|
Теплообменные процессы, широко
используемые при различных способах утилизации отходов, реализуются с помощью
аппаратов, выполняющих функции нагревателей, охладителей, кипятильников,
испарителей, конденсаторов и т.п. Теплообменные процессы лежат в основе
работы ректификационных, сорбционно- десорбционных, выпарных, экстракционных
и других установок.
Утилизация вторичных энергоресурсов, образующихся при
осуществлении технологических процессов, имеет важное значение. Рациональное
использование вторичных энергоресурсов снижает эксплуатационные затраты на
топливо и уменьшает загрязнение окружающей среды.
Определение структуры взаимосвязей технологических потоков
неразрывно связано с распределением тепловой нагрузки в системе по
теплообменникам.
Задача создания теплообменной системы (ТС) сводится к
определению структуры технологических связей между тепло- обменными
аппаратами, а также к определению размеров поверхностей теплообмена каждого
аппарата разрабатываемой системы, которые обеспечивают рекуперативный
теплообмен между исходными т горячими и п холодными технологическими потоками
при минимальном критерии эффективности. В качестве критерия эффективности
могут быть использованы приведенные траты на создание и эксплуатацию
теплообменной системы. Задача оптимизации теплового процесса сводится к обеспечению
минимальных затрат (капитальных и эксплуатационных) на проведение процесса.
Задача синтеза теплообменных систем решается путем
формирования множеств возможных комбинаций горячих и холодных потоков.
Результирующие потоки, которые могут быть получены в процессе
последовательного теплообмена исходных потоков, могут обмениваться теплом с
другими результирующими и исходными потоками. При необходимости для
достижения заданных конечных температур в теплообменных системах могут быть
использованы вспомогательные тепло- и хладоагенты.
В общем случае теплообменная система может состоять из
совокупности внутренней и внешней подсистем. Внутреннюю подсистему образуют
рекуперативные теплообменники, в которых происходит взаимный теплообмен между
исходными и промежуточными потоками. Внешнюю подсистему образуют
вспомогательные теплообменники, в которых идет теплообмен исходных и
результирующих потоков с потоками хладоагентов.
4.6. Диффузионные процессы
Многие процессы разделения двухфазных систем с целью
утилизации их компонентов основаны на диффузионных процессах.
Определяющей характеристикой таких процессов, протекающих
в двухфазных потоках, является взаимодействие фаз, от которого зависит
величина межфазной поверхности. Поэтому аппараты, в которых проходят процессы
массопередачи, должны конструироваться так, чтобы поверхность контакта в них
была максимальной. В соответствии с этим в основу классификации диффузионной
аппаратуры положен принцип образования межфазной поверхности.
В ресурсосберегающих производствах для очистки газов
наиболее широкое распространение получили насадочные колонны (оптимальный
вариант — эмульгационные колонны) и в меньшей степени тарельчатые колонны
(оптимальный вариант для очистки - так называемые пенные аппараты).
Для насадочных колонн максимальная производительность
достигается при таком режиме эмульгирования, когда достигается максимальная
разделительная способность колонн при максимальной пропускной способности.
В реальных условиях массообмен очень часто носит нера-
нповесный характер, что является следствием неравномерности распределения
частиц по времени пребывания в потоке, обратного сброса фаз в результате
механического уноса, недостаточной продолжительности контакта фаз или
недостаточного размера межфазной поверхности контакта. Степень достижения
равновесия при разделении определяется гидродинамикой потоков жидкости и
пара, их взаимодействием, а следовательно, временем пребывания в аппарате.
Сорбционные методы очистки применяют для удаления истинно
растворимых органических соединений из сточных вод. Широкое применение нашел сорбционный
метод очистки с использованием активных углей и некоторых других сорбентов, в
частности синтетических высокопористых полимерных адсорбентов. Активные угли
— это высокопористые адсорбенты с удельной поверхностью от 800 до 1500 м2/г.
Сорбционное поглощение растворимых органических загрязнений активными
углями происходит в результате дисперсионных
взаимодействий между ними и молекулами органических веществ. Они являются
гидрофобными веществами, т. е. обладают сродством к гидрофобным молекулам
органических веществ. Чем выше энергия гидратации адсорбата, тем хуже он
извлекается из воды адсорбентом. Активные угли хорошо сорбируют такие
гидрофобные соединения, как алифатические и ароматические углеводороды, их
галоген- и нитрозамещенные соединения и значительно хуже — гидрофильные
соединения, например низшие спирты, гликоли, глицерин, ацетон, низшие
карбоновые кислоты и некоторые другие вещества.
