6. Сорбционные методы очистки газов от вредных газообразных компонентов

Для очистки газов от вредных газообразных компонентов используют преимущественно сорбционные методы. Процессы сорбции являются процессами массообмена, то есть диффузного перехода газообразного компонента в жидкую или твердую фазу. Основными видами аппаратов, применяемыми для очистки газов от вредных газообразных компонентов, являются абсорбция и адсорбция.

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения газообразного компонента (сорбтива) из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ не взаимодействует с абсорбентом химически. Физическая абсорбция, как правило, обратима, что позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

Адсорбцией называется процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом.

Процессы адсорбции, как и другие массообменные процессы, избирательны и, обычно, обратимы, то есть возможно протекание десорбции.

Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул сорбтива под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем.

Если в результате абсорбции или адсорбции образуются новые химические соединения, то такой процесс называют хемосорбцией.

6.1. Основы процесса физической абсорбции

Так как растворение газов в жидкости процесс обратимый, то по истечении некоторого времени между средами устанавливается равновесное состояние. Концентрация компонента в газовой фазе может быть выражена через его парциальное давление. На основании уравнений Клапейрона и Дальтона мольная (объемная) доля любого компонента смеси идеальных газов равняется:

, (6.1)

где р - парциальное давление компонента газовой смеси, Па; П - общее давление смеси газов или паров, определяемое как сумма парциальных давлений всех компонентов (Па):

.

Для равновесного состояния идеального газа справедлива зависимость, называемая законом Генри:

, (6.2)

где x - мольная доля компонента в жидкости; р* - равновесное парциальное давление этого компонента в газовой смеси, Па;  - коэффициент Генри, зависящий от свойств газа и жидкости и температуры, Па.

Значения коэффициента Генри () для различных газов приведены в таблице 6.1.

Закон Генри справедлив для слабо концентрированных растворов и нарушается в случае высококонцентрированных растворов, а также при наличии между поглощающей жидкостью и поглощаемым газом химического взаимодействия.

Растворимость газа в жидкости повышается с увеличением парциального давления газового компонента и понижается с увеличением температуры.

Уравнение материального баланса выражает закон сохранения массы в процессе абсорбции и для случая противотока газа и жидкости имеет вид:

, (6.3)

где М_г и М_ж - массовые расходы газовой смеси и жидкого абсорбента, кг/с; у_н и у_в - концентрации поглощаемого компонента в газовой смеси, на входе и выходе из абсорбера, кг/кг; x_н и x_в - концентрации поглощаемого компонента в поглощающей жидкости на входе и выходе из абсорбера, кг/кг.

Таблица 6.1.

Значения коэффициента Генри () для водных растворов некоторых газов

Газ	Коэффициент 10-6 при различных температурах, мм. рт. ст. *
	00С	10 0С	200С	300С	400С	600С	800С
Азот	40,2	50,8	61,1	70,2	79,2	90,9	95,9
Ацетилен	0,55	0,73	0,92	1,11	-	-	-
Водород	44	48,3	51,9	55,4	57,1	58,1	57,4
Воздух	32,8	41,7	50,4	58,6	66,1	76,5	81,7
Диоксид углерода	0,553	0,792	1,08	1,41	1,77	2,59	-
Кислород	19,3	24,9	30,4	36,1	40,7	47,8	52,2
Метан	17	22,6	28,5	34,1	39,5	47,6	51,8
Оксид углерода	26,7	33,6	40,7	47,1	52,9	62,5	64,3
Сероводород	0,203	0,278	0,367	0,463	0,566	0,782	1,03
Хлор	0,204	0,297	0,402	0,502	0,6	0,731	0,73
Этан	9,55	14,4	20	26	32,2	42,9	50,2
Этилен	4,19	5,84	7,74	9,62	-	-	-

Примечание:^*) При пересчете в систему СИ: 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

Физический смысл уравнения заключается в том, что убыль массы в газовой фазе равна приращению массы в жидкой фазе.

Удельный расход абсорбента определяется из уравнения материального баланса абсорбера:

, (6.4)

Вторым основным уравнением, необходимым для расчета процесса абсорбции, является уравнение массопередачи:

(6.5)

где М - масса поглощенного компонента, кг/с; F - поверхность, через которую идет абсорбция, м²; К_у - коэффициент массопередачи, кг/м²; у_ср- средняя движущая сила процесса абсорбции, зависящая от степени отклонения системы от равновесного состояния, определяемая по формуле:

, (6.6)

здесь - движущая сила на входе в абсорбер, кг/кг;

- движущая сила на выходе из абсорбера, кг/кг;

- концентрация улавливаемого компонента в газе при равновесном состоянии на входе в абсорбер, кг/кг;

- концентрация улавливаемого компонента в газе при равновесном состоянии на выходе из абсорбера, кг/кг.

Движущую силу процесса часто выражают через разность парциальных давлений:

, (6.7)

где р - фактическое парциальное давление поглощаемого компонента в газе, Па; р - парциальное давление в условиях равновесного состояния, Па.

Коэффициент абсорбции (массопередачи) можно определить из выражения:

, (6.8)

где m - тангенс угла наклона линии равновесия.

Процесс абсорбции для хорошо растворимых газов, в основном, определяется сопротивлением газовой пленки, то есть К_у  _у. Для плохо растворимых газов процесс абсорбции определяется сопротивлением жидкостной пленки, то есть .

Коэффициент абсорбции (массопередачи) зависит от свойств газа и жидкости, конструкции, скорости движения сред, температуры. Для его определения имеется ряд эмпирических формул, одна из которых для насадочного абсорбера и хорошо растворимого газа имеет следующий вид, кг/(м²чПа):

, (6.9)

где М_мг - молекулярная масса поглощаемого компонента; w - скорость газа в свободном сечении насадки, см/с; Т - абсолютная температура газа, К; d_экв - эквивалентный диаметр насадки (см. таблицу 6.2), мм; f₀ - удельная поверхность насадки (см. таблицу 6.2), м²/м³.

Таблица 6.2.

Характеристики некоторых насадок

Вид насадки	Удельная поверх- ность, f0, м2/м3	Свобод-ный объем, Vс, м3/м3	Удель-ная масса, кг/м3	Средний коэффициент сопротив-ления, ср	Эквива-лентный диаметр, dэкв, мм
Кварц 25 мм 75 мм	120 42	0,32 0,46	1600 1380	- 80	10,5 44
Кокс кусковой 25 мм 75 мм	120 42	0,53 0,58	600 550	240-300 35	18 55
Кольца керамические навалом 25253 50505	260 90	0,75 0,78	530 530	500-600 130-140	15 35
Кольца керамические уложенные 50505 100100100	110 60	0,73 0,72	650 650	10-12 1	27 48

Коэффициент абсорбции возрастает при увеличении скорости газа. Но при скорости газа, равной w  5-10 м/с, достигается равновесие между силой тяжести, под действием которой движется пленка, и силой трения у поверхности пленки, тормозящей ее движение. Это приводит к «захлебыванию» аппарата, которое сопровождается накоплением жидкости в аппарате, началом ее выброса и резким возрастанием гидравлического сопротивления.

Необходимую поверхность контакта между газом и жидкостью, которую надо создать в аппарате для достаточно полного поглощения газообразного компонента:

, (6.10)

Для уменьшения размеров аппарата следует стремиться к получению возможно больших значений К_у и у_ср. В абсорберах разной конструкции создание поверхности контакта осуществляется по-разному.

Десорбцию осуществляют отгонкой в токе инертного газа, подводом тепла к абсорбенту, снижением давления газа над абсорбентом.