозможно любыми мелкопористыми адсорбентами: активными углями, силикагелями,алюмогелями, цеолитами, пористыми стеклами и т. п. Однако активные угли,являющиеся гидрофобными адсорбентами наиболее предпочтительны для решения этойзадачи: при относительной влажности очищаемых паровоздушных или парогазовыхпотоков до 50% влага практически не влияет на сорбируемость паров органическихрастворителей. Рентабельность адсорбционных установок с использованием активныхуглей зависит от концентрации в очищаемых газах паров летучих органическихрастворителей. Наименьшие концентрации (С) растворителей в очищаемом воздухе,при которых обеспечивается рентабельность рекуперационных установок, приведеныниже:Растворитель С, г/м3 Растворитель С, г/м3
Ацетон
Бензин
Бензол
Бутилацетат
Ксилол
Метилацетат
3,0
2,0
2,0
1,5
2,1
2,1
Метиленхлорид
Сероуглерод
Тетрахлоруглерод
Толуол
Трихлорэтилен
Этиловый спирт
2,0
6,0
4,5
2,0
1,8
1,8
Поглощение паров летучихрастворителей можно проводить в стационарных (неподвижных), кипящих и плотныхдвижущихся слоях поглотителя, однако в производственной практике наиболеераспространенными являются рекуперационные установки со стационарным слоемадсорбента, размещаемым в вертикальных, горизонтальных или кольцевыхадсорберах.
1.2 Адсорберы вертикального типа
Адсорберы вертикальноготипа обычно используют при небольших потоках подлежащих очистке паровоздушных(парогазовых) смесей, горизонтальные и кольцевые аппараты служат, как правило,для обработки таких смесей при высоких (десятки и сотни тысяч кубометров в час)скоростях потоков, Рекуперационные установки с адсорберами периодическогодействия (со стационарным слоем адсорбента) работают по трем технологическимциклам: четырех-, трех- и двухфазному.
Четырехфазный циклвключает последовательно фазы адсорбции, десорбции, сушки и охлаждения.Адсорбцию проводят на активных углях. При десорбции из насыщенного адсорбентаострым паром удаляют адсорбированный растворитель. При сушке нагретым воздухомиз адсорбента вытесняют влагу, накапливающуюся в нем в фазе десорбции приконденсации части острого пара. Нагретый и обезвоженный поглотитель охлаждаютатмосферным воздухом.
1.3 Трехфазный цикл
Трехфазный цикл имеетотличие от четырехфазного в том, что исключается одна из последних фазчетырехфазного цикла, например процесс охлаждения адсорбента каксамостоятельная фаза: слой поглотителя охлаждают при адсорбции отработанным(очищенным от паров растворителя) воздухом. Может исключаться и фаза сушки. Вэтом варианте после адсорбции производят нагрев насыщенного адсорбента горячиминертным газом с отводом паровой смеси в конденсатор. Такой процесс десорбциизавершают затем продувкой слоя угля водяным паром. В последующей фазеохлаждения поглотитель обрабатывают холодным воздухом. Фазу сушки каксамостоятельную стадию обычно исключают, если после десорбции адсорбент имеет относительнонизкую влажность. В этом случае в фазе охлаждения достигается полнаярегенерация адсорбента.
Двухфазный цикл включаетдве стадии (операции): адсорбцию и десорбцию. При этом процесс адсорбции совмещаютс сушкой и охлаждением поглотителя. С этой целью определенное времяпаровоздушную смесь подают в слой в нагретом состоянии (50—60 °С), а затем безподогрева, либо в течение всей фазы адсорбции паровоздушную смесь подают в слойпри одинаковой температуре (до 35°С).
Выбор того или иногоцикла работы рекуперационной установки определяется характером подлежащихулавливанию растворителей, их содержанием в исходной паровоздушной смеси,особенностями и технико-экономическими возможностями производства, в технологиикоторого происходит образование паров летучих растворителей. Считают, что приотносительно высоких концентрациях паров летучих растворителей в паровоздушныхсмесях (до 50% нижнего концентрационного предела взрываемости) рациональноиспользовать четырехфазный цикл, в случае средних и малых концентраций (2—3г/м3) целесообразнее применять трехфазный цикл (с исключением фазы охлаждения).Двухфазный цикл с адсорбцией паров из паровоздушной смеси при одинаковойтемпературе (до 35°С) может быть принят для рекуперации несмешивающихся с водойрастворителей, а двухфазный цикл с подогревом паровоздушной смеси до 50—60 °Снерационален в связи с работой поглотителя в этих условиях с пониженнойактивностью.
С целью гарантированиянепрерывности рекуперационного процесса установка улавливания паров летучихрастворителей должна включать как минимум два адсорбера периодического действия(обычно их число составляет от 3 до 6 и более).
Во избежание потерьрастворителей с прошедшими очистку (отработанными, выхлопными) потоками процессадсорбции можно проводить путем передачи паровоздушной смеси, прошедшейосновной адсорбер, в последовательно включаемый дополнительный адсорбер. В этомслучае каждый из этих двух адсорберов последовательно играет роль головного илихвостового аппарата. Такой прием несколько увеличивает расходы на транспорт паровоздушнойсмеси, но в ряде случаев окупается снижением потерь улавливаемых растворителей.
Периодичностьпереключения адсорберов рекуперационной установки на ту или иную фазутехнологического цикла определяется графиком ее работы.
Развитие адсорбционногометода рекуперации паров летучих растворителей в мировой практике идет восновном по двум направлениям. Одно из них связано с аппаратурным оформлениемрекуперационных установок, другое—с углеродными поглотителями паров летучихрастворителей.
В последнее время большоевнимание уделяется непрерывно-действующим установкам с движущимся плотным ипсевдоожиженным слоем адсорбента. К преимуществам таких установок относятдостаточно высокие скорости обрабатываемых потоков, обусловливающиекомпактность оборудования; высокий коэффициент использования адсорбентов;отсутствие энергозатрат на периодическое нагревание и охлаждение одного и тогоже аппарата; возможность сравнительно простой и полной автоматизации и простотуобслуживания.
Описан ряд оригинальныхрешении, касающихся конструктивных особенностей адсорбционной аппаратуры. Вчастности, предложены различные варианты изготовления адсорбера в видевращающегося барабана, снабженного перегородками, делящими его на секции.Последние заполнены активным углем и при вращении барабана последовательнопроходят зоны адсорбции и регенерации, обеспечивая непрерывность процесса.Имеется ряд конструкций, в которых используется гранулированный активный угольв виде тонкого слоя, размещаемого между двумя полотнами эластичного гибкого ипористого материала (например, полиуретана). Поперечное по отношению к газовомупотоку перемещение «ленты-сэндвича» обеспечивает непрерывность процессаочистки. Имеются и другие конструктивные решения адсорберов.
Большое внимание впоследние годы уделяется и углеродным материалам-поглотителям: расширяется ихсырьевая база,.ведутся работы, преследующие своей целью получениевысокоактивных и износостойких гранулированных активных углей, широкоисследуются и уже находят практическое применение в промышленности различныетканые и нетканые материалы на основе углеродных активных волокон, напримерустановки с фильтрами, основу которых составляет активное угольное волокно,получаемое на базе целлюлозных волокон.
Преимуществаиспользования активных углеродных волокон перед гранулированными активнымиуглями состоят в возможности обеспечения повышенной степени рекуперациирастворителей (обычно выше 99%); существенном снижении потерь растворителей,связанных с термическим разложением последних в присутствии углеродныхадсорбентов, и, как следствие, повышении количества рекуперата; применимостидля рекуперации полимеризующихся мономеров и растворителей с высокойтемпературой кипения; пониженной пожаро- и взрывоопасности; компактностиадсорбционной аппаратуры даже с неподвижным слоем активных углеродных волокон.
Для осуществлениянепрерывного процесса предложены адсорберы, в которых полотно ткани движется перпендикулярнодвижению газа. Ткань сматывается в рулон, что обеспечивает возможность еепериодической регенерации с. получением концентрированного потока десорбата.Эти же цели могут быть достигнуты и при использовании адсорбера, снабжаемогорасполагаемыми в несколько параллельных рядов вертикальными полотнищами,состоящими из активного углеродного и другого, более прочного волокна. Череззазоры между их поверхностями пропускают парогазовую смесь (адсорбционнаяспособность ткани из активного углеродного волокна не зависит от направленияочищаемого парогазового потока).
