Тема 4.Характеристика методів очищення газових викидів

від газоподібних домішок.

4.1.Застосування методу адсорбції для очищення викидів від газоподібних забруднювачів.

4.2.Застосування методу абсорбції для очищення газоповітряної суміші.

4.3.Характеристика методу термічного очищення газових викидів.

4.4.Характеристика методу каталітичного очищення газових викидів.

Основні терміни: адсорбція, десорбція, каталіз, термічний метод, абсорбція, окислення.

4.1.Застосування методу адсорбції для очищення викидів від газоподібних забруднювачів.

Адсорбційне очищення газів базується на фізичних властивостях деяких твердих тіл з ультрамікроскопічною структурою селективно вилучати і концентрувати на своїй поверхні окремі компоненти з газової суміші.

В корисних тілах з капілярною структурою поверневе поглинання доповнюється капілярною конденсацією.

Адсорбція дозволяє проводити очищення газів при підвихених температурах, але застосовується для очистки газів з невисоким вмістом газо- і пороподібних домішок.

Компонент, який вилучають з газової суміші, називають адсобтивом, цей же компонент в адсорбованому вже стані – адсорбантом.

Розрізняють фізичну і хімічну адсобцію.

При фізичній – поглинуті молекули утримуються силами Ван-дер-Ваальсу.

При хімічній адсорбції – хімічними силами.

Пористість матеріалів обумовлює високорозвинуту внутрішню поверхню.

Внутрішня структура адсобентів характеризується наявністю різних розмірів і форм пустот або пор, серед яких розрізняють макро-, мезо- і мікропори.

Сумарний об’єм мікропор, як правило, не перевищує 0,5 см3/г. їх розміри обмежують Гсф = 1,5∙10-9 м і порівняно близьке за радіусом адсорбованих молекул. Характерною особливістю адсорбції в мікропорах є заповнення їх об’єму адсорбованими молекулами.

Перехідні (мезо-) пори характеризуються величинами сферичних радіусів від 1,5∙10-9 до 2∙10-7 м. На відміну від мікропор в них можлива полімолекулярна адсорбція. Адсорбційні сили не перекривають всього об’єму пор, оскільки мають невелике поле дії.

Закінчення заповнення об’єму перехідних пор відбувається при відновлених умовах за механізмом капілярної конденсації.

Макропори промислових адсорбентів мають розміри ефективних радіусів

2∙10-7 м.

Питома поверхня складає 0,5-2 м2/г, це обумовлює надзвичайно малу величину адсорбції на її стінках. Капілярна конденсація відсутня.

Макро- і перехідні пори виконують роль транспортних шляхів, що забезпечують при адсорбції доступ молекул, що адсорбуються у мікропори та евакуацію адсорбенту при регенерації адсорбенту.

Основні типи промислових адсорбентів є змішано-пористими тілами.

Пористі адсорбенти характеризуються величинами істинної щільності, уявної, насипної (маса одиниці об’єму їх шару).

Вугілля АГ-2 застосовують для адсорбції газів, СКГ – для уловлення парів органічних речовин, АР, СКТ-3, АРТ – для очистки парів летючих речовин. Об’єм мікропор – 0,24-0,48 см3/г. Гранули d=1-6 мм використовують у вигляді стаціонарного шару, крізь який фільтрують газовий потік.

Дрібнопористий силікагель – для адсорбції парів та газів, що конденсується.

Крупнопористий і частково середньопористий – для поглинання парів органічних сполук.

Величину пористості шару визначає форма гранул адсорбенту та характер її упаковки (розташування) в шарі.

 До основних типів промислових адсорбентів відносяться: активоване вугілля, силікагель, алюмогелі і активний оксид алюмінію, цеоліти, іоніти.

Активоване вугілля – характеризується гідрофобністю (погано сорбує полярні речовини, наприклад воду). Це обумовлює їх широке використання в практиці рекупераційного і санітарного очищення вихідних газів з різною вологістю.

Використовують марки мікропористі АГ-2, АР – отримують з каменевугільного пилу.

СКГ – з торфу шляхом синтезу;

СКТ-3, АРТ – з торфу і каменевугільного пилу, при хімічній активації.

Виробляють у вигляді циліндричних гранул діаметром 1-6 мм.

Недоліки: невисока механічна міцність, горючість.

Нетрадиційні вуглеродні адсорбенти:

- активне вугілля з полімерних матеріалів (регулярна структура);

- молекулярно-ситове вугілля (підвищена міцність, мікропориста структура однорідна);

- активовані вуглеродні волокна (термохімічна стійкість, добрі поглинальні і фільтрувальні властивості).

Силікагель – гідратовані аморфні кремнеземи (SiO2∙nH2O), реакційно здатні сполуки змінного складу, їх перетворення відбувається за механізмом поліконденсації: полікомпенсація призводить до формування структурної сітки сфероподібних частинок, які зберігаються при висушуванні гідрогелю і утворюють жорсткий каркас d = 20∙10-9 - 2∙10-8 м.

Випускають силікагель і вигляді кульок, пігулок, частинок неправильної форми.

За характером пористості структури силікагелю класифікують на:

- крупнопористі (10 – 5∙10-9 м);

- середньопористі (1,5 – 5∙10-9 м);

- дрібнопористі (5∙10-9 м).

Силікагель використовують для поглинання полярних речовин. Широко використовують для осушки різних газових середовищ.

Вони негорючі, мають низьку температуру регенерації, мають високу механічну міцність.

Недолік:

- руйнуються під впливом крапельної вологи.

Алюмогель (H2O3 ∙ nH2O; 0< n < 0,6) – стримують прокалюванням гідроксидів алюмінію. Вони розрізняються модифікаціями, які залежать від умов обробки, типу вихідного гідроксиду. Має щелеподібні і пляшкоподібні форми пор (γАl2О3 та χАl2О3). Випускають у вигляді циліндричних чи кулькоподібних гранул. Розмір пор – (3-8)∙10-9 м.

Використовують для уловлювання полярних (вода) органічних сполук і осушки. На відміну від силікагелів стійкі до крапельної вологи.

Цеоліти – алюмосилікати, які містять оксиди лужних та лужноземельних металів, характеризуються регулярною структурою пор, розміри яких наближаються до розмірів  молекул (тому  їх називають молекулярні сита).

Кристалічна структура цеолітів (алюмосилікатний скелет) утворена тетраедрами SiO4 та AlO4.

Катіони цеолітів (метали) можуть заміщатися на відповідні катіони, що знаходяться в речовинах, що контактують. З цієї т.д. їх можна розглядати як катіонообмінники.

Цеоліти отримують синтетичним шляхом (найбільш поширені марки Na4A, Ca5A, Ca8X, Na9X) ∙ 10-9 м – розмір вхідних вікон. Друга буква вказує на тип криталічної решітки. Тип Х має більші розміри вхідного вікна.

Випускають або у вигляді циліндричних або шароподібних гранул d > 2-5 мм. Можуть використовувати зв’язуючий матеріал – глину (10-20%). Без глини більша механічна міцність.

Адсорбують полярні сполуки (пари). Мають підвищену стійкість у слабокислому середовищі (СаА), тому використовують в процесах очищення від сірковмісних сполук, а також вуглеводні сполуки і спирти.

Недолік: високомолекулярні сполуки, менше поширені у промисловості.

Адсорбційний процес включає послідовно стадії:

а) дифузії молекул речовини, що поглинається з потоку газу до зовнішньої поверхні адсорбенту (зовнішня дифузія);

б) проникнення молекул, що досягли поверхні адсорбенту, всередину пористої зернини (внутрішня дифузія);

в) безпосередньо сорбція (конденсація) молекул на внутрішній поверхні зерен.

Визначено, що останній стан проходить практично миттєво 10-8 – 10-9 с.

Закон Генрі, рівняння Фрейкуліха, рівняння Кенгнюра.

В якості характеристики адсорбційних властивостей пористих тіл використовують залежність адсорбційної здатності від парціального тиску газового компоненту, що поглинається при постійній температурі (ізотерма адсорбції).

Адсорбційна здатність – комунікація адсорбенту в масовій або обємній одиниці адсорбенту.

В основі інженерно-технічного розрахунку адсорбційного методу очистки лежить сітка кривих ізотерм адсорбції.

Вибір конструкції визначається швидкістю газової суміші, розміром частинок сорбенту, ступенем очищення, тощо.

Фільтрація газу може проходити крізь нерухомий (адсорбери періодичної дії) та рухаючийся шар адсорбенту.

Найбільш поширений – перший тип. В них  період контакту газу з адсорбентом чередується з періодом регенерації.

Десорбція поглинених домішок.

Необхідність періодичної регенерації передбачає циклічність адсорбційних процесів. Десорбція вимагає від 40 до 70% загальних витрат для адсорбційної газоочистки. Розрізняють такі види десорбції:

Термічна – нагрівають насичений адсорбент до певної температу з потоком водяної пари, гарячого повітря або інертного газу. (t < 100-200 °С – десорбція на  активованому вугіллі, силікагелі, 3) алюмегелі; t = 200-400 °С – десорбція на цеолітах).

Витискувальна  або холодна – базується на відмінностях сорбційної здатності цільового компоненту і речовини, яка використовується як витискувач (десорбент).

Для десорбції органічних речовин використовують воду, аміак, СО2. Перспективно для цеолітів.

Десорбція із зниженням тиску має 2 варіанти:

1) радуціювання тиску в системі після насичення адсорбенту при надлишковому тиску в період проходження адсорбції;

2) створення розрідження (разрежения) при здійсненні стадії адсорбції при нормальному тиску.

Вакуумна десорбція – використовують вкрай обмежено, внаслідок необхідності значних енергетичних витрат як правило для осушки.