Vypieranie a absorpcia

   Princíp

Vypieranie a absorpcia sú procesy, pri ktorých prichádza odpadový plyn do styku s kvapalinou (obvykle vodou). Pri tom sa z neho odstraňujú prachové častice alebo sa samotný plyn alebo pary rozpúšťajú vo vode. Podľa toho rozlišujeme dva typy sanácie, označované spoločným názvom vypieranie.

Vypieranie, čiže mokré odlučovanie častíc, je najčastejšie založené na princípe tzv. zotrvačného nárazu, keď častica s vyššou hybnosťou narazí na kvapku vody a prichytí sa na nej, alebo na princípe difúzneho mechanizmu, pri ktorom sa jemná častica prachu difúziou dostane k povrchu kvapky, kde sa zachytí. Existujú aj ďalšie mechanizmy prichytenia: priame prichytenie, elektrostatické sily, kondenzácia vody na časticiach, odstredivá sila alebo gravitačné sily.

Absorpcia je buď fyzikálna, alebo chemická. Fyzikálna absorpcia nastáva, keď sa znečisťujúca látka rozpustí v rozpúšťadle (absorbente). Ak súčasne prebehne reakcia medzi znečisťujúcou látkou a rozpúšťadlom alebo látkami v rozpúšťadle, vtedy ide o chemickú absorpciu (Lawrence et al., 2004). Proces absorpcie môže prebiehať s chemickou reakciou alebo bez nej, s recirkuláciou kvapalnej fázy alebo bez nej. Absorpcia je difúzny proces prestupovania hmoty, pri ktorom sa rozpustná plynná zložka odstraňuje z plynu rozpúšťaním v kvapalnom rozpúšťadle. Hnacou silou je rozdiel koncentrácie rozpúšťanej zložky v plynnej fáze a v kvapalnej fáze. Množstvo adsorbovanej látky, ktoré sa rozpustí, sa vyjadruje rozdeľovacím koeficientom podľa vzťahu:

            ,

kde:

H        je rozdeľovací koeficient,

c_g       rovnovážna koncentrácia zložky v plynnej fáze (kg . m^–3),

c_l       rovnovážna koncentrácia zložky v kvapalnej fáze (kg . m^–3).

 

Hodnota rozdeľovacieho koeficientu stúpa so vzrastajúcou teplotou a pri poklese tlaku. Ako rozpúšťadlo sa používa najmä voda, ale aj málo prchavé kvapaliny. Absorpcia môže prebiehať bez regenerácie rozpúšťadla alebo s regeneráciou. Regenerácia sa vykonáva destiláciou, desorpciou (stripovaním), vyzrážaním spojeným so sedimentáciou, chemickými reakciami neutralizácie, oxidácie, redukcie alebo hydrolýzy, extrakciou a adsorpciou rozpustenej látky z kvapalnej fázy (Koutský a Malecha, 2006).

   Použiteľnosť

Vypieranie sa najčastejšie používa na odstraňovanie častíc s veľkosťou od 2 do 100 μm (Forbes, 2009), pričom sa však zvyšuje energetická náročnosť procesu. Používa sa aj na odstraňovanie sírovodíka (H₂S) zo skládok pevného odpadu alebo znečistenia z rafinérií ropy, resp. miest znečistených ropnými produktmi (US peroxide, 2009), alebo na odstraňovanie plynov SO₂ a NO₂ (Wiener a Matthews, 2003). Vypieranie a absorpcia sú vhodnejšie na odstraňovanie prchavých organických látok ako na odstraňovanie pevných častíc, ktoré môžu spôsobovať upchávanie (Kennes a Veiga, 2001).

Absorpcia vo vode sa používa na odstraňovanie plynov dobre rozpustných vo vode, (HCl, HF, SiF₆, NH₃ atď.). Na odstraňovanie kyslých plynov ako SO₂, Cl₂ a H₂S, ktoré sú vo vode menej rozpustné, sa používajú slabo alkalické roztoky Na₂CO₃, NaHCO₃ alebo NaOH, prípadne aj roztoky amónnych solí. Na čistenie plynov obsahujúcich bázické komponenty (NH₃, amíny) sa používajú slabé vodné roztoky kyselín – H₂SO₄, H₃PO₄ alebo HNO₃. Roztoky, ktoré sa neregenerujú, sa môžu použiť ako hnojivá alebo sa vzniknuté soli nechajú vykryštalizovať. Okrem vody a alkalických vodných roztokov sa na odstraňovanie niektorých kyslých zložiek (H₂S, SO₂) používajú amíny. Vodné roztoky oxidačných médií (KMnO₄, H₂O₂, ClO₂, chlórnan NaClO) sa používajú na zneškodňovanie niektorých organických látok (aldehydy a ketóny) alebo zapáchajúcich komponentov (tioly a sulfidy). Na zachytávanie pár uhľovodíkov a iných organických látok, ktoré sú vo vode nerozpustné, sa používa absorpcia v organických rozpúšťadlách, ako sú vykurovacie oleje a ďalšie rozpúšťadlá s nízkym tlakom pár.

