Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

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.

ГЛАВА 1. 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-шювесный характер, что является следствием неравномерности распределения частиц по времени пребывания в потоке, обратного шброса 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 маетности 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. В 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 н области сорбционной очистки является поиск новых, более дешевых сорбентов 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.), 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:

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 а сточных водах.

Возможностью извлечения ценных веществ, содержащихся в сточных водах, с целью их дальнейшего использования. При термической регенерации активных углей такой возможности не существует.

Высокой механической прочностью, неистираемостью и ненабухаемостью в воде и органических растворителях.

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 высокую стоимость (в среднем они в 5 раз .дороже гранулированных активных углей), как правило, снижают приведенные затраты на очистку сточных вод в сравнении с применением активных углей.

Синтетические сорбенты наиболее выгодно использовать для очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод, в 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 трудноокисляемые 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 шлаков 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:

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/(м²ч). Вода в колонне движется снизу вверх, 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 ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют.

Применяют адсорберы различных типов. В одноярусном цилиндрическом адсорбере активный уголь непрерывно поступает иод распределительную решетку, диаметр отверстий которой равен S --10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вместе с ними через отверстия решетки. Над решеткой образуется исевдоожиженный слой, в котором идет процесс очистки. Избыток угля 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 в смеситель, снабженный лопастной мешалкой, вращающейся со гкоростью 40--60 об/мин. Туда же подают сточную воду. Из гмесителя суспензию угля с водой перекачивают Песковым насосом в адсорбционную колонну.

Адсорбер может представлять собой бак, внутри которого име-пся усеченная пирамида квадратного сечения. Суспензию угля с модой 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 растворителей 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.

Глава 2. ДИФФУЗИОННЫЙ СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ РТУТЬСОДЕРЖАЩИХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

Изобретение может быть использовано в области охраны окружающей среды. Ртутьсодержащие люминесцентные лампы разрушают, разделяют на стеклобой, цоколи и ртутьсодержащий люминофор в потоке воздуха с разрежением 10?100000 Па с использованием вибрации в диапазоне 1?10000 Гц. Ртутьсодержащий люминофор, измельченный до размеров не более 1 мм, нагревают в герметичном объеме до 600-900°С, выдерживая при 600-700°С не менее 30 минут. Пары ртути конденсируют в охлаждаемой ловушке. При проведении всех процессов обеспечивают двойную герметизацию. Изобретение позволяет провести полную утилизацию люминесцентных ламп на металлическую ртуть, цветной металл, стекольное сырье и строительный материал, которые возвращаются в производство. Содержание ртути в отходах менее 3 ppm, что ниже чувствительности современных аналитических средств. Способ прост, высокопроизводителен.

Способ демеркуризации люминесцентных ламп) демеркуризации ртутных ламп, включающий измельчение, промывку водой, обработку химическими реагентами, которые переводят ртуть в соединения с низким давлением паров. Сами соединения остаются, как правило, в составе отходов. Такое решение вопроса является неокончательным. Кроме того, возникает проблема очистки от соединений ртути воды, используемой для промывания. Соединения ртути, так же как и ртуть, являются веществами повышенной опасности. Такой способ демеркуризации не возвращает ртуть в производство, а оставляет в отходах.

Известен способ термической демеркуризации загрязненых ртутью материалов (4. Альперт В.А., Пикин А.И. Патент РФ №1838440 Способ термической демеркуризации загрязненных ртутью материалов и устройство для его осуществления) включающий разрушение ламп, нагрев материалов в герметичной камере, вакуумную дистилляцию паров ртути, улавливание паров ртути в низкотемпературной ловушке. В этом способе металлическая ртуть собирается в низкотемпературной ловушке и ее можно после очистки вернуть в производство. Такой цикл оборота ртути выглядит наиболее целесообразным. Способ реализован в установке УРЛ-2М. Однако в реализации у этого способа есть недостатки, которые мешают в полной мере использовать достоинства метода: 1. Вакуумная технология не приспособлена к переработке грязных, битых ламп, к переработке влажных отходов, к переработке отходов с содержанием пластмасс, так как вакуумная система выходит из строя как от воды, так и при нагреве пластмасс, и от других веществ, компоненты которых засоряют вакуумную систему. 2. Вакуумная технология рекомендует нагревания до температур не более 170°С, выше которых компоненты текстолита и компаундов засоряют вакуумную систему, а наиболее устойчивые соединения ртути, в частности киноварь, каломель, сулема и др., не разлагаются, и ртуть не испаряется целиком из демеркуризуемых материалов. Кроме того, производительность такой технологии и оборудования ограничена, технология энергоемка, требует для реализации большое количество электроэнергии, применения дорогостоящего жидкого азота. Такой способ имеет значительные удельные затраты на утилизацию.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ утилизации ртутьсодержащих отходов (5. Н.В.Косорукова и Е.П.Янин Утилизация отходов ртутьсодержащих изделий: состояние и проблемы. В журнале "Светотехника", 2002 г., № 3, стр.25-29), преимущественно люминесцентных ламп, заключающийся в их разрушении, разделении в потоке воздуха с использованием вибрации на стеклобой, алюминиевые цоколи, ртутьсодержащий люминофор, который помещают в герметичные полиэтиленовые мешки, засыпают цементом, демеркуризирующим раствором (частично переводят ртуть в соединения) и транспортируют к месту переработки. Такой метод утилизации производителен, экономически выгоден, позволяет возвратить в производство алюминиевые цоколи и стеклобой, однако ртуть в данном способе не выделяется из отходов и представляет опасность при ее дальнейшем хранении в составе отходов и транспортировке. Предлагается способ утилизации ртутьсодержащих люминесцентных ламп, заключающийся в их разрушении, разделении на стеклобой, цоколи, ртутьсодержащий люминофор в потоке воздуха с использованием вибрации, отличающийся тем, что поток воздуха создают разрежением 100-10000 Па, используют вибрацию в диапазоне 1...10000 Гц, ртутьсодержащий материал, измельченный до размеров не более 1 мм, нагревают в герметичном объеме до температур в диапазоне 600-900°С, выдерживая при температуре 600-700°С не менее 30 минут, пары ртути конденсируют в охлаждаемой ловушке и при проведении всех процессов обеспечивают двойную герметизацию. Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемое техническое решение (совокупность операций переработки в рекомендуемых технологических режимах) позволяет провести полную утилизацию ртутьсодержащих отходов, приборов, преимущественно люминесцентных ламп на металлическую ртуть, цветной металл, стекольное сырье и нейтральный строительный материал. Предлагаемая технология имеет оптимальные технико-экономические параметры. Проведение разделения компонентов в токе воздуха с перепадом давлений 100-10000 паскалей обеспечивает отделение летучей пылевой фракции от твердых компонентов люминесцентных ламп, стекла и металлических цоколей. При перепаде давлений менее 1 мм ртутного столба воздушный поток не будет уносить ртутьсодержащий люминофор, а создание разрежения более 1/10 атмосферы нецелесообразно из за увеличения мощности систем вентиляции и пылеулавливания и очистки воздуха. В случае разрежения более 0,1 атм (10000 Па) вместе с ртутьсодержащим люминофором будет уносится большое количество стекла, не содержащего внутри себя ртуть. Результат достигается в пределах указанных перепадов давлений и отличается техническими характеристиками уноса пыли. В принципе технология будет работать и при больших перепадах давлений, но увеличится расход электроэнергии и в фильтры будет попадать большее количество стеклоотходов, которые не содержат сами по себе ртути. Соотношение уноса ртутьсодержащего люминофора и стеклобоя в составе уносимого воздушным потоком материала.

Из таблицы видно, что при малых давлениях разделения стеклобоя и люминофора не происходит, так как и люминофор и стеклобой остаются на месте. И при больших перепадах давлений разделения также не происходит, так как и стеклобой и люминофор уносятся потоком воздуха в другое место и не разделяются. Оптимальный режим воздушного потока находится внутри указанного перепада давлений от 100 Па до 10000 Па.

Вибрация в диапазоне частот 1...10000 Гц обеспечивает перемешивание и наилучшее отделение пылевой фракции. Создание вибрации в указанном диапазоне осуществлялось при вибрации при вращении вала с эксцентриком (на низких частотах) и при магнитострикции железного сердечника (при высоких частотах). Во всем указанном диапазоне частот от 1 до 10000 Гц отделение пылевой фракции люминофора осуществляется достаточно эффективно. При частотах менее 1 Гц стеклобой не перемешивается. Работу при частотах более 10000 Гц не удалось осуществить из-за технических трудностей. Диапазон частот 1-10000 Гц выбран как наиболее технически достижимый и недорогой (из технико-экономических соображений).

Выбранный диапазон температур связан со следующими явлениями:

1. При температурах более 300°С эффективно удаляется металлическая ртуть, которая имеет давление паров 1 атмосфера уже при 360°С. Однако наиболее устойчивые соединения ртути, в частности киноварь, каломель, сулема и др., не разлагаются, и ртуть не испаряется целиком из демеркуризуемых материалов. Анализы состава ртутьсодержащих материалов показывают, что при нагревании до температур ниже 600°C соединения ртути не разлагаются и ртуть остается в материалах.

2. При температурах 600-900°С соединения ртути разлагаются и ртуть удаляется из материалов полностью.

3. Выше 900°С нагревать материал нецелесообразно из-за повышенных затрат энергии и усложнения конструкции печи.

Ртутьсодержащий материал должен иметь размеры не более 1 мм, так как время выхода ртути из материала связано с размерами частицы в первом приближении по формуле

Где L - размеры частицы в сантиметрах, D - коэффициент диффузии ртути в материале при данной температуре в сантиметрах квадратных деленных на секунду, t - время выдержки при данной температуре в секундах. При рекомендованных режимах разрушения ламп ртутьсодержащий материал имеет размеры менее 1 мм и такие размеры являются наиболее целесообразными для удаления ртути из люминофора. При больших размерах увеличивается минимальное время высокотемпературной выдержки (пропорционально квадрату размеров частицы). Демеркуризация частиц, имеющих размеры более 1 мм, приводит к ухудшению экономических показателей из-за увеличения времени выдержки при высоких температурах и соответственно затрат электроэнергии и других материальных затрат (времени обслуживания, заработной платы, уменьшению производительности линии).

Процесс удаления ртути состоит из нескольких стадий:

разложение ртутных соединений,

диффузия ртути в твердом объеме частицы,

испарение ртути с поверхности частицы,

диффузионное перемещение ртути в межчастичном пространстве,

выход ртути из пористого объема ртутьсодержащих отходов, диффузия ртути в газе,

конденсация паров в ловушке.

Лимитирующей стадией (самой медленной по кинетике процесса) удаления ртути из материала является удаление ртути из твердых частиц ртутьсодержащего материала.

Время выдержки не менее 30 минут связано с кинетикой удаления примесей. При отсутствии выдержки при температуре выше 600°С ртуть не удаляется. При времени выдержки 30 мин ртуть удаляется полностью. Время выдержки более 30 минут нецелесообразно, так как результат удаления ртути уже достигнут, а дальнейшая выдержка приводит к ненужным затратам. Диапазон 30 минут при температуре 600°-700°C связан с тепловой инерционностью печи и меньше быть не может при данных объемах загрузки, мощности нагревателей печи, теплоизоляции.

Предлагаемая технология направлена на полную утилизацию всех компонентов.

Двойная герметизация (1. герметизация всех узлов технологического оборудования и 2. отдельная герметизация всей технологической линии от рабочего помещения) обеспечивает повышенную безопасность проведения всего процесса.

Для реализации предлагаемого способа была создана на предприятии OOO "Автоэко" в г. Рязань экспериментальная технологическая линия. Технологическая линия состоит из следующих узлов и агрегатов:

1. Дробилка, которая представляет собой герметизируемый стальной объем с трубой для подачи люминесцентных ламп, внутри расположено устройство для разрушения люминесцентных ламп, которое приводится в действие электродвигателем, расположенным снаружи.

2. Сепаратор, который обеспечивает разделение колпачков, стеклобоя и ртутьсодержащего люминофора. Частота вибрации при сепарации обеспечивается электродвигателем с эксцентриком и составляет 50 Гц и согласована с элементами конструкции.

3. Циклон для улавливания ртутьсодержащего люминофора.

4. Система воздухоочистки, содержащая фильтры для поглощения пыли и фильтры с активированныим углем для поглощения остатков паров ртути.

5. Устройство для создания разрежения и воздушного потока, которое представляет собой крыльчатку с электродвигателем. Устройство настроено на создание разрежения 1000 Па.

6. Емкости для колпачков, стеклобоя, люминофора.

7. Печь, представляющая собой герметичный объем, в котором может быть размещена емкость с люминофором массой 50 кг. Температура внутри печи может достигать 900°С и создается электрическими нагревателями. Температура контролируется хромель-алюмелевой термопарой. Печь содержит также ловушку с системой охлаждения. Водяная система охлаждения имеет независимый контур циркуляции (радиатор, электронасос, охлаждаемая ловушка). Охлаждение может быть комбинированным (вода и жидкий азот).

8. Контроль содержания паров ртути проводится прибором АГП-1.

