Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физико-химические основы инженерной экологии. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 134 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

3) применение автономных мембранных устройств в

процессах интенсификации стадий очистки.

Мембранное разделение газов реализуется благодаря различной проницаемости компонентов газовой смеси через разделительные мембраны (перегородки). Движущей силой процесса является разность парциальных давлений компонентов газа по обе стороны мембраны. Чем выше эффективность мембран, тем ниже качество разделения исходной смеси.

Другие виды мембранных процессов (баромембранное разделение, электромембранное разделение и т.п.) в области газоочистки не используются. При этом основным недостатком мембранного способа очистки газа является загрязнение мембран, а их очистка механическим, гидромеханическим, физическим и химическим способами сложна, дорога и трудоемка.

Конструктивные решения данного метода могут быть самыми разнообразными. Например, встраивание мембранных устройств (модулей) в газовые «хвосты» выбросов технологических процессов; встраивание мембранных модулей в технологическую схему процесса; применение газовых смесей, приготовленных мембранными способами, для интенсификации стадий очистки твердых и жидких отходов.

В настоящее время промышленно производят следующие основные газораспределительные полимерные мембраны:

¾ асимметричная плоская мембрана из поливенилтриме- тилсилана (ИНХС АН СССР, НПО «Пластмассы», 1975г.);

¾ композитное полисульфоновое полое волокно (фирма «Монсанто», США,1979 г.);

¾ композитная плоская мембрана на основе сшитых по- ликсилоксанов (фирма «Асахи Гласс», Япония, 1980 г.) и др.

В ряде крупных химических и нефтехимических производств начинают внедряться мембранные методы выделения целевых компонентов из технологических газовых смесей, что помимо ресурсосбережения, позволяет уменьшить или предотвратить вредные газовые выбросы в атмосферу. Одним из

примеров мембранного разделения газовых выбросов служит разделение биогаза. Эта проблема возникла в крупных городах, где строятся гигантские станции по переработке отходов. Мембранные газораспределительные устройства могут быть использованы при создании экологически чистых двигателей внутреннего сгорания.

Как традиционные, так и перспективные методы очистки газообразных выбросов делятся на деструктивные и регенеративные. Первые позволяют трансформировать компоненты выбросов в менее вредные, вторые – возвращать эти компоненты в производство. Внедрение последних можно рассматривать в качестве важного этапа в разработке мало- и безотходных технологических процессов.

Глава 3

АБСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

В технологических процессах экологической безопасности абсорбционные методы применяются для очистки газов от диоксида серы, сероводорода, сероуглерода и меркаптана, оксидов азота, оксида углерода, от галогенов и их соединений.

Абсорбционные методы основаны на различной растворимости компонентов газовой смеси в жидкостях. Применение абсорбционных методов, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбция растворенного газа (или регенерация растворителя) проводится обычно путем снижения общего давления или парциального давления примеси, повышения температуры или с использованием обоих приемов.

3.1. Статика и кинетика абсорбции

Поскольку абсорбция является типичным процессом взаимного обмена веществом соприкасающихся фаз, то для ее описания используются закономерности массообменных процессов. Общим для процессов является то, что в них участвуют, по меньшей мере, две фазы, причем распределяемый компонент (вещество) переходит из одной фазы в другую через границу раздела фаз.

В каждой фазе различают две области: ядро (основная масса) и пограничный слой, образующийся у поверхности раздела фаз. Перенос распределяемого вещества в ядре фазы осуществляется за счет конвективной диффузии. Вследствие интенсивного перемешивания в ядре фазы концентрация распределяемого вещества в каждом сечении системы практически постоянна. Пограничный слой является областью резкого изменения концентрации распределяемого вещества.

Процесс перехода вещества из одной фазы в другую через границу раздела фаз носит название массопередачи, процесс переноса вещества из объема фазы к границе раздела или в противоположном направлении – массоотдачи.

Пусть имеются две фазы G и L, причем распределяемое вещество находится вначале только в первой фазе G и имеет рабочую концентрацию Y. Если привести фазы в соприкосновение, то распределяемое вещество начнет переходить в фазу L. С момента появления вещества в фазе L начнется и обратный переход его в фазу G. В состоянии равновесия существует определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в обеих фазах – любой концентрации Х этого вещества в фазе L соответствует его равновесная концентрация Y* в фазе G:

Y* = f (X) (3.1)

Схема передачи газообразного компонента из газовой фазы, в которой его концентрация равна Y, в жидкую, в которой его концентрация равна X, приведена на рис.3.1,а.

Равновесие между фазами можно представить графически на Y–X-диаграмме (линия ОС рис.3.1,б – линия равновесия). Условие равновесия, выраженнoe уравнением (3.1), позволяет определить направ центрация Y paспределяемого вещества в фазе G больше равновесной (Y >Y*), вещество будет переходить из фазы G в фа-

ление процесса. Если рабочая кон-

зу L. И наоборот, если Y <Y*, – будет наблюдаться обратный переход.

Рис. 3.1. Схема процесса массопередачи:

а – между газом и жидкостью или между двумя

несмешивающимися жидкостями: FF – граница раздела фаз;

б – Y–X-диаграмма процесса

Условия равновесия характеризуют статику процесса, показывая пределы, до которых может протекать данный процесс. Движущая сила процесса переноса вещества обусловлена отклонением системы от состояния равновесия.

Процессы массоотдачи и массопередачи характеризуются уравнениями гидродинамики и конвективной диффузии, поэтому процесс абсорбции оценивается с помощью приближенных моделей.

В первом приближении концентрация распределяемого вещества в фазе G уменьшается от величины Y в ядре потока до величины YF на границе раздела фаз. В фазе L концентрация распределяемого вещества уменьшается от величины X на границе раздела фаз, до величины X в ядре потока. При установившемся режиме на границе раздела фаз наблюдается равновесие, т. е. концентрации X

и YF (рис. 3.1,а) являются

равновесными:

≡ X* и YF ≡ Y*. (3.2)

Поток вещества в пределах одной фазы в процессе абсорбции описывается уравнением массоотдачи:

N = β F Δ, (3.3)

где N – количество газового компонента, переносимого от ядра газового потока к межфазной поверхности или от межфазной поверхности к центру потока жидкости; β – коэффициент пропорциональности (коэффициент массоотдачи), выражающий количество вещества, переносимое внутри фазы в единицу времени через единицу поверхности при движущей силе, равной единице; F – величина поверхности соприкос- новения фаз; Δ – движущая сила процесса массоотдачи.

Переход вещества от ядра газового потока к межфазной поверхности определяется как разность концентраций (Y – YF), а перенос вещества от межфазной поверхности к центру потока жидкости как разность (XF – X). Разности концентраций (Y – YF) или (XF –X), являются движущей силой процесса массоотдачи. Тогда уравнения массообмена (3.3) в пределах фазы (газовой, жидкой) имеют соответственно вид:

N = βG F(Y – YF), (3.4*)

= βL F(XF – X), (3.4**)

где N – количество вещества, перешедшего в пределах одной фазы от или к поверхности раздела фаз; βG и βL – коэффициенты массоотдачи в соответствующих фазах.

Движущая сила процесса может быть выражена в любых единицах, применяемых для выражения составов фаз. Размерность коэффициента массоотдачи определяется единицами, принятыми для выражения движущей силы.

Уравнение, описывающее переход компонента из газовой фазы в жидкую, называется уравнением массопередачи:

N = KG F Δ= KG F(Y – Y*), (3.5)

где N – количество вещества, перешедшего из фазы в фазу;

– коэффициент массопередачи, отнесенный к концентра-

ции газообразного компонента в газовой фазе; Y* – концентрация газа в фазе G, равновесная c концентрацией жидкости Х в ядре фазы L; F – величина поверхности соприкосновения фаз; Δ – движущая сила процесса массопередачи.

Сложность анализа процессов массопередачи, протекающих в колонных аппаратах, состоит в том, что в большинстве случаев точно не известны ни величина поверхности контакта фаз, ни значения X* и Y*. По у

равнению (3.5) можно рассчитать поверхность соприкосновения газа и жидкости, которую нужно создать в аппарате для достаточно полного поглощения извлекаемого компонента, после чего определить размеры самого аппарата. Для этого необходимо определить среднее значение движущей силы Δ, исходя из ее значений в начале и в конце аппарата.

