Извлечение аммиака из сточных вод текстильного производства

В последние годы с разработкой  тканей, не требующих утюжки, и специальных  тканей возросло значение аммиачной  обработки тканей. В производстве используются большие количества аммиака, вследствие чего возникает проблема утилизации или удаления образующихся сточных вод.

В ходе процесса только небольшая  часть, около 5 %, исходного аммиака, действительно расходуется в  реакции или составляет потери. Остаток  находится в виде паров аммиака. В силу потенциальной вредности, неприятного запаха аммиачных паров  и по экономическим причинам необходимо проводить выделение паров аммиака  для сжижения и повторного использования.

К сожалению, не существует эффективных методов выделения  аммиака при обработке тканей. Недостатками известных процессов  являются взрывоопасность, ненадежность, отрицательные воздействия на процесс  первичной обработки ткани.

Немаловажным фактором является высокая стоимость. Поэтому  процесс выделения аммиака из сточных вод должен быть достаточно экономичен и технологичен.

Во многих случаях при  использовании больших объемов  аммиака его выделение и повторное  использование становятся экономически целесообразными при степени  выделения 90%. При меньшей эффективности  выделения процесс проводить невыгодно. В ситуациях, когда используются небольшие количества аммиака и когда он находится в смеси с большими объемами воздуха и водяного пара, выделение аммиака экономически нецелесообразно. В таких случаях отходы, содержащие аммиак, выбрасывают в атмосферу или сжигают.

Таким образом, существует потребность в разработке методов  и устройств для выделения аммиака в соответствии с техническими и экономическими требованиями текстильного производства.

В промышленности существует значительная потребность в водном растворе аммиака с концентрацией 20—30 %. Обычно такие растворы получают растворением газообразного аммиака  в воде. В то же время выделение  аммиака из отходов с достаточно высоким содержанием его может  привести к новым путям получения  таких растворов.

Предлагаемый процесс  предназначен для выделения аммиака  из отходящих газов, содержащих также  воздух и водяной пар. Газы барботируются через водяную ванну холодильника и затем проходят через скруббер при прямом контакте с разбрызгиваемой свежей водой. Скруббер и холодильник объединены в единый комплекс таким образом, что водный раствор аммиака из скруббера попадает сразу в водяную ванну холодильника. Температура водяной ванны контролируется с помощью температурного датчика, регулирующего скорость подачи охлаждающей жидкости.

Водный раствор аммиака  из ванны, отбираемый в качестве продукта, может возвращаться в ванну, если концентрация аммиака недостаточна. На рис. 13 показана установка для  проведения этого процесса.

Отходящие газы, содержащие аммиак, вместе с парами воды и воздухом, подаются в систему по линии /, проходят через  фильтр 2, воздушный насос 3, регулятор скорости подачи 4 и демпфер 5. Насос 3 доводит давление до 700 Па, при этом поддерживается скорость газа, обеспечивающая постоянство уровня водного раствора и уменьшение захвата капель газовым потоком. Линия / разделяется на линии 6 и 10, ведущие в холодильник 23. Холодильник состоит из трубной части и корпуса. Трубная часть связана с линиями 27 и 26, по которым циркулирует охлаждающий агент (обычно используется вода). В корпусе находится водяная ванна 9.

Отходящие газы по линиям 6, 10 поступают в камеру 7 к 11 соответственно (границы камер определяются перегородками 8 и 12). Камеры распространяются по

Рис. 2. Установка для  выделения водных растворов аммиака  с использованием промывки и конденсации

всей длине холодильника 23 и служат для барботажа газа через ванну 9, где происходит абсорбция части аммиака. После этого газ 16 с пониженной концентрацией аммиака (около 10 %) проходит в скруббер 17, расположенный над холодильником 23.

В скруббере 17 газ омывается свежей водой, которая подается по линии 13 через вентиль 14 и распыляющее сопло 20. Дополнительное распылительное устройство 19 обеспечивает распыление воды на мельчайшие капли 18. Капли движутся вниз по скрубберу, взаимодействуя с поступающим газом. При этом аммиак практически полностью поглощается водой, а выходящий газовый поток с содержанием аммиака около 0,5 % выпускается через вентиль 22. Водный поток 18, поглотивший аммиак из газа 16, стекает вниз и объединяется с содержимым ванны 9 в. корпусной части холодильника 23.