Все узлы и агрегаты работоспособны и обеспечивают выполнение функций: дробление ртутьсодержащих люминесцентных ламп, сепарацию металлических колпачков, стеклобоя и люминофора в потоке воздуха, создаваемого перепадом давлений 1000 Па при вибрации с частотой 50 Гц и выгрузку их в отдельные емкости, загрузку ртутьсодержащих отходов в герметичную печь с охлаждаемой ловушкой. Ловушка обеспечивает конденсацию паров ртути, выделившейся из объема и сбор жидкой ртути. Отходы имеют концентрацию ртути ниже допустимых норм и на уровне содержания ртути в окружающей среде (на уровне кларка ртути).

Предлагаемая технология в целом и варианты отдельных ее этапов были испытаны и реализованы. Нами были проведены анализы ртутьсодержащей массы на масс-спектрометре JMS-01-BM2 с двойной фокусировкой по 70 примесям, в первую очередь на ртуть. Оказалось что в исходном материале (люминофоре) содержание ртути составляло 200 (0.02%) ppm, а после проведения демеркуризации содержание ртути снизилось ниже чувствительности масс-спектрометра ниже 3 ppm (ниже 0.0003%).

Фактическое остаточное содержание ртути в демеркуризованных отходах обнаружить не удалось из-за ограничения пределов чувствительности современных аналитических средств.

Таким образом, задача переработки ртутьсодержащих отходов с помощью заявляемой технологии успешно решается и в техническом и экологическом смысле.

Все компоненты ртутьсодержащих приборов могут быть повторно использованы и не загрязнят окружающую среду ни веществом повышенной опасности (ртутью), ни мусором. В результате реализации технологии получаем: ртуть металлическую, стеклобой, лом цветного металла и строительный материал. Данная технология является высокопроизводительной, экономически целесообразной и, по-видимому, единственной в России на настоящий момент действительно экологически приемлемой. После переработки данной технологией не требуется занимать площади промышленных полигонов и свалок, а все компоненты отходов возвращаются в производство.

ГЛАВА 3. АПАРТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ: РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ КОЛОННЫ

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части.

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента--из паровой фазы в жидкую.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого -- обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

утилизация ртутьсодержащий ректификационный дефлегматор

Конструкции ректификационных колонн

Тарельчатые колпачковые колонны (рис. а) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Конструктивная схема устройства колпачка и обозначения основных размеров приведены на рис. а.

Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Расчет основных размеров колпачков и некоторые рекомендации изложены в методике расчета тарельчатых колпачковых колонн.

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Клапанные тарелки (рис. 6) показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10--15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним (рис. б) или нижним (рис. в) ограничителем подъема.

Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12--20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

Чешуйчатые тарелки подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность -- преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки собраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4--9° к горизонтам. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20 -- 50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15--30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к. п. д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.

Прямоточные тарелки обеспечивают длительное контактирование пленки жидкости с паром, движущимся со скоростью 14-- 45 м/с. Площадь живого сечения тарелки достигает 30%.

Ситчатые колонны (см. рис. б) применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8--3,0 мм.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности (см. рис. в). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,-- при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ -- дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз.

Исследования показали, что переход от турбулентного режима к режиму эмульгирования (точка инверсии или точка начала эмулыирования) соответствует оптимальным условиям работы колонны и оптимальной скорости пара, при которой на насадке задерживается максимальное количество жидкости, брызг и пены, достигаются интенсивный массообмен и максимальная производительность при минимальной высоте насадки. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое "захлебывание" колонны и нарушение режима ее работы.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром.

Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок-5--20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок.

Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой--обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

При ректификации смесей, состоящих более чем из двух компонентов, схема установки значительно усложняется. При этом для каждого добавочного компонента требуется колонна с дефлегматором.

Размеры и конструкции перегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят от производительности установки, физических свойств перегоняемой смеси и режима процесса (периодический или непрерывный).

Дефлегматор обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры.

Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходят в холодильнике. Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла.

Площадь живого сечения колонны:

Gср - среднее количество паров, поднимающихся в свободном сечении колонны в кг/ч.

qп - плотность пара; wп - скорость пара.

Минимальное расстояние между тарелками:

F -площадь поперечного сечения колонны;

W - минимальная скорость пара в свободном сечении колонны.

Диаметр патрубков:

G - расход вещества; q - плотность вещества;

w - скорость вещества.

Размещено на Allbest.ru