Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы инженерной экологии. Учебное пособие
.pdf
G уменьшается от Y1 (на входе в аппарат) до Y2 (на выходе из
аппарата). Соответственно содержание этого же компонента
в фазе L увеличивается от Х2 (при входе в аппарат) до Х1 (на
выходе из аппарата). Носители не участвуют в процессе массообмена; следовательно, их количества G и L не изменяются
по длине аппарата. Тогда количество компонента, перешедшего из фазы G, составит:
G Y1 – G Y2= G (Y1– Y2), (3.17)
а количество компонента, перешедшего в фазу L:
L X1 – L X2 = L (X1–X2). (3.18)
Оба эти количества равны, поэтому уравнение материального баланса имеет вид:
G (Y1– Y2) = L (X1–X2). (3.19)
Отсюда соотношение между количествами носителя в
обеих фазах:
l = L / G= (Y1– Y2) / (X1–X2), (3.20)
где l –удельный расход поглотителя (кг / кг поглотителя).
При полном извлечении компонента из газа его содержание в газовой фазе на выходе из абсорбера было бы Y
=0,
2
а количество поглощенного компонента составило бы GY1.
Отношение фактически поглощенного количества компонента G(Y
чении GY
) к количеству, поглощаемому при полном извле-
1 –Y2
, называется степенью извлечения:
1
ε = G(Y1 –Y2) / GY1 =(Y1 –Y2) / Y1 (3.21)
Рассматривая произвольное сечение аппарата ММ, в котором составы фаз Y и Х соответственно (рис.3.2), напишем
41
уравнение материального баланса для части аппарата, расположенной выше этого сечения:
G Y+ L X2= G Y2 + LX (3.22)
Y = Y2 +(L / G)(X – X2) = Y2 + l (X – X2) (3.23)
Уравнение (3.23), называется уравнением рабочей линии и выражает зависимость между неравновесными составами фаз (Y, Х) в любом сечении аппарата. Как видно из
уравнения (3.23), на диаграмме Y–Х (рис. 3.1,б) рабочая линия представляет собой прямую с наклоном к оси абсцисс
под углом, тангенс которого равен l.
Подставив в уравнение (3.23) значение l из уравнения
(3.22), после простейших преобразований получим соотношение:
(Y – Y2) / (Y1 – Y2) = (X – X2) / (X1 – X2) (3.24)
которое есть уравнение прямой, проходящей через точку А с
координатами (X1,Y1) и через точку В с координатами (X2,Y2).
Рабочая линия процесса абсорбции на диаграмме Y–X
расположена выше линии равновесия ОС, так как при абсорбции содержание компонента в газовой фазе выше равновесного. При десорбции, наоборот, рабочая линия лежит ниже линии равновесия.
Для построения рабочей линии процесса абсорбции необходимо знать составы фаз на входе в абсорбер (X
2,Y1
) и на
выходе из него (X1,Y2). По этим составам строят точки А и В
(рис. 3.3), а расход поглотителя определяют по уравнению
(3.20). Однако, обычно заданы только начальные составы фаз
(Y
, X2) и степень извлечения компонента ε. Заданным усло-
1
виям соответствует определенное значение Y2, которое можно найти по формуле (3.21) и таким образом построить точку
В.
42
В зависимости от удельного расхода поглотителя рабочая линия будет поворачиваться около точки В, причем точка
А будет перемещаться по горизонтали, соответствующей ординате Y1. Положение А*В, когда точка А* лежит на линии
равновесия (рис. 3.3,а) или когда рабочая линия касается линии равновесия (рис. 3.3,б), соответствует минимальному
расходу поглотителя.
Рис. 3.3. Определение минимального расхода поглотителя:
а – линия равновесия обращена выпуклостью вниз;
б – линия равновесия обращена выпуклостью вверх;
ОС – линия равновесия; АВ – рабочая линия;
А*В – предельное положение рабочей линии,
соответствующее минимальному расходу поглотителя
Тепловой баланс процесса абсорбции. Если абсорбция
ведется без отвода тепла или с неполным его отводом, температура процесса повышается вследствие выделения тепла при
растворении газа в жидкости. Повышение температуры ведет
к повышению равновесного парциального давления компонента и к сдвигу линии равновесия вверх. Движущая сила при
этом уменьшается и условия абсорбции ух
ство выделяющегося при абсорбции тепла составляет:
43
удшаются. Количе-
Q = М Ф = Ф L (Х1 – Х2), (3.25)
где Ф – дифференциальная теплота растворения (дж/кг), т. е.
количество тепла, выделяющегося при поглощении 1 кг компонента в растворе данной концентрации; М – количество
поглощенного компонента, кг/сек.
Если абсорбция ведется без отвода тепла, можно считать, что все выделяющееся тепло идет на нагревание жидкости:
Q = L c (t1 – t2), (3.26)
где с – удельная теплоемкость жидкости; tj и t2 – температуры жидкости на выходе из абсорбера и на входе в него.
Приравнивая правые части уравнений (3.25) и (3.26),
получим уравнение теплового баланса абсорбера, работающего без отвода тепла:
Ф (Х1 – Х2) = с (t1 – t2). (3.27)
Для части абсорбера, расположенной выше сечения, в
котором состав жидкости равен Х, а температура t, это уравнение примет вид:
Ф (Х – Х2) = с (t – t2), (3.28)
откуда температура жидкости в любом сечении абсорбера
при составе жидкости Х будет составлять:
t = t2 + (Ф/с) (Х – Х2). (29)
При построении линии равновесия для каждого значения Х надо определить t по уравнению (3.29), а затем найти
Y* для этих значений Х и t.
44
3.2. Очистка газовых выбросов от диоксида серы
Наибольшее количество выбрасываемых сернистых газов (более 10% общего количества SO2) составляют топочные газы от сжигания серосодержащих топлив, мазута и каменных углей в энергетических и технологических установках. Концентрация серы в этих газах пропорциональна содержанию серы в топливе и составляет от 0,15% до 0,3%. Так
современная ТЭС мощностью 1000 МВт, сжигающая в день
9000 тонн угля с 2%-ным содержанием серы, производит,
соответственно, 360 тонн SO2.
Вторым по общему объему выбрасываемого диоксида
серы источником загрязнения атмосферы являются предприятия металлургической и газоперерабатывающей отрасли, в
первую очередь – предприятия цветной металлургии. Подавляющее большинство выбросов содержит от 0,5 до 1,5% диоксида серы и выше – вплоть до 70%, что является достаточным для организации производства серной кислоты, чему
мешает лишь удаленность предприятия по первичной обработке руд цветных металлов от районов, где серная кислота
могла бы быть использована.
Россия входит в конвенцию по SO2 и участвует во всех
процессах, способствующих снижению выбросов окислов
серы в атмосферу.
Рассматривая возможные методы превращения одного
из наиболее крупнотоннажных и опасных загрязняющих веществ – диоксида серы – надо иметь в виду, что основной
вопрос заключается не в том, какую химическую реакцию
связывания SO2 выбрать. На практике основная трудность
заключается в необходимости очистки отходящих газов,
сильно разбавленных другими продуктами сгорания с высокой запыленностью и большого реакционного объема, а также в необходимости получения товарной продукции без сооружения дополнительных складов для хранения отходов.
45
Известковый метод основан на применении дешевого
и доступного сорбента – широко распространенного природного известняка. При этом в качестве абсорбента используется суспензия известняка. Во многих случаях используют суспензию извести (обожженного известняка), обладающую более высокой реакционной способностью по отношению к поглощаемой двуокиси серы, что объясняется большей растворимостью окиси кальция и значительно более высоким значением рH суспензии. Поглощение суспензиями протекает
по следующим реакциям:
СаСО3 + SО2 = СаSО3 + СО2;
СаО + SO2 = CaSО3;
2CaSО3 + О2 = 2CaSО4.
Сухой порошок сульфата затем извлекают из газового
потока с помощью сухих методов очистки, или промывкой в
скруббере. Эффективность сухой очистки достигает 40-70%,
мокрой очистки – свыше 90%. Принципиальная схема известкового метода очистки представлена на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Схема известкового метода:
ПГС – паро-газовая смесь на очистку; 1 – абсорбер; 2 – кристаллизатор;
3 – реактор для приготовления поглотительной суспензии;
4 – узел вывода шлама (центрифуга, фильтр или сгуститель);
5 – классификатор сухого известняка; 6 – мельница; 7 – дробилка
46
Метод внедрен в промышленность в ряде стран, в том
числе и в России. Наибольшее распространение рассматриваемый вариант очистки получил в США и Японии, где функционируют несколько десятков промышленных установок.
Преимуществами известкового метода являются простота технологической cxeмы, доступность и дешевизна сорбента, относительно малые капитальные затраты, возможность
очистки газа без предварительного охлаждения и обеспыливания.
К нeдocтаткам метода относятся низкий коэффициент
использования известняка, зависящий от типа применяемого
минерала и достигающий, как правило, 40-50%, получение в
качестве продукта утилизации неиспользуемого шлама, относительно низкая эффективность очистки, подверженность
забиванию кристаллическими отложениями абсорбционной
аппаратуры и жидкостных коммуникаций.
В последнее время были предприняты попытки использовать твердую известь и известняк для обессеривания топочных газов. Однако в этих экспериментах степень удаления SO
редко превышала 50-60%. Более эффективное удаление SO
было достигнуто при использовании жидких суспензий, что
привело к прекращению работ с твердыми материалами.
