ТОП 10:

Очистка газовых смесей от газообразных примесей



Для очистки отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ в промышленности применяют следующие группы методов: методы сорбции, каталитические и термические методы, методы конденсации и компримирования.

1. Методы сорбции: основаны на селективном поглощении одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким или твёрдым поглотителем. Сорбция бывает физической и химической (хемосорбция).

При физической сорбции поглотитель не вступает в химическое взаимодействие с извлекаемым из смеси газом; поглощаемые молекулы удерживаются сорбентом, главным образом, электростатическими силами и силами Ван-дер-Ваальса.

При хемосорбции поглотитель реагирует с компонентами газовой смеси с образованием малолетучих или малорастворимых соединений. Химическая реакция может протекать как обратимо, так и необратимо.

Существуют два принципиально отличных типа сорбционных процессов: абсорбция и адсорбция.

Абсорбция представляет собой поглощение газа всем объёмом поглотителя. Этот процесс состоит в проникновении молекул газа в массу поглотителя с образованием раствора. Распространение молекул газа в массе поглотителя происходит, главным образом, за счёт диффузии. В качестве физических абсорбентов в промышленности используют воду, органические растворители и их водные растворы. В качестве хемосорбентов используют водные растворы солей и щелочей, органические вещества и водные суспензии различных веществ.

При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую, т.е. осуществляется передача массы вещества от газа к жидкости. Этот процесс состоит из процессов переноса вещества в каждой из фаз (массоотдача) и переноса вещества через границу раздела фаз (массопередача). При этом принимается, что на границе раздела фаз существует равновесие.

При физической абсорбции уравнения массоотдачи для процессов переноса вещества в каждой из фаз:

G = βГF P – P Р),

(

G = βЖF ⋅ (CР – C),

где G – масса вещества, переносимого в единицу времени, кг/с;

F – поверхность контакта фаз, м2;

P – парциальное давление поглощаемого вещества в газовой фазе, Па;

C – концентрация поглощаемого вещества в жидкой фазе, кг/м3;

βГ и βЖ – коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах, кг/(м2⋅с) на единицу движущей силы.

Уравнения массопередачи для процессов переноса вещества из одной фазы в другую при физической абсорбции:

G = KГF P – P*),

(

G = KЖF ⋅ (C* – C),

где P* – парциальное давление поглощаемого вещества, равновесное его концентрации в жидкости, Па;

C* – концентрация поглощаемого вещества в жидкости, равновесная его парциальному давлению в газе, кг/м3;

KГ и KЖ – коэффициенты массопередачи, отнесённые к одной из фаз, кг/(м2⋅с) на единицу движущей силы.

При протекании процессов химической абсорбции абсорбируемый газ в жидкой фазе вступает в химическую реакцию с поглотителем. Уравнение массоотдачи в жидкой фазе при хемосорбции может быть записано в двух вариантах:

G′ = β′ЖF ⋅ ΔЖ

или

G′ = βЖF ⋅ (ΔЖ + δ),

где ΔЖ = СР – С – движущая сила абсорбции в жидкой фазе;

δ – величина, на которую повышается движущая сила в жидкой фазе при протекании в ней химической реакции.

Обозначения со штрихом соответствуют описанным выше параметрам абсорбции, сопровождаемой химической реакцией.

Адсорбция представляет собой концентрирование вещества на поверхности раздела двух фаз. Этот процесс состоит во взаимодействии молекул или ионов адсорбата с поверхностью адсорбента за счёт сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей и электростатических сил. В качестве физических адсорбентов используют твёрдые пористые материалы с сильно развитой внутренней поверхностью – активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты и др. Для протекания процессов хемосорбции физические адсорбенты дополнительно пропитываются химическими реактивами, взаимодействующими с компонентами очищаемой газовой смеси.

Величина адсорбции зависит от природы поглощаемого вещества и его концентрации в газовой смеси, природы поверхности адсорбента и характера его пористости, а также от давления и температуры. Экспериментально величину адсорбции находят из соотношения:

A = x/m,

где x – количество поглощённого вещества (моль);

m – масса поглотителя (кг).

Количество поглощённого вещества на 1 м2 поверхности адсорбента называют удельной адсорбцией:

Г = A/S,

где S – площадь поверхности адсорбента (м2).

Физическая адсорбция протекает, главным образом, за счёт сил Ван-дер-Ваальса и является обратимым экзотермическим процессом. Зависимость, отражающая связь величины адсорбции определённого компонента газовой смеси от его парциального давления применительно к конкретному адсорбенту в условиях равновесия между фазами при постоянной температуре, называется изотермой адсорбции:

Г = f(P),

где P – парциальное давление поглощаемого компонента в газовой смеси, равновесное с величиной его адсорбции Г. Существует 5 типов экспериментально получаемых изотерм физической адсорбции паров и газов на твёрдых адсорбентах.

Химическая адсорбция часто является необратимым процессом, носит специфический избирательный характер и приводит к образованию прочных поверхностных соединений между адсорбатом и адсорбентом. С повышением температуры скорость хемосорбции, как и любой другой химической реакции, возрастает в соответствии с уравнением Аррениуса:

K = Ae-E/RT,

где K – константа скорости реакции;

A – предэкспоненциальный множитель;

E – энергия активации химической реакции;

R – универсальная газовая постоянная;

T – абсолютная температура.

Основными свойствами адсорбентов являются структура (размеры пор), активность (ёмкость) и избирательность (селективность).

2. Каталитические методы: основаны на химических превращениях токсичных компонентов отходящих газов в нетоксичные на поверхности твёрдых катализаторов.

Катализаторами называют вещества, взаимодействующие с молекулами реагирующих веществ, изменяющие скорость химической реакции и выделяющиеся затем в химически неизменном виде.

Каталитические методы очистки газовых смесей представляют собой процессы гетерогенного катализа, протекающие на границе раздела газовой и твёрдой фаз. Действие катализаторов основано на образовании между катализатором и реагирующими веществами промежуточных поверхностных соединений (активированных комплексов), распадающихся с выделением продуктов реакции и катализаторов. Ускоряющее действие катализатора называют его активностью. Она представляет собой отношение констант скоростей реакций, происходящих с участием катализатора и без него:

а = KKat/K = eΔE/RT,

где ΔE = E EKat; E и EKat – энергии активации химической реакции в присутствии катализатора и без него.

В результате реализации каталитических методов могут протекать следующие процессы:

1 – окисление примесей до диоксида углерода CO2 и воды (используется для углеводородов, спиртов и других органических веществ);

2 – окисление примесей в ценные продукты (используется для хлорорганических веществ, SO2, оксидов азота с получением, соответственно, Cl2, H2SO4, HNO3);

3 – восстановление примесей в безвредные продукты (например, NO в N2);

4 – восстановление примесей в ценные продукты (например, SO2 в S);

5 – разложение примесей до безвредных продуктов.

В качестве катализаторов при осуществлении каталитических процессов используют платину, металлы платинового ряда, оксиды меди, марганца, никеля, хрома и других металлов и пр.

3. Термические методы: основаны на высокотемпературном окислении компонентов газовой смеси кислородом. Для реализации этих методов необходимо поддержание высоких температур газовой смеси и наличие достаточного количества кислорода.

4-5. Методы конденсации и копримирования: основаны на явлении уменьшения давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры. В случае использования метода конденсации смесь паров растворителя с воздухом предварительно охлаждают в теплообменнике, а затем конденсируют. Метод компримирования аналогичен методу конденсации с той разницей, что пары растворителя находятся при этом под избыточным давлением.

Выбор методов и конкретных схем очистки отходящих газов от токсичных газообразных и парообразных примесей зависит от целого ряда факторов: химического состава газовой смеси, концентрации и агрегатного состояния содержащихся в ней компонентов, её объёма и температуры, имеющихся на предприятии технологических возможностей, требуемой степени очистки и т.п. и производится на основании результатов технико-экономических расчётов.







Последнее изменение этой страницы: 2016-08-10; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.237.71.23 (0.008 с.)