CC BY
15Решетневские чтения. 2018
УДК 544.47:544.344
УПРАВЛЕНИЕ АДСОРБЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛАВЛИВАНИЯ ФТОРИСТОГО ВОДОРОДА В ГАЗООЧИСТНОМ ОБОРУДОВАНИИ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА
А. Г. Берняцкий, Е. В. Сугак
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: bern-ag@mail.ru
Описывается специфика протекания адсорбционных процессов и возможность управления ими для увеличения эффективности улавливания фтористого водорода в «сухих» газоочистках.
Ключевые слова: адсорбция, десорбция, сухая газоочистка, рециркуляция, фтористый водород.
THE CONTROL OF ADSORPTION PROCESS IN EQUIPMENT OF DRY GAS TREATMENT FOR MAXIMUM EFFICIENCY CAPTURE OF HYDROGEN FLUORIDE IN ALUMINIUM INDUSTRY
A. G. Bernyatskiy, E. V. Sugak
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: bern-ag@mail.ru
This article describes the specifics of the adsorption processes and the possibility of control to increase the efficiency of hydrogen fluoride capture in "dry" gas cleaning.
Keywords: adsorption, desorption, dry gas treatment, recirculation, hydrogen fluoride.
Специфика работы любого газоочистного оборудования связана с балансом технологических параметров и экономической целесообразностью. Поддержание данного баланса является предметом постоянных исследований и направлено на улучшение конструкционных элементов газоочистных установок. Однако при всем многообразии конструкции базисным элементом является поддержание коэффициента полезного действия комплекса газоочистного оборудования. В частности, рассматривая особенности установок очистки газа, выделяющегося при электролизном производстве алюминиевых заводов, необходимо учитывать, что адсорбент, применяемый в данных установках, является так же и сырьем для получения алюминия. Эволюция развития «сухих» газоочистных установок данной отрасли привела не только к улучшению экологических показателей, но и способствовала снижению себестоимости выпуска алюминия вследствие возврата фтористых соединений обратно в производство.
Для понимания происходящих процессов на рисунке приведена принципиальная схема устройства газоочистного оборудования, применяемого в алюминиевом производстве.
Газоочистное оборудование «сухого» типа основано на процессе адсорбции, то есть на поглощении вещества из газообразной среды поверхностным слоем твёрдого вещества. В алюминиевом производстве газообразный фтористый водород поглощается поверхностью глинозёма (А120з) с последующим его
возвратом в процесс электролиза [1]. Данный процесс возможен благодаря не скомпенсированным силовым полям молекул, находящимся на поверхности твёрдого вещества, которые, обладая избыточной энергии, взаимодействуют с молекулами газа и на определенное время удерживают их в своей структуре. Стоит отметить тот факт, что процесс адсорбции является экзотермическим. Вследствие этого увеличение температуры окружающей среды приводит к усилению процесса десорбции, когда уловленные молекулы газа начинают разрушать физические связи, образованные с молекулами твёрдого вещества.
Рассматривая материалы исследований Р. В. Мхчан и В. С. Бурката можно сделать вывод, что в процессе адсорбции происходит частичная хемосорбция с замещением кислорода на молекулы более активного фтора. Поэтому уравнение адсорбционного процесса принимает следующий вид [2]:
А1203 + пШ ^ А1203 • пШ 300~400 °е > АЩ + Н20
Из данного уравнения следует, что, при определенных условиях, часть уловленного фтора переходит в другое вещество (фтористый алюминий). Однако не стоит забывать о гидроксильной группе, входящей в состав поверхностной влаги. Вследствие сильных водородных связей газообразный фтор способен поглощаться выделенной водой, что увеличивает способность адсорбции за счёт воды в порах кристаллов глинозёма [3].
Техносферная безопасность
Принципиальная схема: 1 - реактор адсорбер; 2 - рукавный фильтр; 3 - дымосос; 4 - очищенный» газ в дымовую трубу; 5 - бункер свежего глинозема; 6 - вибросито; 7 - бункер фторированного глинозёма; 8 - пневмокамерный насос
Присутствие развитой поверхности глинозёма и наличие свободной воды в порах ведет к адсорбции ещё одного загрязняющего вещества, а именно, диоксида серы. Сернистый ангидрит частично заполняет поры глинозёма, что ведёт к снижению адсорбции фтористого водорода. Однако, обладая более высокой активностью, фтор имеет возможность вытеснять сернистые соединения, вступая в реакцию с гидро-ксильной группой, выделяющейся вследствие протекания химической реакции хемосорбции [4].
В технологическом процессе данный эффект используется для увеличения насыщения фтористым водородом уже прореагировавшего глинозёма. В технологии данный процесс осуществляется за счёт применения системы рециркуляции фторированного глинозема [5].
Возможность управления процессами адсорбции фтористого водорода является одним из ключевых факторов, учитывающихся при проектировании газоочистного оборудования, поскольку данный процесс лежит в основе функционала газоочистки и обуславливает возможность влиять как на экологические, так и на экономические показатели работы электролизного производства.
Библиографические ссылки
1. Буркат В. С., Друкарев В. А. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве алюминия. СПб. : ООО «Любавич», 2005. 276 с
2. Мхчан Р. В. Улавливание и утилизация фторидов глинозёмом при сухой очистки газов производства алюминия : дис. ... канд. техн. наук / ВАМИ. СПб., 2006. С. 12-18.
3. Patterson E. C. Fluoride Emissions from Aluminum Electrolysis Cells. A thesis submitted to the University of
Auckland in fulfilment of the requirements of Doctor of Philosophy in Chemical Engineering. 2001. C. 44-52.
4. Ржечицкий Э. П., Кондратьев В. В., Тенигин А. Ю. Технологические решения по охране окружающей среды при производстве алюминия. Иркутск : Изд-во Иркутского гос. технического ун-та, 2013. 159 с.
5. Буркат B. C., Захарова Г. И., Мухленов И. П. Исследование процесса адсорбции HF в реакторе с взвешенным слоем глинозема // Труды ВАМИ. Л., 1983. C. 99-103.
References
1. Burkat V. S., Drukarev V. A. Sokrashchenie vy-brosov v atmosferu pri proizvodstve alyuminiya. SPb. : OOO "Lyubavich", 2005. 276 р.
2. Mhchan R. V. Ulavlivanie i utilizatsiya ftoridov glinozemom pri sukhoy ochistke gazov proizvodstva alu-miniya : dissertatsionnoe issledovanie na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehicheskih nauk / VAMI. SPb., 2006. Р. 12-24.
3. Patterson E. C. Fluoride Emissions from Aluminium Electrolysis Cells. - A thesis submitted to the University of Auckland in fulfilment of the requirements of Doctor of Philosophy in Chemical Engineering. Auckland 2001. Р. 44-52.
4. Rzhechitskiy E. P., Kondratev V. V., Tenigin A. Yu. Tekhnologicheskie resheniya po okhrane okruzhayu-shchey sredy pri proizvodstve alyuminiya. Irkutsk : Izd-vo Irkutskogo gos. tekhnicheskogo un-ta, 2013. 159 р.
5. Burkat B. C., Zakharova G. I., Mukhlenov I. P. Issledovaniye protsessa adsorbtsii HF v reaktore s vzveshennym sloyem glinozema // Trudy VAMI-L. 1983. Р. 99-103.
© Берняцкий А. Г., Сугак Е. В., 2018
