11.2 Использование адсорберов для очистки выбросов от вредных газообразных примесей

Адсорбцию применяют обычно при малом содержании в газовоздушной смеси вредных компонентов. Основное внимание уделяют выбору адсорбентов, используемых в системах очистки отходящих газов. Они должны удовлетворять следующим требованиям: иметь большую адсорбционную способность, обладать высокой селективностью, иметь высокую механическую прочность, обладать способностью к регенерации. На практике нашли применение активированные угли, глинозем, силикагели и цеолиты. Широко используется активированный уголь, обладающий высокой адсорбционной способностью, развитой удельной поверхностью, гидрофобностью и отличающийся дешевизной. Однако его недостатком является горючесть (процесс окисления начинается при температуре 250⁰ С).

С учетом свойств адсорбентов организуется процесс их регенерации, которую осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим воздухом.

Различают адсорберы периодического действия (в этом случае адсорбент неподвижен) и постоянного (адсорбент движется). У первых период очистки газа чередуется с периодом регенерации или замены адсорбента. Их конструктивное исполнение простое, благодаря чему такие адсорберы применяют чаще.

Адсорберы периодического действия могут быть с неподвижным и кипящим слоем адсорбента. Адсорберы с неподвижным слоем представляют собой цилиндрические вертикальные или горизонтальные емкости, заполненные слоем адсорбента. В таких аппаратах адсорбцию проводят по стадиям: 1) адсорбция; 2) десорбция; 3) сушка адсорбента; 4) охлаждение адсорбента. Новые конструкции адсорбентов периодического действия позволяют более эффективно проводить процесс. К ним относят адсорбер полочного многосекционного типа (рис. 11.3). Предложены конструкции, в которых стадии адсорбции и десорбции совмещены в одном корпусе.

Рис.11.3 Адсорбер полочного типа с неподвижными слоями адсорбента: 1-корпус; 2-слой адсорбента.

Недостатком адсорбентов периодического действия являются низкие скорости газового потока, вследствие чего для достижения нужной производительности аппараты отличаются большими габаритами, высокой металлоемкостью, гидравлическим сопротивлением и энергозатратами. Более интенсивны аппараты непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента. Они имеют ряд дополнительных преимуществ: позволяют более точно использовать адсорбционную способность сорбента, организовать одновременно процесс десорбции с целью регенерации сорбента, их габариты значительно меньше.

Предложено несколько конструкций аппаратов непрерывного действия. Схема адсорбера с движущимся слоем зернистого адсорбента показана на рис. 11.4, с псевдоожиженным слоем – на рис. 11.5.

К недостаткам адсорберов непрерывного действия относятся значительные потери адсорбента за счет ударов и истирания частиц, а также большие энергетические потери, связанные с преодолением гидравлического слоя адсорбента.

Рис. 11.4 Адсорбер с движущимся слоем адсорбента: 1 - зона адсорбции; 2 - распределительные тарелки; 3 - холодильник; 4 - подогреватель; 5 - затвор.	Рис.11.5 Схема многоступенчатого адсорбера с псевдоожиженным слоем: 1 - псевдоожиженный слой; 2 - решетка; 3 - переток; 4 - затвор.

Пример использования адсорберов непрерывного действия в технической схеме адсорбционной установки для удаления диоксида серы SО₂ из горячего топочного газа приведен на рис. 11.6. Основным агрегатом установки служит адсорбер, который заполнен активированным углем. Горячий топочный газ проходит теплообменник 2, подогревает воздух, поступающий в топку, и подается в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150…200⁰С происходит улавливание SO₂. Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переводится в десорбер 5, где с помощью подогревателя 3 поддерживается температура 300…600⁰С. Богатый оксидом серы газ выводится из десорбера и может быть полезно использован. Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4 и затем с помощью ковшового элеватора подается в верхнюю часть адсорбера.

Рис.11.6. Адсорбционная установка для удаления SO2 из горячего топочного газа

При проектировании адсорбера используют следующие исходные данные:

- объемный расход очищаемого газа Q, м³/с;

- концентрация удаляемой примеси С_о, мг/м³;

- давление отходящих газов, Па.

В результате расчета определяют:

- потребную массу адсорбента;

- конструктивные размеры;

- гидравлическое сопротивление аппарата;

- время защитного действия адсорбера.