   Základná charakteristika

Všetky zariadenia na vypieranie používajúce kvapalinu na absorpciu plynov sú založené na vytvorení veľkých špecifických povrchov kvapaliny pomocou použitia rôznych mechanických metód. Tieto metódy zahŕňajú hydraulický postrekovač, zrážací zásobník, klobúčikový zásobník, sitové zásobníky, zhusťovanie (modulárneho alebo vyklápacieho typu), mriežky a rôzne kombinácie zariadení na dosiahnutie čo najväčšieho špecifického povrchu v čo najmenšom objeme (Schifftner a Hesketh, 1996). Na obr. 4.3.5 sú zobrazené štyri typy mokrých odlučovačov prachu.

 

Obr. 4.3.5. Vybrané typy odlučovačov na vypieranie (podľa Koutského a Malechu, 2006).

Vysvetlivky:

A – sprchový: 1 – znečistený plyn, 2 – voda, 3 – voda s prachom, 4 – vyčistený plyn,

B – hladinový: 1 – znečistený plyn, 2 – voda, 3 – prach, 4 – vyčistený plyn,

C – Venturiho vstrekovací: 1 – znečistený plyn, 2 – voda, 4 – vyčistený plyn,

D – Venturiho s cyklónom: 1 – znečistený plyn, 2 – voda, 3 – voda s prachom, 4 – vyčistený plyn.

 

V sprchovom odlučovači prachu uvedenom na obr. 4.3.5A znečistený plyn stúpa nahor rýchlosťou asi 1 m . s^–1. Vypieracia kvapalina sa rozstrekuje z dýz umiestnených v rôznej výške kolóny. Kvapalina s prachom klesá dolu a dnom opúšťa kolónu. Napríklad roztok peroxidu vodíka H₂O₂ sa používa na odstraňovanie sírovodíka H₂S (US peroxide, 2009 ). Reakcia prebieha podľa rovnice:

 

4H₂O₂ + H₂S → H₂SO₄ + 4 H₂O.

 

Na neutralizáciu kyseliny sírovej H₂SO₄ sa používa hydroxid sodný NaOH:

 

2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O.

 

Na zvýšenie účinnosti odlučovania je možné použiť náplň, napr. sklenené guľôčky.

V hladinovom odlučovači (obr. 4.3.5B) sa kvapalina rozptyľuje v dôsledku privádzania znečisteného plynu pod hladinu kvapaliny, kde je unášaná prúdom a mieša sa s plynom vďaka vhodnému tvaru nádrže. Unášaná kvapalina sa zachytáva vnútri vane a zhromažďuje sa v zbernom zásobníku.

Venturiho vstrekovací odlučovač (obr. 4.3.5C) pracuje ako prúdové čerpadlo. Voda sa vstrekuje do zariadenia rýchlosťou 25 – 35 m . s^–1, pričom nasáva plyn, ktorý sa pohybuje rýchlosťou 10 – 20 m . s^–1. Možno použiť aj viac vypieracích stupňov za sebou.

Venturiho odlučovač s cyklónom (obr. 4.3.5D) má najväčšiu účinnosť. Plyn dosahuje rýchlosť na vstupe až 150 m . s^–1. Pracia kvapalina vstupuje do stredu hrdla na najužšom mieste alebo sa privádza do hrdla radiálne a rozptyľuje sa prúdiacim plynom. Kvapalina s prachom sa oddeľuje z prúdu plynu v cyklóne. Rozdiely prevádzkových parametrov jednotlivých odlučovačov sú uvedené v tab. 4.3.1.

Tab. 4.3.1. Prevádzkové parametre zariadení na vypieranie prachu z plynu (podľa Koutského a Malechu, 2006).

Parameter	Odlučovač
	Sprchový	Hladinový	Venturiho vstrekovací	Venturiho s cyklónom
Rozmery častíc prachu (μm)	0,7 – 1,5	0,1 – 0,5	0,8 – 0,9	0,05 – 0,2
Relatívna rýchlosť (m . s–1)	1	8 – 20	10 – 25	40 – 150
Pokles tlaku (kPa)	0,2–2,5	1,5 – 2,8		3 – 20
Spotreba vody (dm3. m–3)	0,05–5		5 – 20	0,5 – 5
Spotreba energie (kWh na 1 000 m3)	0,2 – 1,5	1 – 2	1,2 – 3	1,5 – 6

 

Na absorpciu škodlivých plynov a pár existuje niekoľko konštrukčných typov zariadení. Najpoužívanejšie sú sprchovacie zariadenie a Venturiho zariadenie s cyklónom, poschodové náplňové absorpčné kolóny, absorpčné kolóny s pohyblivým lôžkom a náplňové absorpčné kolóny. Na obr. 4.3.6 je znázornená náplňová absorpčná kolóna ako súčasť absorpčnej jednotky s regeneráciou.

 

Obr. 4.3.6. Schéma absorpcie znečisťujúcej látky s regeneráciou rozpúšťadla destiláciou (podľa Koutského a Malechu, 2006).

