7.1. Використання методів абсорбції і хемосорбції для вловлювання газоподібних домішок

Метод абсорбції базується на властивостях деяких рідин і твердих речовин при контакті з багатокомпонентним газовим середовищем вибірково витягувати з нього окремі інгредієнти і поглинати (сорбувати) їх.

Абсорбція − поглинання газів або пари з газових або парогазових сумішей рідкими поглиначами, які називають абсорбентами. Можливість здійснення процесу абсорбції грунтується на розчинності газів в рідинах. Процес абсорбції є вибірковим і оборотним, що дає можливість застосовувати його не тільки з метою отримання розчинів газів в рідинах, але також і для розділення газових або парових сумішей.

У останньому випадку після вибіркової абсорбції одного або декількох компонентів з газової або парової суміші проводять десорбцію − виділення цих компонентів з рідини − і таким чином здійснюють розділення. Регенерований абсорбент знову повертається на абсорбцію.

Поглинання газу може відбуватися або за рахунок його розчинення в абсорбенті, або в результаті його хімічної взаємодії з абсорбентом. У першому випадку процес називають фізичною абсорбцією, в другому − хемосорбцією. Можливо також поєднання обох механізмів процесу. Компоненти газової суміші, що абсорбуються, називають абсорбтивом, а ті що не абсорбуються − інертом.

Фізична сутність процесу абсорбції пояснюється так званою теорією плівки, згідно з якою при дотику рідини та газів на поверхні розділу фаз утворюється рідинна та газова плівка. За рахунок сил дифузії, розчинний в рідині компонент газоповітряної суміші проникає спочатку крізь газову плівку, а потім – крізь рідинну і потрапляє у внутрішні шари абсорбенту, розподіляючись в його об’ємі. Для проходження процесу дифузії необхідно, щоб концентрація вловлюваного компоненту в газоповітряній суміші була вищою, ніж його рівноважна концентрація над поверхнею рідини. Чим менш насичений розчин, тим більше газу він поглинає. Якщо концентрація вловлюваного компоненту в газовій суміші менша, ніж його рівноважна концентрація над поверхнею рідини, дифузія проходить в зворотному напрямку. При цьому спостерігається виділення розчиненого компоненту із розчину в газову фазу − десорбція, − що дозволяє вилучити поглинуті речовин із абсорбенту для їх утилізації або регенерації абсорбенту.

Абсорбентами служать окремі рідини або розчини активного компоненту в рідкому розчиннику. У всіх випадках до абсорбентів висувають ряд вимог, серед яких найбільш істотними є: висока здатність абсорбції, селективність, низький тиск пари, хімічна інертність по відношенню до поширених конструкційних матеріалів (при фізичній абсорбції − також до компонентів газової суміші), нетоксичність, вогне- і вибухобезпечність, доступність і не висока вартість.

При проведенні абсорбції як абсорбент застосовують воду, органічні розчинники, не вступаючі в реакцію з вилучаємим газом, і водні розчини цих речовин. При хемосорбції як абсорбент використовують водні розчини солей, органічні речовини і водні суспензії різних речовин.

Якщо розчинність газів при 0 °С і парціальному тиску 101,3 кПа складає сотні грам на 1 кг абсорбенту, то такі пари називають добре розчинними. Для видалення з технічних викидів таких газів, як NH₃, НСl і HF, доцільно застосовувати як абсорбент воду.

Недоцільно використовувати воду для очищення викидів з нерозчинними в ній органічними домішками. Подібні забруднювачі як правило добре поглинаються органічними рідинами, серед яких можуть використовуватися як абсорбенти висококиплячі речовини, такі як етаноламіни і вуглеводні (мінеральні мастила).

Абсорбенти, які використовують для очищення відхідних газів приведені в табл. 7.1.

Таблиця 7.1.

Абсорбенти, які використовують для очищення відхідних газів

Перед обробкою органічними абсорбентами із відхідних газів необхідно видалити дисперсні домішки. Інакше абсорбенти швидко забруднюються і перетворюються у відходи, які практично не піддаються очищенню.

Органічні абсорбенти повинні мати низький тиск насиченої пари при температурі процесу. Розчинники з недостатньо низькою пружністю пари інтенсивно випаровуватимуться і забруднюватимуть оброблювані гази. Крім того, низькокиплячий абсорбент складно регенерувати, оскільки десорбувати з нього вловлену речовину нагріванням неможливо.

На інтенсивність переходу забруднювача з газової фази в рідку великий вплив роблять температура і тиск процесу, а також спосіб організації контакту фаз.

Із зростанням тиску і зниженням температури швидкість абсорбції збільшується. Абсорбенти, що працюють при негативних (за Цельсієм) температурах, прийнято називати холодоносіями, а процес абсорбції, що протікає в таких умовах, − контактною конденсацією.

Абсорбційну очистку викидів в атмосферу застосовують як для вилучення цінного компоненту з газу, так і для санітарного очищення газу. Вважають, що доцільно застосовувати абсорбцію, якщо концентрація даного компоненту в газовому потоці складає понад 1 %.

Поєднуючи абсорбцію з десорбцією, можна багато разів використовувати майже без втрат рідкий поглинач (абсорбент) в замкнутому контурі апаратів: абсорбер-десорбер-абсорбер, виділяючи поглинений компонент в чистому вигляді.

Розрізняють фізичну абсорбцію і хемосорбцію. При фізичній абсорбції розчинення газу в рідині не супроводжується хімічною реакцією або, принаймні, впливом цієї реакції на швидкість процесу можна нехтувати. Внаслідок цього фізична абсорбція не супроводжується тепловим ефектом. Якщо в цьому випадку температура початкових потоків газу і рідини дещо відрізняються, то таку абсорбцію можна розглядати як ізотермічну.

На рис. 7.1. представлена принципова схема установки для абсорбції певного компоненту з газового середовища із наступним його вилученням з абсорбенту (десорбції).

Рис. 7.1. Принципова схема установки для абсорбційно-десорбційного вловлювання певного компоненту з газової суміші: