Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie

Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie Karol Górski grupa 1 IMM sem. II, mgr Gdańsk 2011 1

Spis treści 1 Główne źródło zanieczyszczeń atmosferycznych pochodzenia antropogenicznego...2 2 Skład powietrza:...3 2.1 Składniki zmienne:...4 2.2 Zawiesiny...4 3 Rozdział poszczególnych składników w celu uzyskania określonego gazu...5 3.1 Rektyfikacja...5 3.1.1 Budowa i zasada działania kolumny rektyfikacyjne...5 3.1.2 Omówienie wykresu temperatura - skład z rysunku 1:...7 3.1.3 Półki stosowane w kriogenicznych kolumnach rektyfikacyjnych...7 3.2 Niskotemperaturowe instalacje rozdziału mieszanin gazowych...9 3.2.1 Instalacja z pojedynczą kolumną Lindego (Rys. 4)...9 3.2.2 Instalacja z podwójną kolumną Lindego....10 3.2.3 Instalacja rozdziału powietrza z podwójną kolumną Lindego oraz produkcją argonu.11 4 Usuwanie cząstek stałych...13 4.1 Filtry pyłowe...13 4.1.1 Efekt sita...13 4.1.2 Zderzenia bezwładnościowe...13 4.1.3 Przechwytywanie...13 4.1.4 Dyfuzja...14 4.2 Filtry koalescencyjne...14 4.3 Filtry węglowe...14 4.4 Filtry sterylne...15 5 Usuwanie wilgoci...15 5.1 Osuszacz adsorpcyjny...15 5.2 Osuszacz ziębniczy...16 6 Usuwanie CO2...17 7 Bibliografia:...18 2

1 Główne źródło zanieczyszczeń atmosferycznych pochodzenia antropogenicznego Powietrze zanieczyszczają wszystkie substancje gazowe, stałe lub ciekłe, znajdujące się w powietrzu w ilościach większych niż ich średnia zawartość. Ogólnie zanieczyszczenia powietrza dzieli się na pyłowe i gazowe. Światowa Organizacja Zdrowia definiuje powietrze zanieczyszczone jako takie, którego skład chemiczny może ujemnie wpłynąć na zdrowie człowieka, roślin i zwierząt, a także na inne elementy środowiska (wodę, glebę). Zanieczyszczenia powietrza są najbardziej niebezpieczne ze wszystkich zanieczyszczeń, gdyż są mobilne i mogą skazić na dużych obszarach praktycznie wszystkie komponenty środowiska. Głównymi źródłami zanieczyszczeń są: uprzemysłowienie i wzrost liczby ludności, przemysł energetyczny, przemysł transportowy, źródła naturalne(największe źródło). Rosnące zapotrzebowanie na energie uczyniło ze spalania główne źródło zanieczyszczeń atmosferycznych pochodzenia antropogenicznego. Najważniejsze z nich to: dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NxOy), pyły węglowe (X2) lotne związki organiczne (gł. węglowodory emitowane do atmosfery), tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), ozon troposferyczny (O3), ołów (Pb), pyły. 2 Skład powietrza: Powietrze jest bezbarwne, bezwonne, bez smaku, słabo rozpuszczalne w wodzie. Skroplone powietrze jest bladoniebieskie. Gęstość powietrza zależy od ciśnienia, temperatury oraz składu; dla 3

suchego powietrza, przy ciśnieniu atmosferycznym, na poziomie morza, w temperaturze 20 C wynosi 1,2 kg/m³. Temperatura topnienia zestalonego powietrza wynosi około 213 C, a temperatura wrzenia około 191 C. Skład powietrza przedstawia tabela 1. Tabela 1: Skład procentowy powietrza Zawartość pary wodnej i dwutlenku węgla ulega zmianom w zależności od czasu oraz miejsca na powierzchni Ziemi. 2.1 Składniki zmienne: (różne, w zależności od położenia geograficznego, pory roku i innych sytuacji, np. erupcji wulkanu) podtlenek azotu 0,3 ppm ozon zmiennie do 0,07 ppm dwutlenek siarki silnie zmienny, zależny od zanieczyszczeń przemysłowych 2.2 Zawiesiny składniki mineralne: pył, sadza składniki organiczne: drobnoustroje, zarodniki roślin Suche powietrze ma średnią masę molową 28,84 g/mol. 4

3 Rozdział poszczególnych składników w celu uzyskania określonego gazu. 3.1 Rektyfikacja Rektyfikacja skroplonego powietrza jest najszerzej stosowaną w przemyśle technologią uzyskiwania tlenu, azotu argonu, kryptonu i ksenonu. Podobnie praktycznie cały hel produkowany obecnie na świecie jest uzyskiwany metodami kriogenicznymi z gazu ziemnego, w którym może stanowić niewielką domieszkę (rzędu ułamka procenta, przy czym za ekonomicznie opłacalny uważa się odzysk helu z gazu ziemnego, jeżeli jego zawartość przekracza 0,2%). Niskowrzące składniki gazu ziemnego takie jak metan, etan czy etylen są wydzielane metodami niskotemperaturowymi. Procesy takie znajdują również zastosowanie przy odazotowywaniu gazu ziemnego, uzyskiwaniu czystego wodoru z gazu koksowniczego czy nawet wydzielaniu deuteru wodoru. 3.1.1 Budowa i zasada działania kolumny rektyfikacyjne Podstawowymi elementami niskotemperaturowych instalacji rozdziału mieszanin gazowych są kolumny rektyfikacyjne. Rektyfikacja jest procesem rozdzielania mieszaniny poprzez jej wielokrotne skraplanie i odparowywanie. Procesy te zachodzą w kolumnie rektyfikacyjnej. Schemat kolumny rektyfikacyjnej oraz procec rektyfikacji na wykresie temperatura-skład pokazano na rysunku 1. Definicja 1: Barbotowanie, barbotaż, proces przepływu gazu w postaci pęcherzyków przez warstwę cieczy, stosowany w celu rozwinięcia powierzchni zetknięcia cieczy z gazem, np. w procesach absorbcji, rektyfikacji, a także do mieszania cieczy lub zawiesin. 5

Rysunek 1: Procesy w kolumnie rektyfikacyjnej: schemat kolumny i proces rektyfikacji na wykresie temperatura-skład Mieszanina podlegająca rozdzieleniu dopływa w postaci pary nasyconej w punkcie 1. Skład mieszaniny jest taki sam jak skład cieczy znajdującej się na półce powyżej punktu zasilania kolumny (2), natomiast temperatura w punkcie 2 jest niższa od temperatury mieszaniny zasilającej kolumnę. Z mieszaniny zasilającej unosi się para i barbotuje przez ciecz znajdującą się na półce powyżej. Ponieważ temperatura pary jest wyższa od temperatury cieczy, następuje złożony proces wymiany ciepła i masy pomiędzy obiema fazami, przedstawiony na rysunku 2. Rysunek 2: Schemat procesów wymiany ciepła i masy zachodzących przy przepływie pęcherzyka pary przez ciecz znajdującą się na półce kolumny rektyfikacyjnej. 6

W wyniku wymiany ciepła temperatura pęcherzyka pary obniża się. W efekcie następuje kondensacja pary i wymieszanie nowo powstałej cieczy z cieczą obecną na półce kolumny. W tym samym czasie na skutek doprowadzenia ciepła, ciecz znajdująca się w bezpośrednim sąsiedztwie pęcherzyka odparowuje i powstała para miesza się z parą obecną w pęcherzyku. W efekcie zmienia się skład barbotującej pary w ten sposób, że wzbogaca się ona w składnik niżej wrzący, odparowujący z cieczy, natomiast ciecz wzbogaca się w składnik wyżej wrzący, który w większej ilości wykrapla się z pary 3.1.2 Omówienie wykresu temperatura - skład z rysunku 1: 1 2 obniżenie temperatury unoszącej się pary bez zmiany jej składu. 2-3 w izotermicznym opisanym powyżej procesie wymiany ciepła i masy zachodzi wzbogacenie składu pary w składnik niżej wrzący i osiągnięcie przez parę parametrów punktu 3. W tym samym czasie faza ciekła mieszaniny zasilającej kolumnę opada na półkę poniżej, na której znajduje się ciecz opisana punktem 2. Na półce tej zachodzi ogrzewanie nowo doprowadzonej cieczy przez parę unoszącą się z ciepłego dołu kolumny, która zaczyna barbotować przez ciecz przy temperaturze 3. W efekcie procesów analogicznych do zachodzących na wyższej półce następuje wzbogacenie cieczy w składnik wyżej wrzący i ciecz osiąga stan punktu 2. 3.1.3 Półki stosowane w kriogenicznych kolumnach rektyfikacyjnych Powinny być tak zbydowane aby: rozmiary pęcherzyków pary były niewielkie, kontakt pęcherzyka z cieczą możliwie długi, współczynnik wymiany ciepła pomiędzy pęcherzykiem a cieczą możliwie wysoki 7

Schematy stosowanych półek pokazano na rysunku 3. Rysunek 3: Schematy konstrukcji półek stosowanych w kriogenicznych kolumnach rektyfikacyjnych, po lewej półka kołpakowa, po prawej półka sitowa Dla prawidłowego działania kolumny rektyfikacyjnej konieczne jest wystąpienie na jej długości gradientu temperatury, przy czym najniższa temperatura panuje w górnej części kolumny (przy kondensatorze), natomiast najwyższa w dolnej części urządzenie przy parowaczu. 8

3.2 Niskotemperaturowe instalacje rozdziału mieszanin gazowych 3.2.1 Instalacja z pojedynczą kolumną Lindego (Rys. 4) Rysunek 4: Pojedyncza kolumna Lindego do rozdzielania powietrza: 1 wymiennik rekuperacyjny, 2 kolumna rektyfikacyjna, z1, z2 zawory Sprężone powietrze kierowane jest przez rekuperacyjny wymiennik ciepła, następnie przez wężownicę znajdującą się w z zbiorniku cieczy (parowaczu) do zaworu z1, w którym zostaje zdławione do ciśnienia atmosferycznego. Ponieważ w trakcie procesu izobarycznego oziębiania najpierw w rekuperacyjnym wymienniku ciepła, a następnie w wężownicy przepływającej przez parowacz temperatura powietrza uległa znacznemu obniżeniu, w wyniku dławienia następuje jego częściowe skroplenie. Uzyskana w ten sposób mieszanina cieczowo-parowa zostaje dostarczona do górnej części kolumny, skąd ciecz spływa poprzez półki w dół kolumny i wzbogaca się w tlen, natomiast unosząca się para wzbogaca się w azot. W kolumnie Lindego uzyskuje się gradient temperatury dzięki przepływowi sprężonego gazu przez wężownicę umieszczoną w parowaczu (źródło ciepła), a następnie obniżeniu temperatury tego gazu poprzez jego zdławienie i podanie do górnej części kolumny (odbiór ciepła). 9

3.2.2 Instalacja z podwójną kolumną Lindego. Istotną wadą instalacji z pojedynczą kolumną Lindego była duża zawartość tlenu w odpadowym azocie. Wadę te w znacznym stopniu usunięto stosując podwójną kolumnę Lindego. Schemat takiej instalacji przedstawiono na rysunku 5. Rysunek 5: Instalacja rozdziału powietrza z podwójną kolumną Lindego: 1 wymiennik rekuperacyjny, 2 kolumna niskiego ciśnienia, 3 kolumna wysokiego ciśnienia, z1, z2, z3 zawory dławiące. W instalacji z podwójną kolumną Lindego sprężone powietrze po schłodzeniu w rekuperacyjnym wymienniku ciepła, wężownicy przechodzącej przez parowacz dolnej kolumny i zdławieniu w zaworze z1 do ciśnienia panującego w dolnej kolumnie, doprowadzone jest do pośredniego punktu B. Gromadzący się w punkcie E kolumny dolnej ciekły azot z domieszką tlenu zostaje zdławiony w zaworze z3 do ciśnienia panującego w górnej kolumnie i podany do górnego punktu kolumny górnej. Gromadząca się w kondensatorze D kolumny dolnej ciecz z dużą zawartością tlenu (ok 40%) po zdławieniu do niskiego ciśnienia w zaworze z2 zostaje doprowadzona do kolumny górnej na wysokości punktu C. W ten sposób zasilanie kolumny górnej odbywa się częściowo rozdzieloną mieszaniną i w kolumnie tej następuje osiągnięcie dużej czystości obu gazów. 10

3.2.3 Instalacja rozdziału powietrza z podwójną kolumną Lindego oraz produkcją argonu. Rysunek 6: Urządzenie do rozdzielania powietrza z pomocniczą kolumną do rozdzielania argonu: 1 wymiennik rekuperacyjny, 2 kolumna niskiego ciśnienia, 3 kolumna wysokiego ciśnienia, 4 pomocnicza kolumna do rozdzielania argonu, z1, z2, z3, z4 zawory Przy stosowaniu pojedynczej lub podwójnej kolumny Lindego argon staje się domieszką w produkowanym tlenie lub azocie. Oddzielenie argonu można przeprowadzić w specjalnej dodatkowej kolumnie. Schemat instalacji wyposażonej w kolumnę do oddzielania argonu pokazano na rysunku 6. Podwójna kolumna Lindego pracuje analogicznie jak w instalacji do rozdziału powietrza na dwa składniki. W przypadku odzysku argonu z kolumny górnej pobiera się tlen w tym punkcie, gdzie stężenie argonu jest największe i wynosi około 12 %. Mieszanina tlenu z argonem zostaje podana do dolnej części kolumny argonowej. W kolumnie tej kondensator (skraplacz) chłodzi się tlenem pobranym z dolnej części kolumny wysokociśnieniowej i zdławionym do ciśnienia panującego w kolumnie górnej i kolumnie argonowej. W ten sposób tlen wykrapla się w górnej części kolumny argonowej i spływa na dół kolumny, skąd jest odbierany, natomiast argon, którego temperatura skraplania jest niższa od temperatury wrzenia tlenu jest odbierany w postaci gazowej z górnej części kolumny i kierowany do systemu oczyszczania. 11

Rysunek 7: Schemat kriogenicznego systemu produkcji czystego argonu: 1 kolumna niskiego ciśnienia, 2 kolumna wysokiego ciśnienia, 3 pompa orosienia, 4 obniżająca kolumna argonu, 5 górna kolumna argonu, 6 kolumna azotu, 7 zasilanie bogatą cieczą kolumny wysokiego ciśnienia, 8 powrót cieczy z kolumny argonu, 9 doprowadzanie pary do kolumny argonu, 10 - doprowadzanie rozprężającej się pary (po zagęszczeniu argonu), 11 doprowadzenie rozprężającej się cieczy (po zagęszczeniu argonu), 12 wymiennik rekuperacyjny, z1, z2, z3 zawory dławiące. Na rysunku 7 pokazano schemat przemysłowej instalacji kriogenicznej do produkcji argonu. Podwójna kolumna do rozdzielania powietrza posiada pomocniczą kolumnę, w której zbiera się argon (tzw. kolumna obniżająca ). Na tym poziomie, na którym występuje największe stężenie argonu kolumna główna posiada odgałęzienie i gaz odprowadzany jest do kolumny przeznaczonej dla argonu, gdzie zostaje oddzielony, a mieszanina tlenu i azotu powraca na właściwy poziom kolumny głównej. W celu otrzymania argonu najwyższej czystości dodatkowo stosuje się dwie kolumny: górną kolumnę doczyszczającą argon oraz kolumnę azotową wychwytującą dodatkowo małe ilości azotu. 12

4 Usuwanie cząstek stałych Filtr sprężonego powietrza urządzenia ciśnieniowe przeznaczone do usuwania różnego rodzaju zanieczyszczeń z powietrza wytwarzanego przez sprężarkę. Filtry te występują w czterech podstawowych rodzajach: pyłowe, koalescencyjne, węglowe i sterylne. 4.1 Filtry pyłowe Filtry pyłowe to filtry usuwające ze sprężonego powietrza cząsteczki stałe. W zależności od stopnia filtracji najczęściej występują jako filtry zgrubne oraz jako filtry dokładne. Powietrze przepływa przez wkład filtra od środka do zewnątrz. Cząsteczki stałe znajdujące się w sprężonym powietrzu są wyłapywane i zatrzymywane we wkładzie. Im większa ilość zanieczyszczeń stałych zostaje zatrzymana tym mniejsza jest zdolność filtra do dalszego ich przechwytywania oraz tym większy jest spadek ciśnienia generowany przez filtr. Proces wyłapywania i zatrzymywania zanieczyszczeń stałych ze sprężonego powietrza odbywa się dzięki następującym zjawiskom: 4.1.1 Efekt sita Wszystkie cząsteczki, które mają większy rozmiar niż przestrzenie pomiędzy włóknami wkładu filtra zostają zatrzymane i unieruchomione. Zwykle są to cząsteczki o wielkości powyżej 10 mikronów. 4.1.2 Zderzenia bezwładnościowe Dotyczą stosunkowo dużych cząsteczek (powyżej 5 mikronów) i/lub dużych prędkości gazu. Gdy przepływ prądu powietrza zmienia swój kierunek w pobliżu włókna wkładu filtrującego, cząsteczka jest zbyt ciężka aby dostosować się do tej zmiany. Jej inercja powoduje, iż uderza we włókno wkładu i zostaje zatrzymana. 4.1.3 Przechwytywanie Ma miejsce gdy cząsteczka przemieszczając się przez włókna wkładu nie podąża za przepływem prądu powietrza a promień cząsteczki jest większy niż odległość między linią prądu a obwodem włókna. Wówczas cząsteczka zostaje przechwycona dzięki siłom kohezji lub adhezji. Zazwyczaj w ten sposób wyłapywane są cząsteczki powyżej 0,1 mikrona. 13

4.1.4 Dyfuzja Zwana również "Ruchami Browna" dotyczy najmniejszych czasteczek o wielkości poniżej 0,3 mikrona. Mają one tendencje do chaotycznego poruszania się wskutek wzajemnych zderzeń. Powoduje to, iż tor poruszania się tych cząsteczek jest nieprzewidywalny a przechwytywanie przez filtr przypadkowe. 4.2 Filtry koalescencyjne Filtry koalescencyjne (Rys. 8) to filtry usuwające ze sprężonego powietrza wodę, aerozole oleju oraz cząsteczki stałe. W zależnosci od stopnia filtracji wymienionych zanieczyszczeń podobnie jak filtry pyłowe najcześciej występują jako zgrubne oraz jako dokładne. Proces filtrowania czasteczek stałych ze sprężonego powietrza odbywa się we wkładach tych filtrów dzięki tym samym zjawiskom jakie zachodzą we wkładach filtrów pyłowych. Natomiast proces filtracji wody oraz aerozoli oleju odbywa sie dzięki zjawisku koalescencji. Płynne aerozole łączą się w filtrze w większe krople, które spadają na jego dno na skutek siły grawitacji. Gromadzone są w dolnej części obudowy filtra, skąd zostają odprowadzone przez spust. Rysunek 8: Filtry koalescencyjne sprężonego powietrza 4.3 Filtry węglowe Filtry węglowe to filtry usuwające ze sprężonego powietrza pary oleju oraz zapachy. Wkład takiego filtra wypelniony jest węglem aktywowanym, a filtracja odbywa się na zasadzie adsorpcji. Węgiel aktywowany ma postać głebokiego złoża w formie granulatu, dzieki czemu posiada dużą powierzchnię zewnętrzną, na której może zachodzic zjawisko adsorpcji zanieczyszczeń. Sprężone powietrze przepływa przez wkład filtra od wewnątrz do zewnątrz i trafia na porowatą powierzchnię zewnętrzna wkładu, która zapobiega przedostawaniu się pyłu, jaki jest wytwarzany przez węgiel aktywowany w procesie filtracji. 14

4.4 Filtry sterylne Filtry sterylne (Rys. 9) to filtry usuwające ze sprężonego powietrza cząsteczki stałe i mikroorganizmy. Filtracja odbywa się na zasadzie retencji lub przy użyciu membran. Obudowy tych filtrów są wytwarzane ze stali nierdzewnej co pozwala na na sterylizację zarówno wkładu filtra jak i obudowy w miejscu jego pracy. Stosowanie filtra sterylnego wymaga odpowiednich procedur sterylizacyjnych, które należy okresowo powtarzać (sterylizacja na stanowisku roboczym lub w autoklawie) Rysunek 9: Filtr sterylny 5 Usuwanie wilgoci 5.1 Osuszacz adsorpcyjny Podstawowymi elementami osuszacza adsorpcyjnego są dwie kolumny (wieże) wypełnione higroskopijnym złożem w postaci aktywnego tlenku glinu (Rys. 10). Podczas pracy w jednej z nich osuszane jest wytworzone przez sprężarkę powietrze. Po ukończonej fazie osuszania pewna jego ilość wędruje przez wylot Rysunek 10: Osuszacz adsorpcyjny w górnej części osuszacza do sieci, a pozostała, zazwyczaj 7-15%, kierowana jest do drugiej kolumny, gdzie posłuży do regeneracji złoża (osuszone powietrze powoduje wytrącenie z niego cząsteczek wody). Wilgotne powietrze pozostałe po tym procesie wydmuchiwane jest do atmosfery przez zawór oczyszczający z tłumikiem. Po ukończeniu procesu z kolumny ze zregenerowanym złożem przed fazą osuszania stopniowo odprowadzane jest ciśnienie. Cykl trwa zazwyczaj 10 minut. Kolumny pracują naprzemiennie podczas gdy w jednej osuszane jest powietrze, w drugiej następuje regeneracja złoża. Potem cykl ulega odwróceniu. 15

5.2 Osuszacz ziębniczy Osuszacze ziębnicze (Rys. 11) to najczęściej stosowane osuszacze w przemyśle. Najogólniej mówiąc, ich działanie polega na wytrącaniu wilgoci poprzez schładzanie powietrza. Najczęściej stosowane są w instalacjach sprężonego powietrza pracujących wewnątrz pomieszczeń, w których powietrze nie jest narażone na temperatury poniżej 12 C. Sprężone powietrze trafia do połączonego wymiennika ciepła (tzw. wymiennik combo) (11), gdzie zostaje schłodzone do temperatury rosy podczas następujących dwóch etapów: Na pierwszym odcinku powietrze/powietrze (4) temperatura wlotowego Rysunek 11: Osuszacz ziębniczy sprężonego powietrza zostaje obniżona przez chłodniejszy strumień sprężonego powietrza wypływającego przeciwprądowo z separatora kondensatu (10). Na drugim odcinku czynnik chłodniczy/powietrze (5) temperatura sprężonego powietrza zostaje obniżona do zadanej temperatury punktu rosy. Podczas dwóch powyższych etapów procesu uzdatniania prawie cała para wodna i olejowa zawarta w sprężonym powietrzu skrapla się i zostaje stopniowo oddzielona od powietrza w wysoko wydajnym oddzielaczu (10), a następnie odprowadzona przez automatyczny spust kondensatu (6). W tym momencie suche i zimne powietrze powraca przeciwprądowo lub krzyżowo do początkowego wymiennika powietrze/powietrze (4) i ulega ponownemu ogrzaniu przez gorące powietrze wlotowe w wyniku odzyskiwania energii oraz obniżeniu wilgotności względnej strumienia powietrza wylotowego. Układ jest wyposażony w mikroprocesor (9), który służy do ustalania temperatury rosy, a także nadzorowania i sterowania standardowymi czynnościami układu. 16

6 Usuwanie CO2 Jednym z najczęściej wykorzystywanych rozwiązań technicznych do usuwania dwutlenku węgla są płuczki CO2. Płuczka CO2 (Rys. 12)usuwa dwutlenek węgla z komór chłodniczych, a ponadto usuwa część obecnego tam etylenu. Płuczka węglowa zawiera aktywny węgiel, który posiada właściwość adsorbowania dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla zostaje efektywnie usunięty z komory poprzez wyprowadzenie powietrza z komory przez złoże węglowe a następnie wprowadzenie z powrotem do komory. Rysunek 12: Płuczka (adsorber) CO2 17

7 Bibliografia: 7.1 Chorowski M. Technologie kriogeniczne, rozdział mieszanin gazowych, wykład, Politechnika Wrocławska, 7.2 Poradnik Chłodnictwa, Wydawnictwa Naukowo - Techniczne, Warszawa 1965 7.3 http://coolex.pl/pl/index.php?section=16 7.4 http://www.besseling-group.com/pl/co2.htm 7.5 http://pl.wikipedia.org/wiki 7.6 http://www.vervo.pl/ 7.7 http://www.filtertech.com.pl/ 18