Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf

65 увеличением поверхности, пористости, со снижением разме- ров пор адсорбента, а также с повышением концентрации ад- сорбтива в газе-носителе и давления в системе. С увеличени- ем температуры и влажности адсорбционная емкость адсор- бентов снижается. Хорошие адсорбенты выдерживают не- сколько сотен и тысяч циклов «адсорбция-десорбция» без су- щественной потери активности.
Адсорбент должен иметь высокую селективность (изби- рательность) в отношении адсорбируемого компонента. Он должен обладать достаточной механической прочностью.
Чтобы аэродинамическое сопротивление слоя было невысо- ким, плотность адсорбента должна быть небольшой, а форма частиц обтекаемой и создавать высокую порозность насыпки.
Адсорбент для процесса физической сорбции должен быть химически инертным по отношению к компонентам очищае- мой газовой среды, а для хемосорбции - вступать с молекула- ми загрязнителей в химическую реакцию. Для снижения за- трат на десорбцию уловленных компонентов удерживающая способность адсорбента не должна быть слишком высокой, т.е. он должен иметь способность к регенерации. Адсорбенты должны иметь невысокую стоимость материалов. К основным типам промышленных адсорбентов относятся: активные угли, силикагели, алюмогели (активный оксид алюминия), цеолиты.
Активные угли характеризуются гидрофобностью (пло- хой сорбируемостью полярных веществ, к которым принадле- жит и вода). Это свойство определяет широкое их использова- ние в практике рекуперационной и санитарной очистки отхо- дящих газов разнообразной влажности. Активные угли про- изводят в виде цилиндрических гранул диаметром 1-6 мм и длиной, обычно превосходящей поперечный размер гранул, и чаще всего применяют в виде стационарного слоя, через который фильтруют подлежащий очистке газовый поток.
Существенными недостатками активных углей являются от- носительно невысокая механическая прочность и горю- честь.

66
Силикагели по своей химической природе представля- ют собой гидратированные аморфные кремнеземы (SiO
2
-
nH
2
O). Силикагели служат для поглощения полярных ве- ществ. Мелкопористые силикагели используют для адсорб- ции легкоконденсируемых паров и газов, крупнопористые и частично среднепористые силикагели служат эффективными поглотителями паров органических соединений. Высокое сродство поверхности силикагелей к парам воды обусловли- вает широкое их использование в качестве агентов осушки разнообразных газовых сред. Силикагели негорючи и харак- теризуются низкой температурой регенерации (110-200°С) и достаточно высокой механической прочностью. В то же время они разрушаются под действием капельной влаги, что необходимо учитывать при их использовании в системах га- зоочистки.
Алюмогель (активный оксид алюминия А1 2
О
3
·nН
2
О, где
0<n<0,6) получают прокаливанием различных гидроксидов алюминия. При этом в зависимости от типа исходного гид- роксида, наличия в нем оксидов щелочных и щелочно- земельных металлов, условий термической обработки и ос- таточного содержания влаги получают различные по струк- туре типы алюмогеля.
В отличие от силикагелей алюмогели стойки к воздей- ствию капельной влаги. Используется, как и силикагель, для осушки газов и поглощения из них ряда полярных органиче- ских веществ. Благодаря своим положительным свойствам
(доступность, стойкость к воздействию жидкостей и др.) широко применяется.
Цеолиты представляют собой алюмосиликаты, содержа- щие в своем составе оксиды щелочных и щелочно- земельных металлов и характеризующиеся регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами молекул, что определило и другое их название – «молеку- лярные сита». Общая химическая формула цеолитов
Me
2/n
O·Al
2
O
3
·xSiO
2
·yH
2
O, (где Me – катион щелочного металла, п
– его валентность). Характеризуются регулярной структурой

