Абсорбция

В реальном абсорбционном аппарате XK < XK*, где XK* - концентрация поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с поступающим газом. Отсюда следует, что значение l всегда должно быть больше минимального, отвечающего предельному положению рабочей линии ВА3. Значение lmin можно определить по уравнению (4) при замене XK на XK*:

= (L/G)min = (Yн-Yк)/(XK* -Xн) (6)

 

Оптимальный удельный расход поглотителя lопт можно найти только с помощью технико-экономического расчёта.

Сумма затрат на поглощение в абсорбере 1 кмоль газа:

= S1 + S2 +S3 (7)

 

где S1 - затраты, не зависящие от размеров аппарата и расхода абсорбента (стоимость газа, обслуживания и т.д.);- затраты, зависящие от размеров аппарата (ремонт и т.д.);- затраты, зависящие от расхода абсорбента (стоимость перекачки поглотителя, расходы на десорбцию и т.д.).

На рисунке 3 дано графическое изображение кривых данных показателей.

Складывая ординаты всех кривых, получим кривую суммарных затрат на абсорбцию 1 кмоль газа. Эта кривая имеет минимум, соответствующий оптимальному удельному расходу абсорбента.

 

Рисунок 3 - К определению оптимального удельного расхода абсорбента

 

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ТЕМПЕРАТУРА АБСОРБЕРА

Неизотермическая абсорбция. Если абсорбцию ведут без отвода тепла или с недостаточным его отводом, то в процессе абсорбции температура повышается вследствие выделения тепла при поглощении газа в жидкости. Значительное повышение температуры должно быть учтено при расчете. Простых методов расчета неизотермической абсорбции нет, но для технических расчетов можно пренебречь нагреванием газовой фазы и считать, что все выделяющееся тепло абсорбции идет на нагрев жидкости.

Если линия равновесия при температуре tн поступающей жидкости изображается кривой OD (рис. 4), то при температуре tк жидкости линия равновесия расположится выше (кривая ОС) и действительная линия равновесия при переменной температуре жидкости изобразится кривой АВ.

 

Рисунок 4 - Кривая равновесия при неизотермической абсорбции

 

Ординату Y некоторой точки М на кривой, соответствующую составу жидкости X, можно найти, если известна температура t при данном составе жидкости. Для этого необходимо составить уравнение теплового баланса для части абсорбера выше сечения с концентрациями жидкости и газа Х и У. Это уравнение может быть написано в виде:

’ = Lc(t - tн), (8)

 

где q - дифференциальная теплота растворения газа, кДж/кмоль;' - количество газа, поглощённого в рассматриваемой части абсорбера, кмоль/сек;- расход абсорбента, кмоль/сек;

с - теплоёмкость жидкости, кДж/(кмоль·град);- температура жидкости в данном сечении, ºС;н - начальная температура жидкости, ºС.

 

M' = L(X - Xн),(X - Xн) = c(t - tн) (9)

 

Тогда искомая температура:

= tн + q/c·(X - Xн). (10)

 

5. КОНСТРУКЦИИ  АБСОРБЕРОВ

 

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называются абсорберами. По способу образования поверхности соприкосновения между жидкостью и газом абсорберы делятся на:

) поверхностные и плёночные;

) насадочные;

) барботажные (тарельчатые);

) распиливающие.

Поверхностные абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов. Газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Поверхность соприкосновения мала, поэтому устанавливают несколько последовательно соединённых аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу (рис. 5).

 

Рисунок 5 - Поверхностный абсорбер

 

Плёночные абсорберы более эффективны и компактны, чем поверхностные, поверхностью контакта фаз является поверхность текущей плёнки жидкости. Различают следующие аппараты данного типа:

) трубчатые абсорберы;

) абсорберы с плоско-параллельной  или листовой насадкой;

) абсорберы с восходящим  движением плёнки жидкости.

Рассмотрим на примере трубчатого абсорбера (рис. 6).

 

 

Рисунок 6 - Трубчатый абсорбер

 

Абсорбент поступает на верхнюю трубную решётку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой плёнки. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкости.

Насадочный абсорбер представляет собой металлическую или керамическую колонну, внутри которой имеется несколько горизонтальных решёток 1 с расположенными на них слоями насадки 2 (кокс, металлические или керамические кольца, деревянные решётки, камни и др.), предназначенной для увеличения поверхности соприкосновения газа с жидкостью. Смесь газов поступает в нижнюю часть колонны по трубопроводу 3, а абсорбент, подаваемый по трубе 4, стекает вниз по насадке навстречу поднимающейся смеси газов. В результате противоточного контактирования газа и жидкости происходит наиболее полное растворение поглощаемых компонентов газовой смеси в абсорбенте. Непоглощённые компоненты газовой смеси удаляются из абсорбера по трубопроводу 5, а насыщенный абсорбент вытекает снизу по трубопроводу 6. Конусы 7 между секциями насадки 2 направляют абсорбент, вытесняемый газом к стенке абсорбера, к центру для более равномерного орошения (рис. 7).

 

Рисунок 7 - Насадочный абсорбер

 

Барботажные (тарельчатые) абсорберы представляют собой вертикальные колонны, внутри которых на определённом расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки. Подразделяются на:

) аппараты с тарелками  со сливными устройствами

)с тарелками без сливных  устройств.

Рассмотрим на примере аппарата с колпачковыми тарелками (рис. 8).

Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем по прорезям колпачка 3 на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, протекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому.

Рисунок 8 - Барботажный абсорбер с колпачковыми тарелками и сливным устройством

 

В распыливающих абсорберах тесный контакт между фазами достигается путём распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке. Рассмотрим на примере полого распыливающего абсорбера (рис. 9).

Он представляет собой колонну, в верхней части корпуса 1 которой имеются форсунки 2 для распыливания жидкости. Снизу корпуса подаётся смесь газов. Простота конструкции - главное достоинство этого типа абсорберов.

 

Рисунок 9 - Полый распыливающий абсорбер

 

6. АБСОРБЦИОННО-БИОХИМИЧЕСКАЯ  УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО  ВОЗДУХА

 

Абсорбционно-биохимическая технология очистки вентиляционного воздуха была разработана по тематике научно-исследовательских работ Министерства автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения СССР в 1989 году. Конструкции АБХУ постоянно совершенствуются и защищены патентами.

АБХУ рекомендуется использовать при применении в различных отраслях промышленности следующих технологических процессов, сопровождающихся токсичными газовыделениями в окружающую среду:

изготовление литейных стержней и форм;

заливка, охлаждение и выбивка литейных форм;

прессовка древесностружечных плит (ДСП, МДФ);

изготовление минеральной ваты;

окраска и сушка деталей и изделий из металла, дерева, кожи;

сушка металлической стружки;

изготовление кордной ткани.

Схема АБХУ приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема абсорбционно-биохимической установки для очистки вентиляционного воздуха

 

Вентиляционный воздух, удаляемый от технологического оборудования, с помощью вентилятора 1 подается в абсорбер 2, где на массообменной решетке расположен слой насадки 3. Насадка непрерывно орошается абсорбентом, подаваемым насосом 5 и находится в «кипящем» состоянии, что обеспечивает интенсивный массообмен между газовой и жидкой фазами. В качестве абсорбента применяется техническая вода. Регенерация абсорбента осуществляется в биореакторе 4, где с помощью специально селекционированного штамма микроорганизмов вредные органические вещества минерализуются до СО2 и Н2О. Для обеспечения активной жизнедеятельности микроорганизмов, за счет добавления в биореактор биогенных добавок, в растворе поддерживается концентрация азота и фосфора. Очищенный абсорбент вновь подается на орошение в абсорбер. Установка имеет замкнутый цикл циркуляции абсорбента и не имеет стоков в канализацию. Очищенный вентвоздух после сепарации выбрасывается в атмосферу.

