книги / Основы общей экологии. Прикладная экология

Впрактике очистки газовых выбросов для более полного использования сорбционной емкости фильтра высота слоя сорбента должна в 4–5 раз превышать длину работающего слоя.

Адсорбционные процессы осуществляют в циклическом режиме, т.е. режиме сорбции, десорбции и регенерации адсорбента.

Извлечение адсорбированного вещества из слоя адсорбента называется десорбцией. Для десорбции в зависимости от физико-химических свойств адсорбированного компонента используют следующие способы: продувку сорбента горячим воздухом, паром, острым паром (при давлении выше атмосферного), вытеснением адсорбированного вещества лучше сорбирующимся компонентом и др.

Десорбцию газов из слоя АУ или силикагелей проводят при температурах 100–200 °С. Для десорбции примесей, поглощенных цеолитами, используют температуры от 200 до

400°С.

Для полного восстановления адсорбционной емкости АУ осуществляют выгрузку АУ из аппарата и его регенерацию термическими методами – обработкой насыщенного адсорбатом АУ при температуре 800–900 °С в атмосфере паров воды или углекислого газа.

На рис. 6.6 представлена конструкция фильтра периодического действия с неподвижным слоем загрузки.

Впромышленной практике очистку газов адсорбционным методом проводят также в аппаратах трубчатого типа, адсорберах с псевдоожиженным и движущимся слоями. Адсорберы с псевдоожиженным и движущимся слоями представлены на рис. 6.7. Принцип работы адсорбера с движущимся слоем адсорбента: загрязненный газовый поток подается в нижнюю часть аппарата, выход очищенного газа осуществляется через верхний патрубок; по мере отработки нижнего лобового слоя сорбента он выводится из аппарата,

141

Выходной

патрубок

Рис. 6.6. Адсорбер с неподвижным слоем загрузки

аб

Рис. 6.7. Типы адсорберов: а – с движущимся слоем; б – с псевдоожиженным слоем: 1 – загрязненный газовый поток; 2 – очищенный газовый поток; 3 – адсорбент, загрузка адсорбента; 4 – острый водяной пар для регенерации адсорбента; 5 – продукты регенерации

142

и одновременно в верхнюю часть подают такую же по массе свежую порцию адсорбента. Таким образом, процесс проводят в непрерывном режиме. Отработанный адсорбент поступает в блок регенерации.

Принцип работы адсорбера с псевдоожиженным слоем сорбента: газовый поток подается в нижнюю часть аппарата со скоростью, способной перевести слой сорбента в псевдоожиженное взвешенное состояние (кипящий слой). Проведение процесса адсорбции в псевдоожиженном режиме позволяет значительно повысить скорость гетерогенного процесса в результате увеличения поверхности контакта фаз.

При использовании адсорбера с псевдоожиженным слоем необходимо применять гранулированные механически прочные сорбенты, так как при эксплуатации аппарата возможно механическое истирание сорбентов и вынос мелких фракций, что будет сопровождаться вторичным загрязнением очищаемого газа и значительно сокращать срок службы адсорбента.

Применение адсорбционных методов для очистки газов и паров

В промышленности очистку газов адсорбционным методом проводят в адсорберах различного типа, но чаще всего используют адсорберы периодического действия с неподвижным слоем загрузки. После отработки адсорбент подвергают регенерации или заменяют новым.

Рекуперация летучих растворителей

Адсорбционный метод широко применяется в промышленной практике для рекуперации летучих растворителей – улавливания испарившихся органических веществ и возврата их в производство. К таким соединениям относятся: этиловый, метиловый спирты, бензин, ацетон, бензол, толуол, бутилацетат, дихлорметан, этилацетат, этиловый и диметиловый эфиры, камфора и др.

143

В качестве адсорбента используют АУ.

Рекуперация обычно осуществляется по четырехфазному циклу:

1.Насыщение АУ поглощаемыми компонентами (30– 40 часов) при низкой температуре.

2.Десорбция паром или острым паром (давление до 2 атм, температура 100–110 °С). Пары направляют на конденсацию.

3.Сушка влажного угля.

