Таблица 6.1

Адсорбенты, применяемые для очистки газов

Газообразный загрязнитель	Абсорбент
1	2
Диоксид серы	Вода — H2O; Суспензия известняка в воде; Водный раствор сульфита аммония с добавкой серной кислоты — (NH4)2SO3; Аммиачная вода — (NH4)2OH; Водный раствор сульфит-бисульфита аммония — (NH4)2SO3, NH4HSO3; Водный раствор, содержащий сульфит, бисульфит аммония и фосфорную кислоту; Смесь ксилидина и воды (1:1) — C6H3(CH3)2NH2; Диаметиланилин безводный; Водный раствор поташа — K2CO3; Водный раствор сульфита калия — K2SO3; Формиат калия в виде расплава — KHOOC;
	Формиат калия в виде водного раствора — KHOOC; Эвтектическая смесь расплавов карбонатов металлов — Li2CO3, Na2CO3, K2CO3; Магнезитовая водная суспензия — MgO, MgSO3, MgSO4; Водный раствор карбоната и сульфита калия; Водная суспензия цинка — ZnO; Сточная вода, имеющая pH = 10,3–11,4; Суспензия золы в воде (вода золоудаления ТЭС); Водный раствор соды — Na2CO3; Водный раствор, содержащий карбонат и сульфит натрия
Сероводород	Водный раствор поташа — K2CO3; Водный раствор фосфата калия — K3PO4; Водный раствор моноэтаноламина — OH-CH2-CH2-NH2; Оксид мышьяка, растворимый в растворе соды или в растворе аммиака — Na4As2S6O; Щелочной раствор с pH=8,5-9,5 соды с эквимолекулярным количеством ванадата натрия-аммония и антро-хинон-2,6-2,7-дисульфоната; Водный раствор хинона; Взвесь гидроксидов двух и трех валентного железа в растворе соды — Na2CO3, FeSO4, Fe2(SO4)3
Оксид углерода	Медно-аммиачный раствор — [Cu(NH3)2(H2O)]–; Жидкий азот; Раствор CuAlCl4 в толуоле
Аммиак	Вода — H2O; Водный раствор фосфорной кислоты — H3PO4; Водный раствор серной кислоты — H2SO4 Водный раствор ПАВ с добавкой серной кислоты
Оксид азота	Водный раствор сульфата железа — FeSO4; Водный раствор хлорида железа — FeCl2; Водный раствор тиосульфата натрия — Na2S2O3; Водный раствор гидросульфита натрия — NaHSO3; Водный раствор мочевины — (NH2)2CO; Сульфаминовая кислота — NH2SO3H; Водный раствор аммиака — (NH4)2OH; Раствор соды с Fe(II)-ЭДТА в качестве катализатора; Хлорная вода — Cl2OH; Вода
Диоксид азота	Вода; Раствор мочевины с тетрасульфофталоцианином кобальта (меди или никеля) в качестве катализатора — CO(NH2)2; Раствор серной кислоты — H2SO4; Водный раствор соды — Na2CO3; Водный раствор аммиака — (NH4)2OH; Водный концентрированный раствор азотной кислоты — HNO3; Водный раствор сульфита аммония — (NH4)2SO3; Водный 3%-ный раствор гидроксида натрия — NaOH; Водный раствор гидроксида кальция — Ca(OH)2; Аммиачно-щелочной раствор

Продолжение таблицы 6.1

1	2
Смесь окислов азота	Водный раствор пероксида водорода — H2O2; Водный раствор мочевины — CO(NH2)2; Смесь серной и азотной кислот
Смесь диоксида серы и окислов азота	Водный раствор соды — Na2CO3; Водный раствор едкого натра — NaOH; Суспензия гидроксида кальция в воде — Ca(OH)2; Водный раствор мочевины концентрацией — CO(NH2)2; Вода
Фенол	Водный раствор гидроксида натрия — NaOH; Раствор пероксидисульфоната аммония с нитратом серебра
Формальдегид	Раствор щелочи, содержащий фенолят натрия; Водный раствор, содержащий пероксидисульфат аммония, аммиак и нитрат серебра; Водный раствор мочевины — CO(NH2)2; Водный раствор формальдегида; Смесь аммофоса и мочевины (1:1)
Ксилол	Вода; Эмульсия минерального масла состава в водном растворе ПАВ
Толуол	Дизельное топливо; Вода; Эмульсия минерального масла состава в водном растворе ПАВ
Хлор, Cl2	Водный раствор гидроксида натрия — NaOH; Водная суспензия известкового молока — Ca(OH)2; Водный раствор лигносульфоната кальция
Хлороводород	Вода
Фтор, F2	Вода Водный раствор щелочи
Фтороводород	Водный раствор карбоната натрия — Na2CO3; Водный раствор бифторида калия — KH·HF; Вода; Водный раствор карбоната аммония — (NH4)2CO3; Водный раствор аммиака — (NH4)2OH

На третьем этапе уточняют технологические параметры и осуществляют оптимизацию процесса.

