Устройство для очистки воздуха Советский патент 1991 года по МПК B01D61/00 B01D53/00 

Изобретение относится к химии. Устройство для очистки воздуха (газа) от ионо- генных примесей может быть использовано в приборостроении, радиоэлектронике и химической промышленности для экологической защиты окружающей среды от промышленных выбросов в атмосферу токсичных ионоген- ных химических соединений, например аммиака и кислых примесей.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг.2 - зависимость скорости очистки от отношения суммарного объема чехлов к объему сорбционной секции. Предлагаемое устройство (абсорбер вертикального типа) содержит корпус 1 из стали, футерованный коррозионно-стойким полимером или целиком из стойкого полимера, сорбционную секцию 2 с насадкой 3 в виде колец. Рашига, насыпанных навалом распылителями 4 воды, питаемыми водой через трубу 5, нижней опорной решеткой 6 и верхней решеткой 7, нижним штуцером 8 ввода и верхним штуцером 9 вывода газа, прямоугольные ионопроницаемые чехлы 10 .(из пористой керамики или ионитовых мембран и т.д.) с пластинчатыми графитовыми электродами: катодами 11 и анодами 12 (в промышленных абсорберах при значительной высоте абсорбера могут применяться составные разборные электроды, соеди

ненные друг с другом соединительными то- копроводящими муфтами из коррозионно- стойкого материала), токоподводами 13,14, штуцерами 15, 16 вывода электродных газов, систем 17, 18 проточной воды и т.д. в электродных чехлах .(на фиг.1 показаны лишь системы проточной воды в двух крайних чехлах, в остальных чехлах аналогичные системы проточной воды), верхний уровень 19 жидкой воды с ионогенными примесями в нижней части абсорбера, сливную трубу 20, емкости-приемники извлеченных газообразных и растворенных в виде ионоген- ных примесей и емкости для католита и анолита (не показаны), краны 21, 22,23, сор- бционные секторы 24, образованные из сорбционной секции 2 разделением ее на части i чехлами 10, источник постоянного тока, питающий электроды 11, 12 и боковые люки i загрузки и выгрузки, при необходимости, насадки и электроды (не показаны ).

Предлагаемое устройство для очистки воздуха (газа) от ионогенных примесей работает следующим образом.

В сорбционной секции 2 во всех ее секторах 24 включают распылители 4 воды при закрытом донном кране 23 и открытом кране 21 сливной трубы 20. При этом насадка 3 во всех сорбционных секторах 24 увлажняется водой и вода заполняет нижнюю часть

со

с

Os О Ю ON О СО

абсорбера до уровня сливной трубы 20, после чего ее избыток, не достигая нижней опорной решетки насадки, стекает в емкость-приемник, размещенный вне абсорбера (не показан). При этом в результате работы распылителей воды в сорбционных секторах происходит непрерывное орошение насадки (колец Рашига) пленкой воды. Затем при полуоткрытых кранах 22 вовнутрь ионопроницаемых чехлов непрерыв- но подают воду из систем 17, 18 проточной воды w т.д. и на электроды 11, 12 подают напряжение постоянного тока от выпрямителя тока или соединенных вместе выпря1 мителей тока. Открывают нижний штуцер 8 ввода очищаемого газа с ионогенными примесями при открытом верхнем штуцере 9 вывода газа, При этом газ с примесями, проходя через сорбционные секторы 24 с орошаемой водой насадкой 3, очищается от этих примесей. Ионогенные примеси растворяются в пленке воды, образуя в ней электрически заряженные ионы, которые в электрическорд поле электродов 11, 12 движутся через стенки ионопроницаемых чех- лов к электродам, а очищенный от моногамных примесей газ (воздух и др.) поднимается вверх вдоль орошаемой насадки к верхнему штуцеру 9 вывода очищенного газа и выходит наружу.

Таким образом, ионы ионогенных примесей, растворенные в пленке воды сорбционных секторов сорбционной секции, в электрическом поле свободно переходят из сорбционных секторов в чехлы и, разряжа- ясь на электродах в виде газов, поднимаются вверх в чехлах и удаляются из них, уходя наружу через штуцеры 15, 16 выхода электродных газов по трубам.

Благодаря применению пластинчатых анодов и катодов в ионолроницаемых чехлах, образующиеся на анодах и катодах кислород и водород не вступают друг с другом в контакт и раздельно выводятся из чехлов вместе с примесями в газообразной форме через трубопроводы в емкости-приемники (газгольдеры), размещенные вне абсорбера, причем близость расстояния между электродами с высокоразвитой поверхностью и многочисленность таких электродов, размещенных непосредственно в сорбционной секции по всей ее высоте, позволяют быстро(со скоростью по меньше мере в 11-12 раз больше скорости очистки в прототипе) и одновременно удалять ионы примесей из всех сорбционных секторов 24 сорбционной секции 2. В прототипе же, вследствие размещения электродов вне сорбционной секции и применения только двух электродов с относительно небольшой поверхностью и сильно

удаленных друг от друга, ионам примесей приходится преодолевать значительно большие расстояния, чем в предлагаемом устройстве, вследствие чего для их удаления требуется больше времени и меньшие скоро- . сти пропускания через абсорбер очищаемого воздуха, что обуславливает скорость очистки в прототипе значительно меньшую, чем в предлагаемом устройстве. При этом электроды прорабатывают всю сорбционную зону сорбционной секции по всей ее высоте, а в прототипе два электрода прорабатывают только небольшую часть сорбционной зоны, чем также вызвана большая скорость очистки в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом.

Таким образом в предлагаемом устройстве очистку газов от ионогенных примесей возможно осуществлять при значительно большей скорости очистки и при более высоких концентрациях ионогенных примесей в газе, что в прототипе, как явствует из приводимых ниже примеров 1-3, что имеет важное значение для экологической защиты атмосферы при аварийных, залповых выбросах токсичных ионогенных примесей и для повышения эффективности работы абсорберов.

Техническое обоснование заявленного в формуле изобретения соотношения суммарных объемов чехлов и сорбционной секции от 1:1 до 1:10 на основе опытов, проведенных в условиях примера 2 (см. ниже) при разных соотношениях этих объемов от 1:1 ло 1:14 представлено графически на фиг.2,

На фиг.2 на оси ординат приведено отношение суммарного обьема чехлов к объему сорбционной секции, а на оси абсцисс указано во сколько раз скорость очистки в предлагаемом устройстве больше скорости очистки в прототипе (объем сорбционной секции образуется суммой объемов всех сорбционных секторов).

Как видно из данных фиг.2, при соотношении объемов менее 1:10 происходит рез: кий спад скорости очистки в предлагаемом устройстве относительно прототипа - вследствие значительного увеличения расстояния между электродами. При соотношениях больше 1:1, то есть 2:1, 3:1, резко уменьшается количество насадки, то есть резко уменьшается сорбционный объем с пленкой воды, что вызывает в свою очередь резкое уменьшение скорости очистки.

Минимальное число применяемых в устройстве электродов - четыре: два анода и два катода, причем аноды и катоды чередуются, образуя три электрических поля. Это минимальное число электродов обусловлено тем, что при применении только двух электродов (катода и анода расстояние между электродами получается слишком большим, что вызывает снижение скорости очистки и ухудшает экономичность процесса.

В ходе очистки газа (воздуха) напряжение на электродах понижают в пределах от 1100 В (в начале процесса) до 370 В (при выходе на стационарный режим). При этом характер изменения напряжения определя- ется, в основном, типом применяемых электродных чехлов: для чехлов из пористой керамики (оптимальный материал). Этот предел напряжений находится в интервале от 1100 до 370 В. В устройстве применены чехлы из пористой ионопроницаемой керамики, так как они химически и механически более стойкие, чем чехлы из ионитовых мембран. При применения чехлов и ионообменных ионоселективных ионитовых мембран необходимо аноды помещать в энионито- вые чехлы из анионитовых мембран типа МА-100 (или аналогичных марок), а катоды - в катионитовые чехлы из катионитовых мембран типа МК-100 (или аналогичных марок). Напряжение при применении ионитовых чехлов целесообразно поддерживать в заявленных пределах 1100-370 В, так как при повышенных напряжениях процесс очистки протекает значительно быстрее, чем при бо- лее низких напряжениях.

Устройство для очистки работает непрерывно практически с неограниченным временем его эксплуатации.

При необходимости, например при за- мене электродов на свежие или насадки на новую, выключение абсорбера производят в следующей последовательности: перекрывают нижний штуцер 8 ввода газа, затем выключают электроды 11,12 и распылители 4 воды, опускают из абсорбера воду через донный кран 23, открывают,боковые люки, демонтируют и вынимают через люки электроды с чехлами, заменяя их на свежие, заменяют насадку на новую при необходи- мости.

