2. Oczyszczanie gazów z zanieczyszczeń gazowych
2.1.5. Absorpcyjne usuwanie dwutlenku siarki w iniekcyjnej płuczce ze zwężką Venturiego
Wykaz oznaczeń
S1 – stężenie dwutlenku siarki na wlocie do instalacji, g/m3, S2 – stężenie dwutlenku siarki na wylocie z instalacji, g/m3, f – jednostkowa powierzchnia kontaktu faz, m2/m3,
G
V& – strumień objętości fazy gazowej, m3/h,
L
V& – strumień objętości fazy ciekłej, dm3/h,
L
V& /V& – stosunek strumieni objętości faz (natężenie zraszania), dmG 3/m3,
∆
P – spadek ciśnienia w zwężce, kPa, Pa,v – prędkość fazy gazowej w gardzieli zwężki, m/s,
β – współczynnik wnikania masy po stronie fazy gazowej, kmol/m2s,
Część teoretyczna
Wprowadzenie
W technice oczyszczania gazów odlotowych zwężki Venturiego stosuje się zarów-no jako wysoce skuteczne odpylacze, jak i absorbery. Działanie iniekcyjnego absorbe-ra ze zwężką Venturiego polega na rozproszeniu strumienia cieczy absorpcyjnej dzięki energii strumienia gazów odlotowych poruszających się z dużą prędkością. Przyczynia się to do rozwijania dużej powierzchni wymiany masy oraz uzyskiwania znacznej burzliwości przepływu faz. O skuteczności absorpcji decydują zasadniczo dwa para-metry – prędkość gazu w gardzieli zwężki oraz stosunek strumienia objętości cieczy do strumienia objętości gazu.
Główne zalety omawianego urządzenia to: możliwość jednoczesnego odpylania (w tym z pyłów submikronowych) i usuwania zanieczyszczeń gazowych, małe wymiary, brak elementów ruchomych i dysz rozpylających (co przyczynia się do jego niezawodnej pracy) oraz prosta i zwarta konstrukcja. Konieczność stosowania dużych prędkości gazu wpływa, niestety, na podwyższoną energochłonność tego typu aparatów.
Budowa i zasada działania iniekcyjnej zwężki Venturiego
Płuczki iniekcyjne stanowią specyficzną odmianę płuczek ze zwężką Venturiego, w których wykorzystuje się energię strumienia oczyszczanego gazu do rozproszenia fazy ciekłej. Znane są również ejekcyjne skrubery Venturiego, w których zanieczysz-czony gaz jest zasysany dzięki energii strumienia cieczy rozpylanej za pomocą dysz hydraulicznych.
Rys. 2.1.5. Schemat ideowy płuczki iniekcyjnej ze zwężką Venturiego
Zasadę działania płuczki iniekcyjnej ze zwężką Venturiego przedstawiono schema-tycznie na rys. 2.1.5. Gaz zawierający zanieczyszczenia gazowe i cząstki aerozolowe jest wprowadzany w dolnej części płuczki przewodem (1) do konfuzora (2) i gardzieli (3). Do strumienia gazu doprowadza się iniekcyjnie, tzn. kosztem energii ciśnienia oczyszczanego gazu, ciecz roboczą. Na skutek silnych oddziaływań aerody-namicznych oczyszczanego gazu ciecz rozpada się na drobne krople, które są przy-spieszane w strumieniu gazu i wraz z nim transportowane wzdłuż strefy roboczej apa-ratu. Część kropel osadza się na ściankach aparatu i tworzy warstwę, z której wskutek naprężeń ścinających powstają nowe krople. W strefie transportu tej dwufazowej mie-szaniny mogą przebiegać intensywne procesy absorpcji, odpylania i odemglania
4
3
2 1
zów odlotowych. Oczyszczone gazy są w odkraplaczu (4) oddzielane od cieczy robo-czej, która grawitacyjnie spływa do dolnej części płuczki, aby ponownie wziąć udział w oczyszczaniu gazów odlotowych. Wydzielone z gazów ziarna pyłu i stałe produkty reakcji chemicznych sedymentują, tworząc osad odprowadzany dolnym króćcem (5).
Zakresy parametrów funkcjonalnych iniekcyjnych płuczek ze zwężką
Venturiego
są następujące:
• prędkość przepływu gazu w gardzieli: v = 30–120 m/s,
• stosunek strumieni objętości faz: V& /L V& = 0,3–5,0 dmG 3 cieczy/m3 gazów, • spadek ciśnienia gazu: ∆P = 3–30 kPa.
W omawianych płuczkach można osiągać bardzo duże wartości lokalne jednost-kowej powierzchni kontaktu faz, odnoszone do jednostki objętości strefy roboczej aparatu. Przyjmując za kryterium ten właśnie parametr, płuczki służące do jednocze-snego oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń gazowych i pyłowych można uszeregować jak w tabeli 2.1.9.
Tabela 2.1.9. Wartości lokalne jednostkowych powierzchni kontaktu faz ( f ) w różnych typach płuczek
Rodzaj aparatu f [m2/m3] Płuczki ze zwężką Venturiego: ejekcyjne 1000–150 000 iniekcyjne 300–10 000 Płuczki uderzeniowe 200–4000 Płuczki przewałowe 100–3500 Płuczki fluidalne 600–2000 Płuczki pianowe 100–500
Płuczki natryskowe krzyżowe 50–300
Płuczki natryskowe klasyczne 10–100
Aby zatem płuczka natryskowa miała powierzchnię kontaktu faz porównywalną z powierzchniami innych płuczek, należy projektować objętości stref roboczych o trzy rzędy większe niż w płuczkach ejekcyjnych, o dwa rzędy większe niż w płuczkach iniekcyjnych i przykładowo 35-krotnie większe niż w płuczkach prze-wałowych.
Znacznie trudniej porównać intensywność wnikania masy w poszczególnych ro-dzajach aparatów. Dość miarodajnym jej probierzem są wartości współczynników wnikania masy po stronie fazy gazowej obliczone dla spotykanych zakresów pracy analizowanych płuczek (tabela 2.1.10).
Tabela2.1.10. Wartości współczynników wnikania masy po stronie fazy gazowej (β) charakteryzujące proces absorpcji dwutlenku siarki w różnych typach płuczek
Rodzaj aparatu β [kmol/m2s]
Płuczki ze zwężką Venturiego 0,01–0,1 Płuczki pianowe 0,01–0,1 Płuczki uderzeniowe 0,001–0,01 Płuczki przewałowe 0,001–0,01 Płuczki fluidalne 0,001–0,01 Płuczki natryskowe 0,0001–0,001
Ważniejsze rozwiązania konstrukcyjne stosowane w płuczkach iniekcyjnych przedstawiono na rys. 2.1.6.
Część doświadczalna
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zmierzenie skuteczności absorpcji dwutlenku siarki. Więk-szość przemysłowych procesów oczyszczania gazów odlotowych opartych na meto-dach absorpcyjnych charakteryzuje się zanikiem oporów wnikania masy po stronie fazy ciekłej. Osiąga się to dzięki szybkiej reakcji chemicznej, która przebiega w fazie ciekłej. Również w tym ćwiczeniu opór wnikania masy po stronie fazy ciekłej zredu-kowano do minimum, stosując układ absorpcyjny powietrze–dwutlenek siarki–wodne roztwory NaOH. Ponieważ skuteczność absorpcji w iniekcyjnej płuczce ze zwężką Venturiego w dużym stopniu zależy od parametrów hydrodynamicznych, więc jednym z celów ćwiczenia jest określenie zależności między stosunkiem strumieni objętości faz (V& /L V& ) a skutecznością absorpcji dwutlenku siarki. G
Skuteczność absorpcji dwutlenku siarki zależy również od szybkości reakcji chemicznej przebiegającej w fazie ciekłej, a więc od szybkości reakcji chemicznej przebiegającej we wspomnianej fazie. Ta z kolei zależy m.in. od stężenia alkalicznego reagentu mierzonego jako pH cieczy absorpcyjnej. Zatem kolejnym celem ćwiczenia jest odpowiedź na pytanie, jak absorpcja dwutlenku siarki (
η
) zależy od odczynu (pH) roztworu absorpcyjnego.Stanowisko doświadczalne
Schemat stanowiska doświadczalnego przedstawiono na rys. 2.1.7. Na wlocie do rurociągu (6) powietrze jest mieszane z odpowiednią ilością dwutlenku siarki dozo-
wanego z butli (1) przez reduktor (2), zawór regulacyjny (3) i rotametr (4). Otrzymane
w ten sposób modelowe gazy odlotowe są wprowadzane przez przepustnicę (5) do
iniekcyjnej płuczki (7), gdzie zostają oczyszczone z dwutlenku siarki wskutek
absorp-cji połączonej z reakcją chemiczną. Oczyszczone gazy odprowadza się przewodem (8)
wyposażonym w kryzę mierniczą (10) sprzężoną z elektronicznym miernikiem
ciśnie-nia (9). Zarówno po stronie gazu zanieczyszczonego, jak i oczyszczonego
zamonto-wano układ poboru próbek gazu, w których oznacza się zawartość dwutlenku siarki. Układ taki składa się z sondy (11), zaworu (12) i strzykawki (13). Stężenie absorbentu
cyrkulującego w płuczce jest kontrolowane przez pobór próbek za pomocą pompy
(14) i pomiar pH w zbiorniku (15) za pomocą elektrody (16) sprzężonej z pehametrem
(17). Do pomiaru temperatury gazów służy termometr rtęciowy (18).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 VG, m3/h ∆ P, Pa
Rys. 2.1.8. Krzywa kalibracji kryzy
Krzywą wzorcowania kryzy przedstawiono jest na rys. 2.1.8, a na rys. 2.1.9 – kon-strukcję doświadczalnej płuczki iniekcyjnej.
