Реферат: Абсорбционные и адсорбционные методы очистки газов

Абсорбционные и адсорбционные методы очистки газов

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ

.1 Физические основы процесса абсорбции

.2 Применение абсорбционной очистки

.3 Недостатки и преимущества абсорбционного метода очистки газов

. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ

.1 Основы процесса адсорбции

.2 Силикагели

.3 Активные угли

.4 Алюмогели

.5 Цеолиты

.6 Иониты

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Технологические и дымовые газы промышленных предприятий в большинстве случаев содержат газообразные компоненты (SO₂ , H₂S, Cl, HCl и др.), которые попадают вместе с этими газами в атмосферу и вызывают её загрязнение. Многие из этих газообразных компонентов после их улавливания могут быть использованы для в промышленных условиях кислот, серы, удобрений и других ценных химических продуктов. Очистить газы от определённых газообразных компонентов можно следующими методами:

1.      Адсорбцией - поглощением газов или паров поверхностью твёрдых тел, называемых адсорбентами. Адсорбенты отличаются высокой пористостью и большой удельной поверхностью. Распространёнными адсорбентами являются активированный уголь и силикагель (гель кремниевой кислоты). Адсорбенты используют в виде зёрен размером 2-8 мм или в пылевидном состоянии. Адсорбцию применяют для поглощения паров и газообразных компонентов, содержащихся в незначительном количестве в очищаемом газе.

2.      Абсорбцией - поглощением паров и газообразных компонентов жидкими поглотителями (абсорбентами) вследствие диффузии этих компонентов в жидкий поглотитель. Подбирая нужный абсорбент, можно очистить газ только от требуемого ценного или вредного газового компонента. В промышленности абсорбцией пользуются для поглощения водяных паров, содержащихся в газе, используя в качестве поглотителя концентрированную серную кислоту; поглощением из газа серного ангидрида олеумом ; поглощением аммиака и хлористого водорода водой и т.п.

Процесс абсорбции может быть прерывистым и непрерывным. При прерывистом процессе абсорбцию осуществляют до полного насыщения растворителя газообразным компонентом. При непрерывном процессе абсорбцию осуществляют до полного насыщения растворителя газообразным компонентом. При непрерывном процессе очищаемый газ постоянно контактируется со свежей промывной жидкостью.

.        Десорбцией - процессом, обратным абсорбции. Десорбцией можно выделить из раствора растворённый в нём газовый компонент в токе инертного газа (воздуха, водяного пара), в вакууме или при выпаривании раствора. Десорбцию применяют в том случае, когда газообразный компонент не используют или он может быть использован при невысокой концентрации, а также для получения более концентрированной смеси, чем исходная газовая смесь.

4.      Химической абсорбцией - удалением газа от отдельных газообразных примесей компонентов в процессе промывки газа растворами, которые вступают с этими компонентами в химические реакции.

В металлургической промышленности для очистки газов от газообразных примесей большей частью используют абсорбцию и химическую абсорбцию. Зачастую эти два процесса проходят одновременно. Адсорбцией очищают газы SO₂, H₂S, Cl и других компонентов. Для химической очистки газа от отдельных газообразных компонентов в процессах абсорбции и химической абсорбции применяют аппараты, называемые абсорберами. К ним относятся аппараты, в которых обеспечивается хороший контакт газа с промывной жидкостью: скрубберы с насадками, барботажные и пенные аппараты, турбулентные промыватели, колонны с колпачковыми, сетчатыми и провальными тарелками, механические скрубберы. В барботерах и турбулентных промывателях химическая очистка газа проходит эффективно, но они создают большое гидравлическое сопротивление проходу газа и требуют повышенного расхода энергии на преодоление этого сопротивления.

2. ПРОЦЕСС АБСОРБЦИИ

.1 Физические основы процесса абсорбции.

Растворимость газа в жидкости от свойств газа и жидкости, от температуры от температуры и парциального давления газового компонента в газовой смеси над жидкостью и характеризуется законом Генри:

 Н/м²,   (1)

где p - парциальное давление газового компонента над жидкостью, Н/м², т.е. это давление, которое имел бы этот компонент в объёме газовой смеси, если бы в этом объёме не было бы других газовых компонентов;

 ш - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность давления и зависящий от свойств растворённого газового компонента, жидкости и температуры;

 x - содержание газового компонента в жидкости, кг/кг поглотителя.

Зная парциальное давление газового компонента и газовой смеси, можно найти его объёмную концентрацию

 кг/м³,   (2)

где М - молекулярная масса компонента, кг;

p - парциальное давление газового компонента, Н/м²;

R - газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кг∙^оС);

t - температура газа, ^оС.

Чем выше парциальное давление газового компонента в газовой среде над жидкостью, тем больше количество может раствориться в жидкости. С повышением температуры растворимость газа в жидкости понижается. По истечении некоторого времени между жидкостью и газом всегда устанавливается равновесное состояние, при котором в жидкость будет поступать из газа и из жидкости будет выделятся в газ одинаковое количество газообразного компонента. Если в жидкости отсутствует газообразный компонент, способный в ней раствориться, то как бы ни было мало его количество в газе над жидкостью, часть его перейдёт в жидкость. Такое же явление наблюдают при переходе газового компонента из жидкости в газ, в котором он отсутствует.