Оптимальные параметры устройства для очистки.газов от ионогенных примесей следующие:

размеры абсорбера 3,6 х 10 х 81 см;

размеры каждого из керамических чехлов с толщиной стенки 3 мм, 3 хЮ х 81;

размеры сорбционных секторов (пространства с насадкой между электродными чехлами) по 3, см каждый;

общая высота столба насадки из колец Рашига (размер насадки каждого кольца 1х х1 х 0,5 см) 71-75 см;

высота слоя жидкой воды на дне сорб- ционной секции 3-5 см;

скорость потока очищаемого газа (воздуха) 14,5-15,5 л/с; скорость подачи сверху на насадку распыляемой воды в сорбцион- ные секторы сорбционной секции по 0,5 л/ч, скорость подачи воды в электродные чехлы по 10 л/ч;

соотношение суммарных объемов чехлов и объема сорбционной секции абсорбера 1:1;

величина налагаемого на электроды напряжения: начальное 1100 В, на стационарном режиме напряжение понижается до 370 В - в зависимости от типа материала чехла и концентрации ионогенных примесей в пленке воды, стекающей по насадке;

плотность тока от 0,05 А/дм2 в начале процесса очистки до 0,2 А/дм на стационарном режиме очистки;

расстояние между соседними электродами по 6,7 см;

примененное в оптимальных условиях число электродов - 6;

активная рабочая площадь каждого из пластинчатых графитовых электродов с толщиной 0,5 см при их высоте по 76 см и ширине 10 см по 15,6 дм2; у электродов, прилегающих к стенкам, по 8 дм , охлаждение электродов - за счет проточной воды -в керамических чехлах

Источник электропитания электродов постоянным током - соединенные вместе выпрямители тока типа ВСА-5 или другие типы выпрямителей

Промышленные абсорберы могут иметь значительно большие габариты, расход воды, величины тока, высоту и площади электродов и более мощные выпрямители тока.

Устройство и весь технологический процесс очистки поддаются полной автоматизации.

П р и м е р 1. Параметры абсорбера аналогичны вышеприведенным оптимальным значениям, начальное напряжение 1100 В, напряжение на стационарном режиме 370 В, начальная плотность тока 0,05 А/дм , плотность тока на стационарном режиме до 0,2 А/дм2. Число электродов - четыре (два анода и два катода). Число сорбционных секторов - три. Удаляемая из очищаемого газа (воздуха) ионогенная примесь - аммиак с концентрацией 100 мг/л, скорость подачи очищаемого воздуха 14,5 л/с.

В устройстве полная очистка газа осуществлялась практически без ограничения продолжительности процесса очистки и при этом проскока примеси через насадку не наблюдалось.

В прототипе в абсорбере с сорбционной зоной, равной объему сорбционной секции

предлагаемого устройства, который равен суммарному объему сорбционных секторов, при оптимальных условиях проведения опытов в прототипе (напряжения 1200 В и величине тока 0,2 А) проскок примеси аммиака наблюдался сразу же после начала работы (концентрация аммиака в очищаемом воздухе и скорость его пропускания были идентичны опыту в предлагаемом устройстве).

Очистка от ионогенной примеси в про- тотипе достигалась только при концентрации примеси не выше 20 мг/л и то лишь при скорости подачи очищаемого воздуха не выше 2,2 л/с, то есть скорость очистки в устройстве в 11,6 раз выше скорости очистки в прототипе: за счет увеличения концентрации в 5 раз по сравнению с прототипом и ещё в 6,6 раз за счет увеличения скорости подачи очищаемого воздуха в абсорбер в предлагаемом устройстве, то есть в сумме скорость очистки в 11,6 раз выше скорости очистки в прототипе.

При оптимальном числе электродов 6 (три анода и три катода) в условиях примера 1 скорость очистки возросла в 13,5 раз по сравнению с прототипом.

При применении только двух электродов (анода и катода) скорость очистки резко снизилась: повышение скорости очистки составила до 7 раз по сравнению с прототи- пом (расстояние между электродами в опыте при этом составляло 32 см).

П р и м е р 2. Условия проведения опытов те же, что в примере 1.

Скорость подачи очищаемого газа (возду- ха) составила 15,5 л/с, концентрация удаляемой ионогенной примеси (двуокиси азота) 100 мг/л. Скорость очистки в устройстве оказалась в 12 раз выше скорости очистки в прототипе: в пять раз за счет повышения концентрации примеси с 20 мг/л (в прототипе выше этой концентрации происходит проскок примеси) до 100 мг/л и в семь раз за счет повышения скорости подаваемого на очистку газа с 2,2 л/с (в прототипе) до 15,5 л/с (в предлагаемом устройстве), то есть в сумме в 12 раз.

При оптимальном числе электродов равном шести (три анода и три катода) в условиях примера 2 скорость очистки возросла в 14 раз по сравнению с прототипом.

При применении только -двух электродов (анода и катода, при расстоянии между ними 32 см) скорость очистки составила только в 8 раз выше скорости в прототипе,

ПримерЗ. Условия проведения опытов те же, что в примере 1.

Скорость подачи очищаемого газа (воздуха) 15,5 л/с, концентрация удаляемой ионогенной примеси (хлористого водорода)

100 мг/л. Скорость очистки в предлагаемом устройстве оказалось в 12 раз выше, чем в прототипе: в 5 раз за счет повышения концентрации примеси в воздухе с 20 мг/л (в прототипе, выше - проскок) до 100 мг/л (в . предлагаемом устройстве) и еще в 7 раз за счет повышения скорости подаваемого на очистку воздуха с 2,2 л/с (в прототипе, выше - проскок примеси) до 15,5 л/с (в предлагаемом устройстве).

При оптимальном числе электродов, равном шести (3 анода и 3 катода) в условиях примера 3 скорость очистки возросла в 14 раз по сравнению с прототипом.

При применении только двух электродов (анода и катода, ггри расстоянии между ними 32 см) скорость очистки была только в 7,5 раз выше скорости очистки в прототипе.

Повышение скорости очистки газов от ионогенных примесей по сравнению с прототипом по меньшей мере в 11-12 раз при четырех электродах (два анода и два катода) достигнуто за счет применения пластинчатых электродов в ионопроницаемых чехлах, размещенных всорбционной/ секции абсорбера при соотношении суммарных объемов чехлов и сорбционной секции от 1:1 до 1:10. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для очистки воздуха, преимущественно от аммиака и кислых примесей, содержащее вертикальный абсорбер с системой распыления воды, Нижний штуцер ввода и верхний штуцер вывода газов, емкость - приемник извлеченных ионогенных примесей, которое с целью повышения эффективности очистки воздуха снабжено пятикамерным электролизером, средняя камера которого размещена перед штуцером вывода газов, выполнена с перфорированным днищем из диэлектрика, перекрывающим поперечное сечение абсорбера, и снабжена фильтром в виде слоя силик-аге- ля, при этом остальные камеры размещены с внешней стороны корпуса абсорбера.

В прототипе, проскочившие через зону распыления воды, ионогенные примеси, растворившиеся в пленке воды на тонком слое силикагеля, удаляют в электрическом поле высокого напряжения 1200-1500 В из абсорбера в боковые камеры - ловушки с диафрагмами, обладающими омическим сопротивлением,

Недостатком прототипа является существование недостаточно высокого верхнего предела скорости очистки.

Предлагаемое устройство позволяет не только повысит скорость очистки газов от ионогенных примесей по сравнению с прототипом по меньшей мере в 11-12 раз за счет их извлечения сразу из всего объема

пленочной воды сорбционной секции абсорбера по всей его высоте, но и предотвращает практически любые залповые выбросы токсичных ионогенных примесей из абсорбера в окружающую атмосферу при резком повышении концентрации этих примесей в газе, защищая от них экологическую среду, и резко повышает эффективность работы абсорбера пленочного типа.

При применении только двух электродов (анода и катода) скорость очистки резко снижается, повышение .скорости очистки составляет лишь в 7-8 раз больше скорости очистки в прототипе. Вследствие этого в формуле изобретения указывается, что число электродов должно быть... в количестве не менее четырех, так как начиная с применения четырех электродов, происходит резкое уменьшение расстояния между соседними

электродами и наблюдается скачкообразное возрастание скорости очистки, вызванное этим уменьшением межэлектродного расстояния.

Формула изобретения

Устройство для очистки воздуха от аммиака и кислых примесей, содержащее сорбционную секцию, внутри которой помещена насадка, систему распыления воды, нижний штуцер ввода и верхний штуцер вывода,, электроды с источником питания постоянным током, отличающееся тем, что, с

целью увеличения скорости очистки, электроды снабжены чехлами из ионопроницаемого материала, установлены в сорбционной секции и суммарный обьем чехлов относится к объему сорбционной секции как 1:(1-10).

Изобретение относится к химии и позволяет повысить скорость очистки воздуха за счет того, что электроды в количестве не менее четырех, помещенные в ионопроницаемые чехлы, размещены в сорбционной секции абсорбера, причем соотношение суммарных объемов чехлов и сорбционной секции составляет от 1:1 до 1:10.

15

Фиг Л

Т-М 1:13

1:12 1:11 1:10 1:9

1:8 1:1

1:6 1:5

М 1:3 1:2

3

Фиг.2

12