Связь коэффициентов массообмена. Коэффициенты

массоотдачи характеризуют кинетику процесса переноса вещества в отдельной фазе и зависят от ее физических свойств и гидродинамического состояния. Коэффициенты массопередачи характеризуют кинетику процесса распределения компонента из отдающей фазы в принимающую, т.е. во всей системе в целом.

Величины, обратные коэффициентам массоо

тдачи, имеют смысл сопротивлений массопереносу в соответствующих фазах и называются фазовыми сопротивлениями массоотдачи. Относительный вклад фазовых сопротивлений в общее сопротивление зависит от условий фазового равновесия.

Если допустить, что линия равновесия (3.1) представля-

ет собой прямую (идеальные растворы), то:

Y* =k X, (3.6)

где k – константа фазового равновесия (коэффициент распределения).

Достаточно точно для технических расчетов уравнение (3.6) описывает равновесие для плохо растворимых газов. Для газов со сравнительно высокой растворимостью оно справедливо лишь при низких их концентрациях. При этом на границе раздела фаз выполняется условие:

YF = kXF, (3.7)

где k –константа фазового равновесия. Т.о., концентрации в фазе L можно выразить через концентрации в фазе G:

XF = YF/ k, (3.8)

X = Y*/ k. (3.9)

Подставляя значения XF и X в уравнение (3.3), получим:

N = [βL F (YF –Y*)]/ k. (3.10)

Определим из уравнений (3.4*) и (3.10) движущую силу процесса:

= N/ βG F, (3.11)

Y–Y

YF –Y*= N/ βL F. (3.12)

Складывая почленно эти уравнения, получим:

Y –Y*= N [1/ βG + k/ βL] / F. (3.13)

Уравнение массопередачи (3.5) для рассматриваемого случая имеет вид:

Y –Y*= N/ KG F. (3.14)

Приравнивая правые части уравнений (3.13) и (3.14), находим зависимость между коэффицентами массоотдачи βG и βL и массопередачи KG:

1/ KG = 1/ βG + k/ βL, (3.15)

здесь k – среднее значение константы фазового равновесия:

k = (YF –Y*)/(XF – X). (3.16)

Аналогично коэффициент массопередачи KL, отнесенный к концентрации газообразного компонента в жидкой фазе, можно выразить:

1/ KL = 1/ k βG +1 / βL. (3.15*)

Графически выражение уравнения (3.16) приведено на рис. 3.1,б. Если через точку М с координатами X иY провести прямую МQ, причем tgα = βL /βG , то координаты Q точки пересечения этой прямой с линией равновесия ОС будут выражать концентрации компонента у поверхности раздела фаз (XF, YF), а угол наклона хорды NQ определит величину коэффициента k.

В уравнении (3.15*) член 1/ β

выражает сопротивление

переходу вещества в фазе G, а член k/ βL – сопротивление в фазе L, и таким образом слагаемые правой части уравнения

(3.15*) определяют сопротивление переходу вещества в фазе G и L соответственно.

Соотношение сопротивлений фаз зависит от типа абсорбера, режима его работы, парциального давления абсорбируемого компонента, температуры и других факторов.

Материальный баланс процессов массообмена. В расчетах процесса абсорбции используются уравнения материального и теплового балансов.

В колонных абсорберах контакт фаз может осуществляться либо непрерывно, либо ступенчато, когда в каждой ступени фазы взаимодействуют друг с другом, а по выходу из ступени – разделяются. В обоих случаях эффективность массообмена определяется направлением относительного движения фаз и структурой их потоков. По направлению относительного движения фаз различают: противоток, прямоток и перекрестный ток.

Рассмотрим противоточную схему движения потоков в колонном аппарате для абсорбции (рис. 3.2), принятой в системах газоочистки. В аппарат поступают фазы G (например, газ) и L (например, жидкость). Пусть расход носителя в фазе G составляет G кг/сек, а в фазе L – L кг/сек. Содержание распределяемого компонента, выраженное в виде относительных весовых составов, в фазе G обозначим через Y, в фазе L – через Х.

Рис. 3.2. Схема движения потоков в противоточном аппарате

Предполагая, что распределяемый компонент переходит из фазы G в фазу L (например, абсорбируется из газовой смеси жидкостью). Причем содержание этого компонента в фазе

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 134 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]