Определение явления абсорбции и его применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ташкентская Медицинская Академия

Реферат

По химии

на тему: «Определение явления абсорбции и его применение»

Выполнила: Пак Наталья

Ташкент 2011

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс - выделение растворенного газа из раствора - носит название десорбции.

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы - жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, поглотитель используется однократно. При этом в результате абсорбции получают готовый продукт, полупродукт или, если абсорбция проводится с целью санитарной очистки газов, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. Пои этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель. Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом. При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из этого, абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие 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. Тaкое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с колпачковыми, ситчатыми или провальными 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.

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

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

2. 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.

3. 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 очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО, 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 Сl₂ 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.

4. Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также 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.

Абсорбция газов

АБСОРБЦИЯ газов (лат. absorptio, от absorbeo-поглощаю), объемное поглощение газов и паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора. Применение абсорбции в технике для разделения и очистки газов, выделения паров из паро-газовых смесей основано на различной растворимости газов и паров в жидкостях. Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией; его используют для выделения из раствора поглощенного газа и регенерации абсорбента. Поглощение газов металлами (напр., водорода палладием) наз. окклюзией. Абсорбция - частный случай сорбции.

Различают физическую и химическую абсорбцию. При физической абсорбции энергия взаимодействия молекул газа и абсорбента в растворе не превышает 20 кДж/моль. При химической абсорбции (или абсорбция с хим. реакцией, часто наз. хемосорбцией) молекулы растворенного газа реагируют с активным компонентом абсорбента - хемосорбентом (энергия взаимодействия молекул более 25 кДж/моль) либо в растворе происходит диссоциация или ассоциация молекул газа. Промежуточные варианты абсорбции характеризуются энергией взаимодействия молекул 20-30 кДж/моль. К таким процессам относится растворение с образованием водородной связи, в частности абсорбция ацетилена диметилформамидом.

Статика абсорбции

Характеризует термодинамическое равновесие раствора с паро-газовой смесью, а также материальный и энергетический балансы процесса. При физической абсорбции с образованием идеального раствора для растворителя и растворенного газа во всем интервале изменения состава в соответствии с законом Рауля растворимость газа:

где Р°2- давление паров над чистым сжиженным газом при данной т-ре системы; р2 - парциальное давление газа; звездочкой обозначаются параметры вещества в условиях равновесия. Индексы "1" и "2" относятся соотв. к растворителю и газу. Идеальная растворимость x*2 зависит только от температуры, свойства растворителя влияния на нее не оказывают.

Зависимость растворимости газов х*2 от их парциального давления при физ. абсорбции в бесконечно разбавленном растворе (х2 >0) и при низких давлениях Р в системе описывается законом Генри (рис. 1, прямые 1-3):

где КH-коэф. Генри, изменяющийся с изменением т-ры. Если абсорбция проводится под давлением, но х*2 >0, растворимость газа можно рассчитать по уравнению Кричевского - Казарновского:

где Кф - коэффициент физической растворимости, равный КH при х2-> 0 и Р-> -> 0; f*2-летучесть газа; -парциальный мольный объем растворенного газа в жидкой фазе при бесконечном разбавлении; R- универсальная газовая постоянная; Po1-давление насыщен-ноых паров чистого растворителя при абсолютной температуре системы Т. Если 0 < х*2 (0,05-0,1) молярной доли (разбавленные растворы), то при низких давлениях справедливо уравнение Сеченова:

где А1,2-коэфициент, не зависящий от состава раствора.

Рис. 1. Зависимость растворимости х2* некоторых газов в жидкостях парциального давления газов над растворами

I- СО2 в воде при 20 °С; 2-СО2 в пропилен карбонате при 25 С; 3 С2Н4 в диметилформамиде при 25 °С; 4-СО, в водном растворе, содержащем 25% К2СО3 и 10% диэтаноламина при 60°C 5-СО, в 2,5 н водном растворе моноэтаноламина при 20°С; х2* - в м3 газа (при нормальных условиях - 20°С и 0,1 МПа) на 1 м3 жидкости.

Зависимость растворимости газа от температуры как при физической, так и при химической абсорбции приближенно описывается уравнением:

где -тепловой эффект растворения газа. Если раствор при абсорбции нагревается . С изменением температуры обычно либо остается постоянной, либо незначительно изменяется. Растворимость газа в смешанном растворителе (содержащем малополярные компоненты) можно оценить по соотношению:

где КНси, КН.N - коэффициент Генри соответственно для газа в смеси растворителей и для растворов этого газа в чистых компонентах растворителя; - коэффициент активности компонентов растворителя.

Некоторые данные о растворимости газов приведены в таблице, где газы и растворители расположены в порядке возрастания энергетических параметров и потенциала Леннард-Джонса. Эти параметры могут быть использованы для приближенной оценки растворимости газов при низких давлениях по уравнению:

где - растворимость в 1 м3 газа, приведенная к нормальным условиям (20 °С, 0,1 МПа) на 1 м3 абсорбента; kв - константа Больцмана; Р0, T0-соотв. давление и температура при нормальных условиях; Р, Г-то же при рабочих условиях. Растворимость умеренно растворимых газов в данном растворителе возрастает линейно с увеличением

Ниже приведены значения параметров потенциала Лен-нард-Джонса (в К) для газов и жидкостей:

Тепловой эффект растворения газов линейно изменяется с увеличением ; соответственно растворимость плохо растворимых газов, в основном Не, Ne, H2, N2, CO, Аr, О2 и NO, с возрастанием температуры увеличивается (за исключением водных растворов), а растворимость хорошо растворимых газов уменьшается. Типичные примеры для бесконечно разбавленных растворов приведены на рис. Растворимость таких газов, как H2S, COS, SO2, HC1, NH3, C12, обычно значительно выше, чем рассчитанная по уравнению (1), вследствие специфичного взаимодействия с молекулами растворителя.

При хим. абсорбции поглотительная способность абсорбента (емкость, соответствующая предельному количеству газа, который поглощается единицей объема абсорбента) и больше, чем при физ. абсорбции. При необратимой реакции (напр., при поглощении СО2 растворами NaOH с образованием Na2CO3) равновесное давление газа над раствором равно нулю, пока в растворе есть не прореагировавший абсорбент, и поглотительная способность определяется стехиометрией реакции. При обратимой реакции давление газа над раствором равно нулю, но по сравнению с физ. абсорбцией резко изменяется характер зависимости растворимости газа от давления (рис. 1, кривые 4,5). Так в простейшем случае, когда в растворе происходит только одна реакция и активности компонентов раствора равны их концентрациям, имеем:

(2)

где Кх = AsKфKр - константа равновесия системы газ-жидкость; Кр -- константа равновесия реакции; - равновесная степень превращения абсорбента; x1- начальная концентрация абсорбента; h-число молей продуктов реакции на 1 моль прореагировавшего газа; j-число молей абсорбента, вступивших во взаимодействие с 1 молем растворенного газа; A5-коэффициент, зависящий от стехиометрии.

Коэффициенты ускорения абсорбции могут быть достаточно велики. Так, в случае поглощения СО2 в насадочной колонне при одинаковых нагрузках по фазам, температуре и давлении, используя 2 н. водный раствор КОН (15% К содержится в растворе в виде карбоната), можно получить по сравнению с физ. абсорбцией СО2 водой. Гипотетически идеальный растворитель, не обладающий сопротивлением переносу в жидкой фазе и имеющий бесконечно большую реакционную способность, обеспечил бы

Увеличение и (иногда в несколько раз) может происходить под влиянием поверхностной конвекции, вызываемой локальными градиентами поверхностного натяжения, которые возникают в ряде случаев в результате массоотдачи, особенно при одновременном протекании реакций (например, при абсорбции СО2 водными растворами моноэтаноламина). Это необходимо учитывать при подборе новых хемосорбентов. Значение, если реакция приводит к возникновению поверхностной конвекции, следует определять на основе коэффициента массоотдачи при физической абсорбции, найденного в условиях воздействия на процесс конвективных микропотоков вблизи границы раздела фаз.

