3.3.4. Конструкции адсорберов

Для санитарной очистки отходящих газов используют адсорберы периодического и непрерывного действия.

Адсорберы периодического действия могут быть с неподвижным слоем и с кипящим слоем адсорбента.

Адсорберы с неподвижным слоем представляют собой цилиндрические вертикальные или горизонтальные емкости, заполненные слоем адсорбента. В таких аппаратах адсорбцию проводят по стадиям: 1) адсорбция; 2) десорбция; 3) сушка сорбента и 4) охлаждение адсорбента.

К аппаратам такого типа относятся адсорберы полочного многосекционного типа (рис. а).

Однако наиболее интенсивны аппараты непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента (рис. б) и псевдоожиженным слоем адсорбента (рис. в).

Адсорбер полочного типа с неподвижными слоями адсорбента: 1 – корпус; 2 – слой адсорбента	Адсорбер с движущимся слоем адсорбента: 1 – зона адсорбции; 2 – распределительные тарелки; 3 – холодильник; 4 – подогреватель; 5 – затвор	Схема многоступенчатого адсорбера с псевдоожиженным слоем: 1 – псевдоожиженный слой; 2 – решетка; 3 – переток; 4 - затвор
а	б	в

Для интенсификации процесса разработан комбинированный адсорбер (рис. г), состоящий из колонны с тарелками, на которых адсорбент находится в псевдоожиженном состоянии, и камеры с перфорированной конической частью для прохода газа. Внутри камеры адсорбент движется сверху вниз и через переток 2 попадает на тарелку. В камере происходит доочистка газа от извлекаемого компонента, и одновременно газ очищается от пыли, образовавшейся при истирании адсорбента на тарелках.

Комбинированный адсорбер: 1 – тарелка; 2 – переток; 3 - промежуточный бункер

3.4. Каталитическая очистка газовых выбросов

Каталитический метод очистки основан на взаимодействии обезвреживаемых веществ с вводимым в очищаемую газовую среду окисляющим веществом в присутствии катализатора. В результате реакций находящиеся в газе примеси превращаются в другие соединения, представляющие меньшую опасность, или легко отделяются от газа.

Основным достоинством метода является то, что он дает высокую степень очистки, а недостатком − образование новых веществ, которые надо удалять из газа адсорбцией или абсорбцией.

Каталитическая очистка позволяет обезвреживать оксиды азота, оксид углерода, другие вредные газовые загрязнения. Метод применяется в основном при небольшой концентрации удаляемого компонента в очищаемом газе, когда невыгодно использовать для их обезвреживания метод прямого сжигания. В этом случае процесс протекает при температуре 200...300 °С, вместо 950... 1100 °С – необходимых при обезвреживании в печах. Благодаря применению катализаторов можно достичь высокой степени очистки газа, достигающей в ряде случаев 99,9 %.

Катализом называют изменение скорости реакции или возбуждение ее, происходящее под действием веществ (катализаторов), которые участвуют в процессе, но в нем не расходуются и к концу реакции остаются химически неизменными, хотя физически могут изменяться. Различают два вида катализа: гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный).

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему (жидкую или газовую). Примером гомогенного катализа могут служить реакции горения водорода и оксида углерода.

При гетерогенном катализе катализатор составляет самостоятельную фазу (обычно твердую). Этот тип катализа получил очень широкое распространение в промышленности. Большую часть продукции, вырабатываемой химической и смежными отраслями промышленности, получают с помощью гетерогенного катализа, как правило, газового, т.е. когда ускоряются реакции газовой фазы. Менее распространен гетерогенный катализ в жидкой фазе.

Каталитические реакции подчиняются общим законам химии и термодинамики, но имеют при этом свои особенности, так как в них всегда участвует один дополнительный компонент – катализатор. Действие катализаторов принципиально отличается от действия других факторов, способствующих интенсификации химических реакций, например температуры, давления, радиационного воздействия. Повышение температуры может ускорять реакцию вследствие увеличения энергетического уровня реагирующих молекул, т.е. их активации за счет вводимой извне теплоты. При этом изменяется внутренняя энергия системы и смещается положение равновесия.

Катализатор не влияет ни на равновесие химической реакции, ни на другие термодинамические характеристики реакций. Изменяя в равной степени скорость прямой и обратной реакций, он способствует повышению скорости достижения равновесия при данных условиях.

Ускоряющее действие катализаторов сводится к понижению энергии активации реакций образующихся промежуточных соединений. Это следует из уравнения Аррениуса:

где k – константа скорости реакции;

k₀ – предэкспоненциальный множитель;

Е – энергия активации;

R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Ускоряющее действие катализатора выражают его активностью А, характеризующей отношение констант скоростей реакций, происходящих с участием катализатора k_к и без него k:

где Е, Е_К – энергия активации реакции без катализатора и в присутствии катализатора;

ΔЕ = Е–Е_К – снижение энергии активации в присутствии катализатора.

Например, реакция разложения аммиака в отсутствие катализатора имеет энергию активации 297 400 Дж/моль, а при наличии ванадиевого катализатора – только 163 800 Дж/моль, энергия активации процесса разложения оксида азота без катализатора и с платиновым катализатором соответственно 245 700 и 136 500 Дж/моль.

Ускоряющее действие катализатора можно проследить на примере окисления сернистого ангидрида:

2SO₂ ↔ 2SO₃ + Q,

которая в отсутствие катализатора протекает крайне медленно (при 420 °С (623 К) энергия активации составляет E = 420 000 Дж/(моль×К)). При проведении этой реакции на ванадиевом катализаторе энергия активации составляет Е_К = 268 000 Дж/(моль×К). Подставив эти величины в уравнение, учитывая, что R = 8,3 Дж/(моль×К), получаем:

т.е. скорость реакции возрастает в сотни миллиардов раз.