Глава 15
АБСОРБЕРЫ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Для очистки газов от вредных газообразных компонентов используют преимущественно сорбционные методы. Процессы сорбции являются процессами массообмена, т.е. диффузного перехода газообразного компонента в жидкую или твердую среду.
Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения газообразного компонента (сорбтива) из газообразной смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Этот процесс ведут в аппаратах, называемых абсорберами. В случае, когда процесс абсорбции идет за счет физического поглощения абсорбентом того или иного газообразного компонента, он называется физической абсорбцией. При наличии химической реакции между поглощаемым компонентом и абсорбентом с образованием нового химического соединения процесс называется хемосорбцией. Возможно сочетание обоих процессов.
Физическая абсорбция является обратимым процессом. Это значит, что при определенных условиях поглощенный газ можно выделить из абсорбента и, следовательно, восстановить последний в его первоначальном состоянии. Такой процесс, называемый десорбцией, широко применяют в технике с целью многократного использования абсорбента.
§ 1. Основы процесса физической абсорбции
Газ или определенный газовый компонент при соприкосновении с жидкостью растворяется в ней. Чем больше парциальное давление газового компонента, тем в большем количестве способен он раствориться в жидкости (абсорбенте).
Наряду с растворением газа в жидкости может идти и обратный процесс перехода газа, растворенного в жидкости, в газовую фазу, где он отсутствует или парциальное давление его мало. Выделение растворенного компонента из раствора происходит вследствие снижения его парциального давления в газовой фазе и снижения растворимости его в жидкой фазе.
Таким образом, между газом и жидкостью по истечении некоторого времени всегда устанавливается равновесное состояние.
Для равновесного состояния идеального газа справедлива зависимость, которую называют законом Генри и выражают формулой
р = ψх, (15.1)
где х — концентрация газового компонента в жидкости; р — равновесное парциальное давление этого компонента в газовой смеси, Па; -ψ — коэффициент, зависящий от свойств газа и жидкости и температуры, Па (табл. 15.1).
Таблица 15.1. Значения коэффициента ψ
-
Газ
Коэффициент ψ при
0 °С
30 °С
60 °С
Аммиак
0,0269
0,133
0,497
Диоксид серы
0,145
0,962
1,68
Диоксид углерода
30,2
80,6
178
Кислород
1450
2720
3650
В соответствии с законом Генри зависимость между концентрацией сорбтива в газовой и жидкой фазе в равновесном состоянии будет выражаться линией ОС (рис. 15.1). Закон Генри справедлив для слабоконцентрированых растворов и нарушается в случае высококонцентрированных растворов, а также при наличии между поглощающей жидкостью и поглощаемым газом химического воздействия.
Рис. 15.1. Схема процесса абсорбции в условиях противотока газа и жидкости. Принятые обозначения: ОС — линия равновесия y* = f(x); AB — рабочая линия — прямая, проходящая через точки yи хн и yв хв.
Растворимость газа в жидкости повышается с увеличением парциального давления газового компонента и понижается с увеличением температуры. Растворимость газов в жидкостях различна. Например, при нормальных условиях (р = 101,3 кПа, Т = 0 °С) для хорошо растворимых в воде газов (аммиака, хлористого и фтористого водорода) она измеряется сотнями граммов на 1 кг воды, а для плохорастворимых газов (кислорода, азота, оксида углерода) — десятыми и сотыми долями грамма на 1 кг воды. Хлор и диоксид серы имеют среднюю растворимость.
Физическую абсорбцию водой в чистом виде можно применить только для хорошо растворимых газов (аммиака, хлористого и фтористого водорода). Абсорбция диоксида серы будет нецелесообразна из-за большого расхода воды. Удаление из газов оксида углерода путем промывки водой практически невозможно.
Труднорастворимые компоненты в некоторых случаях можно удалять из газов, промывая их жидкостями, химически реагирующими с поглощаемым компонентом, т.е. применяя хемосорбцию.
Десорбцию осуществляют отгонкой в токе инертного газа, подводом тепла к абсорбенту, снижением давления газа над абсорбентом.