1.3. Очистка газов от со2 горячим раствором поташа.

Водные растворы карбонатов натрия и калия поглощают двуокись углерода с образованием бикарбонатов. В водном растворе карбонат диссоциирует на ионы:

Ме2СО3 = 2Ме+ + СО3 2-;

где Ме - натрий или калий.

Поглощение СО2 водой определяется скоростью относительно медленной реакции

СО2 + Н+ + ОН- = Н+ + НСО3-. (1.1)

Суммарный процесс поглощения выражается в виде

Ме2СО3 + СО2 + Н2О = 2Ме+ + НСО3- = 2МеНСО3. (1.2)

Обычно абсорбцию газов ведут при низкой температуре, что связано с уменьшением растворимости газов в жидкостях при повышении температуры. В данном случае при поглощении СО2растворам карбонатов образующиеся бикарбонаты менее растворимы в воде, чем карбонаты. Поэтому повышение температуры должно способствовать увеличению растворимости в воде солей - карбонатов и бикарбонатов. Растворимость солей калия выше растворимости солей натрия, поэтому для очистки применяют водный раствор карбоната калия - поташа - при повышенной температуре. С повышением температуры возрастает концентрация соли в растворе, что позволяет компенсировать отрицательное влияние температуры на растворимость газа. С другой стороны, повышение температуры способствует увеличению скорости гидратации по реакции (1.1). Поэтому растёт скорость всего процесса абсорбции СО2.

Растворимость СО2 в горячем растворе поташа в значительной степени зависит от парциального давления двуокиси углерода над раствором. Поэтому абсорбцию СО2 горячими растворами поташа осуществляют при повышенном давлении. Наименьшее парциальное давление двуокиси углерода, при котором поташная очистка экономически целесообразна, равно 0,14 МПа. При снижении давления равновесие реакции (1.2) смещается влево. На этом основана регенерация горячего раствора поташа, насыщенного СО2. Таким образом, указанные физико-химические особенности процесса очистки позволяют проводить абсорбцию и регенерацию почти при одинаковой температуре, причём абсорбция идёт при повышенном давлении, а десорбция (регенерация) раствора - при снижении давления до атмосферного. Поглотительная способность горячих растворов поташа в производственных условиях колеблется в пределах 20 - 35 м3 СО2/м3. Одноступенчатая очистка горячим раствором поташа позволяет достичь остаточного содержания в очищенном газе 0,5 - 0,6% СО2 (грубая очистка газа). Повышение температуры до 100 °С в процессе абсорбции недостаточно для ускорения реакции и достижения тонкой очистки газа. Поэтому для повышения скорости процесса абсорбции при более низкой температуре применяют различные активирующие добавки. С этой целью применяются соединения трёхвалентного мышьяка, оказывающие каталитическое ускоряющее действие на медленную реакцию гидратации (1.1). Механизм каталитического действия добавок изучен не полностью. Предполагают, что реакция протекает по следующей схеме:

6СО2 + К3AsO3 + 3Н2О = 6КНСО3 + As2O3;

которая идёт параллельно с реакцией (1.2). При регенерации равновесие этих реакций сдвигается влево. При изучении поглотительной способности мышьяково - поташных растворов установлено, что такие растворы при одинаковой температуре способны поглотить большее количество СО2 при максимальном насыщении до момента появления твёрдой фазы КНСО3, чем соответствующие для данной концентрации калия обычные поташные растворы, и это количество СО2 увеличивается с повышением содержания мышьяка. Наибольший рост скорости абсорбции СО2 наблюдается при концентрации As2O3 до 30 г/л в этих условиях скорость абсорбции в 2,7 раза выше, чем в неакивированных поташных растворах. Существует предельная концентрация мышьяка, сверх которой увеличение поглотительной способности не происходит. К оптимальным условиям абсорбции относится соотношение в растворе 0,145 г-экв As/г-экв К и температура 60 °С. Абсорбционная ёмкость мышьяково - поташного раствора под давлением близка к ёмкости растворов моноэтаноламина. Мышьяково - поташные растворы при 105 °С регенерируются легче поташных растворов, так как в условиях регенерации растворимость СО2 при этой температуре ниже растворимости в неактивированных поташных растворах. Применение мышьяково - поташных растворов позволило осуществить более тонкую очистку конвертированного газа от СО2 (до 0,05%), однако, при этом возрастает расход тепла на регенерацию. По сравнению с моноэтаноламиновой очисткой для регенерации насыщенного раствора поташа затрачивается меньше тепла. Теплота разложения бикарбоната калия составляет 25,4 кДж/моль, что примерно в 2,5 раза меньше теплоты разложения раствора МЭА (66 кДж/моль). Поэтому при регенерации горячего раствора поташа тепло расходуется главным образом на отдувку СО2 в регенераторе, то есть на снижение парциального давления СО2 над регенерированным раствором, а так же на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Это является одним из преимуществ данного способа очистки. Второе преимущество - сравнительно небольшие потери с раствором полезных компонентов очищаемой газовой смеси из - за невысокой растворимости водорода в горячем промывном растворе. Недостатком раствора поташа, активированного мышьяком, считается его высокая токсичность. С целью устранения этого недостатка вместо мышьяка применяются другие менее токсичные органические добавки, например диэтаноламин. На поглотительную способность рабочего раствора отрицательно влияет наличие солей двухвалентного железа и присутствие пятивалентного мышьяка, накопление которого возможно при нарушении правил эксплуатации установок. Во избежание резкого снижения поглотительной способности концентрация пятивалентного мышьяка не должна быть выше 10 - 20 г/л. соли железа способны выпасть в осадок при увеличении концентрации СО2 в растворе и снижении рН раствора менее 8,9. Горячие растворы поташа вызывают коррозионное разрушение углеродистой стали, поэтому в растворы добавляют ингибиторы, а для изготовления наиболее ответственных узлов и деталей (насосов, клапанов и др.) применяют специальные нержавеющие стали.