CC BY
126
УДК 67.083
Н.Е. Проскуряков, д-р техн. наук, проф., (4872)35-24-93, tppzi@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ), А.В. Моисеев, асп., (4872)35-24-93, tppzi@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ НА МАЛЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Для решения проблемы утилизации загрязненных растворителей на малых промышленных предприятиях в данной статье предлагается использование технологии дистилляции растворителей на базе мобильной установки регенерации, что позволяет решить проблему незаконного слива использованных растворителей в окружающую среду.
Ключевые слова. Дистилляция, вакуум, растворитель, регенерация, параметры, мобильная установка, комплектация.
Экологическая ситуация на малых промышленных предприятиях России является сложной. Одной из проблем является утилизация загрязненных растворителей. Зачастую предприятия просто сливают загрязненные растворители, использованные для промывки различных узлов и деталей в окружающую среду. Для решения данной проблемы в данной статье предлагается использовать технологию регенерации отработанных растворителей.
Регенераторы восстанавливают отработанные органические растворители путем дистилляции. Они позволяют восстанавливать до 95% объема отработанного органического растворителя. Процесс дистилляции представляет собой перегонку, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров.
Простая дистилляция — частичное испарение кипящей жидкой смеси путём непрерывного отвода и конденсации образовавшихся паров в холодильнике. Полученный конденсат называется дистиллятом, а неиспа-рившаяся жидкость — кубовым остатком.
При нагревании загрязненный сольвент приобретает парообразное состояние и попадает в конденсатор, где охлаждается с помощью охлаждающего вентилятора и вновь возвращается в жидкое состояние, но уже не имеет загрязняющих веществ, которые содержались в нем до регенерации (смолы, пигменты, масла и т.д.). Превратившись в чистую жидкость, он вытекает из конденсатора под действием силы тяжести и попадает в емкость для сбора чистого сольвента.
Дистилляция - это важный коммерческий процесс, который используется для очистки большого количества различных веществ. Рассмотрим процесс, во время действия которого вещество трансформируется
из конденсированной фазы в фазу газообразную. Для жидкости данный процесс называется испарением, а для твердых веществ - сублимацией. Для двух данных процессов одинаково необходимо тепло. Все вещества независимо от того, жидкости это или твердые вещества, характеризуются давлением насыщенного пара. Давление насыщенного пара - это характеристика стремления конденсируемого вещества преобразоваться в конденсированную фазу, вещество должно кипеть. Как испарение, так и сублимация могут использоваться для очистки смеси. Для того чтобы понять, как использовать преимущество данных процессов в очистке органических материалов, рассмотрим, как чистые смеси ведут себя при сублимации или испарении.
Рассмотрим давление насыщенного пара чистого вещества и того, как оно изменяется в зависимости от температуры. Давление пара - это равновесная характеристика. В воздухе, содержащем большое количество водяного пара, охлаждающий эффект был бы уменьшен, а при относительной влажности 100 % охлаждающего эффекта не будет. Процесс испарения компенсируется равной величиной конденсации. В этой связи, если испарение является эндотермическим процессом (тепло поглощается), то конденсация должна быть экзотермическим процессом (тепло выделяется). Теперь рассмотрим, как давление пара изменяется в зависимости от температуры. Оно не увеличивается линейно, но фактически увеличивается экспоненциально с температурой. Полезное "эмпирическое правило" состоит в том, что давление пара вещества примерно удваивается для каждого увеличения температуры на 10 °С. Невозможно достигнуть давления пара, большего, чем 1 атмосфера, в контейнере, открытом для окружающей среды. Если контейнер оборудовать крышкой, давление пара воды или любого другого вещества в этом отношении продолжило бы повышаться с температурой, пока контейнер не был бы разорван. Повышение точки кипения с увеличением внешнего давления - это принцип использования плиты давления.
Увеличение точки кипения с повышением внешнего давления, важно при приготовлении и стерилизации пищи или посуды, но менее важно в дистилляции. Однако оно иллюстрирует важный принцип, который используется при дистилляции многих материалов. Если точка кипения воды повышена, когда внешнее давление увеличено, то уменьшение внешнего давления должно уменьшить точку кипения. В то время как это не особенно важно для очистки воды, данный принцип используется в процессе сублимационной сушки. Кроме того, многие вещества не могут дистиллироваться при атмосферном давлении, потому что их точки кипения слишком высоки. При их нормальных точках кипения вещества разлагаются. Некоторые из данных материалов могут быть дистиллированными под уменьшенным давлением, однако необходимая температура для достижения точки кипения вещества может быть значительно понижена. Другими сло-
вами "эмпирическое правило", описанное выше, действует следующим образом: точка кипения будет понижена на 10 °C каждый раз, когда внешнее давление уменьшается в 2 раза. [1]
По вышеописанному методу очищают растворители в промышленности. Данные отходы очищают с помощью процесса дистилляции посредством дистилляторов (регенераторов) растворителей. На российском рынке представлены в основном немецкие и итальянские модели данного оборудования. Одними из самых распространенных регенераторов являются модели итальянской фирмы «IST» (рис. 1).