Расчет аппаратов для процессов физической абсорбции. Для расчета размеров абсорбера составляют материальный баланс

(6.1)

и уравнение рабочей линии:

(6.2)

Минимальный расход абсорбента определяют по формуле

(6.3)

Общий расход абсорбента равен

(6.4)

Среднюю движущую силу процессов массопередачи вычисля­ют по формулам

(6.5)

Если равновесная линия представляет собой прямую , то средняя движущая сила равна

(6.6)

,

где G — расход газовой фазы, кг/с; G_н, G_к — то же, на входе в абсорбер и выходе из него, кг/с; X — концентрация распределяемого компонента в жид­кой фазе, масс. доли; X_н, X_к — то же, на входе в абсорбер и выходе из не­го, масс. доли; L — расход абсорбента, кг/с; L_н, L_к — то же, на входе в аб­сорбер и выходе из него, кг/с; Y — концентрация распределяемого компонен­та в газовой фазе, масс. доли; Y_н, Y_к — то же, на входе в абсорбер и выхо­де из него, масс, доли; X^* — равновесная концентрация распределяемого компонента, масс. доли; Y^* — равновесная концентрация, масс, доли; m — коэффициент распределения; Y_б, X_б, Y_м, X_м — большая и меньшая движущая сила процесса, масс. доли.

Интеграл в уравнениях (6.5) есть не что иное как число единиц пере­носа (уравнение 4.52):

(6.7)

(6.8)

Высота единицы переноса

(6.9)

где N_ог, N_ож — общее число единиц переноса; N_г, N_ж — числа единиц пере­носа в газовой и жидкой фазах; К_г, К_ж — коэффициенты массопередачи, м/с; F — поверхность контакта фаз, м²; А — абсорбционный фактор; А = L/(G ^. m); а—удельная поверхность контакта фаз, м²/м³; S — площадь по­перечного сечения абсорбера, м².

Высота аппарата при непрерывном контакте фаз равна

(6.10)

или

(6.11)

где М — количество абсорбируемого вещества, кг/с.

При движении газа и жидкости в колонне происходит про­дольное перемешивание потоков, выравнивание концентраций по высоте и уменьшение движущей силы процесса. Влияние продольного перемешивания потоков можно учесть, используя следующее уравнение:

, (6.12)

где N_ог.ф. — фиктивное число единиц переноса, рассчитанное по движущей силе для истинного противотока; В_ог, В_ож — число Боденштейна для газовой и жидкой фаз;

Рис. 6.1. Зависимость констант a, b, с, d, g, h от абсорбционного фактора

где _г, _ж — газосодержание и количество удерживаемой жидкости, м³/м³; D_г, D_ж — эффективный коэффициент продольного перемешивания в газе и жид­кости, м²/с; а, b, с, d, g, h — коэффициенты, определяемые по рис. 6.1.

При расчете высоту абсорбера сначала определяют при про­тивотоке, т. е. по N_ог.ф., а затем ее увеличивают на величину, равную отношению N_ог/N_ог.ф.

Высота колонны со ступенчатым контактом фаз зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Число тарелок в ко­лонне рассчитывают аналитическими или графическими мето­дами определения числа ступеней контакта или через число единиц переноса. На практике используют коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице поверхности контакта фаз, единице площади тарелки или к единице объема газожидкостного слоя на тарелке.

Расчет аппаратов для процессов хемосорбции. Абсорберы для процессов хемосорбции рассчитывают теми же методами, что и для процессов физической абсорбции.

Уравнение материального баланса

, (6.13)

где С — химическая емкость раствора:

, (6.14)

где X_A и Х_B — концентрации компонента и активной части в растворе; R — до­ля активной части, химически связанной с абсорбируемым компонентом; n — число киломолей активной части, реагирующих с 1 кмоль компонента; ин­дексы 1 и 2 относятся к входу и выходу газа. Знак плюс означает противо­ток, а знак минус — прямоток.

Минимальный удельный расход раствора равен

, (6.15)

где L_min — минимальный расход исходного раствора.

Уравнение рабочей линии имеет вид

(6.16)

или для состава газа (в мольных долях):

, (6.17)

где .

Диаграмма Y–X для абсорбции, сопровождаемой химичес­кой реакцией, показана на рис. 6.2.

По мере протекания хемосорбции коэффициент массоотдачи в жидкой фазе '_ж уменьшается, что затрудняет вычисление движущей силы и числа единиц переноса. Для необратимых реакций N_ог рассчитывают по формуле (при переменном зна­чении К_г).

. (6.18)

Для необратимой реакции значение Y* равно 0, поэтому формулу подставляют значения Y.

Так как коэффициент массоотдачи в газовой фазе _г при хемосорбции не изменяется, число единиц переноса можно оп­ределить по формуле

, (6.19)

где Y _р — равновесная концентрация на границе раздела фаз.

Из соотношения при получим:

, (6.20)

Рис. 6.2. Диаграмма У—Х для хемосорбции в жидкой фазе (вертикальные отрезки между линиями АВ и CD являются значениями движущей силы Y–Y_р; АВ—рабочая линия; CD—линия значений Y_р).

Рис. 6.3. График для определения Х_р при абсорбции, сопровождаемой хи­мической реакцией в жидкой фазе

где  — коэффициент ускорения.

Значение Х_р, соответствующее данному Y, определяют гра­фически (рис. 6.3). Для этого, задаваясь значениями Х_р, строят линию AВ, определяющую зависимость  от Х_р. Далее строят линии CD, C'D', C»D» и C'''D''' по формуле (6.20) при разных значениях Y. Точки Е, Е', Е'' и Е''' будут соответствовать зна­чениям Х_р для значения Y. Затем из Y_p = mX находят Y_р и строят (см. рис. 6.4) линию CD, являющуюся функцией Y_р = f(R).

Если реакция протекает по первому или псевдопервому по­рядку, то , _ж и K_г в процессе абсорбции постоянны и число единиц переноса рассчитывают так же, как и для физической абсорбции, но движущую силу выражают разностью Y — Y*/. Исходя из этого, строят псевдоравновесную линию в координа­тах Y*/ — X. При Y* = 0 число единиц переноса равно

. (6.21)

При быстрых необратимых реакциях второго порядка

. (6.22)

Значение Y_р находят по диаграмме (рис. 6.4). Линию СЕ проводят под углом, тангенс которого равен m''. Вертикальные отрезки между линиями CD и СЕ равны Х_р = Y_р/m. Через про­извольную точку М проводят линию MQ с тангенсом угла на­клона tg = _ж/_г ; из треугольника MNQ следует, что Y — Y_р = MN; X + C = NQ. Ордината точки N равна Y_р.

Задаваясь другими точками на линии АВ и делая аналогич­ные построения, получают линию FG, ординаты любой точки которой равны Y_р.

При обратимых химических реакциях расчет можно вести, используя псевдокоэффициент массоотдачи. При расчете строят на диаграмме Y–Х псевдоравновесную и псевдорабочую линии (рис. 6.5).

Равновесие между фазами определяется уравнением (кри­вая ОС):

, (6.23)

где X — общая концентрация компонента в жидкости; а и b — концентрации свободного и связанного компонента; m — константа фазового равновесия.

Уравнение псевдоравновесной линии ОС', выражающей за­висимость между У* и концентрацией свободного компонента а, имеет вид

. (6.24)

Рис. 6.4. Диаграмма Y—X для абсорбции, сопровождаемой быстрой хими­ческой реакцией в жидкой фазе (АВ — рабочая линия; СЕ —вспомогатель­ная линия; FGH—линия значении Y_р).

Рис. 6.5. Построение псевдорабочей и псевдоравновесной линии на диаграм­ме Y—Х (АВ—рабочая линия; А'В'—псевдорабочая линия; ОС—линия равновесия; ОС'—псевдоравновесная линия)

Уравнение псевдорабочей линии имеет вид

. (6.25)

Задаваясь значениями а, находят значение Y и строят псев­дорабочую линию АВ.

Из диаграммы определяют ' — псевдодвижущую силу.

Для определения гидродинамических характеристик абсорбционных аппаратов (гидравлического сопротивления, поверхности контакта фаз, критических скоростей газа и т. д.) можно частично воспользоваться зависимостями для мокрых пылеуловителей (гл. 5.4).

