2.4.1. Метод абсорбции

Этот метод заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси поглотителями, называемыми абсорбентами, с образованием раствора. Физическая сущность процесса объясняется пленочной теорией, согласно которой при соприкосновении жидких и газообразных веществ на поверхности раздела фаз образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый в жидкости компонент газовоздушной смеси из-за градиента концентрации проникает путем диффузии сначала через газовую пленку, а затем сквозь жидкостную и поступает во внутренние слои абсорбента.

Абсорбент выбирают из условия растворимости в жидкости поглощаемого газа, температуры и парциального давления газа. Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый и фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость этих газов в ней составляет сотни граммов на 1 кг Н₂О. В то же время из-за низкой растворимости сернистого ангидрида или хлора (сотые доли граммов на 1 кг воды) расход воды будет значительным, поэтому для поглощения этих веществ применяют другие жидкости или другие методы, например, адсорбцию для концентрирования газа и каталитические методы для перевода их в концентрированные кислоты, например, серную или соляную. В некоторых случаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как серная кислота (для улавливания водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа) и др.

Применение абсорбционных методов очистки, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбция растворенного газа (или регенерация растворителя) проводится либо снижением общего давления примеси, либо повышением температуры, либо использованием обоих приемов одновременно.

В зависимости от конкретных задач применяются абсорберы различных конструкций: пленчатые, насадочные, трубчатые и др. Наибольшее распространение получили скрубберы, представляющие собой насадку 1, размещенную в полости вертикальной колонны (рис. 2.15). В качестве насадки, обеспечивающей большую поверхность контакта с жидкостью, обычно используют кольца Рашига, кольца с перфорированными стенками и др. Материалы для изготовления насадки (керамика, фарфор, уголь, пластмассы, металлы) выбирают исходя из соображений антикоррозионной устойчивости. Орошение колонн абсорбентом осуществляют при помощи одного или нескольких разбрызгивателей 2.

Рис. 2.15. Схема орошаемого скруббера-абсорбера с насадкой

1 – насадка; 2 – разбрызгиватель

Большое распространение получили башни с колпачковыми тарелками (рис. 2.16), в которых вместо насадки устанавливают несколько тарелок 1. Каждая тарелка снабжена колпачками 2 с зубчатыми краями, патрубками 3 и переливными трубками 4. Абсорбент в этих аппаратах стекает от тарелки к тарелке по переливным вертикальным трубкам. Очищенный газ движется снизу вверх, барботируя через слой жидкости. При прохождении между зубцами колпачков газ разбивается на множество струек и пузырьков, в результате чего образуется большая поверхность соприкосновения взаимодействующих веществ.

Рис. 2.16. Схема тарельчатого абсорбера

1 – тарелки; 2 – колпачки; 3 – патрубки; 4 – переливные трубки

В качестве абсорберов могут использоваться и такие устройства, как мокрые скрубберы Вентури, центробежные скрубберы и др.

Расчет абсорбера состоит в определении объемного расхода поглотительной жидкости Q_ж, необходимой поверхности F соприкосновения газа с жидкостью и параметров вспомогательной аппаратуры (мощность насосов, размер баков и т.п.).

Объемный расход поглотительной жидкости рассчитывают из уравнения материального баланса процесса абсорбции – масса поглощаемого компонента m, которая удалена из очищаемого газа, должна быть равна массе этого компонента, которая перешла в жидкость:

m = Q_г(Y₁ – Y₂) = Q_ж(Х₂ – Х₁), (2.21)

где Q_г – объемный расход очищаемого газа, м³/с;

Х₁ и Х₂ – начальная и конечная концентрации газообразного компонента в поглотительной жидкости, г/м³;

Y₁ и Y₂ – начальная и конечная концентрации поглощаемого газообразного компонента в очищаемом газе, г/м³.

Необходимую поверхность соприкосновения газа с жидкостью вычисляют по формуле

(2.22)

где k_a – коэффициент абсорбции (коэффициент массопередачи), определяемый по справочникам, кг/(м² ∙ч∙Па);

∆р_ср – средняя движущая сила абсорбции, Па.