Vysvetlivky: 1 – znečistený plyn, 2 – nasýtená pracia kvapalina, 3 – dopĺňanie pracej kvapaliny, 4 – reflux, 5 – odstránené zložky, 6 – regenerovaná pracia kvapalina, 7 – čistý plyn, 8 – plášť absorpčnej kolóny, 9 – plášť regeneračnej destilačnej kolóny, 10 – distribútor kvapaliny, 11 – odparovač, 12– vodný chladič, 13 – parný ohrievač, 14 – výmenník tepla, 15 – čerpadlo, 16 – nosič výplne kolóny.

 

Zariadenie je zložené z vonkajšieho plášťa s príslušnou náplňou, nosiča náplne, vstupu a výstupu plynu, distribútora kvapaliny, výstupu kvapaliny a odparovača na zachytávanie kvapiek. Používa sa protismerné usporiadanie toku kvapaliny a plynu, v smere prúdenia a krížové. V prípade uvedenom na obr. 4.3.6 je použité protiprúdové usporiadanie. Ako náplň sa používajú rozličné druhy materiálu, napr. keramika, antikoro alebo plastické hmoty (Rashigove krúžky, Pallove krúžky, barlové sedlá a iné). Kvapalný film na povrchu náplne vytvára plochu na prestupovanie hmoty z plynnej fázy do kvapalnej. Veľkosť povrchu závisí od rýchlosti dávkovania kvapaliny, zmáčavosti povrchu a fyzikálnych vlastností kvapaliny. Znečistený plyn postupuje proti prúdu kvapaliny zospodu kolóny a znečisťujúce látky prechádzajú do kvapaliny v závislosti od ich rozpustnosti. Kvapalina nasýtená znečisťujúcou látkou ďalej prechádza do destilačnej regeneračnej kolóny. Na regeneráciu rozpúšťadla je možné použiť aj desorpciu (stripovanie) parou alebo inertným plynom pri vysokej teplote alebo nízkom tlaku. Dôležitá je účinnosť výmenníka tepla. Ak pri absorpcii prebieha aj chemická reakcia, o desorpcii je možné uvažovať len vtedy, ak je možné chemickú väzbu zrušiť znížením tlaku alebo zvýšením teploty (Koutský a Malecha, 2006).

   Výhody a limitácie

Výhody mokrých odlučovačov prachu sú najmä v tom, že môžu spracúvať plyny s vysokou teplotou a vysokým obsahom vlhkosti, nevytvárajú sekundárne zdroje prachu, predstavujú minimálne ohrozenie požiarmi a explóziami, dokážu súčasne odstraňovať prach aj niektoré škodliviny z plynu a majú menšie rozmery.

Ich použitie je obmedzené vyššou energetickou náročnosťou (v závislosti od rozmerov častíc), možnou koróziou pri prítomnosti kyslých zložiek v plyne, potrebou usadzovacích nádrží a nárokmi na ich uskladnenie alebo ďalšie spracovanie. Možnosť použitia absorpcie obmedzuje aj to, že neexistuje vhodné alebo cenovo dostupné rozpúšťadlo pre každý druh znečisťujúcej látky. Správna voľba organických rozpúšťadiel je veľmi dôležitá preto, aby sa samy nestali zdrojom prchavých organických látok v plyne. Ak sú vznikajúce soli, napr. pri použití NaOH, menej rozpustné vo vode, môžu vznikať usadeniny alebo sa upchávajú dýzy. Preto treba správne zvoliť systém spracovania pracieho vodného roztoku. Pri použití NaOH je možné, že pri okyslení spracúvanej vody môže nastať jeho spätné uvoľňovanie. Pri súčasnej absorpcii a vypieraní prachu môžu vzniknúť problémy s usadzovaním alebo upchávaním, a teda zníži sa výkon častí cirkulačného systému.

   Trvanie čistenia a účinnosť

Vypieranie má vysokú účinnosť, ktorá však závisí od udržania vhodnej rýchlosti prúdenia znečisteného vzduchu (Forbes, 2009). Pri odstraňovaní sírovodíka je možné dosiahnuť rýchlosť prúdenia znečisteného plynu 50 m³ . min^–1. (US peroxide, 2009). Kapacita absorpcie je od 3 400 do 170 000 m³ . h^–1 a účinnosť absorpcie dosahuje 95 – 98 % (Turchi a Wolfrum, 1994).

Pri vysokej účinnosti sú prevádzkové náklady relatívne nízke. Kapitálové náklady sú premenlivé v závislosti od návrhu technológie a náročnosti odstraňovania kontaminantu. Napríklad podľa práce Turchiho a Wolfruma (1994) je to asi 7 – 30 € na m³ . h^–1. Spotreba energie a vody jednotlivých druhov odlučovačov je uvedená v tab. 4.3.1. Napríklad v prípade plynu obsahujúceho 200 ppm H₂S je spotreba peroxidu vodíka asi 56 g . min^–1 a hydroxidu sodného 35 g . min^–1 (US peroxide, 2009).

 

© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží

Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,

Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová

Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,

ISBN    978-80-89343-39-3