Основные способы очистки от газовых загрязнений

Применяют три основных способа очистки выбросов в атмосферу от вредных паров и газов: абсорбция жидкостями, адсорбция твердыми поглотителями, каталитические методы очистки.

Абсорбция — избирательное поглощение одного или несколь­ких компонентов из газовой смеси жидкими поглотителями. Газовую среду, из которой извлекают компонент, называют га­зом-носителем, жидкий поглотитель — абсорбентом, поглощаемый компонент — абсорбтивом. Скорость абсорбции зависит от ряда факторов, главным обра­зом, давления и температуры. С ростом давления и температуры скорость абсорбции повышается.

Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Если изменяются условия, например, происходит понижение давления над жидкостью или снижается температура, процесс становится обратимым и происходит выделение газа из жидкости. Таким образом, может быть осуществлен циклический процесс абсорбции-десорбции. Это позволяет выделить поглощенный компонент.

Абсорбционную очистку выбросов в атмосферу применяют как для извлечения ценного компонента из газа, так и для санитарной очистки газа. Считают, что целесообразно применять абсорбцию, если концен­трация данного компонента в газовом потоке составляет свыше 1 %. Различают абсорбцию физическую и химическую. При физи­ческой абсорбции молекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между собой в химическое взаимодействие. При химической абсорбции молекулы абсорбента вступают в химическую реакцию с молекулами абсорбтива, образуя новое хи­мическое соединение. Сочетая абсорбцию с десорбцией, можно многократно исполь­зовать почти без потерь жидкий поглотитель (абсорбент) в замкну­том контуре аппаратов: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговой про­цесс), выделяя поглощённый компонент в чистом виде. В качестве абсорбента можно в принципе использовать любую жидкость, которая растворяет извлекаемый компонент. Но для при­менения в промышленных масштабах абсорбент должен отвечать ряду требований, среди них: необходимая поглотительная способ­ность, высокая селективность (избирательность) по отношению к поглощаемому компоненту, невысокая летучесть, легкоподвижность, способность к регенерации, незначительное коррозионное воздействие, доступность и невысокая стоимость и др. Поскольку абсорбента, соответствующего всем требованиям, нет, останавли­ваются на поглотителе, удовлетворяющем конкретным условиям.

При физической абсорбции обычно используют в качестве абсор­бента воду, а также органические растворители, не реагирующие с извлекаемыми компонентами и их водными растворами. Вода — де­шевый и доступный абсорбент для очистки больших объемом газа. Процесс абсорбции осуществляется в специальных аппаратах — абсорберах. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта абсорбента с газом-но­сителем.

Применяются различные виды абсорберов. Их разделяют на поверхнос­тные, насадочные, барботажные.

В поверхностном абсорбере газ проходит над поверхностью неподвижной жидкости. Поверхность контакта невелика, абсор­бер малопроизводителен.

Наиболее распространены насадочные абсорберы (рис.1.1). Насадочный абсорбер обладает развитой поверхностью соприкосновения, кроме того, преимуществом этого типа абсорберов является простота устройства, надежность и устойчивость процесса. Недостатками являются относительно небольшая производительность, значительный объём аппарата. Насадочные абсорберы широко используются для очистки газов (воздуха) от диоксида серы, оксида и диоксида углерода, хлора и др. Часто в качестве насадки применяют кольца Рашига, спирали, металлические сетки и др. Эти элементы укладывают или свободно насыпают слоем 1-3 м. Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит от площади поверхности насадки и равномерности ее орошения. На формирование слоя орошающей жидкости влияет скорость газового потока. При высоких скоростях создаётся однородный слой, что способствует интенсивной абсорбции. Для этой же цели необходимо, чтобы насадка имела высокую удельную поверхность, т. е. отношение поверхности к объёму. Скорость потока очищаемого газа в абсорбере с насадкой из элементов типа колец Рашига — около 3-5 м/с. Абсорберы с насадкой пригодны для очистки газов, содержащих значительное количество взвешенных частиц, так как насадка забивается, увеличивается гидравлическое сопротивление абсорбера, и он может выйти из строя.

