Использование адсорберов для очистки выбросов от вредных газообразных примесей

Классификация методов очистки выбросов от вредных газообразных примесей

Лекция 11, 12. ОБОРУДОВАНИЕ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ОТ ВРЕДНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ МЕТОДАМИ АДСОРБЦИИ И АБСОРБЦИИ

План

11.1 Классификация методов очистки выбросов от вредных газообразных примесей

11.2 Использование адсорберов для очистки выбросов от вредных газообразных примесей

11.3 Использование абсорберов для очистки выбросов от вредных газообразных примесей

 

 

 

Для очистки воздушных потоков от токсичных газообразных примесей и улавливания ценных компонентов используют физико-химические методы, которые разделяют на следующие основные группы (рис.11.1):

- промывка выбросов жидкими растворителями (метод абсорбции);

- промывка выбросов растворами реагентов, связывающих газообразные примеси химически (метод хемосорбции);

- поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (метод адсорбции);

- термическая нейтрализация;

- каталитическое превращение токсичных компонентов.

Помимо перечисленных разрабатываются биологические и биохимические методы очистки воздуха от газообразных примесей, основанные на способности макро- и микроорганизмов потреблять газы при пропускании газовоздушной среды через специальные фильтры. Эти методы перспективны, однако разработаны пока недостаточно.

 

 

Рис.11.1. Методы очистки с учетом протекания физико-химических процессов

 

При выборе способа очистки следует учитывать:

- разнообразие состава выбрасываемых в атмосферу газов;

- температуру газов;

- наличие пыли в выбрасываемых газах;

- концентрацию газо- и парообразных примесей;

- тип производства.

Из приведенного перечня методов следует, что многие из них основаны на явлении сорбции. Его протекание объясняется на основе следующих теоретических представлений. Известно, что на границе раздела фаз (твердое - газ, твердое - жидкость, жидкость - газ) в начальный момент ее образования всегда имеет место избыток поверхностной энергии, который в соответствии с минималистским принципом энергии (МПЭ) стремится уменьшиться. Одним из путей уменьшения избыточной энергии является насыщение поверхностного слоя молекул молекулами (ионами) другого вещества. Концентрирование молекул (ионов) вещества на поверхности раздела фаз называется сорбцией. Различают сорбцию:

- газов на твердом теле;

- растворенных веществ на границе раздела раствор - воздух;

- растворенных веществ на твердом теле, погруженном в раствор.

Процесс сорбции складывается из нескольких более простых явлений:

- адсорбции;

- абсорбции;

- хемосорбции.

Адсорбцияпредставляет собой чисто поверхностный процесс. Он характеризуется выделением теплоты, большой скоростью, обратимостью, зависимостью от температуры (с ее повышением скорость адсорбции падает) и концентрации вещества.

Обратимость данного процесса является очень важным преимуществом метода. При уменьшении давления в потоке газа либо при увеличении температуры поглощенный газ легко десорбируется без изменения химического состава.

Абсорбцияпредставляет собой процесс поглощения молекул вещества всей массой поглотителя (жидкого или твердого), т.е. это явление объемное. Обычно первой стадией абсорбции является адсорбция. Чаще именно первые две стадии процесса объединяют общим названием сорбция. В отличие от адсорбции процесс абсорбции протекает с малой скоростью (из-за низкой скорости диффузии).

Природа сорбционных сил объясняется, прежде всего, действием сил межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) и электростатического притяжения (силы Кулона).

Различают понятия:

- адсорбент (вещество сорбирующее);

- адсорбтив (вещество сорбирующееся);

- адсорбат (комплекс из адсорбента и адсорбтива).

Хемосорбцияимеет место, если происходит химическое взаимодействие адсорбента и адсорбтива. Хемосорбция также может быть поверхностной (образуется пленка) или распространяется на всю массу твердого тела. В последнем случае сорбент называется химическим поглотителем. Хемосорбция обычно необратима.

