Абсорбционная установка

1. Характеристика процесса абсорбции

 

Процесс абсорбции происходит в том случае, когда парциальное  давление извлекаемого компонента в  газовой смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт  с этим газом, т.е. для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ  и абсорбент не находились в состоянии  равновесия. Различие в парциальном  давлении извлекаемого компонента в  газе и жидкости является той движущей силой, под действием которой  происходит поглощение (абсорбция) данного  компонента жидкой фазой из газовой  фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую.

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.

При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.

Процесс физической абсорбции сопровождается выделением теплоты, повышением температуры абсорбера и газовой смеси.

При повышении температуры возможно снижение растворимости газа в жидкости, поэтому в ряде случаев проводят охлаждение путем размещения в абсорбере  охлаждающих поверхностей. Если температура процесса абсорбции не изменяется, то абсорбцию называют изотермической. Если температура повышается (при отсутствии охлаждающих поверхностей), то абсорбцию называют неизотермической. При повышении температуры поглощение газа жидкостью снижается.

Скорость  физической абсорбции определяется законами диффузии. Скорость физической абсорбции – количество вещества, передаваемое из газовой фазы в жидкую через единицу поверхности в единицу времени.

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции.

Хемосорбцию применяют в химической технологии для ускорения процессов абсорбции. В этом случае скорость определяется двумя факторами: интенсивностью массообмена и скоростью протекания химической реакции. Различают кинетическую и диффузионную области протекания хемосорбционных процессов.

В кинетической области скорость химической реакции меньше скорости массопередачи, поэтому общая скорость определяется скоростью химического взаимодействия.

В диффузионной области лимитирующей является скорость диффузии компонентов  в зоне реакции, которая зависит  от гидродинамики и физических свойств  фазы и определяется по общему уравнению  массопередачи.

Абсорбентами в процессе 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 паров, нетоксичность, доступность и невысокая стоимость. Промышленные абсорбенты часто не удовлетворяют всем перечисленным требованиям; это необходимо учитывать при расчете, проектировании и эксплуатации установок [1, с. 456].

Протекание  абсорбционных процессов характеризуется  их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции, т. е. равновесие между жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.

Кинетика абсорбции, т. е. скорость процесса массообмена, определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы)

     [9, с. 8].

Процессы  абсорбции часто сочетаются на практике с десорбцией, т.е. удалением поглощенных  газов (порой ценных, иногда отбросных) из абсорбента с целью его дальнейшего многократного использования. Абсорбция является процессом массообмена, интенсивность которого пропорциональна разности концентраций поглощаемого компонента в газовой смеси у и в равновестном состоянии над раствором абсорбент – абсорбтив (компонент газовой смеси) у_р; естественно, у>у_р. Условие десорбции прямо противоположно, т.е. равновестная концентрация поглощенного компонента у_р должна превышать его концентрацию у в газовой смеси над раствором, т.е. у_р>у.

В промышленных установках для физической абсорбции процесс десорбции осуществляется либо путем понижения давления над раствором абсорбент – абсорбтив, либо нагреванием раствора, либо тем и другим одновременно. Отработанные абсорбенты после хемосорбции регенерируются большей частью химическими методами, а в некоторых случаях – нагреванием.

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 S0₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НСl 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.

– 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. Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от H₂S). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от S0₂). В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку.

–Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.) [1, с. 457].

 

 

 

2 Устройство и принцип действия абсорбционных аппаратов

 

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 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. 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) Распылительные 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 [9, с. 11].

 

 

2.1 Насадочные абсорберы

 

Насадочные абсорберы  получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы. В насадочной колонне 1 (рисунок 1, а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Жидкость практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре – пять диаметров (но не более 3 – 4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рисунок 2), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

 

 

 

 

а – абсорбер со сплошным слоем насадки; б – абсорбер с секционной загрузкой насадки: 1 – корпуса; 2 – распределители жидкости; 3 – насадки; 4 – опорные решетки; 5 – перераспределитель жидкости; 6 – гидровлические затворы; в – эмульгационная насадочная колонна: 1 – насадка; 2 – сетка, фиксирующая насадку; 3 – гидравлический затвор; 4 – опорная решетка; 5 – распределитель газа.

Рисунок 1. Насадочные абсорберы.

 

 

 

 

 

 

 

 

а – конический; б –  патрубковый; в – конический с  патрубками.

Рисунок 2. Перераспределители жидкости между слоями насадки.

 

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки  в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах в отличие от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата [1, с. 58].