67 пор, размеры которых соизмеримы с размерами молекул. Этот адсорбент называют «молекулярные сита» за их способность разделять вещества на молекулярном уровне благодаря структу- ре и размерам своих пор. Цеолиты адсорбируют газы, молекулы которых соответствуют размерам «окон» в кристаллической ре- шетке. Так, цеолит NaA сорбирует газы с размером молекул не более 4 нм – метан, этан, аммиак, сероводород, сероуглерод, ок- сид углерода и др. Цеолит СаА сорбирует углероводороды нор- мального строения и не сорбирует изомеры. Цеолиты СаХ и
NaX могут сорбировать ароматические, сероорганические, нит- роорганические, галогензамещенные углеводороды. Однако из влажных потоков цеолиты извлекают только пары воды. Цеоли- ты обладают также высокой селективностью.
Поглотительная, или адсорбционная способность (величи- на адсорбции, активность, емкость) адсорбентов выражается концентрацией адсорбата в массовой или объемной единице ад- сорбента. Она определяется природой поверхности адсорбента, величиной и характером его пористости, температурой процес- са, свойствами адсорбтива, его концентрацией в окружающей адсорбент среде. Процесс адсорбции сопровождается выделени- ем тепла, в связи с чем снижение температуры благоприятствует его реализации. Зависимость, отражающую связь величины ад- сорбции (тем или иным поглотителем) целевого компонента
(при определенных его концентрациях в очищаемой среде) в условиях равновесия между фазами при постоянной температу- ре называют изотермой адсорбции.
Динамическая активность адсорбента – количество ве- щества, поглощенное единицей веса (объема) адсорбента за время от начала адсорбции до начала проскока.
Статическая активность адсорбента – количество веще- ства, поглощенное тем же количеством адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия. Динами- ческая активность всегда меньше статической, поэтому рас- ход адсорбента определяется по его динамической активно- сти.

68
Адсорбционный процесс складывается из последовательно протекающих стадий диффузии молекул поглощаемого вещест- ва из потока газа к внешней поверхности зерен адсорбента
(внешняя диффузия), проникновения достигших наружной поверхности зерен молекул внутри пористого зерна поглоти- теля к местам сорбции (внутренняя диффузия) и собственно сорбции (конденсации) молекул на внутренней поверхности зерен. Полагают, что последняя стадия идет практически мгновенно.
Процесс адсорбции протекает самопроизвольно тем ин- тенсивнее, чем больше концентрация поглощаемого газа.
Однако его ограничивает обратный процесс (десорбция), вы- зываемый стремлением к равномерному распределению ве- щества в связи с тепловым движением молекул. В результате этого по истечении некоторого времени устанавливается ад- сорбционное равновесие.
Равновесная концентрация уменьшается с повышением температуры и увеличивается с возрастанием давления. Та- ким образом, адсорбция ускоряется при понижении темпера- туры или при повышении давления. Те же факторы влияют в обратном направлении на процесс десорбции, проводимый обычно после абсорбции. Десорбция ускоряется с повыше- нием температуры абсорбента и снижением давления над ним.
При термической десорбции насыщенный адсорбент на- гревают путем прямого контакта с потоком водяного пара, горячего воздуха или инертного газа, либо нагревают через стенку с подачей отдувочного инертного газа. Интервал температур 100-200°С обеспечивает десорбцию целевых компонентов, поглощенных активными углями, силикагеля- ми и алюмогелями. Для десорбции примесей, поглощенных цеолитами, достаточны температуры от 200 до 400°С.
Вытеснительная десорбция (холодная десорбция) осно- вана на сорбируемости целевого компонента и вещества, ис- пользуемого в качестве вытеснителя (десорбента). Для де-

69 сорбции органических веществ можно использовать диоксид углерода, аммиак, воду, некоторые органические вещества.
Десорбция снижением давления может быть реализова- на редуцированием давления в системе после насыщения поглотителя под избыточным давлением или созданием в системе разрежения при проведении стадии адсорбции под нормальным давлением.
На проведение десорбции требуется от 40 до 70% об- щих затрат по адсорбционной очистке.
В промышленности применяют адсорберы с неподвиж- ным (рис.1.29) и кипящим слоем (рис.1.30). При неподвиж- ном слое процесс протекает периодически. В кипящем слое процесс адсорбции протекает более интенсивно, чем в не- подвижном слое, вследствие уменьшения внешнедиффузи- онного сопротивления из-за более высоких скоростей газо- вого потока и внутридиффузионного сопротивления из-за меньших размеров зерен адсорбента. При интенсивном пере- мешивании в кипящем слое происходит сильное истирание зерен, адсорбента, в связи с чем последний должен обладать повышенной механической прочностью.

70
Большое распространение для уничтожения токсичных веществ в отходящих газах получили установки факельного сжигания. К факельным установкам предъявляются высокие требования в отношении обеспечения безопасной и надеж- ной работы в условиях пожаро- и взрывоопасности химиче- ских производств.
Химические реакции между ингредиентами газовых вы- бросов, которые в обычных условиях практически незамет- ны, значительно ускоряются с повышением температуры.
Система, содержащая токсичные вещества, может быть обезврежена посредством термообработки, если реакции,
Рис. 1.29. Адсорбер с неподвиж- ным слоем:
1 – корпус; 2 – штуцер для подачи парогазовой смеси; 3 – штуцер для отвода отработанного газа; 4 – барботер для подачи остро- го пара при десорбции; 5 – штуцер для отвода паров при десорбции; 6 – штуцер для отвода конденсата; 7 – люк для загрузки адсорбента; 8 – люки для выгрузки адсорбента
Рис. 1.30. Адсорбер с кипя- щим слоем:
1 – корпус; 2 – псевдосжиженный слой адсор- бента; 3 – решетка; 4 – труба для отвода адсорбента.

71 происходящие в ней, приведут к образованию менее токсич- ных компонентов.
Возможности термоокислительного метода обезврежи- вания ограничиваются количеством отходящих газов и со- держанием в них горючих компонентов. Если концентрация горючих компонентов выбросов не достигает нижнего пре- дела воспламенения («бедные» горючим выбросы), то их ог- невая обработка требует дополнительного расхода топлива на прогрев выбросов до температуры самовоспламенения, которая для паров углеводородов составляет около 500-
750°С. Температурный уровень процесса термокаталитиче- ского окисления несколько ниже (обычно 350-500°С), что также требует соответствующих затрат топлива.
Суть каталитических процессов газоочистки заключает- ся в реализации химических взаимодействий, приводящих к конверсии подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов. Катали- тические взаимодействия в гетерогенном катализе происходят на границе раздела фаз конвертируемой газовой смеси и ката- лизатора. Последний обеспечивает взаимодействие на его по- верхности конвертируемых веществ с образованием активиро- ванных комплексов в виде промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ, форми- рующих затем продукты катализа, освобождающие (восста- навливающие) поверхность катализатора. Схема этого явления для газовой реакции А+В в присутствии катализатора К может быть представлена следующим образом:
А+В+K→К[AB]→C+K
(1.9) где К[АВ] – активированное промежуточное соединение на поверхности катализатора
В ряде случаев функции поверхности катализатора за- ключаются в зарождении реакционных цепей, развивающихся затем в объеме конвертируемой газовой фазы, где осуществля-

72 ется дальнейшая конверсия целевого компонента по гетеро- генно-гомогенному механизму.
Изменение реакционного пути химического взаимодейст- вия в присутствии катализатора в соответствии с указанными механизмами приводит к понижению его энергии активации, что и выражается в ускоряющем действии катализатора.
Активность катализатора обычно определяется совокуп- ностью физико-химических свойств как самого катализато- ра, так и конвертируемого газового потока. В наибольшей степени она зависит от температуры каталитического пре- вращения, структуры катализатора, давления, объемного расхода, концентрации исходных реагентов и продуктов конверсии в газовой смеси.
Масса и свойства катализатора теоретически не должны претерпевать изменений в процессе его работы. На практике в процессе эксплуатации катализаторов они в той или иной степени подвергаются постепенной дезактивации или дест- рукции. Последние вызываются химическими (отравление каталитическими ядами, присутствующими в конвертируе- мых газах, возможность образования нелетучих продуктов) и физическими (механическое истирание, спекание и т.д.) факторами и ведут к необходимости периодической регене- рации (активации) или замены катализаторов. В этой связи к промышленным катализаторам предъявляют следующие требования:
- высокая активность и теплопроводность;
- стойкость к механическим и термическим нагрузкам;
- дешевизна;
- иметь возможно меньшие температуры зажигания;
- геометрию частиц, обеспечивающие низкое гидравли- ческое сопротивление слоя.
Необходимые для эффективного осуществления очист- ки отходящих газов катализаторы обычно подбирают экспе- риментальным путем.
В процессах санитарной очитки отходящих газов про- мышленности высокой активностью характеризуются кон-

73 тактные массы на основе благородных металлов (платина, палладий, серебро) оксидов марганца, меди, кобальта, а также оксидные контакты, активированные благородными металлами (1-1,5

).
2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ПРОЦЕССЫ ОХРАНЫ
ГИДРОСФЕРЫ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОХРАНЫ ГИДРОСФЕРЫ ОТ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Все водные объекты подразделяются на два вида водо- пользования:
I вид – хозяйственно-питьевое и культурно-бытовое во- допользование;
II вид – рыбохозяйственное водопользование.
Каждый вид водопользования разделен еще и на катего- рии.
Хозяйственно-питьевое и культурно-бытовое водополь- зование подразделяется:
I категория – водные объекты, используемые в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.
II категория – водные объекты, используемые для купа- ния, занятия спортом и отдыха населения.
Рыбохозяйственное водопользование:
Высшая категория – места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных и ценных видов рыб и других промысловых водных организмов;
I категория – водные объекты, используемые для сохра- нения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих вы- сокой чувствительностью к содержанию кислорода;
II категория – водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.
При сбросе сточных вод в водные объекты нормы качест- ва воды водного объекта в расчетном створе, расположенном