СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АБСОРБЦИОННЫЕМЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
1.1 Основыпроцесса
1.2 Физическаяи химическая абсорбция
1.3 Применениеабсорбционной очистки
1.4 Недостаткии преимущества абсорбционного метода очистки газов
2. АДСОРБЦИОННЫЕ И ХЕМОСОРБЦИОННЫЕМЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
2.1 Основныепонятия
2.2 Активныеугли
2.3 Силикагели
2.4 Алюмогели
2.5 Цеолиты
2.6 Иониты ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Тема реферата «Абсорбционные, адсорбционные ихемосорбционные методы очистки отходящих газов» по дисциплине «Технологияочистки и утилизации газовых выбросов».
Абсорбционный метод реализует процессы, происходящие междумолекулами газов и жидкостей. Если отсутствует взаимодействие между распыливающейсяжидкостью и орошаемым газом, то эффективность поглощения компонентов изпаровоздушной смеси определяется только равновесием пар-жидкость.
Адсорбционные методыиспользуют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных ипарообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяютпроводить очистку газов при повышенных температурах.
Различают физическую ихимическую адсорбцию (хемосорбцию).
1. АБСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
1.1 Основы процесса
Абсорбция жидкостями применяется в промышленности дляизвлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений,оксидов азота, паров кислот (НСI, HF, H2SO4), диоксида и оксида углерода,разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители).
Абсорбционный метод реализует процессы, происходящие междумолекулами газов и жидкостей. Если отсутствует взаимодействие междураспыливающейся жидкостью и орошаемым газом, то эффективность поглощениякомпонентов из паровоздушной смеси определяется только равновесиемпар-жидкость.
Скорость поглощения газа жидкостью зависит от:
а) диффузии поглощаемых веществ из газового потока кповерхности соприкосновения с поглощающей жидкостью;
б) перехода газовой частицы к поверхности жидкости;
в) диффузии абсорбированных веществ в промывной жидкости, гдеустанавливается равновесие;
г) химической реакции (если она имеет место).
Абсорбционная очистка применяется как для извлечения ценныхкомпонентов из газового потока и возврата их снова в технологический процессдля повторного использования, так и для поглощения из выбросных газов вредныхвеществ с целью санитарной очистки газов. Обычно рационально использоватьабсорбционную очистку, когда концентрация примесей в газовом потоке превышает1%(об). В этом случае над раствором существует определенное равновесноедавление поглощаемого компонента, и поглощение происходит лишь до тех пор, покаего парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления его надраствором. Полнота извлечения компонента из газа при этом достигается толькопри противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащегоизвлекаемого вещества.
1.2 Физическая и химическая абсорбция
Принято различать физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию).При физической абсорбции молекулы удаляемого газа компонента не вступают вхимическое взаимодействие с молекулами поглощающей жидкости. Однако процесспоглощения газов жидкостями разделяется на физическую и химическую абсорбциюусловно. На самом деле это сложное физико-химическое явление.
В качестве абсорбента в принципе может быть использованалюбая жидкость, в которой извлекаемая из газового потока примесь достаточно растворима.Но для эффективного использования жидкий поглотитель должен обладать высокойпоглощающей способностью, хорошей избирательностью по отношению к поглощаемомувеществу, термохимической устойчивостью, малой летучестью, хорошей способностьюк регенерации, небольшой вязкостью и невысокой стоимостью, а также не оказыватькоррозионного действия на аппаратуру. Следует отметить, что универсальнойжидкости, которая удовлетворяла бы всем приведенным требованиям не существует.В каждом отдельном случае подбирают абсорбент, который наиболее полно удовлетворяетряду требований.
При физической абсорбции в качестве абсорбента чаще всегоиспользуют воду, а также органические растворители и минеральные масла, не реагирующиес извлекаемым из газа веществом. При химической абсорбции применяют водныерастворы щелочей и химических окислителей (перманганата калия, гипохлоританатрия, броматов, перекиси водорода и других), а также водные растворы моно- идиэтаноламина, аммиака, карбоната натрия и калия, трикалийфосфата.
Одним из параметров, определяющих выбор адсорбента, являетсяспособность примесей, содержащихся в отработанных газах, растворяться в данномабсорбенте.
1.3 Применение абсорбционной очистки
Абсорбционная очистка — непрерывный и, как правило,циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождаетсярегенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале циклаочистки. Применение абсорбционного метода очистки обусловлено высокой интенсивностьюабсорбционных процессов, позволяющей создавать высокопроизводительныегазоочистные установки, возможностью применения метода для очистки газов,содержащих и вредные газы, и пыль, и, наконец, наличием огромного опытаэксплуатации абсорбционного оборудования в различных технологических процессахи в первую очередь в химической технологии.
1.4 Недостатки и преимущества абсорбционного метода очисткигазов
Абсорбционный методочистки газов не свободен от определенных недостатков, связанных, прежде всего,с громоздкостью оборудования. Этот метод достаточно капризен в эксплуатации исвязан с большими затратами. К недостаткам абсорбционного метода следуетотнести также образование твердых осадков, что затрудняет работу оборудования,и коррозионную активность многих жидких сред. Однако, не смотря на этинедостатки, абсорбционный метод еще широко применяется в практике газоочистки,так как он позволяет улавливать наряду с газами и твердые частицы, отличаетсяпростотой оборудования и открывает возможности для утилизации улавливаемых примесей
2. АДСОРБЦИОННЫЕ ИХЕМОСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
2.1 Основные понятия
Адсорбционные методыиспользуют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных ипарообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяютпроводить очистку газов при повышенных температурах.
Целевой компонент,находящийся в подвергаемой очистке газовой фазе, называют адсорбтивом, этот жекомпонент в адсорбированном состоянии — адсорбатом.
Различают физическую ихимическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции поглощаемыемолекулы газов и паров удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбции—химическими силами.
В качестве адсорбентовиспользуют пористые материалы с высокоразвитой внутренней поверхностью.Последние могут иметь синтетическое или природное происхождение.
Внутренняя структуранаиболее распространенных на практике промышленных адсорбентов характеризуетсяналичием 'различных размеров и форм пустот или пор, среди которых различаютмакро-, переходные (мезо-) и микропоры. Суммарный объем последних в единицемассы 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 микропоробычно не превышает 0,5 см3/г. Их размеры условно ограниченывеличиной эффективного радиуса rэф=1,5*10-9 м и соизмеримы сrэф адсорбируемых молекул. Характернойособенностью адсорбции в микропорах в этой связи является заполнение их объемаадсорбируемыми молекулами.
Переходные порыхарактеризуются величинами эффективных радиусов от 1,5*10-9 до 2*10-7м. В отличие от микропор в них возможна слоевая моно- или полимолекулярнаяадсорбция, так как адсорбционные силы здесь не перекрывают всего объема порввиду небольших полей их действия. Завершение заполнения объема переходных порпроисходит при определенных условиях по механизму капиллярной конденсации,вызываемой понижением давления пара адсорбируемого вещества над вогнутым под действиемсил поверхностного натяжения мениском жидкости в порах (капиллярах). Отнесеннаяк единице массы удельная поверхность переходных пор промышленных адсорбентовобычно находится в интервале 10 — 400 м2/г.
Макропоры промышленныхадсорбентов обладают размерами эффективных радиусов, превосходящими 2*10-7м.Удельная поверхность этой разновидности пор обычно составляет лишь 0,5 -
2 м2/г, чтопредопределяет ничтожную величину адсорбции на их стенках. Капиллярнаяконденсация в этих порах отсутствует. Макро- и переходные поры выполняют рольтранспортных путей, обеспечивающих при адсорбции доступ поглощаемых молекул вмикропоры и эвакуацию адсорбата при регенерации адсорбента.
Основные типыпромышленных адсорбентов являются смешаннопористыми материалами, однако всоответствии с преобладающим в их структуре размером пор они могутподразделяться на микро-, переходно- и макропористые.
Пористые адсорбентыхарактеризуют величинами истинной, кажущейся и насыпной (гравиметрической)плотности. Истинная плотность ρи выражает массу единицы объемаплотного (без пор) вещества адсорбента:
/>
где G — масса адсорбента;
V1 — объем адсорбента с учетом пор;
V2 — объем пор.
Кажущаяся плотность />рквыражает массу гранулы адсорбента, отнесенную к ее объему. Насыпная плотность рнгранул адсорбента выражает массу единицы объема их слоя. Насыпная и кажущаясяплотности связаны с пористостью (порозностью) слоя адсорбента ε,выражающей долю свободного объема слоя, соотношением:
/>
Следовательно,
/>
Аналогичное выражениеопределяет пористость ε' гранул (зерен) адсорбента:
/>
Величину пористости слояопределяют форма гранул адсорбента и характер их расположения (упаковки) вслое. Форма гранул промышленных адсорбентов обычно не является шаровидной,поэтому в соответствующих расчетах используют величину эквивалентного диаметра dэ:
/>
где Sv— удельная геометрическая поверхностьединицы объема, представляющая отношение величины поверхности гранул к ихобъему V'.
