ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Разделение газов путем растворения в жидкости из "Новый справочник химика и технолога Процессы и аппараты Ч1" Разделение газовых смесей путем растворения компонентов в жидком поглотителе является распространенным технологическим приемом. Он основан на использовании процессов абсорбции и последующей десорбции газов и паров (см. 1.4.1.) В промышленности этот прием используют для решения различных технологических задач. [c.38] Одна из них — это разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных или целевых компонентов. Так, природный газ после добычи отделяют на газоперерабатывающих заводах от пропана и более тяжелых углеводородных компонентов путем поглощения их углеводородным маслом (процесс от-бензинивания природного газа). Ацетилен извлекают из газов крекинга ихш пиролиза путем абсорбции селективными поглотителями — ацетоном, димстилформа-мидом, Л -метилпирролидоном и др. В производстве бутадиена его извлекают из реакционных газов этиловым спиртом. Во всех вышеперечисленных примерах извлечение ценных и целевых компонентов из поглотителей производится путем последующей десорбции. [c.38] В производстве серной кислоты контактным методом триоксид серы из газовой смеси поглощают 98,3 % серной кислотой. Для получения разбавленной азотной юислоты проводят абсорбцию нитрозных газов водой. В этих случаях поглотитель после абсорбции является целевым продуктом. [c.38] К другим задачам следует отнести очистку газов от вредных примесей, оказывающих негативное влияние на последующий процесс переработки или использования. [c.38] Важная технологическая задача — это санитарная очистка газов от примесей перед сбросом их в атмосферу. [c.38] Санитарная очистка газов является, по-видимому, наиболее обширной областью применения метода абсорбции. Энергетика и металлургическая промышленность лидируют по количеству выбрасываемых в атмосферу токсичных газов. Метод щелочной абсорбции широко используется для очистки дымовых, агломерационных, ваграночных, мартеновских и других газов от основных загрязнителей атмосферы — диоксидов серы и азота. Предприятия, производящие и использующие разнообразные химические продукты, имеют широкую гамму токсичных газообразных отходов. В их числе кислые газы, такие как SO2, N0 , НС1, HF, I2, H N, H2S, которые хорошо извлекаются из газовых смесей водной или щелочной абсорбцией. Достаточно токсичны также летучие органические растворители бензол, спирты, кетоны, эф1фы, альдегиды и пр., которые также можно извлечь из отходящих газов с помощью различных поглотителей и при необходимости выделить из поглотителя с помощью десорбции. Возможно применение и других методов сжигания, каталитического дожигания, адсорбции, конденсации. В каждом конкретном случае выбор метода газоочистки проводится на основе технико-экономического анализа и предварительных расчетов. [c.39] В состоянии термодинамического равновесия скорости процессов абсорбции и десорбции, постоянно протекающих на границе раздела газ—жидкость, оказываются равными (см. 1.4.1). Это равенство определяет равновесную связь парциального давления компонента в газовой (паровой) фазе и концентрации компонента в растворе при данных температуре и давлении. Эта связь носит название изотермы фазового равновесия. Вид изотерм фазовых равновесий газ (пар)—жидкость является основой для выбора поглотителя (абсорбента) при разделении газовых смесей абсорбцией либо для определения возможности такого разделения при заданном поглотителе. Для того, чтобы скорость абсорбции превышала скорость десорбции на поверхности раздела фаз, т. е. протекал процесс поглощения газового компонента жидкостью, необходимо, чтобы в течение всего времени контакта парциальное давление компонента в газовой фазе превышало его равновесное парциальное давление над поглотителем при данной температуре. Равновесное парциальное давление зависит от концентрации компонента в жидкости, а она в процессе поглощения возрастает. Это означает, что поглотитель, поступающий на абсорбцию, должен и в начале, и в конце процесса содержать такое количество абсорбируемого компонента, которое обеспечивает выполнение условия абсорбции. Максимальная концентрация компонента в поглотителе, которая по условиям равновесия соответствует входной концентрации компонента в газе, называется поглотительной способностью. Чем выше поглотительная способность абсорбента по отношению к данному компоненту, тем меньшее количество его необходимо для полного поглощения компонента из газовой фазы. [c.39] Вид изотерм фазовых равновесий газ (пар)—жидкость для конкретных систем совершенно индивидуален и наиболее надежным способом может быть определен с использованием экспериментальных данных по равновесиям, которые приводятся в справочной литературе. Существующие теории растворов позволяют