10790

20

При физической абсорбции в качестве абсорбента обычно используют воду. Вода - самый дешевый и доступный абсорбент, обладающий высокой эффективностью при удалении кислых растворимых газов, таких как SiF4, паров НСl, HF.

Газы с меньшей растворимостью, например S02, Сl2 легче абсорбируются не чистой водой, а щелочными растворами, в частности, разбавленным NaOH. Для поглощения газов, плохо растворимых в воде, применяют малолетучие органические растворители на основе углеводородов.

Абсорбенты, работающие при отрицательных температурах, принято называть хладоносителями, а процесс абсорбции, протекающий в таких условиях - контактной конденсацией.

Для повторного использования абсорбент подвергают регенерации, проводя процесс, обратный абсорбции - десорбцию (дегазацию, выпаривание). Так, если изменить условия, например, понизить давление над жидкостью или снизить температуру, то происходит выделение газа из жидкости. Сочетая абсорбцию с десорбцией можно многократно и почти без потерь использовать жидкий поглотитель в замкнутом цикле «абсорбция - десорбция - абсорбция»,

вновь подавая освобожденный поглотитель на стадию абсорбции, снова регенерировать и возвращать его в процесс.

Этот механизм также позволяет выделять из абсорбента поглощенный компонент в чистом виде и использовать в виде сырья для других процессов или целевого товарного продукта. Если извлекаемый компонент не представляет ценности или процесс регенерации связан с большими трудностями, то поглотитель используют однократно и после соответствующей обработки сливают в канализацию.

Помимо регенерации абсорбента с помощью десорбции абсорбированные загрязнения удаляют путём осаждения и отстаивания, химического разрушения в результате нейтрализации, окисления, восстановления или

гидролиза, а также экстракцией и другими методами.

Основным оборудованием для проведения физической и химической

21

абсорбции служат полые распылительные и посадочные башни (рис. 2.6), пенные аппараты и скрубберы1, различающиеся способом организации контакта фаз (капли или пена). Для более полного извлечения компонента из газовой смеси в них используется принцип противотока с непрерывной подачей в абсорбер свежего раствора.

Рис. 2.6 Распылительные и насалочные башни:

1 - корпус; 2 - форсунки; 3 - каплеотделитель; 4 - опорная решетка; 5 - ороситель; 6 - пористая насадка

Широко применяются скрубберы с подвижной насадкой, к достоинствам которых относятся высокая эффективность разделения при умеренном гидравлическом сопротивлении из-за высоко развитой поверхности контакта в виде тонкой пленки жидкости на элементах насадки, а также большая пропускная способность по газу. На рис. 2.7 показана принципиальная схема такого скруббера. В верхней части аппарата установлен ороситель 1, 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 3 и центральную 6 зоны.

22

Обрабатываемый газ подается в аппарат под опорную решетку и делится на два потока; центральный и кольцевой. При прохождении кольцевой зоны поток газа разгоняется. Он воздействует на с прижатые к стенке элементы подвижной насадки и перемещает их от стенки в центральный поток, в результате чего насадка постоянно «пульсирует» в центральном и прилегающем к стенке аппарата потоках, обновляя поверхность взаимодействия фаз. Если выпадает осадок, то подвижная насадка «соскребает» его со стенок корпуса аппарата или опорной решетки.

В качестве посадочных тел используют полые, сплошные и перфорированные шары, а также кольца с перфорированными стенками, полукольца, кубики, скрещенные сплошные и перфорированные диски (рис. 2.8). Материалы для изготовления насадки (керамика, фарфор, уголь, пластмассы, металлы) выбираются из соображений антикоррозионной устойчивости к очищаемому газу и поглотителю.

Широкое распространение получили башенные абсорберы (рис. 2.10),где вместо одного слоя насадки установлено несколько ярусов колпачковых тарелок 1. Каждая тарелка снабжена патрубками 2, которые накрывают колпачками 3 с зубчатыми краями, и оборудуют переливными трубками 4.

23

Абсорбент в этих аппаратах стекает от тарелки к тарелке по переливным трубкам. Очищаемый газ движется снизу вверх в направлении, указанном стрелками, барботируя через слой жидкости. При прохождении между зубцами колпачков газ разбивается на множество струек и пузырьков, в результате чего образуется большая поверхность соприкосновения взаимо-

действующих веществ. выход

Рис. 2.10 Схема колпачково-тарельчатого абсорбера

1 - тарелки; 2 - патрубки для прохода газа; 3 - колпачки с зубчатыми краями; 4 - переливные трубки

Адсорбция газовых примесей

Существуют особые твердые материалы, которые, как и абсорбирующие жидкости, способны избирательно поглощать газообразные компоненты из газовых смесей. Эта способность вызвана тем, что после специальной обработки (например, дегазации вакуумированием) или активации (пропитки) их поверхностные атомы или молекулы находятся под воздействием неуравновешенных сил притяжения, направленных внутрь твердого тела.

В результате присутствующие в газовой смеси молекулы загрязнителя

24

собираются на поверхности, в порах или капиллярах твердого материалапоглотителя.

Процесс поглощения газов поверхностью активированного твердого тела называется адсорбцией, а твердое тело, поглощающее газ или пар -

адсорбентом. Газ или пар, удерживаемый поверхностью твердого тела, называют адсорбируемым веществом или адсорбатом. Переход молекул загрязняющих веществ из газа-носителя на поверхностный слой адсорбента происходит, если силы притяжения адсорбента больше сил притяжения действующих на адсорбтив со стороны молекул газа-носителя.

Природа сил, вызывающих межмолекулярное притяжение, может быть различной. При физической адсорбции концентрирование молекул поглощаемого вещества на поверхности адсорбента происходит под действием сил Ван-дер-Ваалъса - слабых электромагнитных взаимодействий, которые проявляются на расстояниях меньше атомных l ≈10-8 см (например, между полярной и неполярной молекулами и др.).

При химической адсорбции молекулы адсорбента и газовой примеси химически взаимодействуют за счет ненасыщенных валентных связей

поверхностного слоя твердого материала, т.е. вступают в химическую реакцию. При этом возможны очень большие скорости поглощения и полное извлечение компонентов, выделение которых другим способом было бы невозможно из-за их малой концентрации в смеси.

Процесс физической адсорбции может быть обратимым с чередованием стадий адсорбции и десорбции - выделения поглощенного компонента из адсорбента. Регенерацию адсорбента проводят нагреванием, например выжиганием органических веществ, пропусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа (азота). Иногда адсорбент, потерявший активность из-за экранирования пылью или смолой, полностью заменяют. При хемосорбции регенерация практически неосуществима.

При контакте адсорбента с газовой смесью первоначально поглощаются все ее компоненты, но после насыщения поверхности адсорбента в нее

25

внедряются преимущественно молекулы с большей адсорбируемостью, вытесняя другие молекулы. На этом основан выбор пары «адсорбент - адсорбат». Процесс адсорбции прекращается после заполнения активной поверхности адсорбента молекулами адсорбата, т.е. по достижении равновесия системы или полного насыщения адсорбента в заданных условиях.

Адсорбируемость (количество газа, адсорбируемого единицей массы сорбента в равновесном состоянии) зависит от температуры и давления в

парогазовой фазе. С повышением температуры при прочих равных условиях равновесная концентрация уменьшается, с ростом давления - увеличивается. Равновесная концентрация тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа.

Промышленные адсорбенты изготавливают из твердых пористых материалов и используют в дробленном, гранулированном или порошкообразном виде. С целью снизить энергетические и материальные затраты на адсорбционную очистку при выборе адсорбента учитывают ряд требований.

Адсорбенты должны иметь невысокую стоимость и изготавливаться из доступных материалов. Они должны обладать высокой пористостью и иметь развитую удельную поверхность. От этих характеристик зависит сорбционная емкость, т.е. возможность поглощать большое количество адсорбтива при его малой концентрации в газовой среде.

Адсорбент должен иметь высокую селективность (избирательность) в отношении адсорбируемого компонента. Для снижения затрат на регенерацию

удерживающая способность адсорбента не должна быть слишком высокой. При этом он должен обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать несколько сотен и тысяч циклов «адсорбция-десорбция».

Адсорбент для процесса физической адсорбции должен быть химически инертным по отношению к компонентам очищаемого воздуха, а для химической сорбции - вступать с молекулами загрязнителей в химическую реакцию.

26

Из практически используемых адсорбирующих веществ ведущее место принадлежит различным видам активированных углей (древесный, костяной и др.), удельная поверхность которых может превышать 500 м2/г. Хорошими адсорбентами являются гель кремниевой кислоты (силикагель АlO2×nH2O), глинозем, каолин, некоторые алюмосиликаты (алюмогели Аl2O3×nH2O), цеолиты (алюмосиликаты). Эти вещества отличаются друг от друга своими адсорбционными свойствами, размерами пор и гранул, плотностью и др.

Активированный уголь удовлетворяет большинству требований и взаимодействует с большинством газообразных веществ, в связи с чем широко применяется. Основным его недостатком является химическая нестойкость к кислороду, особенно при повышенных температурах. В последнее время появился новый тип углеродных адсорбентов - активированные углеродные волокна, применяемые в виде тканей, лент, нетканого материала, войлока и т.п. Благодаря высокой химической, термической и радиационной стойкости они обладают лучшим сочетанием адсорбционных и фильтрующих свойств, высокой адсорбционной активностью и удобством аппаратурного оформления.

Остальные адсорбенты более селективны к улавливанию определенных загрязнителей. Так, оксиды алюминия (алюмогели) и известняк используются для улавливания фтора и фтористого водорода, полярных органических веществ, силикат кальция - для улавливания паров жирных кислот, силикагель - для полярных органических веществ, сухих газовых смесей.

Пример аппаратурного оформления хемосорбционного процесса очистки отходящих газов от фторида водорода HF показан на рис. 2.11. Результатом адсорбции в таком аппарате при температуре более 350°С является образование на поверхности кусков известняка фторида кальция в виде рыхлой оболочки.

Далее насыщенный поглотитель подвергают грохочению на сите. Бедный надрешетный продукт грохочения 20…40 % CaF2 вновь используют для извлечения из воздуха HF, а богатый подрешетный продукт 80…95 % CaF2 - является товарным флюоритом.

Для процессов хемосорбции часто используется импрегнирование

27

(пропитка) некоторых сорбентов. Пропитывающие вещества могут вступать в реакции с определенными загрязнителями или катализировать (ускорять) реакции, ведущие к их обезвреживанию - распаду, окислению и т.д. Так, активированные угли часто предварительно модифицируют путем их обработки серной кислотой, хлоридами железа и ртути, серой, сульфидами металлов и т.п.

Рис. 2.11. Схема установки для хемосорбционной очистки HF известняком

1 - бункер подачи кусков известняка 6…40 мм;

2 - корпус контактного аппарата; 3 - газораспределительное устройство;

4 -пневматический эжектор

При взаимодействии активированного угля, обработанного тяжелыми галогенами (бромом, йодом), с метаном или этаном, образуются тяжелые галогензамещенные углеводороды, которые затем легко адсорбируются.

Алюмосиликаты, пропитанные оксидами железа, при температуре разложения галогенорганических соединений способствуют реакции хлора с оксидом металла. Образовавшиеся парообразные хлориды металлов могут быть в дальнейшем легко сконденсированы, так как имеют низкую упругость насыщенных паров.

Примером использования имггрегнированного активированного угля может служить способ санитарной очистки вентиляционных выбросов от паров ртути (рис. 2.12). Адсорбент для подачи в адсорбер готовят в реакторе 3,

28

где активированный уголь обрабатывается водным раствором хлорида натрия из смесительной емкости 1.

Рис. 2.12. Схема адсорбционной установки демеркуризации вентиляционных выбросов

1 - смеситель; 2 - воздухонагреватель; 3 - реактор;

4 - адсорбер; 5 – вентилятор

Подлежащие очистке вентвыбросы фильтруют через слои гранулированного угля, где в результате взаимодействия с хлоридом натрия пары ртути связываются и удерживаются адсорбентом. По насыщении ртутью поглотитель выгружают из адсорбера и содержащуюся в нем ртуть рекуперируют пирометаллургическим методом. Очищенный воздух через вентилятор 5 отводится в атмосферу.

Теоретически, адсорбция может быть применена для извлечения любых загрязнителей из газового потока. На практике область ее применения ограничена рядом эксплуатационных, технических и экономических условий. Так, по требованиям пожаро- и взрывобезопасности нельзя подвергать адсорбционной обработке газы с содержанием взрывоопасных компонентов более 2/3 от НКПР.

Аппараты для адсорбции обычно громоздки, что определяется малыми (до 0,5 м/с) скоростями потока через слой адсорбента, поскольку при более высоких скоростях резко возрастает истирание и унос адсорбента. Так, при

29

скоростях потока 1…1,5 м/с потери адсорбента за счет уноса могут доходить до 5 % в сутки.

3. МЕСТНАЯ ВЫТЯЖНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ

Для борьбы с выделяющимися в воздух производственных помещений парами и газами вредных веществ, а также пылью наиболее эффективно применение локализующей вытяжной вентиляции, т. е. удаление вредных выделений от мест их образования.

Удаление загрязненного воздуха от мест его сосредоточения легко осуществить при устройстве укрытий у агрегатов, являющихся источниками вредных выделений. Вытяжка из-под укрытий может быть как естественной, так и механической. Устройство локализующей, или местной, вытяжной вентиляции рекомендуется как один из наиболее экономичных и эффективных методов борьбы с вредными выделениями.

Чистый приточный воздух в этих случаях следует подавать в отдалении от источников вредных выделений, т. е. приточный воздух должен всегда подаваться в «чистую зону» вдали от мест образования вредных выделений.

3.1.Местные отсосы.

Местный отсос представляет собой устройство для локализации вредных выделений у места их образования и удаления загрязненного воздуха за пределы помещения с концентрациями, более высокими, чем при общеобменной вентиляции. Это позволяет сокращать воздухообмен и тем самым снижать расходы на обработку воздуха.

Санитарно-гигиеническое значение местных отсосов заключается в том, что они не допускают проникания вредных выделений в зону дыхания работающих.

Кроме санитарно-гигиенических требований, к местным отсосам предъявляют следующие технологические требования:

а) место образования вредных выделений должно быть укрыто настолько, насколько это позволяет технологический процесс, а открытый (рабочий) проем