Анализ и исследование способов очистки от вредных выделений при плавке сплавов на основе цинка

kp=[(a/n xx)a/n(b/n xx)b/n][(A-xx)(B-m/n xx)m/n]-1

где хх - количество молей газа А, прореагировавшие с хемосорбентом В при равновесии.

Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредностей в отходящих газах.

Примером хемосорбции может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода путем применения мышьяковощелочного, этаноламинового и других растворов. При мышьяковощелочном методе извлекаемый из отходящего газа сероводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе по реакции

Na4As2S5O2+H2S=Na4As2S6O+Н2О

Регенерация раствора производится окислением кислорода, содержащегося в очищаемом воздухе:

Na4As2S6O+1/2О2=Na4As2S5O2+S2

В этом случае в качестве побочного продукта получается сера.

Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые для очистки промышленных выбросов, называются мокрыми методами. Преимущество абсорбционных методов заключается в возможности экономической очистки большого количества газов и осуществления непрерывных технологических процессов. Эффективность мокрой очистки газов, отходящих от гальванических ванн с помощью щелевого скруббера ПВМ при обезвреживании их 2-3%-ным водным раствором едкой щелочи, составляет по хлористому водороду 85-92% и по оксидам азота (NO2) 64,6%. При использовании в качестве поглотительной жидкости воды эффективность очистки по НС1 снижается до 75%.

Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит в конечном итоге к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в атмосфере.

Метод адсорбции.

Основан на физических свойствах некоторых, твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией.

Наиболее широко в качестве адсорбента используется активированный уголь. Он применяется для очистки газов от органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленных выбросах, а также летучих растворителей и целого ряда других газов. В качестве адсорбентов применяются также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Однако они не могут использоваться для очистки очень влажных газов. Некоторые адсорбенты иногда пропитываются соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорбция. В качестве таких реактивов могут быть использованы растворы, которые за счет химических реакций превращают вредную примесь в безвредную.

Одним из основных параметров при выборе адсорбента является адсорбционная способность по извлекаемому компоненту. Адсорбционная способность а или масса вещества, поглощенная единицей массы адсорбента в произвольный момент времени, зависит от концентрации адсорбируемого вещества (парциального давления р, Па) у поверхности адсорбента, общей площади этой поверхности, физических, химических и электрических свойств адсорбируемого вещества и адсорбента, температурных условий и присутствия других примесей.

Рисунок 33 - Изотермы

В качестве характеристики адсорбционных свойств пористых тел используют зависимость адсорбционной способности от парциального давления поглощаемого газового компонента при постоянной температуре (изотерма адсорбции):

б=ц (p) при Т=const.

На рисунке 33 изображены наиболее часто встречающиеся типы изотерм адсорбции. Во всех случаях адсорбционная способность сорбента возрастает при повышении давлений адсорбата, но характер этого роста различен. Выпуклая изотерма 1 специфична для адсорбции на мелкодисперсных сорбентах, применяемых для очистки газовой смеси при малом парциальном давлении извлекаемых примесей и для осушки. Изотерма 2 типична для непористых адсорбентов при полимолекулярной физической адсорбции. Изотерма 3 наблюдается на адсорбентах с развитой системой крупных и средних пор.

Рисунок 34 - Изотермы адсорбции SO2 на активированном угле СКТ при различных температурах, C°: 1 - 20; 2 - 50; 3 - 100; 4 - 150

Эти сорбенты целесообразно применять для извлечения летучих газов при парциальном давлении, близком к давлению насыщения.

В основе инженерно-технического расчета адсорбционного метода очистки должна находиться сетка кривых, отражающая равновесие поглощаемого компонента с адсорбентом, т.е. сетка изотерм адсорбции. На рисунке 34 представлены изотермы адсорбции SO2 на активированном угле СКТ в диапазоне температур от 20 до 150°С. Как видно, с увеличением температуры происходит снижение адсорбционной способности активированного угля. На этом свойстве адсорбентов основан процесс их регенерации. Регенерацию осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим газом.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется скоростью газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов. Вертикальные адсорберы, как правило, находят применение при небольших объемах очищаемого газа; горизонтальные и кольцевые - при высокой производительности, достигающей десятков и сотен тысяч м3/ч.

Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшее распространение получили адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента.

Установки периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс очистки в таких аппаратах носит периодический характер, т.е. отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени заменяют либо регенерируют. Существенным недостатком таких аппаратов являются большие энергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического сопротивления слоя адсорбента.

Движение адсорбента в плотном слое под действием силы тяжести или в восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечивает непрерывность работы установки. Такие методы позволяют более полно, чем при проведении процесса с неподвижным слоем адсорбента, использовать адсорбционную способность сорбента, организовать процесс десорбции, а также упростить условия эксплуатации оборудования. В качестве недостатка этих методов следует отметить значительные потери адсорбента за счет ударов частиц друг о друга и истирания о стенки аппарата.

Рисунок 35 - Адсорбционная установка для удаления SO2 из горячего топочного газа

На рисунке 35 представлена схема адсорбционной установки для удаления SO2 из горячего топочного газа. Основным агрегатом установки служит адсорбер 1, который заполнен древесным активированным углем. Горячий топочный газ проходит теплообменник 2, подогревает воздух, поступающий в топку, и подается в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150-200°С происходит улавливание SO2. Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переводится в десорбер 5, где с помощью подогревателя 3 поддерживается температура 300-600°С. Богатый оксидом серы газ выводится из десорбера и может быть полезно использован. Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4 и затем с помощью ковшового элеватора поступает в верхнюю часть адсорбера.

При проектировании адсорбера используют следующие исходные данные: объемный расход очищаемого газа Q, м3/с, концентрация удаляемой примеси С, мг/м3, и давление отходящих газов р (Па). В результате расчета определяются потребная масса адсорбента, конструктивные размеры, гидравлическое сопротивление аппарата и время защитного действия адсорбера.

На первом этапе расчета и проектирования адсорбера выбирают рабочую температуру и тип сорбента. Для увеличения адсорбционной способности сорбента рабочая температура, как правило, выбирается минимально возможной. Выбор типа сорбента производится по изотермам адсорбции при рабочих параметрах температуры и концентрации примеси из условия минимальной массы сорбента.

Минимальная необходимая масса сорбента определяется из уравнения материального баланса по улавливаемому компоненту

ma=103 OCф/б?k3

где б? - статическая поглотительная способность адсорбента в рабочих условиях, мг/мг адсорбента; ф - время процесса адсорбции, с; k3 - коэффициент запаса, k3=1,1-1,2.

Скорость потока газа в адсорбере щг рассчитывается исходя из допустимого падения давления Др в адсорбере:

щг=3v(4kфДpdэП3нрнQг/3жрг(1-Пн)mа)

где kф=1,5d3l3(l3+0,5d3)-1(1,5d23/з)l3)-1,3 - коэффициент формы зерна сорбента, учитывающий неравнодоступность всей поверхности зерна обдувающему потоку; dэ - эквивалентный диаметр зерна сорбента, м3, для цилиндрических зерен длиной l3 и диаметром d3 эквивалентный диаметр

dэ=Пнd3l3/(1-Пн)(0,5d3+l3),

Пн=(рк-рн)/рк - пористость слоя сорбента, Пн - определяется через кажущуюся рк и насыпную рн плотности сорбента; ж - коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый в зависимости от режима течения газа. При Re<50 ж=220/Re, при 50Re ? ? 7200 ж= 11,6/Re 0,25, где Re = щгd3pг/м - критерий Рейнольдса. Обычно, исходя из условий осуществления необходимого времени контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических сопротивлений, щг выбирают в пределах 0,15-0,5 м/с.

Геометрические размеры адсорбера - диаметр Dа и длину La аппарата - подсчитывают по формулам:

Dа=v(4 Qг/рщгПн); Lа=4mа/рснD2а

Время защитного действия адсорбера ф3=Ад/(СщгF), где F - площадь поперечного сечения адсорбера, м2;

Ад=рнF ?Lа0 б(фпрx)

dх -динамическая поглотительная способность адсорбера, кг; фпр - время проскока, с; х - текущая длина слоя сорбента, м. Если полученное время защитного действия адсорбера отличается от заданного ф на величину Дф, то длину аппарата меняют на величину ДL1=QгСДф/снFа? и пересчитывают массу сорбента. Остальной расчет корректировки не требует. Эффективность очистки газа от тумана с частицами менее 3 мкм, равную 90%- 98%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение сухих пылеуловителей таких как циклоны, ротационные, вихревые, радиальные, жалюзийные пылеуловители возможно только при установке охладителей газа так как по условиям прочности пылеуловителей температура газа должна быть не выше 400°С. Такие устройства как циклон эффективность очистки от 83% до 97.5% для пыли с размером частиц более 10 мкм.

Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей с dч ? (0,3-1,0) мкм, а также возможностью очистки oт пыли горячих и взрывоопасных газов. Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков, что ограничивает область их применения: образование в процессе очистки шлама, что требует специальных систем для его переработки; вынос влаги в атмосферу и образование отложений в отводящих газоотходах при охлаждении газов до точки росы; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель. Скрубберы Вентури обеспечивают эффективность очистки 0,96-0,98 аэрозолей и более со средним размером частиц 1-2 мкм при начальной концентрации- примесей до 100 г/м3.

Электрический фильтр один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана. Эффективность таких фильтров достигает 99.9% при максимальной температуре до 250°С используется для очистки мелкодисперсных пылей, туманов и аэрозолей.

Фильтры широко используются в промышленности для тонкой очистки вентиляционного воздуха от примесей, а также для промышленной и санитарной очистки газовых выбросов. Эффективность очистки достигает 99,9% и более, максимальная температура 240°С Такие фильтры дешевы, просты в эксплуатации также разнообразие материалов для производства фильтров позволяет подобрать под любые условия эксплуатации.Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости под действием сил тяжести. В качестве фильтрующей набивки в таких туманоуловителях используются войлоки из полипропиленовых волокон, которые успешно работают в среде разбавленных и концентрированных кислот (H2SO4, HCl, HF, Н3РО4, HNO3) и крепких щелочей. сливается из фильтра. Волокнистые низкоскоростные Туманоуловители обеспечивают очень высокую эффективность очистки до 99.9% газа от частиц размером менее 3 мкм и полностью улавливают частицы большего размера.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных примесей по характеру протекания физико-химических процессов делятся на четыре группы: промывка выбросов растворителями примеси (метод абсорбции); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (метод хемосорбции); поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (метод адсорбции); поглощение примесей путем применения каталитического превращения. Эффективность очистки газа от тумана с частицами менее 3 мкм, равную 90%- 98%.

Рассмотрев все выше перечисленные методы очистки воздуха для эффективной работы системы очистки печной атмосферы при плавке цинковых сплавов наилучшие результаты даст схема вентиляции, включающая следующие последовательности оборудования: печь - охладительная камера - туманоуловитель - циклон - адсорбционная установка - сухой электрофильтр - фильтр - вентилятор - выброс в атмосферу.

Работа такой системы сократит до минимума все вредные и опасные выделения в атмосферу при производстве сплавов на основе цинка.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Лоскутов Ф.М., Цейдлер А.А. Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов. - М.: Металлургиздат, 1963 - 591 с.

2. Комплексная переработка цинк и свинец содержащих пылей предприятий цветной металлургии / С.В. Карелов [и др.]. М.: ЦНИИЭИцветмет, 1996. - 126 с.

3. Переработка цинково-свинцовых пылей в карбонатном расплаве/ Н.М. Барбин [и др.]// Цветные металлы. 2004. №3.-375 с.

4. Белов С. В. Фильтры для очистки газов и жидкостей от загрязнений. -М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1977, с. 32.

5. Вентиляция и отопление цехов машиностроительных заводов/Гримитлин М.И., Тимофеева О.Н., Эльтерман В.М., Эльтерман Е.М., Эльянов Л.С. -М.: Машиностроение, 1978, с. 272.

6. Каталог. Газоочистное оборудование. Электрофильтры. - М.: Цинтихимнефтемаш, 1976, с. 20.

7. Пирумов А. И. Обеспыливание воздуха. - М.: Стройиздат, 1981, с. 296.

8. Очистка промышленных газов от пыли/Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. -М.: Химия, 1981, с. 391.

9. Пречистенская Т.С., Валюженич Е.Е. Пылеулавливающее оборудование стран-членов СЭВ. - М.: ВЦНИИОТ, 1975, с. 80.

10. Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976, с. 655.

11. Спейшер В.А. Основное обезвреживание промышленных выбросов. - М.: Энергия, 1977, с. 263.

12. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. Косого Ю.Я. - М.: Химия, 1981, с. 616.

13. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. - М.: Металлургия, 1977, с. 328.

Размещено на Allbest.ru