При выборе типа контактного аппарат необходимо пользоваться следующими рекомендациями:

1. Следует использовать аппараты, обеспечивающие наибольшую интенсивность контакта фаз.

2. Контакт фаз должен быть организован таким образом, чтобы он происходил в противотоке, т. е. чтобы смесь содержала минимальное количество абсорбируемого компонента, контактировала со свежим поглотительным раствором

В наибольшей степени этим условиям удовлетворяет обыкновенный насадочный скруббер, однако, при наличие твердых взвешенных веществ (что имеет место практически всегда при очистке воздуха), он быстро будет забиваться твердыми отложениями. Поэтому чаще используются аппараты, в которых принцип противотока явно отсутствует, на зато имеет место интенсивное перемешивание фаз: пенные аппараты, скрубберы с подвижной насадкой.

Полые скрубберы применяются обычно для поглощения хорошо растворимых газов.

Скрубберы Вентури могут также применяться как абсорберы, однако до настоящего времени это использовалось не так широко, хотя повышенное гидравлическое сопротивление заставляет использовать их при комплексной очистке газов.

Практика показывает, что точный расчет и прогнозирование результатов абсорбции в условиях практического проектирования невозможны. Условия протекания абсорбции в газоочистительных сооружениях всегда нестабильны. Меняется состав газовой фазы выбросов, меняется ее температура. В распылительных абсорберах, например, происходит испарение и уменьшение капель, следовательно, концентрация поглощенного компонента растет быстрее, нежели это происходило бы при неизменном диаметре. Есть еще много факторов, попытки теоретического учета которых приводят к крайне сложным зависимостям. Существенную роль играет время контакта; известны случаи, когда при превышении времени абсорбции сверх некоторого оптимального, начиналось вторичное выделение абсорбтива из абсорбента обратно в газовую фазу. Кроме того, эмпирические формулы, используемые при расчетах, очень часто дают противоречивые результаты. Поэтому при проектировании в первую очередь необходимо искать близкий аналог или есть регламент НИИ. Помимо абсорбции, в мокрых аппаратах всегда происходят теплообменные процессы. Они, как правило, однонаправлены: теплота от горячих газов отбирается более холодной жидкостью. Теплообмен должен учитываться при проектировании, что еще больше усложнят расчеты.

Установки для абсорбции могут быть разомкнутыми (без регенерации абсорбента) и циркуляционными (с регенерацией абсорбента). Последние, по известным причинам, значительно более предпочтительны. При этом значительно усложняется технология газоочистки. Как пример можно привести очистку фторсодержащих газов раствором едкого натра (рис. 6.6).

Загрязненные фтором газы поступают в насадочную абсорбционную башню 1 через сопло. Башня орошается противотоком 5–10%-ным раствором щелочи, который подается в башню через сопло 2. Через газоход 3 продувается инертный газ. Отработанная жидкость, содержащая фторид натрия, постоянно удаляется из башни и поступает в регенерационный танк 4, куда из гасителя 5 подается известковое молоко. В регенерационном танке 4 образовавшийся фторид натрия превращается во фторид кальция при взаимодействии с Са(ОН)а в условиях тщательного перемешивания. Смесь проходит к танку-отстойнику 6, где осаж­дается фторид кальция и избыток извести. Прозрачный регенерированный рас­твор протекает через переливное устройство 7 и вновь поступает в башню 1. Чтобы поддерживать определенный температурный режим в башне, эта жидкость проходит через систему теплообменников 8, регулируемую автоматически. Температура жидкости поддерживается в пределах 37,8–65,6°С.

Как видно, в представленной схеме собственно абсорбционная газоочистка занимает лишь небольшое место. Основную часть технологической схемы составляют системы регенерации и раствороподготовки.

Рис. 6.6. Технологическая схема очистки отходящих газов, содержащих фтор и фтористый водород:

1 — абсорбционная башня; 2 — сопло; 3 — газоход; 4 — регенерационный танк; 5 — гаситель извести; 6 — танк-отстойник; 7 — переливное устройство; 8 — теплообменники; 9 — бункер извести; 10 — ленточный транспортер; 11 — холодильник; 12 — хранилище; 13 — танк декантации

В последнее время, абсорбционная газоочистка уступает место другим способом. Однако, по мнению большинства специалистов, в случае экономичного решения проблемы отработанного раствора этот метод может быть предпочтительнее других.