Осаждение в инерционном поле.

При резком изменении направления движения газового потока частицы пыли под действием инерционных сил будут стремиться двигаться в прежнем направлении и в дальнейшем могут быть выделены из этого потока. На этом принципе работает целый ряд пылеуловителей (ПУ).

в г Рис.3.3, Инерционные пылеуловители: а - камера с перегородкой; б – камера с плавным поворотом газового потока; в - камера с расширяющимся конусом; г - камера с заглубленным бункером

 

Камера с перегородкой по эффективности не намного отличается от ПОК, но имеет более высокое гидравлическое сопротивление (рис. 3.3 а).

Плавный поворот в камере позволяет снизить гидравлическое сопротивление (рис. 3.3 б).

В камере с расширяющимся конусом частицы пыли подвергаются дополнительному усилию, что обеспечивает дополнительное ускорение порядка g/3. Снижается вторичный унос частиц. Скорость газа в свободном сечении камеры 1м/с, во входной трубе 10м/с. Частицы размером более 25-30мкм улавливаются на 65-85% (рис.3.3 в).

Эффективность ПУ с заглубленным бункером, в зависимости от скорости газов на входе (5 - 15м/с) составляет 50 - 80% (рис. 3.3 г).

Принцип внезапного изменения направления газового потока при столкновении с решеткой, состоящей из наклонных пластин, использован в ПУ жалюзийного типа. Широко применяется для предварительной очистки газов перед циклонами или перед рукавными фильтрами. В нем около 90% газов частично очищаются от пыли при прохождении через жалюзи, а остальной газовый поток с уловленной пылью отводится на очистку в циклон (рис.3.4).

Рис. 3.4. Жалюзийный пылеуловитель: 1 – жалюзийная решетка; 2 - очищенные газы; 3 – запыленные газы.

Скорость газов 12-15м/с. Гидравлическое сопротивление решетки 100-500 Па. Применяется для улавливания частиц пыли крупнее 20 мкм. Недостатки: износ пластин решетки при высокой концентрации и возможность образования отложений при охлаждении газов до точки росы.

3.3.3. Осаждение в центробежном поле

Этот способ разделения неоднородных пылегазовых смесей более эффективен, чем гравитационное осаждение, поэтому он применяется для отделения более мелких (до 5мкм) частиц пыли.

При аппаратурном оформлении процессов разделения неоднородных систем в центробежном поле применяют два принципа: вращение пылегазового потока в неподвижном аппарате (циклон); движение пылегазового потока во вращающемся роторе (центробежный ротационный пылеуловитель).

В обоих случаях на разделение кроме сил тяжести и центробежных сил значительное влияние оказывают инерционные силы.

Циклонные аппараты наиболее распространены в промышленности.

Действие циклона (рис. 3.5) основано на тангенциальном вводе запыленного потока со скоростью 15-20м/с в цилиндрическую часть аппарата, где формируется вращающийся поток, опускающийся вдоль внутренних стенок цилиндрической и конической частей корпуса. Час­тицы пыли отделяются под воздействием центробежной силы от основного газового потока к периферии, оседают на внутренней части циклона и сползают под действием силы тяжести в коническую часть аппарата, откуда попадают в бункер. Отделение частиц от входящих в бункер газов происходит под действием сил инерции при изменении направления движения газов на 180°.

В промышленной практике принято разделять циклоны на высокопроизводительные и высокоэффективные (рис. 3.6).

К аппаратам первого типа относятся цилиндрические циклоны НИИОГаз марки ЦН типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24.

Особенностью аппаратов этой группы является удлиненность цилиндрической части, угол наклона входного патрубка соответственно 11°, 15° и 24° и одинаковое отношение диаметра выхлопной трубы к диаметру циклона, равное 0,59. Диаметр циклонов не превышает 2000 мм, отличается небольшим гидравлическим сопротивлением, высокой производительностью.

К аппаратам второго типа относятся конические циклоны НИИОГаз марки С типа СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и СК-ЦН-22. Они отличаются длинной конической частью, спиральным входным патрубком и малым отношением диаметров выхлопной трубы к корпусу циклона. Диаметр циклона не превышает 3000 мм, потери давления выше, чем в цилиндрических.

Кроме циклонов НИИОГаз в промышленной практике используются циклоны СИОТ (Свердловский институт охраны труда), ВЦНИИОТ, ЛИОТ (Ленинградский институт охраны труда), ЦКТИ и пр.

При создании систем пылеочистки применительно к большим или меняющимся расходам газовых потоков возникает проблема повыше­ния единичных мощностей циклонной аппаратуры. С увеличением габаритных размеров циклонов, с одной стороны, падает эффективность пылеулавливания, а с другой - возрастает строительная высота установки. Эту проблему можно решить групповой или батарейной компоновкой циклонов.

 

При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку циклонов. Это позволяет не увеличивать диаметр циклона, что положительно сказывается на эффективности очистки.

Батарейные циклоны - объединение большого числа малых циклонов (мультициклонов) диаметром 150-250мм в группу. Снижение диаметра циклонного элемента преследует цель увеличения эффективности очистки. В мультициклоне батарея циклонных элементов размещена в общем корпусе, имеющем общий коллектор для подвода и отвода газов и общий бункер для сбора пыли.

Представляют интерес и так называемые прямоточные циклоны (с нижним выводом очищенного газа), основные преимущества которых состоят в малом гидравлическом сопротивлении и возможности компоновки пылеулавливающих устройств.

Достоинствами циклонов являются:

• отсутствие движущихся частей в аппарате;

• надежность работы при высоких температурах (до 500 °С) и при высоких давлениях;

• возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;

• улавливание пыли в сухом виде;

• почти постоянное гидравлическое сопротивление аппарата;

• простота изготовления;

• сохранение высокой фракционной эффективности при увеличении запыленности газов.

Недостатки циклонов:

• высокое гидравлическое сопротивление 1250-1500 Па;

• низкая эффективность улавливания частиц размером менее 5 мкм;

• невозможность использования для улавливания слипающейся пыли.

Особое место в газоочистительной технике занимают вихревые пылеуловители (ВПУ), которые также относятся к прямоточным аппаратам центробежного действия. Они позволяют извлекать из вентиляционных выбросов до 99% пыли с заметным содержанием мелкодис­персных частиц диаметром 3-5мкм. ВПУ получили широкое распространение для очистки газов после мельниц, сушилок, а также в горнорудной промышленности.

Основным отличием вихревых пылеуловителей от циклона является наличие вспомогательного закручивающего газового потока.

Достоинствами ВПУ являются:

• более высокая эффективность улавливания высоко дисперсной пыли;

• отсутствие абразивного износа внутренних поверхностей аппа­рата;

• возможность очистки газов с более высокой температурой за счет использования вторичного холодного воздуха;

• возможность регулирования процесса сепарации пыли за счет изменения количества вторичного газа.

Недостатки ВПУ:

• необходимость дополнительного дутьевого устройства;

• повышение общего количества газа, проходящего через аппарат; сложность аппаратурного оформления

Рис. 3.7. Центробежный ротационный пылеуловитель

К центробежным пылеуловителям относятся динамические (ротационные) пылеуловители. В этих аппаратах очистка газа от пыли осуществляется за счет центробежных сил и сил Кориолиса, возникающих при вращении рабочего колеса. Динамические ПУ помимо осаждения частиц пыли из газового потока выполняют роль тягодутьевого устройства.

В аппаратах типа ЦРП (центробежные ротационные ПУ) улавливаемые частицы перемещаются в направлении, обратном движению газов в вентиляторе (рис. 3.7).

Очищаемые газы всасываются через отверстия, расположенные на боковой поверхности вращающегося барабана. В пограничном спое частота вращения пылегазового потока достигает окружной частоты вращения барабана. Благодаря этому частицы пыли выделяются из газового потока в радиальном направлении.

Наибольшее распространение из динамических пылеуловителей получил дымосос-пылеуловитель (ДП), который чаще всего комплектуется в паре с циклоном. ДП применяется для очистки дымовых газов малых котельных, в литейных производствах для очистки аспирацион- ных выбросов и на асфальтобетонных заводах для очистки газов сушильных барабанов. Преимущества динамических пылеуловителей по сравнению с другими центробежными аппаратами заключается в компактности, сокращении металлоемкости, совмещении в одном устройстве дымососа и сепаратора.

