Методы и аппараты очистки вредных выбросов от газообразных примесей.

Для выделения из смеси газов одного или нескольких газовых компонентов могут применяться следующие методы:

§ метод абсорбции;

§ метод хемосорбции;

§ метод адсорбции;

§ каталитический метод;

§ термический метод.

Метод абсорбции заключается в разделении смеси газов на составные части путем поглощения абсорбентом (поглотителем) одного или нескольких газов с образованием раствора. Состав абсорбента выбирается из условия растворения в ней поглощаемого газа. Например, для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, а ароматических углеводородов (из коксового газа) — вязкие масла.

Установки, реализующие метод абсорбции, называются абсорберами. В абсорберах жидкость дробится на мелкие капли для обеспечения большего контакта с газовой средой. В орошаемом скруббер-абсорбере (рис. 2.10) насадки

	1 размещают в плоскости вертикальной колонны 3. В качестве насадок используют кольца с перфорированными стенками, изготавливаемыми из металла, керамики, пластмассы и других материалов с высокой коррозионной устойчивостью. Орошение абсорбента осуществляется через разбрызгиватели 2. Загрязненный газ поступает снизу и направляется вверх, подвергаясь непрерывной очистке.
Рис. 2.10 Орошаемый скруббер-абсорбер с насадкой

Скорость абсорбции зависит главным образом от температуры и давления. Все аппараты жидкостной абсорбции делятся на три типа: колонные, тарельчатые и насадочные абсорберы.

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений. Реакции хемосорбции экзотермические. В качестве примера хемосорбции рассмотрим очистку газовой смеси от сероводорода мышьякощелочным методом. Химическая реакция:

Na₄As₂S₅O₂ + H₂S = Na₄As₂S₆O + H₂O

При мышьякощелочном методе извлекаемый водород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе.

Установки для хемосорбции внешне напоминают используемые при методе абсорбции. Оба эти метода называются мокрыми и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого растворителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75...0,92.

Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых пористых материалов селективно извлекать из смеси газов отдельные ее компоненты. Широко известный пример адсорбента с ультрамикроскопической структурой – активированный уголь. Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах. Адсорбенты, как правило, имеют способность к регенерации путём выделения из них ранее поглощённых веществ при создании определённых условий. Этот процесс называется десорбцией.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных или горизонтальных емкостей, заполненных адсорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.

Рассмотрим работу установки для удаления оксида серы (SO₂) из горячего топочного газа с температурой в области адсорбера 100...150°С (рис. 2.11).

	Адсорбер 1 заполнен древесным активированным углем. Горячий газ через теплообменник 2, где подогревается воздух, подается в адсорбер. Адсорбент после насыщения подается в десорбер 5, где нагревателем 3 поддерживается температура 300...600°С. Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4, откуда вновь может поступить в адсорбер 1 механическим путем.
Рис. 2.11 Адсорбционная установка для удаления SO2 из горячего топочного газа

Каталитичеcкий метод очистки основывается на возможности превращения токсичных компонентов смеси газов в безвредные вещества, при взаимодействии со специальным веществом – катализатором, играющем роль ускорителя химического процесса. В качестве катализаторов используются металлы или их соединения (платина, оксиды меди и марганца и пр.). Катализатор, выполняется в разнообразном виде и форме (шары, кольца, спирали и др.).

В качестве примера рассмотрим систему очистки выхлопных газов автомобиля – двухступенчатый каталитический нейтрализатор (рис. 2.12).

	Установка состоит из восстановительного 2 и окислительного 4 катализаторов. Отработавшие газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору, где нейтрализуется оксид азота, после восстановительного катализатора для создания окислительной среды к отработавшим газам подается воздух через патрубок 3.
Рис. 2.12 Двухступенчатый каталитический нейтрализатор

На окислительном катализаторе происходит нейтрализация оксида углерода и углеводородов. Показанный на рис. 2.11 каталитический нейтрализатор снижает концентрацию оксида углерода в 10 раз, а углеводородов — в 8 раз.

Каталитические реакторы широко применяются в промышленности для очистки выбросов. Наиболее широко в промышленности распространены реакторы с аксиальным ходом газа через слой катализатора. Пониженное гидравлическое сопротивление в таких реакторах достигается с помощью катализатора в виде колец или блоков.

Типичная технологическая схема каталитического реактора очистки приведена на рис. 2.13. По этой схеме очищаемые газы вначале пропускают через рекуперативный теплообменник 2. В случае необходимости очищаемый газ дополнительно подогревают продуктами сжигания топлива в печи 3 и пропускают через реактор с неподвижным слоем катализатора 4. Тепло очищенных газов служит для нагрева исходных газов в рекуперативном теплообменнике 2, после чего они выбрасываются в атмосферу. При адиабатическом разогреве очищаемых газов более 120-150°С печь 3 используется только для пускового разогрева слоя катализатора. После разогрева слоя катализатора она отключается и далее в работе не используется.

Часто для уменьшения гидравлического сопротивления слой размещают в цилиндрической корзине с радиальным ходом газа. Типичная схема такого реактора приведена на рис. 2.14.

Рис. 2.13 Принципиальная технологическая схема установки каталитической очистки газов. 1 – газодувка; 2 – теплообменник; 3 – источник тепла; 4 – каталитический реактор с аксиальным ходом газа А - газ на очистку; Б - очищенный газ; В - топливо

Рис. 2.14 Схема реактора с радиальным ходом газа 1-теплообменник; 2—слой катализатора

Исходная реакционная смесь проходит через трубное пространство теплообменника 1, нагревается до температуры начала реакции. Далее реакционная смесь поступает в корзину 2 с радиальным слоем катализатора. После выхода из слоя катализатора горячий очищенный газ поступает в межтрубное пространство теплообменника, где он отдает тепло исходной реакционной смеси.

В реакторах с радиальным ходом газа через слой катализатора возможно проводить процессы каталитической очистки газов с минимальным гидравлическим сопротивлением и использовать мелкодисперсный катализатор.

Метод термической нейтрализации или высокотемпературное дожигание заключается в разложении (деструкции) токсичных веществ, содержащихся в очищаемом газе, до безвредных (менее токсичных) за счёт высоких температур при достаточном количестве кислорода. Схема промышленной установки для термической нейтрализации показана на рис. 2.15. В термических катализаторах сжигаются такие газы, как, например, углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного производства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9...0,99 температура в зоне горения – 500...750°С.

Рис. 2.15 Схемы термических нейтрализаторов (высокотемпературных дожигателей) промышленных газовых отходов

без теплообменника (а) и с теплообменником (б)

Вопросы для самоконтроля по теме №2.

1. Охарактеризуйте особенности строения атмосферы и ее химический состав.

2. Приведите классификацию загрязнений атмосферы в зависимости от формы материи.

3. Охарактеризуйте основные химические примеси, загрязняющие атмосферный воздух.

4. Какие виды предельно допустимых концентраций (ПДК) используются для нормирования загрязнений?

5. Перечислите основные источники выбросов, которые имеют наибольшую интенсивность при загрязнении атмосферы.

6. Укажите основные отрицательные последствия загрязнения атмосферы.

7. В чем заключаются последствия глобального изменения климата?

8. Как формируется озоновый экран и что ведет к его разрушению?

9. Какова функция озонового слоя и основные химические соединения, разрушающие его?

10. Каковы основные причины нарушения кислородного баланса в воздухе?

11. Назовите две важнейшие кислоты, присутствующие в кислотных осадках, и поясните, как они образуются.

12. Что такое парниковые газы, парниковый эффект? Почему возрастает их концентрация в атмосфере?

13. Перечислите мероприятия, направленные на защиту воздушного бассейна. Дайте их краткую характеристику.

14. Какие методы очистки выбросных газов от химических веществ Вы знаете? Какие принципы лежат в основе их функционирования?

15. Охарактеризуйте существующие методы очистки выбросных газов от пыли. Какие аппараты для этого применяют?

16. Укажите основной принцип, используемый для очистки в туманоуловителях.