Розділ 4 адсорбційне і хемосорбційне очищення газів

Адсорбційні методи використовують для очищення газів з невисоким вмістом газоподібних і пароподібних домішок. На відміну від абсорбційних методів вони дозволяють проводити очищення газів при підвищених температурах.

Найбільше розповсюдження отримали наступні адсорбенти: активоване вугілля, силікагелі, алюмогелі і цеоліти, синтетичні цеоліти. Для очищення газів використовуються адсорбери без­перервної і періодичної дії. Адсорбери періодичної дії працюють з нерухомим і киплячим шаром адсорбенту.

4.1 Адсорбція парів летких розчинників

Рекуперація органічних розчинників має як економічне, так і екологічне значення, оскільки втрати їх з газами досить великі. Для їх рекуперації найбільшого поширення набули методи адсорбції. Уловлювання парів можливе будь-якими дрібнопористими адсор­бентами: активним вугіллям, силікагелями, алюмогелями, цеолітами, пористими склами, тощо. Проте активні вугілля, що є гідрофобними адсорбентами, підходять найбільше для вирішення цього завдання: при відносній вологості пароповітряних або парогазових потоків до 50% волога практично не впливає на здатність сорбуватися парів органічних розчинників. Рентабельність адсорбційних установок залежить від концентрації в газах парів летких органічних розчин­ників. Найменші концентрації розчинників при яких забезпечується рентабельність рекуперацій­них установок, наведені нижче.

Таблиця 4.1 – Концентраційні параметри розчинників

Розчинник	С, г/м^3	Розчинник	С, г/м^3
Ацетон	3,0	Метіленхлорид	2,0
Бензин	2,0	Сірковуглець	6,0
Бензол	2,0	Тетрахлорвуглець	4,5
Бутилацетат	1,5	Толуол	2,0
Ксилол	2,1	Трихлоретилен	1,8
Метілацетат	2,1	Етиловий спирт	1,8

Поглинання парів летких розчинників можна проводити в стаціонарних (нерухомих), киплячих і щільних рухомих шарах поглинача. Проте у виробничій практиці найпоширенішими є рекупераційні установки із стаціонарним шаром адсорбенту, що розміщується у вертикальних, горизонтальних або кільцевих адсорберах. Адсорбери вертикального типу зазвичай використо­вують при невеликих потоках пароповітряних (парогазових) сумішей, що підлягають очищенню, горизонтальні і кільцеві апарати служать, як правило, для обробки таких сумішей при високих (десятки і сотні тисяч кубометрів в годину) швидкостях потоків. Рекупераційні установки з адсорберами періодичної дії (із стаціонарним шаром адсорбенту) працюють за трьома технологічними циклами: чотирьох-, трьох- і двофазним:

Чотирьохфазний цикл включає послідовно фази адсорбції, десорбції, сушки і охолодження. Адсорбцію проводять на активному вугіллі. При десорбції з насиченого адсорбенту гострою парою видаляють адсорбований розчинник. При сушці нагрітим повітрям з адсорбенту витісняють вологу, що накопичується в ньому у фазі десорбції при конденсації частини гострої пари. Нагрітий і зневоднений поглинач охолоджують атмосферним повітрям.

Трифазний цикл має відмінність від чотирьохфазного в тому, що виключається одна з останніх фаз чотирьохфазного циклу, наприклад, процес охолодження адсорбенту як самостійна фаза: шар поглинача охолоджують при адсорбції відпрацьованим (очищеним від парів розчинника) повітрям. Може виключатися і фаза сушки. У цьому варіанті після адсорбції проводять нагрів насиченого адсорбенту гарячим інертним газом з відведенням парової суміші в конденсатор. Такий процес десорбції завершують потім проду­ванням шару вугілля водяною парою. У наступній фазі охолодження поглинач обробляють холодним повітрям. Фазу сушки як само­стійну стадію зазвичай виключають, якщо після десорбції адсорбент має відносно низьку вологість. В цьому випадку у фазі охолодження досягається повна регенерація адсорбенту.

Двофазний цикл включає дві стадії (операції): адсорбцію і десорбцію. При цьому процес адсорбції поєднують із сушкою і охолодженням поглинача. З цією метою певний час пароповітряну суміш подають в шар в нагрітому стані (50–60°С), а потім без підігріву, або протягом всієї фази адсорбції пароповітряну суміш подають в шар при однаковій температурі (до 35°С).

Вибір того або іншого циклу роботи рекупераційної установки визначається характером розчинників, що підлягають уловлюванню, їх вмістом в початковій пароповітряній суміші, особливостями і техніко-економічними можливостями виробництва, в технології якого відбувається утворення парів летких розчинників. Вважають, що при відносно високих концентраціях парів летких розчинників в пароповітряних сумішах (до 50% нижньої концентраційної межі вибухонебезпеки) раціонально використовувати чотирьохфазний цикл, у разі середніх і малих концентрацій (2-3 г/м³) доцільніше застосовувати трифазний цикл (з виключенням фази охолодження). Двофазний цикл з адсорбцією парів з пароповітряної суміші при однаковій температурі (до 35°С) може бути прийнятий для рекуперації розчинників, що не змішуються з водою, а двофазний цикл з підігрівом пароповітряної суміші до 50-60°С нераціональний через роботу поглинача в цих умовах із зниженою активністю.

З метою гарантування безперервності процесу рекуперації установка уловлювання парів летких розчинників повинна включати як мінімум два адсорбери періодичної дії (зазвичай їх число складає від 3 до 6 і більше).

Щоб уникнути втрат розчинників із очищеними відпрацьованими вихлопними газами процес адсорбції можна проводити шляхом передачі пароповітряної суміші, що пройшла основний адсорбер, в додатковий адсорбер, що послідовно включається. В цьому випадку кожен з цих двох адсорберів послідовно грає роль головного або хвостового апарату. Такий прийом дещо збільшує витрати на транспортування пароповітряної суміші, але у ряді випадків окупається зниженням втрат уловлюваних розчинників.

Періодичність перемикання адсорберів рекупераційної уста­новки на ту або іншу фазу технологічного циклу визначається графіком її роботи.

На рис. 4.1 представлений приклад схеми адсорбційного відділення установки вловлювання парів органічних розчинників, що працює за двофазним циклом, з пароповітряних сумішей, що утворюються при фарбуванні шкір нітроемалями.

Відповідно до цієї схеми пароповітряну суміш із вмістом парів розчинників (бутилацетат, бутиловий спирт, толуол або бензол, етиловий спирт, ацетон) 5-6 г/м³ вентилятором через калорифери подають в адсорбери, заповнені активним вугіллям АР-3, очищають в них і викидають в атмосферу через вихлопну трубу. На початку процесу поглинання пароповітряну суміш підігріту до 50-60°С протягом 2 годин подають в шар гарячого і вологого поглинача, протягом подальшого часу нагрів не проводять (процес насичення триває 8-12 год.). Таким чином, паралельно з поглинанням парів розчинників з пароповітряної суміші, що очищається, протягом першої фази цього циклу проводять висушування і охолоджування поглинача. Після закінчення адсорбції поглинені розчинники видаляють з вугілля гострою парою. Протягом цієї другої фази циклу температуру в адсорбері підтримують між 115 і 118°С. Десорбцію припиняють досягши густину дистиляту, що утворю­ється в конденсаторі, рівної 0,966 г/см³. Дистилят (конденсат) з конденсатора через роздільник фаз і відстійник направляють в сховище, звідки частину продукту повертають безпосередньо у виробництво, а частину перекачують у відділення ректифікації для подальшої переробки.

Розвиток адсорбційного методу рекуперації парів летких розчинників в світовій практиці йде в основному за двома напрямами. Один з них пов'язаний з апаратурним оформленням рекупераційних установок, інший – з вугільними поглиначами парів летких розчинників.

Рисунок 4.1 – Схема адсорбційного очищення газів від парів органічних розчинників при фарбуванні шкіри нітроемалями

1 – вентилятор; 2 – калорифер; 3 – адсорбер; 4 – конденсатор; 5 – розділювач фаз; 6 – відстійник.

Останнім часом велика увага приділяється установкам безперервної дії із рухомим щільним і псевдозрідженим шаром адсорбенту. До переваг таких установок відносять високі швидкості оброблюваних потоків, що обумовлюють компактність устат­кування; високий коефіцієнт використання адсорбентів; відсутність енерговитрат на періодичне нагрівання і охолодження одного і того ж апарату; можливість порівняно простої і повної автоматизації і простоти обслуговування.

Велика увага останніми роками приділяється і вугільним матеріалам-поглиначам: розширюється їх сировинна база, ведуться роботи, які мають своєю метою отримання високоактивного і зносостійкого гранульованого активного вугілля і вже знаходять практичне застосування в промисловості різні ткані і неткані матеріали на основі вуглецевих активних волокон, наприклад установки з фільтрами, основу яких, складає активне вугільне волокно, що отримується на базі целюлозних волокон.

Переваги використання активних вуглецевих волокон перед гранульованим активним вугіллям полягають в можливості забез­печення підвищеного ступеня рекуперації розчинників (зазвичай вище 99%); суттєвому зниженні втрат розчинників, пов'язаних з термічним розкладанням останніх у присутності вуглецевих адсор­бентів, і, як наслідок, підвищенні кількості рекуперованого продукту; застосовності для рекуперації мономерів, що поліме­ризуються, і розчинників із високою температурою кипіння; зниженні пожежо- і вибухонебезпеки; компактності адсорбційної апаратури навіть з нерухомим шаром активних вуглецевих волокон.

Для здійснення безперервного процесу запропоновані адсор­бери, в яких полотно тканини рухається перпендикулярно руху газу. Тканина змотується в рулон, що забезпечує можливість її періодичної регенерації з отриманням концентрованого потоку десорбата. Ця ж мета може бути досягнута і при використанні адсорбера з вертикальними полотнищами, що розташовуються в декілька паралельних рядів, складаються з активного вуглецевого і іншого, міцнішого волокна. Через зазори між їх поверхнями пропускають парогазову суміш (адсорбційна здатність тканини з активного вуглецевого волокна не залежить від напряму парогазового потоку).

З метою досягнення глибшого очищення потоків від парів летких розчинників використовують комбіновані методи, що поєднують різні процеси.

На рис. 4.2 як приклад представлена схема установки рекуперації фенолу і етанолу з відхідних газів виробництва багатошарових пластиків, що працює за комбінованим методом. Для уловлювання парів фенолу на цій установці використовують абсорбційний, а для уловлювання парів етанолу – адсорбційний метод.

Рисунок 4.2 – Схема установки рекуперації фенолу та етанолу в виробництві пластиків

1 – холодильник; 2 – теплообміник; 3 – відстійник; 4 – ємність; 5 – абсорбер; 6 – фільтр; 7 – адсорбер; 8 – теплообмінник; 9 – ємність; 10 – ректифікаційна колона.

Відповідно до цієї схеми пароповітряну суміш із вмістом 0,2-0,5 г/м³ фенолу і 5-7 г/м³ етанолу при 120°С подають в контактний холодильник, де охолоджують її до 30-40°С і одночасно очищають від смолянистих включень циркулюючим розчином гідроксиду натрію. Останній охолоджують в теплообміннику. Смолянисті речовини виділяють у відстійнику і періодично видаляють на спалювання. Очищену від смолянистих включень пароповітряну суміш направляють в абсорбер, де фенол абсорбують розчином гідроксиду натрію (ефективність очищення 98-99%). Насичений фенолом розчин збирають в ємність і направляють на переробку. Звільнену від фенолу пароповітряну суміш через фільтр подають в адсорбер, де на активному вугіллі очищають від парів етанолу. Насичений поглинач регенерують гострою парою з отриманням 10-22%-го водно-етанольного конденсату, який направляють на ректифікацію в колону. Установка забезпечує очищення повітря від фенолу і етанолу до вимог санітарних норм і повернення у виробництво практично всієї вловленої кількості фенолу і етанолу.

Різновиди комбінованого методу уловлювання парів летких розчинників дуже різноманітні. Наприклад, відповідно до одного з його варіантів вловлювання проводять компримуванням паро­повітряної суміші до невеликого тиску з подальшимм її пропусканням спочатку через абсорбер, зрошуваний розчинником, пари якого уловлюють (при цьому з пароповітряної суміші поглинається велика частина розчинника, що вловлюється), а потім через абсорбер, в якому як поглинач залишкової кількості парів використовують важкі вуглеводні. Відповідно до ще одного з варіантів для видалення парів розчинників із їх сумішей з повітрям або газами потік паро­повітряної (парогазової) суміші контактує з водною суспензією, що отримується введенням в розчин до 25% порошкового вугілля з розміром зерен до 100 мкм.