1 3 2 4 5
Рис. 1. Регенератор (дистиллятор) растворителей «IST»: 1 - масляный термометр (указывает температуру диатермического
масла); 2 - термометр растворителя (указывает температуру испарения растворителя); 3 - пульт управления; 4 - аварийный клапан (клапан аварийного давления); 5 - крышка бака; 6 - бак для растворителя; 7 - табличка с данными о диатермическом масле (через которое происходит нагрев бака регенератора); 8 - выпускная трубка регенерированного растворителя; 9 - винт блокировки поворота; 10 - опора; 11 - нагревательный элемент; 12 - ручка; 13 - знаки безопасности; 14 - колпачок вентиляционного отверстия рубашки диатермического масла
Данное регенерирующее оборудование состоит из двух раздельных секций: главная секция - это бак, где происходит нагревание регенерируемого растворителя до парообразного состояния, который соединен со второй секцией, предназначенной для нагревания диатермического масла и конденсации растворителя.
Принцип работы регенераторов растворителей основан на методе дистилляции. Они регенерируют загрязненные растворители способом
дистилляции. Загрязненный растворитель заливается в бак регенератора до максимального уровня. Бак изготавливается из двух цилиндров разного диаметра таким образом, чтобы между ними получилась герметичная камера, которая заполняется диатермическим маслом и в которую устанавливаются нагреватель и термостаты. При нагревании загрязненный растворитель превращается в пар, который через отверстие в баке и соединительную трубку попадает в конденсатор. В конденсаторе он охлаждается вентилятором и вновь переходит в жидкое состояние, но уже не содержит загрязняющих веществ, которые были в нем до начала регенерации (смолы, пигменты, красители, масла и т.д.). Перейдя в жидкое состояние, растворитель выходит из конденсатора и через выпускную трубку стекает в емкость для чистого растворителя.
Регенератор завершает свой цикл только тогда, когда в баке не останется растворителя. Цикл управляется микропроцессором, который может выводить на дисплей различные температурные параметры. Рабочая температура программируется и отображается на передней панели. Цикл прерывается автоматически, как только регенерируемый растворитель заканчивается в баке, при этом выключается и сам аппарат. [ 2 ].
Установки немецкой фирмы «LÖMI» (ЛЁМИ) [ 4 ] для вакуумной дистилляции (регенерации) растворителей также обеспечивают многократное повторное использование одного и того же объема растворителей. Это позволяет радикально - до 97 % - сократить затраты на закупку новых и утилизацию использованных растворителей.
Например, при ежемесячном потреблении 8...10 т растворителей для промывки анилоксовых валов и/или печатных форм для флексомашин, установка «LÖMI» (ЛЁМИ) окупается за 4.5 месяцев односменной эксплуатации и приносит 10.12 миллионов рублей годовой экономии. На сэкономленные таким образом средства предприятие через 4.5 лет сможет, к примеру, приобрести новую флексомашину.
На примере регенераторов растворителей итальянской компании «IST» были рассмотрены оптимальные параметры процесса перегонки. Наиболее эффективная перегонка происходит при условии
Ti = Тип + 40 0С,
где Т1 - температура нагрева диатермического масла; Ткип - температура кипения растворителя. Данная формула действительна для всех видов растворителей.
Температура Т2 задается для автоматического выключения регенератора. T2 показывает температуру паров на входе в конденсатор и рассчитывается по формуле
Т2 = Ткип - 20 0Q
где Т2 - температура паров на входе в конденсатор.
Для растворителей, имеющих точку кипения свыше 160 0С, необходимо использование вакуумных генераторов, которые создают вакуумное разряжение внутри бака регенератора и понижают температуру кипения.
Растворители, загрязненные красками, содержащими нитроцеллюлозу, нельзя перегонять при температуре свыше 120 0С. Если данные растворители имеют температуру выше 100 0С, то для достижения необходимой разницы в 40 0С температур кипения растворителя и нагрева диатермического масла необходимо использовать вакуумный генератор, который уменьшает температуру кипения растворителя в баке регенератора.
При перегонке хлорсодержащего растворителя необходимо оборудовать регенератор конденсатором из нержавеющей стали вместо медного конденсатора, так как пары растворителя, содержащего хлор, постепенно разрушают медь.
На основе эксплуатации регенераторов растворителей «IST» разработана методика выбора параметров регенерации растворителя и структурного синтеза оборудования.
1. Если растворитель содержит в своем составе хлор, необходимо, чтобы регенератор имел конденсатор из нержавеющей стали, так как пары хлорсодержащего растворителя разрушают медные конденсаторы.
