Общие сведения о процессах абсорбции

В последнем случае после избирательной абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси проводят десорбцию – выделение этих компонентов из жидкости – и таким образом осуществляют разделение. Регенерированный абсорбент вновь возвращается на абсорбцию (круговой процесс).

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией. При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.

Примерами использования процессов абсорбции в технике могут служить разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получения соляной кислоты, получения аммиачной воды, очистка отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживание газосбросов и другие.

Аппаратурно-технологическое оформление процессов сравнительно просто, поэтому процессы абсорбции широко используются в технике.

Абсорбционные аппараты в зависимости от форм контакта газа (пара) и жидкости делят на абсорберы: поверхностные, плёночные, насадочные, барботажные, распылительные.

Одним из наиболее распространённых абсорберов поверхностного типа является насадочный колонный аппарат.

Насадочные абсорберы – колонные аппараты, заполненные насадками – твёрдыми телами различной формы. Основным назначением насадки является распределение плёнки жидкости по всей поверхности для создания развитой поверхности межфазового контакта.

Эффективная насадка должна отвечать следующим требованиям: обладать большой поверхностью в единице объема; хорошо смачиваться орошающей жидкостью; оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; равномерно распределять орошающую жидкость; обладать химической стойкостью к воздействию жидкости и газа, контактирующих в аппарате; иметь малый удельный вес; обладать высокой механической прочностью; иметь низкую стоимость. Поскольку универсальной насадки не существует, выбор её обуславливается конкретными условиями применения.

Насадочные аппараты отличаются простотой устройства, возможностью работы с агрессивными средами, созданием высокой удельной поверхности контакта фаз и коэффициентами массопередачи.

Рис. 1. Схема насадочного абсорбера

1 – насадка; 2 – опорная решетка; 3 – перераспределитель жидкости;

4 – разбрызгиватель

В насадочной колонне (Рис. 1) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая с помощью распределителя (разбрызгивателя) 4 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, поскольку из-за разного гидравлического сопротивления насадки и влияния пристеночных эффектов, она имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к её стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2…3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 3.

Метиловый спирт применяется в больших количествах в химической промышленности для синтеза различных органических продуктов. Широко применяется во многих отраслях промышленности в качестве растворителя. В промышленности в основном получается из синтез-газа, образующегося в результате конверсии метана. Реакция проводится при температуре 300–600^ºC и давлении 200–250 кгс/ см² в присутствии окиси цинка и других катализаторов

CO + 2H₂ → CH₃OH.

Вода– самое распространённое вещество на земле. Почти ¾ поверхности земного шара покрыто водой, заполняющей все природные водоёмы и образующей океаны, моря, реки и озёра. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; огромными массами снега и льда лежит вода круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. Не только на поверхностях земли, но и её недрах находится вода, пропитывающая почву и различные горные породы и дающая начало источникам и ключам.

Природная вода никогда не бывает чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит различные примеси, которые захватывает из воздуха, например растворённые газы, пыль, микроорганизмы.

Не меньшее значение в жизни природы имеет и другая аномалия воды – из всех твёрдых и жидких веществ вода имеет наибольшую теплоёмкость. Поэтому в зимнее время она медленно остывает, а летом медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

Весовой состав воды выражается следующими числами:11,11% водорода и 88,89 % кислорода. Отсюда простейшая формула воды H₂O.

Определение молекулярного веса воды по плотности её пара при высоких температурах даёт величину, равную 18, что отвечает простейшей формуле.

Химические свойства воды. Из химических свойств воды, прежде всего, следует отметить большую устойчивость её молекул по отношению к нагреванию. Однако при температурах выше 1000ºC водяной пар начинает заметно диссоциировать на водород и кислород:

2H₂O 2H₂ + O₂– 136,6 ккал

Несмотря на устойчивость при нагревании, вода является весьма реакционноспособным веществом. Окислы многих металлов и металлоидов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; многие соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода и т.д.

В процессе абсорбции участвуют две фазы:

G – газовая фаза, кг/с; кмоль/с.

L – жидкая фаза, кг/с; кмоль/с.

Содержание абсорбированного вещества в фазе G – Y, кг.

Содержание абсорбированного вещества в фазе L – X, кг.

