6.1 Абсорбція

 

Абсорбція –  фізико-хімічний процес поглинання речовин з розчинів чи сумішей газів твердими тілами або рідинами з утворен­ням розчинів.

При абсорбції поглинання речовини відбувається всім об’ємом поглинача. Абсорбція знаходить широке застосування в техніці, головним чином для розділення газоподібних сумішей на складові частини шляхом розчинення одного чи декількох компо­нентів цієї суміші в рідині, яка називається   аб­сорбен­том. Фізична сутність процесу абсорбції пояснюється плівко­вою теорією, згідно з якою при стиканні рідини і газоподібних ре­човин  на по­верхні розділення обох фаз утворюються рідинна і газова плівки. Розчин­ний в рідині компонент газоподібної суміші проникає шляхом дифузії спо­чатку крізь газову плівку,  а потім крізь рідинну і надходить у внутрішні шари адсорбенту. Для здій­снення дифузії необхідно, щоб концентрація розчиненого компоненту в газовій суміші перевищувала його рівновагову концентрацію над рідиною.

 

Якщо концентрація розчинного компонента в газопо­дібній суміші менша його рівновагової концентрації над рідиною, дифузія відбувається у зворотному напрямку. В цьому випадку за­мість по­глинання розчиненого компоненту відбувається виділення його з розчину в газоподібному стані. Такий процес називається десорбцією і застосову­ється в техніці для витягання поглинених речовин з абсорбенту.

 

Типова схема промислової абсорбційної установки наведена на ри­сунку 6.1. Апарат дня розділення суміші газів на складові час­тини шляхом розчинення одного чи декількох компонентів цієї су­міші в рідині назива­ється  абсорбером.

           абсорбент

a)                                                                     б)                                                                                          

Рисунок 6.1 – Схема абсорбера:
1 –  корпус; 2 – горизон­тальні  решітки; 3 –  насадки; 4 –  підведен­ня абсорбенту;  5 – перерозподільний пристрій для рідини; 6 –  виведення абсорбенту

 

Звичайний абсорбер, який називають також скрубером, – це металева чи керамічна колона діаметром до 6 м і висотою до 40 м з декількома гори­зонтальними решітками, на яких розміщена насадка, що збільшує повер­хню стикання рідини і газів. Найбільш розповсюдженими насадками є ку­ски коксу, каміння та металеві чи керамічні кільця. Суміш газів подається в нижню частину колони і піднімається вверх.

 

Назустріч їй  насадками стікає вниз абсорбент, внаслідок чого один або декілька газів цієї суміші розчиняються в рідині. Нерозчинені складові частини газової суміші вида­ляються з абсорбера через вихідний патрубок, а рідина витікає  трубопро­водом.

 

Вирішальною умовою при виборі абсорбенту є розчин­ність в ньому витягуваного компонента та її залежність від тем­ператури і тиску. Якщо розчинність газів при 0°С і парціальному тиску складає сотні грамів на 1 кг розчинника, то такі гази на­зивають добре розчинними.

 

Для видалення з технологічних викидів таких газів, як аміак, хлорис­тий чи фтористий водень  доцільно застосовувати  як поглинальну рідину воду [34], тому що розчинність їх у воді складає сотні грамів на 1 кг Н2О. При поглинанні ж з газів сірчаного ангідриду чи хлору витрати води будуть значними, тому що розчинність їх складає соті частки грама на 1 кг води. В дея­ких спеціальних випадках  замість води застосовують водні розчи­ни таких хімічних речовин, як сірчана кислота (для вловлю­вання водяних парів), в’язкі масла (для вловлювання ароматичних вугле­воднів із коксового газу) тощо.

 

Контакт газового потоку з рідким розчинником здійснюється пропу­сканням газового потоку через насадкову колону (рис. 6.1), або розпилен­ням рідини чи барботажем газу через шар аб­сорбувальної рідини. Залежно від реалізованого способу контак­ту газ – рідина розрізняють:
- насадкові башти: форсункові (рис. 5.1), відцентрові скрубери    (рис. 5.7 і 5.8);
-  барботажно-пінні (рис. 5.4) скрубери;
-  скрубери Вентурі (рис. 5.11…5.14) та інші.

 

Розрахунок абсорбера складається з визначення об’ємних вит­рат    поглинальної рідини  Qp , необхідної поверхні дотику газу з рідиною і па­раметрів допоміжних апаратів (потужність насо­сів, розмір баків тощо).

 

Об’ємні витрати поглинальної рідини розраховують з рівняння ма­теріального балансу процесу абсорбції –  маса поглиненого ком­поненту   m, г/с, яка видалена з очищуваного газу, повинна бути рівна масі цього компоненту, яка перейшла в рідину:
,                               (6.1)
де    Q –  об’ємні витрати газу, який очищається, м3/с;
        x1 i x2 –  початкова і кінцева концентрації газового компоненту в по­глинальній рідині, г/м3 ;
y1 і y2 –  початкова і кінцева концентрації газоподібного компоне­нту в газі, який очищається, г/м3 .

 

Необхідну поверхню дотику газу S, м2 , з рідиною визначають за фо­рмулою:
                      ,                                       (6.2)
де    Ka –  коефіцієнт абсорбції (коефіцієнт масопередачі), кг/(м2 · год. · Па);
        ?Pcp –  середня рухома сила абсорбції, ІІа.

 

Коефіцієнт абсорбції характеризує швидкість розчинення газового компоненту в рідині й визначається загальним опором дифузії цього ком­поненту через газову і рідинну плівки. Для добре розчинних газів значення коефіцієнта абсорбції можна визначити за формулою, яка запропонована   І. Л. Пейсаховим:

           ,                       (6.3)
де    М –  молекулярна маса компоненту, який поглинається, кг;
        V –  швидкість газу у вільному перерізі скрубера, м/с;
        Т –  абсолютна температура газу, К;
        dе – еквівалентний діаметр насадки, рівний збільшеному вчетверо зна-ченню живого перерізу насадки, поділеного на її питому поверхню, м.
        

 

Рухома сила абсорбції рівна різниці парціального тиску компоненту, який поглинається в газовій фазі, та рівноважного парціального тиску цього компоненту над поглинальною рідиною. Для підрахунку середньої рухомої сили абсорбції необхідно знайти середньоарифметичне значення рухомої сили абсорбції виходячи з її значення на вході та виході з апарата. Якщо ці значення відрізняються більше як в два рази, то ?Pcp, Па, необ­хідно підрахувати як середню логарифмічну величину:
                                                      (6.4)
де   і  – відповідний парціальний тиск компоненту, який поглинається в газовій фазі на вході та виході з апарата, Па;
      і   – відповідно парціальний рівноваговий тиск компоненту, який поглинається над рідиною на вході та виході з апарата, Па.

 

Слід мати на увазі, що при протитечії (газ і рідина рухаються назу­стріч один одному) значення ?Pcp більше, ніж при прямотечії (газ і рідина рухаються в одну сторону). Отже, протитечія вигідніша, тому що для її здійснення необхідна апа­ратура меншого розміру. Прямотечію доцільно застосовувати, коли рівноваговий тиск компоненту, який поглинається, над рідиною дуже ма­лий і майже не збільшується при розчиненні газового компоненту. Звичайно це здійснюється в тих випадках, коли компонент газу, який розчиняється, вступає в реакцію з рідиною чи її компонентами (хе­мосорбція). Прямотечія особливо неефективна для погано розчинних газів.