Процессы массообмена в технологии защиты окружающей среды

Процессом массобмена называют диффузионный перенос одного или нескольких компонентов смесей веществ из одной фазы в другую. Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов.

Массообменные процессы широко используются в природоохранных технологиях для защиты окружающей среды, например, для очистки отходящих газов и очистки сточных веществ от вредных веществ.

Абсорбция газовых примесей

Некоторые жидкости при контакте с многокомпонентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдельные ингредиенты и поглощать (сорбировать) их.

Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем соприкасающейся с ней конденсированной фазы, т. е. абсорбция - это процесс избирательного поглощения газа или пара жидкостью. Обратный процесс, т. е. удаление из объема конденсированного вещества поглощенных молекул газа, называется дегазацией или десорбцией.

Процесс, завершающийся растворением абсорбата в поглотителе, называют физической абсорбцией (в дальнейшем - абсорбция). При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе.

Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем, поглотителем или абсорбентом. Молекулы поглощаемого вещества - абсорбата удерживаются в объеме поглотителя - абсорбента, равномерно распределяясь среди его молекул вследствие растворения или химической реакции. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, называют абсорбтивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем. Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберы

Иногда растворяющийся газ вступает в химическую реакцию непосредственно с самим растворителем. Процесс, сопровождающийся химической реакцией между поглощаемым компонентом и абсорбентом, называют химической абсорбцией (в дальнейшем - хемосорбция). При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.

Абсорбция представляет процесс химической технологии, включающей массоперенос между газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в аппарате для контактирования газа с жидкостью.

Для более полного извлечения компонента из газовой смеси при физической абсорбции необходимо использовать принцип противотока с непрерывной подачей в абсорбер свежего раствора.

Для многократного использования поглотитель подвергают регенерации, при этом из него извлекают абсорбтив, который реализуют в виде сырья для других процессов или целевого товарного продукта. Если извлекаемый компонент не представляет ценности, безопасен или процесс регенерации связан с большими трудностями, то поглотитель используют однократно и после соответствующей обработки его сливают в канализацию.

Схема абсорбционной установки приведена на рис. 4.1.

Абсорбционная система может быть простой, в которой жидкость применяется только один раз и удаляется из системы без отделения абсорбированного загрязнения. В другом варианте загрязнение отделяют от абсорбирующей жидкости, выделяя её в чистом виде. Затем абсорбент вновь подают на стадию абсорбции, снова регенерируют и возвращают в систему.

Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты - абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы:

  • 1) поверхностные и пленочные;
  • 2) насадочные;
  • 3) барботажные (тарельчатые);
  • 4) распыливающие.

В технике санитарной очистки газов от вредных примесей наиболее широко используются абсорберы второй и третьей групп.

Схема абсорбционной установки

Рис. 4.1. Схема абсорбционной установки:

  • 1 - вентилятор (газодувка); 2 - абсорбер; 3 - брызгоотбойник; 4, 6 - оросители;
  • 5 - холодильник; 7 - десорбер; 8 - куб десорбера; 9,13- ёмкость для абсорбента;
  • 10, 12 - насосы; 11 - теплообменник-рекуператор

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема насадочного абсорбера:

1 - распределительное устройство; 2 - насадка; 3 - решетки; 4 - направляющий конус

К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность / (а), м23, свободный объем в, м33 и эквивалентный диаметр насадки d3, м. Еще одной характеристикой насадки является ее свободное сечение s, м22. Принимают, что свободное сечение насадки s равно по величине ее свободному объему, т. е. 5 = 8.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашита, имеющие высоту, равную диаметру в пределах 15..Л50 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50x50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Загруженную таким способом насадку называют регулярной', она обладает меньшим гидравлическим сопротивлением и допускает большие скорости газа. Мелкая насадка обладает более развитой удельной поверхностью, но имеет большое гидравлическое сопротивление.

Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих в колонну, должно соответствовать оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя (рис. 4.3).

При низких расходах газа наблюдается пленочное стекание жидкости по насадке. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке А .

Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости

Рис. 4.3. Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости

газа в колонне:

1 - сухая насадка; 2 - орошаемая насадка

С увеличением подачи газа жидкость начинает задерживаться в слое насадки, а его гидравлическое сопротивление быстро растет. Такой режим называют началом (точкой) подвивания. Этот режим заканчивается в точке В. Гидравлическое сопротивление в режиме подвисания возрастает, но при этом увеличивается поверхность контакта фаз за счет образования пены, что способствует увеличению интенсивности массообмена.

Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к «запиранию» потока жидкости и ее эмульгированию. Режим эмульгирования соответствует максимальному увеличению контакта фаз насадочной колонны, но это повышение сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления (отрезок ВС). В конце режима эмульгирования наступает «обращение», или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Это явление называют началом захлебывания.

Четвертый режим (от точки С и выше) - это режим уноса жидкости из аппарата газом.

Насадочные абсорберы должны работать с максимально возможными скоростями газа, при которых насадка не захлебывается. Эта допустимая скорость газа превышает половину скорости захлебывания, ее принимают до 60...85 % от скорости захлебывания.

С увеличением размеров элементов насадки увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера снижается.

Для наиболее полного разделения газовой смеси и абсорбции плохо растворимых газов под повышенным давлением рациональнее использовать мелкую насадку, но при этом снижается допустимая скорость газа и повышается гидравлическое сопротивление.

Барботажные (тарельчатые) абсорберы представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, внутри которых по высоте размещаются горизонтальные перегородки- тарелки (рис. 4.4). Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз при многократном взаимодействии жидкости и газа.

Схема тарельчатой абсорбционной колонны

Рис. 4.4. Схема тарельчатой абсорбционной колонны:

1 — тарелки; 2 — корпус колонны; 3 — переливная трубка

По способу слива жидкости с каждой тарелки абсорберы этого типа подразделяют на колонны со сливными устройствами (т.е. с организованным сливом жидкости) и колонны без сливных устройств (с неорганизованным сливом жидкости).

К аппаратам со сливными устройствами относятся колонны с колпачковыми, ситчаты- ми и клапанными тарелками. Эти тарелки имеют специальные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую в виде сливных трубок, карманов и др. Нижние концы сливных устройств погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство.

Основное влияние на эффективность работы тарелок оказывают гидродинамические условия их работы. В зависимости от скорости газа различают три основных гидродинамических режима работы тарельчатых аппаратов: пузырьковый, пенный и струйный. Эти режимы различаются структурой газожидкостного слоя на тарелке, которая определяет гидравлическое сопротивление слоя, его высоту и поверхность контакта фаз на тарелке. Наибольшая поверхность раздела фаз достигается при пенном режиме.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >