Адсорбція

Зливними пристроями.

Рис. 11. Схема роботи

ковпачкової тарілки:

1-тарілка,

2-газові патрубки,

3-ковпачки,

4-зливні труби.

За допомогою абсорбційних колон забруднений газ очищується і викидається в атмосферу. У результаті абсорбції утворюється розчин окремих газів в абсорбенті або розчин певного продукту у випадку хемосорбції. Відпрацьований абсорбент необхідно регене­рувати, тобто виділити з нього розчинений газ або утворений про­дукт. Це здійснюють з використанням зниження тиску над абсорбе­нтом, підвищенням температури. Процес називають десорбцією. У результаті розчинені гази чи продукти видаляють для подальшої переробки або використання, а очищений абсорбент повертається в цикл на абсорбцію.

Адсорбція - процес поглинання одного або декількох компо­нентів газової суміші твердою речовиною - адсорбентом. Ком­понент, що поглинається називається адсорбатом або адсорбтивом. Зворотний процес - виділення газу з твердої речовини назива­ють десорбцією. Адсорбцію поділяють на фізичну і хімічну (хемо­сорбція).

Фізична адсорбція викликана взаємним притяганням молекул адсорбату й адсорбенту під дією сил Ван-дер-Ваальса.

Хімічна адсорбція супроводжується хімічною реакцією між складовими газової суміші з адсорбентом з утворення хімічних зв'язків. Різновидністю фізичної адсорбції є заповнення пор адсор­бенту рідиною, що утворюється в результаті конденсації парів. Її називають капілярною конденсацією.

В якості адсорбентів використовують пористі тверді речовини з великою питомою поверхнею. Питома поверхня - це площа повер­хні всіх частинок одиниці маси адсорбенту.

Адсорбенти мають різні за діаметром капілярні канали-пори, які поділяють на: макропори (більше 2*10^-4мм), перехідні пори (6*10^-4-2*10^-4 мм), мікропори (2*10^-6-6*10^-6 мм). Від розміру пор залежить характер адсорбції.

Макропори значно більші за розміри молекул газів, тому на їх стінках адсорбується дуже мала кількість молекул газу. Вони в основному грають роль транспортних каналів для газу. На поверхні перехідних пор утворюються шари поглиненої речовини. Можливе утворення шарів товщиною в одну молекулу (мономолекулярна адсорбція) або в декілька молекул (полімолекулярна адсорбція). Розміри мікропор наближаються до розмірів адсорбованих молекул і адсорбція в мікропорах приводить до заповнення їх об'єму.

Адсорбенти характеризуються своєю поглинальною або адсор­бційною здатністю: масою адсорбату поглинутого одиницею маси чи об'єму адсорбенту. Ця здатність залежить від температури, тиску газу і від концентрації поглинаючої речовини в газі. Максимально можливу при даних умовах адсорбційна здатність називають рівно­важною активністю.

Промисловість використовує самі різноманітні адсорбенти при­родного і штучного походження. Серед них: активоване вугілля, силікагелі, цеоліти та інші. Активоване вугілля одержують шляхом термічної обробки різних карбоновмісних речовин (дерево, кості...) і видаленням смолистих речовин, а також введенням активаторів (цинк хлориду, кислот, лугів та ін.). Питома поверхня активованого вугілля 800-1700 м/г. Воно добре поглинає пару органічних речо­вин, сульфур діоксид та інші гази.

Силікагелі являють собою продукти обезводнення гелю силіка­тної кислоти. Вони використовуються в основному для осушення газів. Цеоліти - синтетичні або природні мінерали - алюмосилікати, що мають переважно мікропори. Їх поглинаюча здатність дуже велика, тому їх широко використовують не тільки для процесів очищення, але й для процесів розділення сумішей на окремі компо­ненти. Процес адсорбції залежить від температури процесу, концен­трації газу, характеру процесу: періодичний, безперервний. Спро­щена модель періодичного процесу адсорбції розроблена Шиловим Н.А. Якщо в шар чистого адсорбенту буде безперервно посту­пати неочищений газ, то поглинання адсорбату проходить в основ­ному на початку шару адсорбенту (лобова або фронтальна ділянка). Подальші шари в процесі участі не беруть. Через деякий час даний шар стає насиченим за відношенням до адсорбату і неочище­ний газ «проскакує» на слідуючий шар і т.д.

Час роботи шару до насичення його лобової ділянки назива­ють періодом формування фронту адсорбції.

У практиці розрахунків адсорбційних процесів користуються величиною динамічної активності адсорбенту. Це величина, що вира­жається кількістю поглинутої речовини за проміжок часу від початку поглинання до «проскоку». Цей час називають часом захисної дії адсорбенту, визначається за емпіричним рівнянням Шилова Н.А.

Як видно на рис. 12, залежність часу захисної дії від довжини шару адсорбенту в період формування фронту виража­ється плавною кривою, яка в період паралельного переносу фронту адсорбції переростає в пряму лінію.

Рис. 12 Залежність часу захисної дії від довжини шару адсорбенту

Другою стадією адсорбційної очистки газів є регенерація відпрацьованого адсорбенту - десорбція. До числа основних методів десорбції відносять:

- витіснення з адсорбенту поглинених компонентів з використанням агентів, що мають більш високу адсорбційну здатність, ніж поглинені компоненти;

- випаровування поглинених компонентів шляхом нагріву шару

адсорбенту;

- промивку адсорбенту розчинниками адсорбату.

На практиці десорбцію здійснюють шляхом пропускання пари чи газу, що не вміщує адсорбату, через шар адсорбенту.

До атмосфери надходить велика кількість пилу, газів, металів та їх окислів, різних органічних речовин. В результаті забруднення атмосфери у ряді міст утворюється „смог”. Для захисту атмосфери від забруднення застосовуються різноманітні методи. Домінуючим є очистка газів від твердих часток. Не менш важливим є також очистка повітря від таких газів, як СО, NO, NO₂, HCN, H₂S та ін.

Є декілька методів каталітичного перетворення домішок при очистці газових викидів:

1. Окислення домішок (вуглеводнів, спиртів, а також інших органічних речовин та окисли вуглеводу) до нешкідливих продуктів – СО₂ та Н₂О.

2. Окислення домішок (хлорорганічних речовин, окислів азоту, серністого газу) до необхідних продуктів (СІ₂, HNO₃, H₂SO₄).

3. Відновлення домішок до нешкідливих продуктів (наприклад, NO в N₂).

4. Відновлення домішок до необхідних продуктів (наприклад, SO₂ в S).

5. Розкладання домішок до нешкідливих продуктів.

Розглянемо, наприклад, очистку повітря від сірководню – сильної нервово–токсичної отрути. Найбільш розповсюджений метод окислення H₂S. Спочатку сірководень перехоплюється будь-яким абсорбентом (водні розчини Na₂CO₃, K₂CO₃, NH₃, Fe(OH)₃ та інші), а потім поглинений H₂S каталітично окислюють киснем повітря з утворенням елементарної сірки:

2H₂S + О₂ → 2Н₂О + 2 S

Головним недоліком цього методу є відносно низький ступень очистки від H₂S (50 – 60%) та утворення в багатьох випадках речовин типу ціаністих, які сильніші за отруйними властивостями ніж сам сірководень.

Більш широке застосування знайшов метод Клауса, який також засновано на окисленні H₂S киснем повітря до сірки. Окислення проводять у дві стадії: термічної та каталітичної. У термічній стадії ведуть полум’яне окислення H₂S стехіометричними кількостями кисню при температурах 300 – 1350⁰С. При цьому частина H₂S окислюється до SО₂. У каталітичній стадії йде реакція між H₂S та SО₂ на таких каталізаторах, як боксид або окись алюмінію, при температурі 220 – 250⁰С.

Головний прогрес в зменшені відходів серністого ангідриду до атмосфери набув за рахунок розробки та впровадження принципово нового способу отримання сірчаної кислоти методом каталітичного рідиннофазного окислення сірнистого газу при підвищених температурах, які дозволяють довести ступінь перехоплення SО₂ до 100%:

2SО₂ + О₂ + 2Н₂О → 2Н₂ SО₄

Важливою особливістю нового методу є можливість використання як бідних газів теплових станцій та підприємств чорної металургії, які містять 0,1 – 1,0% серністого газу, так і концентрованого (майже до 100%) серністого ангідриду. Новий метод отримання сірчаної кислоти повністю відокремлює шкідливі впливи на біосферу.

Дата добавления: 2014-10-23