ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Диффузионные процессы

Многие процессы разделения двухфазных систем с целью ути­лизации их компонентов основаны на диффузионных процессах. Определяющей характеристикой таких процессов является взаимо­действие фаз, от которого зависит величина межфазной поверхно­сти. Поэтому аппараты, в которых проходят процессы массопере - дачи, должны конструироваться так, чтобы поверхность контакта в них была максимальной.

При переработке отходов используют следующие диффузион­ные процессы: абсорбцию, адсорбцию, дистилляцию, кристаллиза­цию, растворение, сушку, экстрагирование и экстракцию.

Абсорбция - поглощение компонентов газа жидким абсорбен­том - широко применяется для очистки дымовых и аспирационных газов, выделения из газовых смесей ценных компонентов и для других целей. Работоспособность абсорбента определяется раство­римостью в нем того или иного газа, которая зависит от физиче­ских и химических свойств газа и абсорбента, температуры и дав­ления газа.

Процесс абсорбции реализуется в аппаратах периодического и непрерывного действия. Эффективность протекания процесса воз­растает с увеличением поверхности раздела между газом и абсор­бентом. Существующие абсорберы можно подразделить на поверх­ностные, тарельчатые и распылительные.

К поверхностным абсорберам относится наиболее часто исполь­зуемый насадочный колонный аппарат (рис. 6.55) с рабочими эле­ментами в виде насадок (широко известны, например, насадочные кольца Рашига), на поверхности которых удерживается жидкий абсорбент в виде тонкой пленки.

Абсорбция в тарельчатых колонных аппаратах происходит в слоях жидкости на тарелках, через которые барботирует газ.

В распределительных абсорберах поверхность взаимодействия образуется каплями распыляемой жидкости, что достигается с по­мощью различных форсунок и других приспособлений. По этому принципу работают широко известные аппараты-скрубберы, кото­рые применяются для очистки дымовых газов.

Жидкость, используемая в качестве абсорбента, после насыще­ния подлежит регенерации с помощью десорбции. Процесс десорб­ции состоит в очистке жидкости от поглощенного вещества с по­мощью дистилляции, нагревания, снижения давления и другими способами. Десорбция может проводиться в аппаратах, аналогич­ных по конструкции абсорберам.

Поглощение компонентов газа или жидкости твердым вещест­вом называется адсорбцией, а сам поглотитель — адсорбентом. Од­ним из важнейших требований к адсорбенту является наличие у него высокоразвитой поверхности вследст­вие высокой пористости и развитого капил­лярного строения. Минимальный диаметр пор составляет 10" мкм. Другими важными свойствами адсорбентов являются поглоти­тельная способность и избирательность по­глощения тех или иных компонентов смеси. Поглотительная способность адсорбента на­зывается активностью; она зависит от тем­пературы и продолжительности его работы. С увеличением этих параметров активность адсорбента снижается. После насыщения ад­сорбента поглощенным веществом проводят процесс десорбции, т. е. извлечения адсорба - та и восстановления работоспособности ад­сорбента.

Это важнейшая стадия процесса адсорб­ционной очистки. Адсорбированные вещест­ва из адсорбента извлекают 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 адсорбента может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими растворителями. При регенерации органиче­скими растворителями (метанолом, бензо­лом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагрева­ния.

Рис. 6.55. Конструкция насадочного абсорбера: 1 - контактная камера; 2 — насадка; 3 — штуцер для входа газа; 4 - патрубок для подачи жидкости; 5 — штуцер для выхода газа; 6 - штуцер для выхода жидкости; 7 - форсуночное устройство; 8 - распределительная тарелка; 9 - решетка

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% (масс.) адсорбента.

Ведутся работы по созданию биологических способов регенера­ции адсорбентов, которые могут значительно повысить их долго­вечность.

Наиболее часто применяемым адсорбентом является активный уголь. Широко используются силикагели. Для очистки отработан­ных масел применяют белую глину, которая благодаря низкой сто­имости, как правило, не регенерируется, а заменяется по мере на­сыщения.

В качестве адсорбента применяют также различные тканые и нетканые материалы на основе углеродных активных волокон. Преимущества использования текстильных материалов из актив­ных углеродных волокон перед гранулированными активными уг­лями следующие:

* 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.

Адсорберы - аппараты, в которых проводится адсорбция, - мо­гут работать в непрерывном или периодическом режиме. Наиболее часто в промышленности применяются периодические адсорберы колонного типа, в которых последовательно проводят процессы ад­сорбции, десорбции, сушки и охлаждения адсорбента (рис. 6.56).

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.

Расход адсорбента для одноступенчатого процесса очистки сточных вод определяют из уравнения материального баланса:

Т = Q(CH - Ск)/а, (6.41)

Где т - расход адсорбента; Q — объем сточных вод; Сн и Ск - на­чальная и конечная концентрации загрязненной сточной воды; а - коэффициент адсорбции.

Рис. 6.56. Вертикальный адсорбер периоди - 2 ческого действия с неподвижным слоем

Поглотителя:

1 - корпус; 2 - штуцер для подачи парогазо­вой смеси (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 3 - штуцер для отвода отработанного газа (при адсорбции) и возду­ха (при сушке и охлаждении); 4 - барботер для подачи острого пара при десорбции; 5 - Штуцер для отвода паров при десорбции; 6 - штуцер для отвода конденсата; 7 - люки для загрузки поглотителя; 8 — люки для выгрузки поглотителя

В динамических условиях процесс очистки проводят фильтрованием очищаемых жидкостей или газа через слой адсорбента. Скорость фильтрова­ния зависит от концентрации раство­ренных веществ и колеблется от 2 до 6 м3/(м2-ч). Очищаемая среда в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц раз­мером 1,5-5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротив­ление фильтрованию жидкости.

Для организации непрерывного процесса при использовании периодически действующих аппаратов их устанавливают парал­лельно в одной установке, проводя процесс адсорбции поочередно в одном из аппаратов.

Для обеспечения непрерывности рекуперации летучих раство­рителей установка улавливания их паров должна включать как минимум два адсорбера периодического действия (обычно их число составляет от 3 до 6 и более).

Более прогрессивны непрерывно действующие установки с дви­жущимся плотным и псевдоожиженным 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, а также простотой обслу­живания.

В непрерывно действующих установках адсорбент перемещает­ся из одной части в другую, где и проходят соответствующие ста­дии единого процесса. Такие установки могут включать помимо адсорбера циклон, вакуум-фильтр, насос, регенератор, сушилку и другие аппараты. Применение непрерывно действующих адсорбци­онных установок экономически оправдано при больших объемах очищаемых потоков.

Стоимость адсорбции в значительной степени определяется сто­имостью адсорбента, поэтому очень важен поиск новых, более де­шевых адсорбентов по сравнению с промышленными активными углями, получаемыми из различных видов природного органиче­ского сырья (торфа, бурого и каменного угля, дерева, древесного угля, опилок, костей и др.).

Большие возможности повышения сорбционной способности ак­тивных углей заключаются в модифицировании их поверхности. Так, предварительная обработка обычного активного угля щелоч­ным раствором сульфида натрия придает ему способность погло­щать ртуть из сточных вод.

Наряду с использованием природных адсорбентов все более широко используют синтетические поглотители, обладающие сле­дующими преимуществами перед активными углями:

* простотой регенерации с помощью некоторых полярных ор­ганических растворителей типа метанола, ацетона и других низкомолекулярных спиртов и кетонов;

* возможностью извлечения ценных веществ, содержащихся в сточных водах, с помощью термической регенерации;

* высокой механической прочностью, неистираемостью и не - набухаемостью в воде и органических растворителях;

* оптимальными с точки зрения кинетики адсорбции и гидро­динамики фильтра размерами частиц, имеющих сфериче­скую форму и узкий фракционный состав (0,5 - 0,6 мм);

* более высокой скоростью адсорбции.

Преимущества синтетических адсорбентов, несмотря на их вы­сокую стоимость (в среднем они в пять раз дороже гранулирован­ных активных углей), снижают приведенные затраты на очистку сточных вод по сравнению с применением активных углей.

Синтетические адсорбенты наиболее выгодно использовать для очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод, в то время как для очистки городских и низкоконцентрированных промышленных сточных вод лучше использовать активные угли.

Адсорбцию применяют для удаления истинно растворимых ор­ганических соединений из сточных вод. Широкое применение на­шел сорбционный метод очистки с использованием активных углей и некоторых других сорбентов при очистке 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 адсорбции постоянно расширяется.

Адсорбционная очистка сточных вод имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами, поскольку обеспечивает вы­сокую степень очистки. Адсорбционные установки занимают не­большую площадь, надежны в работе, просты в эксплуатации, ус­тойчивы к концентрационным и гидравлическим флуктуациям, не подвержены воздействию токсичных и других вредных веществ, со­держащихся в сточных водах. Их работа поддается полной автома­тизации. Адсорбция широко применяется и при рекуперации рас­творителей.

Улавливать пары можно с помощью любых мелкопористых ад­сорбентов: активных углей, силикагелей, алюмогелей, цеолитов, пористых стекол и т. п. 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, улавливание окси - дбв азота производится путем адсорбции торфощелочными 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 шлаков соответственно. Применяют эти методы и для очистки от паров ртути газов, выбрасываемых предприятиями цветной металлургии, а также в ряде других производств.

Наряду с сорбционными при переработке отходов используются и другие массообменные процессы.

Дистилляция, или перегонка, заключается в переводе жидко­сти в пар и последующей его конденсации, что позволяет провести очистку и фракционирование смеси жидкостей. Разделение жидко­стей дистилляцией проходит тем успешнее, чем больше разница их температур кипения и чем точнее поддерживается температура в аппарате. Дистилляцию высококипящих жидкостей, у которых температура кипения близка к температуре деструкции, проводят под вакуумом, что позволяет снизить температуру кипения.

Очень часто дистилляцию проводят, переводя жидкость в пле­ночное состояние, используя для этого пленочные испарители раз­личной конструкции. Испаряющаяся жидкость затем конденсиру­ется в конденсаторе, который имеет рубашку для охлаждения с по­мощью охлаждающего агента.

Одним из видов дистилляции является ректификация. Для ее проведения используют аппараты сложной конструкции - ректи­фикационные колонны, внутри которых имеются контактные уст­ройства в виде тарелок или насадок. По своему устройству ректи­фикационные колонны аналогичны рассмотренным выше абсорбци­онным.

Дистилляция широко используется в промышленности. В част­ности, этим способом проводится регенерация отработанных мине­ральных масел, разделение газо-смоляной жидкости, образующей­ся при пиролизе полимерных отходов, например изношенных ав­топокрышек.

При переработке отходов очень часто используют сушку - про­цесс удаления влаги из материала. При сушке удаляется главным образом механически связанная с материалом влага. Удаление влаги происходит за счет подвода к материалу тепла, что может осуществляться следующими способами: путем контакта с нагретой поверхностью аппарата (контактная сушка), путем непосредствен­ного контакта с теплоносителем (конвективная сушка), излучени­ем (радиационная сушка), нагревом в переменном электрическом поле высокой частоты (диэлектрическая сушка). Кроме того, воз­можно высушивание вымораживанием влаги при глубоком вакууме (сублимационная сушка). В промышленности при переработке от­ходов, как правило, используются контактный и конвективный способы сушки.

Контактную сушку применяют в тех случаях, когда нежелате­лен контакт высушиваемого материала с теплоносителем. Контакт­ная сушка осуществляется в сушильных шкафах, гребковых и вальцовых сушилках. Иногда контактную сушку проводят под ва­куумом, что позволяет ускорить процесс, сократив при этом расход энергии и габариты оборудования. Однако значительное усложне­ние и удорожание оборудования препятствует широкому распрост­ранению вакуумной контактной сушки.

Конвективная сушка в токе газообразного теплоносителя, вы­полняющего одновременно функции влагоносителя, имеет широкое распространение при переработке различных отходов. Процесс проводится в камерных, барабанных, туннельных и других аппара­тах. Наиболее широко применяются барабанные вращающиеся су­шилки. Они характеризуются простотой конструкции, высокой производительностью и универсальностью. Как правило, в совре­менных барабанных сушилках непрерывного действия осуществля­ется прямоточное движение высушиваемого материала и топочных газов, образующихся при сжигании топлива (чаще газообразного или жидкого). В практике переработки отходов часто в качестве топлива используют сами отходы. Некоторые сушилки работают в противотоке: высушиваемые материалы движутся навстречу топо­чным газам. Благодаря вращению барабана материал все время пе­ремешивается, что позволяет интенсифицировать сушку. В зависи­мости от требуемой производительности сушилки могут иметь диа­метр до 3,5 м и длину до 20 м. Угол наклона барабана в зависимо­сти от материала и его влажности - от 3 до 5 град. Скорость вра­щения барабана составляет от 2 до 5 мин" .

В ряде процессов переработки отходов используется кристал­лизация, которая также относится к массообменным процессам. Выделение твердой фазы в виде кристаллов возможно из растворов и расплавов. В основе процесса кристаллизации из раствора лежит способность веществ растворяться в различных растворителях, в том числе в воде. При использовании кристаллизации для перера­ботки твердых отходов их сначала переводят в раствор.

Для оценки поведения растворов и выбора рационального спо­соба проведения этого процесса используют диаграммы состояния растворов, выражающие зависимость растворимости веществ от температуры. Скорость процесса кристаллизации зависит от мно­гих факторов: степени пересыщения раствора, температуры, ин­тенсивности перемешивания, содержания примесей и др.

Создание необходимого для кристаллизации пересыщения рас­твора обеспечивается двумя основными приемами: охлаждением горячих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация) и удалением части растворителя путем выпаривания (изотермиче­ская кристаллизация) или их комбинацией (вакуум-кристаллиза­ция, фракционированная кристаллизация, кристаллизация с испа­рением растворителя в токе воздуха или другого газа-носителя). Наряду с ними иногда используют кристаллизацию высаливанием (введением в раствор веществ, понижающих растворимость соли), вымораживанием (охлаждением растворов до отрицательных тем­ператур с выделением кристаллов соли или их концентрированием с удалением части растворителя в виде льда) или за счет химиче­ской реакции, обеспечивающей пересыщение раствора. Кроме того, применяют высокотемпературную (автоклавную) кристаллизацию, обеспечивающую возможность получения кристаллогидратов с ми­нимальным содержанием кристаллизационной влаги.

Существующие аппараты-кристаллизаторы отличаются много­образием конструктивных решений. Одним из наиболее распрост­раненных является барабанный вращающийся кристаллизатор с водяным или воздушным охлаждением. Барабан устанавливается с очень небольшим наклоном в сторону выгрузки (1 : 200) и враща­ется со скоростью до 20 мин"1. При водяном охлаждении вода по­дается в рубашку аппарата, а при воздушном воздух подается не­посредственно в барабан. Движение охлаждающих агентов в бара­бане осуществляется навстречу потоку жидкости.

Растворение заключается в реализации гетерогенного взаимо­действия между жидкостью и твердым веществом, сопровождающе­гося переходом последнего в раствор, и широко используется в практике переработки многих твердых отходов.

Возможность растворения твердого вещества может быть оцене­на изменением энергии Гиббса AG, определяемым соотношением:

AG = ДЯр - Т ■ AS, (6.42)

Где ДЯр - изменение энтальпии; AS — изменение энтропии; Т — абсолютная температура.

При AG < 0 возможно растворение, при AG = 0 система нахо­дится в равновесии, при AG > 0 вероятен процесс кристаллизации. Растворимость твердых веществ в жидкостях обычно ограничена концентрацией насыщения.

Процессы растворения осуществляют в аппаратах периодиче­ского и непрерывного действия разнообразных конструкций. Для интенсификации растворения используют наложение различных силовых полей.

Экстракция (выщелачивание) - это процесс извлечения из жидкой или твердой смеси веществ одного или нескольких компо­нентов с помощью селективного растворителя, называемого экстра - гентом. Процесс может осуществляться непрерывно и периодиче­ски. В качестве экстрагентов используют воду, спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, органические кислоты и их соли, а также соли органических оснований. При выборе экстра­гентов учитывают: селективность по отношению к целевому ком­поненту смеси, который необходимо экстрагировать; экстракцион­ную емкость по отношению к этому компоненту; возможность по­следующего его извлечения из экстрагента; безопасность работы с экстрагентом; стоимость.

На скорость экстракции влияют концентрация экстрагента, размер и пористость частиц отходов, интенсивность перемешива­ния, температура, наложение различных силовых полей (ультра­звуковых, постоянных электрических, электромагнитных, высоко­частотных, центробежных и др.) и в некоторых случаях присутст­вие различных микроорганизмов (бактериальное выщелачивание).

Экстрагирование может быть периодическим и непрерывным. Периодический процесс проводят настаиванием, т. е. обработкой залитого экстрагентом материала в течение определенного времени с последующим сливом экстрагента и заменой его свежим. Непре­рывное экстрагирование проводят путем многоступенчатого кон­такта прямоточным, противоточным и комбинированным способа­ми. Аппараты, в которых проводят экстракцию, называются экс­тракторами. Используемые для реализации процесса экстракции аппараты характеризуются большим разнообразием конструкций.

Экстракторы классифицируют по способу действия (периодические и непрерывно действующие, по направлению движения фаз (про - тиво - и прямоточные, с процессом полного смешения, с процессом в слое и комбинированные), по характеру циркуляции растворите­ля (с однократным прохождением, с рециркуляцией и ороситель­ные) и по ряду других признаков. Наиболее простым экстрактором для экстракции из жидкостей может быть емкость с мешалкой. Бо­лее сложным аппаратом является колонный экстрактор распыли­тельного, тарельчатого и насадочного типов. Для ускорения про­цесса экстракции в экстракторах используют различные виды внешнего воздействия на жидкость: специальные перемешивающие устройства, низкочастотные колебания и др.

Для экстрагирования компонентов из твердой фазы используют карусельные, конвейерные, шнековые, барабанные, смесительно- отстойные и другие экстракторы. Экстрагирование широко приме­няется при переработке отвалов горнодобывающей промышленно­сти, некоторых металлургических и топливных шлаков, пиритных огарков, древесных и многих других отходов.