5.1.4. Очистка промышленных выбросов от газообразных примесей

Для удаления газообразных компонентов применяются различные процессы газоочистки. Преимущественно применяются ионообмен и сорбционные методы, т.е. процессы абсорбции и адсорбции. Процессы сорбции являются процессами массообмена, т.е. диффузионного перехода газообразного компонента в жидкую или твердую среду.

Иногда вредные компоненты газовой смеси выгодно превращать в другие, менее токсичные вещества химическим путем и выбрасывать вместе с исходным газом-носителем, при этом используются методы каталитической и термической очистки.

Расчет абсорберов

Абсорберы классифицируются по способу образования поверхности соприкосновения между жидкостью и газом на поверхностные, распыливающие и барботажные абсорберы.

Примером поверхностного абсорбера может служить насадочный абсорбер (рис. 6.1), являющийся самым распространенным аппаратом в своем классе. Аппарат представляет собой вертикальный цилиндр, заполненный орошаемой сверху насадкой, сквозь которую снизу вверх подается пылегазовая смесь. В качестве насадки применяют тонкостенные керамические или стальные кольца высотой, равной диаметру, изменяющемуся в пределах 15–150 мм. Мелкие кольца засыпаются навалом, а большие укладываются упорядоченно. Применяют также хордовую насадку, куски кокса или дробленный кварц размером 25–100 мм. Насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и абсорбента. Подвод жидкости осуществляется с помощью оросителя, обеспечивающего равномерное орошение насадки. Расход жидкости находится обычно в пределах 5–20 м³/ч на 1 м² поверхности насадки.

Рис. 6.1. Схемы распространенных абсорберов (слева направо) насадочный абсорбер, полый абсорбер, абсорбер Вентури и барботажный абсорбер: 1 – корпус; 2 – гидрозатвор; 3 – оросительное устройство; 4 – насадка; 5 – опорная труба; 6 – форсунки; 7 – труба Вентури; 8 – каплеуловитель; 9 – решетка; 10 – слой пены или барботажный слой; зг – загрязненный газ; ог – очищенный газ; ж – абсорбент; ш – шлам, идущий на регенерацию абсорбента.

Полый распыливающий абсорбер (рис. 6.1) представляет собой вертикальный цилиндр, в верхней части которого расположена система форсунок, равномерно распыливающих подаваемый в абсорбер абсорбент. Газ поднимается вверх и орошается мелкораспыленной жидкостью. Размер капель в аппарате должен быть меньше 0,8–1,0 мм.

Более эффективными абсорберами последнего типа являются абсорберы Вентури (рис. 6.1), распыливающие абсорбент в потоке движущегося газа со скоростью до 100 м/с. Конструкция этих аппаратов аналогична конструкции скрубберов Вентури, и представляет собой вертикальный корпус, применяемый как каплеуловитель, с установленной в него трубой Вентури.

Барботажные абсорберы (рис. 6.1) представляют собой вертикальный корпус, снабженный горизонтальной решеткой (тарелкой). На решетке располагается слой жидкости, продуваемый снизу очищаемым газом.

При расчете абсорберов исходными данными обычно являются: расход газа, идущего на очистку, начальные концентрации поглощаемого компонента (сорбтива) в жидкой (абсорбенте) и газовой фазах и конечная концентрация сорбтива в газовой фазе или степень очистки. Задаются также условия проведения процесса, т.е. средняя температура в аппарате и абсолютное давление.

Основными определяемыми величинами являются: расход жидкого абсорбента, размеры аппарата и его гидравлическое сопротивление.

Расход абсорбента определяется из уравнения материального баланса процесса абсорбции, выражающего равенство количества поглощаемого компонента за единицу времени уменьшения абсолютного количества компонента в газовой фазе и его увеличению в жидкой фазе

,

(6.1)

где n_c – количество сорбтива, кмоль сорбтива / с; n_y, n_x – количество чистых (без учета сорбтива) газовой (г.ф.) и жидкой фаз (ж.ф.), между которыми происходит обмен сорбтивом, кмоль г.ф./с и кмоль ж.ф./с; Y_н, Y_в­ – относительные мольные концентрации поглощаемого компонента в газовой фазе верхней и нижней зонах абсорбера, кмоль сорбтива / кмоль г.ф.; X_н, X_в­ – то же для жидкой фазы, кмоль сорбтива / кмоль ж.ф. Для удобства использования уравнение (6.1) преобразуется в уравнение (6.2).

При известных мольных долях поглощаемого компонента в нижней и верхней реакционных зонах аппарата в газовой и жидкой фазах, а также расходе одной из фаз, с учетом содержащегося в нем сорбтива можно определить расход другой фазы. Выразим относительные мольные концентрации поглощаемого компонента через мольные доли:

,

(6.2)

где y_н, y_в­ – мольные доли поглощаемого компонента в газовой фазе внизу и вверху абсорбера, кмоль сорбтива / кмоль сорбтива + г.ф.; x_н, x_в­ – то же для жидкой фазы, кмоль сорбтива / кмоль сорбтива + ж.ф.

Совершая арифметические действия над уравнением (6.2) получаем

.

(6.3)

Учитывая, что расходы чистых газа и абсорбента равны

	,	(6.4)
	,	(6.5)

получаем

,

(6.6)

где , – количество газовой фазы с учетом сорбтива вверху и внизу абсорбера, кмоль сорбтива + г.ф./с; , – количество абсорбента с учетом сорбтива вверху и внизу абсорбера, кмоль сорбтива + ж.ф./с.

Последнее уравнение используется, в основном, для нахождения расхода жидкого поглотителя и количества сорбтива, перешедшего из газовой фазы в жидкую в единицу времени.

Ранее отмечалось, что величины y_в, y_н, x_в содержатся в задании, а конечной концентрацией сорбтива в абсорбенте x_н задаются (см. пример расчета), исходя их того, что она должна быть меньше равновесной, вычисленной на основании законов межфазного равновесия для идеальных растворов – закона Генри или закона Рауля, согласно которым равновесная линия процесса выражается уравнением:

,

(6.7)

где y* – мольная доля компонента в газовой фазе, равновесной с жидкостью, кмоль/кмоль; x – мольная доля компонента в жидкости, кмоль/кмоль; m – безразмерный коэффициент (коэффициент распределения; определяется по тангенсу угла наклона линии равновесия), постоянный для данной системы жидкость–газ при постоянных давлении и температуре, равный для закона Генри E/P и p^нас/P для закона Рауля; E – коэффициент Генри, зависящий от температуры и от природы газа или жидкости, Па; P – общее давление смеси газов или паров, т.е. абсолютное давление в аппарате, Па; p^нас­ – давление насыщенного пара чистого компонента – однозначная функция температуры, Па.

Зависимость давления насыщенного пара чистого вещества от температуры часто описывается уравнением:

,

(6.8)

где t – температура системы, С; A, B и C – эмпирические коэффициенты (константы Антуана), приведенные для некоторых веществ в следующей таблице.

Таблица 6.1
Значения коэффициентов Антуана для некоторых веществ
Вещество, формула	Постоянные Антуана
	A	B	C
Азот N2	4,428	52,7	230
Аммиак NH3	5,007	1198	273
Ацетилен С2H2	7,571	925,59	283
Бром Br2	9,82	2210	73
Водорода фторид HF	7,3739	1316,8	273
Кислота хлорводородная HCl	8,443	1023,1	273
Кислота циановодородная HCN	9,372	1877	273
Сероводород H2S	8,50	1175,3	273
Серы (IV) оксид SO2	4,898	1227	273
Серы (VI) оксид SO3	9,89	2230	273
Углерода диоксид CO2	9,9082	1367,3	273
Углерода оксид CO	3,98	3241	273
Этан С2H6	7,673	1096,9	320

Диаметр аппарата выбирают исходя из уравнения

,

(6.9)

где F_сеч = V_г / w_г – площадь сечения, определенная из уравнения расхода, м²; V_г – расход газа при рабочих условиях, м³/с; w_г – фиктивная рабочая скорость газа, м/с, принимаемая на 10–25% меньше, чем фиктивная скорость газа w_з в точке захлебывания (инверсии), т.е.

wг = (0,75÷0,90)wз.

(6.10)

При _x >> _у скорость захлебывания можно определить из уравнения

,

(6.11)

где f₀ – удельная поверхность насадки, м²/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; V_cв – свободный объем насадки, м³/м³; _у и _х – плотности газа и абсорбента при рабочих условиях, кг/м³; _х – динамический коэффициент вязкости абсорбента при рабочих условиях, мПас; m_у и m­_х – массовые расходы газа и абсорбента, кг/с; A = 0,022 для насадки из колец или спиралей.

Скорость газа в абсорбере лимитируется ростом каплеуноса и гидравлическим сопротивлением. В насадочных абсорберах и полых абсорберах с каплеуловителем скорость не превышает 5–5,5 м/с, в полых абсорберах без каплеуловителя 1–1,5 м/с.

При расчетах абсорберов характеристики насадок определяются по справочным данным (см. табл. 6.2).

Таблица 6.2
Характеристики беспорядочно лежащих керамических колец
Характеристика	Размер, мм
	25x25x3	50x50x5
Удельная поверхность f0, м2/м3	260	90
Свободный объем Vc, м3/м3	0,75	0,78
Удельная масса, кг/м3	530	530
Средний коэффициент сопротивления ζ	500-600	130-140
Эквивалентный диаметр dэкв, мм	15	35

Требуемая общая высота слоя насадки в цепи аппаратов рассчитывают по формуле, м:

,

(6.12)

где F_нас – требуемая поверхность массопередачи (общая поверхность насадки), м²;  - коэффициент смоченности насадки, доли ед. (при упрощенном расчете равен 1).

Величина F_нас определяется из уравнения массопередачи (в данном случае выраженное через движущую силу по газовой фазе):

,

(6.13)

где n_с – количество поглощаемого компонента за единицу времени, кмоль/с; K_y – коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе по газовой фазе, ; y_ср – средняя для всего процесса движущая сила, выраженная по газовой фазе, кмоль/кмоль.