4.5 Абсорбционные методы санитарной очистки газов
При санитарной очистке газов чаще всего используются хемосорбционные процессы, движущей силой которых является разность энтропии газа и жидкости:
(4.29)
где
– относительная скорость хемосорбции;
K
– константа массопередачи; S1
и S
– энтропии раствора и газа.
Согласно современным представлениям передача массы и энергии может определяться не только молекулярным обменом, зависящим от физических свойств взаимодействующих фаз, но и от степени турбулентности потоков, обусловливаемой гидродинамическим режимом в аппарате. При малых скоростях потоков молекулярные силы преобладают над инерционными и скорость процесса определяет молекулярная диффузия. С увеличением скорости потока инерционные силы становятся довольно значительными, и тогда масса и энергия переносятся не только молекулярной диффузией, но и конвективными токами. Дальнейшее увеличение скорости потока жидкости или газа может привести к разрыву граничной поверхности. В результате разрыва газовые вихри проникают в поток жидкости, вызывая состояние, так называемого эмульгирования жидкости.
В турбулентную пульсацию может быть вовлечена частично или полностью поверхность границы раздела фаз. При этом возникают вихри, способствующие конвективному переносу массы и энергии из одной фазы в другую. Такой режим отличается особой интенсивностью.
Так как при санитарной очистке газов концентрация извлекаемого компонента обычно не велика, то скорость таких процессов обычно определяется скоростью подвода реагирующих компонентов к поверхности раздела фаз. При малой скорости реакции общая скорость процесса может лимитироваться скоростью химической реакции, или скоростью отвода продуктов реакции от границы раздела фаз.
Примером санитарной очистки газов абсорбционным методом может служить процесс очистки вентиляционных выбросов от сероводорода в производстве вискозного волокна. На типовой установке объем очищаемых газов достигает 240000 м3 при содержании Н2S до 0.185 г/м3. Для очистки газов применяют хемосорбционные методы поглощения сероводорода: щелочно-гидрохиноновый и др.
Рассмотрим щелочно-гидрохиноновый метод. Сущность его состоит в поглощении Н2S щелочными растворами гидрохинона. В процессе регенерации рабочих растворов выделяется элементарная сера, которая является целевым продуктом. Гидрохинон является как бы катализатором процесса, а его расход зависит от протекания побочных реакций.
Процесс абсорбции состоит из последовательных стадий:
– взаимодействие сероводорода с содой
Na2CO3 + H2S = NaHS + NaHCO3;
– окисление гидросульфида хиноном (окисленная форма гидрохинона)
– регенерация кальцинированной соды
NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H2О;
регенерация хинона путем окисления гидрохинона кислородом воздуха
Последняя реакция осуществляется за счет кислорода вентгазов и протекает параллельно с реакциями поглощения и окисления сероводорода. Для более полного окисления гидрохинона проводится барботаж сжатого воздуха через поглотительный раствор. Чем выше содержание хинона в поглотительном растворе, тем активнее рабочий раствор.
Кроме основных реакций процесс сопровождается нежелательной реакцией окисления гидросульфида до тиосульфата натрия
2NaHS + 2О2 = Na2S2О3 + H2О.
В поглотительном растворе постепенно накапливаются балластные примеси – тиосульфат и гидрокарбонат натрия, что приводит к уменьшению поглотительной емкости растворов, снижению рН, увеличению вязкости растворов, что замедляет абсорбцию. В результате раствор приобретает восстановительные свойства, снижается способность гидрохинона к окислению в регенераторе. Для повышения активности растворов в него непрерывно добавляют свежие растворы соды и гидрохинона, а также гидроксид натрия для поддержания рН 9..9.5. Часть фильтрата после выделения элементарной серы сбрасывают в канализацию.
Степень очистки газа, как важнейший показатель процесса очистки, зависит от скорости движения потоков, интенсивности орошения абсорбера поглотительным раствором, рН и концентраций активных компонентов, содержания сероводорода в газе, температуры газа и раствора, а также метода контакта фаз.