Адсорбционный метод очистки газов

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

Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемосорбцию. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Высвобождающаяся при этом теплота зависит от силы притяжения и по порядку значения совпадает с теплотой конденсации паров. Преимущество физической адсорбции − обратимость процесса. При уменьшении давления адсорбата в потоке газа либо при увеличении температуры поглощенный газ легко десорбируется без изменения химического состава. Обратимость данного процесса исключительно важна, если экономически выгодно рекуперировать адсорбируемый газ или адсорбент.

В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбатом (поглощаемым газом) и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы сцепления значительно больше, чем при физической адсорбции соответственно и высвобождающаяся при хемосорбции теплота существенно больше и по порядку значения (от 20 до 400 кДж/моль) совпадает с теплотой реакции. Ввиду большой теплоты адсорбции энергия, необходимая для взаимодействия хемосорбированной молекулы с молекулой другого сорта, может быть существенно меньше энергии, необходимой для реакции молекул двух различных видов непосредственно в газовой фазе, т. е. поверхность твердого вещества может оказаться катализатором, увеличивающим скорость некоторых химических реакций. Процесс хемосорбции, как правило, необратим: при десорбции меняется химический состав адсорбата. Поэтому, если желательна регенерация адсорбента или рекуперация адсорбата, то адсорбирующую среду следует выбирать таким образом, чтобы преобладали процессы физической адсорбции.

В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Удельная поверхность активированных углей, например, достигает 10⁵−10⁶ м²/кг. Их применяют для очистки газов от органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленныхвыбросах, а также летучих растворителей и др. В качестве адсорбентов применяют 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 их нельзя использовать для очистки очень влажных газов. Некоторые адсорбенты иногда пропитывают реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорбция.

В последнее время метод адсорбции на угле используется для очистки газовых отходов от газообразных радиоактивных веществ.

В промышленных установках очистки технологических газов АЭС применяют два основных метода дезактивации радиоактивных газообразных отходов. Первый включает задержку радиоактивных газов в камерах выдержки, второй − адсорбцию их на угольных сорбентах. В обоих случаях используют естественный распад радионуклидов в процессе выдержки перед выбросом в атмосферу.

Второй метод использует процессы, которые происходят только при низких температурах. К таковым можно отнести криогенную дистилляцию и абсорбцию фреонами.

В составе газовых сдувок реакторов типа ВВЭР, РБМК и ВК содержатся атомарный кислород и водород − продукты радиолитического разложения воды в реакторе. Для обеспечения безопасности АЭС необходимо снизить содержание водорода в технологических газах до взрывобезопасных концентраций либо разбавлением инертным газом, либо сжиганием. Однако разбавление водорода, например, азотом, существенно увеличивает объем газов, подлежащих дальнейшей дезактивации. Поэтому в установках очистки технологических газов АЭС широкое распространение получило каталитическое сжигание водорода в специальных контактных аппаратах.

Инертные радиоактивные газы не вступают в химические реакции с другими газообразными и твердыми веществами. Поэтому их удаляют из технологических газов АЭС физическими способами. При этом для получения наибольшего эффекта необходимо предварительно очистить эти газы от ряда примесей. Для реакторов с водяным теплоносителем такой примесью является вода, с натриевым теплоносителем − натрий и его окислы.

Для реакторов типа ВВЭР, РБМК и ВК осушку газовой смеси после узла сжигания проводят с помощью цеолитов либо вымораживанием. Применяют и комбинированные системы осушки: вначале осушают в цеолитовых адсорберах, затем влагу вымораживают.

Наибольшее распространение для очистки технологических газов АЭС получил способ очистки с помощью сорбции радиоактивных Хе и Кr на активированном угле.

Принцип работы адсорбционной системы очистки состоит в следующем (рис. 40). На вход системы очистки поступает парогазовая смесь газовых сдувок. Смесь состоит из атмосферного воздуха, присасываемого в вакуумную часть турбины через неплотности, гремучего газа, образующегося в результате радиолиза воды в реакторе, и водяного пара. Газовые и негазовые радиоактивные и нерадиоактивные продукты присутствуют в очищаемой среде как примеси. Водяной пар добавляется для поддержания взрывобезопасной концентрации водорода. После сжигания гремучего газа и конденсации пара смесь проходит глубокую осушку. В систему могут входить узлы охлаждения газа, удаления колонне − радиоактивные продукты распадаются. На выходе угольной колонны остаются только долгоживущие радиоактивные нуклиды криптона, ксенона и тритий.

Некоторые примеси при повышении концентрации их в газовой смеси могут снижать коэффициенты адсорбции Кr и Хе на угле. К их числу относится прежде всего вода.

Кроме того, в газовых отходах кипящих реакторов могут присутствовать углекислый газ, аммиак, двуокись азота, пары масел (органические примеси).

Влияние их на адсорбционные свойства угля проявляется при более высоких концентрациях в сравнении с водой.

На основе подробного рассмотрения динамики сорбционного процесса в угольной колонне установлено, что для любого режима концентрацию газового компонента (С) в любой точке по длине колонны можно найти из соотношения:

где С − концентрация компонента между зернами на расстоянии х от начала слоя сорбента; u − скорость газовоздушного потока; λ − постоянная распада;

Г − коэффициент адсорбции; τ′=x/u − условное время движения газа в слое угля; τ_i=Г_i ·x/u − реальное время задержки газа колонной активированного угля в режиме постоянной продувки.

Для промышленных адсорберов, длина которых не менее нескольких десятков сантиметров и скорость газа невелика (<0,1 м/с), необходимую массу сорбента можно вычислять из соотношения:

m = Gτρ/Г, (32)

где m − масса сорбента; G − расход очищаемого газа; τ − время «защитного» действия сорбента; ρ − насыпная плотность сорбента.

Коэффициент очистки определяется из соотношения

С_i0/C_i= ехр [ -λ Г_i ·х/u].

Рис. 40. Блок-схема очистки с вымораживанием влаги:

Э − эжектор; УСГГ − узел сжигания гремучего газа; ТО −теплообменник; 1 ОХЛ − охладитель; ХМ − холодильная машина; С1 − спецканализация; ЛЗ − линия задержки; АФ − аэрозольный фильтр; 2, 3 ОХЛ − охладитель-вымораживатель; Ф − фильтр от кристаллического льда; УК −угольная колонна; ПР − побудитель расхода