Рисунок 1.1- Принци­пиальная схема насадочного абсор­бера:

1 — насадка; 2 — опорная решетка; 3 — перераспределитель жидкости; 4 — распре­делитель жидкости

Барботажные абсорберы более компактны при одинаковой производительности, но сложнее по устройству. В аппарате газ барботирует (пробулькивается) через слой абсорбента, находящегося на тарелках в колонне. Принцип работы данного типа абсорбера показан на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 - Принцип работы сетчатого абсорбера:

а — схема устройства колонны; б — схема работы тарелки:

1 —кор­пус; 2 — тарелка; 3 — переливная труба; 4 — стакан

Очищаемый газ (воздух) проходит через отверстия в тарелке и пробулькивает через слой абсорбента. Уровень жидкости на решетке поддерживается путем слива излишней жидкости через переливные трубки, концы кото­рых опущены в стаканы. Другой вид абсорбе­ра, более совершенного — пенный абсорбер. В ре­зультате взаимодействия жидкости с газом образуется пена. Благодаря это­му создается значитель­ная поверхность контак­та абсорбента с очищае­мым газом, что обеспечи­вает высокую эффектив­ность очистки.

На рис. 1.3 представлена принципиальная схема установки для абсорбции определенного компонента из газовой среды и пос­ледующего его выделения из абсорбента (десорбции).

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема установки для абсорбционно-десорбционного улавливания определённого компонента из газовой смеси:

1 – абсорбер; 2 -холодильник; 3 - десорбер; 4 –теплообменник

Газовая смесь, содержащая извлекаемый из нее компонент, пос­тупает в абсорбер, где происходит контакт с абсорбентом, который поглощает данный компонент. Газ, очищенный от компонента, уда­ляется (очищенный воздух может быть выброшен в атмосферу), а рас­твор поглотителя, содержащий абсорбированный компонент, поступа­ет в теплообменник, где нагревается. Нагретый раствор насосом под­ается в десорбер, где из него выделяется (десорбируется) поглощенный компонент путем испарения в результате нагревания поглотителя па­ром. Поглотитель, освобожденный от компонента, поступает в тепло­обменник, где отдает теплоту абсорбенту при его противоточном дви­жении в десорбер, а затем направляется в холодильник, пройдя кото­рый, снова поступает в абсорбер. Таким образом, образуется замкнутый цикл. По такому циклу работает установка для абсорбционно-десорбционного улавливания определенных паров и газов из газовой смеси (из воздуха).

Абсорбция — наиболее распространенный процесс очистки га­зовых смесей во многих отраслях, например, в химической про­мышленности. Абсорбцию широко применяют для очистки выбро­сов от сероводорода, других сернистых соединений, паров соля­ной, серной кислот, цианистых соединений, органических веществ (фенола, формальдегида и др.).

Адсорбция — процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из газовой среды с помощью адсорбентов твердых материалов с большой удельной поверхностью. Газовая среда, из которой происходит поглощение компонен­та, называется газом-носителем, твердое вещество, поглощающее компонент — адсорбентом, поглощаемое вещество — адсорбтивом, поглощенное вещество — адсорбатом.

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции между молекулами адсорбента и молекулами адсорбируемого вещества не происходит химическо­го взаимодействия. Процесс физической адсорбции может быть обратимым, т. е. чередуются стадии адсорбции и десорбции (выделения поглощенного компонента из адсорбента).

При химической адсорбции молекулы адсорбента и адсорбтива химически взаимодействуют. Десорбция практически неосуществима. При химической адсорбции выделяется значительно больше теплоты, чем при физической адсорбции.

Ниже рассматривается физическая адсорбция, находящая при­менение в промышленности в значительной мере из-за возможности осуществить обратный процесс (десорбцию).

К адсорбенту предъявляют определенные требования: иметь высокую адсорбционную способность, т. е. возможность поглощать большое количество адсорбтива при его малой концентрации в га­зовой среде; высокая селективность (избирательность) в отноше­нии адсорбируемого компонента; химическая инертность по отно­шению к компонентам очищаемой газовой среды; высокая меха­ническая прочность; способность к регенерации; низкая стоимость.

С учетом этих требований широкое применение получили активи­рованный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты. Эти вещества от­личаются друг от друга природой материала и, как следствие, своими адсорбционными свойствами, размерами гранул, плотностью и др.

Различают истинную, кажущуюся и насыпную плотность ад­сорбента. Истинная плотность – масса единицы объема плотного адсорбента (т. е. без учета пор). Кажущаяся плотность – масса единицы объема пористого материала адсорбента. Под насыпной плотностью понимают массу единицы объема слоя адсорбента, включая объем пор в гранулах адсорбента и промежутков между гранулами адсорбента.

Активированный уголь – пористый углеродный адсорбент. Применяют несколько марок активированного угля, различающих­ся размером микропор. Активированный уголь соответствующей марки используют для адсорбции различных компонентов (газов, летучих растворителей и др.), обладающих различными свойства­ми. Размер гранул активированного угля 1,0–6,0 мм, насыпная плотность – 380–600 кг/м³.

Силикагель – синтетический минеральный адсорбент. Его пре­имущество по сравнению с активированным углём – негорючесть, низкая температура регенерации (100 – 200 ⁰С), низкая себестоимость при массовом производстве, относительно высокая механическая прочность. Промышленность выпускает ряд марок силикагеля, от­личающихся формой и размерами зерен (0,2–7,0 мм – кусковые и гранулированные), насыпная плотность 400–900 кг/м³. Силикагель обладает высокой адсорбционной ёмкостью. Его использу­ют часто для осушения газа и поглощения паров, например, мети­лового спирта из газового потока.

Алюмогель – активная окись алюминия. Гидрофильный адсор­бент с развитой пористой структурой. Используется, как и селикагель, для осушения газовых потоков и поглощения из них ряда орга­нических веществ. Благодаря своим положительным свойствам (до­ступность, стойкость к воздействию жидкостей и др.) широко приме­няется. Выпускается в виде гранул цилиндрической формы диамет­ром 2,5–5 мм, высотой 3–7 мм, насыпная плотность 500–700 мм, и шаровой формы – радиус 3–4 мм, насыпная плотность 600–900 мм.

Цеолиты – алюмосиликаты, содержащие оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Этот адсорбент называют «молекуляр­ные сита» за их способность разделять вещества на молекулярном уров­не благодаря структуре и размерам своих пор. Цеолиты обладают так­же высокой селективностью. Отечественная промышленность выпус­кает ряд марок цеолитов, со связующим и без него, в виде гранул цилиндрической и шаровой формы. Размер гранул шарообразных d = 4 мм, цилиндрических 4 мм, насыпная плотность 600–900 кг/м³.

Адсорберы подразделяются на аппараты периодического в не­прерывного действия. Адсорберы периодического действия с не­подвижным слоем поглотителя имеют различное конструктивное исполнение. Более распространены цилиндрические вертикальные (рис. 1.4) и горизонтальные адсорберы. На колосниковой решетке в нижней части корпуса находится слой гравия высотой 100–200 мм, а на гравии укладывают слой адсорбента высотой до 2,5 м. Сверху от уноса адсорбент защищен проволочной сеткой. Диаметр адсорберов вертикального типа 2; 2,5; 3 м; высота цилиндричес­кий части корпуса – до 2–5 м.

Очищаемый газ поступает в верхнюю часть аппарата со скоростью до 4 м/с и проходит сверху вниз через слой адсор­бента. После того как поглотительная способность адсорбента исчерпана, про­исходит «проскок» поглощаемого компо­нента. Тогда аппарат переключают на про­цесс десорбции. В аппарат подают пар сни­зу. Пар удаляет из сорбента поглощенный компонент и направляется в холодильник-конденсатор, в котором происходит отде­ление поглощенного компонента от адсор­бента. Производительность вертикальных адсорберов 10000—30000 м³/ч.

Рисунок 1.4 - Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем поглоти­теля:

1 — барботер для подачи острого пара при десорбции; 2 — люки для выгрузки поглоти­теля; 3 — штуцер для отвода паров при десор­бции; 4 —штуцер для подачи парогазовой сме­си (при адсорбции) и воздуха (при сушке и ох­лаждении); 5 — люк для выгрузки поглотите­ля; 6 — корпус; 7 — штуцер для отвода отра­ботанного газа (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 8 — штуцер для отводя конденсата

На рис. 1.5 показана принципиаль­ная схема непрерывного процесса адсор­бции с циркулирующим псевдосжиженным адсорбентом.

Рисунок 1.5 - Принципиаль­ная схема адсорбера с циркулирующим псевдосжиженным адсорбен­том:

I — подача очищаемого газа; II — выход очищенного газа; III —подача вытесняю­щего вещества (пара или инертного газа); IV — выход адсорбтива; V — линия пере­дачи адсорбента из десорбера в адсорбер; VI — линия передачи адсорбента из адсор­бера в десорбер; 1 — адсор­бер; 2 — десорбер; 3 — псевдосжиженный адсорбент

Непрерывная адсорб­ция перспективна, так как позволяет ин­тенсифицировать процесс и с помощью сравнительно небольшого количества ад­сорбента очищать с высокой эффектив­ностью газы от вредных паров и газов при их невысоких концентрациях. Можно подобрать такую скорость по­дачи очищаемого газа через слой зернис­того материала (адсорбента), что слой ма­териала будет находиться во взвешенном состоянии, напоминая кипящую жидкость. Такой слой зернистого материала называ­ют псевдосжиженным или кипящим. При прохождении газа через слой материала происходит поглощение неже­лательного компонента (адсорбтива). Очищенный газ покидает аппарат. Часть адсорбента постоянно спуска­ется в десорбер для регенерации. Роль вытесняющего вещества при регенерации выполняет водяной пар или нагретый инертный газ. В десорбере также поддерживается кипящий слой адсорбента. Из него извлекается улавливаемое вещество (адсорбтив) и выводится из сис­темы. Регенерированный адсорбент возвращается в адсорбер. Та­ким образом, происходит непрерывный процесс десорбции.

Каталитические методы очистки основаны на взаимодейст­вии удаляемых веществ с вводимым в очищаемую газовую среду веществом в присутствии катализатора. В результате реакций на­ходящиеся в газе примеси превращаются в другие соединения, пред­ставляющие меньшую опасность, или легко отделяются от газа.

Благодаря применению катализаторов можно достичь высокой сте­пени счистки газа, достигающей в ряде случаев 99,9 %. Каталити­ческая очистка применяется в основном при небольшой концен­трации удаляемого компонента в очищаемом газе. Каталитическая очистка позволяет обезвреживать оксиды азо­та, оксид углерода, другие вредные газовые загрязнения. Катализатор должен обладать активностью, пористой структу­рой, а также стабильностью, селективностью, прочностью. Под ста­бильностью понимают устойчивость к длительному воздействию температуры и компонента газовой смеси. Основное достоинство каталитических методов очистки: воз­можность достижения высокой степени очистки. При температуре 100 –150 °С процессы рассматриваются как необратимые, что поз­воляет получать газ с весьма низким содержанием примесей. Основные недостатки: обычно установки для каталитической очистки сложны, громоздки; в качестве эффективных катализато­ров приходится применять дорогостоящие вещества – платину, палладий, рутений; используют и более дешёвые – никель, хром, медь, но они менее эффективны. В целом наблюдается тенденция расширения применения каталитической очистки. Эти методы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.