Поскольку сорбционные процессы различны, то не существует единой теории, которая объяснила бы все особенности их протекания. Наиболее подробно Лэнгмюром разработана теория адсорбции газа на поверхности твердого тела. Она основана на рассмотрении так называемого адсорбционного равновесия.

Адсорбция протекает с выделением теплоты, десорбция, наоборот, с ее поглощением. Последнее используется для регенерации адсорбента.

Основным параметром, обусловливающим выбор сорбента, является его удельная сорбционная способность. Она имеет двоякое выражение:

, моль/см² , (11.1)

 

, моль/г , (11.2)

где С_о и Ср – концентрация газа соответственно до начала сорбции и после ее окончания, моль/см³;

S – величина адсорбирующей поверхности, см²;

m –масса адсорбента, г;

X – равновесное количество адсорбирующего вещества, поглощенного всей поверхностью или массой адсорбента.

Оба выражения (А и Г) связаны соотношением:

А= Г·S_о , (11.3)

 

где Sо - удельная поверхность адсорбента, см²/г.

 

S_о = S/m (11.4)

 

Текущая удельная сорбция Г (или А) зависит от концентрации адсорбтива (С) и температуры (Т), т.е. Г= f (с, Т).

Для каждого адсорбента при наступлении адсорбиционного равновесия существует предельное (максимальное) количество адсорбтива, которое адсорбент может поглотить при самых благополучных условиях (повышенной концентрации и пониженной температуре). В этом случае удельную адсорбцию называют предельной (максимальной) и обозначают Г_m (или А_m), или Г(или А). Ее значение определяют только опытным путем.

На практике обычно используют зависимость Г= f (с) при Т= сonst.

Текущие значения определяют одним из трех путей:

1) теоретически с помощью уравнений Лэнгмюра:

Г = Г_m , или А = А_m, (11.5)

где в – константа уравнения;

2) полуэмпирическим путем с помощью уравнения Фрейндлиха:

 

А = КС ^1/n , (11.6)

 

где К и n - константы уравнения, находимые опытным путем;

3) опытным путем.

Полученные зависимости изображают графически и называют изотермами сорбции (рис. 11.2).

Рис.11.2. Зависимость адсорбции от концентрации (изотермы адсорбции при различных температурах)

 

Каждая изотерма имеет три характерных участка: два прямолинейных – начальный, когда поверхность адсорбента еще свободна, и конечный, который свидетельствует о полном поглощении адсорбтива поверхностью адсорбента; третий – криволинейный (промежуточная стадия). На начальной стадии количество адсорбированного вещества Г в адсорбенте возрастает с ростом концентрации адсорбтива. Однако температура действует на сорбцию подавляюще и препятствует протеканию процесса. Для того, чтобы достигнуть предела адсорбции Г_m при более высокой температуре, необходимо применение более высоких концентраций адсорбтива. Так как с увеличением температуры адсорбционная способность адсорбента снижается (т.е. имеет место десорбция), следовательно, процесс сорбции обратим. На этом свойстве основан процесс регенерации сорбентов: повышая температуру сорбента (например, горячим чистым воздухом, водяным паром и др.), добиваются очистки сорбента.

Процессы сорбции осуществляют в специальных аппаратах – адсорберах и абсорберах (скрубберах).

 

Адсорбцию применяют обычно при малом содержании в газовоздушной смеси вредных компонентов. Основное внимание уделяют выбору адсорбентов, используемых в системах очистки отходящих газов. Они должны удовлетворять следующим требованиям: иметь большую адсорбционную способность, обладать высокой селективностью, иметь высокую механическую прочность, обладать способностью к регенерации. На практике нашли применение активированные угли, глинозем, силикагели и цеолиты. Широко используется активированный уголь, обладающий высокой адсорбционной способностью, развитой удельной поверхностью, гидрофобностью и отличающийся дешевизной. Однако его недостатком является горючесть (процесс окисления начинается при температуре 250⁰ С).

С учетом свойств адсорбентов организуется процесс их регенерации, которую осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим воздухом.

Различают адсорберы периодического действия (в этом случае адсорбент неподвижен) и постоянного (адсорбент движется). У первых период очистки газа чередуется с периодом регенерации или замены адсорбента. Их конструктивное исполнение простое, благодаря чему такие адсорберы применяют чаще.

Адсорберы периодического действия могут быть с неподвижным и кипящим слоем адсорбента. Адсорберы с неподвижным слоем представляют собой цилиндрические вертикальные или горизонтальные емкости, заполненные слоем адсорбента. В таких аппаратах адсорбцию проводят по стадиям: 1) адсорбция; 2) десорбция; 3) сушка адсорбента; 4) охлаждение адсорбента. Новые конструкции адсорбентов периодического действия позволяют более эффективно проводить процесс. К ним относят адсорбер полочного многосекционного типа (рис. 11.3). Предложены конструкции, в которых стадии адсорбции и десорбции совмещены в одном корпусе.

 

Рис.11.3 Адсорбер полочного типа с неподвижными слоями адсорбента: 1-корпус; 2-слой адсорбента.

 

Недостатком адсорбентов периодического действия являются низкие скорости газового потока, вследствие чего для достижения нужной производительности аппараты отличаются большими габаритами, высокой металлоемкостью, гидравлическим сопротивлением и энергозатратами. Более интенсивны аппараты непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента. Они имеют ряд дополнительных преимуществ: позволяют более точно использовать адсорбционную способность сорбента, организовать одновременно процесс десорбции с целью регенерации сорбента, их габариты значительно меньше.

Предложено несколько конструкций аппаратов непрерывного действия. Схема адсорбера с движущимся слоем зернистого адсорбента показана на рис. 11.4, с псевдоожиженным слоем – на рис. 11.5.

К недостаткам адсорберов непрерывного действия относятся значительные потери адсорбента за счет ударов и истирания частиц, а также большие энергетические потери, связанные с преодолением гидравлического слоя адсорбента.

Рис. 11.4 Адсорбер с движущимся слоем адсорбента: 1 - зона адсорбции; 2 - распределительные тарелки; 3 - холодильник; 4 - подогреватель; 5 - затвор.	Рис.11.5 Схема многоступенчатого адсорбера с псевдоожиженным слоем: 1 - псевдоожиженный слой; 2 - решетка; 3 - переток; 4 - затвор.

 

Пример использования адсорберов непрерывного действия в технической схеме адсорбционной установки для удаления диоксида серы SО₂ из горячего топочного газа приведен на рис. 11.6. Основным агрегатом установки служит адсорбер, который заполнен активированным углем. Горячий топочный газ проходит теплообменник 2, подогревает воздух, поступающий в топку, и подается в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150…200⁰С происходит улавливание SO₂. Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переводится в десорбер 5, где с помощью подогревателя 3 поддерживается температура 300…600⁰С. Богатый оксидом серы газ выводится из десорбера и может быть полезно использован. Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4 и затем с помощью ковшового элеватора подается в верхнюю часть адсорбера.

Рис.11.6. Адсорбционная установка для удаления SO2 из горячего топочного газа

 

При проектировании адсорбера используют следующие исходные данные:

- объемный расход очищаемого газа Q, м³/с;

- концентрация удаляемой примеси С_о, мг/м³;

- давление отходящих газов, Па.

В результате расчета определяют:

- потребную массу адсорбента;

- конструктивные размеры;

- гидравлическое сопротивление аппарата;

- время защитного действия адсорбера.

На первом этапе расчета и проектирования адсорбера выбирают рабочую температуру и тип сорбента. Для увеличения адсорбционной способности сорбента рабочую температуру, как правило, выбирают минимально возможной. Выбор типа сорбента производят по изотермам адсорбции при рабочих параметрах температуры и концентрации примеси, исходя из условия минимальной массы сорбента.

Минимальную необходимую массу сорбента определяют из уравнения материального баланса по улавливаемому компоненту:

m = 10³ · · k₃ , (11.7)

где a_∞ - статическая поглотительная способность адсорбента в рабочих условиях, мг/кг;

t - время процесса адсорбции, с;

k₃ - коэффициент запаса, равный 1,1…1,2.

Скорость потока газа в адсорбере рассчитывают исходя из допустимого падения давления в адсорбере:

, (11.8)

 

где k_ф =1,5d₃l₃(l₃ +0,5d₃)^-1(1,5d₃²l₃)^-1,3 – коэффициент формы зерна сорбента, учитывающий неравную доступность всей поверхности зерна обдувающему потоку;

∆р – допустимое падение давления в адсорбере;

d_э – эквивалентный диаметр зерна сорбента в м³, который для цилиндрических зерен длиной l₃ и диаметром d₃ определяются по формуле:

; (11.9)

П_н=(р_к - р_н)/р_к – пористость слоя сорбента, определяемая через кажущуюся р_к и насыпную р_н плотности сорбента;

ζ - коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый в зависимости от режима течения газа: при R_e<50 ζ =220/R_e, при 50≤ R_e ≤7200 ζ=11,6/R_e^0,25 , где R_e=ω_rd₃ рr/μ – критерий Рейнольдса.

Обычно, исходя из условий обеспечения необходимого времени контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических сопротивлений, значение выбирают в пределах 0,15…0,5 м/с.

Геометрические размеры адсорбера (диаметр D и длина L слоя адсорбента) рассчитываются по формулам:

 

; . (11.10; 11.11)

Время защитного действия адсорбера определяют, исходя из характера кривой изотермы адсорбции. Для области изотермы адсорбции, в которой соблюдается закон Генри (α= Г·c, где Г – безразмерный коэффициент Генри, равный отношению количества адсорбированного вещества α_о к начальной концентрации вещества в газовом потоке с_о), продолжительность адсорбции составляет:

, (11.12)

 

где S_уд=4(1- П_н)(d₃l₃)^-1(0,5d₃ +l₃) - удельная поверхность адсорбента, м²/м³.

Коэффициент b определяют (табл. 11.1) в зависимости от отношения содержания поглощаемого вещества в газовом потоке на выходе и входе адсорбера.

 

Таблица 11.1 - Коэффициент b в зависимости от отношения содержания поглощаемого вещества в газовом потоке на выходе и входе адсорбера.

c/cо	b	c/cо	b	c/cо	b
0,005	1,84	0,1	0,91	0,5	0,07
0,01	1,67	0,2	0,63	0,6	-0,10
0,03	1,35	0,3	0,42	0,8	-0,27
0,05	1,19	0,4	0,23	0,9	-0,68

 

Коэффициент массопередачи (β, с^-1) определяют в зависимости от режима течения газа по формулам:

β=0,833 R_e^0,47P_r^0,35D/d² R_e , при R_e<30, (11.13)

 

β=0,53 R_e^0,64 P_r^0,33D/d² R_e , при R_e=30…50 , (11.14)

где P_r =ν/D- диффузный критерий Прандля;

ν - коэффициент кинематической вязкости газа при рабочих условиях, м³/с;

D=D_о(Т/Т_о)^1.5(р_о/р) – коэффициент диффузии улавливаемого газа в воздухе,м₂/с;

D_о - коэффициент диффузии при Т_о =237К и р_о =101,3 кПа.

Для области изотермы адсорбции, в которой соблюдается уравнение Лэнгмюра:

α=АВс(1+А_с)^-1, (11.15)

где А и В – константы, зависящие от свойств адсорбента и адсорбируемого вещества;

продолжительность адсорбции:

 

, (11.16)

 

где с₁ - количество вещества в газовом потоке, равновесное количеству вещества, равному половине α_∞;

с_к- содержание вещества в газовом потоке.

Для области изотермы адсорбции, где значение адсорбции практически не зависит от содержания вещества в газовом потоке (т.е. α≈В), продолжительность адсорбции:

(11.17)

 

Если полученное время защитного действия адсорбера отличается от заданного на ∆τ, то длину аппарата меняют на ∆L:

, (11.18)

а затем пересчитывают массу сорбента. Остальной расчет корректировки не требует.