7.1. Адсорбция

Метод адсорбции является основным для очистки газовых выбросов от химических соединений и примесей и основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой (адсорбентов) селективно (т. е. избирательно) извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты (адсорбаты) из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой – поверхностное поглощение заполняется капиллярной конденсацией. Таким образом, под прямым процессом адсорбции понимают: адсорбент "поглощает" адсорбат (газ). Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемосорбцию.

При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). При этом выделяется теплота, которая зависит от степени этих межмолекулярных сил и по порядку соизмерима с теплотой конденсации паров (Q_физ.ад. ~ 2…20 кДж/моль). Достоинство физической адсорбции – обратимость процесса, т. е. либо при уменьшении давления адсорбата в газовой смеси, либо при увеличении температуры поглощенные компоненты газа легко десорбируются без изменения химического состава. Обратимость данного процесса исключительно важна в том случае, когда экономически выгодно рекупирировать адсорбируемый газ или адсорбент.

В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбатом. Действующие при этом силы взаимодействия (сцепления) значительно больше, чем при физической адсорбции, и поэтому выделяющаяся теплота также больше и соизмерима с теплотой химической реак- ции (Q_хим.ад. ~20…400 кДж/моль). Процесс хемосорбции, как правило, необратим, так как при этом меняется химический состав адсорбата. Поэтому если желательна регенерация адсорбента или рекуперация адсорбата, то адсорбирующую среду следует выбирать таким образом, чтобы преобладали процессы физической адсорбции.

В качестве адсорбентов (или поглотителей) применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы (например, удельная поверхность активированных углей составляет порядка 10⁵…10⁶ м²/кг).

В практике очистки газов наиболее широко используется активированный уголь, который применяют для очистки газов от органических паров (соединений), удаления неприятных запахов, а также летучих растворителей и газообразных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленных выбросах.

В качестве адсорбентов применяют также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, цеолиты), которые обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Однако их нельзя использовать для очистки очень влажных газов.

Одним из основных параметров при выборе адсорбента является адсорбционная способность по извлекаемому компоненту, которая характеризуется массой вещества m_a (мг/г), поглощенной единицей массы абсорбента, и зависит от концентрации адсорбируемого вещества (или парциального давления p_i) у поверхности адсорбента, общей площади этой поверхности, физических, химических и электрических свойств адсорбирующих веществ, наличия примесей и температурных условий.

В качестве характеристики адсорбционных свойств пористых тел (т. е. ад­с­о­р­бента) используют зависимость адсорбционной способности от парциального давления поглощаемого газового компонента (адсорбата) при постоянной температуре (изотерма адсорбции): m_a =  p_i, при постоянной температуре t_i = const (рис. 7.1 и 7.2).

Адсорбционная способность адсорбента возрастает при повышении давления адсорбента, но характер этой зависимости различен (см. рис. 7.1: 1 – выпуклая изотерма характерна для адсорбции на мелкодисперсных сорбентах, применяемых для очистки газовой смеси при малом парциальном давлении и при сушке; 2 – типична для непористых адсорбентов; 3 – характерна для адсорбентов с развитой системой средних и крупных пор, которые целесообразно применять для извлечения летучих газов при парциальном давлении, близком к давлению насыщения.

В основе проектного расчета адсорбционного метода очистки лежит экспериментальная сетка кривых, отражающих равновесие поглощаемого газового компонента с адсорбентом, т.е. сетка изотерм адсорбции, которые, как правило, имеют вид, представленный на рисунке 7.2. Видно, что с увеличением температуры (t_i) происходит снижение адсорбционной способности адсорбента. На этом свойстве адсорбентов основан процесс их регенерации.

Регенерацию осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувают его паром или горячим газом.

В промышленной практике используется несколько видов контакта сорбента (или адсорбента) с газовой смесью.

1 тип. Сорбент располагается в виде неподвижного мелкозернистого слоя, через который пропускается газ.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде горизонтальных, вертикальных или кольцевых емкостей, заполненных адсорбентом (рис. 7.3) а) – горизонтальный адсорбер; б) – вертикальный; г) – кольцевой).

Выбор конструкции адсорбера определяется скоростью газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и т. д. Вер­ти­ка­ль­ные адсорберы, как правило, используются при небольших объемах оч­и­ща­емого газа, горизонтальные и кольцевые – при высокой производитель- ности (до ~ 10…100 · 10³ м³/ч). Наибольшее распространение получили адсорберы периодического действия, в которых период адсорбирования очищаемого газа чередуется с периодом регенерации (десорбции) адсорбента.

Установки периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового потока, и следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость (на 1 м³ очищаемого газа). Процесс очистки в таких аппаратах имеет периодический характер, т.е. отработанный и потерявший активность поглотитель (адсорбент) время от времени заменяют или регенерируют. Существенный недостаток таких аппаратов – большие энергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического сопротивления адсорбента. Таким образом, газовую смесь необходимо подвергать предварительной очистке от пыли и тумана, поскольку пыль довольно быстро заполняет промежутки между зернами адсорбента, а туман осаждается на поверхности зерен, перекрывая поры.

Наиболее широкое распространение в качестве адсорбента, в аппаратах такого типа, получил активированный уголь.

2 тип. Мелкозернистый сорбент находится в восходящем потоке газа в виде кипящего (псевдоожиженного) слоя (рис. 7.4).

Условия контакта сорбента и газовой смеси при этом значительно лучше, чем в неподвижном слое. Однако в этом случае, во-первых, сорбент подвергается механическим воздействиям за счет ударов частиц сорбента друг о друга и истиранием о стенки аппарата, что приводит к значительным потерям сорбента; во-вт­ор­ых, процесс сопровождается интенсивным пылеуносом, в связи с чем очистное оборудование необходимо дополнять пылеуловителями.

3 тип. Пылевидный сорбент дозируется и вдувается непосредственно в поток газа (рис. 7.5).

Эффективность адсорбции обеспечивается благодаря большой удельной поверхности контакта. В конце тракта газового потока насыщенный сорбент может улавливаться электрическими или рукавными фильтрами.

В качестве примера на рисунке 7.6 приведена конкретная конструктивная схема адсорбционной установки для удаления SO₂ из поточного газа.

Основным агрегатом установки служит адсорбер 1, который заполнен древесным активированным углем 2. Горячий топочный газ проходит теплообменник 3, подогревает воздух, поступающий в топку, и подается в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150°…200 °C происходит улавливание SO₂. Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент (т. е. активированный уголь) переводится в десорбер 4, где с помощью подогревателя 5 поддерживается температура 300°…600 °C. Богатый оксидами серы SO₂ газ выводится из десорбера 4 для дальнейшего промышленного использования. Регенерированный адсорбент 2 (активированный уголь) поступает в бункер 6 и затем транспортируется в верхнюю часть адсорбера 1.

4 тип. Пылевидный сорбент предварительно накапливается в виде равномерного слоя определенной толщины на ткани рукавного фильтра, после чего через фильтр пропускается газ (рис. 7.7). Насыщенный сорбент удаляется с рукавов отряхиванием.

Использование методов адсорбции. Отметим, что адсорбция эффективна при удалении больших концентраций загрязняющих веществ (при этом необходима высокая адсорбционная емкость или большая масса адсорбента). В тех случаях, когда концентрации загрязнителя невелики и обработке подвергается большое количество воздуха, адсорбция может быть эффективной для удаления летучих углеводородов и органических растворителей. Этот метод применим в случаях, во-первых, когда загрязняющий газ трудно или невозможно сжечь; во-вторых, когда необходима гарантированная рекуперация ценной газовой примеси; в-третьих, когда необходимо удалить пары ядовитых веществ или канцерогенов.

Адсорбцию широко используют при удалении паров растворителя из отработанного воздуха при окраске автомобилей; органических смол и паров растворителей в системе вентиляции предприятий по производству стекловолокна и стеклотканей; а также паров эфира, ацетона и других растворителей в производстве нитроцеллюлозы и бездымного пороха.

В некоторых случаях (например, при обработке горючих газов) для разрушения токсичных органических веществ может быть использовано так называемое дожигание. Однако применение этого метода затруднено тем, что концентрации органических примесей, распределенных в большом объеме воздуха, очень низки для того, чтобы нагреть такой объем воздуха до температур, при которых происходит химическая нейтрализация, расходуется очень большое количество энергии. Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию загрязнений перед дожиганием.

Адсорбционное концентрирование целесообразно при объемных концентрациях загрязнителя до 300 млн^-1долей, причем эффективность адсорбционной обработки резко возрастает с увеличением объема отрабатываемого газа.