2. Если растворитель имеет точку кипения свыше 160 0С или более 100 0С, при загрязнении красками с нитроцеллюлозой необходимо использование вакуумных генераторов, которые создают разряжение внутри бака регенератора.
Использование рассмотренного процесса регенерации позволяет решить очень серьезную проблему отходов загрязненных растворителей на предприятиях российской промышленности и является экономически целесообразным за счет возвращения в производство отработанных ресурсов
[3].
Эффективный путь решения проблемы загрязненных органических растворителей для малых предприятий - мобильная лаборатория регенерации.
Органические растворители используются во многих сферах производства для промывки различных деталей. Их утилизация является платной услугой, поэтому большинство предприятий просто выливают растворители в канализацию или в окружающую среду. На рынке уже достаточно продолжительное время предлагается оборудование по регенерации отработанных растворителей основанное на принципе дистилляции, позволяющее восстанавливать до 95 % отработанного вещества.
Оборудование регенерации не пользуется большим спросом ввиду целого ряда причин: необходимости организации участка регенерации, приема на работу дополнительного персонала, получения лицензии на переработку отходов и значительной стоимости оборудования. Доводы о
том, что данное оборудование быстро окупается и является гарантом экологической безопасности производства, на руководителей не действуют. Особенно следует выделить потребителей небольшого количества растворителя (50...150 литров в месяц): в лучшем случае загрязненный растворитель не выливается, а складируется на территории предприятий «до лучших времен». Таких предприятий в России великое множество: химчистки, автосервисы, малые полиграфические предприятия, предприятия по изготовлению оптической продукции и т.д.
Решение проблемы видится в установлении государственного контроля над предприятиями, потребляющими растворитель. То есть необходимо вести учет покупаемого и сдаваемого на утилизацию растворителя, а также обязать предприятия нести ответственность за «пропавший» растворитель.
В качестве альтернативы предлагается использование мобильной лаборатории регенерации, функционирующей на базе грузового автомобиля (Камаз, ГАЗель) или перевозящего лабораторию в специально оборудованном контейнере.
В своем составе мобильная установка имеет следующие детали и механизмы (рис. 2).
1. Регенератор растворителей непрерывного цикла.
2. Две емкости для временного хранения загрязненного растворителя, объемом 250 литров.
3. 2 емкости для временного хранения очищенного растворителя, объемом 250 литров.
4. Электрораспределительный шкаф во взрывозащищенном исполнении для электроснабжения устройств.
5. Насос для перекачивания растворителей из бочек в емкости и обратно
6. Кабель для подключения внешнего источника электропитания 30 кВт, 3ф, 380 В через электрораспределительный шкаф на катушке 100 п.м.
7. Герметичная емкость для временного хранения твердого осадка, оставшегося после регенерации, в специальных полимерных мешках, объемом 50.100 л.
8. Автономная фильтр-вентиляционная установка, обеспечивающая 10-кратный часовой обмен воздуха в фургоне мобильной установки регенерации.
9. Установка пожаротушения (углекислотная или порошковая) с автоматическим и ручным пуском.
10. 2 шкафа для хранения комплектов шлангов (химически стойких) - по 25 п.м.
11. 2 шкафа для хранения респираторов (противогазов) с набором патронов для различных растворителей, ЗИП и 200 мешков для регенерации.
12. Рабочее место с прибором для химического анализа состава очищенного растворителя.
13. Система освещения.
Рис. 2. Мобильная лаборатория регенерации
Наличие вышеуказанного оборудования позволяет осуществлять регенерацию широкого круга растворителей, в том числе растворителей с высокой температурой кипения (до 280 °С), а также термически неустойчивые растворители (подверженные разложению при слишком высоких температурах).
Организация транспортировки отходов от производителя к переработчику требует лицензии и решения большого количества организационных вопросов, особенно если собственник отходов и приемщик находятся в разных регионах.
В связи с этим использование мобильной лаборатории может быть очень полезным и удобным, так как переработка загрязненных органических растворителей будет осуществляться на территории производителя отходов по прибытии мобильной лаборатории.
Мобильная лаборатория регенерации работает следующим образом.
1. По просьбе потребителя растворителей мобильная лаборатория регенерации направляется для переработки отработанных растворителей к месту их накопления и временного хранения на предприятии.
2. Переработка отработанных растворителей производится на промплощадке предприятия.
3. Конкретное место на промплощадке выбирается без каких-либо ограничений со стороны санитарно-эпидемиологических служб, так как переработка отработанного растворителя абсолютно безвредна для окружающей среды и безопасна как для персонала предприятия, так и для лиц, обслуживающих лабораторию регенерации.
4. Подключение и работа мобильной лаборатории регенерации осуществляются через электросеть предприятия или через автономный источник электропитания.
