способ регенерации древесного активного угля

Формула изобретения

Способ регенерации древесного активного угля, включающий нагревание угля, обработку водяным паром и охлаждение, отличающийся тем, что нагревание ведут до 660-700°С со скоростью подъема температуры 30-60°С/мин, обработку водяным паром проводят при массовом соотношении пара и угля (2 - 4) : 1, а охлаждение осуществляют в атмосфере, не содержащей кислород, со скоростью 60-100°С/мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сорбционным технологиям и может быть использовано для восстановления свойств углеродных адсорбентов и их повторного применения в производстве.

Известен способ регенерации активного угля (а.у.) путем предварительного насыщения его водой до влажности 60 - 70% и последующей обработки окислительным газом (воздухом или смесью воздуха и водяного пара) при 760 - 1040^oC со скоростью подъема температуры 100 - 400^oC/мин, при этом водяной пар подают в количестве 0,1 - 2,0 кг на 1 кг угля (см. пат. Швейцарии N 539580, кл. C 01 B 31/08, заявл. 06.03.72).

Недостатком этого способа является невысокая адсорбционная способность регенерированного угля при очистке жидких сред от паров органических веществ. Кроме того, процесс регенерации очень сложен и требует высоких энергозатрат, т.к. термообработка ведется при температурах 760-1040^oC.

Наиболее близким по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ, включающий обработку активного угля (а.у.) сначала потоком дымовых газов до 500 - 650^oC со скоростью подъема температуры 15 - 25^oC/мин, охлаждение и обработку угля окислительным газом до 800 - 950^oC со скоростью ее подъема 2-10^oC/мин, при этом в качестве окислительного газа подают водяной пар в количестве 5 - 15 кг на 1 кг угля (см. пат. РФ N 2042616, кл. C 01 B 31/08 от 14.12.92, опубл. 27.08.95).

Недостатком этого способа является невысокая адсорбционная способность регенерированного угля при очистке сортировок от паров низших (например, метилового CH₃OH) и высших (например, пропилового C₃H₇OH) спиртов, которые являются вредными примесями при производстве ликеро-водочных изделий.

Целью изобретения является повышение адсорбционной способности регенерированного угля по парам низших и высших спиртов при углеадсорбционной очистке ликеро-водочных изделий.

Цель достигается предложенным способом, включающим нагрев угля до 660 - 700^oC со скоростью подъема температуры 30 - 60^oC/мин, обработку водяным паром при соотношении пара и угля (2 - 4) : 1, охлаждение в атмосфере, не содержащей кислорода, со скоростью 60 - 100^oC/мин.

Отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что уголь нагревают до 660 - 700^oC в атмосфере водяного пара, взятого в массовом соотношении (2 - 4) : 1, и скорости подъема температуры 30 - 60^oC/мин, а охлаждение осуществляют в атмосфере, не содержащей окислителя - кислорода, при этом скорость охлаждения должна составлять 60 - 100^oC/мин.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В процессе использования активного древесного угля в многоцикловых режимах очистки водочных сортировок пористая структура с течением времени оказывается заблокированной органическими примесями, содержащимися в очищаемых растворах. Кроме этого, сама поверхность угля сильно окисляется, что также приводит к ухудшению адсорбционных показателей по органическим примесям, в частности по вредным веществам типа CH₃OH и C₃H₇OH.

Регенерация активного угля должна обеспечить восстановление его адсорбционных свойств. При этом важно сначала разблокировать микропоры, т.е. создать такие условия, при которых бы полностью удалились адсорбированные вредные примеси, а затем восстановить первоначальный характер поверхностных окислов (т. е. равное соотношение групп кислотного - COOH и основного - COH происхождения).

Многочисленными экспериментами установлено, что на первом этапе регенерации важным является выбор температурного интервала термообработки, скорость подъема температуры, а также соотношение реактиватора (водяного пара) и активного угля.

На втором этапе определяющими факторами, обусловливающими полное восстановление первоначальных свойств, является скорость охлаждения и отсутствие окисляющих газов.

Опытным путем установлено, что для достижения поставленной цели необходимо, чтобы конечная температура нагрева отработанного древесного угля составляла 660 - 700^oC, а скорость ее подъема в интервале 25^oC - 660 - 700^oC - 30 - 60^oC/мин.

Уменьшение конечной температуры нагрева ниже 660^oC не обеспечивает полного удаления вредных примесей из микропор а.у. (потери емкости составляют 20 - 30%), а увеличение ее предела выше 700^oC приводит к неуправляемому процессу выгорания стенок соседних микропор и образованию относительно крупных разновидностей пор - макропор (транспортных). В этом случае также не происходит 100% регенерируемости первоначальных свойств а.у.

С другой стороны, повышение скорости нагрева (выше 60^oC/мин) приводит к растрескиванию частиц угля и его озолению, а уменьшение ниже 30^oC/мин способствует разложению органических соединений и забиванию входов в микропоры молекулами пироуглерода.

Количество подаваемого водяного пара (реактиватора) должно быть достаточным для своевременного удаления вредных продуктов, исключать их накопление на поверхности частиц, в то же время и не избыточным, исключая возможности образовывания кислых кислородсодержащих групп на внутренних стенках микропор а.у.

Установлено, что только соотношение водяного пара и углерода (массовых), равное (2 - 4) : 1, обеспечивает полное восстановление адсорбируемости у отработанных в водочном производстве активных древесных углей. Отклонение от этого соотношения в ту или другую сторону ведет к потере адсорбционных свойств по низшим и высшим органическим спиртам.

Исследованиями было также определено, что скорость охлаждения а.у., прошедшего вышеописанную термообработку, должна обеспечивать оптимальное формирование на поверхности угля кислородсодержащих групп кислотного и основного характера, которые играют важную роль в регенерации адсорбируемости а.у. Найдено, что скорость охлаждения, равная 30 - 60^oC/мин, при отсутствии окисляющих газов обеспечивает решение поставленной цели, т.е. полную регенерацию первоначальной адсорбируемости а.у. при использовании их в водочном производстве.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут отработанный активный уголь, который в процессе многоцикловой работы утратил свою адсорбционную способность на 40 - 60%.

Уголь загружают в реактор (стационарную или вращающуюся печь) и нагревают до 660 - 700^oC (через стенку аппарата или пропусканием электрического тока) со скоростью подъема температуры 30 - 60^oC/мин. Одновременно подают водяной пар в соотношении 2 - 4 кг на 1 кг угля.

После достижения температуры 660 - 700^oC уголь охлаждают (отключением спирали) со скоростью понижения температуры 60 - 100^oC/мин. Для исключения окисления поверхности за счет образования кислотных групп типа - COOH в реактор подают азот, аргон или просто обеспечивают хорошую герметичность реактора и выгрузочного устройства.

Регенерированный уголь выгружают, охлаждают, отсеивают мелочь, исследуют на соответствие ГОСТ и затаривают в бумажные мешки или металлические барабаны.

Пример 1. Берут 5 кг отработанного в водочном производстве активного угля БАУ-А и подают его в реактор, нагреваемый электрическим током, обеспечивают нагрев до 660^oC при скорости подъема 30^oC/мин. Одновременно в реактор подают перегретый водяной пар в таком количестве, которое обеспечивает соотношение угля и пара, как 2 : 1. Выдержав при 660^oC в течение 10 - 15 мин, уголь охлаждают со скоростью падения температуры, равной 60^oC/мин, подачу водяного пара прекращают, а реактор с обеих сторон завинчивают крышками во избежание подсоса воздуха.

Полученный регенерированный уголь обеспечивает остаточное содержание метилового спирта в ликеро-водочных изделиях 0,014 мг/л, пропилового - 0,01 мг/л, что гарантирует высокое качество выпускаемой продукции.

Пример 2. Проведение процесса как в примере 1, за исключением того, что уголь нагревают до 700^oC со скоростью подъема температуры 60^oC/мин. Водяной пар подают в соотношении 4 кг водяного пара на 1 кг угля. Охлаждение угля осуществляют со скоростью 100^oC/мин, а в реакционную зону подают азот.

Полученный регенерированный уголь БАУ-А обеспечивает остаточное содержание метилового спирта 0,014 мг/л, пропилового 0,01 мг/л.

Пример 3. Проведение процесса как в примере 1, за исключением того, что уголь нагревают до 680^oC со скоростью подъема температуры 45^oC/мин. Водяной пар подают в соотношении 3 кг на 1 кг угля. Охлаждение а.у. осуществляют со скоростью 80^oC/мин.

Полученный уголь БАУ-А полностью восстанавливает свои адсорбционные свойства.

В табл. 1 приведены результаты исследований адсорбционной способности активных древесных углей БАУ-А, регенерированных по предлагаемому способу в зависимости от конечной температуры регенерации при скорости ее подъема 45^oC/мин.

Данные получены хроматомасс-спектрометрическим анализом сортировок после сорбционной очистки.

Соотношение водяного пара и угля в этой серии опытов составляло 3 : 1. Скорость охлаждения 80^oC/мин.

В табл. 2 представлены данные по влиянию скорости подъема температуры на адсорбционную способность регенерированного угля. Конечная температура регенерации составляла 680^oC, соотношение пара к углю 3:1, скорость охлаждения 80^oC/мин.

В табл. 3 представлены результаты по влиянию соотношения водяного пара и активного угля. Конечная температура составляла 680^oC, скорость подъема температуры при нагревании 45^oC/мин, скорость охлаждения 80^oC/мин.

Эксперименты по влиянию скорости охлаждения показали, что понижение скорости менее 60^oC/мин приводит к падению адсорбционной способности по метиловому спирту на 20%, а повышение скорости выше 60^oC/мин - к падению адсорбируемости по пропиловому спирту.

Совокупность проведенных экспериментов позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ позволяет не только восстановить утраченную адсорбционную емкость активного угля БАУ-А, но и повысить ее на 10 - 20% (по сравнению с первоначальной, табл. 1), что, по-видимому, обусловлено улучшением пористой структуры и снижением окисленности угольной поверхности.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно: полное восстановление адсорбционных свойств древесного угля, отработанного в ликеро-водочном производстве, что обеспечивает его многоразовое использование.