Очистка воздуха от паров и газов

Методы очистки вентиляционных выбросов от вредных газообразных и паровых примесей зависят от свойств самих примесей, их концентраций в воздухе, от санитарно-гигиенических и других требований. Наибольшее распространение для указанных целей нашли применение абсорбционный и адсорбционный методы, ионообменная очистка, термическое дожигание.

Абсорбционный метод очистки воздуха от газообразных примесей основан на избирательном поглощении жидкими веществами одного или нескольких компонентов из газовой смеси. Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции молекулы абсорбата (извлекаемого газа) не вступают и химическую реакцию с молекулами абсорбента (жидкий поглотитель). При хемосорбции молекулы абсорбента и абсорбата образуют новое химическое соединение.

В качестве абсорбента может быть использована любая жидкость, но обычно при физической абсорбции применяют воду, а при химической — растворы аммиака, карбоната натрия, калия и т. д.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратна. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощаемого газа из раствора — десорбция. Процесс перехода вещества из одной фазы в другую (массопередача) протекает до тех пор, пока между фазами при определенных условиях не установится состояние подвижного равновесия, т. е. такого состояния, когда из абсорбата в абсорбент переходит столько вещества (абсорбция) _у сколько из абсорбента в абсорбат (десорбция). Равновесный состав фаз для идеальных газов выражается законом Генри: парциальное давление извлекаемого газа над раствором р_г, Па, пропорционально его мольной доле с _м в растворе:

где Г — коэффициент пропорциональности или постоянная Генри, зависящая от температуры, свойств газа и жидкости, в которой он растворен, Па.

При взаимодействии газа с жидкостью образуется система, состоящая из двух компонентов и двух фаз — жидкой и газообразной. Такая система по правилу фаз имеет две степени свободы, т. е. из трех основных параметров, определяющих состояние системы (давление, температура и концентрация), независимо могут изменяться только два. Для указанной системы с двумя степенями свободы принимают обычно постоянной температуру и находят значение равновесной концентрации распределяемого компонента в одной из фаз как функцию от его концентрации во второй.

Уравнение материального баланса абсорбционного процесса можно выразить следующим равенством:

где L_f , — расход инертного газа и раствора абсорбента, м^/с;

^сгн ^{, с}г к «начальная и конечная концентрации абсорбата в газовой смеси, кмоль/м^ инертного газа; _н , с_жк- начальная и конечная концентрации извлекаемого газа в растворе, кмоль/м^ абсорбента.

Скорость абсорбции (количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую), G_Q^, кмоль/с, пропорциональна коэффициенту массопередачи js, м/с, поверхности массового контакта F, м^, и движущей силе процесса ^ с, кмоль/м^:

Движущая сила процесса массопередачи д с (онаможет быть выражена также разностью парциальных давлений, мольных долей и относительных концентраций) рассчитывается как по газовой, так и по жидкой фазам:

по газовой фазе.

по жидкой фазе

где с* , — равновесные концентрации в газообразной и жидкой фазах, кмоль/ьР.

Движущая сила в разных сечениях аппарата обычно различна и поэтому пользуются среднелогарифмической движущей силой:

где дс_и, дс_к — движущая сила на входе и выходе из аппарата.

Коэффициент массопередачи j* в зависимости от способа выражения движущей силы может быть отнесен как к газовой, так и к жидкой fi ^ фазам и определяется уравнениями аддитивности фазовых сопротивлений:

где m в Г/р — коэффициент распределения ^или контакта газового равновесия (здесь р — общее давление в системе, Па); J* _гп — коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз, м/с;? ^ _п — коэффициент массопередачи от жидкости к поверхности контакта, м/с.

Величина коэффициента массопередачи зависит от природы распределяемого компонента, газовой и жидкой фаз и условий проведения процесса. Для хорошо растворимых газов величина m незначительна и тогда ?_г * Jb г _п «^и наоборот, для плохо растворимых газов величина м велика и поэтому Аппараты для осуществления абсорбционных процессов называются абсорберами (рис. 4.7). Так как абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, то абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности аппараты для проведения абсорбционных процессов разделяют на следующие группы: поверхностные и пленочные; насадочные; барботажные (тарельчатые); распыляющие. Абсорберы могут также применяться для проведения других массообменных процессов и для очистки воздуха от пыли мокрым способом.