Водный раствор аммиака  с содержанием 20—30 % или более  выводится из холодильника 23 через скважину 29, линию 30 с вентилем 31 и насосом 32 и трубопровод 37 в емкость для хранения 38. Поток охлаждающей жидкости, циркулирующий по линии 27, трубчатой части холодильника и линии 26, регулируется клапаном 27, который в свою очередь управляется датчиком температуры 28. Температура в ванне 9 поддерживается в интервале 10—25 °С.

Датчик концентрации 33 связан с линией 31 и измеряет электропроводящие свойства раствора как функцию концентрации аммиака в растворе. Датчик осуществляет контроль за работой трехходового клапана 34, направляющего продукт или по линии 37 в емкость для хранения 38 или по линиям 35 и / в ванну 9 для создания требуемой концентрации аммиака.

Данный метод предназначен для выделения аммиака из газовых  смесей с его небольшим содержанием; получающиеся водные растворы имеют  концентрацию 20—30 %, достаточную для  многих практических приложений.

Ранее такие растворы получались пропусканием безводного аммиака через  воду. Описываемый процесс решает две важные задачи — обеспечивает получение полезного продукта из отходящих газов, переработка которых  ранее считалась экономически невыгодной, и устраняет вредные выбросы  в атмосферу.

Скорость подачи свежей воды по линии 13 (через жиклер 20) регулируется вентилем 14, управляемым уровнемером 36, связанным с холодильником 23.

Скруббер 17 и холодильник 23 предпочтительно располагать в одном корпусе 24. Холодильник имеет форму горизонтально расположенного цилиндра, скруббер находится в средней по длине его части и расположен над ним. Скруббер обычно расположен вертикально и в верхней части 15 имеет выходной вентиль 22. Колодец 29 регулирует глубину заполнения ванны 9 так, что насыщение аммиаком происходит по мере отбора водного раствора по линии 30 в резервуар 38.

С экономической точки  зрения в процессе обработки ткани  жидким аммиаком необходима его регенерация  и повторное использование. Во время  технологических операций аммиак в  любом случае загрязняется водой. Теоретически в условиях периодического процесса отделение воды от аммиака реализуется  довольно просто с использованием выпаривания  или других подобных методов. Однако в условиях непрерывного производства при .использовании больших количеств аммиака в качестве реакционной жидкости вода быстро накапливается ие только в процессе обработки ткани, но и в результате проникновения атмосферного воздуха в систему.

Так как вода накапливается  в системе непрерывно, она должна непрерывно удаляться по ходу процесса. Предлагаемый процесс обеспечивает высокую эффективность удаления воды в результате конденсации паров  воды и аммиака из отходящих газов  в охлаждающей камере, где абгазы контактируют с низкотемпературной массой жидкого аммиака. Охлаждение аммиаком производится после предварительного охлаждения газа в бесконтактных теплообменниках.

Сконденсировавшаяся масса  жидкого аммиака с примесью воды смешивается со свежим жидким аммиаком и возвращается в процесс. Как  правило, часть воды, поступающей  на обработку, удаляется вместе с  тканью, а остаток выводится в  виде пара, подвергающегося рециркуляции.

Существенным приемом  здесь является то, что жидкий аммиак не сразу возвращается в процесс, а подается в охлаждающую камеру, где смешивается с отходящими продуктами. Эта смесь, которая содержит небольшие количества воды, возвращается в процесс. В силу этого, содержание воды в реакционном растворе поддерживается на постоянном низком уровне, обычно 2—3 % при максимальной нагрузке. При  эксплуатации в более мягких условиях количество воды может быть еще более  снижено.

Общая схема процесса обработки  ткани и выделения аммиака  представлена на рис. 14.

Целлюлозная ткань 10 из подающего устройства проходит ролики контроля натяжения 2 и пропускается через один или несколько нагревательных валов, образующих секцию предварительной сушки. На этой стадии обработки ткань теряет значительное количество влаги; после нее материал содержит от 7 до 10 % воды (от массы ткани). Избыточное количество воды в материале может ингибировать реакцию с участием жидкого аммиака. Обычно такой процесс проводится в среде аммиака с содержанием воды не более 10%.

Соотношение массы аммиака  к массе обрабатываемой ткани  может меняться в широких пределах, однако отношение 1 : 1 (одна часть раствора аммиака к одной части ткани) является широко распространенным. В таком случае при содержании 10 % воды в подаваемой ткани в процессе смешивания с аммиаком содержание в нем воды составит также около 10 %. Этот уровень нежелателен, поскольку сам аммиак также содержит некоторое количество влаги. Поэтому на стадии предварительной просушки достигается остаточное содержание влаги 3—5 %. Если ткань приходит достаточно сухой, эти операции могут быть опушены.

После секции предварительной  сушки ткань имеет высокую  температуру и охлаждается перед  подачей в камеру обработки аммиаком 16 струей воздуха от вентилятора 4; при этом ткань приобретает температуру окружающего воздуха.

После просушки, охлаждения и прохождения дополнительного  натягивающего ролика 5 ткань вводится в реактор 16 через герметическое подающее устройство 6. Как правило, давление в реакторе 16 поддерживается несколько ниже атмосферного и устройство 6 представляет собой двойной герметический затвор. Промежуточная камера между затворами функционирует при несколько меньшем давлении, чем в реакторе, так что при наличии негерметичности протечки будут направлены внутрь промежуточной камеры и потеря аммиака сводится к минимуму. Обычно реакционная камера работает при разрежении 120 Па, в то время как в промежуточной камере затвора поддерживается разрежение ~190 Па.

Рис. 3. Схема процесса выделения  и вторичного использования аммиака  в процессе обработки ткани

В варианте, показанном на схеме, аммиак в реакторе 16 обрабатывается с помощью устройства 8. Оно снабжается жидким аммиаком, подаваемым в контролируемом режиме по трубопроводу 17'. Контроль осуществляется с помощью поплавкового клапана, поддерживающего постоянный уровень жидкого аммиака.

Далее ткань проходит через валки 7 для отжима избытка аммиака и  затем через серию барабанов  с регулируемой скоростью вращения 9. Через определенное время ткань подвергается нагреванию для отгонки жидкого аммиака.

Для просушки используются сушильные барабаны 10, 13 пальмеровского типа. Каждый из них состоит из большого нагревательного барабана 11, вокруг которого наматывается просушиваемая ткань; оба барабана соединены последовательно. В соответствии с технологией реакция взаимодействия аммиака с тканью практически прекращается при установлении контакта ткани с первым барабаном. Интервал времени между началом погружения ткани в жидкий аммиак и началом контакта с поверхностью сушильного барабана обычно составляет от 0,6 до 9 с. Достижение необходимого времени осуществляется изменением длины пути ткани между устройством 8 и первым барабаном 10, например с помощью изменения скорости вращения валков 9.

После окончания просушки на втором барабане 13 ткань выходит из камеры 16 через выходной затвор 15. Это устройство аналогично 6 и обеспечивает перепад давлений, исключающий утечку аммиака.

В процессе прохождения тканью главной  камеры только 5 % жидкого аммиака, подаваемого  в устройство 8, расходуется в реакции, остальное количество отдувается в виде газообразного аммиака. Эти пары представляют опасность для здоровья; их повторное использование имеет большое значение для обеспечения экономичности непрерывного производства. Выделение аммиака осуществляется путем его отбора из камеры, сжатием паров и их конденсацией. Обычно в смеси содержится большое количество воздуха, однако воздух легко отделяется от аммиака, поскольку он конденсируется гораздо хуже. Газовая смесь из камеры 16 содержит также некоторое количество воды из подаваемой ткани и влаги воздуха. Несмотря на наличие герметических устройств ввода и вывода, в реактор попадает воздух, содержащийся в межволоконных полостях ткани.

Присутствие воды в аммиаке  еще недавно представляло значительные трудности для его очистки и получаемый разбавленный раствор мог использоваться только в качестве низкосортного сырья в других производствах, например при изготовлении удобрений. Предлагаемый процесс позволяет эффективно отделять воду в непрерывном режиме; при этом вода не ингибирует реакции и получается довольно чистый безводный аммиак. В показанном упрощенном варианте процесса для непрерывного отвода газовой смеси из главной камеры обработки используется всасывающая линия 17. Газовый поток вначале направляется в секцию выделения 18, в которой газы подвергаются сжатию и конденсации и жидкий аммиак отделяется от воздуха. Емкость 19 обеспечивает временное хранение аммиака. Линия 17, посредством которой жидкий аммиак подается в устройство 8, не связана непосредственно с 19, а выходит из секции выделения 18. При этом жидкий аммиак из емкости 19 подается сначала в секцию 18, где он используется в качестве охлаждающей жидкости и только после этого направляется в устройство 8 вместе с избыточной влагой из рециркулируемых газов.