Техника и технология защиты водной и воздушной среды от загрязнений

Основные процессы извлечения газообразных примесей

Абсорбционная очистка основана на способности жидкостей растворять газы и химически взаимодействовать с ними. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую, при десорбции, наоборот, из жидкой — в газовую. Вещество, в котором происходит растворение компонентов газа-носителя, называют абсорбентом.

Различают физическую и химическую (хемосорбцию) абсорбцию. При абсорбции происходит передача массы абсорбируемого компонента через границу раздела фаз от газа к жидкости. Количество газов, которое может раствориться в жидкости, зависит от их свойств, температуры и парциального давления газа над жидкостью. При увеличении температуры растворимость газов в жидкости уменьшается, в связи с чем, для проведения процесса абсорбции желательны более низкие температуры.

Разделение газов на хорошо и плохо растворимые в жидкости достаточно условно. Примерами хорошо растворимых газов в воде являются аммиак, фтористый и хлористый водород: плохо растворимых - диоксид углерода, кислород, азот; умеренно растворимых - диоксид серы, хлор.

Движущая сила процесса в газовой фазе выражается как разница парциальных давлений, а в жидкой фазе как разница концентраций. Для многократного использования поглотитель подвергают регенерации, при этом их него извлекают абсорбированный компонент.

Для очистки газов от газообразных загрязнителей применяют, например, следующие абсорбенты:

• для удаления диоксида серы - воду; суспензию известняка в воде; водный раствор поташа или соды;
• для удаления сероводорода - водный раствор фосфата калия или поташа;
• для удаления диоксида азота - воду; раствор серной кислоты; водный раствор соды.

Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощаемого вещества на границе раздела соприкасающихся фаз. Молекулы адсорбированного вещества, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают его поверхностную энергию, в результате чего происходит выделение теплоты. Теплота физической адсорбции сравнительно невелика и составляет до 60 кДж/моль.

Преимуществом физической адсорбции является легкая обратимость процесса. При уменьшении давления или увеличении температуры адсорбируемые молекулы легко десорбируются, а регенерируемый адсорбент может использоваться многократно. Характер протекания процессов зависит от того, как они протекают: периодически или непрерывно. Периодически процессы проводят с неподвижным слоем адсорбента, а непрерывные - с движущимся или кипящим слоем.

Адсобционная емкость адсорбента выражается в граммах поглощенного вещества на единицу массы адсорбента. Она возрастает с увеличением пористости и давления в системе. Внутренняя поверхность микропор адсорбента радиусом до 15 ангстрем может достигать . Хорошие адсорбенты выдерживают несколько тысяч циклов адсорбция-десорбция без существенной потери активности.

Рис. 10.6. Многополочный адсорбер периодического действия

Основная задача адсорберов - обеспечить интенсивный контакт очищаемого газа с адсорбентом ( рис. 10.6). В качестве адсорбентов наибольшее распространение нашли такие материалы, как активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.

Каталитическая очистка газов служит для превращения примесей в безвредные соединения. Процесс протекает на поверхности твердых катализаторов. При температуре газа в 1 реакционной смеси происходит столкновений частиц в секунду. Но не каждое столкновение приводит к химической реакции. Существует энергия активации или энергетический барьер, который нужно преодолеть частицам, чтобы они вступили в реакцию. Использование катализаторов снижает энергию активации, понижает энергетический барьер и тем самым увеличивает скорость реакций. Обычно катализатор представляет собой смесь нескольких веществ: каталитически активного вещества, активатора и носителя. В качестве каталитически активных веществ используют платину, палладий, рутений, родий и сплавы, содержащие никель, хром, ванадий, медь и др. В качестве носителей используют инертные пористые вещества, обладающие развитой поверхностью: силикагели, цеолиты и др.

Для разных реакций используются или мелкопористые, или крупнопористые катализаторы. Важнейшей характеристикой катализаторов является температура зажигания - минимальная температура, при которой катализатор начинает проявлять свои свойства. В ходе катализа катализаторы не претерпевают изменений и работают десятки лет.

Термическое окисление это окисление компонентов выбросов при высокой (до ) температуре. Оно применяется как в отношении газов (паров), так и горючих компонентов дисперсной фазы аэрозолей (смол, масел и др.).

Конструктивные особенности и характеристики пылеуловителей

Пылеулавливающее оборудование может быть квалифицировано по следующим признакам: назначению, способу очистки, эффективности и размеру улавливаемой пыли. По назначению различают:

• воздушные фильтры - оборудование для очистки воздуха, подаваемого в помещение;
• пылеуловители - оборудование для очистки выбросов от взвешенных веществ.

По методам очистки пылеуловители разбиты на четыре группы ( рис. 10.7):

• сухая механическая газоочистка;
• мокрая газоочистка - промывка загрязненного газа водой;
• фильтрация газа через пористые перегородки;
• электрическая очистка газа - осаждение взвешенных в газе частиц в электрическом поле.

Рис. 10.7. Схема классификации пылеулавливающих агрегатов

К основным характеристикам газоочистных устройств относятся: эффективность очистки газа; производительность устройства; гидравлическое сопротивление; расход электрической энергии; стоимость очистки.

Эффективность очистки (степень очистки) выражается отношением количества уловленного материала к количеству материала, поступающего в аппарат с пылегазовым потоком.

Производительность газоочистки характеризуется количеством воздуха, которое очищается за 1 час.

Гидравлическое сопротивление зависит от типа аппарата и определяет необходимое давление вентилятора, а значит и расход энергии. Расход энергии находится в пределах от 0,035 до на 1000 воздуха.

