Промышленная очистка газов - Страус В.
Скачать (прямая ссылка):
Более удачными по сравнению с простыми абсорберами были установки, в которых газы пропускают через слои смоченного активированного угля и затем через смоченные пластмассовые насадки. Туда же добавляли газообразный аммиак для создания щелочной среды. Установку, производимую фирмой Керам Хеми [436], промывали каждую неделю для удаления раствора нитрата и пыли, оседающей на катализаторе.
В производстве азотной кислоты подходящим абсорбентом является разбавленная азотная кислота, она циркулирует в колпачковой колонне с охлаждаемыми прорезями. Применяются также
155
скрубберы Вентури, захватываемый потоком газа воздух способствует окислению оксида азота (NO) до диоксида, который далее поглощается водой:
2N02 + H2O --* HNO2 + HNO3
2HN02 ---»- HNO3 + H2O + 2NO
На старых установках абсорбционные башни строили из гранита и заполняли битым кварцем. Высота башни составляла 25 м. Подробное обсуждение абсорбции в производстве азотной кислоты эдожно найти в работе Шервуда и Пигфорда [768], а экспериментальные данные о степени абсорбции NO2 были опубликованы Деккером, Сноком и Крамерсом [215].
Каталитические процессы окисления и восстановления оксидов азота будут рассмотрены далее на с. 196.
3. АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ
Так как механизм адсорбции молекул газа на поверхности твердых тел очень сложен и зависит от физических и химических свойств газа и твердого тела в каждом конкретном случае, предложить общий подход к проектированию адсорбционного оборудования намного сложнее, чем для противоточной абсорбционной установки. На практике большинство проектов основано либо на опыте, приобретенном при эксплуатации подобных установок, либо на исследованиях в полупромышленном масштабе. Тем не менее понимание принципов адсорбции в значительной мере помогает решить вопрос, является ли этот процесс наилучшим способом удаления определенных газов, а также облегчает выбор соответствующих адсорбционных материалов и переход от лабораторных опытов к промышленному производству.
В процессе адсорбции молекулы газа осаждаются на поверхности твердого тела точно так же, как и при конденсации, а затем удерживаются на ней физическими силами притяжения (силы Лондона— Ван-дер-Ваальса) либо химическими силами (хемосорбция) — в зависимости от химической природы молекулы и поверхности. В некоторых системах могут существовать оба вида адсорбции или промежуточные состояния.
Твердые вещества, наиболее пригодные для адсорбции, отличаются высокой пористостью, имеют хорошо развитую поверхность с большой эффективной площадью. В качестве адсорбентов применяют такие материалы, как уголь, глинозем, силикагель. Некоторые свойства поверхности, например, расположение кристаллов или присутствие на поверхности атомов кислорода со свободной электронной парой, способной создавать водородные связи, обусловливают хемосорбцию определенных видов молекул. Точная природа этих свойств поверхности еще недостаточно ясна, поэтому необходимы дополнительные исследования, позволяющие создать матери-
156
алы с такими поверхностными свойствами, которые были бы способны селективно адсорбировать молекулы данного типа или ряд молекул таких типов.
Другими существенными характеристиками твердых веществ, используемых в качестве адсорбентов, являются твердость, склонность к слеживанию при загрузке в башню и механическая прочность во ,время транспортирования и загрузки в контейнер. И уголь, и глинозем, и силикагель обладают этими свойствами.
Кроме того, к твердому веществу предъявляются требования простоты регенерации после насыщения газом и многократного использования.
Адсорбция газа на поверхности твердого тела проходит в несколько стадий. Первой стадией является перенос молекул газа к внешней поверхности твердого вещества, и эта стадия аналогична диффузии молекул газа через стационарный слой к границе раздела фаз газ — жидкость при абсорбции (раздел 2, с. 107 сл).
Скорость переноса Na для этой стадии выражается уравнением, подобным уравнению (111.23), с соответствующими допусками, учитывающими форму адсорбента (гранулы):
NA = kf -^-(P-Pi) (III.53)
где kf — коэффициент массопереноса (газ — твердая поверхность); Ap — площадь внешней поверхности твердого тела; є — объем пустот между гранулами; ре — насыпная плотность загружаемого адсорбента; р, Рх — парциальные давления газа в объеме и на поверхности соответственно.
Коэффициент массопереноса может быть найден из уравнения, подобного (111.26) [942]:
( D3Ufp \-<>м і и \-°-67 *,=--1,82« (-^Te-) (-?r) (III.54)
где U — средняя линейная скорость газа по отношению к поверхности; ц — вязкость газа; р — плотность газа; D — коэффициент диффузии адсорбируемого
таза; D3 — эквивалентный сферический диаметр гранул, т. е. диаметр сферы того же объема, что и гранула.
Вторая стадия адсорбции заключается в том, что молекулы газа проникают в поры твердого вещества, третьей стадией является собственно адсорбция молекулы в определенной области поры. Иногда после адсорбции молекулы проникают через твердое тело путем внутренней диффузии, но эта стадия не влияет на скорость адсорбции. Собственно адсорбция в порах протекает очень быстро по сравнению с двумя первыми стадиями. Скорость диффузии вдоль поры определяется коэффициентом диффузии в поре Dn, который может быть найден из следующего уравнения [922] для случаев, когда поры меньше среднего свободного пробега молекул