При расчете скорости абсорбции часто используют коэффициент массопередачи, определяемые по гипотетическим поверхностным составам и, следовательно, по гипотетическим движущим силам. Обычно принимают, что коэффициент массопередачи, отнесенный к концентрации в газе, Кг [кмоль/(м2 *МПа*с)] обусловлен движущей силой (у2-у*2), где у*2-молярная доля поглощаемого компонента в газе, которая отвечает равновесию с жидкостью, имеющей средний объемный состав х2; у2 -средний объемный состав газа в данном сечении аппарата. Тогда получим:

Аналогично можно найти движущую силу (x*2 -- х2) и коэффициент массопередачи Кж. Из выражений (2) и (3) следует:

где т = (y2,гр -- y*2)/(x2,гр - х2)-наклон равновесной линии в интервале концентраций от х2, у2до x2,гр, y2,гр. Выражение (4) записано для локального коэффициент массопередачи и показывает, что этот коэффициент зависит от наклона линии равновесия. Наиболее удобно рассчитывать коэффициент массопередачи по уравнению (4) в случаях, когда наклон равновесной линии остается почти постоянным в рабочем интервале концентраций. При искривленной линии равновесия необходимо учитывать зависимость m от концентрации.

Абсорбцию осуществляют в массообменных аппаратах, называемых абсорберами,-тарельчатых, насадочных (устаревшее название-скрубберы), пленочных, роторно-пленочных и распылительных. Схема материальных потоков в абсорбере представлена на рис. Связь между концентрациями поглощаемого компонента в газе у2 и в жидкости в любом горизонтальном сечении аппарата находят из ур-ния материального баланса (так называемое уравнение рабочей линии). В общем случае это уравнение имеет вид:

где L и G-расходы жидкости и газа. Когда объемы фаз в ходе абсорбции изменяются незначительно, рабочая линия-прямая:

Здесь индексом "н" обозначается нижнее сечение противоточного абсорбера или десорбера.

Существенное влияние на ход рабочей и равновесной [у* =f(x*2)] линий могут оказать тепловые эффекты абсорбции. Ход рабочей линии может сильно зависеть от интенсивности испарения растворителя (особенно при десорбции). Если абсорбция сопровождается значительным выделением теплоты, а кол-во абсорбированного вещества достаточно велико, растворитель может сильно нагреваться при прохождении через колонну. Примеры: осушка воздуха с помощью концентрированной H2SO4, растворение НС1 в воде при получении концентрированной соляной кислоты. Температурный режим абсорбера, от которого зависят равновесное давление поглощаемого компонента, т.е. движущая сила процесса, физико-химические свойства системы и ход рабочей линии рассчитывают по уравнению теплового баланса абсорбера.

Рис. 2. Схема материальных потоков в абсорбере и ход рабочей и равновесной линий (а -при противотоке, б-при прямотоке)

ЛВ-рабочая линия; ОС- равновесная линия; и -движущая сила соотв. в газовой фазе в верх, и нижних сечениях абсорбера и в газовой и жидкой фазах на ступени.

При отсутствии внеш. подвода или отвода теплоты, при одинаковых температурах газа и жидкости и без учета испарения и конденсации абсорбента и теплот растворения др. газов изменение температуры абсорбента в любом сечении абсорбера составляет:

,

где Ср - теплоемкость раствора, - изменение концентрации газа в рассматриваемом сечении. Обычно принимают, что температура жидкости на межфазной границе и в объеме одинаковая. Поскольку наиб. концентрация растворенного газа и соотв. наиб. тепловыделение наблюдаются вблизи поверхности контакта фаз, температура межфазной поверхности, определяющая истинное равновесие, часто существенно отличается от температуры объема жидкости. Методы учета этого явления разрабатываются.

Чтобы вычислить поверхность массообмена F, необходимую для обеспечения желаемого изменения состава газа в абсорбере, можно использовать локальные значения скорости массопередачи [см. уравнение (3)1 совместно с уравнением материального баланса по абсорбируемому компоненту. При постоянстве коэффициента массопередачи по высоте аппарата:

где G-мольная массовая скорость газа, кмоль/(м2*с);

No,r - общее число единиц переноса в газовой фазе:

Этот важный параметр зависит только от технологического режима процесса, определяется положением рабочей и равновесной линий и показывает, как влияет движущая сила абсорбции на высоту аппарата. Число единиц переноса, а следовательно, и высота абсорбера, бесконечно велики, если абсорбер работает при минимальном количестве циркулирующего абсорбента. При увеличении габариты аппарата уменьшаются, но возрастают расход энергии и степень растворения плохо растворимых компонентов газовой смеси, что приводит либо к их потере и загрязнению извлекаемого газа, либо к дополнит. затратам на разделение растворенных газов.

При расчете абсорберов, особенно тарельчатых, часто используют понятие эффективности ступени, или степени приближения к равновесию . Эту величину можно определить как отношение фактически реализованного изменения состава к изменению, которое произошло бы при достижении равновесия:

где индексом "в" обозначается верх. сечение противоточного аппарата.

Во мн. типах ступенчатых контактных устройств достигнута . Это означает, что при мат. анализе таких устройств правомерно использовать понятие о равновесной ступени. Рассчитав число теоретических тарелок и зная эффективность ступени , можно определить число реальных ступеней, необходимых для обеспечения заданной степени разделения.

Основы технологии абсорбционных процессов. Абсорбцию часто осуществляют в виде абсорбционно-десорбционного цикла (циклический процесс), однако стадия десорбции может отсутствовать, если в результате абсорбции получают готовый продукт или регенерация поглотителя невозможна (разомкнутый процесс). На рис. 3 приведена одна из простейших схем абсорбционного разделения газов. Для снижения расхода энергии иногда применяют двух- и многопоточные схемы с отводом грубо- и тонкорегенерированного растворов в разных сечениях десорбера и подачей их в различные точки абсорбера либо направляют насыщенный раствор абсорбента в разные точки десорбера и т.п.

Рис. 3. Принципиальная схема абсорбционно-десорбционного цикла: 1 -абсорбер; 2-насос; 3-десорбер; 4 - холодильник; 5-теплообменник; 6-кипятильник; 7 - конденсатор.

Регенерацию абсорбентов (десорбцию газов) можно проводить снижением давления (вплоть до вакуумирования), нагреванием, отдувкой плохо растворимыми газами и парами кипящего абсорбента, а также сочетанием этих приемов.

Физическую абсорбцию осуществляют, как правило, при температуре окружающей среды (20-40°С) или при пониженных температурах, т.к. растворимость хорошо растворимых газов возрастает с уменьшением температуры. Кроме того, при снижении температуры уменьшается растворимость плохо растворимых газов, т.е. увеличивается селективность и снижаются потери плохо растворимого компонента и загрязнение им извлекаемого газа, а также уменьшаются давление паров абсорбента и его потери. При химической абсорбции увеличение температуры приводит к значит. росту коэффициента массопередачи и, помимо этого, к возрастанию растворимости множества абсорбентов в разбавителях, а следовательно, к увеличению до определенного предела общей поглотительной способности абсорбента.

При физической абсорбции с повышением парциального давления поглощаемого компонента поглотительная способность абсорбента почти всегда увеличивается приблизительно пропорционально парциальному давлению или концентрации газа. Поэтому количество циркулирующего абсорбента почти не зависит от концентрации извлекаемого газа в исходной газовой смеси.

При химической абсорбции характер изменения растворимости газа с ростом его парциального давления сильно зависит от константы равновесия реакции и степени превращения абсорбента. В результате при увеличении концентрации извлекаемого газа количество циркулирующего абсорбента возрастает.

Физическая абсорбция, как правило, наиболее эффективна при грубой очистке от больших количеств газа под давлением. Химическую абсорбция чаще всего применяют при извлечении малых количеств примесей и при тонкой очистке; при этом обычно существенно выше селективность абсорбента, ниже количество циркулирующего раствора вследствие большой поглотительной способности, меньше расход электроэнергии, но выше расход теплоты.

Режим абсорбции

При расчете абсорбции обычно задают параметры очищаемого газа (давление, температуру, состав) и предъявляют требования к очищенному газу. Необходимый для осуществления абсорбции расход жидкости (кол-во циркулирующего абсорбента) определяется материальным балансом и кинетикой абсорбции. Концентрация у2,в извлекаемого компонента в очищенном газе зависит от х2,в:

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. 4) 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. 4. 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 термохимиической устойчивостью абсорбента и возрастанием Qнагр. Энергетические затраты на десорбцию газов (регенерацию абсорбентов), как правило, значительно превышают расход энергии на абсорбцию.

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности

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

химический абсорбция регенерация материальный

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 газа 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.

Список использованной литературы

1) Рамм В. М., Абсорбция газов, 2 изд., М., 1976г.;

2) Очистка технологических газов, под ред. Т. А. Семеновой, И. Л. Лайтеса, 2 изд., М., 1977г.;

3) Кафаров В. В., Основы массопередачи, 3 изд., М., 1979г.;

4) Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1981г. Н.Н. Кулов, И. Л. Лейтес.

5) Кузьменко Н.Е., Ерёмин Е.Е., Попков В.А. «Начала химии», издательство «Экзамен» 2002г.

Размещено на Allbest.ru