Процессы и аппараты абсорбционной очистки газов

 

Абсорбцией (газов) называют процесс извлечения одной или нескольких компонентов из газовой среды жидким поглотителем (абсорбентом), приводящий к образованию раствора. При абсорбции поглощение компонента происходит во всем объеме жидкости (абсорбента). Обратный процесс называется десорбцией. Если поглощение вещества связано с химическим взаимодействием с абсорбентом, процесс называется хемосорбцией. Если химическое взаимодействие отсутствует, процесс называется физической абсорбцией или просто абсорбцией.

Хемосорбция выгодна при небольшой концентрации загрязнителя, является одним из распространенных способов очистки отходящих газов от оксидов азота и серы. Отработанная жидкость может подвергаться десорбции -разложение соединений на исходные элементы различными способами, например нагреванием.

При выборе абсорбента предъявляется следующие требования:

− селективность − избирательное поглощение компонента;

− большая поглотительная способность − уменьшает затраты;

− низкая летучесть − избежание потерь с уходящим газом;

− устойчивость −отсутствие способности к разложению, окислению;

− доступность и дешевизна, легкая генерируемость.

На практике приходится идти на компромисс в каждом конкретном случае, так как абсорбент не может удовлетворять всем требованиям одновременно.

При проектировании абсорберов необходимо уделять внимание на организации контакта газового потока с жидким поглотителем. Чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потоков и диффузия, тем эффективнее процесс.

Газ называется хорошо растворимым, если его растворимость при t=0°C и Р=100кПа составляет сотни граммов на 1кг растворителя.

Например, для улавливания аммиака, хлористого и фтористого водорода в качестве абсорбента применяется вода; для улавливания паров воды −сернистая кислота; для улавливания ароматических углеродов − вязкие масла. Организация контакта газового потока с жидким поглотителем осуществляется пропусканием газа через насадочную колонну, распылением жидкости, барботированием и другими способами (см. тему 5). В связи с этим различают поверхностные, пленочные, насадочные, барботажные (тарельчатые), распыляющие абсорберы.

В поверхностных абсорберах с горизонтальным зеркалом жидкости газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно текущей жидкости, причем ее зеркало является поверхностью массообмена. Величина этой поверхности незначительна, вследствие чего поверхностные абсорберы применяют лишь при небольших масштабах производства. Обычно устанавливают несколько последовательно соединенных абсорберов с противоточным движением газа и жидкости. Для осуществления самотека жидкости абсорберы располагают ступенчато — каждый последующий по ходу жидкости аппарат несколько ниже предыдущего.

Для отвода тепла в абсорберах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим хладагентом. Кроме того, применяют наружное водяное охлаждение, помещая абсорберы в ящики с проточной водой или орошая водой их наружные стенки.

На рис. 6.1.1а приведен оросительный поверхностный абсорбер с горизонтальным зеркалом жидкости, а на рис. 6.1.2 представлен тот же абсорбер, но выполненный из неметаллического материала (графита), обеспечивающего высокую коррозионную стойкость для хлорсодержащих растворов, кислот и растворов солей. Эти абсорберы применяются в ограниченных случаях, так как они весьма материалоемкие, а удельная поверхность фаз незначительная. Они используются в основном для абсорбции хорошо растворимых компонентов из небольших объемов газа при одновременном отводе тепла.

Рис. 6.1.1 Поверхностные абсорберы: а−оросительный, с горизонтальным зеркалом жидкости; б−графитный

 

В пленочных абсорберах газ и жидкость соприкасаются на поверхности текущей жидкой пленки. Течение пленки происходит по вертикальным поверхностям, представляющим собой трубы или пластины.

Известны три типа пленочных абсорберов:

1. трубчатые абсорберы, в которых пленка стекает по внутренней
поверхности вертикальных труб;

2. абсорберы с листовой (плоскопараллельной) насадкой, в которых пленка стекает по обеим поверхностям вертикальных пластин;

3. абсорберы с восходящим (обращенным) движением пленки.

Аппараты первых двух типов работают при противотоке газа в жидкости (газ движется снизу вверх на встречу стекающей по поверхности пленке); они могут работать также при нисходящем прямотоке (газ и жидкость движутся сверху в низ). Абсорберы третьего типа работают при восходящем прямотоке (газ и жидкость движутся снизу вверх).

