- •Предисловие
- •Введение
- •1Атмосфера
- •3. Организация санитарной защиты воздушного бассейна
- •3.1. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе
- •3.2. Предельно допустимые выбросы вредных веществ в атмосферный воздух
- •3.3. Требования при проектировании предприятий
- •3.4. Санитарная защита воздушного бассейна на предприятиях
- •3.5. Обоснование допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу
- •3.5.1. Факторы, влияющие на рассеивание вредных веществ в атмосферном воздухе и загрязнение приземного слоя воздуха
- •3.5.2. Обоснование допустимых выбросов при рассеивании вредных веществ через высокие источники
- •4. Процессы пылегазоочистных установок и аппараты для пылегазоулавливания
- •4.1. Общие положения
- •Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
- •Интенсивность процессов и аппаратов
- •Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов
- •4.2. Пылеулавливание
- •4.2.1. Параметры процесса пылеулавливания
- •4.2.2 Сухие пылеуловители
- •Принцип работы циклона
- •Основные характеристики цилиндрических циклонов
- •Расчёт циклонов
- •4.2.3. Мокрые пылеуловители
- •Принцип работы скруббера Вентури
- •Принцип работы форсуночного скруббера
- •Скрубберы центробежного типа
- •Принцип работы
- •Принцип действия барботажно-пенных пылеуловителей
- •4.2.4 Электрофильтры
- •Принцип работы двухзонного электрофильтра
- •4.2.5 Фильтры
- •Принцип работы рукавных фильтров
- •Туманоуловители
- •5. Очистка от промышленных газовых выбросов
- •5.1 Общие сведения о массопередаче
- •Равновесие в системе газ - жидкость
- •Фазовое равновесие. Линия равновесия
- •Материальный баланс. Рабочая линия
- •Направление массопередачи
- •Кинетика процесса абсорбции
- •Конвективный перенос
- •Дифференциальное уравнение массообмена в движущейся среде
- •Уравнение массоотдачи
- •Подобие процессов массоотдачи
- •Уравнение массопередачи
- •Зависимость между коэффициентом массопередачи и массоотдачи
- •5.2 Устройство абсорбционных аппаратов
- •5.3 Адсорбционная очистка газов
- •5.3.1Общие сведения
- •Равновесие и скорость адсорбции
- •5.3.2 Промышленные адсорбенты
- •Адсорбционная емкость адсорбентов
- •Пористая структура адсорбентов
- •Конструкция и расчёт адсорбционных установок
- •Расчет адсорбционных установок
- •5.4 Каталитическая очистка
- •5.4.1Общие сведения
- •Конструкции контактных аппаратов
- •Аппараты с взвешенным (кипящим) слоем катализатора
- •6. Тепловые процессы Общие положения
- •6.1 Температурное поле. Температурный градиент. Теплопроводность
- •Закон Фурье
- •Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •Теплопроводность плоской стенки
- •Теплопроводность цилиндрической стенки
- •6.2 Тепловое излучение
- •Баланс теплового излучения
- •Закон Стефана – Больцмана
- •Закон Кирхгофа
- •Взаимное излучение двух твердых тел
- •Лучеиспускание газов
- •6.3 Передача тепла конвекцией
- •Тепловое подобие
- •Численные значения коэффициента теплоотдачи
- •Сложная теплоотдача
- •6.4 Теплопередача Теплопередача при постоянных температурах теплоносителя
- •Теплопередача при переменных температурах теплоносителя
- •Уравнение теплопередачи при прямотоке и противотоке Теплоносителей
- •4.5. Нагревание, охлаждение и конденсация Общие сведения
- •6.4.1 Нагревающие агенты и способы нагревания Нагревание водяным паром
- •Нагревание горячей водой
- •Нагревание топочными газами
- •Нагревание перегретой водой
- •Нагревание электрической дугой
- •6.4.2 Охлаждающие агенты, способы охлаждения и конденсации Охлаждение до обыкновенных температур
- •Охлаждение до низких температур
- •Конденсация паров
- •6.4.3 Конструкции теплообменных аппаратов
- •Расчет концентрации двуокиси серы
- •Пример расчета насадочного абсорбера
- •Пример расчёта теплообменника
- •Пример расчета электрофильтра
- •Методика расчета адсорбера
- •В ориентировочном расчете используется формула
- •4.2.8 Находим время защитного действия адсорбера
- •Библиографический список
- •Содержание
- •Макаров Володимир Володимирович
5.3 Адсорбционная очистка газов
5.3.1Общие сведения
Одним из перспективных методов санитарной очистки газов, обеспечи-вающих высокую степень извлечения примесей, является адсорбционный.
В процессе разделения, основанном на способности некоторых твердых тел избирательно поглощать газообразные компоненты из газовых смесей, присутствующие в газовой смеси молекулы загрязненного газа или пара сорбируются на поверхности или в порах твердого материала. Поглощаемое из газовой фазы вещество называется адсорбтивом, а твердое вещество, на поверхности или в порах которого происходит адсорбция поглощаемого веществе,— адсорбентом. Газовая фаза, в которой находится извлекаемый компонент, называется газом-носителем, а после того, как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.
Применение адсорбционных методов очистки газов целесообразно в тех случаях, когда требуемый эффект не может быть достигнут другими методами, концентрация удаляемой примеси в газе-носителе очень мала и когда требуется гарантированная рекуперация извлекаемой примеси из-за ее значительной стоимости.
В процессе адсорбции из отходящих газов удаляют различные примеси, в том числе: сернистые соединения, парообразные и газообразные углеводороды, хлор, сероводород, сероуглерод и многие другие вещества.
Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся фаз. Процесс перехода молекул адсорбтива из газа-носителя на поверхностный слой адсорбента происходит в том случае, если силы притяжения адсорбента превосходят силы притяжения, действующие на адсорбтив со стороны молекул газа-носителя.
Рассмотрим схему кристаллической решетки твердого тела (рисунок 3.9). Атом «А», находящийся внутри кристалла, имеет шесть ближайших соседей, все его связи задействованы, и он не обладает свободной энергией. У атома «Б», находящегося на поверхности кристалла, только пять ближайших соседей, он имеет одну условную свободную связь и поэтому обладает большей энергией и находится в более высоком энергетическом состоянии, чем атом внутри кристалла. Еще большей энергией обладает атом «В», находящийся на грани кристалла. У него четыре ближайших соседа (две условные свободные связи) и, следовательно, большой избыток энергии. Самым большим избытком энергии обладает атом «Г», лежащий на вершине кристалла. У него всего три ближайших соседа (и три условные свободные связи). Этот избыток энергии называется поверхностной и она является причиной адсорбции.
Молекулы адсорбированного вещества, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают его энергию, в результате чего происходит выделение теплоты. Теплота физической адсорбции сравнительно невелика и составляет до 60 кДж/моль.
Силы притяжения адсорбента могут иметь различную природу — физическую или химическую. В соответствии с этим различают физическую и химическую адсорбцию.
При физической адсорбции взаимодействие молекул с поверхностью адсорбента определяется сравнительно слабыми дисперсными, индукционными и ориентационными силами. При этом адсорбированные молекулы не вступают с молекулами адсорбента в химическое взаимодействие и сохраняют свою индивидуальность. Для физической адсорбции характерна высокая скорость, малая прочность связи между поверхностью адсорбента и адсорбтивом и малая теплота адсорбции. С повышением температуры количество физически адсорбированного вещества уменьшается, а увеличение давления приводит к возрастанию величины адсорбции.
Преимуществом физической сорбции является легкая обратимость процесса. При уменьшении давления адсорбента в газовой смеси либо при увеличении температуры адсорбированные молекулы легко десорбируются без изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может использоваться многократно.
Высокая скорость физической адсорбции и способность адсорбентов к регенерации позволяет вести процесс циклично в условиях обратимости, т.е. с чередованием стадий поглощения и выделения извлекаемых компонентов. В основе химической адсорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, чем при физической адсорбции, а высвобождающееся тепло совпадает с теплом химической реакции. Как правило, она колеблется в пределах от 20 до 400 кДж/моль. Из-за такой большой теплоты адсорбции энергия связи хемосорбированных молекул сильно отличается от энергии связи этих же молекул в потоке газа. Соответственно и энергия, необходимая для того, чтобы хемосорбированная молекула прореагировала с молекулой другого сорта, может быть существенно меньше, чем энергия, необходимая для реакции этих же молекул в газовой фазе. Этим, собственно, объясняется тот факт, что адсорбированная на поверхности твердого тела молекула легче вступает в химическую реакцию с другими молекулами. Существует и другое важное отличие химической адсорбции: молекулы адсорбтива, вступив в химическое взаимодействие, прочно удерживаются на поверхности и в порах адсорбента. Характерной особенностью химической адсорбции является и то, что скорость ее при низких температурах мала, но возрастает с ростом температуры.
Твердый слой продуктов реакции, образующийся при адсорбции, является наибольшим из всех диффузионных сопротивлений при переносе. Если скорость процесса хемосорбции лимитируется диффузией адсорбата в сферические частицы, то, по данным Гислинга и Броунштейна, кинетическое уравнение имеет вид
(3.31)
где – степень адсорбции (превращения);
– начальный радиус частиц;
– время адсорбции;
К' – коэффициент, зависящий от природы реагирующих веществ.
Перечисленные виды адсорбции часто сопутствуют друг другу, однако наибольшее значение для целей санитарной очистки газов имеет физическая адсорбция, которой уделено основное внимание в настоящей главе.
Рисунок 3.9 - Схема кристаллической решетки адсорбента.