Абсорбция

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра нефтехимии и химической технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Абсорбция»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Процесс абсорбции заключается в избирательном поглощении компонентов газовой смеси (абсорбтивов) жидким поглотителем (абсорбентом).

Процесс выделения из абсорбента поглощенных компонентов газовой смеси называется десорбцией.

Газовые смеси могут быть разделены также ректификацией, однако для этого требуется произвести их ожижение, что обычно связано с большими затратами энергии на охлаждение и сжижение газа, или адсорбцией, т.е. путем контактирования газа с твердым поглотителем - адсорбентом. Последний процесс обычно применяют для извлечения компонентов газа, содержащихся в относительно небольших концентрациях.

Применение того или другого способа разделения газовой смеси в промышленных условиях определяется составом газа, содержанием в нем извлекаемых компонентов и их свойствами, энергетическими затратами и т.п. и решается в каждом конкретном случае на основании технико-экономических расчетов.

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые из этих областей указаны ниже:

Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить:

абсорбция SO3 в производстве серной кислоты;

абсорбция НCl с получением соляной кислоты;

абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т.д.

При этом абсорбция проводится без последующей десорбции.

Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция). При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т.п.

Очистка газа от примесей вредных компонентов. Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от H2S очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т.д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.п.). В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.

Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

 

 

Рисунок 1 - Схема переноса компонентов при контакте газа с абсорбентом

 

Движущей силой процесса абсорбции является разность парциальных давлений компонента в газовой рг и в жидкой рж фазах (рис. 1). Если рг > рж то компоненты газа переходят в жидкость, т.е. протекает процесс абсорбции. Если рг < рж то поглощенные компоненты газа переходят из абсорбента в газовую фазу, т. е. осуществляется процесс десорбции.

Всякий массообменный процесс стремится к состоянию равновесия, поэтому движущую силу процесса абсорбции определяют как разность между парциальным давлением компонента в газовой фазе рг и парциальным давлением того же компонента в газовой фазе, находящейся в равновесии с абсорбентом рр. Чем больше величина рг-рр, тем интенсивнее осуществляется переход компонента из газовой фазы в жидкую. При приближении системы к состоянию равновесия движущая сила уменьшается, и скорость перехода компонента из газовой фазы в жидкую замедляется.

Поскольку парциальное давление компонента пропорционально его концентрации, то движущая сила процесса абсорбции или десорбции может быть выражена также через разность концентраций компонента в газовой и жидкой фазах: Δу = у - ур или Δх = хр - х.

В отличие от ректификации процесс абсорбции протекает в основном однонаправленно, т. е. абсорбент можно считать практически нелетучим. В случае абсорбции многокомпонентной газовой смеси на некоторой ее стадии отдельные компоненты могут вытесняться другими поглощаемыми компонентами. В результате наряду с процессом абсорбции будет протекать процесс частичной десорбции некоторых компонентов, что приведет к распределению компонентов между газовой и жидкой фазами, обусловленному обоими указанными процессами.

 

1. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ  МАССОПЕРЕДАЧИ ПРИ АБСОРБЦИИ

 

Количество вещества М, поглощаемого в единицу времени при абсорбции или выделяемого при десорбции, прямо пропорционально поверхности контакта газовой и жидкой фаз F, движущей силе процесса, выраженной, например, разностью (pг-pp) и коэффициенту пропорциональности К, зависящему от гидродинамического режима процесса и физико-химических свойств системы.

Уравнение массопередачи при абсорбции можно записать в следующем виде:

= KpF(pг - pp)=KyF(y - yг)=KxF(xp - x). (1)

 

Коэффициент К называется коэффициентом массопередачи при абсорбции и характеризует массу вещества, переданную в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице.

Единица измерения величины К зависит от единиц измерения составляющих, входящих в уравнение. Так, например, если измерять массу поглощенного компонента в кг/ч, поверхность контакта фаз в м2, а движущую силу процесса абсорбции в МПа, то из уравнения получим единицу измерения К в кг/(м2·МПа·ч):

 

[K]=[M/(F(pг-pp))]=[кг/(м2·МПа·ч).

 

2. ВИДЫ АБСОРБЦИИ

 

Различают физическую абсорбцию и химическую абсорбцию (хемосорбцию).

При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента, и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции.

 

3 АБСОРБЕНТЫ, КОТОРЫЕ  ПРИМЕНЯЮТСЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

Абсорбенты - это вещества, способные поглощать, всасывать вещества из газа всей своей массой. Это искусственные или природные тела с развитой поверхностью, создаваемой капиллярами или кристаллической решёткой, которая хорошо поглощает (абсорбирует) вещества из газов и жидкостей.

Требования к абсорбентам:

Безопасность для окружающей среды и человека;

Эффективность (высокая сорбционная способность);

Высокая избирательность при применению его по назначению;

Удовлетворение экономическим требованиям.

Кроме того, для некоторых сорбентов выдвигается требование возможностей повторного применения после его регенерации. И, наконец, для сорбентов, которые применяются для поглощения (сорбции) ценных продуктов предъявляется требование сохранения их качества и возможности их выделения в процессе последующей регенерации.

