Абсорбция

Лекция №5 Абсорбция Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2006. - с.: ил., библиогр. К загрязнениям относятся вещества, содержащиеся в атмосфере в концентрациях, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на человека, животных и растения, здания и сооружения, материалы и оборудование. Некоторые газы (диоксид серы, оксиды азота и др.) обычно присутствуют в атмосфере в низких (фоновых) концентрациях, не опасных для объектов биосферы. В табл. 1 приведены примерные фоновые концентрации газов в естественных, не загрязненных антропогенной деятельностью условиях, в приземном слое атмосферы (нижняя тропосфера). Таблица 1 Фоновые концентрации газов в естественных условиях Газ Фоновая концентрация, % Содержание по объему Содержание по массе Азот 78,08 75,52 Кислород 20,95 23,14 Аргон 0,93 1,282 Диоксид углерода 0,034 0,052 Пары воды 0 – 4 0 – 2,488 Оксид углерода 0 – 0,01 0 – 0,0062 Неон 0,0018 0,00125 Озон 0,001 0,00165 Гелий 0,00052 7,18∙10-5 Метан 0,00015 8,31∙10-5 Криптон 0,00011 3,18∙10-4 Диоксид серы 0 – 0,0001 0 – 2,21∙10-4 Водород 0,00005 3,49∙10-6 Газовые загрязнения, как и аэрозольные, загрязняя атмосферный воздух, значительно ухудшают его качество, а в ряде случаев делают его непригодным для нахождения в нем людей. Газовые загрязнения, как и аэрозольные, загрязняя атмосферный воздух, значительно ухудшают его качество, а в ряде случаев делают его непригодным для нахождения в нем людей. Некоторые жидкости и твердые вещества при контакте с многокомпонентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдельные ингредиенты и поглощать (сорбировать) их. Абсорбция - поглощение газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями, называемыми абсорбентами. Возможность осуществления процесса абсорбции основывается на растворимости газов в жидкостях. Процесс абсорбции является избирательным и обратимым, что дает возможность применять его не только с целью получения растворов газов в жидкостях, но также и для разделения газовых или паровых смесей. 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). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае - хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса. Абсорбируемые компоненты газовой смеси называют абсорбтивом, а не абсорбируемые - инертом. Абсорбентами служат индивидуальные жидкости или растворы активного компонента в жидком растворителе. Во всех случаях к абсорбентам предъявляют ряд требований, среди которых наиболее существенными являются: высокая абсорбционная способность, селективность, низкое давление пара, химическая инертность по отношению к распространенным конструкционным материалам (при физической абсорбции - также к компонентам газовой смеси), не токсичность, огне- и взрывобезопасность, доступность и не высокая стоимость. При проведении абсорбции в качестве абсорбентов применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные растворы этих веществ. При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей, органические вещества и водные суспензии различных веществ. Если растворимость газов при 0°С и парциальном давлении 101,3 кПа составляет сотни грамм на 1кг абсорбента, то такие пары называют хорошо растворимыми. Для удаления из технических выбросов таких газов, как NH3, НСl и HF, целесообразно применять в качестве абсорбента воду. Нецелесообразно использовать воду для очистки выбросов с нерастворимыми в ней органическими примесями. Подобные загрязнители как правило хорошо поглощаются органическими жидкостями, среди которых могут использоваться как абсорбенты высококипящие вещества, такие как этаноламины и тяжелые предельные углеводороды (минеральные масла). Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов, приведены в табл. 2. Таблица 2 Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов Поглощаемые компоненты Абсорбенты Оксиды азота N2O3, NO2, N2O5 Вода, водные растворы и суспензии: NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KОН, K2СО3, КНСО3, Са(ОН)2, СaСО3, Mg(OH)2, MgCO3, Ba(OH)2, ВаСО3, NH4HCO3 Оксид азота NO Растворы FeCl2, FeSO4, Na2S2O3, NaHCO3, Na2SO3, NaHSO3 Диоксид серы SO2 Вода, водные растворы: Na2SO3 (18 ─ 25%-ные), NH4OH (5 ─ 15%-ные), Са(ОН)2, Na2CO3 (15 ─ 20% - ные), NaOH (15 ─ 25%-ные), KОН, (NН4)2SО3 (20—25%-ные), ZnSO3, K2СО3; суспензии CaO, MgO, СаСО3, ZnO, золы; ксилидин ─ вода в соотношении 1 : 1, диметиланилин C6H3(CH3)2NH2 Сероводород H2S Водный раствор Na2CO3 + Na3AsO4; водный раствор Аs2О3 (8 ─ 10 г/л) + NН3 (1,2 ─ 1,5 г/л) + (NH4)3AsO3 (3,5 ─ 6 г/л); моноэтаноламин (10 ─ 15%-ный раствор); растворы K3РO4 (40 ─ 50%-ные), NH4ОH, K2CO3, Na2CO3, CaCN2, натриевая соль антрахинондисульфокислоты Оксид углерода СО Жидкий азот; медно-аммиачные растворы [Сu(NН3)]n × СОСН Диоксид углерода СО2 Водные растворы Nа2СО3, K2СО3, NaOH, KОН, Са(ОН)2, NH4ОH, этаноламины RNH2, R2NH4 Хлор Сl2 Растворы NaOH, KОН, Са(ОН)2, Na2CO3, K2СО3, MgCO3, СаСО3, Na2S2O3; тетрахлоридметан CCl4 Хлористый водород HCl Вода, растворы NaOH, KОН, Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3 Соединения фтора HF, SiF4 Вода, растворы Na2CO3, NaOH, Са(ОН)2 До обработки органическим абсорбентом из отбросных газов необходимо удалить дисперсные примеси. Иначе абсорбент быстро загрязняется и становится отходом, практически не поддающимся очистке. Органические абсорбенты должны иметь низкое давление насыщенных паров при температуре процесса. Растворители с недостаточно низкой упругостью паров будут интенсивно испаряться и загрязнять обрабатываемые газы. Кроме того, низкокипящий абсорбент сложно регенерировать, так как извлечь (десорбировать из него) уловленное вещество нагреванием невозможно. На интенсивность перехода загрязнителя из газовой фазы в жидкую большое влияние оказывают температура и давление процесса, а также способ организации контакта фаз. С ростом давления и снижением температуры скорость абсорбции увеличивается. Абсорбенты, работающие при отрицательных (по Цельсию) температурах, принято называть хладоносителями, а процесс абсорбции, протекающий в таких условиях - контактной конденсацией. Абсорбционную очистку выбросов в атмосферу применяют как для извлечения ценного компонента из газа, так и для санитарной очистки газа. Считают, что целесообразно применять абсорбцию, если концентрация данного компонента в газовом потоке составляет свыше 1 %. Сочетая абсорбцию с десорбцией, можно многократно использовать почти без потерь жидкий поглотитель (абсорбент) в замкнутом контуре аппаратов: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговой процесс), выделяя поглощенный компонент в чистом виде. Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или, по крайней мере, влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Вследствие этого физическая абсорбция не сопровождается тепловым эффектом. Если в этом случае начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, то такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую. Принципиальная схема установки для абсорбции определенного компонента из газовой среды и последующего его выделения из абсорбента (десорбции) представлена на рисунке 1. Рис. 1 Принципиальная схема установки для абсорбционно-десорбционного улавливания определенного компонента из газовой смеси Газовая смесь, содержащая извлекаемый из нее компонент, поступает в абсорбер, где происходит контакт с абсорбентом, который поглощает данный компонент. Газ, очищенный от компонента, удаляется (очищенный воздух может быть выброшен в атмосферу), а раствор поглотителя, содержащий абсорбированный компонент, поступает в теплообменник, где нагревается. Нагретый раствор насосом подается в десорбер, где из него выделяется (десорбируется) поглощенный компонент путем испарения в результате нагревания поглотителя паром. Поглотитель, освобожденный от компонента, поступает в теплообменник, где отдает теплоту абсорбенту при его противоточном движении в десорбер, а затем направляется в холодильник, пройдя который, снова поступает в абсорбер. Круг замкнулся. По такому циклу работает установка для абсорбционно-десорбционного улавливания определенных паров и газов из газовой смеси (из воздуха). Процессы абсорбции проводят в специальных аппаратах - абсорберах. Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на развитой поверхности раздела фаз. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта между жидкой и газовой фазами (абсорбента с газом-носителем). По способу образования этой поверхности и диспергации абсорбента, их можно подразделить на четыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие или распылительные (брызгальные). В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости. Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы, которая служит для увеличения поверхности контакта соприкасающихся фаз - газа и жидкости. Многочисленные типы барботажных абсорберов можно разделить на три основные группы: - абсорберы со сплошным барботажным слоем, в которых осуществляется непрерывный контакт между фазами; - абсорберы тарельчатого типа со ступенчатым контактом между фазами, причем ступени (тарелки) размещены в одном аппарате; - абсорберы с механическим перемешиванием жидкости. Барботажные абсорберы тарельчатого типа, имеющие наибольшее применение, выполняют в виде колонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции тарелки, причем на каждой тарелке осуществляется одна ступень контакта. Таким образом, в рассматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соединением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости. В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы: 1) форсуночные распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется на капли форсунками; 2) скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии газового потока; 3) механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется вращающимися деталями. По способу организации массообмена абсорбционные устройства принято делить на аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. К устройствам с непрерывным контактом можно отнести насадочные колонны, распылительные аппараты (полые скрубберы, скрубберы Вентури, ротоклоны и др.), однополочные барботажные и пенные устройства, а к устройствам со ступенчатым контактом - тарельчатые колонны, многополочные барботажные и пенные устройства. Часть подобных устройств применяются для мокрой пылеочистки. В принципе их можно было бы использовать и для совместного улавливания дисперсных и газовых загрязнителей, однако осуществить это на практике удается редко. Очистные устройства создавались и совершенствовались либо для поглощения газообразных примесей, либо для пылезолоулавливания. Поэтому современные абсорберы для улавливания газообразных примесей не приспособлены для обработки потоков с дисперсными загрязнителями, а высокоэффективные пылезолоуловители, как правило, непригодны для сколько-нибудь существенного извлечения газообразных веществ. Серийные мокрые пылеуловители могут быть использованы только для предварительной обработки с целью освобождения газового потока от дисперсных примесей перед абсорбционной обработкой. Для абсорбции газовых загрязнителей наиболее часто используются насадочные колонны (Рисунок 2). Рис. 2. Схемы насадочных абсорберов: а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки: 1 - корпус; 2 - распределитель жидкости; 3 - насадка; 4 -опорные решетки; 5 - перераспределитель жидкости; 6 - гидравлические затворы; в - эмульгационная насадочная колонна: 1 - насадка; 2 - сетка, фиксирующая насадку;3 - гидравлический затвор; 4 - опорная решетка; 5 - распределитель газа. Рис. 3 Насадочная абсорбционная колонна, предназначенная для сбора нефтепродуктов (схема работы) Насадочные абсорбционные колонны могут использоваться, например, при разделении нефтяных попутных газов, и при извлечении компонентов природного газа (где давление внутри абсорбера может составлять 1,6...2,0 МПа – при разделении нефтяных попутных газов, и 4,0...7,5 МПа – при извлечении компонентов природного газа). Диаметр промышленных абсорберов зависит от производительности и достигает 3 м а их производительность достигает 35 млн. м3 переработанной газовой смеси в сутки. В этой связи насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочных колоннах обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом, чем в полых распылителях, благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств. Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих в колонну, должно соответствовать оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя. Рис. 4 Насадочная абсорбционная колонна, с загрузкой Рассмотрим гидродинамические режимы в противоточных насадочных колоннах, используя графическую зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от скорости газа в колонне (рисунок 5). Первый режим – пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние газового потока на скорость стекания по насадке жидкой пленки и, следовательно, на количество задерживаемой в насадке жидкости. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке А на Рис. 5, называемой точкой подвисания. Рис. 5 Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне: 1 - сухая насадка; 2 - орошаемая насадка. Второй режим - режим подвисания (или торможения). После точки А повышение скорости газа приводит к заметному увеличению сил трения о жидкость на поверхности контакта фаз и подтормаживанию жидкости газовым потоком. Вследствие этого скорость течения пленки жидкости уменьшается, а ее толщина и количество удерживаемой жидкости в насадке увеличиваются. В режиме подвисания с повышением скорости газа нарушается спокойное течение пленки жидкости, появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно - интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается в точке В. Третий режим - режим эмульгирования — возникает при превышении скорости, соответствующей точке В. В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки (отрезок ВС на Рис. 5). Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн преимущественно вследствие увеличения контакта фаз, который в этом режиме определяется не столько поверхностью насадочных тел, сколько поверхностью образующейся газожидкостной эмульсии, заполняющей весь свободный объем насадки. Следует отметить, что это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления (отрезок ВС). В насадочных колоннах без специальных устройств поддерживать режим эмульгирования очень трудно, так как мал интервал изменения скоростей газа, при котором насадочная колонна работает в этом режиме (между точками В и С). Как правило, работа в режиме подвисания и эмульгирования целесообразна только в случае, если повышение гидравлического сопротивления аппарата не имеет существенного значения (например, если абсорбер работает при повышенных давлениях). Поэтому большинство насадочных адсорберов работает в пленочном режиме (т. е. при скоростях газа до точки А). Пределом устойчивой работы насадочных колонн является скорость газа, соответствующая точке инверсии (или захлебывания). Четвертый режим (от точки С на рис. 5, и выше) - режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газом. Этот режим в технике не используется. К основным достоинствам насадочных колонн следует, прежде всего, отнести простоту устройства и низкое гидравлическое сопротивление, а к недостаткам - сложность отвода теплоты, плохую смачиваемость насадки при низких плотностях орошения, большие объемы насадки вследствие недостаточно высокой ее эффективности (по сравнению с тарельчатыми аппаратами). Тарельчатые абсорберы обычно представляют собой вертикальные цилиндры - колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещаются горизонтальные перегородки тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз при направленном движении этих фаз (жидкость течет сверху вниз, а газ проходит снизу вверх) и многократном взаимодействии жидкости и газа. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, можно поддерживать тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости. Тарельчатый колонный абсорбер представлен на Рис. 6. В абсорбере вместо решёток и насадок установлены тарелки 1, снабженные патрубками 2, колпачками 3 с зубчатыми краями и переливными трубками 4. Абсорбент стекает с тарелки на тарелку по переливным трубкам, а смесь газов движется снизу вверх, проходя через слои жидкости. При прохождении между зубьями колпачков газовый поток разбивается на множество мелких пузырьков, что обеспечивает большую поверхность соприкосновения газа и жидкости. В ряде случаев вместо тарелок с колпачками устанавливаются тарелки, в которых просверлено большое число отверстий — ситчатые тарелки. Рис. 6 Тарельчатый колонный абсорбер: 1 – тарелки; 2 – патрубки; 3 – колпачки с зубчатыми краями; 4 – переливные трубки. Обобщенно тарелки можно подразделить на три основные группы: 1) Тарелки перекрестного типа, в которых движение газа и жидкости осуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую, причем газ по переливам не проходит. 2) Тарелки провального (беспереливного) типа, в которых переливные устройства отсутствуют, так что газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия. На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схеме полного перемешивания жидкости. 3) Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости (прямоточные). В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движения жидкости по тарелке; это вызывает снижение продольного перемешивания жидкости и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшению гидравлического градиента сопротивления. По способу слива жидкости с тарелки абсорберы этого типа подразделяют на колонны с тарелками со сливными устройствами и с тарелками без сливных устройств (с неорганизованным сливом жидкости). К тарельчатым аппаратам со сливными устройствами относятся колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и другими тарелками. Эти тарелки имеют специальные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую - сливные трубки, карманы и др. Нижние концы сливных устройств погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство. В этой связи можно отметить, что в очистных колонных аппаратах нефтеперерабатывающих заводов в настоящее время используются десятки конструкций контактных устройств, отличающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. Наряду с тарелками первого поколения (колпачковые, желобчатые), которые до сих пор эксплуатируются на старых производствах, широкое распространение в колонных абсорберах получили S-образные, клапанные (пластинчатые, дисковые) и другие типы контактных устройств. Рис. 7 Тарелки (клапанные, колпачковые, ситчатые) Рис. 8 Колпачки с зубчатыми краями