Способ очистки газовых смесей от вредных примесей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технологии очистки газов, в частности природного газа, от вредных примесей. Целью изобретения является повышение степени очистки, коэффициента использования излучения и удельной производительности. Для решения поставленной задачи процесс селективной диссоциации примесей ведут при облучении потока очищаемого газа ультрафиолетовым излучением во встречном направлении, причем, интенсивность потока ультафиолетового излучения и скорости потока очищаемого газа выбирают из условия длительность импульса ультрафиолетового излучения выбирают из условия плотность молекул примесей в потоке очищаемого газа выбирают из условия v_д ≪ v_г частоту импульсов ультрафиолетового излучения выбирают из условия f>D·σ²·n², где v_г - скорость потока очищаемого газа G - фотохимический выход продукт диссоциации, l_o - интенсивность потока УФ-излучения, n - плотность молекул примесей в газе, σ - сечение фотодиссоциации молекул примесей v_д - скорость диффузии молекул примесей в газе, D - коэффициент диффузии молекул примесей в газе. Устройство для осуществления способа содержит реакционный объем с входным и выходным патрубками, источники ультрафиолетового излучения, уловитель продуктов диссоциации. Источники ультрафиолетового излучения размещены по периферии крышки устройства, представляющего две встречно вставленные друг в друга воронки разных размеров, причем прямолинейный участок большой воронки завершен патрубком входа. На раструбе меньшей воронки выполнены отверстия для пропускания ультрафиолетового излучения, ориентированные на плоскость горловины большой в прямолинейной части меньшей воронки за уловителем расположен патрубок очищенного газа. Размеры устройства выбраны из соотношения где d_o, d₁, d₂ - диаметры прямолинейного участка раструбов большой и малой воронок соотвтетственно. Кроме того, за патрубком ввода в прямолинейном участке большой воронки размещен теплообменник для подогрева газа. По сравнению с прототипом степень очистки повышается на несколько порядков, коэффициент использования излучения достигает 100%, удельная производительность составляет 10⁴+10⁵ величины удельной производительности прототипа. 2 с.п.ф-лы и 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии очистки газов, в частности природного газа, от вредных примесей. Цель изобретения повышение степени очистки, коэффициента использования и удельной производительности. П р и м е р 1. Устройство для осуществления заявленного способа очистки изображено на чертеже 1. Источники УФ-излучения 1 расположены на крышке реакционной камеры 2, представляющей собой две встречно вставленные друг в друга воронки разных размеров малая 3 и большая 4, причем прямолинейный участок большой воронки заканчивается патрубком входа 5, впереди которого помещается теплообменник 6 для поддержания технологической температуры газовой смеси, т.к. в частности, при температурах меньших температуры конденсации (Т≈ 120^оС), сера конденсируется на стенках устройства, а при температурах ≥600^оС в зоне диссоциации возможно образование серосодержащих органических газов. На раструбе малой воронки, приваренной к раструбу большой воронки изнутри, сделаны отверстия 7 для пропускания световых лучей 8. Газовая смесь, содержащая серу, после зоны диссоциации попадает в малую воронку, в прямолинейной части которой расположен уловитель продуктов диссоциации, в данном случае конденсатор-коагулятор 9 серы, где происходит отделение серы от газового потока. Прямолинейный участок малой воронки заканчивается выходным патрубком 10. На крышке устройства предусматривается система нагретого нейтрального газа 11 в буферный объем 12 под давлением, превышающим динамическое давление в реакционной зоне 13, для защиты выходного окошка источника от конденсации серы на них. Для работы теплообменника 6, конденсатора-коагулятора 9 и системы подачи нагретого нейтрального газа 11 используется тепло, выделяющееся при работе источников. П р и м е р 2. Устройство работает следующим образом. Очищаемый газ через входной патрубок 5 и теплообменник 6 подается в плоскость горловины большой воронки 4, куда одновременно от источников 1, расположенных на крышке через отверстия 7 на раструбе малой воронки 3, подается УФ-излучение 8, которое в слое газа толщиной δ<< d_oпоглощается и диссоциирует молекулы сероводорода на водород и серу. Полученная таким образом газовая смесь с температурой Т ≈200^оС, содержащая элементарную серу, непрерывно удаляется из реакционной зоны 13 толщиной δ, замещаясь очищаемым газом и через раструб малой воронки попадает в конденсатор коагулятор серы 9, где происходит отделение серы. Очищенный таким образом газ через патрубок 10 подается к потребителю. Система подачи нагретого нейтрального газа 11 в буферный объем 12 включается до начала процесса очистки. Исходная смесь: газовая смесь при атмосферном давлении и температуре Т 200^оС с содержанием метана nCH₄ 2,7˙ 10¹⁹ см^-3 и сероводорода nH₂S 2,7˙10¹⁷ см^-3 (1 об.). Интенсивность потока УФ-излучения длиной волны 1800 < λ < 2200A-10; длительность импульса излучения τ_и= 10^-4 с; частота следования импульсов f 1,50 кГц. Объем, в котором происходит диссоциация молекул сероводорода равен V Sδ 0,5S см³ где S d²_o. Габаритные размеры устройства производительностью 10⁴ м³/ч для очистки природного газа с содержанием 1% H₂S следующие: диаметр прямолинейного участка d_o 1 м, диаметр раструба большой воронки d₁ 2,5 м, диаметр малой воронки d₂ 1,5 м. Длина устройства 4-5 м. Производительность очистки равна g V_г·S 4,2·10²S, что дает следующее значение удельной производительности Q 840 с^-1, на несколько порядков превышающую удельную производительность прототипа Q0,03 с^-1. Очистка газовой смеси практически полная, т. к. количество фотонов, поглощаемых в объеме V, равно количеству молекул сероводорода в нем. Коэффициент использования излучения 100% П р и м е р 3. Условия работы и исходная смесь те же. Размеры устройства d_o 1 м, d₁ 2,5 м, d₂ 1 м, т.е. 1. В этом случае малая воронка является продолжением прямолинейной части большой воронки, поэтому газовый поток после зоны диссоциации полностью попадает в конденсатор-коагулятор и основные характеристики устройства остаются прежними. П р и м е р 4. Условия работы те же. Исходная смесь: газовая смесь при тех же условиях с содержанием 1 об. SO₂. Размеры установки d_o 1 м, d₂ 1,5 м, d₁ 3 м, т.е. 3. В этом случае основные характеристики процесса очистки существенно не изменятся, т.к. в выбранном диапазоне длин волн излучения сечение поглощения SO₂ приблизительно равно сечению поглощения H₂S. Углы раструба воронок меньше 30^о, срыва струи с угла воронки при выбранной скорости потока газов не происходит и поток сохраняется ламинарным, вследствие чего производительность устройства сохраняется. П р и м е р 5. Исходная смесь: газовая смесь при атмосферном давлении с содержанием воздуха и закиси азота NO₂ nNO₂2,7˙ 10⁷ см^-3(1 об.). Производительность устройства 3˙ 10⁶ см³/с. Интенсивность потока УФ-излучения длиной волны 180 < λ< 420 нм 10²¹ эВ/см²˙ с длительность импульса τ_и= 6˙10⁴ с, частота следования импульсов f 1,5 кГц. Параметры устройства выбраны исходя из следующих расчетов: 1) Мощность УФ- источника P_уф= nqEф 2,7·10¹⁷3·10⁶·5 4·10²⁴ Eф 5ЭВ (для λ~400) 2) Интенсивность потока излучения I_o= 10 (выбран таким, что I_o> 6,3·10¹⁷ и из того, что достигнута такая величина потока и источник доступен). 3) Сечение горловины S 4·10³см²
4) Скорость газового потока
V_г= 7,5·10²см/сек она не выходит за пределы условия формулы
V_r >> V_д 7,2˙ 10^-18˙ 2,7˙ 10¹⁷ ˙ 0,3 5 см/сек. 5) Длительность импульса излучения
τ_и=
6·10^-4c. 6) Частоту из условий технической доступности с целью уменьшения габаритов устройства выбирает f 1,5 кГц, что находится в пределах условия формулы:
f > (σ_n)²D (7,2˙10^-18 ˙2,7˙10¹⁷)² 0,3 1 Гц. Под действием излучения в области длин волн 400 нм закись азота с фотохимическим выходом 0,24 молек/эВ диссоциирует по реакции NO NO + O₂. Образующая молекула NO нестабильна и под действием излучения в области длин волн 190 нм по следующей суммарной реакции 2NO²__→ N₂+O₂ разлагается на два нетоксичных соединения. Объем реакционной зоны из-за меньшего сечения поглощения NO₂увеличивается в пять раз, однако вследствие того, что необходимость в теплообменнике и уловителе продуктов очистки в этом случае отпадает, длина устройства по сравнению с примером 1 уменьшится в несколько раз (например 1,5-2 мм для производительности 10⁴ м³/ч). Остальные характеристики, приведенные в примере 1, сохраняются. Степень очистки n_k/n_o по сравнению с прототипом (0,1+0,2) повышается на несколько порядков и составляет ≈0,0002. Коэффициент использования излучения составляет 99,99% (в прототипе менее 10%). Удельная производительность Q 1500 с^-1, а в прототипе Q 0,03 с^-1. П р и м е р 5. Очистка воздуха от паров HI n_HI 2,7˙10¹⁷ см^-3 (1 об.). Интенсивность потока УФ-излучения в области длин волн 207+282 нм 10²¹ эВ/см²˙с: длительность импульса τ_и= 6˙ 10⁴ с; частота следования импульсов f 1,5 кГц. В этом случае по реакции 2HI H₂I₂ примесь разлагается на водород и йод. Для поддержания технологического режима необходимо поддерживать температуру газового потока на входе Т ≈120^оС, а для удаления йода из газового потока на выходе необходим уловитель йода (например конденсатор). По сравнению с прототипом степень очистки повышается на несколько порядков, коэффициентов использования излучения достигает 100% удельная производительность составляет 10⁴ + 10⁵ величины удельной производительности прототипа.