В качестве абсорбентов при разделении углеводородных газов используют бензиновые или керосиновые фракции, а в последние годы и газовый конденсат, при осушке - диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ). Для абсорбционной очистки газов от кислых компонентов применяют N-метил-2-пирролидон, гликоли, пропиленкарбонат, трибутилфосфат, метанол; в качестве химического поглотителя используются моно- и диэтаноламины.

В таблице 1 представлены абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов.

В Башкирии производством абсорбентов занимается предприятие ОАО «Синтез-Каучук» в Стерлитамаке.

абсорбция газ очистка баланс

Таблица 1 - Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов

Поглощаемые компоненты	Абсорбенты
Оксиды азота N2О3, NO5	Вода,, водные растворы и суспензии: NaOH, Na2C03, NaHCO3, КОН, К2СО3, КНСО3, Са(ОН)2, СаСО3, Мg(ОН)2, МgСО3, Ва(ОН)2, ВаСО3, NН4HСО3
Оксид азота NO	Растворы FeCl2, FeSO4, Na2S203, NaHCO3,Na2S03, NaHS03
Диоксид серы SO2	Вода, водные растворы: Na2SO3(18-25%-ные), NH40H (5-15%-ные), Са(ОН)2, Na2C03 (15-20%-ные), NaOH (15-25%-ные), КОН, (NH4)2SO3 (20-25%-ные), ZnS03, К2СО3; суспензии СаО, МgО, СаСО3, ZnO, золы; ксилидин - вода в соотношении 1:1, диметиланилин С6Н3(СН3)2NН2, известковое молоко
Сероводород H2S	Водный раствор Na2СО3 + Nа3АsО4 (Nа2НАsОз); водный раствор Аs2О3 (8-10 г/л) + NН3 (1,2-1,5 г/л) + (NН4)3АsОз (3,5-6 г/л); моноэтаноламин (10-15%-ный раствор); растворы К3РО4 (40-50%-ный раствор); растворы К3Р04 (40-50%-ные), NH4OH, К2СО3, CaCN2, натриевая соль антрахинондисульфокислоты
Оксид углерода СО	Жидкий азот; медно-аммиачные растворы
Диоксид углерода С02	Водные растворы Na2C03, К2СО3, NaOH, КОН, Ca(OH)2, NH4OH, этаноламины RNH2, R2NH4
Хлор Cl2	Растворы NaOH, КОН, Са(ОН)2, Na2C03, К2СО3, МgСО3, СаСО3, Na2S203; тетрахлоридметан CCI4
Хлористый водород  <http://mahp.net.ru/inzhiniring-oborudovanie-tehnologii-innovacii/spravochnaja/187-2010-01-31-14-53-12>НСl	Вода, растворы NaOH, КОН, Ca(OH)2, Na2C03, К2СО3
Соединения фтора HF, SiF4	Na2C03, NaOH, Са(ОН)2

 

4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ  И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА  АБСОРБЦИИ

 

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И РАСХОД АБСОРБЕНТА

Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях. Обозначим: G - расход инертного газа, кмоль/сек; Yн и Yк - начальная и конечная концентрация абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L - расход абсорбента, кмоль/сек; Xн и Xк - концентрации абсорбента, кмоль/кмоль абсорбента. Тогда уравнение материального баланса принимает вид:

(Yн-Yк) = L(Xк-Xн) (2)

 

Отсюда общий расход абсорбента (в кмоль/сек):

= G(Yн-Yк)/(Xк-Xн) (3)

 

а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа):

= L/G = (Yн-Yк)/(Xк-Xн) (4)

 

Таким образом, материальный баланс можно переписать как

 

(Yн-Yк) = l(Xк-Xн). (5)

 

Уравнение (5) показывает, что изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y-X рабочая лини процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен l = L/G.

Между удельным расходом абсорбента и размерами аппарата существует определённая связь. Через точку В с координатами Xн и Yк (рис. 2) проведём, согласно уравнению (5), рабочие линии ВА, ВА1, ВА2, ВА3, отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным его удельным расходам. При этом точки А, А, А, А будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Yн газа в смеси.

 

Рисунок 2 - К определению удельного расхода абсорбента

 

В случае растворов небольшой концентрации для любого значения X и выбранной величины l движущая сила процесса выражается разностью ординат Y-Y*, изображённых вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия Y* = f(X). Для всего аппарата можно принять среднее значение ΔYср, величина которого, например, для рабочей линии ВА1, изображена на рисунке отрезком ΔYср1. Величина ΔYср будет тем больше, чем круче наклон рабочей линии и, следовательно чем больше удельный расход абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако, удельный расход абсорбента l при этом будет бесконечно большим (так как Хн = Хк). Если же линия рабочих концентраций ВА3 касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (l = lmin), а движущая сила в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке рабочая концентрация равна равновесной. В первом случае размеры абсорбционного аппарата будут наименьшими при бесконечно большом расходе абсорбента, а во втором - расход абсорбента будет минимальным при бесконечно больших размерах аппарат. Оба случая являются предельными и практически неосуществимыми.