Характеристика физико-химических методов очистки газов. Основные типы аппаратов, их характеристики.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять основных групп:

промывка выбросов растворителями примесей (абсорбцня); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химиче­ски (хемосорбция); поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсор­бция); термическая нейтрализация отходящих газов; поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

Метод абсорбции.

В технике очистки газовых выбросов про­цесс абсорбции часто называют скрубберным процессом. Очистка газовых выбросов методом абсорбции заклю­чается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одно­го или нескольких газовых компонентов (абсорбатов) этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Абсорбцию часто представляют в виде абсорционно-десорбционного цикла (цикличе-ский процесс), однако стадия десорбции может отсутствовать, если регенерация поглотителя не возможна (разомкнутый процесе. На рисунке приведена одна из простейших схем абсорбционного разделения газов, где

1-абсорбер, 2 - насос, 3 - десорбер, 4 - холодильник, 5 - теплообменник, 6 - кипятильник, 7 - конден­сатор. Для снижения расхода знергии иногда применяют двух и многопоточные схемы с отводом грубо- и тонкорегенерированного растворов в различных сечениях десорбера и подачей их в различные точки абсорбера либо направляют насыщенный раствор абсорбента в разные точки десор­бера и т.п.

Движущей силой здесь является градиент концентрации на гра­нице фаз газ—жидкость. Растворенный в жидкости компонент газовоздушной смеси (абсорбат) благодаря диффузии проникает во внутренние слои абсорбента. Процесс проте­кает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потоков н козффициенты диффузии, т. е. в процессе проектирования абсорберовособое внимание следует уделять организации контакта га­зового потока с жидким растворителем и выбору поглощающей жидкости (абсорбента).

Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от тем­пературы и давлення.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду. В некоторых специальных случаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как сернистая кислота (для улавливания водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа) и др.

Метод хемосорбции.

Основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давлення, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредностей в отходящих газах. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температуры раствора образующееся хнмическое соединение разлагается с выделением исходных злементов. На этом принципе основан механизм десорб­ции хемосорбента.

Основним 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 показана принципиальная схема скруббера с по­движной насадкой. В верхней части аппарата установлен ороситель 7, 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 З и центральную 6 зоны. В качестве насадочных тел используют полые, сплошные и перфорированные шары, а также кольца, полукольца, кубики, скрещенные сплошные и перфорированные диски.

Обрабатываемьлй 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 центральний поток. Насадка совершает пульсационное движение в центральном и прилегающем к стенке ап­парата потоках, турбулизирует взаимодействующие фазы и обеспечивает высокую зффективность обработки газа жидкостью. В тех случаях, когда в результате процесса выпадает осадок, по­движная насадка удаляет его со стенок корпуса аппарата или опорной решетки.

Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые для очистки промышленных выбросов, называют мокрыми. Преимущество абсорбционных методов заключается в экономичности очистки большогоколичества газов и осуществлении непрерывных технологических процессов.

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 создаания системы жидкостного орошения. В процессе работы аб-сорбционных 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.

Метод адсорбции.

Основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией. В качестве адсорбентов используют пористые материалы с высокоразвитой внутренней поверхностью. Последние могут иметь синтетическое или природное происхождение.

Внутренняя структура наиболее распространенных на практике промышленных адсорбентов характеризуется наличием различных размеров и форм пустот или пор, среди которых различают макро-, переходные (мезо-) и микропоры. Суммарный объем последних в единице массы или объема адсорбента определяет в решении задач газоочистки как скорость (интенсивность) поглощения целевого компонента, так и адсорбционную способность (величину адсорбции) твердым поглотителем этого компонента.

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 десорбируется без изменения химического состава. Обратимость данного процесса исключительно важна, если экономически выгодно рекуперировать адсорбируемий газ или адсорбент.

В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбатом 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 значення совпадает с теплотой реакции. Ввиду большой теплоты адсорбции знергия, 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 некоторих 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.

К основным типам промышленных адсорбентов относятся активные угли, силикагели, алюмогели (активный оксид алю­миния), цеолиты и иониты.

Установки периодического действия (с неподвижным слоем ад­сорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс очистки в таких аппаратах имеет периодический характер, т. е. отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени заменяют либо регенерируют. Существенный недостаток таких аппаратов—большие знергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического сопротивления слоя адсорбента.

Конструктивные схемы адсорберов:

а— вертикальный; б—горизонтальный; в — кольцевой;

/—адсорбер; 2— слой активированного угля; 3 — центральная труба для подачн паровоздушной смеси при адсорбции; 4—бар­ботер для подачи острого пара при десорбции; 5 — труба для выхода инертнмх по отношению к поглотителю газов при адсорбции; 6 — труба для выхода пара при десорбции

Движение адсорбента в плотном слое под действием силы тяжести или в восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечивает непрерывность работы установки, что позволяет полнее использовать адсорбционную способность сорбента, организовать процесс десорбции, а также упростить условия эксплуатации оборудования. В качестве недостатка этих методов следует отметить значительные потери адсорбента за счет ударов частиц друг о |друга и истирания о стенки аппарата. На рис. представлена схема адсорбционной установки для удаления SO₂ из горячего топочного газа.

Адсорбция эффективна при удалении больших концентраций загрязняющих веществ. В тех случаях, когда концентрации загрязнителей невелики и обработке подвергается большое количество воздуха, адсорбция может сказаться эффективной для удаления летучих углеводородов и органических растворителей. Этот метод применим в случаях, когда загрязняющий газ трудно или невозможно сжечь, когда необходима гарантированная рекуперация достаточно ценной примеси, когда нужно удалить пары ядовитих веществ и предполагаемих канцерогенов.