Текст работы

Адсорбционная очистка газов

Метод основан на способности некоторых твердых тел избирательно поглощать газообразные компоненты из газовых смесей. Присутствующие в газовой смеси молекулы загрязненного газа или пара собираются на поверхности или в порах твердого материала. Поглощаемое из газовой фазы вещество - называется адсорбтивом, а твердое вещество, на поверхности или порах которого происходит адсорбция поглощаемого вещества - адсорбентом. Газовая фаза, в которой находится извлекаемый компонент - газ - носитель, а после того, как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.
Применяют в этом случае:
1)когда другие методы оказываются неэффективны;
2)концентрация загрязняющих веществ очень мала и требуется гарантированная рекуперация извлекаемой примеси из-за ее значительной стоимости или опасности. Методом адсорбции из отходящих газов удаляют SO2 ,углеводороды, хлор, сероводород, сероуглерод, и другие.
Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся фаз. Переход молекул загрязняющих веществ из газа - носителя на поверхностный слой адсорбента происходит в том случае, если силы притяжения адсорбента больше сил притяжения действующих на адсорбтив со стороны молекул газа - носителя. Молекулы адсорбированного вещества, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают его энергию, в результате чего происходит выделение теплоты, примерно 60 кДж/моль (небольшая). Силы притяжения имеют разную - физическую или химическую и, следовательно, различают:
Физическую адсорбцию - при которой взаимодействия молекул загрязняющих веществ с поверхностью адсорбента определяется слабыми дисперсными, индукционными силами (силы Ван - дер - Вальса). При этом адсорбированные молекулы не вступают в химическое взаимодействие с молекулами адсорбента и сохраняют свою индивидуальность.
Для физической адсорбции характерна высокая скорость процесса, малая прочность связи и малая теплота. С повышением температуры количество физически адсорбированного вещества уменьшается, а увеличение давления к возрастанию величины адсорбции. Преимущество - легкая обратимость процесса путем:
а) уменьшения давления
б) увеличения температуры. Адсорбированные молекулы легко десорбируются без изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может использоваться многократно. Процесс можно вести циклично, чередуя стадию поглощения и выделения извлекаемого компонента.
Химическая адсорбция - в основе лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, а высвобождающееся тепло совпадает с теплом химической реакции и составляет 20 - 400 кДж/моль.
Главные отличия:
)молекулы адсорбтива, легко вступив в химическое взаимодействие, прочно удерживаются на поверхности и в порах адсорбента;
)скорость реакции, при низких температурах мала, но возрастает с ростом температуры.
Оба вида адсорбции сопутствуют друг другу, однако, наибольшее значение для очистки газов имеет физическая адсорбция.

Промышленные адсорбенты

Любое твердое тело обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом.
В технике используют адсорбенты с сильно развитой внутренней поверхностью, полученной в результате (спекания), синтеза и специальной обработки.
Адсорбенты должны обладать:
− большой динамической емкостью (временем защитного действия);
− большой удельной поверхностью;
− избирательностью;
− термической и механической устойчивостью;
− способностью к регенерации;
− простотой изготовления;
− дешевизной;
Это - активные угли, селикагели, цеолиты, глинистые минералы, пористые стекла и другие.

Адсорбционная емкость адсорбентов (активность)

По ней определяют размеры аппаратов и эффективность очистки газов.
Различают статическую и динамическую емкость адсорбента. Размерность [грамм поглощенного вещества/на 100г. адсорбента или моль/г.]
Статическая емкость показывает, какое количество вещества способен адсорбировать способен адсорбировать адсорбент в условиях равновесия.
Динамическая емкость соответствует поглощенного вещества слоем адсорбента от начала процесса до начала «проскока» адсорбтива, т.е. когда в выходящем из слоя адсорбента газе - носителе появляются следы адсорбтива.
Адсорбционная емкость зависит: от природы вещества она возрастает с увеличением поверхности, пористости, снижения размеров пор. Она возрастает: с повышением концентрации загрязняющих веществ газе - носителе; давления в системе. С увеличением температуры и влажности адсорбционная емкость уменьшается, поэтому перед использованием их высушивают. Хороший адсорбент не теряет активности при выполнении сотен и тысяч циклов.
Адсорбционная очистка газов наиболее эффективна при обработке больших объемов газов с малым содержанием примесей, например, для тонкой очистки технологических газов от сернистых соединений и диоксида углерода, а также при удалении паров ядовитых веществ и канцерогенов. Наиболее целесообразно применение при необходимости уменьшения содержания примесей до нескольких миллионных долей и даже ниже, например, загрязняющие вещества с сильным запахом можно обнаружить при содержании их в воздухе порядка 100 млрд-1, поэтому требуется понижать концентрацию еще ниже.
Эффективность адсорбционных систем определяется, главным образом, свойствами адсорбента, который должен:
−иметь высокую адсорбционную способность;
−обладать высокой селективностью;
−иметь высокую механическую прочность;
−хорошо регенерироваться;
−иметь низкую стоимость.
Адсорбенты подразделяют на три группы:
) неполярные твердые вещества, на поверхности которых происходит физическая адсорбция.
) полярные - происходит химическая адсорбция без изменения структуры молекул газа и поверхности адсорбента.
) вещества, на поверхности которых протекает чисто химическая адсорбция и которые десорбируют молекулы газа после химической реакции, при этом требуется их замещение.
Самый распространенный неполярный адсорбент - активированный уголь, состоящий из нейтральных атомов одного вида и имеющий поверхность с равномерным распределением зарядов на молекулярном уровне.
Выпускают:
) для отечественных вентиляций АГ, КАУ, СКТ. Размер гранул 1 - 6 мм, ρн=380 - 600 кг/м3.
рекуперационные угли АР, АРТ, СКТ - 3.
) молекулярно - ситовые угли МSС.
Количество газа адсорбированного 1 г. адсорбента в равновесном состоянии зависит от природы адсорбента и адсорбата, а также от температуры и давления. Зависимость массы (m) адсорбированных загрязняющих веществ на адсорбате (активированный уголь) при t=const.



Изотерма адсорбции показывает, что поскольку адсорбция - процесс экзотермический, то количество вещества, адсорбированного в состоянии равновесия, уменьшается с повышением температуры.
Регенерация адсорбента включает в себя:
десорбция, сушка, охлаждение
а) термическая (160 ÷ 170°)
б) при высоких температурах (300 - 400°)
в) вытеснительная (холодная)

Расчет адсорберов

Основные определяемые величины: диаметр аппарата и высота слова слоя сорбента при заданном времени процесса.
)допустимая фиктивная скорость газа (скорость в свободном сечении)

ω0 = (0,016 · r · ρнас · dэ · g / ρг )0,5

dэ - эквивалентный диаметр гранул, м,
ρг - плотность газа, кг/м3,
ω0 ≤ 0,3 м/с.

Пористая структура адсорбентов

Пористая структура оказывает значительное влияние на адсорбционные свойства сорбента.
Поверхность сорбента включает в себя:
внешнюю поверхность, зависящую от количества макропор и составляет 0,5 ÷ 2,0 м2/ч, т.е. 2,0 ÷ 0,5 % от общей поверхности;
внутреннюю поверхность, образующуюся за счет стенок микропор. Она может быть равна 500 ÷ 1000 м2/ч.
Поверхность пористого тела:

S = NA · aм · Sм , где

NA - число Авагадро,
aм - величина адсорбции, соответствующая покрытию поверхности сплошным монослоем адсорбированных молекул,
Sм - площадка, занимаемая одной адсорбированной молекулой,
Sм = 1,53 · V2/3, V - мольный объем адсорбированного вещества.
Sм N2 = 1,62 м2.
Суммарную пористость твердого тела можно определить по его плотности.
Различают истинную (ρист), кажущуюся (ρкаж) и насыпную (ρнас) плотность пористых тел.
Истинная - масса единицы объема плотноупакованного тела (не содержащего пор).
Кажущаяся - масса единицы объема пористого тела, включающая объемы пор, но без учета объема пустот между зернами.
Насыпная - масса единицы объема пористого тела, включающая объем плотного вещества, объем пор и объем пустот между зернами.
Суммарный объем пор:

V∑ = 1∕ρкаж = - 1∕ρист, г∕см3.

Активный уголь ρист, = 1750 ÷ 2100 ρкаж = 500 ÷ 1000 ρнас = 200 ÷ 600
Мягко зернистый селикогель ρист = 2100 ÷ 2300 ρкаж = 1300 ÷ 1400 ρнас = 800÷ 850
Крупно зернистый селикогель ρист = 2100 ÷ 2300 ρкаж = 750 ÷ 850 ρнас = 500 ÷ 600
Цеолиты ρист = 2100÷ 2300 ρкаж = 1200 ÷ 1400 ρнас = 600 ÷ 800

Характеристика адсорбента

Активные угли - сорбенты органического происхождения (из угля, торфа, древесных материалов, отходов бумажного производства, кости животных, скорлупа орехов, косточки плодов и т.д.).
Вначале исходный материал подвергают термической обработке при t = 600 ÷ 900°С, из углей улетучивается влага и смолы, а затем для придания пористости его активируют - обрабатывают паром, газами или химическими реагентами ( СО, СО2, NH3, водяной пар) при t = 800 ÷ 900°С. Измеряя температуру, скорость подачи активатора и время активации, получают с разными адсорбционно - структурными свойствами марки активных углей : БАУ, ДАК, АР - А, АР - Б, КАД, СКТ - 1,2.3,4. Основная характеристика - ρнас, и фракционный состав. Выпускают в виде гранул, диаметром 2 ÷ 5 мм, Н › диаметра. Иногда их дробят на более мелкие фракции 0,15 ÷ 2,5 мм, применяют для газоочистки со стационарным движением и слоем адсорбента.
Порошкообразные угли dфр 30
при Re = 2 - 30
при Re ук ∕ун0,0050,010,030,050,100,20,30,40,50,60,70,80,9в1,841,671,351,190,970,670,420,230,07-0,10-0,27-0,46-0,68
область - криволинейная

;


где - содержание вещества в газовом потоке, равновесное с количеством, равным половине вещества, максимально поглощаемого адсорбентом при данной температуре, кг/м3.
область- количество вещества, поглощаемого адсорбентом, достигает предела и остается постоянной

,

) Высоту зоны массопередачи (высота рабочего слоя)

,

время до равновесного насыщения, сек
время защитного действия при минимальной проскоковой концентрации,
неиспользованная адсорбционная емкость,
)Перепад давления в слое (формула применима, если порозность слоя Е=0,4)

∆Р - перепад давления в слое, кг/м3
g - 9,81 м/с2
dэ - эквивалентный диаметр зерен, м
G - массовая скорость газа, кг/(м2∙с)
Другие формулы (автор Дубинин)
1) - при точкиБензолДиэтиловый эфир10,000854109,00,004379100,020,00256134,30,0148123,1130,005125139,80,0308128,240,00939143,00,0597132,1950,017060147,30,1145135,160,025610151,20,01786138,71


Объем адсорбента:

Здесь х*=хк, т.е. на выходе адсорбент будет полностью насыщен поглощаемым компонентам (предполагаем!)
при ун=0,006 кг/м3 по графику хх=104кг/м3.
Фактическое количество адсорбента принимаем на 30% больше

. Для определения предварительно найдем

,

т.к. Re>30,то по уравнению .
Изотерма адсорбции



По Павлову:
(.), ей соответствует Р1=8 мм.рт.ст. Вычислим координаты соответствующих точкам на изотерме диэтилового эфира

;

=>
Диффузионный критерий Прандтля.

,

Д20, До - коэффициенты диффузии

- для температуры 20°С,

а До- при t=0°C равен 0,028 м2/ч=0,0778∙10-4 м2/сек
- для диэтилового спирта

, а Nu' в свою очередь равен:

, тогда

.Высота единиц переноса.

;




.Число единиц переноса определяем методом графического интегрирования. Для построения рабочей линии переноса (1 линия) находим из уравнения материального баланса:

По координатам точек хн=0, хк=80,23 и ук=3∙10-5, ун=0,006 строим рабочую линию процесса. С помощью построенной диаграммы определяем величины для графического интегрирования. Задаемся рядом значений «у» в интервале ун ―ук и для каждого значения «у» находим значения х* на рабочей линии и значение у* на равновесной линии.

у, кг/кг	х*, кг/м3	у, кг/м3	у-у*	1∕(у-у*)
0,006	80,23	0,00133	0,00467	214,133
0,005	78,0	0,00125	0,00375	266,666
0,004	75,2	0,00110	0,00290	344,827
0,003	74,0	0,00095	0,00205	487,804
0,002	73,2	0,00085	0,00115	869,56
0,001	71,5	0,0006	0,0004	2500
0,00003	70,0	0	0,00003	3333,33

Масштабы определяются:

Высота адсорбента:

.Продолжительность процесса адсорбции определяется по закону Генри, т.к. (∙) ун на графике находящиеся в области прямой линии

.Количество газо-воздушной смеси, проходящей через адсорбент за время

или 3821,276 м3 ∙ 1,9ч =2011,19 м3/ч
.Перепад давления в слое

где