10.3. Очистка и осушка газов
Газы перед использованием в тех или иных химических операциях очищают от примесей с помощью различных химических реагентов, ассортимент которых достаточно широк.
Рис. 237. Сосуды для сухой очистки газов: поглотительная колонка (а), U-образная трубка (б) и хлорокальциевая трубка (в)
Сухая очистка газов. Для этой операции применяют твердые поглотители и сосуды разнообразной конструкции (рис. 237). Поглотительную колонку Фрезениуса (рис. 237,а) используют для удаления из азота, кислорода, водорода и благородных газов примесей Н2O, СO2, SO2, H2S, HCl и других примесей кислотного характера, взаимодействующих с твердыми реагентами типа натронной извести или натронного асбеста. Твердый реагент 3 засыпают в колонку 1 на пористую пластинку 4 и сверху закрывают слоем 2 стеклянной ваты для предотвращения уноса мелких частичек поглотителя с проходящим через него газом. Вместо пористой пластинки в зауженное место колонки вставляют тампон из стеклянной или полимерной ваты.
Эффективность поглощения примесей у такой колонки не уступает эффективности склянки Тищенко (рис. 28,д), а часто и превосходит ее. Для увеличения пути прохождения очищаемого газа через твердый поглотитель в колонку вместо отводной трубки вставляют дополнительную колонку 5, заполненную поглотителем аналогичным образом.
Фрезениус Карл Ремигий (1818-1897) - немецкий химик-аналитик.
Дугообразные или U-образные трубки 1 (рис. 237,б) заполняют реагентами 3 в виде зерен величиной с горошину, не подвергшимися расплыванию в процессе поглощения примесей и не образующими при этом жидкой фазы, которая может создать "пробку" в изгибе трубки и вызвать тем самым ее разрыв. Потому в U-образной трубке, имеющей шарообразные расширения переход между коленами оставляют свободным, а вход и выход из него перекрывают тампонами 2 из стеклянной или полимерной ваты.
Для предотвращения поглощения из воздуха влаги и СO2 часто употребляемыми жидкостями или растворами солей в склянки вставляют трубки (рис. 237,в), наполненные натронной известью 3 или другими поглотителями, сверху и снизу поглотителя помещают слой 2 стеклянной или полимерной ваты.
Если поглотительные сосуды имеют пришлифованные соединения, то их закрепляют пружинами или проволокой за стеклянные крючки, приваренные около шлифов.
Зерненые пористые осушители поглощают влагу лучше, чем плавленые. При умеренной скорости прохождения газа (два-три пузырька в секунду) и небольшом количестве примесей достаточно использовать колонки высотой 50 см или поглотительные трубки такой же длины. Резиновые шланги большой длины для соединения сосудов применять не следует из-за диффузии через их стенки влаги воздуха. Высушенный газ, хранящийся в стеклянном сосуде, может снова поглотить влагу с его стенок. Водяные тончайшие пленки очень прочно удерживаются стеклом и удалить их не удается даже таким осушителем, как Р4О10, в течение месяца. Сосуды перед хранением сухого газа лучше прокалить в слабом токе этого газа. Кварцевое стекло и стекло марки "пирекс" (см. разд. 1.1) адсорбируют влагу много меньше, чем стекла других сортов.
Выбор осушителя для конкретного газа должен быть весьма обстоятельным. Так, оксид фосфора(V) Р4О10 нельзя применять для осушки аммиака, галогеноводородов, галогенов и сероводорода, взаимодействующих с ним с образованием различных продуктов. Аммиак в присутствии следов влаги превращает Р4О10 в полужидкую массу тетраметафосфата аммония (NH4PO3)4, а под действием HF образуется POF3. Оксид фосфора(V) может содержать оксиды фосфора в низших степенях его окисления, которые при поглощении влаги превращаются в соответствующие кислоты, разлагающиеся затем с выделением ядовитого РН3 и загрязняющего осушаемый газ. Поэтому следует применять чистый Р4О10, тогда после поглощения следов влаги он не будет издавать чесночный запах РН3 и окрашиваться в желто-красный цвет. Истощение осушителя устанавливают по образованию влажной стекловидной пленки (НРO3)4 на поверхности порошка Р4О10.
Безводный СаСl2 не применяют для осушения аммиака, аминов, спиртов, галогеноводородов и брома. Хлорид кальция образует с аммиаком аммиакаты состава [Ca(NH3)x]Сl2. Амины и спирты также реагируют с СаСl2, а галогеноводороды (кроме НСl) обмениваются с этим осушителем анионами.
Для удаления влаги из НВr и Вr2 применяют безводные СаВr2, АlВr3 или Аl2O3, а из фтроводорода - CuF2 при 600 °С.
Для осушения почти всех газов можно использовать Mg(ClO4)2. Если осушаемый газ содержит органические примеси, то тетраоксохлорат магния нельзя регенерировать: при нагревании он взрывается.
Скорость потока газа через осушитель подбирают экспериментально. Перед заполнением сосудов поглотители превращают в зерна и кусочки, а некоторые осушители (Р4О10, СаCl2 и др.) преварительно смешивают со стеклянной или полимерной
ватой, уменьшающей слёживаемость, возможность каналообразования и появление зон, недоступных для газа. Применять асбестовую вату для этой цели не рекомендуется из-за возможного загрязнения газа продуктами механической и химическойдеструкции асбеста.
Подробные сведения о стандартных поглотительных сосудах для твердых реагентов изложены в разд. 2.2 и 2.3.
Мокрая очистка газов. Для мокрой очистки газов применяют жидкие реагенты. Использование промывных склянок (см. разд. 2.2) малоэффективно из-за очень короткого времени контакта пузырьков газа с жидким реагентом. Поэтому для глубокой очистки газов применяют оросительные колонки. Все они содержат инертную к жидкому поглотителю и проходящему газу насадку с развитой поверхностью и возможно малым сопротивлением для газа. Такой насадкой служат короткие обрезки небольших стеклянных трубок, мелкие кусочки фарфора, стеклянные бусы (3-5 мм), кусочки плавленого стекла и др.
В оросительных колонках достаточно велики как время соприкосновения газа с жидким реагентом, так и поверхность контакта фаз, кроме того, они оказывают небольшое сопротивление потоку газа.
Рис. 238. Оросительные колонки с сифоном (а), эрлифтом (б) и с двумя вводами газа (в)
В колонке 3 с сифоном 8 (рис. 238,а) промывная жидкость, подаваемая из капельной воронки 2, после орошения насадки собирается в нижней части колонки и автоматически спускается сифоном 8 в приемную емкость для регенерации или повторного использования. Сифон срабатывает каждый раз, как только уровень жидкости достигает верхнего изгиба. Сифон можно заменить на трубку 5 (показана штриховой линией), соединенную с капельной воронкой. С помощью этой трубки можно периодически перекачивать собравшуюся в нижней части колонки жидкость в капельную воронку, если трубку с краном 1 присоединить к водоструйному насосу при закрытых кранах 9 и 4. Поглотитель 6 помещают обычно на пористую стеклянную пластинку 7.
Предложены колонки с эрлифтом (рис. 238,б,в), работающие в течение некоторого времени на одном и том же количестве жидкого реагента. Газ поступает в такие колонки по трубке 7 в эрлифт 2 (см. разд. 8.2) и увлекает жидкость в верхнюю часть колонки 1. Дополнительное давление газа, необходимое для работы эрлифта, не превышает 10 - 25 мм вод. ст. Пузырьки газа, выходя из узкого отверстия эрлифта, лопаются и разбрызгивают жидкость по насадке 3. Стекающая жидкость проходит пористую пластинку 6, а газ, освобожденный от части примесей, выходит через боковой отросток 5. Трубка эрлифта должна быть достаточно узкой, чтобы обеспечить подъем жидкости. Газ можно подавать в колонку с эрлифтом одновременно и через две трубки 4 и 7 (рис. 238,в), а собирать жидкий поглотитель в приёмнике 8.
Рис.239 Оросительные колонки с питающей трубкой (а), с внутренним эрлифтом (б) и змеевиковая Шполянского - Коростелевой (в)
Для очистки газов нередко используют приборы, в которых сама колонка является эрлифтом (рис. 239,а). Газ, подаваемый с определенной скоростью через трубку 5, увлекает за собой через насадку 3 жидкий реагент и сбрасывает часть его через боковую трубку 2 под пористую пластинку 4 для повторного использования. Такая колонка во время работы как бы "кипит". Ее диаметр, высоту насадки, избыточное давление и скорость газа подбирают экспериментально. Кран 6 служит для удаления отработанного жидкого поглотителя.
Оросительная колонка с внутренним эрлифтом (рис. 239,б) содержит насадку 3 из стеклянных бус (можно использовать и любую другую). Газ, поступая в колонку 1 через трубку 6, засасывает жидкость через отверстие 7 и выбрасывает ее на насадку 3, тоже проходит насадку, пористую пластинку 4 и тем самым освобождается от примесей. Более или менее чистый газ выходит через трубку 5, а жидкость возвращается в круговорот.
Прибор Шполянского - Коростелевой (рис. 239,в) служит для однократного использования жидкого реагента. Жидкость подается в колонку 6 через трубку 2, в которую одновременно поступает через трубку 1 очищаемый газ. Газожидкостная смесь дробится, проходя пористый патрон 8, и поднимается между витками змеевика 7 в сосуд 3, из которого газ удаляется через трубку 4, а жидкость сливается через трубку 5. Змеевик 7 представляет собой стеклянную палочку, навитую на трубку 2.
При использовании промывалок и оросительных колонок следует учитывать, что проходящий газ захватывает с собой часть жидкости в виде тумана, от которого следует освобождаться, устанавливая за поглотительным сосудом склянки с сухими реагентами или фильтры для улавливания аэрозолей.
В качестве жидкого осушителя часто применяют серную кислоту (см. табл. 27). Ее нельзя использовать для удаления следов влаги из аммиака, галогеноводородов, H2S, PH3, AsH3, NO2, Н2С2, NO. Она взаимодействует с ними. Серную кислоту применяют для осушения преимущественно благородных газов хлора и брома, диоксидов углерода и серы, монооксида углерода и метана. В поглотительные колонки обычно не заливают
H2SO4, а пропитывают ею кусочки пемзы или кизельгура, иногда перлита (см. разд. 1.5). Осушаемые газы не должны содержать примеси органических веществ, поскольку они восстанавливают H2SO4 до SO2, что сопровождается появлением у кислоты коричневой окраски.
Подобно всем жидким осушителям и поглотителям, серная кислота может при прохождении газа распыляться с образованием стойкого тумана. Поэтому после промывалок и колонок с H2SO4 газ следует пропускать через слой (40 - 50 см) прокаленной асбестовой ваты или активированного угля.
Очистка газов от аэрозолей. Аэрозоль (от греч. аеr - воздух и лат. sol(utio) - раствор) - газ, содержащий мельчайшие частицы твердой или жидкой фазы. Находящиеся в газе частицы размером не менее 10-5 мм долго не сохраняются во взвешенном состоянии и прилипают к твердой поверхности при столкновении с нею. Кроме того, они слипаются при столкновении друг с другом, образуя более крупные агрегаты размером 10-4 - 10-3 мм, которые уже более продолжительное время сохраняются в газе и составляют основную массу аэрозоля.
Удаление аэрозолей из газов проводят на конечной стадии очистки; тип используемого прибора зависит от размеров частичек. Грубые частицы размером более 10-3 мм отделяют от газа при помощи фильтров из пористого фторопласта (см. разд. 1.5) или пористого стекла, пластинки которого впаивают в различные стеклянные сосуды (рис. 240,а-в). На пористый стеклянный фильтр 1 дополнительно помещают вату 2 (рис. 240,б,в) из перхлорвиниловых или полистироловых волокон (см. разд. 1.3), длительно сохраняющих электростатический заряд, что повышает эффективность процесса фильтрации.
Рис. 240. Фильтры для улавливания аэрозолей: пластинчатый (а), с силиконовым аслом (б), двухтубусный (в), для газов под давлением (г) и Петрянова (д)
Наиболее полно извлекают из газов аэрозоли фильтры, содержащие нелетучую маслообразную жидкость 3 (рис. 240,б), которая не взаимодействует с проходящим газом, например силиконовое масло. Маслом иногда смачивают и волокнистый материал 2 (рис. 240,б,в).
Из газов, находящихся под повышенным давлением, аэрозоли удаляют при помощи устройства из толстостенного стекла с обоймой 2 (рис. 240,г) из титановой сетки или сетки из нержавеющей стали, в которой зажат либо бумажный фильтр, либо мембрана (см. разд. 1.5). Обойму помещают между двумя воронками 1 и 3 со специальными бортиками для захватов струбцины 4. Устройство легко разбирается, что позволяет легко менять фильтры.
Частицы размером 10-4-10-3 мм задерживаются при помощи фильтров Петрянова (см. разд. 1.5), укрепляемых на вставном патроне 3 (рис. 240,д) с отверстиями. Сверху патрон плотно закрыт, а открытый нижний его конец закреплен в пробке 4 сосуда 2. Газ, попадая через трубку 1 в корпус 2 фильтра, проходит слой фильтра Петрянова, надетого на цилиндр 3, и оставляет на нем аэрозольные частицы. Очищенный газ выводится через колпачок 5.
Аэрозоли с размером частичек менее 10-4 мм удаляют при помощи тканевых фильтров (см. разд. 1.5), в которых между слоями ткани расположены электроды с разностью потенциалов порядка 10 кВ/см. Такие фильтры имеют сопротивление потоку газа всего 0,5 - 1,0 мм вод. ст.