Растворимость газа в жидкости зависит и от характеристики жидкости. В некоторых жидкостях газ может хорошо растворяться, в других - плохо. Поэтому для очистки газа от какого либо газообразного компонента необходимо применять определённую промывную жидкость. Закон Генри не применим к высококонцентрированным растворам и тогда, когда между растворяемым и компонентом и жидкостью осуществляется химическое взаимодействие. Таким образом, в процессе абсорбции происходит массообмен между газом и жидкостью, в результате чего определённый газовый компонент постепенно переходит в жидкость. Количество жидкости, которое требуется для растворения данного количества газообразного компонента, определяется на основании материального баланса массобмена. Рассмотрим процесс массообмена, происходящий в насадочном скруббере, в котором газ движется снизу вверх навстречу орошающей его жидкости. Обозначим количество газа, которое требуется очистить, G кг/с, а количество газа, требуемой для растворения содержащегося в газе газообразного компонента, L кг/с. Пусть концентрация газового компонента, подлежащего удалению из газа, была в газе на входе его в аппарат y_н кг/кг, а на выходе из аппарата y_к кг/кг. Содержание этого же газообразного компонента в жидкости, поступающей на орошение, будет x_н кг/кг, а на выходе из аппарата x_к кг/кг. Тогда количество газового компонента, которое должно быть выведено из газа составит M = G(y_н-y_r) кг/с. Это же количество газового компонента растворится в жидкости M = L(x_к - x_н) кг/с. Следовательно можно расписать уравнение материального баланса массобмена

G(y_н -y_к )= L(x_к- x_н),   (3)

Откуда количество промывной жидкости составит

 кг/с.   (4)

Из уравнения 4 можно найти удельный расход поглотительной жидкости

 кг/кг.  (5)

Эта формула представляет собой уравнение прямой с тангенсом угла наклона, равным m, которое характеризует изменение концентрации газового компонента по высоте аппарата. Такую линию называют рабочей линией массообмена. Количество газового компонента, переходящего в единицу времени из газовой среды в жидкость, зависит от разности концентраций этого компонента в газе и жидкости, от поверхности соприкосновения газовой среды с жидкостью и способа их соприкосновения, а также от свойств газа и жидкости:

M = KFД кг/с,   (6)

где F - поверхность соприкосновения газа с жидкостью, м² ;

Д - движущая сила массопередачи (абсорбции) представляет собой среднюю разность концентраций поглощаемого газового компонента в газовой среде в начале процесса и равновесной концентрации этого компонента над поглощаемым раствором. Движущая сила процесса может быть выражена в любых единицах, применяемых для выражения состава фаз, кг/м³, Н/м³, кг/кг;

К - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом массопередачи, который характеризует скорость растворения газового компонента в жидкости. Размерность К зависит от размерности движущей силы процесса массопередачи.

Из уравнения 6 можно найти значение поверхности соприкосновения газовой и жидких фаз, которая определяет размер аппарата для очистки газа

 м².   (7)

Для получения аппаратов меньшего размера нужно создать условия, при которых значения коэффициента массопередачи K и движущей силы массопередачи Д были бы максимальными.  

.2 Применение абсорбционной очистки

Абсорбционная очистка - непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. Применение абсорбционного метода очистки обусловлено высокой интенсивностью абсорбционных процессов, позволяющей создавать высокопроизводительные газоочистные установки, возможностью применения метода для очистки газов, содержащих и вредные газы, и пыль, и, наконец, наличием огромного опыта эксплуатации абсорбционного оборудования в различных технологических процессах и в первую очередь в химической технологии.

.3 Недостатки и преимущества абсорбционного метода очистки газов

Абсорбционный метод очистки газов не свободен от определенных недостатков, связанных, прежде всего, с громоздкостью оборудования. Этот метод достаточно капризен в эксплуатации и связан с большими затратами. К недостаткам абсорбционного метода следует отнести также образование твердых осадков, что затрудняет работу оборудования, и коррозионную активность многих жидких сред. Однако, не смотря на эти недостатки, абсорбционный метод еще широко применяется в практике газоочистки, так как он позволяет улавливать наряду с газами и твердые частицы, отличается простотой оборудования и открывает возможности для утилизации улавливаемых примесей.

3. ПРОЦЕСС АДСОРБЦИИ

.1 Основы процессы адсорбции

Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяют проводить очистку газов при повышенных температурах.

Целевой компонент, находящийся в подвергаемой очистке газовой фазе, называют адсорбтивом, этот же компонент в адсорбированном состоянии - адсорбатом.

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции поглощаемые молекулы газов и паров удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбции- химическими силами.

В качестве адсорбентов используют пористые материалы с высокоразвитой внутренней поверхностью. Последние могут иметь синтетическое или природное происхождение.

Внутренняя структура наиболее распространенных на практике промышленных адсорбентов характеризуется наличием различных размеров и форм пустот или пор, среди которых различают макро-, переходные (мезо-) и микропоры. Суммарный объем последних в единице массы или объема адсорбента определяет в решении задач газоочистки как скорость (интенсивность) поглощения целевого компонента, так и адсорбционную способность (величину адсорбции) твердым поглотителем этого компонента.

Суммарный объем микропор обычно не превышает 0,5 см³ /г. Их размеры условно ограничены величиной эффективного радиуса r_эф =1,5*10^-9 м и соизмеримы с r_эф адсорбируемых молекул. Характерной особенностью адсорбции в микропорах в этой связи является заполнение их объема адсорбируемыми молекулами.

Переходные поры характеризуются величинами эффективных радиусов от 1,5*10^-9 до 2*10^-7 м. В отличие от микропор в них возможна слоевая моно- или полимолекулярная адсорбция, так как адсорбционные силы здесь не перекрывают всего объема пор ввиду небольших полей их действия. Завершение заполнения объема переходных пор происходит при определенных условиях по механизму капиллярной конденсации, вызываемой понижением давления пара адсорбируемого вещества над вогнутым под действием сил поверхностного натяжения мениском жидкости в порах (капиллярах). Отнесенная к единице массы удельная поверхность переходных пор промышленных адсорбентов обычно находится в интервале 10 - 400 м² /г.

Макропоры промышленных адсорбентов обладают размерами эффективных радиусов, превосходящими 2*10^-7 м. Удельная поверхность этой разновидности пор обычно составляет лишь 0,5 - 2 м² /г, что предопределяет ничтожную величину адсорбции на их стенках. Капиллярная конденсация в этих порах отсутствует. Макро- и переходные поры выполняют роль транспортных путей, обеспечивающих при адсорбции доступ поглощаемых молекул в микропоры и эвакуацию адсорбата при регенерации адсорбента.

Основные типы промышленных адсорбентов являются смешаннопористыми материалами, однако в соответствии с преобладающим в их структуре размером пор они могут подразделяться на микро-, переходно- и макропористые.

Пористые адсорбенты характеризуют величинами истинной, кажущейся и насыпной (гравиметрической) плотности. Истинная плотность с_и выражает массу единицы объема плотного (без пор) вещества адсорбента:

где G - масса адсорбента;₁ - объем адсорбента с учетом пор;₂ - объем пор.

Следовательно,

Аналогичное выражение определяет пористость е' гранул (зерен) адсорбента:

Величину пористости слоя определяют форма гранул адсорбента и характер их расположения (упаковки) в слое. Форма гранул промышленных адсорбентов обычно не является шаровидной, поэтому в соответствующих расчетах используют величину эквивалентного диаметра d_э :

где S_v - удельная геометрическая поверхность единицы объема, представляющая отношение величины поверхности гранул к их объему V'.

К основным типам промышленных адсорбентов относятся активные угли, силикагели, алюмогели (активный оксид алюминия), цеолиты и иониты.

.2 Силикагели

Силикагели по своей химической природе представляют собой гидратированные аморфные кремнеземы (SiO₂ *nН₂ О), являющиеся реакционноспособными соединениями переменного состава, превращения которых происходят по механизму поликонденсации:

(ОН)₄ → Si_n O_{2 n - m} +(2n-m)Н₂ O.

Поликонденсация ведет к формированию структурной сетки сфероподобных частиц коллоидных размеров (2*10^-9 -2*10^-8 м), сохраняющейся при высушивании гидрогеля кремневой кислоты и образующей жесткий кремнекислородный каркас. Зазоры между частицами образуют пористую структуру силикагеля. Для получения силикагелей в промышленности обычно используют метод осаждения аморфного кремнезема из силикатов щелочных металлов минеральными кислотами. Выпускают силикагель в виде шариков, таблеток или кусочков неправильной формы. Размеры их зерен составляют от 0,1 до 7,0 мм. Адсорбционные и химические свойства силикагелей существенно зависят от наличия на их поверхности групп ≡ Si-ОН.

По характеру пористой структуры силикагеля классифицируют на крупно-, средне- и мелкопористые, к которым относят кусковые и гранулированные материалы, характеризующиеся средним радиусом пор, составляющим соответственно ≈5*10^-9 , (5-1,5)*10^-9 и (1,5-1,0)* 10^-9 м. По размеру зерен кусковые силикагели широкого использования делят на 4 марки (7,0- 2,7; 3,5-1,5; 2,0-0,25; 0,5-0,2 мм), а гранулированные - на 2 марки (7,0- 2,7 и 3,5-1,0 мм).

Для их обозначения используют буквенные сочетания:

КСК - крупный силикагель крупнопористый,

КСС - крупный силикагель срсднепористый,

МСМ - мелкий силикагель мелкопористый и т. п.