предсказать характер кривых фазового равновесия. Наиболее простая теория, отвечающая экспериментально установленному закону Рауля, исходргг из того, что присутствие молекул растворенного вещества в растворе существенно не возмущает поле сил межмолекулярного взаимодействия, существовавшее в растворителе до введения инородных молекул. При этом как молекулы растворителя, так и молекулы растворенного вещества испытывают такое же воздействие окружающих молекул, что и в среде себе подобных. Поэтому вероятность перехода молекулы из раствора в паровую фазу остается такой же, как и при нахождении этой молекулы в чистой жидкости, состоящей из подобных ей молекул. Так как скорость десорбции компонента из раствора пропорциональна числу его молекул в единице объема или мольной доле х (см. 1.4.1), при низких давлениях парциальное давление компонента над раствором при равновесии можно представить в виде р = ра(Т)х, где ра Т) — зависящее от температуры давление насыщенного пара чистого компонента, находящегося в конденсированном состоянии. [c.39] Закон Рауля правильно предсказывает вид изотерм фазовых равновесий только для достаточно ограниченного класса систем. Растворы, образованные такими системами, называются идеальными. Обычно это системы, не способные к образованию водородных связей, т. е. связей, возникающих между полярными молекулами за счет электростатического протяжения протона одной молекулы к аниону или электроотрицательному атому-донору (в основном Р, О, N и реже С1) другой молекулы. В других случаях имеют место отклонения от линейного закона, которые учитываются введением в линейное уравнение так называемого коэффициента активности у = (д , 7). Если коэффициент активности больше 1,0 (положительные отклонения), то вероятность десорбции из данного раствора для компонента выше, чем для идеального раствора. Если коэффициент активности меньше 1,0 (отрицательные отклонения), наоборот — вероятность десорбции ниже. [c.39] Считается, что положительные отклонения от закона Рауля связаны с разрушением водородных связей растворенного вещества в растворе. Характерным примером являются растворы предельных спиртов в воде. Значительные положительные отклонения наблюдаются также при растворении неполярных веществ в полярных растворителях (например, СН4, С2Н6, СС1( и других в воде). [c.39] При протекании в растворе химических реакций парциальное давление компонента над раствором существенно понижается, а при необратимых реакциях становится близким к О при любых значениях х. Процесс поглощения газового компонета, сопровождающийся образованием химического соединения в растворе, называется хемосорбцией в отличие от физической абсорбции, при которой поглощению газа не сопутствует химическая реакция. Поглотительная способность хемосорбента определяется его химической емкостью. [c.40] В мысленном эксперименте введем в закрытый сосуд некоторое количество заранее выбранного растворителя (поглотителя) и эквимолярную смесь двух газов (паров), которые растворяются в данном поглотителе, но имеют различную летучесть над образованными растворами. После установления равновесия в поглотителе оказажется больше того компонента, который обладает меньшей летучестью, а в газовой фазе возрастет концентрация более летучего компонента за счет ухода из нее большей доли менее летучего. Таким образом, удалось провести частичное разделение первоначально эквимолярной смеси паров, используя процесс абсорбции. Смесь газов из сосуда, в котором проводился эксперимент, можно подать во второй закрытый сосуд, заполненный для простоты рассуждений тем же количеством чистого поглотителя, и провести вторую ступень разделения. При этом газовая фаза еще более обогатится летучим компонентом. В результате прохождения нескольких ступеней более летучий компонент в газовой фазе можно с заданной степенью полноты отделить от менее летучего компонента, который перейдет в поглотитель. Однако, если различие в летучестях компонентов над выбранным поглотителем невелико, большое количество более летучего компонента также перейдет в поглотитель. В этом случае на стадии десорбции менее летучий компонент труднее выделить из поглотителя в чистом виде. Поэтому метод абсорбции стараются применять к разделению газов, которые существенно различаются летучестями над выбранным поглотителем. Очень часто один или несколько компонентов являются просто инертными, т. е. практически не поглощаются поглотителем. [c.40] Совершенно не обязательно проводить абсорбцию на каждой ступени чистым поглотителем. Для практически полного разделения смеси вполне достаточно вводить чистый поглотитель только один раз и подавать его на последнюю ступень разделения, а затем последовательно передавать на предыдущие ступени, т. е. использовать принцип противотока. Вывод отработанного поглотителя при этом осуществляется с