Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый компонент не взаимодействует химически с абсорбентом. Процесс в большинстве случаев обратим. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора - десорбция. Если поглощаемый компонент образует сабсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

В промышленности процесс абсорбции обычно сочетают с десорбцией, что позволяет многократно использовать абсорбент.

Примерами использования процессов абсорбции в промышленности могут служить разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получение соляной и серной кислот, аммиачной воды, очистка газовых выбросов от вредных примесей, выделение ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана.

В коксохимической промышленности процессы абсорбции используются:

при охлаждении и улавливании из коксового газа вредных примесей в газосборник;

при улавливании аммиака и пиридиновых оснований из коксового газа серной кислотой с образованием сульфата аммония;

для извлечения сырого бензола из коксового газа поглотительным маслом.

Жидкие поглотители (абсорбенты) выбирают по растворимости в них поглощаемых компонентов. [1]

При выборе абсорбента к нему предъявляется ряд требований:

селективность, т.е. способность избирательного поглощения извлекаемого (целевого) компонента при возможно малой растворимости в нем газа-носителя, это позволяет перевести в жидкую фазу только поглощаемый компонент, оставляя газ-носитель - в газовой;

большой поглотительная способность, иначе - высокаярастворимостьпоглощаемогокомпонентавжидкойфазеврабочихусловиях; при выполнении этого требования уменьшаются затраты, связанные с расходом абсорбента (затраты на его подачу вабсорбер, затраты теплоты на его нагрев при десорбции и т.д.);

возможно более низкая летучесть (в идеале - нулевая), т.е. малая упругость паров абсорбента при рабочей температуре во избежание его потерь с уходящим газом и связанных с этим трудностей при его отделении от газа-носителя;

устойчивость в работе, т.е. абсорбент не должен подвергаться изменениям - разложению, осмолению и т.п.;

удобство в работе - нетоксичность, негорючесть, малое коррозионное воздействие на аппаратуру;

доступность и дешевизна;

легкая регенерируемость при десорбции или каком-либо другом процессе регенерации.

В подавляющем большинстве случаев промышленные абсорбенты не удовлетворяют в полной мере одновременно всем перечисленным требованиям. Поэтому на практике приходится идти на компромисс, определяя при выборе абсорбента для каждого конкретного случая основные требования в зависимости от условий проведения процесса (свойств и состава газовой смеси, температуры и давления газа, требуемой степени очистки и т.д.).

Растворимость газов в жидких поглотителях зависит:

От физических и химических свойств газовой жидкой фаз;

От температуры;

От давления газа в смеси.

Процесс абсорбции является экзотермическим, т.е. сопровождается выделением теплоты. [2]

Равновесие в процессе абсорбции

Равновесие в процессах абсорбции определяется правилом фаз Гиббса, представляющим обобщение условий гетерогенного равновесия:

( (1)

где - число степеней свободы;

- число компонентов;

- число фаз.

Поскольку процесс абсорбции осуществляется в двухфазной (газ - жидкость) и трехкомпонентной (один распределяемый и два распределяющих компонента) системе, число степеней свободы-три.

Таким образом, равновесие в системе газ (пар) - жидкость может характеризоваться тремя параметрами, например температурой, давлением, и составом одной из фаз.

Равновесие в системе газ - жидкость определяется законом растворимости Генри, согласно которому при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

x=p/E ( (2)

где: p-парциальное давление газа над раствором;

x-мольная концентрация газа в растворе;

E-коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).

абсорбция абсорбционный аппарат бензол

Закон Генри распространяется в первую очередь на слаборастворимые газы, а также на растворы с низкими концентрациями хорошо растворимых газов при отсутствии химической реакции.

Анализ факторов, влияющих на равновесие в системах газ (пар) - жидкость, позволил установить, что к параметрам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, - пониженное давление, повышенная температура и введение в абсорбент добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.

Материальный баланс абсорбции

Материальный баланс процесса абсорбции выражается дифференциальным уравнением (3):

( (3)

или интегральным уравнением (4):

( (4)

гдеG - поток газовой смеси (инертного газа), кмоль/с; Y_Н и Y_{К -} начальное и конечное содержание распределяемого вещества в газовой фазе, кмоль/кмоль инертного газа; X_К и X_Н - начальное и конечное содержание распределяемого вещества, перенесенного из фазы G в фазу L в единицу времени, кмоль/с.

Из уравнения материального баланса можно определить необходимый общий расход абсорбента (5)

( (5)

или его удельный расход (6)

( (6)

Процесс абсорбции характеризуется также степенью извлечение (поглощения), представляющей отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном его извлечении (7):

( (7)

Кинетика процесса абсорбции характеризуется тремя основными стадиями:

первая стадия - перенос молекул абсорбируемого компонента из ядра потока газа (пара) к поверхности раздела фаз (поверхности жидкости);

вторая стадия - диффундирование молекул абсорбируемого компонента через поверхностный слой жидкости (граница раздела фаз).

третья стадия - переход молекул абсорбируемого вещества от поверхности раздела фаз в основную массу жидкости.

Принципиальные схемы абсорбции

В технологических процессах наиболее широко используются непрерывные процессы абсорбции.

При прямоточной схеме взаимодействия газа (пара) и жидкости их потоки движутся параллельно друг другу (рисунок 1).

Сопоставление условий проведения прямоточного и противоточного процессов абсорбции показывает, что противоточный процесс позволяет обеспечить более высокую конечную концентрацию поглощаемого вещества в абсорбенте и меньший расход абсорбента, но средняя движущая сила процесса при этом меньше, а, следовательно, противоточные аппараты требуют большую поверхность контакта фаз, что часто связано с увеличением общих размеров самих аппаратов.

G и L - взаимодействующие фазы; X_Н,,Y_Н,,X_К и Y_К-концентрации распределяемого вещества в начале и конце процесса.

Рисунок 1 - Схема прямоточной абсорбции.

При противоточной схеме взаимодействия газа (пара) и жидкости их потоки движутся в противоположных направлениях (рисунок 2).

Схемы с рециркуляцией предусматривают частичный возврат в массообменный аппарат либо жидкости, либо газа. При этом рециркуляцию жидкости (рисунок 3) осуществляют в том случае, если лимитирующей стадией процесса является переход вещества от поверхности раздела фаз в жидкость, а рециркуляцию газа (рисунок 4) - когда лимитирующей стадией является переход вещества из газовой фазы к поверхности раздела фаз.

Рисунок 2 - Схема противоточной абсорбции.

G и L - взаимодействующие фазы; X_Н иY_Н,X_К иY_К-концентрации распределяемого вещества в начале и конце процесса; X_{СМ -} концентрация смеси.

Рисунок 3 - Схема противоточной абсорбции с рециркуляцией жидкости.

При противоточной схеме абсорбции с рециркуляцией жидкости (рисунок 3) газ проходит через аппарат снизу вверх, и концентрация распределяемого вещества в нем изменяется от Y_Н до Y_К. Жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества X_Н, затем смешивается с выходящей из аппарата жидкостью, в результате чего концентрация повышается до X_СМ. Рабочая линия представляется на диаграмме отрезком прямой, крайние точки его имеют координаты Y_Н, X_К и Y_К, X_СМ соответственно. Величину X_СМ легко найти из уравнения материального баланса.

При противоточной схеме абсорбции с рециркуляцией газа (пара) (рисунок 4) поглощающая жидкость подводится к верхней части аппарата с концентрацией X_Н, взаимодействует с восходящим газовым потомком и отводится из него с концентрацией X_К. Начальная концентрация поглощаемого компонента в газе - Y_Н, конечная - Y_К. После возвращения части выходящего газа и смешения его с исходным концентрация газовой смеси, направляемой в абсорбер, уменьшается и становится Y_см. Положение рабочей линии определяют точки Y_см,X_К,Y_К иY_Н.

Рисунок 4 - Схема противоточной абсорбции с рециркуляцией газа (пара).

Важной особенностью схем с рециркуляцией жидкости и газа является увеличение скорости движения рециркулирующей фазы через аппарат путем увеличения ее общего расхода, что приводит к увеличению коэффициента массопередачи по этой фазе при некотором уменьшении движущей силы процесса.

При рециркуляции жидкости в ветви рециркулирующего абсорбента может быть установлен холодильник (рисунок 3) для отвода выделяющейся в процессе теплоты, что позволяет интенсифицировать процесс абсорбции путем увеличения растворимости газа.

Десорбция - процесс выделения поглощенного газа из абсорбента, который производят с целью регенерации поглотителя для его повторного использования либо получения ранее уловленного компонента в чистом виде.

Десорбция может осуществляться:

отгонкой в токе инертного газа и водяного пара, который приводят в соприкосновение с раствором после проведения процесса абсорбции. В качестве инертного газа может использоваться воздух, в который выделяется поглощенный компонент. Поскольку последующее разделение инертного газа и компонента затруднительно, данный метод применяют в тех случаях, когда извлеченный из абсорбера компонент в дальнейшем не используется. Водяной пар как десорбирующий агент применяют для извлечения нерастворимых в воде газов. При этом смесь десорбированного газа и водяного пара из десорбера направляют в конденсатор, в котором происходит отделение газа от водяного пара путем конденсации последнего. Если же температура кипения десорбированного компонента высока, то его конденсируют совместно с водяным паром и затем отделяют от воды отстаиванием;

нагреванием абсорбента, которое приводит к смещению равновесия в сторону десорбции и испарению десорбируемого компонента. Поскольку вместе с извлекаемым компонентом частично испаряется сам абсорбент, в дальнейшем требуется дополнительное разделение образующейся смеси;

снижением давления над абсорбентом до атмосферного, если абсорбция проводилась при избыточном давлении, и вакуумированием с отсасыванием выделившегося компонента, если абсорбция проводилась при атмосферном давлении.

В ряде случаев для более полной регенерации абсорбента нагревание и снижение давления объединяют вместе, а также применяют процесс ректификации. [3]

1.2 Конструкции абсорберов