Тонкая очистка воздуха и аспирационных выбросов методом конденсационного улавливания

Первые попытки ограничить загрязнение воздушных пространств крупных городов относятся еще к началу средних веков.

Законодательные мероприятия, издававшиеся под давлением общественности, в течение длительного времени носили паллиативный характер. На заре промышленного производства в начале XIX века мощные клубы дыма, вырывавшиеся из фабричных труб и опутывавшие темной пеленой города, рассматривались как своего рода индекс производства и свидетельствовали о процветании страны.

Бурное развитие промышленности с бесплановым размещением промышленных предприятий зачастую уже в середине прошлого века приводило к созданию для населения совершенно невыносимых условий.

С течением времени соответствующее законодательство ограничило предельную концентрацию пыли в воздушных выбросах, что оказало положительное влияние на состояние атмосферного воздуха. Однако с укрупнением промышленного производства возросло абсолютное количество выбрасываемого дисперсного материала. Это обстоятельство, а также сложность контроля над действительной запыленностью воздушных выбросов и в первую очередь несовершенство устройств для улавливания пыли способствуют высокой запыленности атмосферного воздуха.

Аэрозоль, выброшенная в атмосферу, может сравнительно долго пребывать в ней во взвешенном состоянии. Перемещаясь воздушными течениями частицы аэрозоли со временем образуют агломераты (коагулируя) и медленно оседают на поверхность земли. Витающие в воздухе частицы аэрозоли поглощают ультрафиолетовые лучи, необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. Конденсация водяных паров на частицах вызывает образование местных туманов. Хорошо известна способность пыли вызывать заболевания дыхательных путей. Большой ущерб оседающей пылью наносится растительности городских и пригородных парков и садов.

Очень часто промышленные пыли включает вещества, которые при растворении атмосферными осадками образуют химически активные кислотные или щелочные соединения. Вследствие этого оседающая пыль способна оказывать разрушающее действие на архитектурные украшения и строительные конструкции зданий.

Атмосферный воздух всегда содержит мельчайшие твердые или жидкие частицы, несущие различные микроорганизмы. Размеры этих частиц могут колебаться от десятых долей микрона до десятков микрон, а соотношение между различными фракциями зависит от местных условий. В любом случае атмосферный воздух является полидисперсным аэрозолем.

Суммарная концентрация частиц различной природы, находящихся в атмосферном воздухе районов, где возможно расположение заводов микробиологической промышленности, колеблется от десятых долей до нескольких десятков и даже сотен миллиграммов на кубический метр, а частичная концентрация достигает 108—1010 частиц/м3. Далеко не все эти частицы содержат микроорганизмы. В городах средняя концентрация.

3 4 3 микроорганизмов в воздухе составляет 10 —10 клеток/м .

Заводы тонкого микробиологического синтеза, особенно в тех случаях, когда они производят антибиотики, витамины и тому подобные препараты, обычно располагают в озелененных районах, где содержание.

•5 микроорганизмов в воздухе не превышает 1000—3000 клеток/м. Спектр воздушной микрофлоры весьма разнообразен и также меняется в зависимости от местных условий. Однако во всех случаях в воздухе преимущественно сохраняются микроорганизмы, обладающие значительной устойчивостью к высыханию и действию солнечной радиации. Размеры микроорганизмов, наиболее часто встречающихся в воздухе, колеблются от 0,5 до 25 мкм.

В воздухе могут также присутствовать вирусные и фаговые частицы, размеры которых еще меньше, но они обычно находятся не в свободном состоянии, а на мельчайших частицах почвы, золы, сажи, пыльцы растений.

Отстойные камеры Циклоцы Р=2000мм Циклоны Р=1000−2000мм.

Циклоны Р менееЮООмм.

Мокрые скрубберы | Тканевые фильтры | Волокнистые фильтры Скрубберы Вентури.

Бумажные фильтры.

Сухие и мокрые электрофильтры.

0,01 од 1 ц) мкм.

Рис. В.1. Диапазон применения различных аппаратов в зависимости от размера дисперсных частиц.

Поэтому при выборе методов очистки и стерилизации атмосферного воздуха и расчете соответствующих установок и оборудования следует учитывать возможное распределение микроорганизмов по частицам различных размеров.

Средняя общая исходная концентрация микроорганизмов в л атмосферном воздухе может быть принята 2000 клеток/м. Некоторые авторы считают, что после предварительной грубой очистки подобного воздуха на предфильтрах и после компрессора эта концентрация снижается до 70−150 (в л среднем 100) клеток/м. Такая концентрация может быть принята в качестве исходной при выборе метода и аппаратурного оформления установки для тонкой очистки и стерилизации аэрирующего воздуха.

Необходимость тонкой очистки и стерилизации воздуха возникает в микробиологических производствах не только при обеспечении аэрации, но и в некоторых других случаях. Например, при очистке воздушных выбросов из технологического оборудования и производственных помещений, вентиляции стерильных лабораторных помещений, боксов и производственных помещений, в которых необходимо поддерживать повышенный уровень чистоты для проведения технологических процессов в асептических условиях.

Наиболее широко используемая аппаратура [1,2] для выделения механических примесей из газов представлена на рис. В.1, где наглядно показана область применения того или иного тапа аппарата в зависимости от дисперсного состава улавливаемых частиц. Необходимость в таком большом количестве типов поглотителей пыли объясняется многообразием условий пылеулавливания.

Как известно, первый патент на конструкцию пылеуловителя-циклона был выдан в 1880 г., а первый электрофильтр был построен только в 1906 г. В настоящее время существует и применяется на практике большое количество пылеуловителей различной конструкции, действие которых основано на использовании различных физических принципов. К ним относятся гравитационные, инерционные, электростатические, термические и другие пылеуловители, ультразвуковые и скоростные (Вентури) коагуляторы. Имеется много разновидностей «мокрых» пылеуловителей, в которых пыль поглощается жидкими пленками или отделяется при промывке газов жидкостями.

Обращает на себя внимание то, что для улавливания высокодисперсных аэрозолей (размером менее 1 мкм) используются в основном фильтры. Такие аппараты [3] требуют периодической замены фильтрующего материала и рассчитаны на малые концентрации дисперсной фазы при малой скорости фильтрации. То есть обладают сравнительно малой производительностью и экономически дороги. Главным недостатком фильтров является изменение во времени производительности, гидравлического сопротивления и эффективности улавливания. Поэтому не всегда представляется возможным с полной достоверностью оценить их работоспособность. Кроме того, следует отметить трудность извлечения из фильтрующего материала осажденных аэрозольных частиц, что необходимо, например, в установках, предназначенных для контроля окружающей среды, с целью проведения дальнейших анализов, а также сложность эксплуатации при улавливании аэрозолей, содержащих ядовитые, радиоактивные, воспламеняющиеся и другие вредные и опасных вещества.

Электрические фильтры отличаются незначительным гидравлическим сопротивлением, достаточно высокой эффективностью улавливания и надежностью работы. Однако для улавливания в этих аппаратах аэрозольных частиц размером менее 1 мкм [1] необходима тщательная подготовка очищаемых газов: предварительная (грубая) очистка, увлажнение и охлаждение газов, а также укрупнение взвешенных частиц. Это значительно усложняет схемы очистки. В теории и практики электростатического осаждения показано, что современные электрофильтры не могут обеспечить эффективность близкую к 100%, так как не все мельчайшие частицы достигают осадительных электродов из-за малой скорости их дрейфа и турбулентности газового потока, а крупные частицы легко срываются со стенок и уносятся потоком. Следует отметить, что некоторые продукты обладают такими физическими свойствами, которые исключают возможность эффективного улавливания их взвешенных частиц в электрофильтрах. Примером тому является активная сажа, легкая по весу, обладающая очень малым удельным электрическим сопротивлением.

Представляется целесообразным, используя подготовку газа перед электрофильтрами, обеспечить осаждение укрупненных частиц в более простых и экономичных аппаратах, например, мокрого типа. Мокрые способы очистки получили в последние годы значительное развитие в отечественной промышленности и за рубежом.

В ряде случаев выбор очистного оборудования определяется объемом очищаемого газа и технико-экономическими соображениями. Матерчатые фильтры и электрофильтры применяются, как правило, в тех случаях, когда стоимость улавливаемого материала окупает затраты на их устройство. Объем этих фильтров так велик, что их использование часто связано с постройкой специальных помещений.

Аппараты мокрой очистки имеют следующие достоинства.

Во-первых, более высокая эффективность улавливания частиц по сравнению с сухими механическими аппаратами. Некоторые типы мокрых фильтров (скрубберы Вентури) могут быть применены для частичной очистки газов от высокодиеперсных частиц.

Во-вторых, мокрые фильтры не только могут успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как тканевые и волокнистые фильтры, но и использоваться в тех случаях, когда последние не применимы, например, при повышенной влажности газов.

В-третьих, аппараты мокрой очистки газов одновременно со взвешенными частицами могут улавливать парообразные и газообразные компоненты. Именно аппаратам мокрой очистки газов и посвящено настоящее исследование.

ВЫВОДЫ.

На основании изучения известных способов очистки атмосферного воздуха от аэрозольных частиц показано, что наиболее эффективным является метод конденсационного улавливания.

Предложено конденсационное устройство для улавливания частиц аэрозолей, состоящее из камеры смешения, диффузора, где происходит укрупнение частиц за счет конденсации на них пара, и циклона с температурным градиентом в кручением газовом потоке.

Теоретический анализ закономерностей смешения воздуха с паром и расширения смеси пара с воздухом позволил предложить зависимости для расчета:

— количества пара необходимого для создания критического пересыщения в зависимости от размера частиц аэрозоля, содержащихся в атмосферном воздухе;

— термодинамические параметры турбулентного смешения пара и газа, содержащего аэрозольные частицы, что позволь определить оптимальные геометрические параметры камеры смешения и массу сконденсировавшихся паров;

— оптимальные геометрические параметры диффузора, при которых обеспечивают максимальную степень конденсации пара на аэрозольных частицах.

Экспериментальные исследования позволили:

— подтвердить правильность предложенных аналитических зависимостей;

— показать, что предложенное устройство обеспечивает эффективность улавливания аэрозолей размером 0,4−5 мкм до 99,99%.

На основании проведенных исследований разработана и прошла опытно-промышленные испытания установка для тонкой очистки.

103 атмосферного воздуха от аэрозолей, которая может найти применение в микробиологических производствах.

В производстве ферментов и кардиотропных препаратов отходящие из аппаратов газы содержат вредные для окружающей среды аэрозольные частицы и микроорганизмы размером от 0,5 до 25 мкм. В результате проведенных на ОПУ АО «ГНИТИАФ» опытно промышленных испытаний предложенного в работе метода конденсационного улавливание показана возможность снизить выбросы аэрозоля до уровня, удовлетворяющего отраслевым требованиям.