Рис. 6.1.2 Пленочные абсорберы с нисходящей пленкой: а−трубчатый; б−с листовой насадкой; 1−трубные решетки; 3−пластины; 4−распределительное устройство

 

На рис 6.1.2 приведены аппараты, работающие в режиме восходящей пленки жидкости. Трубчатые абсорберы, а также абсорберы с восходящим движением пленки могут применяться при одновременном отводе тепла в процессе абсорбции; по развиваемой в единице объема поверхности соприкосновения фаз и по интенсивности массопередачи эти абсорберы значительно превосходят поверхностные. В настоящее время пленочные абсорберы применяются сравнительно редко; из них наиболее распространены трубчатые абсорберы, используемые для поглощения хорошо растворимых газов (НО, NH3) из концентрированных газовых смесей при одновременном отводе тепла.

Принцип действия насадочной башни представлен на рис. 6.1.3 [7].

Рис. 6.1.3 Схема насадочного адсорбера: 1−корпус (башня); 2−оросительное устройство (форсунки); 3−насадки; 4−образуемый раствор

 

Загрязненный газ входит в нижнюю часть башни 1, проходит через насадки 3, где создается пленка жидкости (абсорбента). Чистый абсорбент поступает посредством форсунок 2. Улавливаемый компонент поглощается абсорбентом, и образуемый раствор 4 выводится через нижнюю часть башни. Очищенный газ выводится через верхнюю часть башни. Химически инертный насадок необходим для увеличения контакта фаз. В качестве насадки применяется изделия из керамики, фарфора, пластмассы, металлов различной формы (рис. 5.3.1). Образованный раствор подвергается десорбции снижением давления, повышением температуры и другими способами.

Насадочный абсорбер (рис. 6.1.4) [10] состоит из колонны, в которой помещена поддерживающая решетка 1 и на этой решетке уложен слой насадки 2. Орошающая жидкость подается на насадку при помощи распределительного устройства 3. В показанном на рис. 6.1а абсорбере насадки уложена сплошным слоем по всей высоте. Иногда ее укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки (рис. 6.1.46). В некоторых случаях при послойной укладке насадки между отдельными слоями устанавливают устройства 4 для перераспределения жидкости.

Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком, как показано на рис. 6.1.4. Прямоток (нисходящий) применяют довольно редко. Однако в последнее время большое внимание уделяют
созданию прямоточных насадочных абсорберов, работающих с большими скоростями газа (до 10 м/с). При таких скоростях, которые в случае противотока недостижимы из-за наступления захлебывания, интенсифицируется процесс, и уменьшаются габариты аппарата; гидравлическое сопротивление при прямотоке значительно ниже, чем при противотоке. Применение таких абсорберов целесообразно в тех случаях, когда направление движения фаз заметно не влияет на движущую силу.

Рис.6.1.4 Насадочные абсорберы: а−со сплошной загрузкой насадки; б−с послойной загрузкой насадки; 1−поддерживающие решетки; 2−насадка; 3− устройство для распыления жидкости;4− перераспределитель; 5−желоб; 6− патрубок

 

Недостаток насадочных абсорберов − трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники. Предложенные конструкции абсорберов с внутренним отводом тепла при помощи помещенных в насадку охлаждающих элементов не получили распространения.

Из распыляющих абсорберов выделим скруббер Дойля (рис. 6.1.5), в котором, распыление происходит при ударе движущегося с большой скоростью газа о поверхность жидкости. Другие виды распыляющих аппаратов были рассмотрены в предыдущей главе (см. главу 5).

Рис. 6.1.5 Скруббер Дойля: 1−трубы; 2−наконечники; 3,4−перегородки

 

Установки для хемосорбции внешне напоминают используемые при методе абсорбции. В зависимости от очищаемого компонента и применяемого рас­творителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75...0,92.

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений. Реакции хемосорбции экзотермические. Например, при очистке газовой смеси от сероводорода мышьякощелочным методом проходит следующая химическая реакция:

Как видно из реакции, извлекаемый сероводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе.