Абсорбція газових домішок

Деякі рідини при контакті з багатокомпонентним газовим середовищем здатні вибірково поглинати з нього окремі складові.

Абсорбцією називається перенесення компонентів газової суміші до об’єму конденсованої фази, що з нею контактує.

Речовину, що міститься в газовій фазі і при абсорбції не переходить у рідку фазу, називають газом-носієм. Речовину, у якій відбувається розчинення абсорбуємих компонентів, називають абсорбентом. Речовину, яка міститься у газовій фазі і при абсорбції переходить у рідку фазу, тобто поглинаємий компонент, називають абсорбтивом. Речовину, що поглинається, в об’ємі поглинача - абсорбатом. Абсорбат міститься у абсорбенті, рівномірно розподіляючись серед його молекул, внаслідок розчинення або хімічної реакції.

Процес, що завершується розчиненням абсорбату у поглиначі, називають фізичною абсорбцією (абсорбцією). При фізичній абсорбції відбувається фізичне розчинення компонента у розчиннику, при цьому молекули абсорбенту і молекули абсорбтиву не вступають між собою у хімічну взаємодію.

Іноді розчинений газ вступає у хімічну реакцію безпосередньо з самим розчинником. Процес, що супроводжується хімічною реакцією між поглинаємим компонентом і абсорбентом, називають хімічною абсорбцією (хемосорбцією). При хемосорбції абсорбований компонент вступає у хімічну реакцію з поглиначем, утворюючи нові хімічні сполуки у рідкій фазі.

Абсорбція це процес хімічної технології, що включає масоперенесення між газоподібним компонентом і рідким розчинником, який здійснюється у апараті для контактування газу з рідиною - абсорбері. Швидкість абсорбції залежить від ряду факторів, а головним чином від тиску і температури.

Процес, зворотний абсорбції, називається десорбцією. Якщо змінюються умови, наприклад, відбувається зниження тиску над рідиною або підвищується температура, процес стає оборотним і відбувається виділення газу з рідини. Таким чином, може бути здійснений циклічний процес абсорбції-десорбції. Це дозволяє виділити поглинений компонент. Поєднуючи абсорбцію з десорбцією, можна багаторазово використовувати майже без втрат рідкий поглинач (абсорбент) у замкнутому контурі апаратів: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговий процес), виділяючи поглинений компонент у чистому вигляді.

Абсорбційне очищення викидів застосовують як для вилучення цінного компонента газу, так і для санітарного очищення. Вважають, що доцільно застосовувати абсорбцію, якщо концентрація даного компонента у газовому потоці складає понад 1%. Абсорбцію широко застосовують для очищення викидів від сірководню, інших сірчистих сполук, пари соляної, сірчаної кислот, ціаністих сполук, органічних речовин (фенолу, формальдегіду та ін.). Наприклад, адсорбція газу водою здійснюється наступним чином

Для багаторазового використання поглинач піддають регенерації, при цьому з нього вилучають абсорбтив, який реалізують у вигляді сировини для інших процесів або у якості цільового товарного продукту. Якщо вилучений компонент не представляє цінності або процес регенерації пов'язаний зі значними труднощами, то поглинач використовують одноразово і після відповідного оброблення зливають у каналізацію. Схема абсорбційної установки наведена на рис. 2.10.

Абсорбційна система може бути проста, у якій рідина застосовується лише один раз і видаляється з системи без відділення абсорбованого забруднення. У іншому варіанті забруднення відокремлюють від абсорбуючої рідини, виділяючи їх у чистому вигляді. Потім абсорбент подають на стадію абсорбції, регенерують і повертають у систему.

Як правило, розчинення газів у воді відбувається з виділенням тепла та зі зменшенням об’єму, тому згідно з принципом Ле-Шательє при підвищенні

температури їх розчинність знижується. Однак у деяких випадках, коли розчинення супроводжується не виділенням, а поглинанням тепла, зростання температури призводить до збільшення розчинності газу.

Рисунок 2.10 - Схема абсорбційної установки

У якості абсорбенту можна використовувати будь-яку рідину, яка розчиняє ці компоненти. Але для застосування у промислових масштабах абсорбент повинен відповідати ряду вимог, серед них: необхідна поглинальна здатність (абсорбційна ємність); висока селективність (вибірковість) у відношенні до поглинаємого компоненту; невисока леткість; незначна в'язкість; здатність до регенерації; термохімічна стійкість; відсутність корозійної активності; доступність і невисока вартість.

При фізичній абсорбції зазвичай використовують у якості абсорбенту воду, а також органічні і неорганічні розчинники, які не реагують з вилучаємими компонентами та їх водними розчинами. При хемосорбції у якості абсорбенту використовують водні розчини солей, органічні речовини і водні суспензії різних речовин.

Для абсорбції газоподібних забруднювачів з обмеженою розчинністю у воді, таких як SO₂ або бензол, необхідні дуже значні кількості води. Вода володіє високою ефективністю при видаленні кислих розчинних газів. Наприклад, для видалення HCl, HF і SiF₄ використовують слабо лужну воду, для уловлювання NH₃ - підкислену воду. Гази з меншою розчинністю, наприклад SO₂, Cl₂ і H₂S, легше абсорбуються не чистою водою, а лужними розчинами, зокрема, розведеним NaOH або водним розчином (суспензією) вапна, тобто у останньому випадку більш прийнятна хемосорбція.

Абсорбенти, що працюють при низьких (за Цельсієм) температурах, прийнято називати холодоносіями, а процес абсорбції, що перебігає у таких умовах - контактною конденсацією.

Перенесення компонентів контактуючих фаз перебігає до моменту досягнення між ними динамічної рівноваги. Явища, що відбуваються при абсорбції на межі розділу фаз, описують на основі двохплівкової теорії

Уітмена, згідно з якою зміна концентрації перехідної речовини відбувається у тонких приповерхневих шарах (плівках) газу і конденсованої речовини (рис. 2.11). Приймають, що у прикордонних плівках конвекція не відбувається, і

Рисунок 2.11 - Схема масоперенесення на межі розділу фаз

масоперенесення здійснюється виключно за рахунок молекулярної дифузії, у той час як перенесення з об’єму газу V_g до плівки і від плівки до об’єму конденсованої фази V_l відбувається дуже швидко (наприклад, за рахунок турбулентної дифузії). Тому концентрації перехідного компоненту «у» у об’ємі газової фази та «х» у об’ємі конденсованої фази вважаються постійними. У плівці газу концентрація перехідного компонента знижується до значення «у₅» на поверхні розділу фаз S, а у плівці конденсованої фази насичується до концентрації, причому сама поверхня S не чинить опору переходу компонента. У плівці конденсованої речовини концентрація

знижується до постійного значення «х» внаслідок розподілу компонента в об’ємі V_l.

Перенесення триває

до досягнення рівноваги, при якому хімічні

потенціали перехідних компонентів у газовій і конденсованій фазах

вирівнюються.

У технічних розрахунках зручніше характеризувати віддаленість системи від рівноважного стану не величиною хімічного потенціалу, а відхиленням дійсної концентрації компонента у газовій фазі «у» від рівноважної з контактуючою фазою «у » або відхиленням дійсної концентрації компонента у конденсованій фазі «х» від рівноважної з газовою фазою «х » (при однакових тиску і температурі). Виходячи з цього рушійна сила абсорбції може бути визначена як згідно газової (Δy = у - у ), так і згідно конденсованої (Δx = х - х) фаз. При абсорбційному очищенні газів концентрації уловлених домішок зазвичай не високі, що дозволяє розглядати систему як слабо концентровану.

У якості основного закону, що характеризує рівновагу у системі газ- рідина, використовується закон Генрі, згідно з яким мольна частка газу у розчині х_і при даній температурі пропорційна парціальному тиску газу над розчином

де x_i - мольна частка i-го компоненту у рідині; p_i - парціальний тиск i-го компоненту у газі у стані рівноваги, Па; E - константа, що залежить від температури.

З підвищенням температури розчинність газів у рідинах зменшується. Згідно з законом Дальтона парціальний тиск компонента у газовій суміші визначається як

Pi = Pyi, де Р - загальний тиск газової суміші, Па; суміші газів.

Уі - мольна частку компонента у

Рисунок 2.12 - Лінія рівноваги

підвищують розчинність газів у підвищений тиск і знижена

До факторів, що рідинах, відносяться температура, а до факторів, що сприяють десорбції - знижений тиск, підвищена температура і додавання до абсорбенту добавок, що зменшують розчинність газів у рідинах. Рівновага між фазами може бути представлена графічно на (у-х)-діаграмі (рис. 2.12). На цій діаграмі згідно осі абсцис відкладається концентрація «х» речовини, що розподіляється у фазі L, а осі ординат -

концентрація «у» - у фазі G.

Нехай концентрація речовини, що розподіляється у фазі G вище рівноважної, і речовина переходить з фази G у фазу L (рис. 2.13) речовина, що розподіляється у фазі G переноситься до поверхні розділу фаз, а у фазі L переноситься від цієї поверхні.

В основній (центральній) масі фази, тобто ядрі фази, де зазвичай відбувається інтенсивне перемішування, перенесення речовини здійснюється переважно за допомогою конвективної дифузії. Перенесення речовини у прикордонному шарі здійснюється шляхом конвективної і молекулярної дифузії, причому, з наближенням до поверхні розділу фаз відбувається загасання конвективних потоків і зростає роль молекулярної дифузії. Рівняння молекулярної дифузії має наступний вигляд

1 - ядро фази;

2 - прикордонний шар;

3 - поверхня розділу фаз. Рисунок 2.13 - Схема процесу масообміну між рідиною і газом

де М - кількість компонента, дифузіюючого через шар речовини, кг; D - коефіцієнт дифузії, м/с; F - поверхня шару, м²; А_ш - зміна концентрації згідно товщини шару, кг/м³; τ - тривалість процесу, с; δ - товщина шару, м.

Це рівняння є математичним виразом закону Фіка. Коефіцієнт дифузії D залежить від властивостей дифузіюючого компонента і середовища, у якому відбувається дифузія, а також від температури і тиску процесу. Коефіцієнти дифузії у рідинах значно нижче, ніж у газах. Рівняння конвективної дифузії має наступний вигляд

де М - кількість речовини, що переноситься з фази, яка віддає речовину, на поверхні розділу фаз (або від поверхні розділу фаз у фазу, що сприймає цю речовину), кг/с; β - коефіцієнт масовіддачі, м/с; F - поверхня розділу фаз, м²; Аф._ш - різнинд концентрацій розподіляюючої речовини у фазі і на поверхні розділу, кг/м³.

Коефіцієнт масовіддачі залежить від гідродинамічних, фізичних і геометричних факторів та визначається експериментальним шляхом з обробленням даних за допомогою теорії подібності.

Швидкість процесу абсорбції при перенесенні речовини з однієї фази у іншу визначається рівняннями масопередачі

де К_у і К_х - коефіцієнти масопередачі у газовій і рідкій фазах; F - поверхня контакту фаз, м²; АУ_сер, АХ_сер - середня рушійна сила відповідно у газовій і рідкій фазах, кг/м³.

Рівняння масопередачі у загальному вигляді записують так де М - кількість речовини, що перейшла з однієї фази у іншу, кг/с; K - коефіцієнт масопередачі; А - рушійна сила процесу масопередачі, кг/м³.

Рівняння масопередачі свідчить, що коефіцієнт К виражає кількість речовини, яка переходить з однієї фази у іншу за одиницю часу через одиницю поверхні дотичної при рушійній силі, що дорівнює одиниці. Розмірність коефіцієнта масопередачі залежить від розмірності рушійної сили. Наприклад, якщо рушійна сила виражається у вигляді різниці об'ємних концентрацій, тобто кг/м³, то розмірність коефіцієнта масопередачі згідно рівняння буде відповідати м/с. Якщо рушійна сила виражена через різницю парціальних тисків, тобто у Па або у Н/м², розмірність коефіцієнта масопередачі - с/м.

