Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 434
Скачиваний: 17
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
55
В камере резервуара (корпуса) имеется фигурная S- образная перегородка, частично затопленная, из которой воз- дух может перетекать из входного отсека корпуса в выходной через проход. Стремясь к выходу, воздух ударяется о водную поверхность и увлекает за собой тончайший слой воды, кото- рый активно диспергируется в отверстиях перегородки и улав- ливает твердые частицы.
Нормальная эксплуатация скрубберов ударно- инерционного действия возможна только при поддержании постоянного уровня жидкости в аппарате, так как его повыше- ние влечет рост гидравлического сопротивления, а уменьшение приводит к уменьшению эффективности очистки.
В НИИОгаза разработан нормализованный ротоциклон типа РПА (рис.1.23), автоматически поддерживающий вели- чину гидравлического сопротивления, а, следовательно, и эф- фективности. Функцию регулирующего органа выполняет плавающая камера, позволяющая поддерживать постоянное гидравлическое сопротивление аппарата при отклонении рас- хода газа от номинального на 30 %.
Гидравлическое сопротивление газопромывателя в зави- симости от веса балластировочного груза колеблется от 2500 до
3500 Па. С учетом каплеуловителя общее максимальное сопро- тивление аппарата достигает 4300 Па.
1.7.4. СКРУББЕРЫ ВЕНТУРИ
Основной частью аппарата является труба-распылитель, в которой обеспечивается интенсивное дробление орошаемой жидкости газовым потоком, движущимся со скоростью 40-150 м/с.
Труба Вентури состоит из служащего для увеличения скорости газа конфузора, в котором размещается оросительное устройство, горловины, где происходит осаждение частиц пы- ли на каплях воды, и диффузора, в котором протекают процес- сы коагуляции, а также за счет снижения скорости восстанав- ливается часть давления, затраченного на создание высокой скорости в горловине. В каплеуловителе тангенциального вво-
56 да газа создается вращение газового потока, вследствие чего смоченные и укрупненные частицы пыли отбрасываются на стенки и непрерывно удаляются из каплеуловителя в виде шлама.
Конкретные конструкции скрубберов Вентури очень мно- гообразны. Наиболее современные конструкции аппаратов этого типа разработаны НИИОГАЗом. Первый типоразмерный ряд– прямоточные высоконапорные аппараты типа ГВПВ
(рис.1.24, табл.1.4), состоящие из трубы круглого сечения и малогабаритного прямоточного циклона типа КЦТ (рис.1.25).
Удельный расход воды изменяется от 0,5 до 2,5 дм/м
3
, гидрав- лическое сопротивление от 6 до 12 кПа. Скорость газа в кап- леуловителе 4-5,6 м/с; при этом его гидравлическое сопротив- ление составляет 350 Па, а конечная концентрация капельной влаги находится в пределах 20-40 мг/м
3
. Труба Вентури уста- навливается в любом положении (вертикально, горизонтально, наклонно).
Таблица 1.4
Нормализованный ряд циклона типа КЦТ
Типоразмер
Внутренний диаметр D, мм
Полная высо- та H, мм
Производитель- ность, м
3
/ч
Масса, кг
КЦТ-400 400 1210 1700 85
КЦТ-500 500 1750 3100-3890 154
КЦТ-600 600 2000 3890-5600 168
КЦТ-700 700 2220 5600-7625 218
КЦТ-800 800 2462 7625-9960 268
КЦТ-900 900 2754 9960-12600 332
КЦТ-1000 1000 3004 12600-15560 408
КЦТ-1200 1200 3557 15560-22410 708
КЦТ-1400 1400 4107 22410-30500 908
КЦТ-1600 1600 4607 30500-39840 1158
КЦТ-1800 1800 5208 39840-50420 1558
КЦТ-2000 2000 5758 50420-62245 1828
КЦТ-2200 2200 6408 62245-75315 2268
КЦТ-2400 2400 6908 75315-84000 2648
57
Рис.1.24. Труба Вентури типа
ГВПВ
1 – диффузор; 2 – конфузор; 3 – подвод орошающей воды; 4 – горловина
Рис.1.25.Каплеуловитель типа
КЦТ
1 – входной патрубок; 2 – корпус;
3 – выходной патрубок
Подвод орошаю- щей жид- кости
1 2
3 3
4
Вход газа
h
d
1
d
3
d
2
Н
Шлам
1 2
3
Н
D
Второй типоразмерный ряд – ряд скрубберов Вентури ти- па СВ с кольцевым сечением горловины, объединяющий ап- параты двух модификаций (рис.1.26). В аппаратах первой мо- дификации предусмотрена регулировка сечения горловины с помощью перемещения вверх и вниз конического обтекателя с углом раскрытия 7
. Требуемое гидравлическое сопротивле- ние обеспечивается за счет изменения скорости газа в кольце-
58
Рис.1.26. Скруббер Вентури типа
СВ с коническим обтекателем
1 – форсунка; 2 – конфузор; 3 – горлови- на; 4 – регулирующий конический обте- катель; 5 – диффузор; 6 – направляющий патрубок; 7 – центробежный завихри- тель; 8 – корпус каплеуловителя; 9 – люк
Рис.1.27. Скруббер Вентури типа СВ с эллиптическим (плоским) обтекателем
1 – труба-распылитель; 2 – регулирую- щая вставка с эллиптическим обтекате- лем;
3 – циклон-каплеуловитель; 4 – кониче- ский центробежный завихритель
Газы
Газы
Газы
Шлам
Шлам
1 2
3 4
Н
Жидкость
Газы
Газы
Вода
Шлам
2 3
4 5
6 7
8 9
1 7 вой горловине в пределах 100-200 м/с и удельного расхода жидкости от 0,5 до 3,5 дм
3
/м
3
Эти аппараты имеют производительность от 2 до
50 тыс. м
3
/ч. Вторая модификация кольцевых скрубберов
Вентури (рис.1.27) имеет эллиптический (плоский) обтека- тель и рассчитана на производительность от 50 до
500 тыс. м
3
/ч. Аппарат комплектуется из трубы-распылителя с регулируемым сечением горловины и отдельно стоящих
(одного или двух) циклонов-каплеуловителей. Изменение гидравлического сопротивления аппарата от 4 до 12 кПа обеспечивается регулировкой скорости газа в сечении горло- вины от 80 до 180 м/с и изменением удельного расхода жид- кости в пределах 0,5-3 дм
3
/м
3
59
5>
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 17
1.7.5. ПЕННЫЕ АППАРАТЫ
Барботажные и пенные аппара- ты – представители аппаратов одного типа. Они отличаются первичным параметром –
г
(скоростью газа в полном сечении),
г
= 0,3-0,7 м/с (до
1,0 м/с) у барботажных;
г
= 1,5(2,0)-
3,5(4,5) м/с – у пенных. Динамиче- ская структура газожидкостного слоя различна у обоих подвидов, и поэто- му для их обозначения применяют различные термины.
Пенные аппараты (рис.1.28) вы- полнены в виде вертикального ци- линдра, снабженного горизонталь- ной решеткой (тарелкой). На решет- ке располагается слой жидкости, че- рез который пропускается очищае- мый газ. При увеличении скорости газа на решетке устанавливаются различные режимы:
- барботажный режим(
г
= 0,3-
0,7 м/с), при котором гидравлическое сопротивление резко повышается и на решетке образуется слой жидкости, через которую барботируют пузырьки газа;
- переходный режим (
г
= 0,7-1,3 м/с), характеризующий переход от барботажного режима к пенному;
- пенный режим (
г
= 0,8-2,2 м/с), сопровождающийся образованием турбулизированной пены, в которой происхо- дит непрерывное разрушение, слияние и образование новых газовых пузырьков;
- волновой режим, устанавливающийся при дальнейшем росте скорости; при волновом режиме происходит прорыв га- зовых струй, колебание слоя пены; компенсация достигается
Рис.1.28. Пенный аппарат
ПАСС
1 – камера запыленного воздуха;
2 – решетка; 3 – стабилизатор;
4 – каплеуловитель
4 3
2 1
Очищенный газ
Вода
За пы ле нн ы
й г аз
60 использованием стабилизатора слоя пены, который эффекти- вен при скорости газа до 4 м/с.
Пенные аппараты со стабилизатором пенного слоя
(ПАСС) (рис.1.28) являются интенсивными высокопроизводи- тельными аппаратами, применяемыми для пылеулавливания, охлаждения и абсорбции газов.
Стабилизатор слоя пены помимо увеличения скорости потока способствует увеличению высоты слоя пены, сокраще- нию удельного орошения (расхода воды) до 0,05-0,10 дм
3
/м
3
Размеры ячеек рекомендуется выбирать из диапазона
35
35÷45
45 мм при высоте пластин 60 мм.
1.8. АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД
Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем соприкасающейся с ней конденсированной фа- зы. При абсорбции происходит избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидки- ми поглотителями.
Обратный процесс, т.е. удаление из объема конденсиро- ванного вещества поглощенных молекул газа, называется де- газацией или десорбцией.
Вещество, которое содержится в газовой фазе и при аб- сорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом- носителем, вещество, в котором происходит растворение аб- сорбируемых компонентов, называют растворителем (погло- тителем или абсорбентом), вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, т.е. поглощаемый компонент, называют абсорбтивом, поглощае- мое вещество в объеме поглотителя – абсорбатом.
Абсорбат удерживаются в абсорбенте, равномерно рас- пределяясь среди его молекул, вследствие растворения или химической реакции. Процесс, завершающийся растворением абсорбата в поглотителе, называют физической абсорбцией.
При физической абсорбции происходит физическое растворе- ние абсорбируемого компонента в растворителе, при этом мо-
61 лекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между собой в химическое взаимодействие.
Процесс, сопровождающийся химической реакцией меж- ду поглощаемым компонентом и абсорбентом, называют хе- мосорбцией. При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя но- вые химические соединения в жидкой фазе.
Когда концентрация растворенного газа мала, а темпе- ратура и давление далеки от критических значений, равнове- сие в системах газ - жидкость определяется законом Генри:
p
i
= H
i
·x
i
(1.8) где Pi – парциальное давление i-гокомпонента в газах при равновесии; Hi – константа Генри 1-го компонента, имеющая размерность давления; Xi – молярная доля 1-го ком- понента в жидкости.
Когда газ вступает в растворе в химическую реакцию, закон Генри следует применять не к общей концентрации растворенного газа, а к концентрации непрореагировавшего газа.
Как правило, растворение газов в воде происходит с вы- делением тепла и с уменьшением объема, поэтому в соответ- ствии с принципом Ле Шателье при повышении температу- ры их растворимость снижается.
В зависимости от особенностей взаимодействия погло- тителя и извлекаемого из газовой смеси компонента абсорб- ционные методы подразделяются на методы, базирующиеся на закономерностях физической абсорбции, и методы аб- сорбции, сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе.
При протекании химической реакции в жидкой фазе абсорбируемый компонент вступает в реакцию с поглоти- телем. Возрастает градиент концентраций у поверхности раздела, по сравнению с физической абсорбцией скорость поглощения резко увеличивается.
62
Коэффициент ускорения зависит от скорости химиче- ской реакции и степени турбулизации жидкости. Необрати- мая химическая реакция в жидкой фазе приводит к нулевому значению равновесного парциального давления растворимо- го газа в широком диапазоне концентраций.
В качестве абсорбента можно в принципе использовать любую жидкость, которая растворяет извлекаемый компо- нент. Но для применения в промышленных масштабах аб- сорбент должен отвечать ряду требований, среди них: не- обходимая поглотительная способность (абсорбционная
ёмкость), высокая селективность (избирательность) по от- ношению к поглощаемому компоненту, невысокая лету- честь, небольшая вязкость, способность к регенерации, быть термохимически устойчивыми, не проявлять корро- зионную активность, доступность и невысокая стоимость.
Желательно, чтобы поглотительный раствор имел более высокую, чем вода, температуру кипения.
На практике абсорбции используются несколько прин- ципиальных схем проведения процесса. Наиболее широко применяются прямоточная и противоточная схемы.
В прямоточной схеме абсорбции потоки газа и абсор- бента движутся параллельно друг другу. В этой схеме взаи- модействия веществ в процессе абсорбции газ с большей концентрацией распределяемого вещества приводится в кон- такт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию рас- пределяемого вещества, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует на выходе из аппарата с жидкостью, имеющий большую концентрацию распределяемого вещест- ва.
По противоточной схеме абсорбции в одном конце ап- парата приводятся в контакт газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределяемого вещества, а в про- тивоположном конце – меньшие. При противотоке можно достичь более полного извлечения компонента из газовой смеси, чем при прямоточной схеме.
63
Для абсорбции применяют такое же аппаратурное оформление, как и для мокрого способа.
1.9. АДСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД
Адсорбцией называют процесс избирательного погло- щения компонента газа, пара или раствора с помощью ад- сорбентов – пористых твердых материалов с большой удель- ной поверхностью.
Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных при- месей. В отличие от абсорбционных методов они позволяют проводить очистку газов при повышенных температурах.
Целевой компонент, находящийся в подвергаемой очи- стке газовой фазе, называют адсорбтивом, этот же компо- нент в адсорбированном состоянии – адсорбатом.
Различают физическую и химическую адсорбцию (хе- мосорбцию). При физической адсорбции поглощаемые мо- лекулы газов и паров удерживаются силами Ван-дер-
Ваальса, при хемосорбции – химическими силами.
В качестве адсорбентов используют пористые материа- лы с высокоразвитой внутренней поверхностью, имеющие синтетическое или природное происхождение.
Внутренняя структура наиболее распространенных на практике промышленных адсорбентов характеризуется на- личием различных размеров и форм пустот или пор, среди которых различают макро-, переходные (мезо-) и микропо- ры. Суммарный объем последних в единице массы или объ- ема адсорбента определяет в решении задач газоочистки как скорость (интенсивность) поглощения целевого компонента, так и адсорбционную способность (величину адсорбции) твердым поглотителем этого компонента.
Суммарный объем микропор обычно не превышает 0,5 см э
/г. Их размеры условно ограничены величиной эффектив- ного радиуса r
эф
= 1,5-10
-9
м и соизмеримы с r
эф адсорбируемых молекул. Характерной особенностью адсорбции в микропорах в
64 этой связи является заполнение их объема адсорбируемыми мо- лекулами.
Переходные поры характеризуются величинами эффек- тивных радиусов от 1,5-10
-9
до 2-10
-7
м. В отличие от микро- пор в них возможна слоевая моно- или полимолекулярная адсорбция, так как адсорбционные силы здесь не перекрывают всего объема пор ввиду небольших полей их действия. Заверше- ние заполнения объема переходных пор происходит при опре- деленных условиях по механизму капиллярной конденсации, вызываемой понижением давления пара адсорбируемого ве- щества над вогнутым под действием сил поверхностного на- тяжения мениском жидкости в порах (капиллярах). Отнесен- ная к единице массы удельная поверхность переходных пор ад- сорбентов обычно находится в интервале 10-400 м
2
/г.
Макропоры промышленных адсорбентов обладают раз- мерами эффективных радиусов, превосходящими 2-10
-7
м.
Удельная поверхность этой разновидности пор обычно со- ставляет лишь 0,5-2 м
2
/г, что предопределяет ничтожную ве- личину адсорбции на их стенках. Капиллярная конденсация в этих порах отсутствует. Макро- и переходные поры выполняют роль транспортных путей, обеспечивающих при адсорбции дос- туп поглощаемых молекул в микропоры и эвакуацию адсорба- та при регенерации адсорбента.
Основные типы промышленных адсорбентов являются смешаннопористыми материалами, однако в соответствии с преобладающим в их структуре размером пор они могут подразделяться на микро-, переходно- и макропористые.
Промышленные адсорбенты изготавливают из твердых пористых материалов и используют в дробленном, гранули- рованном или порошкообразном виде.
Адсорбент должен иметь высокую сорбционную ем- кость, т.е. возможность поглощать большое количество ад- сорбтива при его малой концентрации в газовой среде, что зависит от удельной площади поверхности и физико- химических свойств поверхностных частиц. Адсорбционная емкость адсорбента зависит от его природы. Она возрастает с