Абсорбентом. Если поглощаемый газ – абсорбтив

Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из растворов - десорбция. Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижения давления над абсорбентом. Отработанные после хемосорбции абсорбенты обычно регенерируют химическими методами или нагреванием.

Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбцию проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.

В промышленности абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

1) для получения готового продукта (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция НС1 с получением хлороводородной кислоты, абсорбция оксидов азота водой в производстве азотной кислоты и т. д.); при этом абсорбцию проводят без десорбции;

2) для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа и т.д.); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

3) для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SO₂, очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений и т. д.). Очистку газов от вредных примесей адсорбцией используют также применительно к технологическим газам, когда присутствие примесей недопустимо для дальнейшей переработки газа (например, очистка коксового и нефтяного газов от H₂S, очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО и т. д.). В этих случаях извлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией;

4) для осушки газов, когда 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), причем инертный газ и поглотитель являются только носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах и в этом смысле в массопереносе не участвуют.

Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.
1. РАВНОВЕСИЕ ПРИ АБСОРБЦИИ
При взаимодействии, какого-либо газа с жидкостью возникает система, состоящая как минимум из трех компонентов (распределяемое вещество и два распределяющих вещества или носителя) и двух фаз -жидкой и газовой. Такая система по правилу фаз имеет три степени свободы (С = К — Ф + 2 = 3 — 2 + 2 = 3).

Для данного случая массообмена переменными являются температура, давление и концентрации компонента А в газовой и жидкой фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при условии постоянства температуры и общего давления зависимость между концентрациями распределяемого в газовой и жидкой фазах компонента (или парциальным давлением газа и составом жидкости) будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доле в растворе:

или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью:

где Е- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри; р* -парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х_л (в мол. долях); х*-концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесная с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно р_А .

Чем выше растворимость газа в абсорбенте, тем меньше расход этого абсорбента. Поэтому при выборе абсорбента растворимость в нем поглощаемого газа рассматривается как важнейшее свойство данного абсорбента (наряду со стоимостью, доступностью, токсичностью, пожаро- и взрывоопасностью и т.п.).

Величина Е для данного газа не зависит от общего давления в системе, но зависит от природы абсорбента и поглощаемого газа

и от температуры.

В идеальных растворах силы взаимодействия между молекулами каждого из компонентов раствора, а также молекулами различных компонентов равны между собой. Поэтому улетучивание того или иного компонента из жидкой фазы в газовую не зависит от присутствия в растворе других компонентов и определяется содержанием в растворе данного компонента.

Для идеальных растворов на

диаграмме р — х (рис.1) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой с наклоном, равным Е. С повышением температуры значение Е увеличивается и соответственно уменьшается растворимость газа в жидкости [см. уравнение (16.1 а)].

При общем давлении Р в системе и концентрации у_А (мол. доли) извлекаемого компонента А в газовой смеси парциальное давление р'_А этого компонента по закону Дальтона

ра = РУл- . (3)

С учетом уравнения (16.1) получим

Тогда закон Генри можно выразить следующим образом:

где m = Е/Р - коэффициент распределения или константа фазового равновесия.

Из уравнения (5) следует, что зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией (линия равновесия), проходящей через начало координат и имеющей угол наклона а, тангенс которого равен т. Значения величины т уменьшаются при снижении температуры и увеличении давления в системе. Поэтому растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

Если в равновесии находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый из компонентов этой смеси в отдельности.

Как уже отмечалось, закон Генри справедлив для идеальных растворов, поэтому он применим лишь к сильноразбавленным растворам. При повышенных давлениях (порядка нескольких мега-паскалей и выше) изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа соизмеримо с изменением объема газа, и равно-

весне в этом случае не следует закону Генри.

Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, что следует из закона Генри.

При абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости существенно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального, В этом случае парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т. е. является функцией большого числа переменных. Поэтому обычно в таких случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных.

Если раствор является идеальным и только в газовой фазе наблюдается отклонение от идеального состояния, то в этом случае компоненты раствора не воздействуют друг на друга. Поэтому концентрация данного компонента в газовой фазе зависит только от концентрации его в жидкости (при постоянных температуре и давлении).
2. АБСОРБЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

I

Для многокомпонентных смесей равновесие каждого компонента можно выразить уравнением (16.5):

У? = щХ,,

где У? -равновесная концентрация i'-го компонента в газовой фазе на 1 моль газовой смеси; X_t-концентрация i'-гo компонента на 1 моль абсорбента.

Если система характеризуется законом Генри, то коэффициент фазового равновесия w_f будет выражаться прямой линией (в системе координат X — У). Чем менее летуч компонент тем менее растворим он в жидкости.

При этом нельзя заранее достоверно оценить полный состав отходящего газа, поскольку при абсорбции многокомпонентных газовых

смесей можно только наметить степень извлечения одного из компонентов, который в этом случае называют основным. Следует отметить, что наибольшая движущая сила процесса маосопереноса для менее летучих компонентов (в данном случае В и С) будет на выходе из абсорбера, а для компонентов более летучих (в данном случае Л)-на входе в абсорбер.

Следует помнить, что рассмотренный метод применим только в случае слабоконцентрированных газовых смесей и не слишком высокой концентрации жидкости.

3. КИНЕТИКА АБСОРБЦИИ

Кинетика абсорбции, сопровождаемой химической реакцией (хемо-сорбция). Химическая реакция, сопровождающая процесс абсорбции, может оказывать существенное влияние на кинетику процесса. При этом скорость процесса абсорбции определяется не только интенсивностью массопереноса, но также и скоростью протекания химической реакции. Если реакция идет в жидкой фазе, то часть газообразного компонента переходит в связанное состояние. При этом концентрация свободного (т. е. не связанного с поглощенным газом) компонента в жидкости снижается, что приводит к ускорению процесса абсорбции по сравнению с абсорбцией без химического взаимодействия фаз, так как увеличивается движущая сила процесса. В общем случае скорость хемосорбции зависит как от скорости реакции, так и от скорости массопереноса между фазами. В зависимости от того, какая скорость определяет общую скорость процесса переноса массы, различают кинетическую и диффузионную области процессов хемосорбции.

В кинетической области скорость собственно химического взаимодействия меньше скорости массопереноса и поэтому лимитирует скорость всего процесса. В диффузионной области лимитирующей стадией является скорость диффузии компонентов в збне реакции, которая зависит от гидродинамических условий в системе и физических свойств и определяется по основному уравнению массопередачи.

Если скорости химической реакции и массопередачи соизмеримы, то такие процессы абсорбции относят к смешанной, или диффузионно-кинетической области.
4. ДЕСОРБЦИЯ
Этот процесс, обратный абсорбции, применяют для выделения поглощенного газа (абсорбтива) из абсорбента и получения его в чистом виде, а также для повторного использования абсорбента в процессе абсорбции. Для проведения десорбции газа из жидкости необходимо, чтобы концентрация этого газа в газовой фазе была ниже концентрации, соответствующей равновесной в системе газа-жидкость.

Для проведения процесса десорбции используют три следующих метода: 1) отгонку в токе инертного газа или водяного пара;

2) отгонку под действием подводимой к абсорбенту теплоты;

3) отгонку при снижении давления над абсорбентом.

На практике широко распространены комбинированные методы десорбции (например, десорбция при снижении давления над адсорбентом и одновременном его нагреве).

Отгонка в токе инертного газа или водяного пара. Для проведения десорбции по этому методу в качестве инертного газа обычно используют воздух. Если температуры воздуха и поступающего на десорбцию поглотителя практически равны, то теплотой выделения компонента из раствора можно пренебречь и считать, что процесс протекает изотермически. Вследствие того что парциальное давление десорбируемого компонента над раствором выше, чем равновесное давление в десорбирующем агенте, происходит переход этого компонента из раствора в поток воздуха. Отметим, что последующее извлечение газа из газовой смеси обычно затруднительно. Поэтому чаще этого метод десорбции применяют тогда, когда извлеченный из газовой смеси компонент далее не используется (например, этот компонент является вредной примесью, но в удаляемом в окружающую среду газе его содержание ниже ПДК-предельно допустимой концентрации).

Таким образом, процесс десорбции инертным газом аналогичен изотермической абсорбции, причем линии равновесия для процессов совпадают.

Использование в качестве десорбирующего агента водяного пара предпочтительнее, чем воздуха, если десорбируемый компонент нерастворим в воде. В этом случае после десорбции, пропуская смесь десорбированного газа и водяного пара через конденсатор, достигают отделения газа от водяного пара вследствие конденсации последнего. Если же температура кипения десорбированного компонента высока, то происходят его конденсация совместно с водяным паром и последующее отделение от воды (конденсата) отстаиванием.

Если раствор на десорбцию поступает при температуре кипения абсорбента, то по всей высоте десорбера эта температура будет постоянной, и процесс протекает в изотермических условиях. Расход острого пара при этом определяется как расход инертного газа, так как пар расходуется только как десорбирующий агент. Рассмотренные условия следует определить как идеальные. В реальных условиях на процесс десорбции острым паром затрачивается некоторое количество теплоты (на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду и др.), и часть пара, конденсируясь, расходуется на покрытие этих затрат. При этом расход острого пара будет выше, чем рассчитанный расход инертного газа.