Адсорбционный метод очистки газов

Метод основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультра­микроскопической структурой селективно извлекать и контролировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с ка­пиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией.

Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемосорбцию. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Вы­свобождающаяся при этом теплота зависит от силы притяжения и по порядку значения совпадает с теплотой конденсации паров. Преимущество физической адсорбции - обратимость процесса. При уменьшении давления адсорбата в по­токе газа либо при увеличении температуры поглощенный газ легко десорби-руется без изменения химического состава. Обратимость данного процесса ис­ключительно важна, если экономически выгодно рекуперировать адсорбируе­мый газ или адсорбент.

В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорба-том (поглощаемым газом) и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы сцепления значительно больше, чем при физической адсорбции со­ответственно и высвобождающаяся при хемосорбции теплота существенно больше и по порядку значения (от 20 до 400 кДж/моль) совпадает с теплотой реакции. Ввиду большой теплоты адсорбции энергия, необходимая для взаимо­действия хемосорбированной молекулы с молекулой другого сорта, может быть существенно меньше энергии, необходимой для реакции молекул двух различ­ных видов непосредственно в газовой фазе, т. е. поверхность твердого вещества может оказаться катализатором, увеличивающим скорость некоторых химиче­ских реакций. Процесс хемосорбции, как правило, необратим: при десорбции меняется химический состав адсорбата. Поэтому, если желательна регенерация адсорбента или рекуперация адсорбата, то адсорбирующую среду следует вы­бирать таким образом, чтобы преобладали процессы физической адсорбции.

В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Удельная поверхность акти­вированных углей, например, достигает 10⁵-10⁶ м²/кг. Их применяют для очи­стки газов от органических паров, удаления неприятных запахов и газообраз­ных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленных выбросах, а также летучих растворителей и др. В качестве адсорбентов приме­няют также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, сили-кагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молеку­лярные сита), которые обладают большей селективной способностью, чем ак­тивированные угли. Однако их нельзя использовать для очистки очень влажных

газов. Некоторые адсорбенты иногда пропитывают реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хе-мосорбция.

В последнее время метод адсорбции на угле используется для очистки га­зовых отходов от газообразных радиоактивных веществ.

В промышленных установках очистки технологических газов АЭС приме­няют два основных метода дезактивации радиоактивных газообразных отходов. Первый включает задержку радиоактивных газов в камерах выдержки, второй -адсорбцию их на угольных сорбентах. В обоих случаях используют естествен­ный распад радионуклидов в процессе выдержки перед выбросом в атмосферу. Второй метод использует процессы, которые происходят только при низких температурах. К таковым можно отнести криогенную дистилляцию и абсорб­цию фреонами.

В составе газовых сдувок реакторов типа ВВЭР, РБМК и ВК содержатся атомарный кислород и водород - продукты радиолитического разложения воды в реакторе. Для обеспечения безопасности АЭС необходимо снизить содержа­ние водорода в технологических газах до взрывобезопасных концентраций ли­бо разбавлением инертным газом, либо сжиганием. Однако разбавление водо­рода, например, азотом, существенно увеличивает объем газов, подлежащих дальнейшей дезактивации. Поэтому в установках очистки технологических га­зов АЭС широкое распространение получило каталитическое сжигание водоро­да в специальных контактных аппаратах.

Инертные радиоактивные газы не вступают в химические реакции с дру­гими газообразными и твердыми веществами. Поэтому их удаляют из техноло­гических газов АЭС физическими способами. При этом для получения наи­большего эффекта необходимо предварительно очистить эти газы от ряда при­месей. Для реакторов с водяным теплоносителем такой примесью является во­да, с натриевым теплоносителем - натрий и его окислы.

Для реакторов типа ВВЭР, РБМК и ВК осушку газовой смеси после узла сжигания проводят с помощью цеолитов либо вымораживанием. Применяют и комбинированные системы осушки: вначале осушают в цеолитовых адсорбе­рах, затем влагу вымораживают.

Наибольшее распространение для очистки технологических газов АЭС по­лучил способ очистки с помощью сорбции радиоактивных Хе и Кr на активи­рованном угле.

Принцип работы адсорбционной системы очистки состоит в следующем (рис. 40). На вход системы очистки поступает парогазовая смесь газовых сду­вок. Смесь состоит из атмосферного воздуха, присасываемого в вакуумную часть турбины через неплотности, гремучего газа, образующегося в результате радиолиза воды в реакторе, и водяного пара. Газовые и негазовые радиоактив­ные и нерадиоактивные продукты присутствуют в очищаемой среде как приме­си. Водяной пар добавляется для поддержания взрывобезопасной концентрации водорода. После сжигания гремучего газа и конденсации пара смесь проходит глубокую осушку. В систему могут входить узлы охлаждения газа, удаления

отравляющих уголь примесей и др. Задерживаясь в узле адсорбции - угольной колонне - радиоактивные продукты распадаются. На выходе угольной колонны остаются только долгоживущие радиоактивные нуклиды криптона, ксенона и тритий.

Некоторые примеси при повышении концентрации их в газовой смеси мо­гут снижать коэффициенты адсорбции Кr и Хе на угле. К их числу относится прежде всего вода.

Кроме того, в газовых отходах кипящих реакторов могут присутствовать углекислый газ, аммиак, двуокись азота, пары масел (органические примеси). Влияние их на адсорбционные свойства угля проявляется при более высоких концентрациях в сравнении с водой.

На основе подробного рассмотрения динамики сорбционного процесса в угольной колонне установлено, что для любого режима концентрацию газового компонента (С) в любой точке по длине колонны можно найти из соотношения:

С = С₀ -ехр

(31)

где С - концентрация компонента между зернами на расстоянии х от начала слоя сорбента; u - скорость газовоздушного потока; X - постоянная распада; Г - коэффициент адсорбции; т'=х/и - условное время движения газа в слое уг­ля; т₁=Г₁ х/и - реальное время задержки газа колонной активированного угля в режиме постоянной продувки.

Для промышленных адсорберов, длина которых не менее нескольких де­сятков сантиметров и скорость газа невелика (<0,1 м/с), необходимую массу сорбента можно вычислять из соотношения:

ш = Стр/Г, (32)

где m - масса сорбента; G - расход очищаемого газа; т - время «защитного» действия сорбента; р - насыпная плотность сорбента. Коэффициент очистки определяется из соотношения

С_ю/С₁=ехр[-А,Г₁-х/и]. (33)

3+20 °С

ПР

вентиляция

¹ /О.0+12°с

—Оп-~

2ОХЛ

2ОХЛ

-20°С

-13°С

ЗОХЛ

Ф

Ф

-33

1 - зо °с

УК

-23°С

Рис. 40. Блок-схема очистки с вымораживанием влаги:

Э - эжектор; УСГГ - узел сжигания гремучего газа; ТО - теплообменник; 1 ОХЛ - охлади­тель; ХМ - холодильная машина; С1 — спецканализация; ЛЗ - линия задержки; АФ - аэро­зольный фильтр; 2, 3 ОХЛ - охладитель-вымораживатель; Ф - фильтр от кристаллического льда; УК - угольная колонна; ПР - побудитель расхода