Сорбционный метод очистки применяется при обработке
сточных вод химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий,
а также при очистке хозяйственно- бытовых сточных вод. Так, эта технология
используется для очистки сточных вод при производстве органических продуктов,
пластмасс, гербицидов и ядохимикатов, сульфатной целлюлозы и т. п. Сфера применения
сорбционного метода постоянно расширяется. 13 настоящее время наиболее широко
используются два основных режима сорбционной обработки сточных вод: адсорбция
в неподвижном слое и адсорбция в движущемся слое сорбента. Выбор той или иной
схемы очистки сточных вод с применением активного угля зависит от конкретных
условий.
Сорбционный метод очистки сточных вод имеет ряд
существенных преимуществ перед другими методами. Он обеспечивает высокую
глубину очистки. Сорбционные установки занимают небольшую площадь, надежны в
работе, просты и эксплуатации, устойчивы к концентрационным и гидравлическим
флуктуациям, не подвержены воздействию токсичных и других вредных веществ,
содержащихся в сточных водах. Их работа поддается полной автоматизации.
Сорбционный метод очистки является одним из важных
элементов систем глубокой очистки сточных вод.
Экономика процесса сорбционной очистки сточных вод в
значительной степени определяется стоимостью сорбента, поэтому одним из
главных направлений исследований и разработок в области сорбционной очистки
является поиск новых, более дешевых сорбентов по сравнению с промышленными
активными углями, получаемыми из различных видов природного орга пического
сырья (торфа, бурого и каменного угля, дерева, древесного угля, опилок, костей
и др.), а также из шлама, образующегося в результате самого процесса очистки
сточных вод.
Большие возможности повышения сорбционной способности
активных углей кроются в модифицировании их поверхности. Так, предварительная
обработка обычного активного угля щелочным раствором сульфида натрия
позволяет придать ему способность поглощать ионы ртути из сточных вод.
Перспективность использования синтетических сорбентов для
очистки сточных вод обусловлена рядом их существенных преимуществ перед
активными углями, а именно:
1. Простотой регенерации с помощью некоторых
полярных органических растворителей типа метанола, ацетона и других
низкомолекулярных спиртов и кетонов, причем регенерацию можно проводить
непосредственно в адсорбере. При этом отпадает необходимость в дорогостоящем
оборудовании для регенерации, практически исключаются потери сорбента при
регенерации и снижаются эксплуатационные затраты, особенно при относительно
высоких концентрациях органических загрязнений и сточных водах.
2. Возможностью извлечения ценных веществ,
содержащихся и сточных водах., с целью их дальнейшего использования. При
термической регенерации активных углей такой возможности не существует.
3. Высокой механической прочностью,
неистираемостью и иенабухаемостью в воде и органических растворителях.
4. Оптимальными с точки зрения кинетики адсорбции
и гидродинамики фильтра размерами частиц сферической формы узкого
фракционного состава (0,5—0,6 мм).
5. Более высокой скоростью адсорбции.
Эти преимущества синтетических сорбентов, несмотря на их
иысокую стоимость (в среднем они в 5 раз дороже гранулированных активных
углей), как правило, снижают прицеленные затраты на очистку сточных вод в
сравнении с применением активных углей.
Синтетические сорбенты наиболее выгодно использовать для
очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод, и то время как для
очистки городских и низкоконцентрированных промышленных сточных вод лучше
использовать активированные угли.
Сорбционная очистка традиционно используется при обработке
биохимически очищенных сточных вод. В последнее время предложено при очистке
сточных вод, содержащих трудноокис - ляемые органические загрязнители
(красители, нитрофенолы, хлорорганические вещества и др.), проводить
сорбционную обработку перед биохимической очисткой. Это позволит избежать
развития биомассы на угле и значительно повысить эффективность адсорбционного
извлечения органических загрязнений из сточных вод, так как их концентрация
станет более высокой.
Адсорбция широко применяется и при рекуперации
растворителей.
Улавливание паров возможно любыми мелкопористыми
адсорбентами: активными углями, силикагелями, алюмогелями, цеолитами,
пористыми стеклами и т.п. Однако наиболее целесообразно использовать активные
угли, являющиеся гидрофобными адсорбентами: при относительной влажности
очищаемых паровоздушных или парогазовых потоков до 50 % влага практически не
влияет на сорбируемость паров органических растворителей.
Сорбционные и хемосорбционные методы нашли широкое
применение и для очистки отходящих газов. Так, с целью улавливания оксидов
азота разработан метод их адсорбции торфо- щелочными сорбентами в аппаратах с
"кипящим" слоем. В промышленности применяются различные методы
очистки газов от диоксида серы с помощью хемосорбентов, углеродных
адсорбентов, силикагелей, кислотостойких цеолитов. Процессы хемосорбции лежат
в основе методов очистки газов от фтористого водорода. Очистка газов от хлора
и хлористого водорода осуществляется методами адсорбции с применением в
качестве поглотителей дешевых материалов: лигнина и доменных шлако»
соответственно. Применяют эти методы и для очистки от парой ртути газов,
выбрасываемых предприятиями цветной металлургии, а также в ряде других
производств.