Стоимость очистки в различных аппаратах значительно отличается. Если стоимость очистки в циклоне принять за единицу, то стоимость очистки такого же количества воздуха в батарейном циклоне составит 1,2, в электрофильтре - 2,2, в тканевых фильтрах - 2,8, в системе батарейный циклон-электрофильтр - 3,3.

Сухие механические пылеуловители

К сухим механическим пылеуловителям относятся аппараты, использующие гравитационный (пылеосадительные камеры), инерционный (инерционные пылеуловители) и центробежный (циклоны) механизмы осаждения.

Пылеосадительные камеры являются простейшими устройствами для предварительной очистки газов. Их принцип работы основан на использовании гравитационного эффекта ( рис. 10.8). Для повышения эффективности устраивают отклоняющие перегородки. Это позволяет дополнительно к гравитационному использовать эффект инерционного осаждения.

Рис. 10.8. Горизонтальные пылеосадительные камеры

В осадительных камерах эффективно улавливаются частицы пыли размером от 40 мкм и выше.

Инерционные пылеуловители действуют на эффекте резкого изменения направления движения ( рис. 10.9). Скорость газов в свободном сечении составляет примерно 1 м/с, при этом частицы крупнее 30 мкм улавливаются на 95%. Гидравлическое сопротивление составляет 150-400 Па. Принцип внезапного изменения газового потока при встрече с решеткой из наклонных пластин использован в жалюзийных пылеуловителях.

Рис. 10.9. Инерционные пылеуловители

В циклонах выделение пыли происходит под действием центробежных сил, возникающих в результате вращения газового потока в корпусе аппарата. Классический вариант конструкции ( рис. 10.10) состоит из цилиндрической части 3 с крышкой и тангенциальным патрубком для ввода запышенного газа 1; конической части 4 с патрубком для отвода пыли; центральной трубки с патрубком 2 для отвода очищенного газа; пылесбоника 5.

Рис. 10.10. Схема работы циклона

Запыленный газ поступает в циклон по тангенциально расположенному патрубку 1 со скоростью до 25 м/с, в результате чего он приобретает вращательное движение. В циклоне протекают сложные аэродинамические процессы. Их преимущества - отсутствие движущихся частей и возможность работы при температуре до . Недостаток - высокое гидравлическое сопротивление - до 1500 Па. В различных отраслях промышленности применяют циклоны различных типов. Наиболее распространены циклонные элементы диаметром 100, 150 и 250 мм.

Установка одного высокопроизводительного циклона вызывает затруднения из-за его большой высоты. В связи с этим в технике пылеулавливания широкое применение нашли групповые и батарейные циклоны, имеющие общий коллектор для подачи запыленного газа и общий бункер для сбора пыли. Батарейный циклон производительностью 65000 содержит 792 циклонных элемента. Оптимальная скорость газа в отдельном элементе 3,5-4,75 м/с.

Фильтрующие аппараты относятся к наиболее эффективным пылеулавливающим устройствам. Фильтры просты в эксплуатации и обеспечивают практически полное улавливание частиц всех размеров, включая субмикронные. Недостаток - сравнительно высокий расход энергии и громоздкость установок с фильтрами.

В зависимости от назначения и допустимой пылевой нагрузки существуют следующие фильтры:

• промышленные фильтры применяются для очистки сильно загрязненных газов (до 60 ). Для удаления накапливающейся в фильтруующей перегородке пыли или жидких аэрозольных частиц фильтры имеют устройство для регенерации. Существует два способа регенераци: встряхивание фильтрующих элементов и обратная продувка очищенными газами или воздухом;
• абсолютные фильтры предназначены для улавливания с высокой эффективностью субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее 1 ). Для фильтров используют волокна волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм. Это, как правило, фильтры рамочной конструкции;
• воздушные фильтры предназначены для обеспыливания атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции и подачи воздуха на технологические нужды.

Фильтрующие пористые перегородки по структуре разнообразны:

• гибкие: тканевые материалы из природных, синтетических и минеральных волокон; нетканевые волокнисные материалы (войлок, бумага, картон); ячеистые (губчатая резина, полиуретан);
• жесткие пористые перегородки: пористые стекла и пластмасса, металлокерамика, слои из стеклянных и металлических волокон;
• зернистые слои: неподвижные, свободно насыпанные природные или иные материалы с размером зерен 0,2-2 мм; периодически или непрерывно перемещаемые материалы. Высота слоя на сетках до 15 см. Остаточное содержание пыли - до 100 . Эти фильтры могут работать при высоких перепадах давления, высоких температурах в условиях агрессивной среды. Кроме того, зернистые фильтры при соответствующем выборе насадки могут выполнять функции катализатора или адсорбента.

Фильтровальные материалы по виду используемых волокон бывают естественные и искусственные ( рис. 10.11).

Рис. 10.11. Классификация фильтровальных волокон

Основным параметром фильтра является удельная газовая нагрузка - отношение объема очищаемого газа в единицу времени к площади фильтра (). Этот параметр соответствует скорости фильтрации (м/мин).

Выбор низких скоростей фильтрации приводит к большим размерам фильтра. При высокой скорости фильтрации увеличиваются гидравлические потери, износ, забивание рукавов пылью. При расчете газовой нагрузки исходят из количества поступающей пыли. Например, для нормальной эксплуатации фильтров в цементной промышленности количество пыли не должно превышать 18 .

Гидравлическое сопротивление корпусных узлов фильтров колеблется в пределах 250-500 Па. Сопротивление незапыленной ткани составляет 5-40 Па; запыленной - 250 Па и более. Исходя из экономических соображений, сопротивление фильтров не должно превышать 0,75-1,5 кПа.