ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Абсорбция газовых примесей

Некоторые жидкости и твердые вещества при контакте с многокомпо­нентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдельные ингредиенты и поглощать (сорбировать) их.

Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем со­прикасающейся с ней конденсированной фазы, т. е. абсорбция - это процесс из­бирательного поглощения газа или пара жидкостью.. Обратный процесс, т. е. удаление из объема конденсированного вещества поглощенных молекул газа, называется дегазацией или де(аб)сорбцией.

Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых ком­понентов, называют растворителем, поглотителем или абсорбентом. Молекулы поглощаемого вещества - абсорбата удерживаются в объеме по­глотителя - абсорбента, равномерно распределяясь среди его молекул вследст­вие растворения или химической реакции. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, называют абсор - бтивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем. Аппараты, в кото­рых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберы

Процесс, завершающийся растворением абсорбата в поглотителе, называ­ют физической абсорбцией (в дальнейшем - абсорбция). При физической аб­сорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе.

Иногда растворяющийся газ вступает в химическую реакцию непо­средственно с самим растворителем. Процесс, сопровождающийся химиче­ской реакцией между поглощаемым компонентом и абсорбентом, называют хи­мической абсорбцией (в дальнейшем - хемосорбция). При хемосорбции абсор­бируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, об­разуя новые химические соединения в жидкой фазе.

Абсорбция представляет процесс химической технологии, вклю­чающей массоперенос между газообразным компонентом и жидким рас­творителем, осуществляемый в аппарате для контактирования газа с жид­костью.

Для более полного извлечения компонента из газовой смеси при фи­зической абсорбции необходимо использовать принцип противотока с не­прерывной подачей в абсорбер свежего раствора.

Для многократного использования поглотитель подвергают регене­рации, при этом из него извлекают абсорбтив, который реализуют в виде сырья для других процессов или целевого товарного продукта.

Если извлекаемый компонент не представляет ценности или процесс регенерации связан с большими трудностями, то поглотитель используют однократно и после соответствующей обработки сливают в канализацию.

Схема абсорбционной установки приведена на рис.4.1.

Растворение газа в жидкости называют абсорбцией газа жидкостью. По своей природе и свойствам растворы газов в жидкости ничем не отли­чаются от других жидких растворов. Обычно концентрации газов в них не­значительны, и растворы являются разбавленными. Исключение составля­ют системы, в которых растворимость газов весьма значительна вследст­вие их химического взаимодействия с растворителем, например аммиака или хлористого водорода с водой. Растворимость газов, помимо вида газа и растворителя, в большой степени зависит от температуры и давления.

Влияние давления при не слишком высоких его значениях достаточ­но хорошо выражается законом Генри: при постоянной температуре рас­творимость газа в растворителе прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.

Как правило, растворение газов в воде происходит с выделением те­пла и с уменьшением объема, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье при повышении температуры их растворимость снижается. Это иллюстрируют данные (табл. 4.1) по содержанию (в нормальных литрах) некоторых газов в 1 л воды при 760 мм рт. ст.:

Таблица 4.1

Содержание газов в^ 1 л воды

Однако в некоторых случаях, когда растворение сопровождается не выделением, а поглощением тепла, возрастание температуры приводит к увеличению растворимости газа.

Явление растворения газов в жидкости используется в различных процессах, в частности в абсорбционных методах очистки отходящих газов промышленных производств, при сатурации и для извлечения отдельных частей газовой смеси жидкими поглотителями (жидкостная хроматогра­фия).

Применение абсорбции особенно эффективно при значительных концентрациях газообразных загрязнителей. Однако возможно применение растворителей и при весьма низких концентрациях, когда растворимость газа в жидкости очень высока. Наиболее часто в качестве растворителя ис­пользуется вода. Для поглощения газов, плохо растворимых в воде, можно применять малолетучие растворители с низким давлением пара, например, углеводороды.

В качестве абсорбента можно в принципе использовать любую жид­кость, которая растворяет извлекаемый компонент. Но для применения в промышленных масштабах абсорбент должен отвечать ряду требований, среди них: необходимая поглотительная способность (абсорбционная ём­кость), высокая селективность (избирательность) по отношению к погло­щаемому компоненту, невысокая летучесть, небольшую вязкость, способ­ность к регенерации, быть термохимически устойчивыми, не проявлять коррозионную активность, доступность и невысокая стоимость. Желатель­но, чтобы поглотительный раствор имел более высокую, чем вода, темпе­ратуру кипения.

Поскольку абсорбента, соответствующего всем требованиям, нет, ос­танавливаются на поглотителе, удовлетворяющем конкретным условиям.

При физической абсорбции обычно используют в качестве абсорбента воду, а также органические растворители и неорганические, не реагирую­щие с извлекаемыми компонентами и их водными растворами.

Вода — дешевый и доступный абсорбент для очистки больших объе­мом газа. В качестве абсорбентов для очистки выбросов на практике использу­ют только капельные жидкости. Выбор абсорбента зависит от ряда факторов; главным среди них является способность поглощать загрязнитель из газовой фа­зы.

При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные раство­ры солей, органические вещества и водные суспензии различных веществ. При использовании воды абсорбируемый газ должен достаточно хорошо растворяться в ней при данной температуре в системе газ-жидкость. Для абсорбции газообразных загрязнителей с ограниченной растворимостью в воде, таких как SO2 или бензол, необходимы очень большие количества воды. Вода обладает высокой эффективностью при удалении кислых рас­творимых газов, таких как HCl, HF и SiF4 при использовании слабощелоч­ной воды, для улавливания NH3 подкисленной водой. Газы с меньшей рас­творимостью, например SO2, Cl2 и H2S, легче абсорбируются не чистой во­дой, а щелочными растворами, в частности, разбавленным NaOH или вод­ным раствором (суспензией) извести, т. е. в последнем случае более приемле­ма хемосорбция.

Нецелесообразно использовать воду для очистки выбросов с нерас­творимыми в ней органическими примесями. Подобные загрязнители как правило хорошо поглощаются органическими жидкостями, среди которых могут использоваться как абсорбенты высококипящие вещества, такие как этаноламины и тяжелые предельные углеводороды (минеральные масла).

Абсорбция органическим растворителем наиболее эффективна для удаления органических газообразных загрязнителей, поскольку в этом случае обеспечивается хорошая растворимость. В качестве органических жидких абсорбентов применяются диметиланилин, моно-, ди - и триэтано - ламин и метилдиэтаноламин. Использование таких абсорбентов ограниче­но системами, не содержащими твёрдых частиц, поскольку твердые веще­ства загрязняют органические жидкости.

До обработки органическим абсорбентом из отбросных газов необхо­димо удалить дисперсные примеси, иначе абсорбент быстро загрязняется и становится отходом, практически не поддающимся очистке.

Органические абсорбенты должны иметь низкое давление насыщенных паров при температуре процесса. Растворители с недостаточно низкой упруго­стью паров будут интенсивно испаряться и загрязнять обрабатываемые газы. Кроме того, низкокипящий абсорбент сложно регенерировать, так как извлечь (десорбировать из него) уловленное вещество нагреванием невозможно.

На интенсивность перехода загрязнителя из газовой фазы в жидкую боль­шое влияние оказывают температура и давление процесса, а также способ ор­ганизации контакта фаз.

С ростом давления и снижением температуры скорость абсорбции увеличивается. Абсорбенты, работающие при отрицательных (по Цельсию) температурах, принято называть хладоносителями, а процесс абсорбции, про­текающий в таких условиях - контактной конденсацией.