Введение к работе
Актуальность работы. Природные защитные механизмы атмосферы и водных ресурсов России уже не справляются с токсичными водными стоками и газовыми выбросами промышленности и транспорта, которые отрицательно влияют на здоровье человека, существенно сокращая при этом продолжительность его жизни. Становится очевидным, что выживание человечества невозможно без гармонии с природой, а это достижимо только при условии создания экологически безопасных производств с эффективными системами газоводоочистки.
Минатом России - многопрофильная отрасль и представлена широким спектром предприятий: от добывающих и перерабатывающих до приборо- и машиностроительных, в процессе производственной деятельности которых образуются значительные количества газообразных и жидких радиоактивных отходов неорганического и органического происхождения, требующих эффективного обезвреживания. Несмотря на то, что с момента создания атомной промышленности природоохранным мероприятиям уделялось достаточно большое внимание, некоторые вопросы до сих пор не нашли своего решения. В первую очередь, это относится к обезвреживанию газообразных и жидких органических радиоактивных отходов, а также высокозасоленных водных растворов с низким содержанием долгожи-вущих радионуклидов актинидного ряда.
Цепи и задачи работы состояли в разработке эффективных методов и аппаратурного оформления процессов обезвреживания жидких радиоактивных отходов и газообразных выбросов предприятий Минатома РФ. Для достижения поставленных целей автором решались следующие задачи:
теоретическое обоснование предлагаемых процессов;
разработка процесса и аппаратурного оформления экологически безопасного обезвреживания отработанных экстрагентов, вакуумных и индустриальных масел, загрязненных ураном, в т.ч. и обогащенным по U235;
разработка процесса очистки жидких радиоактивных отходов с высоким солесодержани-ем от долгоживущих элементов актинидного ряда - Th, U, Pu, Am гапьванохимическим методом;
разработка процессов и аппаратурного оформления глубокого термокаталитического окисления смесей паров углеводородов на медно-хромовом катализаторе, реализующих стационарный и нестационарный режимы работы;
установление основных закономерностей протекания реакций на оксидно-медных катализаторах и разработка процесса и аппаратурного оформления глубокого озонкаталити-ческого окисления низкоконцентрированных паров органических веществ;
внедрение разработанных процессов в промышленную практику;
адаптация разработанных технологий к нуждам смежных отраслей промышленности.
Научная новизна. Выполнены исследования по обезвреживанию вакуумных и индустриальных масел, в том числе, с примесями тяжелых и радиоактивных металлов (W, Тп), и экстракционных смесей в псевдоожиженном слое катализаторов ИК-12-72 и ИК-12-73.
Для термодинамической оценки предпочтительности протекания конкурирующих химических реакций предложен критерий - приведенная на одну связь энергия Гиббса реакции.
Обнаружено концентрирование тонкодисперсных частиц оксидов W и Тп на поверхности гранул кипящего слоя катализатора, по мере истирания которого, оксиды металлов вновь попадают в газовый поток но с частицами большего размера, что облегчает последующую очистку газов.
Разработана схема эффективной абсорбционно-конденсационной очистки отходящих газов с безнасадочным пенным аппаратом. Изучена гидродинамика пенного аппарата с решеткой из струй орошающей жидкости. Получено эмпирическое уравнение для расчета гидравлического сопротивления пенного слоя.
Разработаны конструкции каталитического реактора с кипящим слоем катализатора и аппаратов схемы очистки газов как в традиционном для химической технологии, так и ядерно-безопасном исполнении.
Разработан гальванохимический метод очистки скрубберных вод "мокрых" ступеней очистки и жидких радиоактивных отходов радиохимических предприятий отрасли с высоким со-лесодержанием от тяжелых и радиоактивных металлов. Разработана конструкция вертикального гальванического виброреактора.
Изучены причины потери активности оксидно-медного катализатора ИК-12-1 при обезвреживании технологических выбросов компаундного производства ПО "СЕВЕР" в процессе длительной эксплуатации. Определены кинетические закономерности реакций окисления органических веществ на алюмо-медно-хромовом катализаторе ИКТ-12-8, более устойчивом к потере каталитической активности по сравнению с оксидно-медным ИК-12-1.
Разработаны моноблочные термокаталитические аппараты вертикального оформления с винтовым, щелевым и спиральным теплообменниками, а также нестационарный аппарат, в котором исключен выброс неочищенных газов из подконтактного пространства в момент переключения направления газового потока.
Впервые исследовано глубокое озонкаталитическое окисление органических веществ на катализаторе ИКТ-12-9 и разложение озона на оксидно-медных катализаторах ИК-12-1 и ИКТ-12-9, определены основные кинетические закономерности. Обнаружена конкуренция органических веществ различных классов за активные центры в реакциях озонкаталитиче-ского окисления. Показано, что по своей активности катализаторы ИК-12-1 и ИКТ-12-9 не уступают известным катализаторам, содержащим драгоценные металлы. Предложена конструкция реактора с послойным вводом озона.
Предложено озонкаталитический процесс реализовывать в нестационарных условиях.
Исследовано адсорбционное демпфирование (сглаживание) колебаний концентраций индивидуальных органических веществ и их смесей в газах, подаваемых в слой катализатора или для анализа. Получено аналитическое уравнение, удовлетворительно описывающее процесс демпфирования. Предложено использовать адсорбционное демпфирование в методике экспериментальной оценки коэффициента массоотдачи и в аналитических целях - в определении средних концентраций компонентов газовых смесей, переменного во времени состава.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Результаты, полученные при разработке экологически безопасного обезвреживания жидких органических радиоактивных отходов, использованы при создании демонстрационной опытно-промышленной установки производительностью 12 кг/час на ОАО "Новосибирский завод химконцентратов". Установка изготовлена и смонтирована, ведутся пусконаладочные работы.
Технология экологически безопасного обезвреживания жидких органических отходов адаптирована к обезвреживанию нефтешламов. Разработан рабочий проект и полный комплект конструкторской документации на создание установки производительностью 100 кг/час для резервуарного парка п. Торгили (Тюменская обл.) АООТ "Сибнефтепровод". Разработан тепломассообменный аппарат для эффективной очистки и охлаждения газов.
Изготовлен и испытан на АООТ "Промстальконструкция" (г. Новосибирск) пенно-струйный скруббер производительностью 18000 м3/час.
Разработана концепция промышленного использования гальванохимической обработки жидких радиоактивных отходов для решения экологических проблем предприятий ядерного топливного цикла и смежных отраслей промышленности.
Гальванохимическая технология положена в основу разработки рабочих проектов очистки сточных вод молочного завода (г. Болотное, Новосибирская обл.) и гальванических стоков СП "Печатные плата Сибири" (г. Новосибирск).
Разработаны рабочая документация на термокаталитический модуль ТКМ-250". Каталитический аппаратат со спиральным теплообменником "КРОТ-2500" изготовлен и смонтирован на участке литографии Новосибирского завода бытовой химии. Нестационарный каталитический аппарат "КАРТ-720" изготовлен, смонтирован и испытан на участке компаундирования ПО "СЕВЕР" (г. Новосибирск).
По результатам, полученным при разработке процесса озонкаталитической очистки газов от паров углеводородов и разложения озона, а также их аппаратурного оформления сконструирована и изготовлена на ПО "СЕВЕР" установка "ОКА", производительностью по очищаемому газу 3000 нм3/час.
Термодинамический критерий - приведенная на одну связь энергия Гиббса реакции - использован для теоретического обоснования разрабатываемых автором процессов. Апробация работы. Результаты работы докладывались на отраслевой конференции по охране окружающей среды (г. Обнинск, 1986), на региональной конференции "Аналитика Си-
бири-86" (г. Красноярск, 1986г.), на V Всесоюзной конференции "Каталитическая очистка газов" (г. Тбилиси, 1989г.), на зональной конференции "Обезвреживание и регенерация твердых органических отходов и растворителей" (г. Пенза, 1990г), на конференции "Современные химические технологии очистки воздушной среды" (г. Саратов), на Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (г. Томск, 1995), на Международной конференции "Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека" (г. Томск, 1996), на Международной конференции "Радиоактивные отходы. Хранение, транспортировка, переработка. Влияние на человека и окружающую среду" (г. Санкт-Петербург, 1996), на Международной конференции "Catalysis on the eve of the XXI century, Science and engineering" (Novosibirsk 1997), на II Российско-корейском семинаре по энергетическому катализу (г. Новосибирск, 1997), на II Международном семинаре "Блочные носители и катализаторы сотовой структуры" (г. Новосибирск, 1997), на Международном симпозиуме по безопасному радиационному контролю (г. Тайхон, Корея, 1997), на Межотраслевом семинаре-совещании по решению природоохранных проблем на предприятиях топливно-энергетического комплекса (г. Томск, 1998), на XIV Международной конференции "Химреактор" (г. Томск, 1998), на III Международной конференции "The Unsteady State Processes in Catalysis" (г. Санкт-Петербург, 1998), на V научно-технической конференции Сибирского химического комбината (г. Северск, Томской обл., 1998г.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 научных работ, в том числе 16 авторских свидетельств и Патентов РФ.
Личный вклад автора. Приведенные в диссертации результаты работы получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии, либо под его руководством. Автору принадлежит формулировка цели работы и решаемых задач, определение путей их решения, анализ, интерпретация и обобщение результатов, формулировка выводов. В диссертации использованы результаты работы, рассмотренные в кандидатской диссертации Г.М. Заборцева и полученные совместно с соискателем Б.Р. Сафиным, выполнившим один из разделов своей диссертационной работы под руководством автора. На отдельных этапах работы в ней принимали участие сотрудники ИК СО РАН: В.А. Сазонов, М.А. Керженцев, В.Д. Мещеряков, НГПИИ ВНИПИЭТ: А.Д. Рябцев, А. А. Шпак, Б.С. Курдюмов, СХК: Матюха В.А. Раздел "Экологически безопасное обезвреживание жидких органических радиоактивных отходов" выполнен совместно с ИК СО РАН и ОАО "НЗХК" в рамках Проекта МНТЦ 110-94 под руководством д.х.н., профессора Исмагилова З.Р.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 245 страницах машинописного текста, включает в себя 72 рисунка, 63 таблицы и 13 фото. Библиографический список составляет 245 наименований.