первой ступени абсорбции. В этом случае основное условие абсорбции всегда соблюдается, так как газ контактирует с поглотителем, насыщенным на предыдущей ступени компонентами, имеющими меньшее давление паров. Каждая ступень разделения при этом является идеальной и называется теоретической ступенью, поскольку продолжительность взаимодействия между фазами достаточна для достижения равновесия между ними. [c.40] Основное отличие промышленных систем абсорбции от описанного эксперимента заключается в том, что промышленные системы работают практически всегда при непрерывной подаче газа и, в большинстве случаев, при непрерывной подаче поглотителя. Только при очистке газов с малым содержанием вредных примесей с использованием химического поглотителя возможна работа установки с периодической заменой отработанного поглотителя. [c.41] Принципиально непрерывный процесс физической абсорбции может быть организован по рассмотренной вьипе ступенчатой противоточной схеме. Однако в том случае, когда для разделения необходимо значительное количество теоретических ступеней, такая схема становится громоздкой. Кроме того, до сих пор говорилось лишь о равновесных состояниях, которые устанавливаются при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Как отмечалось в подразделе 1.4.1, установление равновесия в системе газ—жидкость заключается в выравнивании локальных концентраций в объеме фаз. Перенос массы в пределах каждой фазы (массоперенос) осуществляется в основном за счет процессов конвективной диффузии. Скорость массообмена между фазами определяется разностью концентраций текущей средней концентрации в объеме фазы и концентрации компонента, зависящей от концентрации в другой фазе, которая будет иметь место после установления равновесия. Эта разность концентраций называется движущей силой абсорбции. Скорость массообмена зависит также от поверхности соприкосновения фаз и скорости конвективной диффузии, которая в свою очередь определяется физико-химическими свойствами участвующих в процессе веществ, скоростями движения фаз и видом массообмешюго устройства. Скорость массообмена существенно падает при приближении к равновесию, поэтому рассмотренная выше схема ступенчатого контакта, в которой на каждой ступени достигается состояние, близкое к равновесию, неэффективна при необходимости большого числа теоретических ступеней разделения. [c.41] Для процессов физической абсорбции используют, как правило, противоточные аппараты с непрерывным или ступенчатым контактом, в которых состояние, близкое к равновесию, достигается только на одном из концов аппарата, а в рабочей зоне протекают интенсивные процессы массообмена с максимально возможной движущей силой. Такие аппараты называются массообменными. В подразделе 1.4.1 применительно к процессу десорбции были рассмотрены два типа таких массообменных аппаратов насадочные и тарельчатые колонные аппараты. Эти аппараты также эффективны при проведении процесса разделения газов при достаточно большой высоте они обеспечивают практически любое технологически обоснованное число теоретических ступеней разделения. [c.41] В тех случаях, когда в процессе абсорбции выделяется большое количество тепла (например при поглощении аммиака или хлороводорода водой), используются пленочные трубчатые аппараты (см. 6.8). Такие аппараты представляют собой вертикальный трубчатый теолообменник пленочного типа, в который на верхнюю трубную решетку подается поглотитель. Пленочное движение поглотителя по внутренней поверхности труб обеспечивается с помощью специальных распределительных устройств. Снизу (противоточный абсорбер) или сверху (прямоточный) в трубки подается смесь газов. Тепло, выделяющееся при абсорбции в пленке жидкости, передается через стенки трубок хладагенту (обычно оборотной воде), который движется в меж-трубном пространстве. Поверхность массообмена в таком абсорбере определяется внутренней поверхностью труб. Вследствие небольшого времени пребывания жидкости в аппарате и практической невозможности обеспечить равномерное распределение жидкости по периметру, а газа — по сечению большого числа труб, в этих абсорберах не удается достичь высоких степеней извлечения. Кроме того, при больших тепловыделениях скорость массообмена лимитируется скоростью теплообмена. Поэтому эти абсорберы используются в основном для поглощения хорошо растворимых газов из концентрированных газовых смесей. [c.41] Для проведения процессов хемосорбции, когда равновесное давление паров извлекаемого компонента над поглотителем близко к нулю, широко используются насадочные аппараты (см. 6.9). Однако в этом случае число теоретических ст шеней разделения близко к единице, поэтому противоток газа и жидкости не требуется. Как правило, для повьштения плотности орошения насадки организуется циркуляция хемосорбента. [c.41] Вернуться к основной статье