Переработка промышленных отходов

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

' 672 129

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 хозяйственно­бытовых 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 и значительной степени определяется стоимостью сорбента, поэтому одним из главных направлений исследований и разработок и 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, дре- иесного 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 ц 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,

11 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 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 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.

Расход адсорбента для одноступенчатого процесса определяют из уравнения материального баланса:

Т=Є(С-С)/о, (4.43)

Іде т — расход адсорбента; 0 — объем сточных вод; Сн и С - начальная и конечная концентрации загрязненной сточной воды; а — коэффициент адсорбции.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных вешеств и колеблется от 2 до 6 м3/(м2 ч). Вода в колонне движется снизу нверх, заполняя все сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером 1,5—5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости.

В одной колонне при неподвижном слое угля процесс очистки »едут 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 ^ -10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит имеете с ними через отверстия решетки. Над решеткой образуется мсевдоожиженный слой, в котором идет процесс очистки. Избыток угля поступает в сборник, а оттуда на регенерацию. Очищенную иоду 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 гмесителя 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 кодой подают внутрь пирамиды, где возникает псевдоожиженный гной. 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 не­подвижным слоем активных углеродных волокон.