Очистка вентиляційних викидів лінолеумного виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Очистка вентиляційних викидів лінолеумного виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток будівельного комплексу України пов`язано зі значними потребами в будівельних матеріалах. В останні роки широке застосування в будівництві знаходять різноманітні полівінілхлоридні плитки і лінолеум.

Гази, що відходять з камер желювання при виробництві полівінілхлоридного лінолеуму, містять більш десяти шкідливих органічних компонентів, концентрація ряду з них значно перевищує ГДК.

Дані з досліджень поведінки цих інгредієнтів при попаданні в довкілля свідчать про їхнє дуже повільне біорозкладення, низьку пружність пари, часто незначну розчинність у воді і високий ступінь адсорбції грунтом.

Вищезазначене виводить наукову задачу очистки газів, що викидаються в атмосферу технологічними агрегатами полімерної хімії, до яких відноситься і лінолеумне виробництво, на одне з перших місць серед сучасних екологічних проблем України і, особливо, Донбасу, оскільки цей регіон занадто насичений підприємствами згаданого профілю.

В цій ситуації надзвичайно актуальне питання підвищення надійності і ефективності засобів очистки вентиляційних викидів лінолеумного виробництва, а також забезпечення можливості утилізації цінних продуктів уловлювання.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота велася по завданню Мінбудматеріалів України в рамках проекту 3.01.035.014 «Створити і відпрацювати в умовах промислової експлуатації нові та вдосконалені методи і апарати для захисту повітряного басейну».

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне і експериментальне обґрунтування комплексної системи очистки вентиляційних викидів лінолеумного виробництва, основаної на принципах охолоджування газів і капілярної конденсації органічних компонентів; розробка методики інженерного розрахунку апаратів цієї системи.

Поставлена мета досягнута вирішенням таких задач:

- вивчення температурних умов і складу газової фази в камерах желювання лінолеумної маси, характеру і кількості токсикантів в вентиляційних викидах виробництва;

- розробка концепції структурної схеми очистки високотемпературних газів лінолеумного виробництва;

- оцінка можливості використання для капілярної конденсації охолодженої пари діоктилфталату пористих фторопластових фільтрів;

- дослідження гідравлічних властивостей пористого фторопласту;

- розробка комплексної установки знешкоджування газів лінолеумного виробництва з утилізацією вловлених продуктів;

- розробка методики розрахунку і проектування апаратів установки очистки газів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому:

- здійснено науково обґрунтоване технічне рішення системи очистки вентиляційних газових викидів лінолеумного виробництва, що мають температуру 180-200^оС і містять діоктилфталат та хлористий водень; яке полягає в теоретичному обґрунтуванні доцільності та ступеня попереднього охолодження газів, а також використання явища капілярної конденсації діоктилфталату;

- отримано рівняння впливу температурного фактора на парціальний тиск пари діоктилфталату в газовій фазі;

- визначено гідравлічні властивості пористих фторопластових фільтрів і отримано рівняння, що описують залежність питомої пропускної спроможності фільтрів від перепаду тиску на фільтрі і коефіцієнта гідравлічного опору від числа Рейнольдса;

- встановлено вплив температури на коефіцієнт поверхевого натягу на межі фаз: рідкий діоктилфталат - фторопласт;

- вивчено ефективність знешкодження вентиляційних викидів від діоктилфталату і хлористого водню при різних технологічних схемах очистки.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено науково обгрунтоване апаратурне оформлення схеми очистки високотемпературних вентиляційних викидів лінолеумного виробництва;

- створено методику графо-аналітичного розрахунку фільтра-краплеуловлювача, який складається з блоків пористого фторопласта;

- розроблено технологію знешкодження вентиляційних викидів лінолеумного виробництва за допомогою комплексної установки очистки.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особистий внесок здобувача полягає у:

- постановці задач по всіх розділах дисертаційної роботи;

- розробці методик досліджень, наведених в дисертації;

- безпосередній участі у проведенні лабораторних, стендових та промислових досліджень;

- математичній обробці результатів експериментальних досліджень;

- розробці комплексної системи очистки вентиляційних викидів лінолеумного виробництва;

- систематизації і науковому аналізі отриманих результатів.

В усіх публікаціях зі співавторами основні ідеї і розробки належать автору дисертації. Винятком є публікація [5], де автору належить ідея обробки газів у ширмових теплообмінних апаратах.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи виносилися на обговорення і були схвалені на Всесоюзній конференції «Очистка повітря і знешкоджування відходячих газів» (м. Пенза, Приволзький будинок економічних та науково-технічних знань, 1991 р.), міжнародних науково-технічних конференціях «Екологія промислового регіону» (м. Донецьк, 1995 р.), «Ресурсозберігаючі технології в виробництві будівельних матеріалів» (м. Макіївка, 1995 р.), другій Всеукраїнській конференції ім.Т.Г. Шевченка (м. Київ, 1996 р.), науково-технічних конференціях ДДАБА (м. Макіївка, 1993, 1995 і 1996 рр.).

У повному об`ємі закінчена дисертаційна робота доповідалася на кафедрі «Теплотехніка, теплогазопостачання і вентиляція» ДДАБА.

Публікації. За темою дисертації опубліковано сім друкованих праць: одна в академічному журналі, чотири - в наукових збірниках, одна - в збірнику матеріалів конференції і одна - депонована в ДНТБ України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку літератури з 142 найменувань та чотирьох додатків. Дисертацію викладено на 131 сторінці тексту, включаючи 25 рисунків (25 стор.) 17 таблиць (9 стор.).

Основний зміст роботи

газ желювання лінолеум ний токсикант

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та задачі дослідження, наведені основні наукові результати, отримані автором, показане їхнє практичне значення і реалізація.

В розділі 1 аналізується технологія виробництва лінолеуму, стан та науково-технічні досягнення з проблеми очистки газів, що містять органічні компоненти.

Очистка газів від органічних сполук являє собою складний комплекс явищ фізико-хімічного перетворення, гідродинамічних і теплових процесів.

Теоретичне обґрунтування та технічне втілення в практику різноманітних способів очистки вентиляційних викидів полімерної хімії надане в роботах ряду вчених: Шефтеля В.О., Рамма В.М., Семенова О.Ю., Денисова В.Ф., Спейшера В.А., Кирпичева В.А., Горбенка-Германова Д.С. та ін.

Аналіз сучасного стану питання очистки газів від органічних сполук показав, що при всій різноманітності розроблених методів газоочищення на підприємствах полімерної хімії універсального способу не існує. Вибір того або іншого методу залежить від характеру виробництва і, відповідно, від складу, властивостей і параметрів газових викидів.

На основі вивчення літературних і патентних джерел і проведеного аналізу сформульовані основні напрямки досліджень та розроблені методики експериментальних досліджень.

В розділі 2 наведені характеристики об`єктів і методи досліджень. Як базовий об`єкт досліджень прийняті сучасні (введені в експлуатацію в 1991 році) лінії виробництва лінолеуму на Донецькому заводі гумо-хімічних виробів, які складаються з двох камер термопластифікації (желювання).

В даній роботі, окрім стандартних, розроблено ряд спеціальних методів досліджень: температурного поля і складу газової фази в камерах желювання; гідравлічного випробування фільтрів з пористих матеріалів; визначення поверхневих властивостей діоктилфталату.

Для одержання вірогідних експериментальних даних зроблено метрологічний аналіз виконання експериментів, результати оброблено методами математичної статистики.

В розділі 3 наводяться результати досліджень процесів знешкоджування вентиляційних викидів лінолеумного виробництва.

Вивчення складу газів як в різних зонах камер желювання, так і газів, що піддаються очистці, показало, що основними шкідливостями у викидах лінолеумного виробництва є діоктилфталат і хлористий водень, кількість першого з яких суттєво перевищує гранично допустимі концентрації. Тому при вивченні складу газового середовища в камерах желювання контролювали тільки два компонента - діоктилфталат (ДОФ) і хлористий водень.

Кількість пластифікатора, який виділяється з лінолеумної маси, а, відповідно, і склад газової фази, визначаються в основному температурним режимом в камерах желювання.