Y_Н – содержание вещества в газе на входе в абсорбер, кг/кг; кмоль/кмоль

Y_К – содержание вещества в газе на выходе из абсорбера, кг/кг; кмоль/кмоль

X_Н – содержание вещества в жидкости на входе в абсорбер, кг/кг; кмоль/кмоль

X_К – содержание вещества в жидкости на выходе из абсорбера, кг/кг; кмоль/кмоль

Y_Н = 0,07 кмоль метилового спирта / кмоль воздуха

Х_К = 0,035 кмоль метилового спирта / кмоль воды

К = 1,200, ε = 97,5%, t₁ = 40 ⁰С

Насадка 50x50x5, п/у

Количество газового и жидкого носителя G кг и L кг в процессе абсорбции не изменяются.

­­­­­­ Количество вещества, перешедшего из газовой фазы в жидкую:
М = G(Y_Н – ­­­­Y_К) = L(X_К – X_Н) (2.1.,3;с.208)

Уравнение материального баланса в таком виде представляет собой прямую линию с тангенсом угла наклона, равным L/G и является рабочей линией процесса абсорбции.

Найдем Y_К по формуле степени извлечения:

ε = (Y_Н – ­­­­Y_К)/Y_Н → Y_К = Y_Н(1 – е) (2.2.,3;с.207)

Y_К = 0,07(1 – 0,975)= 0,0018 кмоль метанола/кмоль воздуха

Количество поглощаемого в абсорбере метанола определяется из материального баланса для газовой фазы:

где 22,4 – мольный объем газа (пара), м³/кмоль

Количество воды определяется из уравнения:

М= L(X_К – X_Н) → L=M/(X_К – X_Н) (2.3.,с.208)
где X_Н= 0 кмоль метанола/кмоль воды, X_К=0,035 кмоль метанола/кмоль воды
L=20,7/(0,035 – 0) = 591,4кмоль/ч или 591,4 • 18 = 10645,2кг/ч
2.2 Тепловой баланс

2.2.1 Количество теплоты Q, выделяющейся в процессе абсорбции равно:
Q = M • ф = ф • L(Х₂ – Х₁) = L • с(t₂ – t₁) (2.4.,с.208)
где ф – дифференциальная теплота растворения, Дж/кг;

М – масса поглощенного вещества, кг/с;

L – расход абсорбента, кг/с; L = 10645,2/3600 = 2,96 кг/с;

Х₂, Х₁ – концентрация поглощаемого вещества в относительных массовых долях на входе в абсорбер и на выходе из него.

Уравнение теплового баланса следующее:
ф = (Х₂ – Х₁) = с(t₂ – t₁) (2.5., 2;с.208)
t₂ =t₁ + ф/с • (Х₂ – Х₁) = t₁ + Q/(L • c)

где с – удельная теплоёмкость жидкости, Дж/(кг•К); принимается 4180 кДж/(кг •К) (по воде);

t₁, t₂ – температура жидкости на входе в абсорбер и на выходе из него, ⁰С
В результате расчета теплового баланса определяется температура на выходе из абсорбера.

Дифференциальная теплота растворения метанола в воде:

ф = 47150 кДж/кмоль (3;с.209)

Количество тепла, выделяющегося при абсорбции (поглощении):

М = 20,7 кмоль/ч метанола

Q = 20,7 • 47150 = 976005 кДж/ч

1 Вт•ч = 3,6 кДж; 1 кДж = 1/3,6 Вт;

Q = 976005/3600 = 271,11 кВт

t₂ = 40 + 271,11/(2,96 • 4180) = 40 + 0,02 = 40,02 ⁰С

Практически процесс абсорбции проводится при интенсивном отводе тепла, так как повышение температуры ведет к уменьшению движущей силы процесса, ухудшению движущей силы процесса, ухудшению процесса абсорбции.
2.3 Технологический расчет аппарата
2.3.1 Производим определение числа единиц переноса графическим методом

По известным координатам X_Н и Y_К, X_К и Y_Н на диаграмме X–Y строится рабочая линия процесса. Строится равновесная линия, являющаяся функцией Y от X_Н и X_К, то есть Y = f(X) – уравнение линии равновесия.

АВ – рабочая линия; ОС – равновесная линия.

Точка А строится по найденным из материального баланса величинам X_К и Y_Н, точка В – по величинам X_Н и Y_К.

Точка В (X_Н;Y_К) В(0;0,0018)

Точка О (X_Н;Y*_К) О(0;0)

Точка С (X_К; Y*_Н) С(0,035;0,042)

Y*_К = Х_Н • К = 0 • 1,200 = 0

Y*_Н = Х_К • К = 0,035 • 1,200 = 0,042
Масштаб: 0,01 кмоль – 50мм.

Определение координат точек А,В, С, О с учетом масштаба:

0,035 кмоль – х мм

0,07 кмоль – y мм

точка В: 0,01 кмоль – 50 мм y = 0,0018 • 50/0,01 = 9 мм

0,0018 кмоль – y мм х = 0

точка С: 0,01 кмоль – 50 мм х = 0,035 • 50/0,01 = 175 мм

0,035 кмоль – х мм

0,01 кмоль – 50 мм y = 0,042 • 50/0,01 = 210 мм

0,042 кмоль – y мм

точка О: х = 0; y = 0
Число единиц переноса определяется следующим образом: отрезки между рабочей и равновесной линиями делятся пополам; через середины их проводится вспомогательная линия.

Затем, начиная от точки В, построение выполняется таким образом, чтобы для каждой ступени ab = be. Каждая из полученных ступеней представляет собой единицу переноса, то есть каждой ступени соответствует такой участок аппарата, на котором изменение рабочей концентрации равно средней движущей силе на этом участке. Всего получено шесть полных и одна неполная ступенька.

Число единиц переноса, соответствующее последней неполной ступеньке, равно отношению отрезка АР, ограничивающего неполную ступеньку, к вертикальному отрезку ST между рабочей линией и линией равновесия, проведенному через середину основания неполной ступеньки; отношение АР/ST = 20/90 = 0,2.

Число единиц переноса равно 6 + 0,2 = 6,2.

Принимаем семь единиц переноса.
2.3.2 Определение числа единиц переноса аналитическим методом

Число единиц переноса определяется по формуле:

n = (Y_Н – Y_К)/ ΔYср (2.6.,2;с.583)
ΔYср – средняя движущая сила процесса абсорбции; определяется по формуле:
а) ΔYср = (ΔY_б + ΔY_м)/2 при отношении ΔY_б/ΔY_м < 2; (2.7.,2;с.582)

б) ΔYср = (ΔY_б – ΔY_м)/2,3 lg (ΔY_б/ΔY_м) при ΔY_б/ΔY_м > 2 (2.8.,2;с.583)

ΔY_б – движущая сила внизу абсорбера, ΔY_б = Y_Н – Y*_Н

ΔY_б = Y_Н – Y*_Н (2.9.,3;с.2Ю)

ΔY_м = Y_К – Y*_К (2.10.,3;с.2П)

К = 1,200 Y*_Н = 1,200 · 0,035 = 0,042;

ΔY_б = 0,07 – 0,042 = 0,028;

Y*_К = 1,200 · 0 = 0;

ΔY_м = 0,0018 – 0 = 0,0018

ΔY_б / ΔY_м = 0,028/0,0018 = 15,6; 15,6 > 2

ΔY_ср = (ΔY_б – ΔY_м)/2,3lg(ΔY_б/ΔY_м)=(0,028 – 0,0018)/2,3lg(0,028/0,0018) = 0,0096

n = (Y_Н – Y_К)/ ΔY_ср = (0,07 – 0,0018)/0,0096 = 7,1 – число единиц переноса

Принимаем семь единиц переноса.
2.3.3 Определение диаметра абсорбера

Диаметр абсорбционной колонны определяется по формуле:

где V_г – расход газа, проходящего через колонну, м/с;

W₀ – фиктивная скорость газа, то есть скорость газа, отнесенная ко всему сечению аппарата, м/с.
W₀ = (0,85÷0,95)W₀' (2.13.,2;с.613)
где W₀' – скорость, соответствующая режиму захлебывания, м/с

Принимается: W₀ = 0,95 •W₀'

Скорость, соответствующая режиму захлебывания, определяется по формуле:

W₀' =(Re' • f •µ_г)/4 • ρ_г (2.14.,2;с.612)

µ_г – вязкость газа, Па•с;

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

Re' – значение критерия Рейнольдса, соответствующее началу захлебывания колонны.

W_ж – массовая скорость жидкости;

отношение W_г/W_ж численно равно отношению массовых расходов газа и

жидкости G/L;

Аr – величина критерия Архимеда для двух фаз (газ – жидкость) с различными плотностями.

Критерий Архимеда определяется по формуле:

d_экв – эквивалентный диаметр насадки, м;

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³, равная для воды при 40 ⁰С 992;

µ_г – вязкость газа (воздуха), Па • с, равная 0,0189•10^–3.

d_экв³ = 4 • ε/f, м (2.17.,2;с.611)

f – удельная поверхность насадки, м²/м³, равная 110 (2;с.598)

Т₀ = 273К;

Т – средняя температура в абсорбере, К, равная 273+40=313К

Р₀ = 1,013 · 10⁵ Па; Р = 1,013 · 10⁵ Па

Принимаем к установке абсорбер диаметром 1000мм (ближайший диаметр к расчетному).

S – площадь сечения абсорбера, м

Плотность орошения характеризуется коэффициентом смачиваемости насадки ψ, определяемым по формуле:
ψ = υ/ υ_опт (2.21.,2;с.612)
где υ_опт – оптимальная плотность орошения, м³/м² · ч
Оптимальная плотность орошения определяется по формуле:
υ_опт = b · f, м³/м² · ч (2.22.,2;с.610)
где f – удельная поверхность насадки, м²/м³;

b – коэффициент приводится в таблице

b = 0,093м³/(м ·ч) (2;с.610)
Максимальное смачивание насадки достигается при ψ = 1.
υ_опт = 0,093 · 110 = 10,23 м³/м² · ч

V_ж= 10645,2/992=10,73 м³/ч

υ = 10,73/(0,785 ·1,0²)= 13,67 м³/м² · ч

ψ = υ/ υ_опт= 13,67/10,23=1,34

Коэффициент плотности орошения уточняется по графику рис.8.8 (3;с.214)

ψ = 1,0
2.3.5 Высота насадки определяется по формуле:

n – число единиц переноса;

h – высота единицы переноса, определяемая по формуле:
h = h₁ + (m · h₂)/l (2.24.,2;с.589)
где h₁ – высота единицы для газовой фазы, м;

h₂ – высота единицы переноса для жидкой фазы, м;

m – тангенс угла наклона рабочей линии;

l – удельный расход поглотителя (жидкости),кг/кг.

Высота единицы переноса для газовой фазы определяется по формуле:

ε – свободный объем насадки, м/м;

Re_г – критерий Рейнольдса для газа;

Pr – диффузионный критерий Прандтля;

ψ – коэффициент смачиваемости насадки;

f – удельная поверхность насадки, м³/м²

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

μ_г – вязкость газа, Па ·с
Коэффициент диффузии газа в газе определяется по формуле:
D_г = D₀ · Р₀/Р · (Т/Т₀)^3/2 (2.28.,2;с.575)
где Т – температура, К; Т = 40+273=313К;

Т₀ = 273К;

Р – рабочее давление; Р = 1 кгс/см² или 1,013 · 10⁵Па;

Р₀ = 1 кгс/см² или 1,013 · 10⁵Па;

D₀ – коэффициент диффузии метанола в воздухе при атмосферном давлении и температуре 0 ⁰С.

D₀ = 0,132·10^–4 м²/с (2;с.825)

Pr_ж – диффузионный критерий Прандтля для жидкости;

δ_прив – приведенная толщина пленки, м, определяемая по формуле:
δ_прив = [ μ_ж²/( ρ_ж² ·g)]^0,33 (2.31.,2;с.612)
где μ_ж – вязкость жидкости при температуре, Па ·с;

ρ_ж –плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с.
Re_ж = 4 · W_ж /(f · μ_ж) (2.32.,2;с.614)
где W_ж –массовая скорость жидкости, кг/м²
W_ж = L_ж/ S (2.33.,2;c.133)
где L_ж – расход жидкости, кг/с;

S – площадь сечения абсорбера, м² ;

μ_ж – вязкость жидкости, Па · с;

f – удельная поверхность насадки, м²/м³.

ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³;

D_ж – коэффициент диффузии газа в жидкости, м²/с.
Коэффициент диффузии газа жидкости при заданной температуре:
D_ж = D₂₀ [1+b · (t-20)] (2.35.,2;с.575)
где D₂₀ – коэффициент диффузии при 20 ⁰С, м²/с,

равный для метанола 1,44 ·10^{– 9} м²/с;

t – заданная температура, ⁰С;

b – температурный коэффициент:

ρ – плотность жидкости, кг/м³ при 20 ⁰С, равная 998 кг/м³

S = 0,785 · D² = 0,785 ·1,0² = 0,785 м²

W_ж = 10645,2/ (0,785 ·3600) = 3,8 кг/см²

Re_ж = 4 ·3,8/(110 ·0,656 ·10^{– 3}) = 210,6

μ_ж – вязкость воды при 20 ⁰С, равная 1мПа ·с;

ρ_ж – плотность воды – 998 кг/м³;

μ_ж – вязкость воды при 40 ⁰С, равная 0,656 ·10^{– 3} Па ·с;

Pr_ж = 0,656 ·10^{– 3} / (992 ·2,02 ·10^{– 9}) = 327,5;

δ_прив = [ (0,656 ·10^{– 3})² / (992² ·9,81)]^0,33 = 0,000039м;

h₂ = 119 · 0,000039 ·(210,6)^0,25 ·(327,5)^0,5 = 0,320м.

Тангенс угла наклона рабочей линии определяется по формуле:

X_К; X_Н – концентрации абсорбируемого газа в жидкой фазе на входе в абсорбер и на выходе из него.

Этим методом определяется тангенс угла наклона, когда абсорбер работает под атмосферным давлением и близким к нему.
m = (0,042 – 0)/(0,035 – 0) = 1,2
Удельный расход поглотителя:
I = L/G, кг/кг,
где L – количество жидкости, кг/ч;

G – количество газа, кг/ч.

С учётом запаса 25% Н_Н = 4,27 + 1,07 = 5,34 м.

Н = Н_нас + h₁+h₂+h₃+2h₄,

h₁ = 1м; h₂ = 2м; h₃ = 1,2м (с учётом размеров распределительной тарелки);

h₄ = 0,4 м – высота крышек аппарата.

Тогда Н = 5,34+1,0+2,0+1,2+2 ·0,4 = 10,34 м

Н_нас – высота насадки, м;

f – удельная поверхность насадки, м²/м³;

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

W_ф – фиктивная скорость газа (фактическая скорость), м/с;

ε – свободный объем насадки, м³/м³.

К – опытный коэффициент, равный 0,04 для правильно уложенных кольцевых насадок (2;с.609)

υ – плотность орошения, м/(м ·ч)
ΔР = 573,6 (1 + 0,04 · 16,77) = 958,4 Па
2.5 Расчёт диаметров штуцеров
Диаметр штуцера находится по формуле:
d = (2.41.,4;с.10)
где V – расход продукта, м/с;

W – скорость продукта, м/с.

d = = 0,40 м

где V = 6800/3600 = 1,89 м³/с;

W – скорость газа в напорных трубопроводах, принятая равной 15 м/с.

Принимается условный диаметр штуцера 400 мм.
2.5.2 Расчет диаметра штуцера входы воды в абсорбер:

d = = 0,05 м

где V = 10645,2/(992 ·3600) = 0,003

W – скорость воды в напорных трубопроводах, принятая равной 1,5 м/с.

Принимается условный диаметр штуцера 50 мм.
2.5.3 Диаметр штуцера выхода воды из абсорбера:

d = = 0,008 м

где W = 0,5 м/с – скорость вода при самотеке.

Принимается условный диаметр штуцера 10 мм.

1. 
   Баранов Д. А., Кутепов А. М. Процессы и аппараты: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия»,2004
   
2. 
   Борисов Г. С., Быков В. П., Дытнерский Ю. И. и др. под редакцией Дытнерского Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. – М.: «Химия»,1991
   
3. 
   Глинка Н. Л. Общая химия. – М.: «Химия»,1965
   
4. 
   Жиряков В. Г. Органическая химия. – М.: «Химия»,1978
   
5. 
   Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. – Л.: «Химия»,1991
   
6. 
   Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – С-Пб.: «Химия»,1969
   
7. 
   Плановский А. Н., Николаев П. И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. – М.: «Химия»,1987
   
8. 
   Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: «Химия»,1967
   
9. 
   Романков П. Г., Курочкина М. И., Мозжерин Ю. А. и др. Процессы и аппараты химической промышленности: Учебник для техникумов. – Л.: «Химия»,1989
   
10. 
    Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. – М.: «Химия»,1971
    
11. 
    Эмирджанов Р.Т., Основы технологических расчетов в нефтепереработке. – М.: «Химия», 1965