1.4 Комбинированные методы улавливания паровлетучих растворителей
Разновидностикомбинированного метода улавливания паров летучих растворителей весьмамногообразны. Например, в соответствии с одним из его вариантов улавливаниепроводят компримированием паровоздушной смеси до небольшого давления споследующим ее пропусканием вначале через абсорбер, орошаемый растворителем,пары которого улавливают (при этом из паровоздушной смеси поглощается большаячасть рекуперируемого растворителя), а затем через абсорбер, в котором вкачестве поглотителя остаточного количества паров используют тяжелыеуглеводороды. В соответствии с еще одним из вариантов для удаления пароврастворителей из их смесей с воздухом или газами поток паровоздушной (парогазовой)смеси контактируют с водной суспензией, получаемой введением в водный раствордо 25% порошкового активного угля с размером зерен до 100 мкм.
2.ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙАДСОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
2.1 Адсорбционно-каталитический фильтр
На рис. 1 показана схемаадсорбционно-каталитического фильтра для обезвреживания некоторых токсичныхорганических веществ (аминов, гидразина и его производных). Шихта представляетсобой алюмосиликатный меднохромовый адсорбент-катализатор. Масса шихты ваппарате 50 кг, что позволяет задерживать в зависимости от условий фильтрации5-10 кг токсичных веществ, например, метилового спирта, формальдегида и др.;максимальная температура при окислении кислородом воздуха достигает 530 °С.Фильтр представляет собой корпус 14 с коаксиально размещенной в нем кассетой3,, содержащей центральный вводной перфорированный трубопровод 8, которыйсоединен с газоподводящим трубопроводом 7, имеющем на наружной поверхностипрорези 10, охватываемые металлической сеткой 6. На образующей 17цилиндрической кассеты 3 выполнены отверстия 16, армированные металлическойсеткой 13. Газоотводящий трубопровод 12 размещен в донной части корпуса 14.Корпус 14 защищен теплоизолирующим слоем 2 и имеет съемный кожух 1. В верхнейчасти фильтра находится штуцер 5 для засыпки или ссыпкиадсорбента-катализатора. Кассета 3 монтируется съемной относительно корпуса 14.
На стадий адсорбцииобезвреживаемый газ по центральному перфорированному трубопроводу 8 черезпрорези 10 поступает в слой адсорбента-катализатора цилиндрической кассеты 3 иочищается от вредных примесей. Ферма центрального перфорированного трубопровода8 с прорезями 10 и кольцевое расположение адсорбента обеспечивают максимальнуюподачу газа при больших его скоростях и эффективную стадию адсорбции, так какскорость газа между зернами все время убывает и через отверстия 16 очищаемыйгаз уходит с минимальной скоростью.
Стадия регенерации шихтыадсорбционно-каталитического фильтра осуществляется подачей по газоподводящемутрубопроводу 7 окислительного (либо восстановительного) газа, который, реагируяс сорбированным токсичным веществом, восстанавливает сорбционную емкостьфильтра.
/>
Рис. 1.Адсорбционно-каталитический фильтр:
1 — кожух; 2 — теплоизоляция; 3 — кассета; 4 — адсорбент-катализатор; 5 — штуцер для засыпки шихты; 6 — металлическая сетка; 7 — газоподводящий трубопровод; 8 — перфорированныйтрубопровод; 9 -крышка кожуха; 10 — прорези; 11 — заглушка; 12 — выходной трубопровод;13 — металлическая сетка; 14 — корпус; 15 — внешняя поверхность кассеты; 16 — отверстия; 17 — образующая кассеты
адсорберлетучий растворитель
Повышение температурышихты во время регенерации вызывает частичную, около 1-3%, десорбцию токсичноговещества и вынос его из фильтра. Поэтому установки с подобными фильтрамиснабжают дополнительным проточно-каталитическим фильтром, на которомдоокисляются вынесенные из адсорбционно-каталитического фильтра токсичныевещества.
На рис. 2 показана схематакого дополнительного проточно-каталитического фильтра, обеспечивающегодоочистку газовых сред, выходящих из адсорбционно-каталитического аппарата. Шихтаэтого фильтра также представляет собой алюмосиликатный медно-хромовыйадсорбент-катализатор, но его масса на порядок меньше, чем масса шихтыосновного аппарата. Конфузорная 11, цилиндрическая 7 и дифузорная 9 части аппаратаразделены сетками 1. На электроизоляции 5 корпуса 2, ограниченного снаружигерметичной камерой 6 с теплоизоляцией 12, имеется устройство 10 для подогревашихты, например электронагревательная спираль 8. Кроме того, в конфузорнойчасти 11 имеется распределительное газовое устройство 3, соединенное сгазоподводящим трубопроводом 4.
2.2 Проточно-каталитический фильтр
Проточно-каталитическийфильтр включается на стадии регенерации при подаче в него продуктов десорбции(гетерогенно-каталитического окисления) с адсорбционно-каталитическогоаппарата. Регенерация начинается после включения нагревательного устройства 10для подогрева слоя шихты 7 адсорбента катализатора до 400-500 °С. Десорбируемыепродукты проходят через нагретые слои шихты и совместно с подающим черезустройство 3 окислительным газом доразлагаются на безвредные вещества, которыевыбрасываются в атмосферу.
Для повышенияэффективности процесса адсорбции и регенерации разработан аппарат, в которомутилизируется тепло отходящего газа и увеличивается степень очистки газов. Ваппарате совмещены два фильтра: адсорбционно-каталитический ипроточно-каталитический (рис. 3). Такой аппарат содержит герметичный корпус 1,слой адсорбента-катализатора 2, патрубки входа 11 и выхода газа 7.
В центральной частикорпуса 1 размещена цилиндрическая перегородка и кассета со слоемадсорбента-катализатора 2, Перегородка снабжена тепловыми ребрами 9 и 10 с чередующимисяотверстиями 6. В нижней части слоя катализатора установлен сетчатый фильтр 14.Перегородка в верхней части размещена с зазором так, что образуется канал 4 дляпрохода газа. В нижней части корпуса размещен дополнительный патрубок 13 длявыхода газа при адсорбции. Кроме того, над крышкой 5 установлена емкость 8 до засыпки(ссыпки) адсорбента-катализатора.
Таких аппаратов в системеочистки газов можно установить несколько в зависимости от расхода дренажныхгазов. Аппараты размещают либо параллельно, либо последовательно.
Аппарат работаетследующим образом. По патрубку 11 поступают отходящие газы, содержащиеорганические вещества, например метиловый спирт. При этом патрубок 7 для выходагаза закрыт, а дополнительный патрубок 13 открыт. Отходящие газы проходят черезслой адсорбента 2 и выбрасываются через дополнительный патрубок 13 в атмосферу.При регистрации индикатором, размещенным в дополнительном патрубке 13, паровметилового спирта прекращают подачу дренажных газов и закрывают патрубок 13.
После этого устройствоработает в режиме регенерации. По патрубку 11 поступает окислительный газ(кислород или воздух).
/>
Рис. 2.Проточно-каталитический фильтр;
1 — сетка; 2 — корпус; 3 — распределительное газовое устройство;
4 — газоподводящийтрубопровод; 5 -электроизоляция; б — герметичная камера; 7 — цилиндрическаячасть; 8 — электронагревательная спираль;
9 — дифузорная часть; 10- устройство для подогрева; 11 — конфузорная часть; 12 — теплоизоляция
/>
Рис. 3. Совмещенныйадсорбционно-каталитический аппарат:
1 — корпус; 2 — адсорбент-катализатор; 3- каталитический фильтр;
4 — канал; 5 — крышка; 6- отверстия; 7 — патрубок выхода; 8 — емкость;
9, 10 – тепловые ребра;11 — входной патрубок; 12 — перегородка;
13 — дополнительныйпатрубок; 14 — сетчатый фильтр
В адсорбенте-катализаторе2 происходит гетерогенное окисление метилового спирта с выделением тепла,которое нагревает входящую в канал 4 смесь. Нагретая смесь обтекает тепловыеребра 10 и через отверстия 6 заворачивается к поверхности перегородки 12. Приэтом наружная поверхность перегородки разогревается, а вследствие этогоразогревается и шихта фильтра 3, на котором происходит доочистка десорбируемыхв адсорбенте-катализаторе неразложившихся веществ. Очищенный газ выходит в атмосферучерез патрубок 7. При регенерации часть адсорбента-катализатора вырабатываетсяи пополняется из емкости 8.
2.3Криогенные адсорбционно-каталитические устройства
Для удаления остатковтоксичных веществ из емкостей, имеющих один подводящий патрубок, можнорекомендовать адсорбционные вакуумные насосы. Такие насосы служат для удалениягазов из замкнутого объема методом криоскопического откачивания.Криоскопическое откачивание основано на использовании активного адсорбента,который охлаждается до установленной низкой температуры в криогенной области(ниже 100 К) с тем, чтобы удалить остатки веществ и газы из емкости.
На рис. 4 показанадсорбционный вакуумный насос, обеспечивающий вакуум в емкости и удалениетоксичных веществ. В корпусе 1 коаксиально установлены кассеты 2 с адсорбентом.Корпус 1 имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием вниз, аучасток входного патрубка 3, расположенный внутри кассеты 2, размещен по осипоследнего и имеет прорези 4 переменной ширины, увеличивающиеся книзу, чтообеспечивает равномерное насыщение-адсорбента.
Несколько инымтехническим решением отличается адсорбционный насос, показанный на рис. 5. Вкорпусе 1 насоса коаксиально расположен цилиндрический сосуд 2 с хладагентом,на наружной поверхности которого размещены адсорбент-катализатор 3, и размещенакассета 5. Для подвода регенерирующего газа служит патрубок 4. Цилиндрическийсосуд имеет продольные П-образные выступы 7, между которыми в стенке сосуданаходятся продольные каналы 6, сообщенные с патрубком 4 для подвода регенерирующегогаза и открытые со стороны наружной поверхности сосуда 2.
Насос работает следующимобразом.
Газ из откачиваемогообъема (емкости) поступает в полость корпуса 1, где поглощаетсяадсорбентом-катализатором. При этом легко сорбируемые компоненты откачиваемогогаза поглощаются неохлаждаемой адсорбционной кассетой 5, а трудно сорбируемыеадсорбентом 3, размещенным на поверхности сосуда 2, заполненного хладагентом.П-образные выступы 7 обеспечивают эффективное охлаждение адсорбента 3, чтообусловлено развитой поверхностью теплообмена между сосудом 2 и адсорбентом 3.После насыщения адсорбента 3 и адсорбционной кассеты 5 насос отключается от откачиваемогообъема и начинается процесс регенерации. Регенерирующий газ через патрубок 4 иканалы 6 поступает в слой адсорбента 3. При этом эффективно регенерируется нетолько адсорбент 3, но и адсорбционная кассета 5.
Удаление остатков,например формальдегида, из емкости адсорбционным насосом можно пояснить наследующем примере.
/>
Рис. 4. Адсорбционныйнасос с обычным адсорбентом-катализатором: 1 — корпус; 2 — кассеты садсорбентом; 3 — участок входного патрубка; 4 — прорези; 5 — сосуд схладагентом
/>
Рис. 5. Адсорбционныйнасос с криогенным адсорбентом и обычным адсорбентом-катализатором:
1 — корпус; 2 — сосуд с хладагентом; 3 — кассета с адсорбентом катализатором; 4 — подводящий патрубок; 5 — кассета скриогенным адсорбентом-катализатсром; 6 — продольные каналы; 7 – выступы
Промотированныйалюмосиликат помещают в герметичный сосуд, сообщаемый с очищаемой емкостью.Внешнюю поверхность герметичного сосуда охлаждают хладагентом, например жидкимазотом, до 78-88 К. Сорбент-катализатор поглощает жидкую и газовую смесь, и вемкости создается вакуум порядка 13,3-1,33 Па. Затем сообщение емкости ссорбентом перекрывают и сорбент нагревают до температуры окружающей среды. Наадсорбент-катализатор подают кислородно-азотную смесь для окисления формальдегидадо диоксида углерода, воды и муравьиной кислоты. Степень очистки емкостисоставляет 98-99%, степень окисления формальдегида 85-95%.
Литература
1. Очистка ирекуперация промышленных выбросов/Под ред. Максимова В. Ф. и Вольфа И. В. Изд.2-е. М.: Лесная промышленность, 1981. 640 с.
2. Кельцев Н. В.Основы адсорбционной техники. 2-е изд. М.: Химия, 1984, 592 с.
3. Лукин В. Д.,Анцыпович И. С. Регенерация адсорбентов. Л.: Химия, 1983. 216с.
4. Родионов А.И. идр. Техника защиты окружающей среды. Учебник для вузов. — М.: Химия, 1989. — 512 с.