КІРІСПЕ

Тақырыптың өзектілігі: Абсорбция бұл процесс газ қосылысының кейбір компоненттерін толық түрде жұтуға негізделген. Газ ауа қоспасындағы бір немесе бірнеше компоненттерді абсорбент (сіңіргіш) бойына сіңіру арқылы бөледі. Абсорбентті газдың белгілі сіңіргішке сұйықтықта еру жағдайларына (еріткіш бетіндегі парциалды қысым) қарай таңдайды. Абсорбент таңдаудың негізгі шарты бұл бөлінетін газдың сол сіңіргіш сұйықтықта температурамен қысымға байланысты ерігіштігі саналады. Газдың құрамына қарай абсорбентті арнайы таңдаудан өткізеді. Көп жағдайда абсорбент ретінде бензинді, керосинді немесе дизелдік дистиляттарды қолданады. Көмірсутектер ауыр болған сайын олардың абсорбентте ерігіштігі жоғарлай түседі.

Көптеген маңызды өнеркәсіптік процестер, азот қышқылының, тұз және күкірт қышқылының, соданың өндірісі, өнеркәсіпте газдарды зиянды қоспалардан тазарту, көмірсутек газдарын бөліп алу, сонымен қатар жеке көмірсутектерді алу абсорбция процесіне негізделеді.

Курстық жобаның мақсаты: Абсорбер аппаратының жұмыс жасау әрекетімен танысып, негізгі параметрлерін технологиялық есептеу.

Қойылған мақсатқа жету үшін келесідей міндеттер қойылады:

1) Абсорбция процесін толық меңгеру;

2) Абсорбциялық аппараттардың түрлері мен олардың жұмыс істеу принциптерімен танысу;

3) Абсорбциялық аппараттың технологиялық есебін шығару.

1 Әдеби шолу

1.1 Абсорбция процесі туралы жалпы түсінік

Газдар немесе булар мен газдар қоспаларынан бір немесе бірнеше құрастырушулардың сіңіргіш сұйықтармен сіңірілуі абсорбция деп аталады.

Сіңірілетін газды абсорбтив, ал сіңіргіш сұйықты абсорбент деп аталады. Абсорбция жылдамдығы газ қоспасындағы сіңірілетін газдың концентрациясы сол компоненттің сұйықтағы концентрациясынан қанша есе артық екеніне тәуелді.

Абсорбция екіге бөлінеді: химиялық және физикалық. Физикалық абсобция кезінде абсорбтив абсорбентпен химиялық әрекеттеспейді. Егер абсорбтив абсорбентпен химиялық әрекеттессе, ондай процесті хемосорбция деп атайды.

Физикалық абсорбция процесінде абсорбер мен газ қоспасы жылу бөлу, температура артуымен жүреді.

Температураның артуы сұйықтағы газдың еруін төмендетеді. Егер абсорбция процесінде температура өзгермесе, онда абсорбцияны изотермиялық деп атайды. Ал егер температура жоғарласа изотермиялық емес абсорбция деп атайды.

Физикалық абсорбцияның жылдамдығы диффузия заңымен анықталады. Ол мына теңдеу бойынша:

К_уΔу_орт =

мұндағы К_у – масса беру коэффициенті;

Δу_орт – процестің орташа қозғалыс күші.

Хемосорбцияны химиялық технологияда абсорбция процесін арттыру үшін қолданады, бұл уақытта абсорбент газ тектес компонентпен химиялық реакцияға түседі. Осы кезде хемосорбцияның жылдамдығы екі фактормен анықталады: масса алмасу интенсивтілігі мен химиялық реакцияның ағу жылдамдығы. Хемосорбцияға мысал келтірсек, судың SO₃ газын сіңіріп күкірт қышқылын түзуі. Егер реакция сұйық фазада жүрсе (SO₃ + H₂O = H₂SO₄), онда газ тектес компонент ұштастыратын күйге ауысады ( H₂SO₄). Жалпы жағдайда хемосорбцияның жылдамдығы реакцияның жылдамдығына және фаза арсындағы масса беру жылдамдығына тәуелді. Бұл процестің жүру ауданына сәйкес кинетикалық және диффузиялық болып бөлінеді.

Кинетикалық аудандағы химиялық реакция жылдамдығы масса беру жылдамдығына қарағанда төмен, сондықтан жалпы процестің жылдамдығы химиялық өзара әсерлесуімен анықталады.

Диффузиялық ауданда реакция аймағындағы диффузия компоненттінің жылдамдығы фазаның гидродинамикалық және физикалық қасиеттерімен анықталады.

Физикалық абсорбция көбінесе қайтымды процесс, яғни сіңірілген газды ерітіндіден ажырату мүмкін. Мұндай абсорбцияға кері процесс – десорбция деп аталады. Десорбция үш тәсілмен жүргізіледі: инертті газ немесе су буының ағынында, абсорбентке жылу беру , абсорбент бетіндегі қысымды төмендету.

Инертті газды (буды) айдау кезінде десорбиялық агент ретінде ерітіндімен байланысатын инертті газ немесе су буы қолданылады. Бұл процесс барботажды және насадкалы колонналарында қарама-қарсы бағыттала жүргізіледі. Инертті агент ретінде көбінесе ауа қолданылып, бөлінген компонентпен араласады. Бұл әдіс бөлінген компонент келешекте қолданылмаса ғана қолданылады.

Су буы десорбциялы агент ретінде судың құрамындағы ерімейтін газдарды бөлу үшін қолданылады. Ажыратылған газбен су буының қоспасы колоннадан шығарылып конденсаторға беріледі. Мұнда су буы конденсацияланып, ажыратылған газ таза күйінде алынады. Егер газдың қайнау температурасы жоғары болса, онда ол су буымен бірге конденсацияланады да, кейін тұндыру арқылы ажыратылады.

Абсорбентке жылу беру кезінде температура артып, газдың еруі азаяды және абсорбенттің құрамындағы еріген газдар бөлінеді. Бірақ газбен бірге артық абсорбенттің бір бөлігі жойылады. Абсорбент бетіндегі қысымды төмендету сұйықтағы газдың ерігіштігін төмендетуге негізделген. Егер абсорбция атмосфералық қысымнан жоғары қысымда өткізілсе, онда десорбцияны атмосфералық қысымға дейін төмендетіліп өткізіледі. Ал егер абсобцияны атмосфералық қысымда жүргізсе, онда десорбцияны вакуумда өткізіледі, сол кезде десорбер компонентін вакуум-насоспен сорылады [1].

Абсорбция және десорбция процестеріне қысым, температура, абсорбент пен десорберленетін агенттің меншікті шығымы әсерін тигізеді. Қысымды жоғарлатып және температураны төмендетсек абсорбция тездеп, десорбция төмендейді.

Абсорбция пайда болуында негізгі қиыншылық абсорбентті таңдау және газ бен сұйықтың әсер жасауда рационалдық шарттарды құру.

Абсорбентті таңдауда келесідей талаптар қойылады:

– селективтілігі, яғни сіңірудің толық компонетті аздаған ерітінді түрінде оны газ–тасымалдағыш болдыру қабілеттілігі, ол дегеніміз сұйық фазаны тек сіңіргіш компонент ету және газ–тасымалдағышта газды қалдыру;

– жұмыс жағдайы кезінде сұйық фазада сіңіргіш компоненттің жоғарғы ерігіштігі;

– аса төмен ұшқыштығы (идеалды болса – нөл) жұмыс температурасында абсорбент буының аз серпімді болуында, газбен бірге шығымның болмауы үшін;

– жұмысқа тұрақтылығы, яғни абсорбент өзгерістерге – тотығу, таралу

және т.б көп ұшырамау қажет;

– жұмысқа ыңғайлығы, аппаратқа коррозиялық қабілеттілігінің аз болуы;

– қол жетерлік және арзан болуы.

Көп жағдайда өндірістік абсорбенттер жоғарыда көрсетілген талаптарға

толықтай қанағаттандырылмайды. Сондықтан өндірісте келісімге келуге тура келеді, абсорбентті таңдар алдында процестің өту жағдайына, талабына сәйкестендіріп алуға тура келеді (газ қоспасының қасиеті мен құрамына, газдың қысымы мен температурасына және т.б).

Дайындалған абсорбент (абсорбенттегі еріген сіңіргіш компонент) құрамынан еріген сіңіргіш компонентті өңдеу керек. Көп жағдайда десорбция арқылы жүргізіледі. Абсорбент құрамында сіңіргіш компоненттің аз болуы оны қайтадан абсорбент ретінде қолдануға мүмкіндік береді [2].

Абсорбция процесінде:

• кем дегенде екі фаза қатысады: сұйық және газ;

• бір фазадан екінші фазаға зат алмасу бөліну фаза шекарасыменжүргізіледі;

• масса алмасу процесі теңесу фазасы заңымен, сыртқы жағдайлармен анықталады.

Абсорбция үш сатыдан өтеді: бөліну фаза шекарасынан компоненттің өтуі, газ ағын ядросынан бөліну фаза бетіне компоненттің орналасуы, бөліну шекарасынан қабылдағыш фаза ядросына компоненттің орналасуы.

Абсорбцияны қалдық (шығын) газдардан мына бүлдіргіш заттарды жою үшін қолданады: бұл SO₂, NO₂, HF, H₂S, NH₃ және т.б (кесте 1).

Әдетте сорбент ретінде жиі қолданылатын су, тұздың сулы ерітіндісі, сулы суспензия, органикалық заттар. Газдарды тазарту үшін қолданылатын кейбір абсорбенттер мына мысалда берілген [3].

Кесте 1 - Абсорбенттердің түрлері

Газ қоспасындағы бөлінген компонент	Абсорбент
Азот диоксиді	Су, соданың сулы ерітіндісі Na2CO3, аммиак суы NH4OH, кальций гидроксиданың сулы ерітіндісі Ca(OH)2
Күкірт диоксиді	Су, кальций гидроксиданың сулы ерітіндісі, поташтың сулы ерітіндісі (K2SO3) және т.б
Көміртек оксиді	Сұйық азот, мыс-аммиак ерітіндісі
Фенол	Қышқылдың сулы ерітіндісі

Абсорбция процесін десорбция процесімен жалғастырып өткізгенде сіңіргіш сұйық көп рет қайталап қолданылады және сіңірілген газ таза күйінде бөліп алынады. Көптеген жағдайларда абсорбент пен абсорбтив арзан және қажет емес өнім болғанда, десорбция процесін өткізуге қажет болмайды.

Абсорбция нәтижесінен бөлінген газдың техника–экономикалық көрсеткіштері абсорбер мен десорбердің жұмыс параметрлерінің таңдауына байланысты.

Қысымның көтерілуі абсорбция процесіне оң әсерін тигізеді. Ол абсорбенттегі газдың еруінің жоғарлауына, абсорбенттің меншікті шығымын төмендетуге және абсорбердегі табақша санын азайтуға мүмкіндік береді. Бірақ газды сығу кезінде қолданылатын энергия шығымы артады, ол жиі таңдалған аппараттың қысым мөлшерін шектейді.

Абсорбция процесінде температураны төмендету арқылы абсорбенттің меншікті шығымын төмендетуге және табақша санын азайтуға мүмкіндік береді. Өндірістік талаптарға сәйкес абсорбция температурасы қолданылатын салқындатқыш агентпен байланысты. Қазіргі заманғы абсорбциялық құрылғыларда өндірістік барлық газ құраушыларын шығаруды қамтамасыз етеді, салқындатқыш агенттерді қолданып төмен температурада экономикалық түрде тиімді екені көз жеткізілген.

Абсорбердегі табақша саны мен абсорбенттің меншікті шығымы өзара тығыз байланыста. Абсорбенттің шығымын көбейтіп, соған сәйкес табақша санын арттыруға болады немесе керісінше табақша санының артуы аппараттың биіктігінің артуына әкеледі.

Абсорбенттің шығымының көбеюі қосымша эксплуатациялық шығымымен байланысты. Сонымен бірге қыздырғыштарда және салқындатқыштарда капиталдық шығымы артады.

Абсорбердің жұмыстық шарты техника-экономикалық құрылғы есептеулерін жүргізу арқылы анықталады. Шын мәнінде, экономикалық жағынан тиімдірек болып келетін табақша саны жоғары болатын нұсқауында және салыстырмалы аз абсорбенттің меншікті шығымымында.

Химия өндірісінде абсорбция төмендегі мақсаттарда қолданылады:

• Газ қоспаларынан қымбат бағалы құрастырушыларды ажыратып алуда. Мысалы: крекинг газдарынан немесе метанның пиролизінен ацетиленді; мұнайды өңдеу қондырғыларынан әртүрлі көмірсутектерін алуда.

• Ауаға шығарылатын қалдық газдарды зиянды құрастырушылардан, мысалы: минерал тыңайтқыш өндірісінде фтор қоспаларынан, аммиак синтездегенде азотты сутегі қоспасынан CO және СО алуда.

• Дайын өнімдер, мысалы: SO₃, азот оксидтерін және HCl – ды сумен сіңіру арқылы күкірт, азот және тұз қышқылдарын алуда қолданады [4].

Техника–экономикалық көрсеткіші десорберде тағы да процестің температурасына, шығымына және аппараттың қысымына тәуелді.

1.2 Абсорбция процесінің физикалық негіздері

Абсорбциядағы тепе-теңдік.

Абсорбция процесінде ерітіндідегі газдың құрамы сұйықпен газдың қасиеттеріне, қысымға, температураға және газды фазаның құрамына байланысты болады.

Абсорбциялы – десорбциялы процестер үшін газдар және олардың сұйықтағы ерітінділері арасындағы тепе–теңдік Генри заңымен өрнектеледі: сұйықта ерітілген газдың порциалдық қысымы (Ра) оның ерітіндідегі мольдік үлесіне (Ха) пропорционал :

Р н* = E X A

немесе газдың сұйықтағы мольдік үлесі:

Х A* =

РA* – ХA ерітіндімен тепе – теңдіктегі газдың парциалдық қысымы;

ХA* – сіңірілетін газдың парциалдық қысымы РA болған газды фазамен тепе – теңдіктегі ерітіндідегі газдың концентрациясы (мольдік үлесте).

Е – Генри коэффициенті.

Генри коэффициентінің температураға байланысы төмендегі формуламен өрнектейді:

LnE = ,

G – газдың дифференциалдық еру жылуы;

R – газ тұрақтылығы;

С – газбен сіңіргіштің табиғатына байланысты тұрақтылық.

Идеал ерітінділер үшін Р–Х диаграммада тепе–теңдік концентрациялардың қысымға байланысы түзу сызықтармен өрнектеледі. Бұл түзу сызықтардың көлбеу бұрышының тангенсі (tgα) Генри коэффициентіне (Е) тең (1-сурет).

Сурет 1 – Р – Х диаграммада тепе–теңдік концентрациялары

Суреттен және (4) теңдеуден температура көбейген сайын Генри коэффициентінің мәні артады және газдың сұйықтағы ерігіштігі азаяды.

Егер сіңірілетін А құрастырушының газ қоспасындағы мольдік үлесі Уа – деп белгілеп, жүйедегі жалпы қысымы Р – болса, онда Дальтон заңы бойынша, парциалдық қысым (РA) мынаған тең болады:

Р A = У A Р

Бұл мәнді (1) теңдеуге қойсақ:

У A* = ,

= m – таралу коэффициенті деп аталады, онда Генри заңын төмендегіше жазуға болады:

У A* = m X A

Бұл заңды сұйық температурасынан аумалы температуралары жоғары болған газдардың ерітінділері үшін және тек идеалды ерітінділер үшін қолданылады [6].

Бұл заңға бағынбайтын жүйелер үшін теңдеулердегі m – коэффициенті айнымалы болады және тепе–теңдік сызығы қисық сызық болады. Жоғары қысымда (Р ≥ 10 атм) газ және сұйық арасындағы тепе–теңдік Генри заңына бағынбайды [6].

Фазалар құрамы абсолютті емес, салыстырмалы концентрацияда өрнектелсе, онда Генри заңы басқаша жазылады:

= ;

Пропорция қасиетіне негізделіп У* = mX / 1+(1-m)X, өте сұйықталған ерітінділер үшін (1-m)X = 0 деп қабылдауға болады::

У* = m X

1.3 Газ және сұйық жүйесінің абсорбциясы

Әрбір тығыз дене өзінің бетіне іргелес газ тәрізді заттарды сіңіреді. Егер осы дене кеуекті болса, мысалға ағаш көмір немесе кеуекті платина, онда барлық ішкі бөлігінде газдың тығыздалуы болады. Оған міне көрнекі мысал: егер ағаш көмірдің бір бөлшегін алып, оны құрамында көмірқышқылы және басқа газдар бар бөтелкеге салады. Оның бетін тез арада саусақпен жауып сынап ваннасының төмен бөлігіне апара ашсақ, онда біз сынаптың көтеріліп бөтелкеден шыққанын көреміз. Бұл көмірқышқылын сіңіргенін немесе газ абсорбциясының болғанына тура дәлел. Көмірді ұнтақтасақ мысалы фабрикада оны ұнтақ ретінде қарастырылып және үйінді түрінде жинайды, сол кезде ауаны сіңіру нәтижесінде масса қызиды. Дәл осы қызуы абсорбция процесіне және абсорберлердің платиналық табақша құрылғысына тәуелді. Бұл құрылғылардағы платина бөлшегі ауадағы оттегіні тығыздайды және бағытталған сутек баяу жинала бастайды да, ең соңында тұтанады. Абсорберленетін заттар ауадан су буын сіңіріп, бір мезетте су түзеді. Сондықтан ылғалды күйде болады, мысалы поташ, хлорлы кальций және т.б денелерді гигроскопиялық деп атайды. Кеуекті денелермен газ абсорбциясы алғашқы байқалуы мен зерттелуі 1977 жылы Фонтан мен Шееленің бір уақытта бастау алды. Содан кейін көптеген физиктердің зерттеулері жүргізілді, оның ішінде ең басты 1913 жылы Соссюра болды. Ең жоғарғы сіңіргіш көмір мен кеуектастың көрсеткіші болып табылады. Көлемі 1-ге тең 724 мил. атм. 90 көлемді аммиакты, 84 хлорлы сутекті, 25 көмірқышқылын 9,42 оттекті жұтады. Салыстыра келе кеуектас бірден-бір жақсы абсорбент, неғұрлым сұйықта газ таралса, соғұрлым ол жылдам сіңіріледі. Қысыммен қыздырылуы төмендесе сіңірілетін газдың да көлемі азаяды. Органиакалық көмір тек қана газды емес, сұйық және қатты заттарды да сіңіреді, сондықтан қантты түссіздендіруге, алкагольді тазартуға және т.б үшін қолданылады. Абсорбция кезінде әрбір қатты дене тығыздалған бу мен газдармен қоршалған. Мұның себебі, Вайджелюдің пайымдауынша Мусердің ашқан түсінігімен білуге болады, ал бұл деген үрлеу арқылы алынған шыныдағы таңғажайып көрініс. Яғни, шыныға клиша немесе қандай да бір бедерлі суретті қойып, кейін оны алып дәл сол жерді үрлесек шыныда сол суреттің түсірмесі шығады. Ол шынының бетінде газдардың бағытсыз таралуынан пайда болады екен.

Қатты денелермен бірге сұйықтар да сіңіру қасиеттіне ие, әсіресе оларды қандай да бір ыдыста араластырса, 1 көлемді су 15°С және 144 мил. қысымда 1/50 көлемді атмосфералық ауаны, 1 көлем көмірқышқылын, 43 көлемді күкіртті газын және 727 көлемді аммиакты сіңіреді. 0°С және 760 мил. барометрлік қысымда, бірлік көлемде сұйық сіңіретін газды осы сұйықтың газ коэффициенті деп аталады. Неғұрлым қысымы жоғары және температурасы төмен болса, соғұрлым газдың сұйықта еруі артады (сіңірілу коэффициенті жоғары болады). Сұйық және қатты дене сол уақытта әртүрліқасиетті газдарды сіңіреді, сондықтан да әр сұйықтағы сіңірілетін газдың мөлшерін есептеуге болады. Сұйықтағы газ абсорбциясының зерттелуі 1803 жылы Аириден бастау алып, кейін 1813 жылы Соссюра мен Бушеном жалғастырды

Кейбір өндірісте абсорбер қабырғалары қышқылға төзімді кірпішпен қапталған, ал желдеткіш тор андезитті немесе басқадай қышқылға төзімді плиталардан жасалынған. Абсорбер қондырмасы бойынша қышқылдың бірқалыпты таралуы үшін түрлі аспаптар мен ыңғайлықтар қолданылады, мысалы болаттан жасалған плиталар, оған болат немесе фасфорлы мұржалар қойылған, таратушы астаулар, шашыратқыштар [7].