сложный по конструкции аппарат колонного типа со встроенными холодильником 1, распределительными тарелками 2 и 5 и подогревателем 6. Зернистый адсорбент, поступающий в аппарат через верхний патрубок, движется самотеком сверху вниз и проходит последовательно через зоны охлаждения, адсорбции и десорбции. Регенерированный адсорбент, охлажденный в трубах холодильника 1, проходит через распределительную тарелку 2 и поступает в зону адсорбции, куда подается исходная парогазовая смесь через перфорированный патрубок 4. После взаимодействия с адсорбентом не поглощенная часть смеси выводится из адсорбера через патрубок 10, а насыщенный поглощенными компонентами адсорбент проходит через распределительную тарелку 5 и поступает в трубы подогревателя 6 зоны десорбции адсорбера. В эту зону через перфорированный патрубок 7 подается конкурирующий агент – водяной пар, который вытесняет из адсорбента поглощенные компоненты и выходит в смеси с ними через патрубок 9. В нижней части адсорбера имеется затвор 8, аналогичный по устройству с секторным питателем, с помощью которого регулируется скорость движения адсорбента.

Регенерированный адсорбент поступает в приемное устройство элеватора или пневмоподъемника (на схеме не показаны) и транспортируется к верхнему патрубку адсорбера. Далее процесс повторяется.

6.2.3. Аппараты для проведения процессов абсорбции

Сущность процесса абсорбции

Процессы абсорбции, также как и процессы адсорбции, используются в промышленности для выделения из газовых или парогазовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от

193

цесс десорбции компонента а из жидкости (абсорбента) и через определенный промежуток времени установится равновесие.

Влияние технологических параметров на протекание процессов абсорбции и десорбции

Растворимость газов в жидкостях зависит от физико-химических свойств этих газов и жидкостей, температуры процесса и парциального давления в газовой смеси поглощаемого компонента. Растворимость газов и паров в жидкостях сопровождается выделением тепла, так как процессы абсорбции экзотермические.

Зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлением в состоянии равновесия выражается законом Генри:

где ра – равновесное парциальное давление поглощаемого компонента а над абсорбентом, Па; Ψ – коэффициент пропорциональности (константа Генри), зависящий от свойств растворяемого газа, вида абсорбента и температуры, Па; Ха – содержание растворенного компонента а в абсорбенте,

кг/кг абсорбента.

Константа Генри зависит от природы растворяемого компонента и температуры:

где q – теплота растворения газа, Дж/моль; R = 8,314 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная; Т – температура процесса, К; С – постоянная, зависящая от природы газа и жидкости.

Константа Генри увеличивается с ростом температуры, асимптотически приближаясь к значению постоянной С. Анализ выражений 6.29 и 6.30 показывает, что с повышением температуры процесса растворимость поглощаемого компонента в жидкости уменьшается, а с повышением его парциального давления – растет. Парциальное давление компонента можно увеличить за счет повышения его концентрации в смеси или за счет повышения общего давления системы.

Таким образом, процессу абсорбции способствуют: повышенное давление среды, высокая концентрация поглощаемого компонента и пониженная температура (процесс должен протекать с отводом тепла).

194

Для практических расчетов необходимо знать связь между содержанием абсорбируемого компонента в газовой фазе и в растворе.

Относительное весовое содержание компонента а в газовой (парогазовой) смеси определяется по формуле

где ma – масса поглощаемого компонента а в смеси, кг; mн – масса не поглощаемого (инертного) компонента, кг.

Вспомним, что

В этих выражениях: ρа и ρн – плотности соответственно поглощаемого и не поглощаемого компонентов смеси; φa и φн – объемные концентрации этих компонентов в смеси; рa и рн = робщ – ра – парциальные давления компонентов и робщ – общее давление парогазовой смеси.

Подставляя значения найденных величин в выражение 6.31, получаем:

В этом выражении в соответствии с законом Дальтона отношение ρа / ρн можно заменить на Ма / Мн (здесь Ma и Mн – молекулярные массы соответственно поглощаемого компонента а и инертного (не поглощаемого) компонента смеси).

Известно, что при небольших значениях ра по сравнению с робщ , что часто имеет место на практике, величиной ра в знаменателе выражения

6.32можно пренебречь.

Тогда с учетом зависимости 6.29 окончательно имеем:

195

Последнее уравнение показывает, что для идеальных газов линия равновесия в координатах у − х представляет собой прямую 1, проходящую

через начало координат под углом, тангенс которого равен К (рис. 6.12).

Закон Генри хорошо согласуется с данными опытов и для реальных газов при незначительных концентрациях поглощаемого компонента, а также при его малой растворимости в абсорбенте (линия 1). Для систем, не подчиняющихся закону Генри, коэффициент фазового равновесия К является переменной величиной, зависящей от состава раствора х. Линия равновесия в этом случае изображается выпуклой (3) или вогнутой (2) кривыми, которые на диаграмме у − х строятся по опытным данным.

Для определения расхода абсорбента рассмотрим процесс абсорбции, протекающий в элементарно малом объеме абсорбера dV (рис. 6.13).

Примем следующие обозначения:

х и у – текущие концентрации поглощаемого компонента в растворе

и газе, кг/кг; хн, хк – начальная и конечная концентрации абсорбированного ком-

понента в растворе, кг/кг чистого абсорбента; ун, ук – начальная и конечная концентрации абсорбированного ком-

понента в газе, кг/кг инертного газа;

L – количество чистого абсорбента протекающего через абсорбер, кг/с;

G – количество газа, поглощенного абсорбентом, кг/с;

Gн – количество не поглощаемого (инертного) компонента в газовой (парогазовой) смеси, проходящей через абсорбер, кг/с.

196

Количество компонента, поглощаемого абсорбентом при прохождении газового потока через элемент объема в единицу времени:

где dy и dx – изменения концентрации поглощаемого компонента соот-

ветственно в газе и растворе в элементе объема абсорбера dV. Отсюда

Теоретически при полном извлечении компонента его содержание в смеси на выходе из абсорбера составило бы ук = 0, а количество погло-

щенного компонента было бы равно Gн ун . Однако это состояние недости-

жимо и фактическое количество поглощенного компонента равно

Gн (ун − ук ).

Отношение фактического количества извлеченного компонента из газовой смеси к его теоретическому количеству при полном извлечении на-

зывается степенью извлечения ε (ε всегда меньше 1):

Степень извлечения является одним из критериев оценки эффективности однотипных производств на различных предприятиях.

Основные типы абсорберов

Аппараты, в которых протекают процессы поглощения газа и пара жидкостью называются абсорберами и скрубберами. Поскольку при абсорбции процессы массопередачи протекают на поверхности раздела фаз, эта поверхность должна быть максимально развитой. По способу образо-

197

вания поверхности соприкосновения фаз различают три типа абсорберов: поверхностные, барботажные и распыливающие.

поставленных на ребро, причем слои повернуты относительно друг друга на определенный угол. Преимуществом насадочных колонн является простота устройства, особенно важная при работе с агрессивными средами, т.к. в этом случае требуется защита от коррозии только корпуса колонны, а насадка выполняется из химически стойкого материала. К тому же насадочные колонны обладают низким, по сравнению с барботажными колоннами, гидравлическим сопротивлением. Однако насадочные колонны мало пригодны для работы с загрязненными механическими примесями абсорбентами, с небольшими расходами абсорбента, в этих колоннах затруднен отвод выделяющегося тепла.

198

Очищенный газ

носятся: необходимость затрат дополнительной энергии на распыление жидкости, трудность регулирования процесса и невозможность создания больших плотностей орошения.

Десорбция, или отгонка, то есть выделение растворенного газа из абсорбента, производится тремя способами: в токе инертного газа, выпариванием или перегонкой раствора в вакууме.

Десорбция в токе инертного газа (собственно десорбция) происходит при соприкосновении раствора с инертным газом, когда растворенный компонент переходит в газовую фазу вследствие того, что парциальное давление компонента над раствором выше, чем в инертном газе. В качестве инертного газа обычно используется воздух, а в случае десорбции нерастворимых в воде газов или паров – водяной пар. Десорберами в этом случае служат насадочные или барботажные колонны. Отработанный аб-

200

сорбент поступает в такие колонны сверху, а инертный газ – снизу; из нижней части колонны отводится регенерированный раствор, а из верхней

– смесь инертного газа с выделенным из раствора компонентом.

Отгонка путем выпаривания раствора производится его кипячением при атмосферном давлении или в вакууме. В этом случае из раствора выделяется не только поглощенный компонент, но и часть испаряющегося абсорбента. Отгонка в вакууме применяется в случаях, когда при атмосферном давлении невозможно достичь полного выделения компонента из поглотителя или имеется опасность термического разложения продуктов отгонки или абсорбента.

Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки про-

тивоточного типа показана на рис. 6.18. В состав установки входят две последовательно работающих абсорбционных колонны насадочного типа – абсорбер первой ступени 1 и абсорбер второй ступени 2, насадочная десорбционная колонна 11, а также теплообменники кожухотрубного типа, сборники и насосы.

11

10

12

9

8

6

Рис. 6.18. Схема двухступенчатой абсорбционной установки с десорбцией

Регенерированный в десорбционной колонне 11 абсорбент забирается из сборника 5 насосом 8, проходит через теплообменник 9, где он отдает свое тепло отработанному абсорбенту, идущему на десорбцию, охлаждает-

201