Дослідження температурного поля в камерах желювання (штрихах) показало, що внаслідок особливостей організації потоку газу його температура по довжині камер не є сталою (рис. 1). В першому штриху температура газу мінімальна на ділянці у вхідному перерізі і складає 130^оС. Максимальна температура має місце в середині штриха, де здійснюється подача нагрітого газу в камеру з теплогенератора, і складає 180^оС. Рівень температури в другому штриху вище, ніж в першому, і зростає від входу в камеру (180^оС) до виходу з неї (250^оС).

Звертає на себе увагу, що кількість діоктилфталату в газовій фазі камер коливається в достатньо суттєвих межах, і ці коливання відповідають характеру зміни температури газів (рис. 2.). Мінімальна концентрація ДОФ в 3…5 разів вище ГДК робочої зони, а максимальна - в 20…40 разів.

Потенційну можливість забруднення газового середовища парою рідини при різних температурах можна оцінити величиною тиску насиченої пари.

Нами отримано з використанням літературних даних таке розрахункове рівняння для оцінки максимально можливої концентрації ДОФ в газовій фазі в залежності від температури:

(1)

Оцінка величини парціального тиску пари діоктилфталату і його концентрації в залежності від температури, яку зроблено за допомогою рівняння (1), показала, що рівноважні значення цих параметрів, відповідні допустимому значенню ГДК, досягаються при температурі біля 70^оС.

З урахуванням схильності речовин, до яких відноситься діоктилфталат, утворювати при охолоджені дрібнодисперсні аерозолі, гази необхідно переохолоджувати на 35…40^оС. Таким чином, необхідний рівень температури, до якої гази, що відходять, повинні охолоджуватися в фільтрі-охолоджувачі, складає 30…35^оС, що цілком прийнятно з позицій технічної реалізації при використанні калориферів, які серійно випускаються вітчизняною промисловістю.

Наведені результати досліджень температури і складу вентиляційних викидів лінолеумного виробництва дають підставу прийняти як концептуальну версію багатостадійну систему очистки, що включає попереднє охолоджування газів з конденсацією частини пари ДОФ на зовнішній поверхні теплообмінного апарата і наступною остаточною очисткою газів.

Враховуючи можливість утворення на стадії охолоджування газів тонкодисперсних аерозолей ДОФ, як ступінь тонкої очистки газів передбачається використання волокнуватих фільтрів або пористих матеріалів.

Теоретичною передумовою вибору цих фільтрів став виконаний аналіз явища капілярної конденсації.

З рівняння Томсона-Гиббса можна отримати залежність між радіусом капіляра r і величиною відносного парціального тиску пари над меніском:

, (2)

де  - коефіцієнт поверхневого натягу; М - молекулярна маса, R - універсальна газова стала, T - абсолютна температура, - густина рідини; - рівноважний парціальний тиск рідини над плоскою поверхнею.

В зв`язку з тим, що в технічній літературі відсутні дані відносно поверхневих властивостей діоктилфталату, нами для цієї речовини за методикою найбільшого тиску в газовому пузирі визначена температурна залежність коефіцієнта поверхневого натягу (Н/м), яку представлено рівнянням:

,

, , . (3)

Розрахунки за рівняннями (2) і (3) показали, що стосовно до систем, що містять пару діоктилфталату, явище капілярної конденсації буде мати місце, якщо радіус капіляра буде менш 2,2^.10^-5 м, що на порядок вище, ніж для води. В цьому випадку не буде утворення емульсії ДОФ з водою і з`являється можливість використання вловленого цінного продукту в технологічному процесі виробництва лінолеуму.

Як основні варіанти систем очистки газів від діоктилфталату, що підлягають випробуванням, були прийняті пінні фільтри і фільтри з пористих матеріалів.

Випробування дослідно-промислової установки здійснювалися у виробничих умовах і склад газів, які виділялися з камер желювання, а також їх температура відповідали виробничим.

Обов`язковою умовою випробуваних систем була наявність фільтрів очистки від механічних домішок і охолоджувача газів.

Після охолоджувача газів встановлювалися почергово фільтри з тканинних матеріалів, два пінних фільтра і фільтри з пористих матеріалів. В останньому варіанті за основу були прийняті фільтри з пористого фторопласта (ФЕП) - термічно і хімічно стійкого матеріалу, технологія виготовлення якого розроблена на Донецькому заводі гумо-хімічних виробів. У відповідності до розглянутих вище теоретичних положень були випробувані фільтри ФЕП з розмірами пор 0,5^.10^-5; 10^-5; 2^.10^-5 м.

В пінних фільтрах в якості рідини, яка асимілює, використовували діоктилфталат.

З даних, наведених в табл. 1, витікає, що при проходженні газів крізь охолоджувач має місце значна конденсація пари ДОФ, яка досягає в ряді випадків 60-70%. Середній ступінь очистки за всю серію експериментів склав 48,4%.

Таблиця 1 - Ефективність уловлювання ДОФ при різних технологічних схемах очистки газів.

З трьох досліджених варіантів фільтрів тонкої очистки, в яких повинна здійснюватися остаточна конденсація пари ДОФ і асиміляція дрібнодисперсних аерозолей, найбільш стабільні і високі результати отримані при проходженні газів через пористі фторопластові фільтри. При цьому спостерігається тенденція зниження ступеня очистки із збільшенням розміру пор. Разом з тим, в усіх експериментах концентрація ДОФ на виході з фторопластових фільтрів знаходилася на рівні вимог ГДК.

Концентрація ДОФ при проходженні газів через пінні фільтри не зменшується, а збільшується. Розривання пузирків при проходженні газів крізь шар пластифікаторів приводить до генерації дрібних частинок, що зумовлюють підвищення забрудненості газів, яке тим вище, чим нижче початкова концентрація ДОФ у вихідному газі. Це свідчить про те, що використання пінних фільтрів з пластифікатором в якості уловлюючого середовища неприйнятно.

Застосування тканинних фільтрів стійко забезпечило зниження концентрації ДОФ в них на рівні 50%.

Таким чином, в якості фільтрів тонкої очистки найбільш ефективні результати отримано при використанні пористих фторопластових матеріалів (ступінь очистки 82…89%).

Враховуючи можливість більш глибокої попередньої очистки газів в фільтрі-охолоджувачі при переході до промислового варіанту газоочисної системи і значне зменшення гідравлічного опору в фільтрах з розміром пор 2^.10^-5 м, уявляється доцільно для промислових установок орієнтуватися на останній варіант.

В розділі 4 досліджено гідравлічні властивості фільтрів з пористого фторопласту.

При розробці і проектуванні промислових газоочисних систем виникає ряд проблем, обумовлених відсутністю гідравлічних характеристик ряду пористих матеріалів. Ці вироби, що застосовуються у контактних фільтруючих та інших апаратах, в основному виготовляються у вигляді циліндричного шару. В класичних роботах І.Є. Ідельчика наводяться дані про коефіцієнт опору циліндричного шару значної кількості пористих матеріалів, таких як антрацит, агломерат, глинозем, грунт, кокс, різноманітні каталізатори та ін. Що до фторопластових пористих виробів, то їхні гідравлічні властивості до цього часу практично не вивчені. Знання цих властивостей дозволить більш обгрунтовано робити вибір пористого фторопласту для газоочистки.

При дослідженні фторопластових фільтрів були вивчені особливості їх роботи під тиском і при розрідженні в чистому стані і в процесі уловлювання пари діоктилфталату з газів, а також визначено зміну гідравлічного опору фільтрів в залежності від витрати газів і насиченості матеріалу діоктилфталатом. Отримано функціональну залежність, яка має лінійний характер, між перепадом тиску в шарі фільтру і його пропускною спроможністю незалежно від напрямку руху речовини, яка фільтрується.

Гідравлічна характеристика фільтруючого фторопласта з діаметром пор 2^.10^-5 м має вид:

,

, , (4)

На основі виконаних досліджень фільтрів з різними розмірами пор визначено залежність коефіцієнта гідравлічного опору від числа Рейнольдса (рис. 3):

,

, , (5)

При використанні пористого фторопласту для очистки газів лінолеумного виробництва в порах буде конденсуватися діоктилфталат, що, природно, змінить гідродинамічні умови процесу фільтрування.

