Очистка газов от сероводорода

Введение

 

Одной из важнейших проблем в  природоохранной деятельности является защита атмосферы от загрязнений, которые  в значительных масштабах выбрасываются  промышленностью, энергетическими  производствами и транспортом.

В настоящее время, в результате производственной и хозяйственной деятельности человека в атмосферу выбрасывается громадное количество кислых газов, в основном сернистых соединений, поступающих в атмосферу в результате сжигания твердого, жидкого и газообразного серосодержащего топлива в котельных, электростанциях и промышленных печах, относительно быстро осаждающегося на землю, преимущественно в виде кислотных дождей.

Выбросы загрязняющих веществ в  атмосферу и сточные воды агломератами токсичны для человека и вызывают не только загрязнение окружающей среды, но и разрушение строительных конструкций и сооружений, а также активную коррозию технологического оборудования. Поэтому на сегодняшний день остро стоит проблема отчистки. В частности от такого опасного вещества как сероводород H₂S_.

Цель данной курсовой работы – рассмотреть методы очистки газовых выбросов от сероводорода, а именно железо-содовый метод при производстве вискозного волокна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Сероводород как один из опаснейших видов загрязняющих веществ

Сероводород – газ, тяжелее воздуха, на открытом воздухе может скапливаться в малопроветриваемых низинах в больших концентрациях.

Сероводород - термически неустойчив (при температурах более 400°С разлагается на простые элементы).

Класс опасности – 2, имеет  запах тухлых яиц. ПДК_м.р. = 0,008 мг/м³, ПДК_с.д. = 0,008 мг/м³, ПДК_р.з. = 10 мг/м³.

 

а) Нахождение в природе и техногенные источники.

В природе сероводород встречается в составе нефти, природного газа, вулканических газов и в горячих источниках.

Поступает в атмосферу  раздельно или вместе с другими  соединениями серы. Основными источниками  выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.

Среднее содержание в  атмосфере 0,3 мкг/м³ (0,0003 мг/м³). Достаточно высокие концентрации могут наблюдаться вблизи точечных источников (до 0,20 мг/м³).  

 

б) Трансформация в окружающей среде.

В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного  ангидрида. Конечным продуктом реакции  является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который  подкисляет почву.

Некоторые фотосинтезирующие бактерии, например, зеленые серные бактерии, в качестве донора водорода используют сероводород. 

 

в) Влияние на живые организмы.

Сероводород – весьма токсичное вещество, так как является ингибитором фермента цитохромоксидазы – переносчика электронов в дыхательной цепи. Он блокирует перенос электронов с цитохромоксидазы на кислород.

Токсичность сероводорода проявляется в раздражающем действии на слизистые оболочки глаз и верхних  дыхательных путей, угнетении тканевых дыхательных ферментов. При хронической интоксикации развиваются функциональные нарушения нервной системы, упадок питания, малокровие, бронхит, дрожание пальцев и век, боли в мышцах и по ходу нервных стволов. Вызывает поражение дыхательных путей и глаз.

В высоких дозах нарушают тканевое дыхание, возможно прямое поражение центральной нервной системы с параличом дыхательного центра. В тяжелых случаях отравления – наблюдается токсический отек легких и кома, в при молниеносных – паралич дыхания и сердечной деятельности.

Длительное и систематическое воздействие приводит к снижению иммунобиологической реактивности организма, увеличению общей неспецифической заболеваемости, в том числе заболеваниями легочной системы, неврозами.

 

Очищення газу від сірководню та сіркоорганічних  сполук здійснюється у двох напрямах:

— санітарне  очищення викидних виробничих і вентиляційних  газів;

— очищення природних, коксових та інших промислових газів, що використовуються як сировина для  синтезу, а також газів, що утворюються  на різних ступенях технологічних процесів хімічних і нафтохімічних виробництв. У цьому випадку одночасно вирішуються два завдання. З одного боку, отрута для каталітичних процесів — сірководень — виводиться із схеми і переробляється в товарні продукти: сірку, сірчистий ангідрид, сірчану кислоту тощо. З іншого боку, вилучення сірководню та сірчаноорганічних сполук знижує або навіть усуває ймовірність викидання в атмосферу діоксиду сірки, що утворюється на окислювальних стадіях хімічного процесу.

Усі горючі гази з вмістом сірководню повинні  очищуватись. До таких газів, крім природного і коксового, відносять всі гази нафтопереробки (крекінгу, реформінгу, гідроочищення тощо), генераторний, сланцевої переробки.

При виборі методу очищення від сірководню завжди необхідна  наявність у газі другого "кислого" компонента — діоксиду вуглецю. З технологічно-економічного погляду вилучати діоксид вуглецю не завжди доцільно. Але тоді поглинач сірководню повинен володіти високою здатністю сорбції основного цільового компонента Н28 за наявності діоксиду вуглецю.

Вимоги до ступеня очищення газу від сірководню різні, залежно від призначення. Для природного та інших газів, призначених для транспортування магістральними газопроводами і для побутових потреб, гранично допустимий вміст Н2в становить 0,02 г/м3, в газі для виробництва звичайної металургійної сталі допускається 2—3 г/м3, а для хімічного синтезу — 1 до 60 г/м3. Гранично допустима концентрація в робочій зоні становить 10 г/м3, а за наявності вуглеводнів — 3 г/м3. Максимальна разова та середня разова гранично допустима концентрації в атмосферному повітрі становлять 0,008 г/м3.

Сірководень, вилучений  з газів, залежно від методу очищення виділяється у вигляді елементної сірки або концентрованого газу, які каталітично переробляються у сірчану кислоту та елементну  сірку.

Розглянемо основні методи очищення газів від сірководню.

 

1.2 Методы очистки газового потока от сероводорода, их преимущества и недостатки

 

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие  непосредственно в атмосферу, и  вторичные, являющиеся результатом превращения первичных загрязнителей. Одним из основных первичных загрязнителей является сероводород.

Сероводород поступает  в атмосферу раздельно или  вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса  сероводорода являются предприятия  по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические и нефтеперерабатывающие предприятия, а также нефтепромыслы.

Поэтому существует множество  способов очистки газовых потоков  от сероводорода. Вот некоторые из них:

 

а) Абсорбционный метод

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

Растворимость в воде сероводорода превышает сотых долей грамма на 1 кг воды, поэтому при обработке газовых примесей, содержащих этот вредный газ, требуются большие количества воды.

Контакт очищаемых газов с абсорбентом  осуществляется пропусканием газа через  насадочную колонну, либо распылением поглощающей жидкости, либо барботажем через ее слой.

Абсорбция жидкостями применяется  в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов  азота, паров кислот (НСl, HF, H₂SO₄), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.).

Преимущества: 1) непрерывность ведения техноло-гического процесса; 2) экономичность очистки больших количеств газовых выбросов.

Недостатки: громоздкость оборудования и необходимость создания систем жидкостного орошения; снижение эффективности рассеяния газов при отводе в атмосферу в виду того, что в процессе очистки они подвергаются охлаждению; образование большого количества отходов, состоящих из смеси пыли, поглощающей жидкости и вредных примесей, которые подлежат транспортировке и утилизации, что усложняет и удорожает процесс очистки. [4]

Кроме того, на практике с отходящими газами выбрасываются в основном NО и NO₂ одновременно. Основная сложность абсорбционной очистки связана с низкой химической активностью и растворимостью оксида азота. [9]

 

б) Адсорбционный метод

При адсорбционных методах газы поглощаются твердыми пористыми веществами. Поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердых тел за счет физической адсорбции (силы Ван-дер-Ваальса) либо химическими силами.

Адсорбция рекомендуется для очистки  газов с невысокой концентрацией  вредных компонентов. Адсорбированные  вещества удаляются из адсорбентов  десорбцией инертным газом или паром. В некоторых случаях проводят термическую регенерацию.

Адсорбционную очистку газов проводят в аппаратах адсорберах периодического и непрерывного действия. Наиболее часто этот метод применяют при  регенерации органических растворителей.

Самый распространенный адсорбент - активированный уголь. Так, например, при адсорбции газов, содержащих H₂S, применяют как активированные угли, так и полукоксы, активированный силикогель, карбонат кальция, активированный MnO₂. [5]

Адсорбционные методы являются одним  из самых распространенных в промышленности способов очистки газов. При концентрациях примесей в газах более 2-5 мг/мі, очистка оказывается даже рентабельной.[8]

Преимущества: 1) высокая степень очистки; температура газов не изменяется; 2) отсутствие жидкости.

Недостатки: 1) большая энергоемкость стадий десорбции и последующего разделения, что значительно осложняет применение метода для многокомпонентных смесей. [8]

 

в) Каталитический метод

Каталитический метод предназначен для превращения вредных примесей, содержащихся в отходящих газах промышленных выбросов, в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды с использованием специальных веществ — катализаторов. Катализаторы изменяют скорость и направление химической реакции, например реакции окисления.

В качестве катализаторов используют благородные металлы или их соединения. Катализаторная масса располагается в специальных реакторах в виде насадки из колец, шаров, пластин или проволоки, свитой в спираль, из нихрома, никеля, окиси алюминия с нанесенным на поверхность этих элементов слоем благородных металлов микронной толщины.

Каталитические методы широко используют для очистки от вредных примесей, содержащихся в газовоздушных выбросах цехов окраски, а также для  нейтрализации выхлопных газов  автомобилей.

Преимущества: 1) простота аппаратурного оформления и методики эксперимента; возможность провести определение за 10 мин и менее; 2) достаточная точность; 3) высокая чувствительность к веществам с молекулярной массой порядка 100 - Cкат, min = 10-17 г/мл = 10-11 мкг/мл (определить такие количества вещества практически невозможно из-за загрязнения воды, воздуха, реагентов, колебаний фона).

Недостатки: 1) относительно невысокая селективность (в настоящее время химики-аналитики научились повышать селективность каталитических методов, используя различные приемы).

г) Аммиачный метод

Процесс очистки выхлопных  газов от H₂S аммиачным методом заключается в промывке газа аммиачной водой.

В газовую смесь впрыскивают  аммиак, который, взаимодействуя с кислыми  веществами, образует соединения аммония. Собранная на электрофильтре твердая фаза направляется на регенерацию аммиака, благодаря чему расход аммиака в процессе невелик.

Преимущества: 1) аммиачные соли, возникающие в результате взаимодействия сернистого газа с аммиачной водой, используются как удобрение в сельском хозяйстве; 2) метод позволяет одновременно с очисткой газов от H₂S получать сульфит и бисульфит аммония, которые используются, как товарные продукты либо разлагаются кислотой с образованием высококонцентрированного H₂S и соответствующей соли.

Недостатки: 1) безвозвратные потери дефицитного продукта - аммиака.

 

д) Метод орошения известковым молоком

При орошении потока продуктов сгорания известковым молоком можно добиться улавливания до 90% сероводорода, причём стоимость очистки составляет всего около 12% стоимости топлива.

Преимущества: 1) высокая степень очистки; 2) экономичность.

Недостатки: 1) образование карбонатных отложений в газоочистной аппаратуре в результате применения известковых суспензий, затруднение работы распылителей и жидкостных трактов системы газоочистки; 2) возможность применять метод только на технологическом оборудовании, выпускаемом серийно. [6]

очистка газовый поток

 Более подробное  изучение очистки воздуха от сероводорода, рассмотрим на примере производства вискозного волокна железо-содовым методом.

 

1.3 Производство вискозного волокна

 
Одним із поширених джерел  виділення  сірководню є використання сіркоорганічних  з'єднаннь   у  виробництві  віскозного  волокна,  яке  отримують 

шляхом хімічної обробки целюлози сірковуглецем: на 1 тонну волокна витрачається 300 – 400 кг CS2, при цьому значна його частина потрапляє у вентиляційне повітря (повітря аспіраційних систем).

 Віскозне волокно отримують  шляхом хімічної обробки сірковуглецем  природної целюлози. Технологічний процес отримання віскозного волокна включає три основні стадії: приготування прядильного розчину, формування волокна і заключну обробку, після чого слід текстильна обробка волокна. Виділення сірководню відбувається на стадії формування волокна. 
Технологічні процеси можна представити у вигляді наступних рівнянь: сірчанокислотне розкладання ксантогената з виділенням