На первом этапе расчета и проектирования адсорбера выбирают рабочую температуру и тип сорбента. Для увеличения адсорбционной способности сорбента рабочую температуру, как правило, выбирают минимально возможной. Выбор типа сорбента производят по изотермам адсорбции при рабочих параметрах температуры и концентрации примеси, исходя из условия минимальной массы сорбента.

Минимальную необходимую массу сорбента определяют из уравнения материального баланса по улавливаемому компоненту:

m = 10³ · · k₃ , (11.7)

где a_∞ - статическая поглотительная способность адсорбента в рабочих условиях, мг/кг;

t - время процесса адсорбции, с;

k₃ - коэффициент запаса, равный 1,1…1,2.

Скорость потока газа в адсорбере рассчитывают исходя из допустимого падения давления в адсорбере:

, (11.8)

где k_ф =1,5d₃l₃(l₃ +0,5d₃)^-1(1,5d₃²l₃)^-1,3 – коэффициент формы зерна сорбента, учитывающий неравную доступность всей поверхности зерна обдувающему потоку;

∆р – допустимое падение давления в адсорбере;

d_э – эквивалентный диаметр зерна сорбента в м³, который для цилиндрических зерен длиной l₃ и диаметром d₃ определяются по формуле:

; (11.9)

П_н=(р_к - р_н)/р_к – пористость слоя сорбента, определяемая через кажущуюся р_к и насыпную р_н плотности сорбента;

ζ - коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый в зависимости от режима течения газа: при R_e<50 ζ =220/R_e, при 50≤ R_e ≤7200 ζ=11,6/R_e^0,25 , где R_e=ω_rd₃ рr/μ – критерий Рейнольдса.

Обычно, исходя из условий обеспечения необходимого времени контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических сопротивлений, значение выбирают в пределах 0,15…0,5 м/с.

Геометрические размеры адсорбера (диаметр D и длина L слоя адсорбента) рассчитываются по формулам:

; . (11.10; 11.11)

Время защитного действия адсорбера определяют, исходя из характера кривой изотермы адсорбции. Для области изотермы адсорбции, в которой соблюдается закон Генри (α= Г·c, где Г – безразмерный коэффициент Генри, равный отношению количества адсорбированного вещества α_о к начальной концентрации вещества в газовом потоке с_о), продолжительность адсорбции составляет:

, (11.12)

где S_уд=4(1- П_н)(d₃l₃)^-1(0,5d₃ +l₃) - удельная поверхность адсорбента, м²/м³.

Коэффициент b определяют (табл. 11.1) в зависимости от отношения содержания поглощаемого вещества в газовом потоке на выходе и входе адсорбера.

Таблица 11.1 - Коэффициент b в зависимости от отношения содержания поглощаемого вещества в газовом потоке на выходе и входе адсорбера.

c/cо	b	c/cо	b	c/cо	b
0,005	1,84	0,1	0,91	0,5	0,07
0,01	1,67	0,2	0,63	0,6	-0,10
0,03	1,35	0,3	0,42	0,8	-0,27
0,05	1,19	0,4	0,23	0,9	-0,68

Коэффициент массопередачи (β, с^-1) определяют в зависимости от режима течения газа по формулам:

β=0,833 R_e^0,47P_r^0,35D/d² R_e , при R_e<30, (11.13)

β=0,53 R_e^0,64 P_r^0,33D/d² R_e , при R_e=30…50 , (11.14)

где P_r =ν/D- диффузный критерий Прандля;

ν - коэффициент кинематической вязкости газа при рабочих условиях, м³/с;

D=D_о(Т/Т_о)^1.5(р_о/р) – коэффициент диффузии улавливаемого газа в воздухе,м₂/с;

D_о - коэффициент диффузии при Т_о =237К и р_о =101,3 кПа.

Для области изотермы адсорбции, в которой соблюдается уравнение Лэнгмюра:

α=АВс(1+А_с)^-1, (11.15)

где А и В – константы, зависящие от свойств адсорбента и адсорбируемого вещества;

продолжительность адсорбции:

, (11.16)

где с₁ - количество вещества в газовом потоке, равновесное количеству вещества, равному половине α_∞;

с_к- содержание вещества в газовом потоке.

Для области изотермы адсорбции, где значение адсорбции практически не зависит от содержания вещества в газовом потоке (т.е. α≈В), продолжительность адсорбции:

(11.17)

Если полученное время защитного действия адсорбера отличается от заданного на ∆τ, то длину аппарата меняют на ∆L:

, (11.18)

а затем пересчитывают массу сорбента. Остальной расчет корректировки не требует.