Методы утилизации и очистки газовых выбросов

Содержание:

 

1. Введение	3
2. Составы и свойства газообразных выбросов основного органического синтеза 2.1.Отходы основного органического синтеза.	7   10
3. Методы утилизации и очистки газовых выбросов 3.1.Типы утилизации для получения тепловой энергии	13 23
4. Выбор рациональной схемы очистки	25
5. Вывод	27
6. Список литературы	28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Органические вещества известны человечеству с древнейших времен. Применяя сравнительно простые способы  переработки растений, люди издавна  умели получать сахар, душистые и  лекарственные вещества, красители, мыло и т.д. Например, сахар выделяли из тростника, краситель синего цвета  «индиго» – из восточно-азиатских растений, краситель пурпурного цвета «античный пурпур» – из морских улиток, а ализарин – из корней морены. Люди умели не только выделять органические вещества, но и подвергали их различным превращениям. Например, вино получали из виноградного сока, а уксус – из перебродившего вина.

Поиски новых превращений  химических веществ оказались весьма плодотворными в средние века, когда интенсивно развивалась «алхимия». Не зная состава доступных в то время органических веществ, алхимики чисто эмпирически получили из них  многие полезные вещества.

После фундаментальных работ  М. Ломоносова и А. Лавуазье, сформулировавших закон сохранения веса веществ, химики научились определять состав органических веществ и выражать его в виде эмпирической формулы, отражающей минимальное целочисленное отношение атомов в молекуле, а затем и в виде молекулярной формулы, отражающей число атомов каждого элемента, входящего в состав молекулы. Эти работы открыли возможность развития органической химии как науки. В конце XVIII – начале XIX веков были открыты важнейшие углеводороды и установлены их молекулярные формулы. Метан CH₄ был открыт А. Вольта в 1778г. при исследовании болотного газа. Этилен C₂H₄ впервые был получен в 1795 г. действием концентрированной серной кислоты на этиловый спирт. Бензол C₆H₆ был выделен М. Фарадеем в 1825 г. из конденсата светильного газа. Ацетилен C₂H₂ был открыт Э. Дэви в 1836 г., а в 1862 г. получен Ф. Вёлером действием воды на карбид кальция.

Наличие углерода в каждом органическом веществе позволило шведскому  химику И. Берцелиусу определить “органическую химию как химию соединений углерода” (1806 г.). Впоследствии это определение ввел в свой учебник по органической химии и Ф. Кекуле. Оно является общепринятым и в настоящее время.

И. Берцелиус полагал, что органические соединения, содержащиеся в растениях и в животных, обязаны своим происхождением особой жизненной силе: «Жизненная сила лежит целиком за пределами неорганических элементов и не связана ни с каким из их обычных свойств… Что представляет собой эта сила, как она возникает и где кончается – мы не знаем». Тем не менее, вскоре были проведены первые синтезы органических веществ из неорганических:

Метан, этилен, ацетилен, бензол явились с течением времени основными  сырьевыми веществами органической химии. Особое значение как сырье  в начале XIX века приобрел бензол. В  связи с бурным развитием металлургии  потребовались значительные количества кокса, при производстве которого в  качестве побочного продукта получали каменноугольную смолу. Именно в  эти годы были открыты многие реакции  бензола и его производных.

Химики-органики того времени  остро ощущали необходимость  теоретического осмысления огромного  экспериментального материала. Молекулярные формулы, определявшие состав органических соединений, оказывались явно недостаточными для понимания их свойств. Из разных структурных теорий следует отметить теорию радикалов (Ж. Дюма и Ю. Либих, 1837 г.) и теорию типов (Ш. Жерар, 1851 г.). Переломным моментом в развитии органической химии явилось создание в 1858–1864 гг. теории химического строения.

Теория химического строения способствовала бурному развитию органического синтеза. Этим понятием химики стали определять последовательность превращений тех или иных органических веществ для получения целевого продукта. С применением бензола в качестве сырья во второй половине девятнадцатого века были получены многие полезные продукты – лекарства, красители, душистые вещества.

В 20-е годы прошлого века важное значение в качестве сырья для органического синтеза приобрели продукты переработки нефти. В частности, этилен оказался ценным сырьем для производства полиэтилена, поливинилхлорида, этилового спирта, ацетальдегида, уксусной кислоты.

Возможности органической химии  в настоящее время практически  не ограничены как в области синтеза  сложнейших природных структур, так  и в области расчета и моделирования  свойств органических молекул и  макромолекул. Реализация этих возможностей требует, однако, безусловного владения основами органической химии.

Реализация органического  синтеза включает следующие научные, организационные и технологические  этапы: задание структуры целевой  молекулы, рассмотрение возможных схем синтеза, подбор продуктов, аппаратуры, проведение химических реакций, выделение  промежуточных и целевых продуктов, их анализ и очистку, модифицирование, принятие мер безопасности, экологический контроль, экономический анализ и другие.

Окончательный выбор метода синтеза происходит после всестороннего  комплексного анализа этих этапов и  их оптимизации.

Большинство органических полупродуктов  и конечная продукция, применяемая  или производимая в отраслях химической промышленности, изготавливается из ограниченного числа основных продуктов  нефтехимии. При переработке сырой  нефти или природного газа на различных  стадиях процесса, например, перегонке, каталитическом крекинге, удалении серы и алкилировании, возникают как газообразные, так и растворенные в воде и сбрасываемые в канализацию отходы. К ним относятся остатки и отходы технологических процессов, не поддающиеся дальнейшей переработке. Эти отходы являются одним из основных источников химического загрязнения.

Газообразные выбросы  установок перегонки и крекинга при переработке нефти в основном содержат углеводороды, моноксид углерода, сероводород, аммиак и оксиды азота. Та часть этих веществ, которую удается собрать в газоуловителях перед выходом в атмосферу, сжигается в факелах, в результате чего появляются продукты сгорания углеводородов, моноксид углерода, оксиды азота и диоксид серы. При сжигании кислотных продуктов алкилирования образуется фтороводород, поступающий в атмосферу. Также имеют место неконтролируемые эмиссии, вызванные различными утечками, недостатками в обслуживании оборудования, нарушениями технологического процесса, авариями, а также испарением газообразных веществ из технологической системы водоснабжения и из сточных вод.

 

 

 

 

 

 

2. Составы и свойства газообразных выбросов основного органического синтеза

Под загрязнением атмосферы  следует понимать изменение ее состава  при поступлении примесей естественного  или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

На многих промышленных предприятиях, в результате проведения технологического процесса, происходит выброс в атмосферу  большого количества вредных веществ. Чаще всего эти выбросы содержат: монооксид и диоксид азота, монооксид углерода (угарный газ), органические вещества, которые делятся на:

• летучие органические соединения, в т.ч. продукты неполного сгорания топлива,
• стиролы, альдегиды, кетоны (выбросы предприятий производящих полимеры),
• растворители - спирты, эфиры (в т.ч. ацетаты), толуол и другие производные бензола.

Основной вклад в высокий  уровень загрязнения воздуха  вносят предприятия черной и цветной  металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых  городах и котельные.

Атмосферные загрязнители разделяют  на первичные, поступающие непосредственно  в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.

Основными вредными примесями  пирогенного происхождения являются следующие:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн.т. Оксид углерода является соединением активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

в) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие; азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.

г) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1.Отходы основного  органического синтеза.

Основно́й органи́ческий си́нтез (тяжёлый органический синтез) — многотоннажное малостадийное промышленное производство органических соединений на основе углеводородного сырья (нефть, газ, уголь) и продуктов его переработки. В отличие от тонкого органического синтеза, производство продукции основного органического синтеза, как правило, представляет собой непрерывный процесс, реализованный на крупных производственных комплексах с агрегатами большой единичной мощности (до 1000 тыс. тонн в год).

Органический промышленный синтез можно разделить на группы по используемому сырью:

• Предельные углеводороды (метан, парафины);
• Непредельные углеводороды (этилен, ацетилен);
• Ароматические углеводороды (бензол);
• Синтез-газ.

Рассмотрим химические предприятия, использующие в качестве сырья предельные углеводороды, например производящие этилен, ацетилен, бутадиен, высшие кислоты и спирты.

При производстве ацетилена  дегидрированием углеводородного сырья по реакции:

,

возможна побочная реакция, протекающая при температуре  выше оптимальных 1500 ⁰С:

.

Как следствие, образующаяся сажа не только загрязняет реактор, но и выбрасывается в окружающую среду либо с промывными водами, либо в виде мелкодисперсной пыли в атмосферу.

При производстве высших жирных кислот из парафинов окислением кислородом в присутствии солей марганца в качестве катализаторов основными  загрязнителями являются неомыляемые продукты окисления и продукты их последующего сжигания в печи.

В основу производств, основанных на непредельных углеводородах, например производство ацетальдегида с последующим окислением до уксусной кислоты, или полимеризация этилена при высоком или низком давлении, заложена высокая активность сырья при температурах синтеза и его взрывоопасность, следовательно, на таких предприятиях высок риск разового выброса опасных веществ в атмосферу.

Таблица 2.1. Температуры самовоспламенения наиболее распространенных горючих примесей отходящих газов.

Производство полиэтилена  и подобных полимеров методом  радикальной полимеризации предполагает высокую степень конверсии этилена  и соответственно минимальное загрязнение  окружающей среды.

Несмотря на постоянно  совершенствующиеся методы безотходного производства, на любом предприятии  химической органической промышленности в отходящих газах постоянно  присутствуют токсичные пары органических веществ. В рамках концепции устойчивого равития общества химик как эколог должен предложить методы очистки газовых выбросов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Методы утилизации  и очистки газовых выбросов

Основной физической характеристикой  примесей атмосферы является концентрация — масса (мг) вещества в единице  объема (м³) воздуха при нормальных условиях. Концентрация примесей (мг/м³) определяет физическое, химическое и другие воздействия веществ на окружающую среду и человека и служит основным параметром при нормировании содержания примесей в атмосфере.

Твердые частицы

Процесс очистки газов  от твердых и капельных примесей в различных аппаратах характеризуется  несколькими параметрами, в частности  общей эффективностью очистки:

где Свх и Свых — массовые концентрации примесей в газе соответственно до и после пылеуловителя; n — эффективность очистки.

Если очистка ведется  в системе последовательно соединенных  аппаратов, то общая эффективность  очистки:

где n₁, n₂, n_п — эффективность очистки 1, 2 и n-го аппаратов.

Для оценки эффективности  процесса очистки также используют коэффициент проскока (К) частиц через  пылеуловитель:

Коэффициент проскока и эффективность  очистки связаны соотношением

Классификация пылеулавливающего  оборудования основана на принципиальных особенностях механизма отделения  твердых частиц от газовой фазы. Пылеулавливающее оборудование разнообразно и может быть разделено на 4 типа (рис. 3.1).

 
Рис. 3.1. Классификация пылеулавливающего оборудования

 

 

 

Простыми и широко распространенными  являются аппараты сухой очистки  воздуха и газов от крупной  неслипающейся пыли. К их числу  относятся разнообразные по конструкции  циклоны, принцип действия которых  основан на использовании центробежной силы, воздействующей на частицы пыли во вращающемся потоке воздуха (рис. 3.2).

 

Рис. 3.2. Схема работы циклона:

1 — корпус;

2 — патрубок,

3 — труба; 

4 — бункер.

Газы, подвергаемые очистке, вводятся через патрубок по касательной  к внутренней поверхности корпуса. За счет тангенциального подвода  происходит закрутка газопылевого потока. Частицы пыли отбрасываются к  стенке корпуса и по ней ссыпаются  в бункер. Газ, освободившись от пыли, поворачивает на 180° и выходит из циклона через трубу. Циклон рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами.

Аппараты электрофильтрационной очистки предназначены для очистки больших объемных расходов газа от пыли и тумана (масляного), в частности дымовых газов содорегенерационных котло-агрегатов. Конструкция таких агрегатов отличается большим разнообразием, но принцип действия одинаков и основан на осаждении частиц пыли в электрическом поле. На рис. 3.3 представлены типы электрофильтров.

Рис. 3.3.

Типы электрофильтров:

а) вертикальный трубчатый  однозонный однопольный;

б) горизонтальный пластинчатый однозонный однопольный;

в) горизонтальный двухзонный однопольный:

1 — агрегаты электропитания; 2 — изоляторы; 3 — коронирующие  электроды; 4 — осадительные электроды; 5 — отрицательные электроды ионизатора; 6 — положительные электроды ионизатора.

Очищаемые газы проходят через  систему коронирующих и осадительных электродов. К коронирующим электродам подведен ток высокого напряжения, благодаря коронному разряду происходит ионизация частиц пыли, которые приобретают электрический заряд. Заряженные частицы двигаются в электрическом поле в сторону осадительных электродов и оседают на них. Осевшая пыль удаляется из электрофильтров встряхиванием электродов в сухих электрофильтрах или промывкой в мокрых. В однозонных электрофильтрах ионизация и осаждение частиц осуществляются в одной зоне. Для тонкой очистки газов более эффективными являются двухзонные электрофильтры, в которых ионизация частиц происходит в специальном ионизаторе. Электрофильтры могут состоять из одной или нескольких секций, в каждой из которых создается свое электрическое поле. Аппараты с последовательным расположением таких секций называются многопольными, а с параллельными — многосекционными или многокамерными.

Газообразные  и парообразные выбросы

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных и парообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов подразделяются на пять основных групп:

1. промывка выбросов растворителя примесей (абсорбция);
2. промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция);
3. поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция);
4. термическая нейтрализация отходящих газов
5. поглощение примесей с помощью каталитического превращения.

Классификация оборудования для очистки от газо- и парообразных загрязнителей приведена на рис.3..

Рис. 3.4. Классификация оборудования для очистки от газо- и парообразных загрязнителей

Метод абсорбции обеспечивает очистку газовых выбросов путем  разделения газовоздушной смеси на составные части за счет поглощения одной или нескольких вредных примесей (абсорбатов), содержащихся в этой смеси, жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.

Контакт очищаемых газов  с абсорбентом осуществляется пропусканием газа через насадочную колонну, либо распылением поглощающей жидкости, либо барботажем через ее слой. В зависимости от способа контакта "газ — жидкость" различают следующие аппараты: насадочные башни; форсуночные и центробежные скрубберы; скрубберы Вентури; барботажно-пенные, тарельчатые и другие типы скрубберов.

Конструкция широко используемых для абсорбционной очистки противопоточных  насадочных башен аналогична конструкции  насадочного скруббера, который  может иметь несколько слоев  насадки, увеличивающих площадь  контакта газа с абсорбентом. Очищенный  газ обычно отводится в атмосферу, а жидкость, содержащую вредные растворимые  примеси, подвергают регенерации для  отделения вредных веществ, после  чего возвращают в аппарат или  отводят в качестве отхода.

Метод хемосорбции заключается  в поглощении вредных газовых  и паровых примесей, содержащихся в газовых выбросах, твердыми или  жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Этот метод применяют при небольших концентрациях вредных примесей в отходящих газах.

Очистка газов с помощью  хемосорбции осуществляется в насадочных башнях, пенных и барботажных скрубберах, распылительных аппаратах типа труб Вентури и в аппаратах с различными механическими распылителями.

Достоинство методов абсорбции  и хемосорбции заключается в  непрерывности ведения технологического процесса и экономичности очистки  больших количеств газовых выбросов. Недостаток — громоздкость оборудования и необходимость создания систем жидкостного орошения. В процессе очистки газы подвергаются охлаждению, что снижает эффективность их рассеяния при отводе в атмосферу. В процессе работы абсорбционных  аппаратов образуется большое количество отходов, состоящих из смеси пыли, поглощающей жидкости и вредных  примесей, которые подлежат транспортировке  и утилизации, что усложняет и  удорожает процесс очистки.

Адсорбционный метод очистки  газов основан на поглощении содержащихся в них вредных примесей поверхностью твердых пористых тел с ультрамикроскопической структурой, называемых адсорбентами. Эффективность процесса адсорбции  зависит от пористости адсорбента, скорости и температуры очищаемых  газов.

Чем больше пористость адсорбента и выше концентрация примеси, тем  интенсивнее протекает процесс  адсорбции. В качестве адсорбентов  для очистки газов от органических паров, поглощения неприятных запахов  и газообразных примесей, содержащихся в небольших количествах в  промышленных выбросах, широко применяют  активированный уголь, удельная поверхность  которого составляет 102-103 м²/г.

Кроме активированного угля используются активированный глинозем, селикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита, которые наряду с активированным углем обладают высокой адсорбционной способностью и избирательностью поглощения определенных газов, механической прочностью и способностью к регенерации. Последнее свойство очень важно, так как при снижении давления или повышении температуры оно позволяет удалять из адсорбента поглощенные газы без изменения их химического состава и тем самым повторно использовать адсорбент и адсорбируемый газ.

Аппараты адсорбционной  очистки работают периодически или  непрерывно и выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых  емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который проходит поток  очищаемого газа. Выбор конструкции  определяет расход очищаемого газа, размер частиц адсорбента, степень очистки  и другие факторы.

Вертикальные адсорберы  отличаются небольшой производительностью. Производительность горизонтальных и  кольцевых адсорберов достигает  десятков и сотен тысяч м³/ч. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период очистки газов чередуется с периодом регенерации твердого адсорбента.

Адсорберы непрерывного действия представляют вертикальную многосекционную колонну с движущимся сверху вниз адсорбентом, который проходит зоны охлаждения, поглощения, ректификации, нагрева и десорбции и вновь возвращается в исходное положение. Газ поступает в зону поглощения и движется навстречу адсорбенту.

Термическая нейтрализация  обеспечивает окисление токсичных  примесей в газовых выбросах до менее  токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры  газов. Этот метод применяется при  больших объемах газовых выбросов и значительных концентрациях загрязняющих примесей.

Присутствующие в отходящих технологических газах и вентиляционных выбросах большого числа производств токсичные пары органических веществ в большинстве случаев подвергают деструктивной каталитической очистке. Катализаторы для таких процессов приготовляют на основе меди, хрома, кобальта, марганца, никеля, платины, палладия и других металлов. В отдельных случаях используют некоторые природные материалы (бокситы, цеолиты).

Среди катализаторов условно различают: цельнометаллические, представляющие собой металлы платиновой группы или неблагородные металлы, нанесенные на ленты, сетки, спирали или листы из нержавеющей стали; смешанные, включающие металлы платиновой группы и оксиды неблагородных металлов, нанесенные на оксид алюминия, нержавеющую сталь или другие металлы; керамические, состоящие из металлов платиновой группы или оксидов неблагородных металлов, нанесенных на керамическую основу в виде сот или решеток; насыпные, приготовляемые в виде гранул или таблеток различной формы.

Обычно нанесенные на металлические носители катализаторы имеют некоторые преимущества перед другими типами катализаторов. Они отличаются большими значениями термостабильности и периода эксплуатации около 1 года и более, высокими износостойкостью и прочностными характеристиками, развитой поверхностью и пониженной насыпной плотностью, их регенерация не представляет существенных трудностей. Эти показатели цельнометаллических катализаторов (особенно содержащих платину) наряду с малым гидравлическим сопротивлением (до 196—245 Па) обусловливают широкую распространенность и перспективность их использования для обработки весьма значительных объемов газовых выбросов, содержащих пары растворителей, фенолов и других токсичных органических веществ.

Более просты и дешевы в  изготовлении катализаторы на основе из керамики. Они также характеризуются низким гидравлическим сопротивлением, обладают, как правило, меньшей насыпной плотностью, сохраняют активность при обезвреживании запыленных потоков, однако являются менее термостабильными, чем цельнометаллические катализаторы. Наиболее активны среди них катализаторы, включающие платину и палладий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.Типы утилизации для получения тепловой энергии

Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов  от легко окисляемых токсичных, а  также дурно пахнущих примесей. Их преимуществами являются относительная  простота аппаратурного оформления и универсальность использования, так как на работу термических  нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов.