3.2. Адсорбционная очистка газов

Адсорбенты, используемые в процессах очистки отходящих газов, дол­жны удовлетворять следующим требованиям:

1. иметь большую адсорбционную способность при поглощении ком­понентов при небольших концентрациях их в газовых смесях;

2. обладать высокой селективностью;

3. иметь высокую механическую прочность;

4. обладать способностью к регенерации;

5. иметь низкую стоимость.

В качестве адсорбентов наибольшее распространение нашли такие ма­териалы, как активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.

Активные угли  пористые адсорбенты органического происхождения. Их получают из различных видов органического сырья: угля, торфа, дерева, костей животных, скорлупы орехов. При производстве исходный материал подвергают термической обработке без доступа воздуха (600  900 °С), в ре­зультате которой из него удаляют летучие вещества. Затем улучшают акти­вацией  обработкой паром, газами или химическими реагентами (акти­ватором). Изменяя температуру, скорость подачи активаторов и время активации, можно получать угли с заранее заданными адсорбционно-структурными свойствами.

В зависимости от назначения угли подразделяются на осветляющие (для обесцвечивания растворов), рекуперационные (для улавливания паров легкокипящих растворителей) и газовые (для поглощения газов и па­ров с малыми размерами молекул и малыми их концентрациями в газовых смесях). В газоочистке наибольшее значение имеют последние два типа.

По размеру и форме частиц активные угли подразделяют на гранули­рованные и порошкообразные. Гранулированные выпускают в виде ци­линдриков диаметром 2  5 мм, причем высота всегда больше диаметра. Применяют чаще всего при очистке и разделении газовых потоков. По­рошкообразные угли состоят из частиц величиной менее 0,15 мм. Их ис­пользуют чаще для очистки веществ в жидкой фазе.

Активированный уголь гидрофобен и адсорбирует прежде всего гид­рофобные вещества, к числу которых принадлежит большинство органи­ческих веществ. Адсорбционная активность возрастает с повышением мо­лекулярного веса и температуры адсорбируемого вещества.

Гидрофобность (от гидро... и греч. phobos  страх, боязнь)  неспособность вещества (материала) смачиваться водой.

Марки углей указывают на их происхождение и назначение: АУ  активированный уголь; БАУ  березовый активированный уголь; АГ  гранулированный активированный уголь; СКТ  уголь сернисто-калие­вого активирования, торфяной; КАУ  косточковый активный уголь; АР  активированный уголь рекуперационный.

Отрицательной особенностью активного угля как адсорбента являет­ся его горючесть. В воздушной атмосфере окисление углей начинается при температуре выше 250 °С. Чтобы уменьшить пожароопасность, к углю до­бавляют до 5 % силикагеля.

В настоящее время широкое распространение находит активированные угли, изготавливаемые из полимерных материалов  молекулярно-ситовые угли типа MSC. Благодаря своей структуре угли типа MSC могут поглощать газовые смеси в присутствии такого полярного ком­понента, как вода.

Силикагели. По своей химической природе является гидратированным аморфным кремнеземом (SiO₂nH₂O).

Силикагель  микропористое тело, получаемое прокаливанием геля поликремниевой кислоты; состоит из SiO₂.

Гидратация  процесс присоединение воды к веществу.

Его получают путем взаимодействия жидкого стекла с серной кислотой. Продукты реакции промывают водой, высушивают до остаточной влажности  5  7 %, прокаливают при 800 С, после чего дробят и рассеивают на фракции размером 0,2  7 мм или полу­чают гранулы шарообразной формы диаметром 3  6 мм. Силикагели пред­ставляют собой твердые, прозрачные стекловидные или матовые зерна.

Используют для осушки газов и поглощения паров полярных органи­ческих веществ (например, метилового спирта). Пары неполярных органических веществ поглощаются слабо. Преимущества по сравнению с ак­тивными углями: дешевы, негорючи, при получении можно регулировать их пористую структуру, обладают повышенной механической прочностью к истиранию, имеют низкую температуру регенерации (110  120 °С).

Удельная поверхность силикагеля может изменяться в зависимости от назначения на два-три порядка. Промышленность выпускает кусковые (зер­на неправильной формы) и гранулированные силикагели (зерна правиль­ной формы) с зернами размером 0,2  7 мм, насыпной плотностью 400  900 кг/м³. Для различных способов абсорбции рекомендуется свой гранулометрический состав: для процессов с кипящим слоем  0,1  0,25 мм; для процессов с движущимся слоем  0,5 2,0 мм; для процессов со стационарным слоем  2,0  7,0 мм.

