Адсорбция примесей из газов

Адсорбция примесей из газов
Адсорбция продолжает оставаться основным способом очистки технологических газовых выбросов. В принципе, адсорбция может быть применена для извлечения любых загрязнителей из газового потока. На практике область ее применения ограничена рядом эксплуатационных, технических и экономических условий. Так, по требованиям пожаро- и взрыво- безопасности нельзя подвергать адсорбционной обработке газы с содержанием взрывоопасных компонентов более 2/3 от нижнего концентрационного предела воспламенения.
Оптимальные концентрации загрязнителей в газах, подаваемых на очистку, находятся в пределах 0,02...0,5 % (об.) (в пересчете на соединения с молекулярной массой ~ 100). Современные технические возможности не позволяют снижать концентрации загрязнителей посредством адсорбции до санитарных норм. Ориентировочно минимальные конечные концентрации загрязнителей, соответствующие приемлемым характеристикам адсорбционных аппаратов, на практике составляют 0,002...0,004% (об.). Поэтому адсорбционная очистка газов с начальным содержанием загрязнителя менее 0,02 % уместна, если это дорогостоящий продукт или вещество высокого класса опасности.
Обработка отбросных газов с высокой (более 0,2...0,4 % (об.) в пересчете на соединения с молекулярной массой порядка 100...50) начальной концентрацией загрязнителя требует значительного количества адсорбента и, соответственно, больших габаритов адсорбера. Громоздкость аппаратов вызывается и малыми (до 0,5 м/с) значениями скорости потока через слой адсорбента, поскольку при более высоких скоростях резко возрастает истирание и унос адсорбента. Так, потери адсорбента за счет уноса могут доходить при скоростях потока 1... 1,5 м/с до 5 % в сутки.
Однако возможности процесса адсорбции для очистки газовых выбросов еще далеко не исчерпаны. В ряде случаев он может быть использован для создания очистных систем нового поколения, удовлетворяющих не только санитарным нормам, но и экономическим требованиям. К примеру, адсорбцию можно применить в двухступенчатой схеме очистки газовых выбросов для предварительного концентрирования сильно разбавленных органических загрязнителей, поступающих затем на термообезвреживание. Таким образом концентрации загрязнителей в вентиляционных выбросах можно повысить в десятки раз.
Монослойная адсорбция газа при Т = const описывается уравнением изотермы адсорбции Лэнгмюра в виде

где Г — количество газа, адсорбированного 1 г адсорбента или 1 см² его поверхности; Г_тах

• 
  — максимальное количество газа, которое может адсорбировать 1 г адсорбента (или 1 см² его поверхности) при данной температуре; к — константа адсорбционного равновесия; /?*
  
• 
  — равновесное давление газа.
  

Константы Г_тах и А: в уравнении Ленгмюра (4.34) определяют графически, приводя это уравнение к линейному виду:

или

Изотерма адсорбции Лэнгмюра может быть выражена через объем поглощенного газа:

где V — объем адсорбированного газа; V_m — объем адсорбированного газа, полностью покрывающего поверхность 1 г адсорбента; объемы V, V_m приведены к нормальным условиям. Площадь поверхности S 1 г адсорбента

где N_А = 6,02 -10²³ молекул/моль - число Авогадро; S_0l — площадь, которую на поверхности адсорбента занимает одна молекула адсорбата.
При адсорбции газовых смесей поглощаются все их компоненты в количествах, соответствующих избирательным свойствам адсорбента. В равновесных условиях каждому составу газовой фазы отвечает определенный состав адсорбированной фазы.
На адсорбционное равновесие большое влияние оказывает природа адсорбента. Мерой избирательности адсорбции является коэффициент разделения:

где у_{ и у₂ - молярные концентрации лучше и хуже поглощаемых компонентов бинарной смеси в газовой фазе; х, и х₂ - молярные концентрации тех же компонентов в адсорбированной фазе.
Величина К_р * const и зависит от состава газовой смеси и она снижается с ростом давления и температуры.
Для описания изотерм адсорбции для микропористых адсорбентов с однородной пористой структурой используется уравнение Дубинина - Радушкевича:

где а* - равновесная величина адсорбции, г/г; W₀ - предельный объем микропор в адсорбенте, см³/г; р_а - плотность адсорбата в адсорбированной фазе, г/см³; В - структурная константа адсорбента, К'²; р - коэффициент аффинности (подобия); p_s и р - давление насыщенного пара адсорбата при температуре Т и давление пара адсорбата соответственно.
Коэффициент аффинности учитывает различия в поверхностном натяжении данного адсорбата и стандартного вещества и определяется из соотношения:

где П и П_ст - парахоры данного и стандартного вещества.
Концентрация загрязняющего вещества в газовом потоке (кг/м³) при насыщении определяется по уравнению Клапейрона:
где p_s - давление насыщенного пара вещества, Па; М - молярная масса вещества, кг/кмоль; R = 8314 Дж/кмоль - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура, К. Величина адсорбции в единице объема адсорбента, кг/(м³ угля):

где р_нас - насыпная плотность адсорбента, кг/м³.
Предельная поглотительная возможность слоя адсорбента, (м³ газа)/(м³ адсорбента), при достижении равновесной адсорбции:

где С₀ - начальная концентрация извлекаемого вещества в газе, г/м³.
Количество газа, которое может быть очищено слоем адсорбента объемом V_a:

Процессы адсорбции газовых примесей могут проводиться периодически в неподвижном слое и непрерывно в перемещающемся (движущемся) слое, кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента.
Наиболее часто для очистки газовых выбросов применяются адсорбционные установки периодического действия, состоящие из нескольких параллельно или последовательно включенных аппаратов (рис. 4.27).