Формула изобретения

1. Способ очистки газовых смесей от токсичных примесей, включающий их селективную диссоциацию под воздействием ультрафиолетового излучения с последующим удалением продуктов диссоциации, отличающийся тем, что, с целью повышения степени очистки, диссоциацию ведут при облучении газа во встречном направлении, причем скорость потока газа соответствует условию

длительность импульса излучения определяют по формуле

плотность молекул примесей в потоке газа соответствует условию
V_g < V_r,
а частоту импульсов излучения выбирают из условия
f > D·σ²·n² ,
где V_r скорость потока очищаемого газа;
G фотохимический вывод продуктов диссоциации;
I₀ интенсивность потока ультрафиолетового излучения;
n плотность молекул примесей в газе;
τ_n длительность импульса ультрафиолетового излучения;
σ сечение фотодиссоциации молекул примесей в газе;
f частота импульсов ультрафиолетового излучения;
D коэффициент диффузии молекул примесей в газе. 2. Устройство для очистки газовых смесей от токсичных примесей, содержащее реакционную камеру с входным и выходным патрубками, источники ультрафиолетового излучения и уловитель продуктов диссоциации, отличающееся тем, что, с целью увеличения его производительности, реакционная камера выполнена в виде двух встречно установленных друг в друга воронок разных размеров, причем цилиндрическая часть большой воронки завершена входным патрубком, а на раструбе меньшей воронки выполнены отверстия для пропускания ультрафиолетового излучения, ориентированные на плоскость горловины большой воронки, в цилиндрической части меньшей воронки расположен выходной патрубок газа, причем источники излучения размещены по периферии крышки реакционной камеры. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что размеры его выбирают из условия

где d₀ диаметр цилиндрических участков;
d₁, d₂ диаметры раструбов большой и малой воронок соответственно. 4. Устройство по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что за входным патрубком в цилиндрическом участке большой воронки размещен теплообменник для подогрева газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1