Недостатком силикагелей, особенно мелкопористых, является разру­шение их зерен под действием капельной влаги.

Алюмогели (активный оксид алюминия). Является гидрофильным ад­сорбентом.

Алюмогель  микропористое тело. Получают высушиванием геля гидроксида алюминия; применяют в технике как адсорбент, носитель катализаторов.

Технология получения алюмогелей схожа с технологией полу­чения силикагеля. Используют для осушки газов и поглощения некоторых Полярных органических веществ из газовых смесей. При осушке газов они способны поглощать от 4 до 10 % водяных ларов от собственной массы. Промышленность выпускает гранулированные алюмогели цилиндричес­кой формы (диаметр гранул 2,5  5 мм и высот 3  7 мм), а также шарооб­разной формы (диаметр частиц 3  4 мм). В отличие от силикагелей алюмогели более стойки к действию воды.

Цеолиты. Это алюмосиликаты, содержащие оксиды щелочных и щелочно-земсльных металлов. Основная отличительная особенность цеоли­тов  строго регулярная пористая структура (одинаковые но размеру поры), что позволяет использовать их для избирательной адсорбции.

Цеолиты подразделяются на природные и синтетические. Из природ­ных практически используют морденит, шабазит, эрионит. Размер пор до 410^-10 м, а объем микропор 0,15 см³/г. Природные цеолиты рассеяны в при­роде, к тому же они загрязнены различными примесями, что усложняет их использование.

В настоящее время синтезировано около 100 наименований цеолитов. Чаще всего используются синтетические цеолиты следующих марок: КА, NaA, CaA, CaX, NaX. Первая буква соответствует форме катиона, компен­сирующего заряд решетки, вторая  тип кристаллической решетки. Каж­дой марке соответствует определенный размер пор. Синтетические цео­литы выпускаются в виде гранул шарообразной формы (диаметр 2  5 мм) и цилиндрической формы (диаметр 2  4 мм и длина 2  4 мм). Цеолит КА используется только для осушки газов, цеолит NaA адсорбирует газы  сероводород, аммиак, метан, оксид углерода и др., цеолит СаА поглощает углеводороды и спирты только нормального строения.

Для очистки газовых выбросов от вредных примесей в последнее время используются активные углеродные волокна. Достоинства их по сравнению с активными углями следующие; обладают фильтрующими и адсорбцион­ными свойствами, высокой скоростью процессов адсорбции  десорбци­ей, а также высокой химической, термической и реакционной стойкостью.

Одним из направлений развития адсорбционной очистки является по­иск дешевых адсорбентов, не подлежащих регенерации, с условием его дальнейшего использования. Примером такого адсорбента является гли­нозем, используемый для поглощения фтористых соединений и являю­щийся сырьем для производства алюминия.

Виды адсорберов.

Основная задача адсорберов  обеспечить интенсивный контакт очи­щаемого газа с адсорбентом. В зависимости от состояния адсорбента раз­личают три группы адсорберов.

1. Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. Адсорберы с неподвиж­ным слоем представляют собой цилиндрические вертикальные или гори­зонтальные емкости, заполненные слоем абсорбента. Адсорбент распо­лагают на решетках, а подачу газа осуществляют сверху вниз. При необходимости адсорбент рас­полагают несколькими слоями на полках. Чтобы обес­печить непрерывность процесса, необходимо устанавливать не­сколько адсорбционных аппара­тов, каждый из которых перио­дически работает в режиме адсорбции или регенерации.

Возможна работа по двух- или четырехстадийному циклу.

При четырехстадийном цикле работа осуществляется по следующим стадиям:

1) адсорбция;

2) десорбция  прекращают подачу парогазовой смеси и подают тепло­носитель (пар); в результате нагрева происходит десорбция поглощенных компонентов, которые вместе с паром удаляются из аппарата разделения;

3) сушка адсорбента  прекращается подача пара и вместо него пода­ется горячий воздух;

4) охлаждение адсорбента  вместо горячего подается холодный воздух.

При двухстадиином режиме процессы сушки и охлаждения осуществ­ляются одновременно с процессом адсорбции. Процессы конденсации и рекуперации улавливаемых продуктов проводят в выносных аппаратах.

Предложены конструкции, и которых стадии адсорбции и десорбции совмещены в одном корпусе.