К основным типампромышленных адсорбентов относятся активные угли, силикагели, алюмогели(активный оксид алюминия), цеолиты и иониты.
2.2 Активные угли
Активные углихарактеризуются гидрофобностью (плохой сорбируемостью полярных веществ, ккоторым принадлежит и вода). Это свойство определяет широкое их использование впрактике рекуперационной и санитарной очистки отходящих газов разнообразнойвлажности.
Для адсорбции газов ипаров используют микропористые гранулированные активные угли. С этой цельюпромышленность выпускает в настоящее время следующие марки газовых ирекуперационных активных углей: АГ-2, СКТ, АР, СКТ-3, АРТ. Угли АГ-2 (марок А иБ) и АР (марок АР-А, АР-Б, АР-В) получают из каменноугольной пыли и смолыметодом парогазовой активации. Уголь СКТ синтезируют из торфа, а угли СКТ-3 иАРТ (марок АРТ-1 и АРТ-2)- из торфа и каменноугольной пыли методом химическойактивации. Угли АГ-2 предназначены для адсорбции газов, уголь СКТ — для улавливанияпаров органических веществ, угли АР, СКТ-3 и АРТ- для очистки газов от паровлетучих растворителей. Активные угли для газоочистки характеризуются объемоммикропор в пределах 0,24— 0,48 см3 /г при суммарном объеме пор 0,52- 1,00 см3 /г, гравиметрическая плотность их гранул составляет 0,3 — 0,6 г/см3. Теплоемкость сухого угля — 0,84 кДж/(кг*К),теплопроводность при 30°С— 0,17— 0,28 Вт/(м*К).
Активные угли производятв виде цилиндрических гранул диаметром 1-6 мм и длиной, обычно превосходящейпоперечный размер гранул, и чаще всего применяют в виде стационарного слоя, черезкоторый фильтруют подлежащий очистке газовый поток. В соответствии сдействующими стандартами и технологическими условиями размер поперечника гранулуглей может изменяться в определенных пределах. В этой связи в отдельныхслучаях с целью интенсификации соответствующих процессов гранулированные углиперед использованием подвергают дроблению и классификации с выделениемнеобходимых узких фракций. Существенными недостатками активных углей являютсяотносительно невысокая механическая прочность и горючесть.
Значительный интересприменительно к решению задач газоочистки в последнее время вызывают такиенетрадиционные углеродные адсорбенты, как активные угли из полимерныхматериалов, молекулярно-ситовые активные угли и активированные углеродныеволокна.
Производимые изполимерных материалов активные угли характеризуются развитой системой микропорс диаметром (1—1,5)*10-9 м, более регулярной структурой,обеспечивающей определенное улучшение прочностных характеристик, и повышеннойадсорбционной активностью при низких содержаниях целевых компонентов вочищаемых газах.
Молекулярно-ситовыеактивные угли отличаются высокой однородностью микропористой структуры иобладают микропорами еще более узких размеров [(0,4—0,7) * 10-9 м],имеющих тот же порядок, что и размеры молекул. Перспективным направлением ихиспользования полагают очистку влажных газов.
Активированные углеродныеволокна представляют собой изготовляемые из синтетических волокон микропористыеадсорбенты с Широкой гаммой физических форм продукции на их основе (путанка,нетканые изделия, войлок, ткань и другие материалы), обеспечивающейразнообразность аппаратурного оформления соответствующих процессов газоочистки.Наряду с высокой термохимической стойкостью и хорошими поглотительными ифильтрующими свойствами волокнистые углеродные адсорбенты ввиду весьма малыхдиаметров их волокон, составляющих (0,6—1,0)*10-5 м, характеризуютсяповышенными скоростями адсорбционно — десорбционных процессов.
2.3 Силикагели
Силикагели по своейхимической природе представляют собой гидратированные аморфные кремнеземы (SiO2*nН2О),являющиеся реакционноспособными соединениями переменного состава, превращениякоторых происходят по механизму поликонденсации:
nSi(ОН)4 → SinO2n-m +(2n-m)Н2O.
Поликонденсация ведет кформированию структурной сетки сфероподобных частиц коллоидных размеров (2*10-9-2*10-8м), сохраняющейся при высушивании гидрогеля кремневой кислоты и образующейжесткий кремнекислородный каркас. Зазоры между частицами образуют пористуюструктуру силикагеля. Для получения силикагелей в промышленности обычно используютметод осаждения аморфного кремнезема из силикатов щелочных металловминеральными кислотами. Выпускают силикагель в виде шариков, таблеток иликусочков неправильной формы. Размеры их зерен составляют от 0,1 до 7,0 мм.Адсорбционные и химические свойства силикагелей существенно зависят от наличияна их поверхности групп ≡ Si—ОН.