При расчете абсорбера заданными обычно бывают: расход газа, его начальная и конечная концентрации или степень извлечения (очистки) газа, начальная концентрация абсорбента. Основными определяемыми величинами являются: расход абсорбента 1«_ж, площадь сечения F и высота к абсорбера, аэродинамическое сопротивление л р аппарата.

Расход абсорбента находят из равенства (4.40), задаваясь конечной концентрацией жидкости с_жк, исходя из оптимального удельного ее расхода: Ь_ж" L_r <�с_гн — _Cfл)/{е_яс_жн).

Рис. 4.7. Схема турбулентно-контактного абсорбера: 1 — входной патрубок; 2 — выходной патрубок; 3 — корпус; 4 — подвижная насадка; 5 — насос Аэродинамическое сопротивление абсорбера зависит от конструктивных особенностей аппарата, аэродинамического режима его работы, связанного со скоростью газа, и определяется по зависимости (4.25). Если абсорбция проводится под повышенным давлением, то аэродинамическое сопротивление абсорбера составляет незначительную долю общего давления в системе и не оказывает существенного влияния на экономические показатели установки.

Площадь сечения F_a$, м^, абсорбера определяют по условной скорости газа, м/с, в сечении установки:

Высота активной части абсорбера к, м, рассчитывается из общего уравнения массопередачи по формуле.

где, а — удельная поверхность контакта фаз, м~^.

Адсорбционный метод — это процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов (адсорбатов) твердыми телами (адсорбентами).

Адсорбция является поверхностным процессом и поэтому завершается в доли секунды. По аналогии с абсорбцией адсорбция может быть физической и химической. Физическая адсорбция вследствие своей обратимости нашла применение главным образом для улавливания и возвращения (десорбция) в производство паров органических растворителей.

В качестве адсорбентов используют следующие пористые материалы: активные (активированные) угли, силикагели, алюмогели, цеолиты (молекулярные сита).

Явление адсорбции осуществляется в результате притяжения между молекулами адсорбента и адсорбата на границе раздела соприкасающихся фаз. Внутри каждой фазы молекулы испытывают практически одинаковую силу притяжения друг к другу, а на границе раздела фаз силовые поля не уравновешены и на молекулы адсорбата влияют силы притяжения молекул носителя и адсорбента. В результате такого взаимодействия возникает результирующая сила, направленная к поверхности адсорбента, и происходит процесс перехода молекул адсорбата из газовой фазы в поверхностный слой адсорбента.

Количество газа, адсорбируемого определенным количеством данного адсорбента, зависит от вида газа и от условий протекания процесса, в первую очередь от давления газа и его температуры. При прочих равных условиях влияние давления газа на адсорбируемое количество его можно изобразить кривыми, называемыми изотермами адсорбции. Для аналитического выражения адсорбционной изотермы применяют различные зависимости, в частности эмпирическое уравнение Фрейндлиха:

где G — количество адсорбированного газа, кг/м^; р — давление газа при достижении равновесий, Па; к, rv — эмпирические параметры, постоянные для данных адсорбента и адсорбата.

При некотором упрощении процесса изотерма адсорбции может быть описана линейной зависимостью, аналогичной закону Генри:

где, А — эмпирический коэффициент, с — концентрация адсорбата в газовой фазе, равновесная величине адсорбции, кг/м^.

Изотермы адсорбции определяются опытным путем* Вид изотерм адсорбции зависит от многих факторов, главными из которых являются: удельная поверхность адсорбента, структура адсорбента, свойства поглощаемого вещества, температура процесса и т. д.

Адсорбция сопровождается уменьшением парциального давления пара поглощаемого вещества и выделением теплоты, поэтому количество поголошаемого вещества возратает с повышением давления и понижением температуры процесса.

Характер и скорость протекания процесса адсорбации зависит от того, проводится процесс периодически или непрерывно, так как в первом случае слой адсорбента будет неподвижным, а во втором — движущимся. Процессы адсорбции не отличаются по механизму от других процессов теплои массопередачи с учатсием твердой фазы и подчиняются общим с ними закономерностям.

В зависимости от характера процесса адсорбции применяемые для этих целей аппараты (адсорберы) подразделяются на адсорберы с неподвижным слоем поглотителя и адсорберы с движущимся или кипящим слоем поглотителя. В адсорберах с неподвижным слоем поглотителя процесс извлечения адсорбата из газовоздушной смеси обычно проводят в четыре стадии: собственно адсорбция, десорбция, сушка поглотителя и охлаждение поглотителя. Принцип работы адсорберов с движущимся или кипящим слоем поглотителя аналогичен абсорбционным аппаратам.

Расчет адсорберов включает определение его геометрических размеров (диаметр, высота) и расход адсорбента.

Диаметр адсорбера определяют по формуле.

где L^- расход паро-, газовой смеси, проходящей через слой адсорбента, м^/с; ъ — фиктивная скорость парогазовой Смеси, определяемая для периодически действующих аппаратов по технико-экономическим показателям, а для непрерывно действующих аппаратов — исходя из создания заданного гидродинамического режима, например устойчивого псевдоожиженного слоя зерен адсорбента, м/с.

Высота адсорбера зависит от высоты слоя адсорбента 1, м_# которая определяется по формулам:

для аппаратов периодического действия

для аппаратов непрерывного действия.

где — скорость перемещения фронта (зоны массопередачи), м/с, определяемая из уравнения материального баланса по формуле.

(здесь с* — концентрация адсорбата в слое адсорбента, равно весная с начальной концентрацией адсорбата с_в в потоке, кг/м^; е — пористость слоя адсорбента); Т_Пр — время адсорбционного действия слоя (опытная величина), с; Т₀ — потеря времени адсорбционного действия слоя (опытная величина), с; V — объем слоя адсорбента, определяемый из материального баланса процесса, м^;

F — площадь сечения слоя адсорбента, м^.

Важным и неотъемлемым от процесса адсорбции, проводимого в замкнутом цикле, является десорбция — извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя. Основными методами десорбции являются:

вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов с помощью агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты;

испарение поглощенных компонентов путем нагрева слоя адсорбента.

При расчете десорбции определяют, как правило, на основании опытных данных продолжительность процесса (для аппаратов периодического действия) и расход десорбирующего агента (водяного пара, воздуха и т. п.).

Ионообменная и термическая очистка. Для очистки вентиляционных выбросов от газов с полярными молекулами применяются иониты.

По своей физико-химической сути этот процесс близок к абсорбции. Иониты представляют собой нерастворимые твердые вещества, способные обменивать содержащиеся в них ионы на другие ионы, присутствующие в другой жидкой или газообразной фазе. Формула ионитов может быть представлена в виде: HR, ROH (R означает полимерное состояние вещества). Иониты могут быть естественными — алюмосиликаты (глины) и искусственными — ионообменные смолы. Иониты используются в виде зерен с гренулами различной формы. С очищаемым веществом иониты могут реагировать по следующим схемам:

т.е. могут избирательно улавливать тот или иной кислый или щелочной компонент из газовой смеси.

Регенерация полученной при ионообменной очистке солевой формы осуществляется промывкой слабым (5%) раствором кислоты или щелочи для перевода ионита в первоначальную форму, например, по схеме

Ионнообменная очистка газов осуществляется в аппаратах двух типов: аппараты с кипящим слоем или аппараты со слоевым фильтром. В первых аппаратах применяют иониты в виде зерен размером 0,2-2,0 мм, во вторых — в виде волокнистого материала с диаметром волокон от 5 до 35 мкм.

Аппаратурное оформление процессов ионообменной очистки вентиляционных выбросов во многом аналогично оформлению других сорбционных процессов — адсорбции, абсорбции, десорбции и т. д.

Ионообменная очистка высокоэффективна, может происходить в присутствии водяных паров, иметь высокую емкость по улавливаемому компоненту. Однако эффективность очистки значительно снижается при повышении температуры газа и увеличении его запыленности.

Термическая очистка (каталитическое дожигание) широко применяется для очистки газообразных технологических выбросов от паров цианистой и синильной кислот, окиси углерода, водорода, органических растворителей (толуол, бензин, бензол и т. д.). Окисление происходит при рабочих температурах от 300 до 1000° С в присутствии различных катализаторов.