Рушійною силою абсорбції є різниця між парціальним тиском розчиненого газу у газовій суміші та його рівноважним тиском над плівкою рідини, що контактує з газом. Абсорбція відбувається у тому випадку, якщо парціальний тиск компонента у газовій фазі більше рівноважного парціального тиску цього самого компонента над розчином. Чим більше різниця між цими тисками, тим більше рушійна сила і тим з більшою швидкістю перебігає абсорбція.

Якщо значення рушійної сили має знак мінус, то абсорбція не відбувається. У цьому разі відбувається десорбція, і кількість забруднювачів в оброблюваному газі може зростати.

Для визначення швидкості абсорбції необхідно знати рушійну силу процесу, яка виражається різницею концентрацій компонента в одній з фаз та рівноважною концентрацією

Чим більше ця різниця, тим більшою є швидкість процесу. Вона змінюється з висотою апарату і залежить від багатьох факторів, зокрема від характеру руху фаз. Концентрація газової і рідкої фази змінюється у разі руху фази вздовж поверхні їх контакту; внаслідок цього зазвичай змінюється вздовж поверхні контакту і рушійна сила масопередачі. У розрахунках користуються середнім значенням рушійної сили. Середню рушійну силу процесу масопередачі можна розрахувати як середню інтегральну, середню логарифмічну або середню арифметичну величину з рушійних сил на вході в апарат і на виході.

На практиці абсорбції використовуються декілька принципових схем проведення процесу (рис. 2.14).

А - прямоточна схема; Б - протиточна схема; В - схема з рециркуляцією рідини; Г - схема з рециркуляцією газу Рисунок 2.14 - Схеми абсорбції

Найбільш широко застосовуються прямоточна (рис. 3.5 А) і протиточна (рис. 3.5 Б) схеми. Згідно прямоточної схеми абсорбції потоки газу та абсорбенту рухаються паралельно один одному. За цією схемою газ з вищою концентрацією розподіляємої речовини призводиться у контакт з рідиною, що має нижчу концентрацію розподіляємої речовини, а газ з нижчою концентрацією взаємодіє на виході з апарату з рідиною, що має вищу концентрацію розподіляємої речовини. Згідно протиточної схеми абсорбції в одному кінці апарату призводяться до контакту газ і рідина, що мають вищі концентрації розподіляємої речовини, а в протилежному кінці - нижчі. При протитоці можна досягти більш повного вилучення компоненту газової суміші, ніж за прямоточною схемою.

У техніці абсорбції використовують також одноступінчаті схеми з рециркуляцією (рис. 2.14 В, Г) та багатоступінчасті з рециркуляцією, які передбачають багаторазове повернення в апарат рідини або газу. У схемі з рециркуляцією рідини (рис. 3.6 В) газ проходить через апарат знизу вгору, і концентрація розподіляємої речовини у ньому змінюється від У_п до У_к. Поглинаюча рідина підводиться до верхньої частини апарату при концентрації розподіляємої речовини Х_п, потім змішується з рідиною, що виходить з апарату, у результаті чого концентрація підвищується до Х_к. Рециркуляція рідини завжди приорітетніша і при необхідності можне супроводжувати процес абсорбції охолодженням, так як у цьому випадку включення холодильника до схеми рециркулюючого абсорбенту дозволить легко відводити тепло від взаємодіючих речовин.

Багатоступінчаті схеми з рециркуляцією можуть включати пряму течію або протитечію рециркуляційного газу. Значне практичне значення має багатоступенева протиточна схема з рециркуляцією рідини на кожному ступені. Багатоступінчаті схеми з рециркуляцією газу і рідини володіють всіма перевагами одноступінчатих схем і разом з тим забезпечують значну рушійну силу процесу.