СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ПРИМЕСЕЙ
METHOD FOR PURIFICATION OF GASES FROM IMPURITIES

Изобретение относится к области разделения компонентов газовых смесей и может быть использовано для выделения одного или нескольких целевых компонентов или очистки газов от примесей.
Известен способ сепарации газовой смеси за счет конденсации одного или нескольких газов из смеси при прохождении потоков газа через сверхзвуковое сопло с последующим отделением конденсата (патент РФ №2380630, 2008 г.).
Известен также способ сепарации природных многокомпонентных углеводородных газов пропусканием потоков газа через сверхзвуковое сопло, при этом в исходный газ дополнительно вводят конденсируемые углеводородные компоненты. Кроме того, исходный газ охлаждают выделенной из газового потока жидкостью и/или очищенным газом (патент РФ №2291736, 2004 г.).
В обоих известных способах происходит переход одного или нескольких компонентов из газовой фазы в жидкую. Недостатками этих способов является относительно невысокая степень разделения или очистки компонентов, а также сложность выделения сконденсировавшихся капель жидкости из турбулентного газового потока.
В предлагаемом способе очистки/разделения газовых смесей используется переход одного или нескольких компонентов из газовой фазы в твердую - десублимация паров примесей или целевых компонентов из пересыщенной газовой среды.
2
2
3
6
2
Пресыщение/переохлаждение газовой среды достигается путем расширения смеси в сверхзвуковом сопле. Фазовые переходы протекают на твердых частицах, вводимых в сверхзвуковой поток. Способ позволяет практически полностью извлечь целевой компонент и более легко и надежно отделить твердые частицы, например, в циклонах. Способ может быть использован для выделения из газовой фазы различных веществ, как органического, так и неорганического происхождения, в частности закиси азота (NO), сернистого ангидрида (SO), трифторида азота (NF), гексафторида серы (SF), двуокиси углерода (СО), паров As, Se, фенолов, бензола и других веществ.
Очистка газовых выбросов осуществляется за счет фазового превращения пар - твердое тело. Для осуществления предлагаемого способа в процессе расширения газовой смеси в сверхзвуковом сопле создается переохлаждение, необходимое для проведения десублимации.
Для извлечения примесей с помощью десублимации одного только значительного переохлаждения недостаточно. Рост переохлаждения рано или поздно приведет к развитию процесса, характеризующегося лавинообразным гомогенным образованием ядер твердых частиц, протекающим в так называемых скачках конденсации (в данном случае десублимации). Существующий опыт показывает, что в скачках конденсации может быть извлечено максимум 20-30% пара. Кроме того, размер образующихся твердых частиц, колеблется от долей микрона до одного микрона. Это затрудняет, если вообще не исключает, дальнейшее выделение (осаждение) твердых частиц из газового потока. В связи с этим предлагается использовать управляемую конденсацию, которая достигается в результате введения твердых частиц (готовых ядер десублимации) в газовый поток в надлежащем сечении. Тем самым, оказывается возможным, избежав образования скачков конденсации, сделать процесс фазовых превращений управляемым и одновременно создать большую поверхность раздела фаз, обеспечив высокую интенсивность массопереноса.
Способ очистки газов включает подачу исходного газового потока в сверхзвуковое сопло (сопло Лаваля, сопло с центральным телом) и расширение газа с охлаждением при его истечении со сверхзвуковой скоростью. Далее газовый поток поступает в рабочую камеру, на вход которой дополнительно подают поток твердых частиц. На поверхности твердых частиц происходит десублимация извлекаемых компонентов, после чего твердую и газовую фазы разделяют, предпочтительно в циклоне.
Состав твердых частиц может совпадать или не совпадать с составом материала, выделяемого из газового потока в результате десублимации. Твердые частицы, отделяемые от газового потока в циклоне, по крайней мере частично можно подавать в рабочую камеру для использования их в качестве ядер десублимации.
В общем случае, рабочая камера представляет собой канал переменного сечения.
Диаметр входного сечения рабочей камеры совпадает с диаметром выходного сечения сопла; диаметр выходного сечения определяется расходом газовой смеси и требованиями к скоростному потоку на входе в циклон.
Подачу твердых частиц можно производить как во внутреннюю область газового потока, так и через отверстия в боковой поверхности рабочей камеры. В последнем случае для снижения интенсивности скачков уплотнения вместе подвода частиц, целесообразно располагать отверстия по винтовой линии.
Исходный газовый поток может предварительно охлаждаться теплообменом с газовым потоком, расширенным в сверхзвуковом сопле.
Большие значения переохлаждения ΔT, необходимые для интенсивной десублимации пара, достигаются только при числах Маха М≈1 и М≥1. То есть, они возникают только по мере приближения потока к критическому сечению сопла и в его сверхзвуковой части.
В случае сильно отличающихся друг от друга условий (температура, давление), необходимых для извлечения разных примесей десублимацией, процесс очистки разных компонентов производится последовательно. После завершения первого цикла отработанная газовая смесь вновь подается на вход в сверхзвуковое сопло и цикл повторяется. Число таких циклов зависит от состава смеси и требуемой степени очистки.
Примеры осуществления способа.
Очистка воздуха от янтарного и фталевого ангидридов.
Атмосферный воздух сжимали в компрессоре, затем нагревали в теплообменнике и пропускали через слой расплава смеси янтарного и фталевого ангидридов. Образовавшаяся парогазовая смесь с объемной концентрацей ангидридов от 0,5% до 1% (концентрации янтарного и фталевого ангидридов были близки), поступала на вход в сопло Лаваля, в котором она расширялась. Диаметры входного, критического и выходного сечений сопла были равны 13.6, 1.95 и 14,6 мм, соответственно. Рабочая камера начиналась сразу же за срезом сверхзвукового сопла. Она состояла из цилиндрического участка длиной 15 мм и расширяющегося участка длиной 63 мм. В боковой поверхности начальной части цилиндрического участка были проделаны отверстия, через которые путем газотранспорта в поток поступали твердые частицы из янтарного ангидрида. Диаметр частиц составлял 20-30 мкм. Газовый поток после отделения твердых частиц в циклоне проходил через тканевый фильтр, затем через слой водного раствора щелочи. Как показали эксперименты, на выходе из циклона пары янтарного и фталевого ангидридов в газовой смеси отсутствовали. Таким образом, извлечение примеси было полным.
В приведенном выше примере, воздух в компрессоре предварительно сжимали для того, чтобы создать перепад давления, необходимый для обеспечения сверхзвукового истечения из сопла. Однако, может возникнуть ситуация, когда для организации самих фазовых переходов пар - твердое тело, требуется изменить температуру и давление выбрасываемых газов перед их поступлением на вход в сопло.
2
2
2
2
Так, например, для извлечения из воздуха СО, давление и температура которого в тройной точке составляют Р*=518.6 кПа (5.11 атм) и Т*=216.55 K (-56.6°С) соответственно, целесообразно перед подачей воздуха на вход в сопло охладить его, например, до Т=190К и сжать до давления Р 0≈5,5 атм (считая, что объемная концентрация СО равна 4%). Тогда при относительно небольших числах Маха можно получить на выходе газовую смесь с Т=150К и Р=2,5 атм, и переохлаждением ΔТ=25К, что было бы достаточно для извлечения из газовой смеси углекислого газа. В тоже время, для выделения сернистого газа SO из воздушной смеси, в которой объемная концентрация SO составляет 1,5%, достаточно будет охладить исходную смесь примерно до 210К, не сжимая ее в компрессоре. Тогда, на выходе из сопла, в смеси, охлажденной до 170К, создавалось бы переохлаждение ΔТ=25-30K.
В приведенных примерах, процесс разделения газовой и твердой фаз надо проводить при температурах, значительно ниже температуры окружающей среды. Для создания путем теплообмена рабочих зон с низкими температурами в качестве хладагента может служить газовый поток, расширенный в сверхзвуковом сопле. Это способствовало бы созданию энергосберегающей технологии очистки газовых выбросов.