Большинство органических веществ хорошо растворимы в технической воде. В некоторых случаях для повышения эффективности улавливания таких веществ как ксилол, толуол в раствор 1-2 раза в неделю добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Для регенерации раствора используется биотехнология. Распад органических веществ - это естественный процесс, протекающий в природной среде. Человек может значительно ускорить процесс, для чего берет микроорганизмы из окружающей среды, проводит их селекцию и адаптацию к конкретной группе вредных веществ. Из имеющихся в музее лаборатории микробиологии более 4000 видов микроорганизмов нами используются не более 10 рода Rhodococcus и Pseudomonas. По этой схеме, например, протекает процесс биохимического окисления фенола в водном растворе.

В настоящее время свыше 50 АБХУ работают на 22 предприятиях Беларуси, Украины, Кыргызстана и России.

В таблице 2 приведены данные по степени абсорбции газов данной установкой. Замеры осуществлялись заводскими химическими лабораториями по аттестованным методикам, а также контролирующими природоохранными органами.

 

Таблица 2 - Эффективность улавливания токсичных газов АБХУ

Вредные вещества	Эффективность улавливания, %
Фенол, формальдегид, фуриловый спирт, фурфурол, триэтиламин, диэтиламин, цианиды	96 - 99,9
Метанол, бензол, бутилацетат, этилацетат, акролеин, полиизоцианаты	85 - 95
Аммиак, ксилол, толуол	70 - 85
Взвешенные, смолистые вещества, окрасочная аэрозоль	99,9

 

Капитальные затраты на данную установку не выше, чем при химической и каталитической очистке, а эксплуатационные в связи с минимальным количеством расходным материалов в 100 и более раз меньше чем при вышеуказанных способах. Расходными материалами в АБХУ являются техническая вода 50 - 150 литров в сутки на компенсацию потерь, сжатый воздух 50-60 м3/час, биогенные добавки 10 - 25 кг в год. В некоторых случаях - поверхностно-активные вещества 50 - 150 литров в год. Количество микроорганизмов составляет более 1 млн. на 1 см3 раствора или более 1 млрд. на 1 литр абсорбента. При объеме биореактора 5 м3 количество работающих микроорганизмов составляет 5 × 1010.

В АБХУ отсутствует сброс загрязненного раствора в канализацию. Количество шлама, образующегося за месяц, составляет, как правило, 3 - 4 кг. Химический состав шлама: 90 - 95 % - взвешенные вещества (SiO2), 5-10 % - осадок микроорганизмов (ил).

АБХУ не требует ремонтных затрат. Металлический корпус аппарата с антикоррозионным покрытием и полипропиленовым насадочным материалом служит десятилетиями. Обслуживание АБХУ связано с ремонтом водяного насоса и вентилятора.  АБХУ не требуют постоянного присутствия оператора. При включении АБХУ необходимо визуально через смотровые окна убедиться в наличии «кипящего» слоя на массообменных решетках скруббера и «ровного кипения» абсорбента за счет подачи сжатого воздуха в биореакторе.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Итак, абсорбция представляет собой один из массообменных процессов, который нашёл широкое применение различных областях промышленности. В рамках данного курса была рассмотрена только абсорбция газов, однако, различные абсорбенты применяют также и для извлечения веществ, растворённых в жидкости (например, применение активированного угля в медицине, извлечение компонентов из нефти).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах.

Преимущество абсорбционных методов заключается в возможности экономической очистки большого количества газов и осуществления непрерывных технических процессов.

Важно отметить взаимодействие абсорбционных и биотехнологических методов очистки воздуха, что позволяет обойтись практически без отходов и значительных затрат.

 

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

 

1. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. - М.: Химия, 1981 - 812 с.

2. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1982 - 584 с.

. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973 - 752 с.

. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. Изд. 2-ое. В 2-ух кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. - М.: Химия, 1995 - 368 с.

. Статья «Абсорбционно-биохимические установки для очистки вентиляционного воздуха в местах применения смол, клеев, лакокрасочных материалов и другой органики». Шаповалов Ю.П., УП «Промышленные экологические системы», г. Минск.

. Статья «Абсорбционно-биохимические установки для очистки вентиляционных выбросов цехов по производству композиционных материалов из древесины»