logo
Pidrychnuk

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

Компоненти, що поглинаються

Абсорбенти

Оксиди азоту N2O3, NO2, N2O5

Вода, водні розчини і суспензії: NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KОН, K2СО3, КНСО3, Са(ОН)2, СaСО3, Mg(OH)2, MgCO3, Ba(OH)2, ВаСО3, NH4HCO3

Оксид азоту NO

Розчини FeCl2, FeSO4, Na2S2O3, NaHCO3, Na2SO3, NaHSO3

Діоксид сірі SO2

Вода, водні розчини: Na2SO3 (18…25%), NH4OH (5…15%), Са(ОН)2, Na2CO3 (15…20%), NaOH (15…25%), KОН, (NН4)23 (20…25%), ZnSO3, K2СО3; суспензії CaO, MgO, СаСО3, ZnO, золи; ксилідин − вода в співвідношенні l:1, диметиланілін C6H3(CH3)2NH2

Сірководень H2S

Водний розчин Na2CO3 + Na3AsO4 (Na2HАsO3); водний розчин Аs2О3 (8…10 г/л) + NН3 (1,2…1,5 г/л) + (NH4)3AsO3 (3,5…6 г/л); моноетаноламін (10…15%); розчини K3РO4 (40…50%), NH4ОH, K2CO3, Na2CO3, CaCN2, натрієва сіль антрахінондисульфокислоти

Оксид вуглецю СО

Рідкий азот; мідно-аміачні розчини [Сu(NН3)]n×СОСН

Діоксид вуглецю СО2

Водні розчини Nа2СО3, K2СО3, NaOH, KОН, Са(ОН)2, NH4ОH, етаноламіни RNH2, R2NH4

Хлор Сl2

Розчини NaOH, KОН, Са(ОН)2, Na2CO3, K2СО3, MgCO3, СаСО3, Na2S2O3; тетрахлоридметан CCl4

Хлористий водень НС1

Вода, розчини NaOH, KОН, Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3

Сполуки фтору HF, SiF4

Вода, розчини Na2CO3, NaOH, Са(ОН)2

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: