ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 4, с. 365-370
УДК 66.081.4:542.74
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ХЕМОСОРБЦИОИИОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗОВ В ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЕ
© 2007 г. Я. М. Гумницкий*, К. О. Дерейко
* "Ченстоховская Политехника", Польша Национальный университет "Львовская политехника", Украина
dereyko@is.lviv.ua Поступила в редакцию 11.06.2003 г., после доработки 4.10.2005 г.
Приведен теоретический анализ кинетики хемосорбционного поглощения диоксида серы известняковой суспензией и разработана его математическая модель, на основании которой теоретически определена степень очистки газа. Показано, что степень очистки газа существенно увеличивается при хемосорбции суспензией твердого поглотителя по сравнению с физической абсорбцией и возрастает с увеличением массы твердого хемосорбента в растворе и степени измельчения твердых частиц.
Для очистки газовой среды от токсических компонентов в экологических целях используют различные физико-химические методы: абсорбция, адсорбция, конденсация, мембранное разделение, окисление (химическое, термическое, биологическое), катализ [1]. Ведущее место в газоочистных технологиях занимают абсорбционные и хемо-сорбционные методы, которые позволяют извлечь вредные газовые компоненты из газовой среды и превратить их в практически безвредные соединения в жидком состоянии. Хемосорцион-ные методы используют для очистки газов от 802, N0*, КИ3, С02, И28, углеводородов и других примесей.
При абсорбции, сопровождающейся химической реакцией, или хемосорбции абсорбированный компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. Применение хемосорбции целесообразно в тех случаях, когда сопротивление массоотдачи в жидкой фазе в процессе физической абсорбции значительно выше, чем соответствующее сопротивление в газовой фазе [2]. В этом случае общая скорость процесса абсорбции лимитируется диффузией в жидкой фазе и становится целесообразным использование химического реагента для удаления физически абсорбированного газа, превращения его в химическое соединение, что позволяет увеличить движущую силу абсорбции и тем самым интенсифицировать поглощение.
Для реализации хемосорбционного процесса очистки газовых смесей используют растворы химических реагентов и суспензии твердых хемо-сорбентов. Вопросы кинетики процессов хемосорбции растворенными поглотителями подробно описаны в работах [2, 3]. Основным критерием оценки скорости хемосорбционных процессов с использованием растворов химических реагентов является коэффициент ускорения Е, определяю-
щий увеличение количества поглощенного газа за определенный интервал времени при хемосорбции в сравнении с количеством этого газа, который поглотился бы за это же время при физической абсорбции.
Процессы с использованием суспензий твердых поглотителей приобрели значительное распространение в промышленности. В частности, их используют для очистки газов от диоксида серы в известняковом, магнезитовом и цинковом методах. Сущность и аппаратурное оформление этих процессов уже достаточно отображены во многих работах [4, 5], но математическое описание процесса поглощения в трехфазной системе газ-жидкость - твердая фаза в литературе отсутствует.
В [6-8] описана кинетика хемосорбционного процесса для случая, когда твердый реагент нерастворим в воде, но реагирует с поглощенным путем физической абсорбции газом. В этом случае физически абсорбированный газ находится в объеме жидкости, а не в пограничном диффузионном слое, как это происходит в случае хемосорбции растворенным реагентом. Для нерастворимых в воде твердых сорбентов-реагентов характерным является наличие возле внешней поверхности твердой частицы пограничного диффузионного слоя 5т, в котором концентрация реагента (абсорбированного газа) снижается до нуля на ее поверхности. Схематически профиль концентраций диффундирующего вещества представлен на рис. 1.
В общем случае при хемосорбции растворенным веществом (например, №0Н) газовый компонент диффундирует от поверхности контакта фаз к реакционной поверхности, т.е. при этом осуществляется физическая абсорбция в жидкостной пленке. Далее в зависимости от типа хи-
Газ У
С Угр = У
С
раздела газ-жидкость
Жидкость
Поверхность раздела
жидкость-твердый реагент Твердый реагент
Рис. 1. Профиль концентраций Б02 в газовой и жидкой фазах.
мической реакции физически абсорбированный газ взаимодействует с растворенным веществом полностью на реакционной поверхности между поверхностью контакта фаз и пленкой основной массы жидкости (в случае мгновенной реакции), или непрореагированная часть его проникает в основную массу жидкости [2].
Отличие физической модели массопереноса при хемосорбции с использованием твердого нерастворимого в воде поглотителя от хемосорбции растворенным веществом состоит в том, что в пограничной диффузионной жидкостной пленке осуществляется только растворение газа с дальнейшей диффузией в объем жидкости (физическая абсорбция), химическая реакция при этом не происходит. Образованный раствор физически заабсорбированного газа диффундирует к поверхности твердого сорбента и после этого вступает в химическую реакцию, что влечет за собой химическое растворение твердых частиц.
Как известно, химическое растворение может протекать в диффузионной, кинетической или смешанной областях. Экспериментально установлено, что растворение таких веществ как карбонат кальция протекает в диффузионной области [9]. При этом, как будет установлено ниже, допускается, что концентрация газа на границе раздела фаз газ-жидкость вследствие интенсивного перемешивания равна концентрации в объеме газа. В жидкости образуется два диффузионных пограничных слоя: 5ж - около поверхности контакта фаз газ-жидкость и 5т - на поверхности твердого тела, причем на самой поверхности для диффузионно контролируемых процессов концентрация реагента С = 0.
Теоретически и экспериментально доказано, что коэффициент ускорения Е в данном случае определяется только отношением движущей силы процесса хемосорбции к движущей силе физической абсорбции [6, 7]. Оказалось, что значение величины Е возрастает при увеличении времени пребывания жидкости в реакторе, а также при
возрастании массы и степени измельчения твердых частиц [6, 8].
Расчет коэффициента ускорения осуществлен для процессов непрерывных по газовой фазе и периодических по жидкой фазе. Периодичность процесса по жидкой фазе позволяет минимизировать объем отработанных сточных вод, которые потребуют последующей нейтрализации. Поскольку один из продуктов химической реакции является малорастворимым соединением и выделяется в твердой фазе, возможна его сепарация из раствора, что создает возможность рециклизации жидкой фазы, а, следовательно, приводит к возрастанию времени использования отработанного раствора. Определенное количество твердого сорбента должно постоянно находиться в объеме жидкости абсорбера для поддержки необходимой поверхности контакта фаз. В связи с этим по мере отработки твердого хемосорбента его периодически необходимо прибавлять в аппарат. Газ на очистку подается в абсорбер непрерывно.
Коэффициент ускорения Е позволяет оценить только скорость процесса в жидкой фазе, но не является оценкой для газовой фазы. Основным критерием очистки в газовой фазе является степень очистки п, определяющаяся следующим соотношением:
п =
Ун - У к Ун
(1)
где ун - начальная концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси, кг/м3; ук - конечная концентрация этого же компонента в газовой смеси на выходе из хемосорбционного аппарата, кг/м3.
Несомненно, что конечная концентрация не должна превышать величину гранично-допустимого выброса.
Для расчета степени очистки газа был осуществлен теоретический анализ кинетики хемосорбционного процесса поглощения диоксида серы известняковой суспензией. На основании разработанной математической модели этого процесса найдена теоретическая зависимость для определения коэффициента п.
В качестве основного аппарата для очистки газа выбран абсорбер с импеллерной мешалкой, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.
Принцип работы абсорбера с мешалкой основан на диспергировании газа в жидкости, являющейся сплошной фазой, при этом осуществляется вспенивание жидкости и пронизывание ее пузырьками газа. Экспериментальными исследованиями доказано, что использование аппарата с активной гидродинамикой является необходимым условием осуществления хемосорбционных
5
ж
процессов поглощения диоксида серы [10, 11]. Использование в предложенном абсорбере им-пеллерной мешалки как устройства для перемешивания обеспечивает осуществление процесса абсорбции в пенном режиме. При работе абсорбера в нижней части пустотелого вала создается разрежение, благодаря которому загрязненный воздух поступает к импеллеру и за счет вращения последнего осуществляется процесс аэрации абсорбента. Газ выбрасывается импеллером в виде мелких пузырьков, которые вместе с абсорбентом образуют слой пены, значительно увеличивающий поверхность массообмена.
Осуществлены экспериментальные исследования хемосорбционного процесса поглощения диоксида серы в абсорбере с импеллерной мешалкой, результаты которых представлены на рис. 3 и 4. Эксперименты проводили в аппарате цилиндрической формы (диаметр 12 см, высота 18 см). Процесс хемосорбции осуществляли при следующих условиях: концентрация известняковой суспензии ~120 г/л; объем суспензии 1.5 х 10-3 м3; при этом концентрация 802 в газовой смеси составляла в пределах 2-7 об. %; размер частиц известняка около 3-3.5 мм; расход газовой смеси 1.5 х 10-4 м3/с; температура в абсорбере 40°С; длительность эксперимента 1 ч. В результате анализа проб суспензии, отобранных в процессе хемосорбции, доказано, что свободной сульфитной кислоты Н2803, являющейся продуктом физической абсорбции 802 водой, в растворе нет. Образуясь, эта кислота сразу же реагирует с частичками известняка и переходит в соли кальция. Растворенная форма
803- представляет собой кислые и средние соли Са2+[Са(Н803)2 и Са803]. Как видно из рис. 3, концентрации этих солей значительные, что свидетельствует о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.