Недостатками является опасность абразивного износа лопаток дымососа, возможность образования отложений на лопатках, сложность в изготовлении.

 

3.3.4. Фильтрование аэрозолей

При пропускании запыленных потоков через пористые перегородки, тканые и нетканые, происходит очистка от содержащихся в них взвешенных частиц.

Применяемые в технике газоочистки фильтровальные перегородки могут быть разделены на следующие типы:

• гибкие пористые перегородки - тканевые материалы из природных, синтетических или минеральных волокон, нетканые волокнистые материалы (войлок, картон), пористые листовые материалы (губчатая резина, пенополеуретан, мембранные фильтры);

• полужесткие пористые перегородки - слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними;

• жесткие пористые перегородки - зернистые материалы (пористая керамика или пластмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов), волокнистые материалы (слои из стеклянных или металлических волокон); металлические сетки и перфорированные листы;

• зернистые слои - слои из кокса, гравия, кварцевого песка.

• В зависимости от назначения и величины входной и выходной концентрации фильтры можно разделить на следующие классы: -

• промышленные (тканевые, зернистые, грубоволокнистые) фильтры для очистки промышленных газов с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м³);

• фильтры для очистки атмосферного воздуха (воздушные фильтры) в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Они рассчитаны на работу при концентрации пыли менее 50 мг/м³ часто при высокой скорости фильтрации (2,5-3 м/с);

• фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или абсолютные фильтры) предназначены дня улавливания с очень высокой эффективностью (выше 99 %) в основном субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее 1 мг/м³) и малой скорости фильтрации (менее 10 см/с).

С целью увеличения фильтрующей поверхности в единице объема ПУ ткани обычно придают форму мешков круглого, овального и др. сечения различных размеров. Наиболее распространены ПУ, в которых ткань используется в виде цилиндрических мешков - рукавов. Такие ПУ называют рукавными фильтрами.

Ткани, используемые в качестве фильтровальных перегородок, должны удовлетворять следующим требованиям:

• высокая пылеемкость при фильтрации и способность удерживать после регенерации такое количество пыли, которое достаточно для обеспечения высокой эффективности очистки от тонкодисперсных частиц;

• сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии;

• высокая механическая прочность и стойкость к истиранию при изгибах;

• стабильность размеров и свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии среды;

• способность к легкому удалению накопленной пыли;

• низкая стоимость.

Важную роль играет способ, интенсивность регенерации ткани, их соответствие свойствам ткани, а также свойствам и начальной концентрации улавливаемой пыли.

Рис. 3.8. Схема рукавного фильтра: 1 -корпус; 2-рукава; 3-рама; 4-встряхивающий механизм; 5-коллектор очищенного газа; 6, 7-клапаны; 8-бункер; 9-шнек

Рукавные фильтры по способу ввода очищаемого воздуха в рукав подразделяют на противоточные - с вводом воздуха снизу через бункер (рис. 3.8) и прямоточные - свводом воздуха сверху.

Скорость фильтрования газа через фильтровальную перегородку сравнительно невелика - от 0,007 до 0,08 м³/м²-с при условии непрерывной регенерации ткани.

Число рукавов велико и устанавливаются они плотно. Диаметр рукавов 135-350мм, однако известны конструкции, в которых они достигают 600 мм. Длина рукавов обычно 2400-3500 мм, а в некоторых ПУ превышает 10 м. Максимальное отношение длины рукава к диаметру равно 50:1. Регенерация рукавных фильтров осуществляется различными способами: обратной продувкой, механическим встряхиванием, им­пульсной регенерацией, струйной продувкой.

Для улавливания высокодисперсных аэрозолей с эффективностью не менее 99 % по наиболее проникающим частицам (размером 0,05 - 0,5 мкм) широко применяются фильтрующие материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм).

Скорость фильтрации в них 0,01-0,15 м/с, сопротивление чистых фильтров 200-300 Па, а забитых пылью 700-1500 Па.

Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки как правило нерентабельна или невозможна. После работы в течение 0,5-3 лет они подлежат замене. Входная концентрация пыли не должна превышать 0,5 мг/м³; при увеличении концентрации срок службы фильтров сокращается. Как правило, перед фильтрами тонкой очистки устанавливаются более простые по конструкции пылеулавливающие аппараты для снижения концентрации до 0,5 мг/м³; при увеличении концентрацийсрок службы фильтров сокращается. Как правило перед фильтрами тонкой очисткиустанавливаются более простые по конструкции пылеулавливающие аппараты для снижения концентрации до 0,5мг/м³.

В качестве тонковолокнистых сред широкое распространение получили фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из полимерных смол. Они представляют собой слои синтетических волокон диаметром 1-2,5мкм, нанесенные в процессе получения на марлевую подложку из скрепленных между собой более толстых волокон.

Малая толщина слоев ФП (0,2-1 мм) дает возможность получать поверхность фильтрации до 100-150м² в расчете на 1м³ аппарата.

Оптимальной конструкцией фильтров тонкой очистки являются рамочные фильтры. Фильтрующий материал в виде ленты укладывается между П-образными рамками, чередующиеся при сборке пакета открытыми и закрытыми сторонами. Загрязненные газы поступают в одну из открытых сторон фильтра, проходят через материал и выходят с противоположной стороны (рис.3.9).

При наличии влажных газов или слипающихся пылей использова­ние для очистки газов тканевых фильтров нецелесообразно из-за воз­можного залипания рукавов.

В таких ситуациях в качестве альтернативного варианта аппара­турного оформления процесса пылегазоочистки можно выбрать зерни­стые фильтры. Оптимальные области применения этих ПУ - высоко­температурная очистка газов без предварительного охлаждения с утилизацией тепла и сухая комплексная очистка от пыли и газообразных примесей с насыпным слоем адсорбента или катализатора.

Преимущества таких фильтров состоят в невысокой стоимости и доступности материалов, возможности работы с высокотемпературны­ми и агрессивными средами при значительных механических нагрузках и перепадах давления.

Недостатки аппаратов: периодичность действия, громоздкость, небольшая производительность и несовершенство некоторых узлов, например устройств регенерации фильтрующего слоя.

Зернистые фильтры делятся на две группы: насыпные и жесткие пористые. В насыпных (насадочных) фильтрах фильтрующий слой со­стоит из элементов (гранул, кусков), не связанных друг с другом. Это фильтры с неподвижным насыпным зернистым слоем, с подвижным слоем при гравитационном перемещении сыпучей среды (рис.3.10), а также с псевдоожижженным слоем фильтрующего материала.

В жестких пористых фильтрах зерна прочно связаны между собой в результате спекания, прессования или склеивания и образуют проч­ную неподвижную систему. К ним относится пористая керамика, по­ристые металлы, пористые пластмассы. Регенерацию проводят проду­ванием воздуха в обратном направлении, пропусканием жидких рас­творов в обратном направлении, пропусканием горячего пара, просту­киванием или вибрацией трубной решетки с элементами.

3.3.5. Осаждение в электрическом поле

При поступлении пылегазовой системы в неоднородное электри­ческое поле в местах с большим напряжением образуются ионы, кото­рые движутся в направлении осадительного электрода под действием сил поля. Эти ионы при движении поглощаются частицами пыли, уве­личивая их заряд. Заряженные частицы будут двигаться к осадительно­му электроду и оседать на нем.

Электрическая очистка газов имеет следующие основные особен­ности:

• в зависимости от конкретных условий и требований можно сконструировать ЭФ на любую степень очистки (до 99,9 %) и на широкий диапазон производительности (от нескольких куб. м/час до нескольких млн. куб. м/ч);

• ЭФ обладают наименьшим гидравлическим сопротивлением из всего известного оборудования для очистки газов;

• ЭФ конструируют для работы как при атмосферном, так и при давлениях выше и ниже атмосферного;

• концентрация взвешенных частиц в очищаемых газах может колебаться от долей г/куб. м до 50 r/куб. м и более, а их температу­ра может достигать 500 °С и выше; очистка газов может быть как сухой, так и мокрой;

• ЭФ улавливают частицы размером от 100 до 0,01 мкм;

• ЭФ могут выполняться из материалов, стойких к кислотам, ще­лочам и другим агрессивным веществам;

• процесс очистки газов в ЭФ можно полностью автоматизиро­вать;

• расход электроэнергии на очистку газов обычно меньше, чем при применении газоочистных аппаратов других типов.

Конструкцию электрофильтра конкретного назначения в основ­ном определяют технологические условия его работы: состав и свойст­ва очищаемых газов и содержащихся в газах взвешенных частиц, тем­пература, давление и влажность очищаемых газов, требуемая степень очистки и др.

Электрофильтры классифицируют по способу удаления осажден­ных частиц (сухие и мокрые); по числу полей или секций, из которых состоит активная зона ЭФ (одно- и многопольные или одно и много­секционные); по направлению хода газа в активной зоне (горизонталь­ные и вертикальные); по типу электродной системы (пластинчатые и трубчатые осадительные электроды).

Значительное влияние на конструкцию и условия работы ЭФ ока­зывает тип используемых в них осадительных электродов. Пластинча­тые электроды используют в горизонтальных и вертикальных ЭФ, а трубчатые - только в вертикальных. ЭФ с трубчатой электродной сис­темой обеспечивают лучшие, по сравнению с пластинчатой, условия улавливания частиц благодаря лучшим характеристикам электрическо­го поля, а также благодаря отсутствию пассивных зон. Однако обеспе­чить хорошее встряхивание трубчатых электродов сложно и поэтому их редко применяют в сухих ЭФ; в мокрых ЭФ они находят широкое применение.

3.3.6. Аппараты «мокрой» очистки газов

«Мокрая» очистка применяется для тонкой и высокоэффективной очистки газов. В основе «мокрого» пылеулавливания лежит контакт за­пыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взве­шенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама.

«Мокрую» очистку применяют в тех случаях, когда допустимо ув­лажнение и охлаждение газа, причем отделяемые от газа частицы не представляют ценности.

«Мокрые» пылеуловители (ПУ) имеют следующие преимущества перед другими ПУ:

• сравнительно небольшая стоимость изготовления;

• высокая эффективность;

• возможность использования при высокой температуре и повы­шенной влажности газов, а также в случае опасности самовозгора­ния или взрыва очищаемых газов или улавливаемой пыли;

• возможность одновременной очистки газов от взвешенных час­тиц, извлечение газообразных примесей (абсорбция) и охлаждение газов (контактный теплообмен).

Недостатки мокрых ПУ:

• брызгоунос, что приводит к необходимости включать в схему очистки каплеотделители;

• улавливаемый продукт выделяется в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод и, следовательно, с удоро­жанием процесса очистки;

• в случае очистки агрессивных газов аппаратуру и коммуника­ции необходимо изготавливать из антикоррозионных материалов или применять покрытия.

В целях уменьшения количества отработанной жидкости приме­няют замкнутую систему орошения.

Наиболее принятая классификация мокрых ПУ основывается на их способе действия и включает:

• полые газопромыватели;

• насадочные скрубберы;

• скрубберы с подвижной насадкой;

• центробежные скрубберы;

• тарельчатые газопромыватели (барботажные и пенные);

• скоростные газопромыватели;

• скрубберы ударно-инерционного действия.

3.3.7. Рекуперация пылей

В зависимости от способа улавливания (сухие и мокрые), приро­ды, количества, свойств, концентрации компонента, его токсичности, стоимости, возможности последующей переработки существуют мето­ды рекуперации, ликвидации и изоляции промышленных пылей.

Возможные пути использования пылей:

• использование в качестве целевых продуктов;

• возврат в производство, в технологии которого образуется дан­ный вид пыли;

• переработка пыли в другом производстве с получением товар­ных продуктов;

• утилизация в строительных целях;

• сельскохозяйственное использование.

Первый способ относится к производствам, где целевой продукт получают в виде тонкодисперсного материала (производство сажи).

В целом ряде производств, сопровождающихся пылеобразованием продуктов на отдельных стадиях, используют различные рекупера- Ционные схемы. Так, при производстве аммиачной селитры на стадиях охлаждения высушенного продукта и сушки готового продукта обра­зуются пылевоздушные смеси с большим содержанием этих веществ. Для их улавливания и очистки воздуха перед его выбросом в атмосферу используют аппараты мокрого поглощения, орошаемые водными рас­творами извлекаемых компонентов, циркулирующими в системе очи­стки до достижения определенной концентрации, после чего образую­щиеся рассолы возвращают в тот или иной аппарат технологической схемы.

Примером утилизации пыли, уловленной в одном производстве в качестве сырья для другого производства является огарковая пыль, улавливаемая в процессе очистки обжигового газа при производстве серной кислоты из колчедана, которую используют после соответст­вующей обработки в шахте для выплавки чугуна.

ГЛАВА 4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ

4.1. Абсорбционные методы

4.1.1. Физико-химические закономерности процессов абсорбционной очистки отходящих газов

Абсорбционная очистка (АО) отходящих газов применяется как для извлечения ценных компонентов из газового потока и возврата их снова в технологический процесс для повторного использования, так й для удаления из газового потока токсичных веществ с целью санитар­ной очистки газов. Обычно рационально использовать абсорбционную очистку тогда, когда концентрация целевого компонента в газовом по­токе достаточно велика: свыше 1 % об.

Абсорбция - процесс избирательного поглощения одного или не­скольких компонентов из газовых смесей жидкими поглотителями. Га­зовую фазу, в которой находится компонент, подлежащий удалению, называют газом-носителем, поглощаемый компонент - абсорбтивом, а жидкий поглотитель - абсорбентом.

В зависимости от физико-химической основы процесса различают физическую и химическую абсорбцию (хемсорбцию, т.е. абсорбцию, сопровождающуюся химической реакцией газа с абсорбентом).

Физическая абсорбция

Для физической абсорбции обычно применяют воду, органиче­ские растворители - неэлектролиты, не реагирующие с растворимым газом, и их водные растворы. К методам физической абсорбции можно отнести водную очистку от диоксида углерода, очистку от диоксида уг­лерода метанолом при низких температурах очистку от оксида углеро­да и метана жидким азотом

Современная теория растворов общем случае не позволяет предсказать растворимость газа по свойствам чистых компонентов, но дает возможность сделать качественные или полуколичественные оценки. Это относится в первую очередь к термодинамике разбавлен­ных растворов, наиболее распространенных в практике абсорбции.

Теория растворов дает следующие основные закономерности для расчета растворимости газов при физической абсорбции по минималь­ному количеству экспериментальных дзнных.

Зависимость растворимости газа от давления при небольших кон­центрациях газа в растворе (точнее бесконечно разбавленные раство­ры) и небольших давлениях описываются законом Генри:

Влияние давления при давлениях, отличных от нуля, на раствори­мость газа при малой концентрации ^{ег0 в} жидкости описывается урав­нением Кричевского-Казарновского:

lnf₂/x₂ = lnk_2r+ V₂ (Р - )/R Т,

где f₂ - летучесть газа над раствором; V₂ - парциальный мольный объем газа в бесконечно разбавленном растворе; - давление насыщенного пара чистого растворителя.

Большая часть процессов очистки практически ведется при давле­ниях, не превышающих 30 кгс/см² (2,94 МПа). Превышение давления сверх этого значения приводит к отклонениям от закона Генри на 10- 30%.

При значительной растворимости газа, а также при наличии в рас­творе других примесей - растворенных газов, воды, солей - необходимо учитывать влияние изменения соста^ва раствора на растворимость. В общем случае зависимость растворй^м°сти газа от его концентрации в растворе (х₂ мала, но не равна нулю) ^{и от} концентрации третьего ком­понента в разбавленном растворе при малом давлении Р₂ описывается уравнением Сеченова:

1пК_ф = Р₂/х1+ax₂ + bxj +...

где Кф = Р₂/х₂ (при х₂≠0) - коэффициент физической растворимости.

Зависимость растворимости газа от температуры приближенно описывается термодинамическим уравнением:

lnК₂,г =А - ∆H/R T.

где ∆Н - теплота растворения газа (изменение энтальпии раствора при раство­рении газа по сравнению с энтальпией исходных компонентов).

Если раствор нагревается при смешении газа с жидкостью, то ∆Н< 0. В ограниченном интервале температур теплота растворения постоянна. В широком интервале температур необходим учет зависи­мости ∆Н от температуры в соответствии с законом Кирхгофа. Поэто­му более общим уравнением является следующее:

InK, = А + (∆C_р/R)lnT- ∆H/RT,

где АС_р - разность теплоемкостей раствора и исходных компонентов.

В большинстве случаев растворимость хорошо растворимых газов уменьшается при увеличении температуры (в достаточно широком ин­тервале температур может проходить через минимум). Растворимость мало растворимых газов, (например, водорода) во многих случаях воз­растает при увеличении температуры.

Поскольку при физической абсорбции не происходит сильного взаимодействия молекул газа с молекулами растворителя, теплота рас­творения невелика (не более 4000 ккал/моль или 17 кДж/моль). В этом случае растворимость мало зависит от температуры, поэтому десорб­цию необходимо проводить в основном путем снижения давления, а не повышения температуры. В промышленности регенерация абсорбента осуществляется, как правило, снижением давления до атмосферного или остаточного 0,2 - 0,3 атм, или за счет отдувки газом.

В процессе асорбции количество абсорбента L зависит от равновесной растворимости в условиях низа абсорбера:

L = G₂/(X₂,_H η_H.a - Х_2,р),

где G₂ - количество извлекаемого компонента; Х_2н - растворимость извлекае­мого компонента в нижней части абсорбера; Х_2р - количество компонента в регенерированном растворе; η_H.a - степень приближения к равновесию в ниж­ней части абсорбера.

В большинстве процессов физической абсорбции К,/, мало зависит от состава раствора и давления, поэтому Кф=К,

L/G= К/Р- η_H.a,

т.е. количество расходуемого физического абсорбента не зависит от количества извлекаемого газа и определяется величинами коэффициен­та Генри и давления абсорбции. Поэтому расход энергии на единицу извлекаемого компонента тем меньше, чем больше его концентрация в смеси. В этом заключается преимущество физической абсорбции. Принципиальным недостатком этого метода является невозможность тонкой очистки газа вследствие относительно большого давления из­влекаемой примеси над регенерированным раствором.

Химическая абсорбция

К процессам химической абсорбции отходящих газов относятся моноэтаноламиновая (МЭА), поташная и щелочная очистка газов от диоксида углерода, многие процессы очистки газов от сероводорода, медноаммиачная очистка от оксида углерода и другие процессы.

Протекание химической реакции в процессе абсорбции оказывает влияние как на равновесие между фазами, так и на кинетику абсорбции. В этом случае кинетика абсорбции определяется не только скоростью массообмена, но и кинетическими закономерностями реакции.

При протекании в жидкой фазе реакции между растворенным га­зообразным компонентом и поглотителем часть компонента переходит в связанное состояние и концентрация свободного компонента в жид­кости понижается. Такое понижение приводит к увеличению концен­трационного градиента и ускорению абсорбции в жидкой фазе по срав­нению с физической абсорбцией. Это ускорение тем больше, чем выше скорость химической реакции.

При очень значительных скоростях реакции ускорение абсорбции может быть настолько большим, что сопротивление жидкой фазы ста­новится равным нулю. Наоборот, при очень медленных реакциях уско­рение настолько мало, что им можно пренебречь и рассматривать про­цесс как физическую абсорбцию.

Ускорение абсорбции при протекании химической реакции в жидкой фазе может быть учтено, если принимать движущую силу та­кой же, как при физической абсорбции; или увеличением движущей силы, если принимать коэффициент массоотдачи таким же как при фи­зической абсорбции.

Между обоими способами существует зависимость:

W_a = β_ж¹ F∆_ж = β_ж.F(∆_ж + δ),

где β_ж¹ - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при физической абсорбции; β_ж - то же при протекании реакции, отнесенный к движущей силе при физиче­ской абсорбции; ∆_ж - движущая сила процесса физической абсорбции; δ- уве­личение движущей силы в жидкой фазе при протекании в ней реакции.

Отсюда коэффициент ускорения абсорбции в жидкой фазе при протекании в ней реакции χ равен:

χ= β_ж¹/ β_ж 1 + δ /∆_ж.

Поглотительная способность раствора зависит в значительной ме­ре от константы химической реакции. Зависимость растворимости от Давления в данном случае более сложная, чем при физической абсорб­ции. Характерная особенность растворимости газов в хемосорбентах заключается в медленном, как правило, росте растворимости с увели­чением давления. Чем выше давление, тем медленнее увеличивается растворимость.

Теплота растворения при этом велика (до 125 кДж/моль), поэтому Растворимость сильно зависит от температуры. Чем меньше концен­
трация растворенного газа, тем больше мольная теплота растворения, поэтому при малых концентрациях газа в регенерированных раствори­телях давление его над раствором резко снижается при уменьшении температуры. Это позволяет достигнуть более тонкой очистки, чем при физической абсорбции.

Емкость хемосорбента обычно мало зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации примесей в газе, а регенерацию необходимо проводить главным образом путем по­вышения температуры, а не снижения давления.

4.1.2. Основы технологического оформления. Разомкнутый и циркуляционные процессы

К разомкнутым процессам, относятся процессы, в которых отсут­ствует стадия регенерации абсорбента.

Преимущества разомкнутых процессов:

• простота аппаратурно-технологического оформления;

• возможность весьма тонкой очистки газа из-за отсутствия из­влекаемых компонентов в используемых абсорбентах. Кроме того, могут быть применены сильные нерегенерируемые хемосорбенты, позволяющие добиться тонкой очистки газа;

• малый расход энергии на очистку (только на циркуляцию аб­сорбента).

Однако разомкнутые процессы имеют важный недостаток, свя­занный с однократным использованием абсорбента, и, как следствие, удорожание процесса. При этом возникают трудности с использовани­ем (или со сбросом) отработанного абсорбента. Наконец, нельзя полу­чить все компоненты газовой фазы в чистом виде. Поэтому область применения разомкнутых процессов ограничена и они используются лишь в тех случаях, когда необходима тонкая очистка, при наличии весьма дешевого абсорбента, и когда получается продукт, который мо­жет быть использован в качестве готового продукта или полупродукта для другого процесса.

Из процессов физической абсорбции к разомкнутым процессам можно отнести абсорбцию оксида углерода жидким азотом и (в неко­торой мере) абсорбцию диоксида углерода водой (частично разомкну­тый процесс). Оба процесса дороги: первый из-за глубокого охлажде­ния, второй - вследствие малой поглотительной способности воды.

Характерным примером разомкнутого процесса хемосорбции яв­ляется абсорбция диоксида углерода растворами щелочи. Процесс применяется для тонкой очистки при малых концентрациях С0₂ в ис­ходном газе.

Рис. 4.1. Примеры технологических схем абсорбционных процессов: а - разомкнутая схема; б - разомкнутая схема с частичной циркуляцией аб­сорбента; в- циркуляционная схема

 

Примеры технологических схем разомкнутых процессов приведе­ны на рис.4.1 а, б.

Применение рециркуляции позволяет увеличить скорость абсорб­ции, когда коэффициент массопередачи зависит от плотности ороше­ния; увеличить поверхность массообмена, и, следовательно уменьшить высоту аппарата; полнее использовать абсорбент, если реакция проте­кает медленно.

Циркуляционные (или абсорбционно-десорбционные) процессы (рис. 4.1 в) отличаются от разомкнутых наличием замкнутого цикла аб­сорбента.

Растворитель, насыщенный в абсорбере растворенным газом, по­ступает в десорбер, где происходит обратный процесс - выделение рас­творенного газа, после чего абсорбент поступает вновь на абсорбцию.

Десорбция осуществляется за счет сдвига равновесия газ- жидкость в сторону уменьшения растворимости газа. Это достигается одним из следующих способов:

• снижением общего давления до атмосферного или остаточного;

• снижением парциального давления газа над раствором, что дос­тигается отдувкой газа другим газом или парами абсорбента;

• повышением температуры, что в большинстве случаев приво­дит к снижению растворимости.