Тому були досліджені гідродинамічні характеристики фільтрів ФЕП при їх просоченні діоктилфталатом. Експерименти було проведено на фільтрах з розміром пор 2^.10^-5 м.

Динаміку зміни пропускної спроможності змоченого фільтру і його гідравлічного опору при безперервному нанесенні на зовнішню поверхню рідкого ДОФ і незмінному електричному навантаженні на вентилятор наведено на рис. 4. Відзначено інтенсивне втягування рідини в середину пор фільтра. На протязі перших 40 хвилин має місце перехідний режим, при якому гідравлічний опір зменшується з 1650 до 1400 Па, а питома пропускна спроможність збільшується з 0,029 до 0,033 м/с. Після означеного часу процес фільтрації стабілізується.

На основі результатів експериментів залежність гідравлічного опору від питомої пропускної спроможності фільтра визначається рівнянням:

,

, , . (6)

Після закінчення кожного експерименту робили балансовий аналіз витрати ДОФ, в результаті якого встановлено, що рідкий ДОФ мігрує по порах фільтру, виходить на внутрішню поверхню, стікає по ній і концентрується на піддоні фільтра.

Таким чином, при використанні фільтрів ФЕП відпадає необхідність в їх регенерації, а вловлений діоктилфталат можливо використовувати повторно в технологічному процесі виробництва лінолеуму.

В розділі 5 наведені результати досліджень розробленої установки очистки газів від продуктів випаровування, що містяться в вентиляційних викидах камер термопластифікації, реалізованої на Донецькому заводі гумо-хімічних виробів. Вона включає в себе такі основні вузли (рис. 5): фільтр-охолоджувач (1), камеру зрошування (2), фільтр-краплевловлювач (3) струмно-пінний фільтр (4), концентратор HCl (5), тягодутьове обладнання (6), насосне устаткування (7).

Випробування дослідно-промислової комплексної системи очистки газів проводилося на робочих режимах виробництва лінолеуму на двох лініях, що включають чотири камери желювання. Гази, які відходять від обох ліній, надходили в загальний газохід і подавалися на установку очистки.

Отримані високі значення ефективності вилучення з газів діоктилфталату (89,6…93,8%) і хлористого водню (98%), що забезпечує зниження концентрації цих речовин в викидах до вимоги ГДК (табл. 2). Аеродинамічний опір газоочисної системи не перевищує 3,4 кПа.

Таблиця 2 - Технічні показники роботи установки очистки вентиляційних викидів лінії виробництва лінолеуму

Річний економічний ефект від впровадження розробленої установки очистки газів на Донецькому заводі гумо-хімічних виробів склав 30 тис. грн.

В розділі 6 запропоновано методику розрахунку, конструювання та підбору обладнання для розробленої системи газоочистки. В якості основного обладнання у фільтрі-охолоджувачі пропонується використовувати калориферні секції. Враховуючи, що загальноприйнятий принцип розрахунку калориферів для випадку використання їх в якості охолоджувача газів не прийнятний, нами розроблено методику розрахунку на ПЕОМ охолоджувача нагрітих газів, яка втілена у програму «OHL.bas». Ця програма передбачає вибір газоохолоджувачів і оптимізацію режиму їх роботи для таких варіантів: по всіх типах і розмірах охолоджувачів; по заданому типу охолоджувача для всіх розмірів; по заданому типу і розміру; для нового типу і розміру охолоджувача по замовленню.

В результаті розрахунку визначаються технологічні параметри охолоджувача, конструктивні розміри і принципи компоновки секцій, а також річні економічні показники експлуатації.

Проектування фільтра-охолоджувача, який складається з фторопластових циліндричних блоків, здійснюється графоаналітичним способом за допомогою номограми, яку розроблено на основі результатів досліджень гідравлічних властивостей пористого фторопласту.

Для вилучення з газів, які очищуються, хлористого водню передбачено в технологічній схемі струмно-пінний фільтр з установкою апаратів типу СПТ.

Висновки

1. Встановлено, що основними шкідливостями у вентиляційних викидах від камер желювання лінолеумної маси є пара діоктилфталату, максимальна концентрація якої досягає значень, в 40 разів перевищуючих ГДК робочої зони, і хлористий водень, середня концентрація якого складає 3-5 мг/м³. Наявність в газах великих концентрацій діоктилфталату обумовлено температурними умовами технологічного процесу в камерах желювання (180…250^оС).

2. Обгрунтовано доцільність багатостадійної схеми очистки високо-температурних викидів лінолеумного виробництва, яка включає стадії попереднього охолоджування газів і наступної тонкої очистки від діоктилфталату в фільтрах капілярної конденсації, а від хлористого водню - в пінних фільтрах.

3. Отримано рівняння впливу температури на парціальний тиск пари діоктилфталату у газовій фазі та визначено рівень температури (30^оС), при якій досягається успішна конденсація пари цієї речовини, а також експериментально визначено вплив температури на коефіцієнт поверхневого натягу діоктилфталата.

4. Встановлено, що найбільший ступінь тонкої очистки газів від діоктилфталату (82…89%) має місце в капілярно-пористих фторопластових фільтрах.

5. Показано, що процеси капілярної конденсації пари діоктилфталату у пористому фторопласті інтенсивно протікають при розмірі пор менш 2^.10^-5 м.

6. Визначені гідравлічні властивості пористих фторопластових фільтрів і отримані емпіричні рівняння, які описують залежність питомої пропускної спроможності фільтрів від перепаду тиску на фільтрі та коефіцієнта гідравлічного опору від числа Рейнольдса.

7. Розроблені конструкції і методики розрахунків основних апаратів, які складають систему знешкоджування вентиляційних викидів лінолеумного виробництва, для чого запропоновані програма «OHL.bas» розрахунку на ПЕОМ охолоджувача газів і методика графо-аналітичного розрахунку фільтра-краплеувловлювача, який складається з блоків пористого фторопласту.

8. Дослідно-промислові випробування розробленої установки комплексної очистки вентиляційних викидів лінолеумного виробництва показало високі значення сумарної ефективності їх очистки від діоктилфталату (89,6…93,8%) і хлористого водню (98%), що забезпечує зниження концентрації цих речовин у викидах до вимог ГДК при одночасній утилізації і поверненні у виробництво діоктилфталату.

Основний зміст дисертації опубліковано в таких роботах автора

Губарь И.В. Обезвреживание вентиляционных выбросов, образующихся при производстве линолеума // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1998. - №5. - С. 58-59.

Губарь И.В., Яценко А.Г., Удовиченко З.В., Лукьянов А.В. К вопросу о коагуляции мелкодисперсного аэрозоля // Вестник ДГАСА. - Макеевка. - 1995. вып. 95-1. - С. 138-140.

Губарь И.В. Эффективность очистки газов при утилизации теплоты с использованием пленочного промежуточного теплоносителя // Вестник ДГАСА. - Макеевка. - 1995. вып. 95-1. - С. 140-142.

Губарь В.Ф., Гущин А.М., Губарь И.В., Удовиченко З.В. Физическая модель тепло- и массообменных процессов в ширмовом теплообменнике // Вестник ДГАСА. - Макеевка. - 1996. вып. 96-1. - С. 76-77.

Губарь И.В., Каплун П.Р., Сербин В.А., Удовиченко З.В. Гидравлические свойства пористого фторопласта // Вестник ДГАСА. - Макеевка. - 1998. вып. 98-2. - С. 59-61.

Удовиченко З.В., Губарь И.В., Каплун П.Р., Дудзинская А.В., Губарь С.А. Проблема очистки выбросов линолеумного производства. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры. - Макеевка, 1996. - 14 с. - Библиогр.:13 назв. - Рус. - Деп. В ГНТБ Украины, 29.04.96, №1070-Ук 96.

Каплун П.Р., Сербин В.А., Кернога М.К., Губарь И.В. Об очистке газов при производстве линолеума // Очистка воздуха и обезвреживание отходящих газов. Тезисы докладов конференции. - Пенза: Типография Приволжского дома экономических и научно-технических знаний, 1991. - С. 41-42.

Размещено на Allbest.ru