Sposób wykonania ćwiczenia
Napełnić zbiornik płuczki iniekcyjnej wodą, a następnie uruchomić wentylator, pompę i układ generowania modelowych gazów odlotowych, tak aby natężenie prze-pływu gazów wynosiło około 200 m3/h, a stężenie dwutlenku siarki na wlocie do in-stalacji – około 1 g/m3. Gdy warunki pracy instalacji ustabilizują się, a pH cieczy ab-sorpcyjnej osiągnie wartość 4–5, pobrać po 2 próbki gazu przed i za płuczką, zasysając do strzykawki wypełnionej 20 cm3 roztworu pochłaniającego 30 cm3
bada-Rys. 2.1.9. Konstrukcja doświadczalnej płuczki iniekcyjnej:
1 – obudowa, 2 – wlot, 3 – konfuzor, 4 – gardziel, 5 – dyfuzor z kierownicami, 6 – korpus odkraplacza, 7 – włóknina, 8 – zbiornik, 9 – rura
spływowa, 10 – pompa, 11 – przewód tłoczny, 12 – dysza, 13 – dmuchawa, 14 – obudowa z hydrostatem, 15 – końcówka impulsowa hydrostatu,
gazu. Następnie tak długo dodawać roztwór NaOH do cieczy sorpcyjnej, aż osiągnie ona pH 7–8, po czym w sposób opisany wyżej pobrać kolejne próbki gazu. Czynności powyższe należy powtórzyć jeszcze dwukrotnie dla zakresów pH 9–10 i 11–12. Łącz-nie trzeba pobrać 16 próbek gazu.
Wpływ stosunku strumieni objętości faz (V& /L V& ) na skuteczność absorpcji dwu-G
tlenku siarki określa się, mierząc stężenia dwutlenku siarki dla trzech różnych prędko-ści gazu w gardzieli, przy czym stężenie dwutlenku siarki na wlocie do instalacji musi być utrzymane na stałym poziomie (około 1 g/m3), a pH roztworu absorpcyjnego – ustalone w granicach 11–12. Dla każdego punktu pomiarowego notować strumień objętości gazu, stężenie dwutlenku siarki przed i za instalacją, odczyn (pH) roztworu sorpcyjnego i spadek ciśnienia gazu w instalacji.
Skuteczność absorpcji dwutlenku siarki należy obliczać z wzoru: % , 100 1 2 1 S S S η − ⋅ = , (1)
pomijając różnice temperatury, ciśnienia i wilgotności próbek przed i za instalacją.
Oznaczanie stężenia dwutlenku siarki
Aby określić stężenie dwutlenku siarki w modelowych gazach odlotowych, należy zastosować zmodyfikowaną metodę kolorymetryczną z p-rozaniliną. Jest ona opraco-wana na podstawie normy PN-76/Z-04104. Zamiast aspiracyjnej metody poboru pró-bek gazów, wymagającej użycia zestawu płuczek pochłaniających, płuczki osuszają-cej, przepływomierza, gazomierza i pompki ssąosuszają-cej, trzeba posłużyć się metodą izolacyjno-aspiracyjną, w której używa się strzykawki o pojemności 60 cm3, co po-zwala uniknąć następujących niedogodności metody standardowej:
a) montażu wielu elementów odpornych na działanie dwutlenku siarki,
b) wpływu rodzaju zastosowanej płuczki i szybkości przepływu gazu na skutecz-ność pochłaniania dwutlenku siarki,
c) wpływu własnej objętości układu pomiarowego (przewody, płuczki itp.) na wy-nik pomiaru, gdy układ nie został wstępnie przedmuchany badanym gazem,
d) niebezpieczeństwa wykraplania się pary i sorpcji dwutlenku siarki na ściankach przewodu przed płuczką,
e) niebezpieczeństwa odparowania wody z roztworu pochłaniającego, powodują-cego zmianę jego miana w czasie,
f) braku możliwości oznaczenia stężenia chwilowego,
g) konieczności modyfikacji metody (np. zastosowania większej ilości cieczy po-chłaniającej, zasysania mniejszej ilości gazu, rozcieńczenia badanego gazu, rozcień-czenia roztworu pochłaniającego po zaabsorbowaniu w nim SO2) w przypadku stężeń
przekraczających zakres jej stosowania, a z takimi mamy do czynienia w opisywanym doświadczeniu,
h) stałej obsługi, kontroli i regulacji układu pomiarowego.
