При приготовлении лекарственных препаратов, в том числе и биотехнологическим способом, в атмосферном воздухе, наряду с инертными газами, азотом, кислородом, диоксидом углерода, содержатся пары воды и мелкодисперсные частицы, микроорганизмы, которые представляют собой аэрозоль. Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, -это их размер, который колеблется в широких пределах – от 0,1 до 850 мкм. Из представленных размеров наиболее опасны для человека частицы от 0,5 до 5 мкм. Более 30% массы частиц имеют размер 1-2 мкм и около 50% - меньше 0,5 мкм. В состав дисперсных частиц могут входить клетки и споры микроорганизмов как в свободном, так и в сорбированном на пылевых частицах виде.
Газоочистные и пылеулавливающие установки разделяют на технологические и санитарные.
Установки технологической очистки – это сооружения и аппараты, включенные в технологический процесс и исключающие газовые выбросы в атмосферу.
Установки санитарной очистки – сооружения и аппараты, препятствующие вредным технологическим и вентиляционным выбросам, а также служащие для возврата сырья.
Очистку воздуха можно осуществить принципиально разными методами.
1.МЕТОДЫОЧИТСКИ ОТРАБОТАННОГО ВОЗДУХА ОТ КРУПНО- И МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ (ПЫЛИ)
Все методы можно разделить на:
- механическую очистку;
- электростатическую очистку;
- очистку с помощью звуковой и ультразвуковой коагуляции.
1.1.Механическая очистка аэрозолей
Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим методам относятся:
1) гравитационное осаждение;
2) инерционное и центробежное пылеулавливание;
3) фильтрация.
В большинстве промышленных газоочистительных установок комбинируется несколько приемов очистки от аэрозолей, причем конструкции очистных аппаратов весьма многочисленны.
Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40—100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц диаметром более 50—100 мкм, причем степень очистки составляет не выше 40—50%. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки аэрозолей.
Эффективность улавливания в них зависит от времени пребывания газов в камере и расстояния, проходимого частицами под действием гравитационных сил.
Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на входе в аппарат составляет 10-15 м/с. Частицы пыли с диаметром частиц менее 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70 %. Инерционный метод можно применять лишь для грубой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода — быстрое истирание или забивание щелей.
Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители (ротоклоны) и др. Циклоны наиболее часто применяют в промышленности для осаждения твердых аэрозолей. Циклоны характеризуются высокой производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов (производительностью более 20000 м3/ч), степень очистки составляет около 90 % при диаметре частиц более 30 мкм. Для частиц с диаметром менее 30 мкм степень очистки снижается до 80 %,а при диаметре частиц 5 мкм она составляет менее 40 %.
Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть, химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие фильтрующие материалы (керамика, металлокерамика, пористые перегородки из пластмассы и др.).
Отечественным и зарубежным опытом показано, что технологически и экономически оправданным в промышленности является способ очистки воздуха с помощью волокнистых и пористых материалов. Наиболее часто для фильтрации применяют специально изготовленные волокнистые материалы — стекловолокно, шерсть или хлопок с асбестом, асбоцеллюлозу. В зависимости от фильтрующего материала различают тканевые фильтры (в том числе рукавные), волокнистые, из зернистых материалов (керамика, металлокерамика, пористые пластмассы). Тканевые фильтры, чаще всего рукавные, применяются при температуре очищаемого газа не выше 60-650С. В зависимости от гранулометрического состава пылей и начальной запыленности степень очистки составляет 85-99 %. Для непрерывной очистки ткани продувают воздушными струями, которые создаются различными устройствами - соплами, расположенными против каждого рукава, движущимися наружными продувочными кольцами и др. Сейчас применяют автоматическое управление рукавными фильтрами с продувкой их импульсами сжатого воздуха. Данный способ используют при производстве таблеток, где необходима сушка гранул во взвешенном (псевдосжиженном) слое.
Волокнистые фильтры, имеющие поры, равномерно распределенные между тонкими волокнами, работают с высокой эффективностью; степень очистки достигает до 99,5- 99,9 % при скорости фильтруемого газа 0,15-1,0 м/с.
На фильтрах из стекловолокнистых материалов возможна очистка агрессивных газов при температуре до 2750С. Для тонкой очистки газов при повышенных температурах применяют фильтры из керамики, тонковолокнистой ваты, из нержавеющей стали, из пластмасс, обладающие высокой прочностью и устойчивостью к переменным нагрузкам; однако их гидравлическое сопротивление велико — 1000 Па.
Фильтрация — весьма распространенный прием тонкой очистки аэрозолей, которая применяется при различных производствах лекарственных препаратов (смешивание, сушка, таблетирование, биотехнологическое производство антибиотиков и т.д.). Ее преимущества — сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки.
Недостатки фильтрации — высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью.
Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров является наиболее распространенным приемом заключительной стадии механической очистки, в особенности для газов, подлежащих охлаждению. Мокрые пылеулавливатели имеют одну весьма важную особенность: они обладают высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной (менее 1 мкм) пыли. Имеются и другие достоинства, среди которых:
1) относительно небольшая стоимость и высокая эффективность улавливания взвешенных частиц;
2) возможность очистки газов при относительно высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгорания и взрывов очищенных газов или уловленной пыли.
В аппаратах мокрой очистки применяют различные приемы развития поверхности соприкосновении жидкости и газа.
Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей — это образование больших объемов жидких отходов (шлама). Таким образом, если не предусмотрены замкнутая система водооборота и утилизация всех компонентов шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, т. е. из атмосферы в водоемы.
1.2. Электростатическая очистка аэрозолей
Электростатическая очистка газов служит универсальным средством, пригодным для любых аэрозолей, включая туманы кислот, и при любых размерах частиц. Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами. Осаждение частиц происходит на заземленных осадительных электродах. Промышленные электрофильтры состоят из ряда заземленных пластин или труб, через которые пропускается очищаемый газ. Между осадительными электродами подвешены проволочные коронирующие электроды, к которым подводится напряжение 25-100 кВ. Очистка осложнена прилипанием частиц к электроду, аномальным (пониженным) сопротивлением слоя пыли на электродах и др.
При очистке от пыли сухих газов электрофильтры могут работать в широком диапазоне температур (от 20 до 500 °С) и давлений. Их гидравлическое сопротивление невелико — 100-150 Па. Степень очистки от аэрозолей 99,9 % на многопольных электрофильтрах при диаметре частиц более 1 мкм. Недостаток этого метода — большие затраты средств на сооружение и содержание очистных установок и значительный расход энергии на создание электрического поля. Расход электроэнергии на электростатическую очистку — 0,1~0,5 кВт на 1000 м3 очищаемого газа.
1.3.Звуковая и ультразвуковая коагуляция
Звуковая и ультразвуковая коагуляция, а также предварительная электризацияпока мало применяются в промышленности и находятся в основном в стадии разработки. Они основаны на укрупнении аэрозольных частиц, облегчающем их улавливание традиционными методами. Аппаратура звуковой коагуляции состоит из генератора звука, коагуляционной камеры и осадителя. Звуковые и ультразвуковые методы применимы для агрегирования мелкодисперсных аэрозольных частиц (тумана серной кислоты, сажи) перед их улавливанием другими методами. Начальная концентрация частиц аэрозоля для звуковой коагуляции должна быть не менее 2 г/м3 (для частиц диаметром равным 1-10 мкм).
2. ОЧИСТКА ОТРАБОТАННОГО ВОЗДУХА ОТ ПАРООБРАЗНЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Газы в промышленности обычно загрязнены вредными примесями, поэтому очистка широко применяется на заводах и предприятиях для технологических и санитарных (экологических) целей. Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей можно разделить на три основные группы:
1) абсорбция жидкостями;
2) адсорбция твердыми поглотителями;
3) каталитическая очистка.
В меньших масштабах применяются термические методы сжигания (или дожигания) горючих загрязнений, способ химического взаимодействия примесей с сухими поглотителями и окисление примесей озоном.
2.1. Абсорбция жидкостями
Абсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (НСl, НР, Н2S04), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.).
Абсорбционные методы служат для технологической и санитарной очистки газов. Они основаны на избирательной растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). Абсорбционная очистка — непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки.
Абсорбция может быть физической или химической (хемосорбция), когда абсорбент и поглощаемый компонент не взаимодействуют или, напротив, взаимодействуют с образованием нового вещества. При физической абсорбции (и в некоторых хемосорбционных процессах) регенерацию абсорбента проводят нагреванием и снижением давления, в результате чего происходит десорбция поглощенной газовой примеси и ее концентрированию
Абсорбенты, применяемые в промышленности, оцениваются по следующим показателям: 1) абсорбционная емкость, т. е. растворимость извлекаемого компонента в поглотителе в зависимости от температуры и давления; 2) селективность, характеризуемая соотношением растворимостей разделяемых газов и скоростей их абсорбции;
3) минимальное давление паров во избежание загрязнения очищаемого газа парами абсорбента;
4) дешевизна;
5) отсутствие коррозирующего действия на аппаратуру.
Любой процесс абсорбционной очистки от газо- и парообразных примесей целесообразен только в случае его цикличности и безотходности.
2.2. Адсорбция твердыми поглотителями
Адсорбционные методы применяют для различных технологических целей — разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов и для санитарной очистки газовых выбросов. В последнее время адсорбционные методы выходят на первый план как надежное средство защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ, обеспечивающее возможность концентрирования и утилизации этих веществ.
Адсорбционные методы основаны на избирательном извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов — твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью 8у (8у — отношение поверхности к массе, м2/г). Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, — это активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Основные требования, которые предъявляются к промышленным сорбентам, заключаются в следующем:
- высокая поглотительная способность;
- избирательность действия;
- термическая устойчивость;
- длительная служба без изменения структуры и свойств поверхности;
- возможность легкой регенерации.
Чаще всего для санитарной очистки газов применяют активный уголь благодаря его высокой поглотительной способности и легкости регенерации.
Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:
1) глубокая очистка газов от токсичных примесей;
2) сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безотходной технологии.
Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов.
Недостатки большинства адсорбционных установок — периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов. Применение непрерывных способов очистки в движущемся и кипящем слое адсорбента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопрочных промышленных сорбентов, разработка которых для большинства процессов еще не завершена.
2.3. Каталитическая очистка
Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов, т. е. на закономерностях гетерогенного катализа. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие которых допустимо в выбрасываемом газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами).
Трудно провести границу между адсорбционными и каталитическими методами газоочистки, так как такие традиционные адсорбенты, как активированный уголь, цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Очистку газов на адсорбентах—катализаторах называют адсорбционно-каталитической. Этот прием очистки выбрасываемых газов весьма перспективен ввиду высокой эффективности очистки от примесей и возможности очищать большие объемы газов, содержащих малые доли примесей (например, 0,1—0,2 в объемных долях S02). Но методы утилизации соединений, полученных при катализе, иные, чем в адсорбционных процессах.
Адсорбционно-каталитические методы применяют для очистки промышленных выбросов от диоксида серы, сероводорода и серо-органических соединений. Катализатором окисления диоксида серы в триоксид и сероводорода в серу служат модифицированный добавками активированный уголь и другие углеродные сорбенты. В присутствии паров воды на поверхности угля в результате окисления S02, образуются серная кислота, концентрация которой в адсорбенте, составляет в зависимости от количества водяного пара при регенерации угля от 15 до 70%.