Магнезитовый циклический метод. Перспективным
методом очистки отходящих газов от двуокиси серы, внедренным в промышленность, является циклический магнезитовый метод. Метод основан на применении окиси магния
для связывания сернистого ангидрида в виде сульфита магния. Поглощение характеризуют реакции:
MgO + SO2+6H2O = MgSO3•6H2O,
MgO + SO2+3H2O = MgSO3•3H2O.
Чтобы предотвратить реакцию образования сульфата магния:
2
2
47
2MgSO3 + O2 = 2MgSO4
в раствор добавляют ингибитор – парафенилендиамин. Степень очистки зависит от рН циркулирующей жидкости. В
кислой среде образуется растворимый бисульфит магния и
поглощение характеризует реакция:
MgO + SO2 + H2O = Mg(HSO3)2.
Сульфит магния при нагревании разлагается на окись
магния, возвращаемую в узел aбсор6ции, и сернистый ангидрид, перерабатываемый далее в серную кислоту или в элементарную серу. Если сульфат магния в высушенных кристаллах все же присутствует, обжиг производят в смеси с
восстановителем (например, коксом):
MgSO4 + ½ O2 + C = 2MgO + SO2 + CO2.
Состав кристаллогидратов сульфита магния зависит от
температуры абсорбента. Шестиводные кристаллы образуются при очистке дымовых газов, полученных от сжигания
каменного угля, трехводные – при очистке дымовых газов,
полученных от сжигания мазута и некоторых типов влажных
углей. Схемы процессов отличаются узлом вывода кристаллов сульфита магния из системы на сушку и обжиг.
Магнезитовый метод нашел применение на ряде предприятий США и Японии.
На Магнитогорском металлургическом комбинате по
магнезитовому методу работают установки по очистке отходящих газов агломерационных фабрик.
На Красноярском целлюлозно-бумажном комбинате
введен в 1971 г. в строй цех регенерации оксида магния, диоксида серы и получения тепла из отработанных сульфитных
щелоков. В основ
у процесса регенерации положена термиче-
ская деструкция сульфитного щелока в области температур
48
1100–13000С, при этом тепло сгорания органической части
щелока используется для получения пара, неорганическая же
составляющая щелока разлагается до оксида магния и диоксида серы. Цех имеет два технологических потока, каждый
из которых включает в себя магний-регенерационный котлоагрегат МР-300, массообменные аппараты (струйные абсорберы Вентури), тягодутьевые устройства и прочее вспомогательное обору
дование.
Преимуществами магнезитового метода являются высокая эффективность, доступность и дешевизна сорбента, возможность подвергать очистке газы без предварительного охлаждения, получение в качестве продуктов утилизации
cepнoй кислоты или серы. К недостаткам метода можно отнести сложность технологической схемы и возможность забивания оборудования кристаллическими отложениями.
Методы жидкофазной каталитической очистки. Осо-
бу
ю группу представляют циклические методы, позволяющие производить одновременную очистку газов от SO2 и H2S
или регенерировать отработанные по SO2 абсорбенты газообразным сероводородом с получением в качестве продукта
утилизации элементарной серы. Применение указанных методов особенно привлекательно при наличии вблизи газоочистной установки источника сероводорода, что имеет место, например, в нефтеперерабатывающей промышленности.
На примере метода СОЖ (сероочистки жидкофазной),
разработанного в Институте катализа СО РАН, можно рассмотреть химические особенности протекания реакции Клауса в жидко
й фазе. Метод используется для десульфуризации
низкоконцентрированных серосодержащих газов в различных отраслях промышленности, содержащих SO
, H2S и со-
2
путствующие им примеси: COS, NH3, HCN, NOx, As2O3 и др.
Технологическая схема процесса представлена на рис. 3.5.
49
Рис. 3.5. Схема процесса Клауса в жидкой фазе:
1 – сборник; 2 – абсорбер SO
5 – нейтрализатор; 6 – дымовые газы после электрофильтра;
7 – теплообменник; 8 – выброс очищенных дымовых газов; 9 – подпитка;
10 – подача насыщенного пара; 11 – подача H
; 3 – абсорбер H2S; 4 – фильтр;
2
S из генератора
2
В основе метода, лежит промывка газов раствором аммиачно-фосфатных солей, играющего роль буфера, и раствором гомогенного катализатора.
В процессе протекает суммарная реакция:
SO2 + 2Н2S = 3S + 2Н2O.
В качестве катализаторов в последнее время все большее распространение находят системы, в которых сформированный каталитический комплекс посредством физических
сил или химических связей прикреплен к твердой подложке
полимерного носителя. Данные системы занимают особое
место в современной каталитической химии, поскольку позволяют сочетать в себе некоторые особенности гомогенных
катализаторов с технологически
генных. Применение подобных катализаторов позволяет избежать таких технических трудностей, как возможность коррозии оборудования, опасность загрязнения окружающей
среды продуктами нейтрализации катализатора.
ми преимуществами гетеро-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]