Zastosowana metoda upraszcza zatem znacznie metodę podaną w PN, ułatwia jej dostosowanie do typowych stężeń dwutlenku siarki w gazach odlotowych oraz ogra-nicza możliwość popełnienia błędu.
Próbkę analizowanego gazu pobiera się sondą (11) (rys. 2.1.7.), po uprzednim otwarciu zaworu (12). Poboru dokonuje się za pomocą strzykawki (13) wypełnionej częściowo roztworem pochłaniającym. Po zassaniu określonej objętości gazu zamyka się zawór (12) strzykawki (13). Następnie strzykawkę odłącza się od sondy i wstrząsa przez 1 minutę, dzięki czemu pobrany dwutlenku siarki całkowicie absorbuje się w roztworze pochłaniającym. Objętość zassanego gazu i objętość roztworu pochłania-jącego w strzykawce należy tak dobrać, aby graniczne stężenie roztworu (2,5 µg SO2/cm3
) nie zostało przekroczone.
Metoda ta polega na oznaczeniu ilości dwutlenku siarki zaabsorbowanego przez roztwór pochłaniający (roztwór czterochlorortęcianu sodowego) oraz oznaczeniu stę-żenia powstałego kompleksu (czterochlorortęcianu z p-rozaniliną) metodą koloryme-tryczną. Dwutlenek siarki tworzy z czterochlorortęcianem sodowym dwuchlorosiar-czynortęcian sodowy. Związek ten reaguje ilościowo w obecności kwasu amido- sulfonowego z formaldehydem i chlorowodorkiem p-rozaniliny w kwasie solnym, tworząc intensywnie zabarwiony, czerwonofioletowy kompleks kwasu p-rozanilino-metylosulfonowego. Intensywność powstałego zabarwienia zależy od zawartości dwu-tlenku siarki w próbce. Odczynniki i roztwory wzorcowe należy przygotować zgodnie z PN-76/Z-04104.
Pobrane próbki gazu po wymieszaniu z roztworem pochłaniającym w strzykawce należy przelać do kolbek stożkowych o pojemności 100 cm3, a potem do każdej dodać 2 cm3 roztworu kwasu amidosulfonowego, wymieszać i pozostawić na 10 minut. Na-stępnie dodać kolejno 4 cm3 roztworu formaldehydu i 4 cm3 roztworu chlorowodorku
p-rozaniliny i wymieszać. Po upływie co najmniej 20 minut, nie później jednak niż po
40 minutach, przy długości fali
λ
= 560 nm oznaczyć wartość ekstynkcji, po czym odczytać z krzywej wzorcowej wartość stężenia dwutlenku siarki. Jeśli zabarwienie próbki nie mieści się w zakresie krzywej wzorcowej, to trzeba rozcieńczyć odpowied-nio próbkę roztworem czterochlorortęcianu sodowego. Wynik pomiaru podawać jako średnią arytmetyczną z dwóch pomiarów.Sposób przedstawienia wyników
Wyniki pomiarów należy przedstawić w postaci wykresów ilustrujących zależność skuteczności absorpcji dwutlenku siarki (η) od odczynu (pH) roztworu sorpcyjnego i od stosunku (V& /L V& ). G
Sprawozdanie powinno zawierać:
a) schemat blokowy i opis stanowiska badawczego, b) opis metody wykonywanych pomiarów,
c) obliczenia i wyniki pomiarów w formie tabelarycznej i graficznej, d) wnioski wynikające z przeprowadzonych doświadczeń.
Literatura uzupełniająca
[1] WARYCH J., Oczyszczanie gazów odlotowych, WNT, Warszawa, 1994.
[2] KUROPKA J., Oczyszczanie gazów odlotowych z zanieczyszczeń gazowych. Urządzenia i technologie, Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1991.
[3] KABSCH P., MECH J., STAŃCZAK H., Metody oczyszczania gazów odlotowych. Atlas rysunków i mate-riały pomocnicze, Cz. I. Odpylanie, Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1979.
[4] WARYCH J., Odpylanie gazów metodami mokrymi, WNT, Warszawa, 1979.
[5] TRZEPIERCZYŃSKA I. (red.), Fizykochemiczna analiza zanieczyszczeń powietrza, Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1997.
[6] Polska norma PN-76/Z-04104.