Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1-20. Схема установок рекуперации пыли: а — рекуперации сажи из техно-

логических газов производства форсуночной сажи: 1 — электрофильтр, 2 — дымо-

сос, 3 — циклоны, 4 — вентилятор пневмотранспортера; 6 — рекуперации пыли из

газов распылительной сушки ортофосфатов натрия: 1 — распылительная сушилка,

2—батарейный циклон, 3 — дымосос, 4 — полый скруббер, 5 — насос, 6 — емкость

для орошающего раствора, 7 — турбокальцинатор; в — рекуперации газообразно-

го аммиака и пылевидного карбамида из отходящих газов кристаллизаторов в про-

изводстве карбамида: 1 — пенный аппарат, 2 — вентилятор, 3 — емкость для кон-

денсата, 4 — промежуточная емкость, 5 — насос, 6 — емкость для поглотительного

раствора

Рис. 1-21. Схема производства топливных гранул из сажи, рекуперируемой

при очистке синтез-газа в процессе газификации жидких топлив: 1 — скруб-

бер; 2 — пенный аппарат; 3 — электрофильтр; 4 — вакуум-фильтр; 5 — смеситель;

6 — тарельчатый гранулятор; 7 — насос; 8 — градирня; 9 — шламовый насос; 10 —

отстойник; 11 — смеситель; 12 — гидрозатвор

топливные гранулы размером 5-15 мм — содержат 25% сажи, 70%

керосина к 5% влаги.

Следует отметить, что в ряде случаев возможно и целесообраз-

но комплексное использование технологических

аспирационных пы-

лей различных производств с целью получения товарной продукции.

Например, при приготовлении сырьевых смесей для получения це-

ментного клинкера широко используют огарковую пыль сернокислот-

ного производства. Эту же пыль применяют в производстве некото-

рых минеральных пигментов.

Вопросы для повторения

1. Дайте характеристику основных свойств пылей.

2. Объясните: что такое фракционная и общая эффективности очис-

тки газов от пылей?

3. Какие аппараты применяют для сухой очистки газов от пылей?

Укажите их достоинства, недостатки и эффективность.

4. Какие пористые перегородки используют в фильтрах для очистки

газов и каковы принципы их выбора?

5. Какие фильтры используют для тонкой очистки газов?

6. Какие аппараты применяют для мокрой очистки газов и какова их

эффективность?

7. Для какой цели устанавливают стабилизатор пенного слоя на ре-

шетках пенных аппаратов?

8. Как устроены и для каких целей используются электрофильтры?

9. Какие аппараты применяют для улавливания туманов?

10. Назовите возможные пути рекуперации промышленных пылей.

Глава 3. Абсорбционные методы очистки

отходящих газов

3.1. Теоретические основы абсорбции

Равновесие в системах газ — жидкость. При абсорбции про-

исходит взаимодействие между газом и раствором, в котором со-

держится вещество, реагирующее с этим газом. Иногда растворяю-

щийся газ реагирует непосредственно с самим растворителем. Опыт-

ные данные по растворимости газов в жидкостях приведены в спра-

вочниках. Когда концентрация растворенного газа мала, а темпера-

тура и давление далеки от критических значений, равновесие в сис-

темах газ — жидкость определяется законом Генри:

=Hx

(158) или у* = (Н/Р)х =Kx

, (159)

где P

— парциальное давление i-ro компонента в газах при равнове-

сии; Н. — константа Генри i-ro компонента, имеющая размерность

давления; х. — молярная доля i-ro компонента в жидкости; у* —

молярная доля i-ro компонента в газовой фазе при равновесии; P —

общее давление; К = Н. / P — безразмерная константа.

Константа Генри увеличивается с ростом температуры, причем

соблюдается соотношение:

d InH

M (1 / Т) = ДН / R, (160)

где R — универсальная газовая постоянная; T — температура; АН —

теплота абсорбции.

Когда газ вступает

растворе в химическую реакцию, закон Генри

следует применять не к общей концентрации растворенного газа, а к

концентрации непрореагировавшего газа.

Кинетические закономерности. В зависимости от особенно-

стей взаимодействия поглотителя и извлекаемого из газовой смеси

компонента абсорбционные методы подразделяются на методы, ба-

зирующиеся на закономерностях физической абсорбции, и методы

абсорбции, сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе.

В процессах физической абсорбции перенос вещества в преде-

лах фазы определяется уравнениями массоотдачи:

С^РЛУ-УЛ (161) G

=PJ(X

-X) (162)

Перенос вещества из одной фазы в другую определяется урав-

нениями массопередачи:

G=KFfy-V*), (1.63) G=K F (х*-х) (164)

Ч Г * "

п Ж

Связь коэффициентов .массопередачи с коэффициентами массо-

отдачи:

1 /

/ P

) + (m / Р

/ K

/ рт) +

/ р

). (1.65)

Здесь G

— количество вещества, переносимого в единицу времени

при физической абсорбции, кмоль/ч. P

и р

— коэффициенты массо-

отдачи соответственно в газовой и жидкой фазах, м/ч; F — поверх-

ность контакта фаз, м

: у и х — концентрации передаваемого компо-

нента в газовой и жидкой фазах, кмоль/м

; у . х

— концентрации пе-

редаваемого компонента на границе раздела фаз в газе и жидкости,

кмоль/м

; K

, К

— коэффициенты массопередачи, отнесенные к кон-

центрации в газовой и жидкой фазах, м/ч; у* — концентрация компо-

нента в газе, равновесная с концентрацией газа, кмоль/м

; х* — кон-

центрация компонента в жидкости, равновесная с концентрацией газа,

кмоль/м

; ш — константа фазового равновесия (у = шх ).

В системах с высокой растворимостью ш приближается к 0, по-

этому K

« P

. Следовательно, в такой системе газ — жидкость все

сопротивление массопередачи сосредоточено на стороне газа. При

малой растворимости газа в жидкости ш имеет большое значение,

поэтому К

» Р

. В этой случае все сопротивление массопередачи

сосредоточено в жидкой фазе. Так как величина P

значительно боль-

ше, чем Р

ТО

процесс абсорбции будет идти быстрее в системе с

диффузионным сопротивлением массопередачи в газовой фазе, по-

этому размеры аппарата в этом случае будут меньше.

При протекании химической реакции в жидкой фазе абсорбируе-

мый компонент вступает в реакцию с поглотителем. Возрастает гра-

диент концентраций у поверхности раздела, по сравнению с физичес-

кой абсорбцией скорость поглощения увеличивается. При этом, чем

больше скорость химической реакции, тем больше ускорение абсор-

бции. Оно может быть учтено увеличением коэффициента массоот-

дачи в жидкой фазе, если движущую силу считать такой же, как и

при физической абсорбции; или увеличением движущей силы при

равенстве коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе для физичес-

кой абсорбции и хемосорбции. Уравнение массоотдачи при хемосор-

бции:

Z= Р'Ж

РА

)- С-

)

Коэффициент ускорения абсорбции в жидкой фазе при протека-

нии химической реакции:

X = PVP

1+S/

V ¢-

)

Связь коэффициента массопередачи с коэффициентом массоот-

дачи при хемосорбции определяется уравнениями:

1/К'=1/Э

т1

/р'

, l/K'^l/p^+l/pV (1.68)

Здесь обозначения со штрихом соответствуют параметрам абсорб-

ции, сопровождаемой химической реакцией: Д

—движущая сила аб-

сорбции; Iti

— константа фазового равновесия для физической аб-

сорбции с поправкой на ионную силу раствора; 5 — величина, на ко-

торую повышается движущая сила в жидкой фазе при протекании в

ней химической реакции.

Коэффициент ускорения зависит от скорости химической ре-

акции и степени турбулизации жидкости. Необратимая химичес-

кая реакция в жидкой фазе приводит к нулевому значению равно-

весного парциального давления растворимого газа в широком ди-

апазоне концентраций. В случае быстрой необратимой реакции

между растворимым газом и химическим реагентом, растворен-

ным в жидкой фазе, или самой жидкой фазой как реагентом, m

имеет небольшое значение.

Относительное сопротивление газовой и жидкой фаз в процессе

диффузии при абсорбции, сопровождаемой химической реакцией, яв-

ляется функцией не только коэффициента диффузии растворенного

газа в газовой и жидкой фазах, растворимости газа и времени про-

никновения,

но

и концентрации непрореагировавшего реагента,

так-

же скорости диффузии реагента в жидкой фазе и скорости реакции.

Скорость абсорбции при химической реакции типа

A+nB E+F (1.69)

произвольного порядка а по компоненту А, порядка P (0, 1, 2) по хе-

мосорбенту В и первого порядка по каждому из продуктов реакции

EHF рекомендуется определять по приближенному уравнению:

= P

в<

M K

+NB.

I-A NB

exp(-z)

+NB.WI J

Jexp z

-dz

> х

х(А

-А

). (1.70)

Множитель, заключенный в фигурных скобках, соответствует ко-

эффициенту ускорения.

Значения параметров уравнения (1.70):

М = В

/пА

, А = A

/ А

, K

= -N

/2!^(N

/2)

-N

N ,

z = (K

-K

) XZw

=(K

-K

) (4/*) D

/ р

Здесь а — удельная поверхность контакта фаз, м

/м

: M — стехио-

метрический параметр; В

— концентрация свободного хемосорбен-

та в основной массе жидкости, кмоль/м

; А , А

— концентрация

передаваемого компонента на границе раздела фаз и

основной массе

жидкости, кмоль/м

: D

— коэффициент диффузии передаваемого

компонента, м

/ч; х — расстояние, которое проходит частица жидко-

сти в диффузионном слое, м: W

JIT

— продольная скорость движения

частицы жидкости, м/ч; K

, N, N

, N

— коэффициенты.

Ниже приведены уравнения для расчета коэффициентов ускоре-

ния для различных случаев хемосорбции.

Необратимая реакция нулевого порядка по хемосорбенту.

Например, поглощение кислорода водным раствором сульфита на-

трия в присутствии соли меди (n = 2, а =1-2, р = 0). Коэффициент

ускорения вычисляется по формуле:

= 1-R/(1- А

)

1-ехр (-z)/Vz Jexp z

(1.71)

Необратимая реакция первого порядка. К такому случаю

относится поглощение CO

водными растворами моноэтаноламина

при высоких степенях карбонизации (n = 2, а = P = 1):

X= 1+ [1/(1-А

)] [R/(R/M)+1]

или по более точному уравнению:

х =

2(МVe

+1)

[l+Vl +4(МS

/ R)

(1.72)

(1.73)

причем

R = ^2/(a +

l)r

B®

a+1

/(З

, 0 = D

где R — кинетический параметр; 9 — диффузионный параметр; D

—

коэффициент молекулярной диффузии хемосорбента, м

/ч; г

— кон-

станта скорости прямой реакции, 1/с.

При D

« D

для расчета

можно пользоваться также рис. 1-22,

а. При R >5М, А

и В

< В

коэффициент ускорения не зависит от

кинетического параметра R. !Например, для абсорбции NH

серной

кислотой коэффициент ускорения:

Х = 1+М. (1.74)

В этих условиях реакция протекает мгновенно и скорость абсор-

бции равна:

=Р

«(Мл/0+1)А

. (1.75)

При В

> В

жкр

реакция протекает мгновенно на поверхности раз-

дела фаз, поэтому все сопротивление сосредоточено в газовой фазе.

В этом случае концентрация хемосорбента В

значительно превы-

шает концентрацию абсорбируемого компонента A

,= (п/в)(Р

/ PJ A

= пС

/еаР

. (1.76)

В области M >5R, А

« 0 коэффициент ускорения не зависит от

М. Например, поглощение CO

раствором NaOH при избытке щело-

чи

(п

=2, а = р

= 1).

В этом случае коэффициент ускорения равен:

X=I

•

(1.77)

Необратимая реакция второго порядка. В этом случае ко-

эффициент ускорения равен:

X = 1+[м/(1+А

)| [(VR/M + l/4-l/2)/(VR/M + l/4+l/2)](I.78)

при условии

z = 2(<х +1) / 7c(RVl+4R/M) > 5.

При допущении, что вблизи границы раздела фаз концентрация

активной части поглотителя В постоянна, концентрация компонента

А изменяется линейно при удалении от границы раздела фаз, а А

пренебрежимо мало по сравнению с A

, получено уравнение:

X = CLf tha, (1.79)

где а = RVl-<X-l)/M;R -l/p^D

r В

; M = (В,/ IlA

) (D

/ D

);

tha = [ехра-ехр(--а)] / [expa+exp(-aj] — гиперболический тангенс;

— константа скорости реакции второго порядка, м

/(кмоль.с).

Для вычисления

построен график (рис. 1-22,6), на котором по-

казана зависимость х от R и М. Из рисунка следует: при R<0,5 х «1:

npnR>5M х~М+1; при M >5R и R>2 X

Hjm р

= ^О

Обратимая реакция первого порядка. Константа равнове-

сия реакции Bs==^A равна К = г

/ r

=B / А.

Бели А — концентрация свободного компонента в жадности, а

С=А+В — общая концентрация компонента, то эти концентрации и

коэффициенты массоотдачи будут связаны между собой следующи-

ми соотношениями:

A=C / (1+К), P

- P

K). (1.80)

Тогда коэффициент ускорения будет равен:

Рис. 1.22, си

Зависимость х

от

а при различных К для реакций

первого

порядка

_ р

_ Q+K^i+g'q+KyK

K +

Vl+a

K)/K •

(L81)

а = 1/Р

ж>

/г

, (1.82)

где, г

— константы скорости прямой и обратной реакции, 1/с; P

и р

— коэффициенты массоотдачи, определяемые соответственно

при движущей силе, равной (A

- А

) и (с

- с

Для вычисления х

можно использовать рис. 1-22, а. При K=O

X==I

ЧТО соответствует физической абсорбции; при К = оо — соот-

ветствует необратимой реакции.

При использовании

расчетах P

коэффициент ускорения равен:

Xc = Pc/Рж

Xa/О

К) = Vl

G + К)/К/ K+Vl

(l+K)/K

.(L83)

Рис. 1-22, б.

Зависимость % от

RnpH

различных M для

реакций

второго порядка

В этом случае х

< 1,

т.

е. коэффициент P

ниже, чем коэффициент

массоотдачи при физической абсорбции — р

Для абсорбции, сопровождаемой медленной обратимой реакци-

ей, например, поглощения SO

или Cl

водой, коэффициент ускорения

может быть рассчитан по формуле:

=1+[М/ (I-A

)I [(K+NB

)/NBJ. (1.84)

Обратимая реакция второго порядка. Кинетическое уравне-

ние для реакции типа А+В« *С (прямая реакция второго порядка,

обратимая реакция первого порядка) имеет вид:

AB-F

C. (1.85)

Коэффициент ускорения для обратимой реакции первого порядка

определяется по формуле:

ОБР

=1+[К/(К+1)][(

-1)Ф], (1.86)

где N

— скорость расходования компонента А в единице объема на

химическую реакцию, кмоль/(м

с); г

— константа скорости реак-

ции второго порядка (для прямой реакции),

— константа скорости

реакции первого порядка (для обратной реакции); К =

— кон-

станта равновесия реакции;

<р

— поправочный множитель, завися-

щий от R, К и q =B

/ A

;% —для реакции второго порядка определя-

ют по формуле (1.77) или рис. 1-22, б.

При К >20 коэффициент ускорения можно определять по фор-

мулам для необратимой реакции второго порядка, при q >20 — по

формулам для обратимой реакции псевдопервого порядка; при К

> 100 и q > 100 — по формулам для быстрой реакции в жидкой фазе.

Одновременная абсорбция двух газов. Этот случай рассмот-

рен для одновременной абсорбции CO

и H

S растворами щелочей

или аминов. Допустим, абсорбируются газы А и С активной частью

поглотителя В [(А+С)+пВ-> продукты]. Для обоих газов реакция в

жидкой фазе протекает быстро. Коэффициент ускорения для газа А

определяют по приближенной формуле:

+17

A +V

], (1.87)

а для газа С:

XC =VMM

1 +

1/(V

+VCT

I. (

L88

)