Nowe technologie oczyszczania powietrza

Do LZO zalicza się m.in.: węglowodory (heksan, heptan, benzen, toluen, styren itp.), alkohole (np. metanol, etanol itp.), etery, aldehydy i ketony (np. aceton), estry. Źródeł emisji LZO jest bardzo wiele. Substancje te są substratami lub produktami w wielu technologiach przetwórstwa surowców naturalnych, rafineriach i petrochemiach, w przemyśle produkcji farb i lakierów, farmaceutycznym, elektronicznym, tekstylnym oraz metalurgicznym. Powstają one ponadto w oczyszczalniach ścieków i na składowiskach odpadów komunalnych. LZO są obecne także w spalinach emitowanych przez samochody, jak również w trudnych do kontrolowania domowych kotłowniach. LZO łatwo się rozprzestrzeniają, dlatego też stanowią problem nie tylko w miejscu ich powstawania (w halach produkcyjnych, laboratoriach, magazynach), lecz również w znacznym obszarze wokół źródeł emisji. Skład LZO jest bardzo różnorodny, zarówno pod względem jakościowym, jak i ilościowym. Z tego powodu niezmiernie ważne jest ograniczenie emisji LZO lub usuwanie ich z powietrza. Emisję można ograniczyć przez zastąpienie LZO substancjami mniej lotnymi i szkodliwymi. W przypadku, gdy jest to niemożliwe, należy tak zmodernizować proces technologiczny, aby jak najmniejsza ilość substancji lotnych była wprowadzana do otoczenia. Dotyczy to także etapu transportu i magazynowania. Podczas tych działań substancje te powinny być zamknięte w szczelnych pojemnikach, najlepiej chłodzonych, aby w jak największym stopniu zmniejszyć możliwość odparowania. Gdy wszystkie wymienione sposoby eliminacji lotnych związków organicznych nie dadzą wystarczających efektów, konieczne staje się oczyszczanie powietrza.

 

Istnieje wiele metod usuwania LZO z powietrza. Wykorzystują one różne procesy fizykochemiczne, takie jak: utlenianie, kondensacja, adsorpcja i absorpcja. Metody te dzieli się na destrukcyjne, w których substancje usunięte z zanieczyszczonego powietrza są niszczone, i na te umożliwiające odzysk rozpuszczalników emitowanych do atmosfery. Najczęstszym kryterium doboru metody oczyszczania powietrza są względy ekonomiczne. Koszty eksploatacji urządzeń wykorzystywanych w danej metodzie zależą od ich rozmiarów, które dobiera się, uwzględniając ilości oczyszczanego powietrza, składu zanieczyszczeń i ich stężenie. Jedną z najszerzej stosowanych metod jest absorpcja LZO w odpowiednio dobranych absorbatach połączona z jednoczesną regeneracją.

Uzyskanie znacznej wydajności i szybkości procesów technologicznych, jak również oczyszczania powietrza wymaga użycia urządzeń pozwalających osiągnąć jak największą powierzchnię wymiany oraz intensywność mieszania. Obecnie stosowane aparaty do kontaktowania fazy gazowej i ciekłej to np. kolumny barbotażowe, skrubery, reaktory kontaktowe itp.). Spełniają one kryterium uzyskania jak największej powierzchni wymiany i intensywności mieszania, jednak są aparatami o stosunkowo dużych gabarytach. To znacznie podwyższa koszty inwestycyjne, a także operacyjne (rys.). Wobec powyższego w Katedrze Technologii Chemicznej Politechniki Gdańskiej zaproponowano rozwiązanie w postaci reaktora z wirującą warstwą cieczy (SFR), który zapewnia dużą szybkość przenikania masy w układach wielofazowych przy jednocześnie niewielkich gabarytach.

 

Pierwowzorem reaktora z wirującą warstwą cieczy był napowietrzany hydrocyklon (z ang. air-sparged hydrocyclone), zwany w literaturze polskiej również flotownikiem cyklonowym. Został on zaproponowany w 1981 r. przez Millera. Flotownik cyklonowy został skonstruowany z myślą o zastosowaniu go do flotacji drobnych cząstek w mineralurgii, które źle flotują się w klasycznych celach flotacyjnych^1-6. Prace prowadzone w Katedrze Technologii Chemicznej Politechniki Gdańskiej doprowadziły do wyjaśnienia mechanizmu generowania pęcherzyków gazu w reaktorze z wirującą warstwą cieczy^{7, 8} (fot. rys. 1 i 2), a następnie wyznaczenia szybkości procesu wymiany masy dla wybranych układów^9-11.

Reaktor z wirującą warstwą cieczy jest skonstruowany w sposób umożliwiający otrzymanie silnie rozwiniętej powierzchni międzyfazowej, jak również dużego stosunku strumienia ciecz do gazu. Zachowane są jednocześnie niewielkie gabaryty aparatu, poprzez skrócenie czasu kontaktu faz do 0,3-1 s. Dzięki temu instalacje do oczyszczania powietrza, wykorzystujące reaktory cyklonowe, będą znacznie mniejsze niż np. kolumny absorpcyjne o podobnej wydajności. 

Reaktor cyklonowy posiada bardzo złożony przepływ wielofazowy. Wirowy ruch cieczy w reaktorze uzyskuje się dzięki odpowiedniemu umiejscowieniu wlotu cieczy do głowicy hydrocyklonu. Ciecz spływa po powierzchni porowatej rury cienką warstwą. Z powodu tarcia pomiędzy cieczą a powierzchnią rury, prędkość strumienia cieczy maleje podczas przemieszczania się w dół. Ponieważ prędkości styczna i osiowa zmniejszają się w podobnym tempie, kierunek wektora prędkości jest praktycznie taki sam wzdłuż całej drogi¹³. Reaktor cyklonowy zbudowany jest z dwóch części: głowicy i korpusu. Ciekły absorbent tłoczony jest do głowicy, gdzie przepływając przez umieszczoną w niej szczelinę, wprawiany jest w ruch wirowy po ściankach. Korpus składa się z dwóch rur umieszczonych współosiowo, z których wewnętrzna jest porowata. Zanieczyszczone powietrze trafia do przestrzeni międzyrurowej i przedostaje się przez pory, tworząc pęcherzyki, które są „ścinane” przez wirującą wewnątrz rury ciecz, uzyskując bardzo dużą powierzchnię międzyfazową.

Zaletą reaktora z wirującą warstwą cieczy, oprócz dużej powierzchni wymiany, jest prosta i modułowa budowa. Wymiana dowolnego elementu nie zajmuje więcej niż 10 minut, a wszystkie elementy są łatwo dostępne i tanie w produkcji. Gabaryty reaktora wraz z głowicą i korpusem nie przekraczają 3” średnicy i 30 cm wysokości. Pod tym względem urządzenie to znacznie przewyższa klasyczne aparatury. Kolejną zaletą reaktora z wirującą warstwą cieczy jest wysoki stosunek fazy gazowej do ciekłej. Zwiększenie wydajności uzyskuje się poprzez powielanie elementów, co stwarza ogromne możliwości rozbudowy układu oczyszczania i dostosowania do konkretnych potrzeb. Aparat charakteryzuje się bardzo wysokim rozwinięciem powierzchni międzyfazowej, co sprzyja wymianie masy w układach, gdzie występuje główny opór dyfuzyjny w fazie ciekłej.

 

Obecnie trwają badania nad ujednoliceniem pola rozkładu ciśnień w aparacie i zmniejszeniem wielkości generowanych pęcherzyków gazu. Wykonano już pomiary ciśnienia na powierzchni elementu dyspergującego o różnym kształcie. Prowadzone są również prace nad stabilizacją strumienia cieczy poprzez zmianę kształtu głowicy i sposobu dystrybucji fazy ciekłej. Jednocześnie projektowane są jednostki dedykowane dla aplikacji w przemyśle. Układy oczyszczania fazy gazowej wykorzystujące SFR idealnie nadają się do montażu w istniejących już instalacjach wentylacyjnych i procesowych. Niewielkie gabaryty i możliwość grupowania pojedynczych jednostek pozwala na zastosowanie w praktycznie każdej konfiguracji, bez względu na dostępną przestrzeń. Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem SFR przy reakcjach chemicznych w układach wielofazowych. Reaktor z wirującą warstwą cieczy umożliwia prowadzenie reakcji w obecności katalizatorów heterogenicznych, gdyż zastosowane układy dyspergujące nie są blokowane przez ziarna katalizatora. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie siatki dyspergującej z naniesionym katalizatorem i prowadzenie reakcji na powierzchni elementu dyspergującego. Stosując szeregowe połączenia reaktorów, można stworzyć układ wielostopniowy o wysokiej sprawności i wydajność procesu. Dużym atutem instalacji wykorzystujących reaktor z wirującą warstwą cieczy jest bardzo krótki czas rozruchu urządzenia, zależny jedynie od szybkości osiągnięcia pożądanej wydajności przez pompę i dmuchawę. Istnieje również możliwość szybkiego korygowania warunków procesowych zarówno dla pojedynczego elementu, jak i dla całego układu.

W przeprowadzonych dotychczas badaniach wstępnych w Katedrze Technologii Chemicznej Politechniki Gdańskiej wykazano, że reaktor cyklonowy może być wysokoefektywnym urządzeniem do prowadzenia operacji i procesów jednostkowych, w których zachodzi wymiana masy na granicy faz: gaz – ciecz. Konstrukcja reaktora pozwala na szczególnie duże rozwinięcie powierzchni kontaktu faz oraz intensywne mieszanie. Znaczna powierzchnia międzyfazowa uzyskiwana jest dzięki dyspergowaniu fazy gazowej na bardzo małe pęcherzyki. Jest to możliwe m.in. wskutek występowania sił ścinających na powierzchni elementu dyspergującego. Przepływ turbulentny fazy ciekłej stwarza korzystne warunki dla rozpadu pęcherzyków na mniejsze. Przy tym tworzą się mikropęcherzyki o średnicy poniżej 20 μm. W reaktorze cyklonowym prowadzono wstępnie reakcje fotochemiczne, które mogą stanowić podstawę procesów oczyszczania w technologii chemicznej, ochronie środowiska i likwidacji skutków ataków terrorystycznych. Proponowane rozwiązanie cechuje się szeregiem zalet, które predysponują je do wykorzystania w małych instalacjach, o stosunkowo niskich kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Ponadto często produkcja w małych zakładach odbywa się w sposób periodyczny, jedno lub dwuzmianowy. W takich sytuacjach stosowanie reaktora cyklonowego do kontaktowania fazy gazowej i ciekłej lub prowadzenia reakcji na granicy faz wydaje się szczególnie uzasadnione.

Niewielki spadek ciśnienia fazy gazowej, umożliwia stosowanie reaktora cyklonowego bez dodatkowych modernizacji instalacji pneumatycznych. Podjęte wcześniej, przez zespół Katedry Technologii Chemicznej Politechniki Gdańskiej, badania nad reaktorem cyklonowym ujawniają znaczny potencjał technologiczny jego zastosowania.

 

1. Miller J.D., Ye Y., Hupka J.: The Potential of Air-Sparged Hydrocyclone Flotation in Environmental Technology, Proceedings of the TMS Annual Meeting. Denver. CO. USA 1993.

2. Miller J.D., Hupka J.: Water De-Oiling in an Air-sparged Hydrocyclone. „Filtration and Separation”4/1983.

3. Lelinski D., Miller J.D., Hupka J.: The Potential for Air-Sparged Hydrocyclone Flotation in the Removal of Oil from Oil-in-Water Emulsion. Proceedings of the First Flotation World Congress on Emulsions. Paris, France, 19-22 October 1993.

4. Bokotko R., Hupka J., Leliński D., Miller J.D.: Separation of Oil-Containing Particles from Water in Cyclone Flotation Machine. Environmental Science Research. Chemistry for the Protection of the Environment 2. 1996.

5. Niewiadomski M., Hupka J., Bokotko R., Miller J.D.: Flotation of Fine Coke Particles from Fly Ash. Physicochemical Problems of Mineral Processing. Wrocław 1997.

6. Niewiadomski M., Hupka J., Bokotko R., Miller J.D.: Recovery of Coke Fines from Fly Ash by Air Sparged Hydrocyclone Flotation. „Fuel” 1999.

7. Leliński D., Bokotko R., Hupka J., Miller J.D.: Bubble Generation in Swirl Flow During Air Sparged Hydrocyclone Flotation. „Minerals and Metallurgical Processing Journal” 5/ 1996.

8. Hupka J., Bokotko R.P., Leliński D., Miller J.D.: Bubble Size Distribution in Air-Sparged Hydrocyclone, Recent Adv. Coal Process. 1 (New trends in Coal Preparation Technologies and Equipment). Gordon & Breach. 1996.

9. Bokotko R., Hupka J.: Efektywność natleniania wody w aeratorze cyklonowym. „Inżynieria i Aparatura Chemiczna” 2/1996.

10. Bokotko R., Hupka J., Marchlik A.: Usuwanie dwutlenku siarki w absorberze cyklonowym. Mat. II Międzynarodowej Konferencji Naukowej „Teoria i Praktyka Ochrony Powietrza”. Szczyrk 2-4 czerwca 1998.

11. Bokotko R., Hupka J., Miller J.D.: Flue Gas Treatment for SO₂ Removal with Air-Sparged Hydrocyclone Technology. SME Annual Meeting. Phoenix, Arizona 2002.

12. Hupka J., Miller J.D.: ASH Stripping Technology for Removal of MTBE from Contaminated Water – a Preliminary Study. Project Report. Salt Lake City 2001.

13. Bokotko R.: Badanie efektywności separacji wymiany masy we flotowniku cyklonowym ze szczególnym uwzględnieniem rozkładu wielkości pęcherzyków. Rozprawa doktorska. Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska. Gdańsk 2002.

 

 

dr inż. Robert Aranowski

Katedra Technologii Chemicznej

Politechnika Gdańska