Адсорбционная очистка газовых выбросов
Виды адсорбции
Адсорбционный метод является одним из самых распространен- ных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений.
Адсорбция - это поглощение вещества поверхностью твердого поглотителя - адсорбента. Поглощающая способность поверхности объясняется особым состоянием молекул на границе раздела фаз в ре- зультате неуравновешенности сил, действующих на пограничные мо- лекулы. Если результирующая сил притяжения направлена внутрь данной фазы, то особое состояние на поверхности проявляется в спо- собности притягивать молекулы другой фазы, находящейся в контакте с этим слоем. Молекулы поглощаемого вещества, сорбируясь, частич- но насыщают поверхность сорбента и уменьшают ее свободную энер- гию.
Адсорбция, сопровождаемая химической реакцией, называется хемосорбцией. Это обычная химическая реакция, происходящая на по- верхности поглотителя, который покрывается пленкой продуктов ре- акции.
Адсорбция, не сопровождающаяся химической реакцией, в свою очередь, делится на физическую и активированную. Физическая ад- сорбция обуславливается силами взаимного притяжения молекул. Процесс физической адсорбции протекает очень быстро, с выделением тепла, теплота физической адсорбции невелика и имеет тот же поря- док, что и теплота конденсации. Физическая адсорбция не избиратель- ная или неспецифична, т.е. индивидуальные свойства поглощаемого вещества и поглотителя не имеют значения. Физическая адсорбция полностью обратима.
Активированная адсорбция обуславливается взаимодействием между молекулами поглощенного вещества и поглотителя с образова- нием поверхностного соединения, в котором молекулы поглотителя, вступившие в соединение с адсорбированными молекулами, остаются в кристаллической решетке поглотителя. При этом молекулы погло- щенного вещества образуют на поверхности поглотителя только один слой (мономолекулярная адсорбция). Активированная адсорбция про- текает медленно, для достижения равновесия требуется продолжитель- ное время, необходима активация процесса путем повешения темпера-
туры, действия света и пр. Теплота активированной адсорбции выше теплоты физической. Активированная адсорбция избирательна, обрат- ное выделение поглощенного вещества затруднено.
Хемосорбция происходит практически мгновенно и ведет к обра- зованию обычных химических соединений, теплота хемосорбции выше теплоты активированной адсорбции, выделение поглощенного вещест- ва практически невозможно.
В некоторых случаях пар поглощается вследствие его конденса- ции в порах поглотителя. Это явление называется капиллярной кон- денсацией.
На практике отдельные виды адсорбции протекают одновремен- но. Так, весьма часто совмещаются физическая адсорбция и капилляр- ная конденсация в поглотителях, имеющих поры различных размеров. Также часто совмещаются физическая и активированная адсорбция, причем при низких температурах преимущественно протекает первая, а при высоких - вторая.
Физико-химические закономерности процесса адсорбции
Установлено, что количество вещества, адсорбированное массо- вой или объемной единицей поглотителя, зависит от температуры про- цесса и концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси:
а = f(C, t),
где а - концентрация поглощаемого вещества в поглотителе; C - концентрация поглощаемого вещества в фазе, соприкасающейся с по- глотителем; t - температура процесса
При постоянной температуре а = f(C).
При поглощении вещества из парогазовой смеси концентрация поглощаемого вещества может заменяться его парциальным давлением Р:
а = f(Р).
При достижении состояния адсорбционного равновесия кривая, выражающая данную зависимость, называется изотермой адсорбции.
Вид изотермы зависит от природы поглощаемого вещества и по- глотителя и от температуры процесса. Т.к. газовая адсорбция экзотер- мична, количество адсорбированных паров и газов увеличивается с по- нижением температуры.
Скорость адсорбции da/d, или количество адсорбируемого из по- тока вещества в единицу времени единицей объема слоя зернистого
поглотителя, определяется из уравнения, называемого уравнением ки- нетики сорбции:
da/d = (C-y),
где - кинетический коэффициент или коэффициент массопередачи; (C-y) - разность между содержанием вещества в газовом потоке и концентрацией газа, находящегося в равновесии с поглощенным веществом.
В основе расчета процессов очистки и рекуперации, осуществ- ляемых с помощью твердых сорбентов, лежат закономерности динами- ки адсорбции. Динамика сорбционных процессов рассматривает про- странственно-временное распределение компонентов между фазами системы, возникающее при перемещении этих фаз относительно друг друга.
При продувке газа через слой сорбента в газовой и твердой фазах образуется концентрационное поле поглощаемого вещества; движение точек поля происходит в соответствии с уравнением Викке:
U = w/(1+f(c)),
где U - скорость движения точки вдоль слоя сорбента, м/с; w - скорость газа в слое, м/с; f(c)=da/dc, причем а=f(c); c - концентрация адсорбата в газовой фазе. Для выпуклой изотермы адсорбции при с2 > c1 f(c1) > f(с2) и U1 <
U2.. Это означает, что точки, соответствующие меньшим концентраци- ям, движутся вдоль слоя адсорбента медленнее, чем точки с большими концентрациями и через определенный интервал времени в концентра- ционном поле должна установиться единственная концентрация по-
глощаемого вещества, равная начальной. Образуется сорбционный фронт, перемещающийся в слое параллельно самому себе, что приво- дит к послойной обработке сорбента. При этом концентрация адсорба- та в газовой фазе распределяется от С=0 до Сi.
Последняя величина называется концентрацией проскока и яв-
ляется наименьшей концентрацией поглощаемого вещества на выходе из слоя адсорбента, которая определяется аналитически. Время, при котором за слоем сорбента появляется проскоковая концентрация, на- зывается временем проскока или временем защитного действия слоя
пр.
Количество поглощенного слоем сорбента вещества при появле-
нии за слоем сорбента проскоковой концентрации характеризует ди- намическую активность сорбента. Динамическая активность сорбен- та всегда меньше его равновесной или статической активности, со- ответствующей количеству поглощенного вещества после появления за слоем начальной концентрации адсорбата Со.
Зависимость между временем защитного действия слоя пр. и его длиной L устанавливается уравнением Шилова (рис. 4.2):
пр = k L - o,
где k=1/U - коэффициент защитного действия, показывающий, сколько време- ни задерживает 1 см слоя сорбента в условиях стационарного режима погло- щаемое вещество; o - потеря времени защитного действия, связанная с началь- ным периодом формирования кривой распределения адсорбата; U - скорость движения фронта.
Обычно, чтобы обеспечить высокую степень очистки, адсорбер перед наступлением «проскока» переключают на стадию десорбции. При этом, однако, часть адсорбционной емкости в работающем слое не используется; степень недоиспользования адсорбционной емкости в работающем слое определяют коэффициентом симметричности , ко- торый вычисляется из соотношения площадей (рис.4.3):
= SABC /SABCD ,
Величину работающего слоя определяют по выходной кривой, отражающей нарастание концентрации примеси за слоем адсорбента во времени (рис.4.3). Для этого можно пользоваться формулой Майк- лса-Трейбла:
Lo = L/{р - (1-)},
где - разность времени между появлением равновесной р и проскоковой пр концентрацией за слоем; р - время появления максимальной равновесной кон- центрации; - коэффициент симметричности выходных кривых.