5. Применение адсорбционных методов защиты атмосферы

Абсорбционные и хемосорбционные методы широко применяют для очистки газов от СО, N_xO_y, SO₂, H₂S, HCl, CO₂.

Сущность метода заключается в поглощении удаляемых компонентов жидкими поглотителями - абсорбентами и хемосорбентами, в качестве которых используют растворы минеральных и органических веществ, суспензии и органические жидкости. В процессе хемосорбционной очистки выделяемые из газов компоненты вступают в химические реакции с хемосорбентами, при этом образуются новые вещества, регенерирующиеся и возвращающиеся вновь на абсорбцию.

Хемосорбционные методы подразделяют по типу хемосорбента и по типу получаемого продукта.

Процесс абсорбции (хемосорбции) газов проводят в пленочных, насадочных (с неподвижной и подвижной насадкой), тарельчатых и других аппаратах, называемых абсорберами. При этом абсорберы должны иметь высокую пропускную способность по газу, высокую эффективность, низкое гидравлическое сопротивление, простоту конструкции и удобство эксплуатации, небольшую металлоемкость; кроме этого аппаратура не должна забиваться осадками и корродировать.

Адсорбция - избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой фазы твердыми телами - адсорбентами.

При адсорбционных методах газы поглощаются твердыми пористыми веществами. Поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердых тел за счет физической адсорбции (силы Ван-дер-Ваальса) либо химическими силами.

Адсорбция рекомендуется для очистки газов с невысокой концентрацией вредных компонентов. Адсорбированные вещества удаляются из адсорбентов десорбцией инертным газом или паром. В некоторых случаях проводят термическую регенерацию. Достоинствами этого процесса являются высокая степень очистки, газы не охлаждаются, и отсутствуют жидкости.

Адсорбционную очистку газов проводят в аппаратах адсорберах с неподвижным, движущимся и псевдосжиженным слоем сорбента в установках периодического и непрерывного действия. Наиболее часто этот метод применяют при регенерации органических растворителей.

Существуют следующие виды сорбентов:

а) неполярные твердые вещества, на поверхности которых происходит в основном физическая адсорбция;

б) полярные твердые вещества, на поверхности которых происходит химическая адсорбция без изменения структуры молекул газа и поверхности адсорбента;

в) вещества, на поверхности которых протекает чисто химическая адсорбция, при чем десорбция молекул газа возможна только в результате химической или каталитической реакции.

Из неполярных адсорбентов самый распространенный - активированный уголь, а также часто используют синтетические минеральные силикогели и алюмогели. В качестве полярных адсорбентов применяют хемосорбенты на основе оксидов железа, меди и цинка, которые обеспечивают проектную степень очистки даже от технологических газов.

Например, при адсорбции газов, содержащих SO₂, применяют как активированные угли, так и полукоксы, активированный силикогель, карбонат кальция, активированный MnO₂.

Адсорбционные методы с использованием активных углей и цеолитов Наиболее часто применяют для улавливания органических соединений. Обе группы методов могут быть циклическими и нециклическими. В первых отработанный жидкий или твердый сорбент регенерируют нагреванием, понижением давления, продувкой инертным газом или воздухом, отпаркой водяным паром, а также хим. способами; продукты десорбции перерабатывают или выбрасывают. Если восстановить поглотительную способность сорбента полностью не удается, нерегенерируемые соед. выводят из системы и добавляют соответствующее количество свежего сорбента. В нециклич. методах отработанный сорбент целиком заменяют.

Очистка от SO₂. Применяется в основном для выделения примесей из дымовых газов, образующихся при сжигании сернистых топлив, и отходящих газов переработки серосодержащего сырья. Наиб. распространены абсорбц. методы (сост = 0,01-0,03%). Основное количество поглощенного SO₂ связывается в сульфиты или гидросульфиты, а часть, вследствие присут. в очищаемых газах О₂, окисляется в сульфаты. Последние регенерируют с выделением абсорбента и SO₂ либо выделяют как побочные продукты.

В аммиачных методах SO₂ абсорбируют при 35-55°С водным раствором сульфит-гидросульфита аммония (NH₄)₂SO₃*NH₄HSO₃ с образованием NH₄HSO₃. В аммиачно-циклическом методе в результате отпарки абсорбента при 85-90°С под вакуумом (40-50 кПа) NH₄HSO₃ разлагается с выделением SO₂, который может быть переработан в S или H₂SO₄. В аммиачно-гидросульфатном методе при взаимодействии так называемого отработанного раствора (полученного в результате поглощения SO₂ водным раствором NH₃) с рециркулирующим NH₄HSO₄ выделяются SO₂ и (NH₄)₂SO₄, который при 350-400°С разлагается на NH₄HSO₄ и NH₃, возвращаемые в цикл; сульфат, образовавшийся при абсорбции, регенерируют добавкой S.

Магнезитовый метод предусматривает поглощение SO₂ водной суспензией MgO при 45-65 °С с образованием кристаллогидратов MgSO₃ и небольшого количества MgSO₄. Их обжигают при 900-1000 °С с образованием MgO и газов, содержащих 10-12% SO₂, которые используют для получения H₂SO₄. По содово-циклическому методу SO₂ абсорбируют водным раствором Na₂SO₃ при 45-65 °С с образованием NaHSO₃. Отработанный раствор отпаривают при 100°С с выделением кристаллов Na₂SO₃ и SO₂. Образовавшийся Na₂SO₄ выделяют предварит, упаркой отработанного раствора.

Известняковый (известковый) метод основан на поглощении SO₂ суспензией СаСО₃ или Са(ОН)₂ с образованием CaSO₃*0,5H₂O и CaSO₄*2H₂O, которые идут в отвал либо м. б. переработаны в товарный гипс. В варианте с осуществлением процесса по типу распылительной сушки при температуре газа более 150°С влага суспензии испаряется, и сухой продукт реакции улавливается в рукавном фильтре или электрофильтре.

В аммиачно-кислотном методе отработанный р-р разлагается H₂SO₄, HNO₃ или Н₃РО₄ с образованием SO₂ и соотв. (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃ или (NH₄)₃PO₄. Очистка по содовому методу проводится водным р-ром Na₂CO₃ при 35-40 °С с образованием Na₂SO₃ и NaHSO₃, используемых как товарные продукты. В кислотно-каталитич. методе SO₂ поглощается разб. H₂SO₄ в присут. МnО₂ или FeSO₄; продукт очистки - 10-12%-ная H₂SO₄, к-рая при смешении с известью (известняком) перерабатывается в гипс.

Адсорбц. методы очистки с применением главным образом активных углей основаны на окислении SO₂ в SO₃ с послед. образованием H₂SO₄. Уголь регенерируют отмывкой водой с получением 10-12%-ной H₂SO₄. По др. методу регенерация осуществляется нагреванием угля до 600 °С твердым теплоносителем (песком) с разложением H₂SO₄; при этом часть угля расходуется на восстановление SO₃ в SO₂, а из газов, содержащих 30% SO₂ (остальное - СО₂ и Н₂О), в присут. СН₄ получается S.

Очистка от H₂S. Преимущественно подвергают горючие газы (природные, нефтепереработки, генераторный, коксовый, которые содержат также СО₂ и сераорг. соединения) и отходящие газы (напр., вентиляционный воздух в производстве вискозы, содержащий H₂S, хвостовые газы в производстве S, в состав которых наряду с H₂S входит SO₂).

Очищаемый газ проходит адсорбер со скоростью 0,05-0,3 м/с. После очистки адсорбер переключается на регенерацию. Адсорбционная установка, состоящая из нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как одновременно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие -- на стадиях регенерации, охлаждения и др. (рис. 3).

Регенерацию проводят нагреванием, например выжиганием органических веществ, пропусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа (азота). Иногда адсорбент, потерявший активность (экранированный пылью, смолой), полностью заменяют.

Рис. 3. Схема адсорбционной газоочистной установки:

1 -- фильтр; 2, 3 -- адсорберы; 4 -- конденсатор; 5 -- сепаратор; І -- очищаемый газ; ІІ -- очищенный газ; ІІІ -- водяной пар; IV -- неконденсируе.уые пары; V -- сконденсированный адсорбтив в хранилище; VI -- водный конденсат

Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:

1) глубокая очистка газов от токсичных примесей;

2) сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безотходной технологии.

Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов.

Недостатки большинства адсорбционных установок -- периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов. Применение непрерывных способов очистки в движущемся и кипящем слое адсорбента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопрочных промышленных сорбентов, разработка которых для большинства процессов еще не завершена.

Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, которые характеризуются высокими скоростями газового потока (на порядок выше, чем в периодических реакторах), высокой производительностью по газу и интенсивностью работы.