Адсорбционные установки. Процесс адсорбционной очистки
сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при
фильтровании воды через слой адсорбента или и псевдоожиженном слое на
установках периодического и непрс рывного действия. При смешивании адсорбента
с водой ис пользуют активный уголь в виде частиц размером 0,1 мм и меньше.
Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в
тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.
В одной колонне при неподвижном слое угля процесс очистки
ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют.
Применяют адсорберы различных типов. В одноярусном
цилиндрическом адсорбере активный уголь непрерывно поступает под
распределительную решетку, диаметр отверстий которой равен "ч -10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вместе с ними через отверстия решетки.
Над решеткой образуется псевдоожиженный слой, в котором идет процесс очистки.
Избыток VI ля поступает в сборник, а оттуда на регенерацию. Очищенную воду
отводят через желоба в верхней части колонны. Уносимые частицы угля попадают
в тот же сборник.
В одноярусном адсорбере с выносным смесителем уголь
поступает и смеситель, снабженный лопастной мешалкой, вращающейся со
скоростью 40—60 об/мин. Туда же подают сточную воду. Из смесителя суспензию
угля с водой перекачивают Песковым насосом и адсорбционную колонну.
Адсорбер может представлять собой бак, внутри которого
име- г гея усеченная пирамида квадратного сечения. Суспензию угля с водой
подают внутрь пирамиды, где возникает псевдоожиженный спой. Избыток угля
оседает в пространстве между стенками бака.
Более сложную конструкцию представляет собой трехъярусный
адсорбер с переливными трубками. Псевдоожиженный слой возникает над тарелками
(типа колпачковых). Ярусы соединены между собой коническими трубками. Широкая
часть трубок выступает над тарелкой на высоту, соответствующую верхней
границе псевдоожиженного слоя, а узкий конец трубок погружен в нижний
псевдоожиженный слой. Сверху в колонну подают 15— 20 %-ную угольную
суспензию, а снизу — сточную воду. Избыток угля отводят в сборник.
Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является
регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают
десорбцией насыщенным и перегретым водяным паром либо нагретым инертным
газом. Температура перегретого пара (при избыточном давлении 0,3—0,6 МПа)
составляет 200— 300 "С, а инертных газов 120—140 "С. Расход пара
при отгонке легколетучих веществ равен 2,5—3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих в 5—10 раз больше. После десорбции пары конденсируют и
вещество извлекают из конденсата.
Для регенерации углей может быть использована и экстракция
(жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с
водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями
(метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при
нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из
угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных
слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При
этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают
горячей водой, раствором кислот (для удаления оснований) или раствором
щелочей (для удаления кислот).
В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное
вещество с помощью химических реагентов превращают в другое вещество, которое
легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества
не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими
реагентами (окислением хлором, озоном) или термическим путем. Термическую
регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700—800 °С
в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или
жидкого топлива и водяного пара. При этом теряется до 20 % (по массе)
адсорбента.
Разрабатываются биологические методы регенерации углей,
которые позволят значительно удлинить срок эксплуатации адсорбента.
При непрерывном процессе используют несколько колонн. По
такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на
регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую
колонну.
Для обеспечения непрерывности рекуперации летучих раст-
иорителей установка улавливания их паров должна включать как минимум два
адсорбера периодического действия (обычно их число составляет от 3 до 6 и
более).
В последнее время большое внимание уделяется непрерывно
действующим установкам с движущимся плотным и псевдо- ожиженным слоем
адсорбента, которые отличаются высокой скоростью обрабатываемых потоков,
компактностью оборудования, высоким коэффициентом использования адсорбентов,
отсутствием энергозатрат на периодическое нагревание и охлаждение одного и
того же аппарата, возможностью сравнительно простой и полной автоматизации и
простотой обслуживания.
В промышленности в качестве адсорбента применяют также
различные тканые и нетканые материалы на основе углеродных активных волокон,
например установки с фильтрами, основу которых составляет активное угольное
волокно, получаемое на базе целлюлозных волокон.
Преимущества использования активных углеродных волокон
перед гранулированными активными углями:
• возможность обеспечения повышенной степени
рекуперации растворителей (обычно выше 99 %);
• существенное снижение потерь растворителей от
термического разложения последних в присутствии угольных адсорбентов;
• применимость для рекуперации полимеризующихся
мономеров и растворителей с высокой температурой кипения;
• пониженная пожаро- и взрывоопасность;
• компактность адсорбционной аппаратуры даже с
не- нодвижным слоем активных углеродных волокон.
|