4.Охлаждение АУ воздухом.

Затем на подготовленном АУ проводят новый цикл. В зависимости от природы растворителя могут отсутствовать стадии сушки и охлаждения.

АУ используют для извлечения из газовых выбросов сероводорода, диоксида серы и др. При этом АУ катализирует процесс окисления примесей:

H2S + ½О2 → S + Н2О

Десорбцию адсорбированной серы осуществляют при нагревании в присутствии сульфида аммония, способного растворять серу с образованием NH4 Sп+1, который разлагается при температуре 130оС:

NH4Sп+1 → NH3 + Н2S + пS

На АУ способен адсорбироваться сернистый газ из газовоздушных выбросов, который окисляется адсорбированным кислородом:

SО2 + ½ О2 → SО3 (десорбция осуществляется водой)

АУ также используется для очистки газовых выбросов от ароматических моно- и полициклических углеводородов, диоксинов, цианидов, цианистой кислоты, отравляющих веществ, меркаптанов.

144

Осушенные цеолиты и силикагели способны извлекать из сухих газов оксиды азота, СО, SО2, H2S и др.

3. Каталитические методы очистки газовых выбросов

Каталитические процессы – химические процессы, про-

текающие в присутствии катализаторов.

Катализатор увеличивает скорость химической реакции

врезультате изменения механизма ее протекания.

Всоответствии с современными теориями катализа действие катализатора можно объяснить следующим образом: катализатор (К) понижает энергию активации реакции, в результате образования промежуточных соединений (активированных комплексов – АВК*) с участниками реакции, кото-

рые затем разлагаются с образованием продуктов реакции и выделением катализатора: А + В + К → АВК* → АВ + К.

Катализаторы изменяют в одинаковой степени скорость как прямой, так и обратной реакций, поэтому не влияют на величину константы равновесия, ускоряя или замедляя достижение реакцией ее равновесного состояния.

Различают два вида катализа: гомогенный (катализатор и реагенты находятся в одной фазе) и гетерогенный (процесс протекает на поверхности твердого катализатора).

Для очистки газовых выбросов используют гетерогенный катализ.

Высокой каталитической способностью обладают металлы платиновой группы (платина, палладий, родий) и их соединения. В связи с высокой стоимостью этих металлов

впромышленной практике используют соединения d-метал- лов, таких как медь, цинк, кобальт, никель, хром, молибден, ванадий и др.

При гетерогенном катализе в качестве основы катализаторов используются пористые материалы (силикагели, алюмогели, активные угли), на поверхность которых наносятся тем или иным способом каталитически активные компоненты. Использование пористых носителей позволяет значи-

145

тельно увеличить поверхность контакта фаз и, соответственно, скорость реакции.

Реакции гетерогенного катализа представляют собой сложный многостадийный процесс. Основные стадии гетерогенного катализа:

−диффузия реагентов к поверхности катализатора (внешняя диффузия);

−диффузия реагентов в порах зерна катализатора (внутренняя диффузия);

−адсорбция реагентов на поверхности катализатора;

−образование активированного комплекса, его распад

собразованием продуктов;

−десорбция продукта реакции;

−диффузия продуктов в порах катализатора;

− диффузия продуктов от поверхности катализатора в объем.

Скорость процесса определяется лимитирующей стадией – наименее интенсивной.

Чаще всего лимитирующими стадиями гетерогенного катализа являются стадии внутренней диффузии и образования активированного комплекса.

На скорость внутренней диффузии оказывает влияние пористая структура носителя катализатора. Наличие системы макропор (транспортных каналов), снижение размера зерна катализатора способствуют повышению эффективности его применения.

Основным фактором, влияющим на скорость химической реакции, является температура. При выборе температуры проведения процесса необходимо учитывать термодинамические характеристики протекающей при катализе реакции. Например, экзотермические реакции термодинамически вероятнее протекают при низких температурах, однако для повышения скорости процесса необходимо повышение тем-

146

пературы. В этом случае теоретически или экспериментально определяют оптимальную температуру.

На эффективность катализа оказывают влияние примеси, присутствующие в очищаемом газовом потоке, которые могут увеличивать (промоторы) или значительно снижать каталитическую активность (каталитические яды).

Каталитические яды – это вещества, снижающие активность катализаторов. К ним относятся, например, соединения мышьяка, ртути, свинца, цианиды, отравляющие платиновые катализаторы. При очистке газовых выбросов каталитическими методами газы предварительно очищают от соединений, снижающих каталитическую активность катализатора.

Промоторы – вещества, усиливающие действие катализаторов. Например, платиновые катализаторы активируют обработкой катализатора соединениями железа, алюминия и др.

На практике используют селективные катализаторы, которые способны избирательно влиять на скорость определенной реакции.

При выборе катализатора необходимо учитывать следующие его эксплуатационные характеристики:

−активность;

−теплопроводность;

−стойкость к механическим и термическим нагрузкам;

−отравляемость;

−селективность.

Присутствие катализатора позволяет значительно снизить температуру процесса в результате снижения энергии активации реакции.

На рис. 6.8 представлены различные типы катализаторов. В табл. 6.4 представлены характеристика и области применения некоторых типов промышленных катализаторов.

147

Рис. 6.8. Различные типы катализаторов

Каталитические процессы проводят в реакторах различного типа: трубчатых, многослойных, реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора.

Каталитические методы находят применение для очистки газовых выбросов от оксидов азота, диоксида серы, СО, в окислении органических соединений (спиртов, альдегидов, фенолов), при сжигании углеводородов и др.

148

Каталитическая очистка газов от оксидов азота

Метод основан на каталитическом восстановлении оксидов азота до инертного азота.

Катализаторы – металлы платиновой группы (палладий, рутений, платина, родий); менее эффективны составы, включающие никель, хром, цинк, ванадий, церий и др.

Восстановители – метан, природный или коксовый газ, оксид углерода, водород.

В процессе очистки в зависимости от выбранного восстановителя протекают следующие химические реакции при температурах 350–700 °С:

NO + СH4 → 2N2 + СO2

2NO2 + СH4 → 2N2 + СO2 + 2H2O

2NO + 2СO → N2 + СO2

2NO2 + 4СO → N2 + 4СO2

2NO + Н2 → N2 + 2H2O

2NO2 + 4Н2 → N2 + 4H2O

Реакции экзотермические, поэтому температура при протекании процессов повышается.

Для очистки нитрозных газов при получении азотной кислоты и очистки газовых выбросов в качестве восстановителя используют аммиак. Катализатор – цеолиты. Давление

0,35 МПа.

6NO + 4NН3 → 5N2 + 6H2O

8NO + 2NН3 → 5N2О + 3H2O

6NO2 + 8NН3 → 7N2 + 12H2O

5NO2 + 2NН3 → 7NО + 3H2O

NН3 + Н2О→ NН4ОН

149

2NO2 + NН4ОН → NН4NО2 + NН4NО3 NН4NО2 → N2 + 2H2O Т = 70–80 °С NН4NО3 → N2 + 2H2O + ½О2 Т = 230–240 °С 4NН3 + 3О2 → 2N2 + 6H2O

Реакции каталитического окисления

1. Каталитическое окисление оксида углерода СО. Ка-

тализаторы: марганцевые, медно-хромовые.

СО+ ½О2 → СО2

2. Каталитическое окисление диоксида серы. Катализа-

торы: ванадийсодержащие соединения

SO2 + ½O2 ↔ SO3

3. Каталитическое окисление (сжигание) углеводородсодержащих газов и других органических соединений. Ката-

лизаторы: алюмомарганцевый,

СпН2п+2 + ½(3п+1) О2 → пСО2 + (п + 1)H2O

Окисление формальдегида: СН2О + О2 → СО2 + H2O

Окисление метанола: СН3ОН + О2 → СО2 + 2H2O

Контрольные вопросы

1.Рассмотрите принципы нормирования примесей в атмосфере.

2.Дайте определение понятий ПДКсс, ПДВ.

3.Для чего необходима санитарно-защитная зона предприятия?

4.Рассмотрите классификацию методов очистки газовых выбросов от аэрозолей.

150