Лекция 5. Мокрые методы пылеочистки с использованием явлений абсорбции и хемосорбции

Процессы очистки технологических и вентиляционных выбросов машино­строительных предприятий от газо- и парообразных примесей характеризуются рядом особенностей: во-первых, газы, выбрасываемые в атмосферу, имеют дос­таточно высокую температуру и содержат большое количество пыли, что суще­ственно затрудняет процесс газоочистки и требует предварительной подготовки отходящих газов; во-вторых, концентрация газообразных и парообразных при­месей (чаще в вентиляционных и реже в технологических выбросах) обычно переменна и очень низка.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных примесей по характеру протекания физико-химических процессов делятся на две группы:

- промывка выбросов растворителями примеси (метод абсорбции);

- промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси хи­
мически (метод хемосорбции);

Метод абсорбции

Этот метод заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси поглотителем (называемым абсорбентом) с образованием раствора. Фи­зическая сущность процесса абсорбции объясняется так называемой пленочной теорией, согласно которой при соприкосновении жидких и газообразных ве­ществ на границе раздела фаз газ-жидкость образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый в жидкости компонент газовоздушной смеси проникает путем диффузии сначала через газовую пленку, а затем, сквозь жидкостную пленку, и поступает во внутренние слои абсорбента. Для осуществления диф­фузии необходимо, чтобы концентрация растворяемого компонента в газовоз­душной смеси превосходила его равновесную концентрацию над жидкостью. Чем менее насыщен раствор, тем больше он поглощает газа.

Поглощающую жидкость (абсорбент) выбирают из условия растворимости в ней поглощаемого газа, температуры и парциального давления газа над жид­костью. Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от температуры и давления. Ес­ли растворимость газов при 0 оС и парциальном давлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то такие газы хорошо растворимы.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хло­ристый или фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглоти­тельной жидкости воду, так как растворимость их в воде составляет сотни граммов на 1 кг Н₂О. При поглощении же из газов сернистого ангидрида или хлора расход воды будет значительным, так как растворимость их составляет сотые доли грамма на 1 кг воды. В некоторых специальных случаях вместо во­ды применяют водные растворы таких химических веществ, как серная кислота

(для улавливания водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматиче­ских углеводородов из коксового газа) и др.

Применение абсорбционных методов очистки, как правило, связано с ис­пользованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбция рас­творенного газа (или регенерация растворителя) проводится либо снижением общего давления (или парциального давления) примеси, либо повышением температуры, либо использованием обоих приемов одновременно.

В зависимости от конкретных задач применяются абсорберы различных конструкций: пленочные, насадочные, трубчатые и др. Наибольшее распро­странение получили скрубберы, представляющие собой химически инертную насадку, размещенную в полости вертикальной колонны (рис. 34). В качестве насадки 1, обеспечивающей большую поверхность контакта газа с жидкостью, обычно используются кольца Рашига (рис. 35), кольца с перфорированными стенками и др. Материалы для изготовления насадки (керамика, фарфор, уголь, пластмассы, металлы) выбираются исходя из соображений антикоррозийной устойчивости. Орошение колонн абсорбентом осуществляется при помощи од­ного или нескольких разбрызгивателей.

очищеннь газ ^

бсорбент

газ

слив

Рис. 34. Орошаемая противопоточ-ная насадочная башня:

1 - химически инертная насадка; 2 - разбрызгиватели

Рис. 35. Формы стандартных элементов насадки:

1 - седло Берля; 2 - кольцо Рашига; 3 - кольцо Паля; 4 - розетка Теллера; 5 - седло «Инталокс»

Большое распространение получили башни с колпачковыми тарелками. На рис. 36 изображена схема устройства тарельчатого абсорбера, в котором вместо насадки установлено несколько тарелок 1. Каждая тарелка снабжена колпачка­ми 2 с зубчатыми краями, патрубками 3 и переливными трубками 4. Абсорбент в этих аппаратах стекает от тарелки к тарелке по переливным трубкам. Очи­щаемый газ движется снизу вверх в направлении, указанном стрелками, барбо-тируя через слой жидкости. При прохождении между зубцами колпачков газ

разбивается на множество струек и пузырьков, в результате чего образуется большая поверхность соприкосновения взаимодействующих веществ.

Рис. 36. Схема колпачково-тарельчатого абсорбера:

1 - тарелки; 2 - колпачки с зубчатыми краями; 3 - патрубки; 4 - переливные трубки

В качестве абсорберов могут использоваться и такие устройства, как мок­рые скрубберы Вентури и центробежные скрубберы (рис. 28 и 29) и др.

Метод хемосорбции

Этот метод основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, яв­ляются экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температу­ры раствора образующееся химическое соединение разлагается с выделением исходных элементов.

Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредных примесей в отходящих газах.

Примером хемосорбции может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода путем применения мышьяковощелочного, этаноламинового и других растворов. При мышьяковощелочном методе извлекаемый из отходяще­го газа сероводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе по реакции:

№₄А525₅О2 + Н₂5 = №₄А525бО+Н₂О. (29)

Регенерация раствора производится окислением образовавшегося продукта кислородом, содержащимся в очищаемом воздухе:

№₄А5₂5бО + 1/2О₂ = №₄А525₅О2 + 5^. (30)

В этом случае в качестве побочного продукта получается сера.

Основным видом аппаратуры для реализации процессов хемосорбции служат насадочные башни, пенные и барботажные скрубберы, распылительные аппараты типа труб Вентури и аппараты с различными механическими распы­лителями. В промышленности распространены аппараты с подвижной насад­кой, к достоинствам которых относятся высокая эффективность разделения при умеренном гидравлическом сопротивлении, а также большая пропускная спо­собность по газу.

На рис. 37 показана принципиальная схема скруббера с подвижной насад­кой. В верхней части аппарата установлен ороситель 1, а под ним размещены верхняя 2 и нижняя опорная 5 ограничительные решетки, между которыми на­ходится подвижная насадка. К опорной решетке меньшим основанием прикре­плен расширяющийся усеченный кольцевой элемент 4, делящий пространство опорной решетки на кольцевую 3 и центральную 6 зоны. В качестве насадоч-ных тел используют полые, сплошные и перфорированные шары, а также коль­ца, полукольца, кубики, скрещенные сплошные и перфорированные диски.

адсорбент

спив

газы

Рис. 37. Скруббер с подвижной насадкой

Обрабатываемый газ подается в аппарат под опорную решетку и делится на два потока: центральный и кольцевой. При прохождении кольцевой зоны поток газа сужается, увеличивает скорость движения, вступает в контакт с прижимаемыми к стенке элементами подвижной насадки и перемещает их от стенки в центральный поток. Насадка совершает пульсационное движение в центральном и прилегающем к стенке аппарата потоках, турбулизирует взаи­модействующие фазы и обеспечивает высокую эффективность обработки газа жидкостью. В тех случаях, когда в результате процесса выпадает осадок, под­вижная насадка удаляет его со стенок корпуса аппарата или опорной решетки.

Преимущество абсорбционных методов заключается в экономичности очистки большого количества газов и осуществлении непрерывных технологи-

ческих процессов. Эффективность мокрой очистки газов, отходящих, например, от гальванических ванн с помощью скруббера при обезвреживании их 2-3 %-ным водным раствором едкой щелочи, составляет по хлороводороду 0,85-0,92 и по оксидам азота (NO2) - 0,65. При использовании в качестве поглотительной жидкости воды эффективность очистки по НСl снижается до 0,75.

Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит в конечном итоге к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в атмосфере. Кроме того, оборудование мокрых методов очистки громоздко и требует создания системы жидкостного орошения. В процессе работы абсорб­ционных аппаратов образуется большое количество отходов, представляющих смесь пыли, растворителя и продуктов поглощения. В связи с этим возникают проблемы обезжиривания, транспортировки или утилизации шлама, что удоро­жает и осложняет эксплуатацию.