Розділ 13 Абсорбційна і хемосорбційна очистка газових викидів
13.1. Використання методів абсорбції і хемосорбції для вловлення газоподібних домішок
Метод абсорбції базується на властивостях деяких рідин і твердих речовин при контакті з багатокомпонентним газовим середовищем вибірково витягувати з нього окремі інгредієнти і поглинати (сорбувати) їх.
Абсорбція − поглинання газів або пари з газових або парогазових сумішей рідкими поглиначами, які називають абсорбентами. Можливість здійснення процесу абсорбції грунтується на розчинності газів в рідинах. Процес абсорбції є вибірковим і оборотним, що дає можливість застосовувати його не тільки з метою отримання розчинів газів в рідинах, але також і для розділення газових або парових сумішей.
У останньому випадку після вибіркової абсорбції одного або декількох компонентів з газової або парової суміші проводять десорбцію − виділення цих компонентів з рідини − і таким чином здійснюють розділення. Регенерований абсорбент знову повертається на абсорбцію.
Поглинання газу може відбуватися або за рахунок його розчинення в абсорбенті, або в результаті його хімічної взаємодії з абсорбентом. У першому випадку процес називають фізичною абсорбцією, в другому − хемосорбцією. Можливо також поєднання обох механізмів процесу. Компоненти газової суміші, що абсорбуються, називають абсорбтивом, а ті що не абсорбуються − інертом.
Фізична сутність процесу абсорбції пояснюється так званою теорією плівки, згідно з якою при дотику рідини та газів на поверхні розділу фаз утворюється рідинна та газова плівка. За рахунок сил дифузії, розчинний в рідині компонент газоповітряної суміші проникає спочатку крізь газову плівку, а потім – крізь рідинну і потрапляє у внутрішні шари абсорбенту, розподіляючись в його об’ємі. Для проходження процесу дифузії необхідно, щоб концентрація вловлюваного компоненту в газоповітряній суміші була вищою, ніж його рівноважна концентрація над поверхнею рідини. Чим менш насичений розчин, тим більше газу він поглинає. Якщо концентрація вловлюваного компоненту в газовій суміші менша, ніж його рівноважна концентрація над поверхнею рідини, дифузія проходить в зворотному напрямку. При цьому спостерігається виділення розчиненого компоненту із розчину в газову фазу − десорбція, − що дозволяє вилучити поглинуті речовин із абсорбенту для їх утилізації або регенерації абсорбенту.
Абсорбентами служать окремі рідини або розчини активного компоненту в рідкому розчиннику. У всіх випадках до абсорбентів висувають ряд вимог, серед яких найбільш істотними є: висока здатність абсорбції, селективність, низький тиск пари, хімічна інертність по відношенню до поширених конструкційних матеріалів (при фізичній абсорбції − також до компонентів газової суміші), нетоксичність, вогне- і вибухобезпечність, доступність і не висока вартість.
При проведенні абсорбції як абсорбент застосовують воду, органічні розчинники, не вступаючі в реакцію з вилучаємим газом, і водні розчини цих речовин. При хемосорбції як абсорбент використовують водні розчини солей, органічні речовини і водні суспензії різних речовин.
Якщо розчинність газів при 0 °С і парціальному тиску 101,3 кПа складає сотні грам на 1 кг абсорбенту, то такі пари називають добре розчинними. Для видалення з технічних викидів таких газів, як NH3, НСl і HF, доцільно застосовувати як абсорбент воду.
Недоцільно використовувати воду для очищення викидів з нерозчинними в ній органічними домішками. Подібні забруднювачі як правило добре поглинаються органічними рідинами, серед яких можуть використовуватися як абсорбенти висококиплячі речовини, такі як етаноламіни і вуглеводні (мінеральні мастила).
Абсорбенти, які використовують для очищення відхідних газів приведені в табл. 7.1.
Таблиця 7.1.
Абсорбенти, які використовують для очищення відхідних газів
Компоненти, що поглинаються |
Абсорбенти |
Оксиди азоту N2O3, NO2, N2O5 |
Вода, водні розчини і суспензії: NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KОН, K2СО3, КНСО3, Са(ОН)2, СaСО3, Mg(OH)2, MgCO3, Ba(OH)2, ВаСО3, NH4HCO3 |
Оксид азоту NO |
Розчини FeCl2, FeSO4, Na2S2O3, NaHCO3, Na2SO3, NaHSO3 |
Діоксид сірі SO2 |
Вода, водні розчини: Na2SO3 (18…25%), NH4OH (5…15%), Са(ОН)2, Na2CO3 (15…20%), NaOH (15…25%), KОН, (NН4)2SО3 (20…25%), ZnSO3, K2СО3; суспензії CaO, MgO, СаСО3, ZnO, золи; ксилідин − вода в співвідношенні l:1, диметиланілін C6H3(CH3)2NH2 |
Сірководень H2S |
Водний розчин Na2CO3 + Na3AsO4 (Na2HАsO3); водний розчин Аs2О3 (8…10 г/л) + NН3 (1,2…1,5 г/л) + (NH4)3AsO3 (3,5…6 г/л); моноетаноламін (10…15%); розчини K3РO4 (40…50%), NH4ОH, K2CO3, Na2CO3, CaCN2, натрієва сіль антрахінондисульфокислоти |
Оксид вуглецю СО |
Рідкий азот; мідно-аміачні розчини [Сu(NН3)]n×СОСН |
Діоксид вуглецю СО2 |
Водні розчини Nа2СО3, K2СО3, NaOH, KОН, Са(ОН)2, NH4ОH, етаноламіни RNH2, R2NH4 |
Хлор Сl2 |
Розчини NaOH, KОН, Са(ОН)2, Na2CO3, K2СО3, MgCO3, СаСО3, Na2S2O3; тетрахлоридметан CCl4 |
Хлористий водень НС1 |
Вода, розчини NaOH, KОН, Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3 |
Сполуки фтору HF, SiF4 |
Вода, розчини Na2CO3, NaOH, Са(ОН)2 |
Перед обробкою органічними абсорбентами із відхідних газів необхідно видалити дисперсні домішки. Інакше абсорбенти швидко забруднюються і перетворюються у відходи, які практично не піддаються очищенню.
Органічні абсорбенти повинні мати низький тиск насиченої пари при температурі процесу. Розчинники з недостатньо низькою пружністю пари інтенсивно випаровуватимуться і забруднюватимуть оброблювані гази. Крім того, низькокиплячий абсорбент складно регенерувати, оскільки десорбувати з нього вловлену речовину нагріванням неможливо.
На інтенсивність переходу забруднювача з газової фази в рідку великий вплив роблять температура і тиск процесу, а також спосіб організації контакту фаз.
Із зростанням тиску і зниженням температури швидкість абсорбції збільшується. Абсорбенти, що працюють при негативних (за Цельсієм) температурах, прийнято називати холодоносіями, а процес абсорбції, що протікає в таких умовах, − контактною конденсацією.
Абсорбційну очистку викидів в атмосферу застосовують як для вилучення цінного компоненту з газу, так і для санітарного очищення газу. Вважають, що доцільно застосовувати абсорбцію, якщо концентрація даного компоненту в газовому потоці складає понад 1 %.
Поєднуючи абсорбцію з десорбцією, можна багато разів використовувати майже без втрат рідкий поглинач (абсорбент) в замкнутому контурі апаратів: абсорбер-десорбер-абсорбер, виділяючи поглинений компонент в чистому вигляді.
Розрізняють фізичну абсорбцію і хемосорбцію. При фізичній абсорбції розчинення газу в рідині не супроводжується хімічною реакцією або, принаймні, впливом цієї реакції на швидкість процесу можна нехтувати. Внаслідок цього фізична абсорбція не супроводжується тепловим ефектом. Якщо в цьому випадку температура початкових потоків газу і рідини дещо відрізняються, то таку абсорбцію можна розглядати як ізотермічну.
На рис. 7.1. представлена принципова схема установки для абсорбції певного компоненту з газового середовища із наступним його вилученням з абсорбенту (десорбції).
Рис. 13.1. Принципова схема установки для абсорбційно-десорбційного вловлення певного компоненту з газової суміші: