Определение явления абсорбции и его применение

 

где  - степень приближения к равновесию на выходе газа из абсорбера, зависящая от скорости процесса. В общем случае:

 

 

где G2-кол-во извлекаемого газа. При необратимой реакции минимальное количество циркулирующего поглотителя определяют из стехиометрического. уравнения реакции и находят:  

 

Соотношение расходов жидкости и газа определяется уравнением:

 

 

При разомкнутых  процессах обычно , при циркуляционных - х2,вх2,р (концентрация газа в регенерированном растворе). В простейшем случае (при и ) имеем: . Если растворимость описывается законом Генри, то . При этом кол-во циркулирующего абсорбента не зависит от кол-ва извлекаемого газа. При достижении равновесия на выходе из абсорбера

 

Важный параметр процесса - т. наз. абсорбционный фактор:  

   

который при полном извлечении газа 1. Этот фактор равен отношению тангенсов углов наклона рабочей и равновесной линий, которые выражают зависимость соответственно реальной и равновесной концентраций извлекаемого компонента в газовой фазе от его концентрации в жидкости. Параметр А одновременно характеризует избыток количества циркулирующего абсорбента по сравнению с минимально необходимым для полного извлечения растворимого газа.  

Режим десорбции газов (регенерации  абсорбентов). Максимально допустимую концентрацию растворенного компонента в регенерированном растворе определяют из условия равновесия на выходе из абсорбера (при противотоке). Минимально достижимую концентрацию газа в том же растворе при десорбции в результате снижения давления, нагревания или отдувки парами абсорбента находят с помощью условия равновесия на выходе раствора из десорбера:

  

где Р и Рпар- общее давление в регенераторе и  давление паров абсорбента. В некоторых случаях, особенно при регенерации хемосорбентов, предельная глубина регенерации определяется равновесием в к.-л. другом (не в нижнем) сечении десорбера. Это так называемое критическое сечение определяют после построения равновесной и рабочей линий десорбции либо специальным расчетом.

При регенерации отдувкой плохо растворимым газом предельная глубина регенерации не ограничена давлением и температурой в десорбере, но зависит, как и при отдувке парами абсорбента, от расхода отдувочного агента. Его минимальный расход находят из условия соблюдения уравнения (5) не только на выходе раствора из десорбера, но и в любом его сечении. Верх, сечение противоточного аппарата, где газ выходит из регенератора, часто является лимитирующим. Тогда = G2Ф*, где Ф* = р*пар/p2*(t,x2,в)-отношение давления паров абсорбента к давлению газа над раствором. Если отдувка производится плохо растворимым газом, то Ф * = = (Р — p2,в*)/p2,в. При отдувке парами кипящего растворителя, когда температура в критическом сечении десорбера задана, Ф = = pпар/(Р - pпар). Окончательный расход отдувочного агента можно определить только после построения рабочей и равновесной линий, нахождения местоположения в аппарате критического сечения и оптимизации абсорбционно-десорбционного цикла.

При десорбции  парами кипящего абсорбента давление, температура и концентрация газа в растворе связаны изобарной равновесной зависимостью Tкип от х2, где Tкип – темпера-тура кипения раствора при давлении Р в регенераторе. Расчет десорбции смеси газов проводят на основе уравнения, аналогичного (5):

где - сумма давлений растворенных газов. Режим десорбции находят совместным решением уравнения (6) с уравнениями материального баланса по каждому компоненту методом последовательных приближений. Равновесную линию десорбции строят по уравнению:

Построение рабочей  линии при десорбции парами кипящего абсорбента значительно отличается от построения рабочей линии абсорбера и заключается в совместном решении уравнений материального и теплового балансов по участкам аппарата при заданном общем расходе теплоты. Рабочая и равновесная линии при десорбции (рис. 5) могут пересечься не в конечных точках х2,в или х2,н, как при абсорбции, а в промежуточном (критическом) сечении десорбера. Это характерно для "сильных" хемосорбентов (напр., при десорбции СО2 из водных растворов моноэтаноламина) при их глубокой регенерации. Минимальный расход отдувочного агента определяется равновесием в критическом сечении и зависит от глубины регенерации.

Рис. 5. Равновесная (/) и рабочие (2, 3) линии десорбции СО2 из водного раствора моноэтаноламина при давлении 0,18 МПа и различной глубине регенерации: x2, у2-концентрации СО2 соотв. в газе и жидкости.  

Другие параметры десорбции, в частности число единиц переноса, рассчитывают так же, как при абсорбции. Однако коэффициенты массопередачи могут несколько отличаться от величин, найденных при абсорбции, вследствие наличия пузырьков газа (пара), возникающих при кипении жидкости или в результате сброса давления, влияния теплоты конденсации отдувочного агента, существенного изменения расходов фаз по высоте аппарата. Скорость хим. абсорбции зависит от скорости прямой реакции образования соединения между поглощаемым газом и активной частью хемосорбента, а скорость десорбции - от скорости разложения этого соединения и т.п.  

Расход  энергии на абсорбционное  разделение газовых  смесей. Этот расход складывается из расхода электроэнергии на циркуляцию раствора, подачу отдувочного и охлаждающего (воды или воздуха) агентов, рециркуляцию газовых потоков и расхода теплоты. При циклических процессах физической абсорбции в основном потребляется электроэнергия на перекачивание раствора, а при хим. абсорбции - теплота на его регенерацию. При регенерации раствора теплота расходуется на его нагревание (Qнагр) покрытие теплоты десорбции Qдес (численно равной теплоте абсорбции) и на создание отдувочного пара (Qотд), если отдувка осуществляется парами кипящего абсорбента:

 

 

где и - тепловые эффекты соотв. испарения абсорбента и десорбции; - разность температур регенерированного и насыщенного растворов на холодном конце теплообменника. Давление десорбции может сильно сказываться на расходе энергии, особенно при регенерации под вакуумом. При десорбции парами кипящего абсорбента соответствующие изменения давления и температуры вызывают изменение Ф*. Если

 

то с увеличением  температуры Qотд возрастает. В противном случае Qотд уменьшается и при заданном расходе теплоты с увеличением давления десорбции регенерация не ухудшается, а улучшается, однако до некоторого предела, определяемого термохимиичес-кой устойчивостью абсорбента и возрастанием Qнагр. Энергетические затраты на десорбцию газов (регенерацию абсорбентов), как правило, значительно превышают расход энергии на абсорбцию.

   
 
 

        ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ АБСОРБЦИИ В РАЗЛИЧНЫХ СФЕРАХ

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые из этих областей указаны ниже: 

Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция HCl с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т.д. При этим абсорбция проводится без последующей десорбции. 

Разделение газовых  смесей для выделения одного или  нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция). При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т.п. 

Очистка газа от примесей вредных компонентов. Такая  очистка осуществляется прежде всего  с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от H2S, азотно-водородной смеси  для синтеза аммиака от CO2 и CO, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т.д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от Cl2 абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений и т.п.). 

В рассматриваемом  случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию. 

Улавливание ценных компонентов из газовой смеси  для предотвращения их потерь, а  так же по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.). 

Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки газов и улавливания  ценных компонентов наряду с абсорбцией применяют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими соображениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента. 

При абсорбционных  процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности абсорбционные аппараты можно подразделить наследующие группы:  

а) Поверхностные  абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало  жидкости (собственно поверхностные  абсорберы) или поверхность текущей  пленки жидкости (пленочные абсорберы). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца, кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей. 

б) Барботажные  абсорберы, в которых поверхность  контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в  виде пузырьков и струек. Такое  движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с различного типа тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой. 

В эту же группу входят барботажные абсорберы с  перемешиванием жидкости механическими  мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами  газа и жидкости). 

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы). 

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах. В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями. 

Из различных  типов аппаратов в настоящее время наиболее распространены насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы. При выборе типа абсорбера нужно в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условий проведения процесса с учетом технико-экономических факторов. 

Основные размеры  абсорбера (например, диаметр и высота) определяют путем расчета, исходя из заданных условий работы (производительность, требуемая степень извлечения компонента и т.д.). Для расчета необходимы сведения по статике и кинетике процесса. Данные по статике находят из справочных таблиц, рассчитывают при помощи термодинамических параметров или определяют опытным путем. Данные по кинетике в значительной степени зависят от типа аппарата и режима его работы. Наиболее надежны результаты экспериментов, проведенных при тех же условиях. В ряде случаев подобные данные отсутствуют и приходится прибегать к расчету или опытам. 

В настоящее  время еще нет вполне надежного  метода, позволяющего определять коэффициент  массопередачи путем расчета  либо на основе лабораторных или модельных опытов. Однако для некоторых типов аппаратов можно найти коэффициенты массопередачи с достаточно большой точностью при помощи расчета или сравнительно простых опытов.