По характеру пористойструктуры силикагеля классифицируют на крупно-, средне- и мелкопористые, ккоторым относят кусковые и гранулированные материалы, характеризующиеся среднимрадиусом пор, составляющим соответственно ≈5*10-9, (5-1,5)*10-9и (1,5-1,0)* 10-9 м. По размеру зерен кусковые силикагели широкогоиспользования делят на 4 марки (7,0- 2,7; 3,5-1,5; 2,0-0,25; 0,5-0,2 мм), агранулированные — на 2 марки (7,0- 2,7 и 3,5-1,0 мм).
Для их обозначенияиспользуют буквенные сочетания:
КСК — крупный силикагелькрупнопористый,
КСС — крупный силикагельсрсднепористый,
МСМ — мелкий силикагельмелкопористый и т. п.
Средние фракциисиликагелей называют шихтой и обозначают соответственно как ШСК, ШСС и ШСМ.Гранулированный мелкопористый силикагель содержит 4—10% Аl2O3 в качестве добавки, предупреждающей растрескивание егогранул.
Объем пор силикагелейсоставляет 0,3-1,2 см3 /г, их удельная поверхность находится впределах 300-750 м3 /г, а гравиметрическая плотность заключена винтервале 0,4-0,9 г/см3. Последний показатель может служить косвеннойхарактеристикой пористой структуры силикагелей: для мелкопористых силикагелейон составляет 0,7-0,8 г/см3, а для крупнопористых — 0,4 — 0,5 г/см3.Теплоемкость силикагелей — 0,92 кДж/(кг-К), теплопроводность при 30 °С равна0,11 кДж/(м*ч*К).
Силикагели служат для поглощения полярныхвеществ. Мелкопористые силикагели используют для адсорбции легкоконденсируемыхпаров и газов, крупнопористые и частично среднепористые силикагели служатэффективными поглотителями паров органических соединений. Высокое сродство поверхностисиликагелей к парам воды обусловливает широкое их использование, а качествеагентов осушки разнообразных газовых сред. Силикагели негорючи ихарактеризуются низкой температурой регенерации (110—200 °С) и достаточновысокой механической прочностью. В то же время они разрушаются под действиемкапельной влаги, что необходимо учитывать при их использовании в системахгазоочистки.
1.4 Алюмогели
Алюмогель (активный оксидалюминия Аl2О3*nН2О, где 0
Основные маркивыпускаемого отечественной промышленностью активного оксида алюминияпредставляют собой цилиндрические гранулы диаметром 2,5-5,0 мм и длиной 3-7 мм,а также шариковые гранулы со средним диаметром 3-4 мм. Удельная поверхностьалюмогелей составляет 170-220 м2/г, суммарный объем пор находится впределах 0,6-1,0 см3/г, средний радиус пор и гравиметрическаяплотность гранул цилиндрической и шариковой формы составляют соответственно(6-10)*10-9 и (3-4)*10-9 м и 500-700 и 600-900 кг/м3.В отличие от силикагелей алюмогели стойки к воздействию капельной влаги. Ихиспользуют для улавливания полярных органических соединений и осушки газов.
Цеолиты представляютсобой алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных ищелочно-земельных металлов и характеризующиеся регулярной структурой пор,размеры которых соизмеримы с размерами молекул, что определило и другое ихназвание — «молекулярные сита». Общая химическая формула цеолитов Ме2/nО*Аl2О3*xSiO2*yН2О, (где Ме—катионщелочного металла, n-еговалентность). Кристаллическая структура (алюмосиликатный скелет) цеолитовобразована тетраэдрами SiO4 и А1O4, их избыточный отрицательный заряд компенсированположительным зарядом катионов соответствующих металлов. Катионы цеолитов вопределенных условиях их обработки могут замещаться на соответствующие катионыконтактируемых с ними растворов, что позволяет рассматривать цеолиты каккатионообменники. Поглощение вещества происходит в основном в адсорбционныхполостях цеолитов, соединяющихся друг с другом входными окнами строгоопределенных размеров. Проникать через окна могут лишь молекулы, критическийдиаметр которых (диаметр по наименьшей оси молекулы) меньше диаметра входногоокна.
Цеолиты получаютсинтетическим путем и добывают при разработке природных месторождений. Средимногих десятков различных синтетических цеолитов в решении задач газоочистки восновном используют производимые в промышленных масштабах цеолиты общегоназначения марок NаА, СаА, СаХ, МаХ, характеризующиеся диаметром входного окна,составляющим в ангстремах (1 Å=10-9 м) соответственно 4, 5, 8и 9. Первый индекс марки цеолита характеризует его обменный катион. Второйиндекс обозначает тип кристаллической решетки цеолита-А или X, причем цеолиты срешеткой типа Х характеризуются входными окнами большего размера, чем таковые срешеткой типа А. Синтетические цеолиты выпускаются промышленностью в видецилиндрических и шарообразных гранул, диаметр которых обычно составляет 2-5 мм,производимых с применением связующего материала (10—20% глины) или без него (впоследнем случае механическая прочность гранул выше).
абсорбционныйочистка газ уголь
2.5 Цеолиты
Цеолиты обладаютнаибольшей адсорбционной способностью по парам полярных соединений я веществ скратными связями в молекулах.
Цеолит NаА можетадсорбировать большинство компонентов промышленных газов, критический диаметрмолекул которых не превышает 4*10-9м.
К таким веществамотносятся Н2S, СS2, СО2, NН3, низшие диеновые и ацетиленовые углеводороды,этан, этилен, пропилен, органические соединения, содержащие в молекуле однуметильную группу, а при низких температурах сорбции также СН4, Nе, Аr, Кr, Хе,О2, N2, СО. Пропан и органические соединения с числоматомов углерода в молекуле более трех этим цеолитом не адсорбируются.
Цеолит СаАхарактеризуется повышенной стойкостью в слабокислой среде, что предопределяетвозможность его использования в процессах декарбонизации и сероочистки газов.Этот цеолит способен адсорбировать углеводороды и спирты нормального строения.
Цеолиты типа Хадсорбируют все типы углеводородов, органические сернистые, азотистые икислородные соединения, галоидозамещенные углеводороды, пента- и декаборан. Приполном замещении катиона натрия на катион кальция цеолит СаХ в отличие отцеолита NaХ не адсорбирует ароматическиеуглеводороды и их производные с разветвленными радикалами.
Из природных цеолитов, втом числе высококремнистых кислотостойких форм известны клиноптилолит,морденит, эрионит. Содержание собственно цеолитов в некоторых месторожденияхдостигает 80—90%, а в отдельных случаях превосходит и эти величины. Сразрабатываемых месторождений природные цеолиты поступают в виде образованныхзернами неправильной формы фракций определенных размеров, получаемых дроблениеми последующей классификацией соответствующих цеолитсодержащих пород. Однакоприсутствие в природных цеолитах различных примесей и сопутствующих пород, атакже трудность обогащения сдерживают сколь-либо значительное их использованиедля решения задач очистки отходящих газов в промышленных условиях.
Цеолиты, так же, каксиликагели и активный оксид алюминия, характеризуются значительной сорбционнойспособностью по парам воды. Наряду с этим цеолиты отличаются сохранениемдостаточно высокой активности по соответствующим целевым компонентам приотносительно высоких (до 150— 250 °С) температурах. Однако по сравнению сдругими типами промышленных адсорбентов они имеют относительно небольшой объемадсорбционных полостей, вследствие чего характеризуются сравнительно небольшимипредельными величинами адсорбции. Гравиметрическая плотность синтетическихцеолитов составляет 600-900 кг/м3.
2.6 Иониты
Иониты —высокомолекулярные соединения — пока еще не нашли широкого применения дляочистки отходящих газов промышленности. Однако проводятся исследования по;извлечению из газов кислых компонентов (оксидов серы и азота, галогенов и т.п.) на анионитах и щелочных — на катионитах
ЛИТЕРАТУРА
1. Родионов А.И. идр. Техника защиты окружающей среды. Учебник для вузов. — М.: Химия, 1989. — 512 с.
2. Иониты. Сорбенты.Носители:: Л.: Химия, 1968, 510 с,
3. Угли активныеКаталог. Черкассы: НИИТЭХИМ, 1983. 94 с.
4. Комаров В. М.Адсорбенты и их свойства. Минск: Наука и техника, 1977 248 с.
5. Романков П. Г.,Лепилин В. Н. Непрерывная адсорбция паров и газов. Л.: Химия, 1968. 228 с.
6. Аширов А.Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.: Химия, 1983. 295 с.
7. Очистка газов впроизводстве фосфора и фосфорных удобрений/Под ред. Тарата Э. Я. Л.: Химия,1979. 208 с.
8. Очистка ирекуперация промышленных выбросов/Под ред. Максимова В. Ф, и Вольфа И. В. Изд.2-е. М.: Лесная промышленность, 1981. 640 с.