Основы технологического оформления. Разомкнутый и циркуляционные процессы
К разомкнутым процессам, относятся процессы, в которых отсут- ствует стадия регенерации абсорбента.
Преимущества разомкнутых процессов:
простота аппаратурно-технологического оформления;
возможность весьма тонкой очистки газа из-за отсутствия из- влекаемых компонентов в используемых абсорбентах. Кроме того, могут быть применены сильные нерегенерируемые хемосорбенты, позволяющие добиться тонкой очистки газа;
малый расход энергии на очистку (только на циркуляцию аб- сорбента).
Однако разомкнутые процессы имеют важный недостаток, свя- занный с однократным использованием абсорбента, и, как следствие, удорожание процесса. При этом возникают трудности с использовани- ем (или со сбросом) отработанного абсорбента. Наконец, нельзя полу- чить все компоненты газовой фазы в чистом виде. Поэтому область применения разомкнутых процессов ограничена и они используются лишь в тех случаях, когда необходима тонкая очистка, при наличии весьма дешевого абсорбента, и когда получается продукт, который может быть использован в качестве готового продукта или полупро- дукта для другого процесса.
Из процессов физической абсорбции к разомкнутым процессам можно отнести абсорбцию оксида углерода жидким азотом и ( в неко- торой мере) абсорбцию диоксида углерода водой ( частично разомкну- тый процесс). Оба процесса дороги: первый из-за глубокого охлажде- ния, второй - вследствие малой поглотительной способности воды.
Характерным примером разомкнутого процесса хемосорбции яв- ляется абсорбция диоксида углерода растворами щелочи. Процесс применяется для тонкой очистки при малых концентрациях СО2 в ис- ходном газе.
Рис. 4.1. Примеры технологических схем абсорбционных процессов: а - разомкнутая схема; б - разомкнутая схема с частичной циркуляцией аб- сорбента; в- циркуляционная схема
Примеры технологических схем разомкнутых процессов приве- дены на рис.4.1 а, б.
Применение рециркуляции позволяет увеличить скорость абсорб- ции, когда коэффициент массопередачи зависит от плотности ороше- ния; увеличить поверхность массообмена, и, следовательно уменьшить высоту аппарата; полнее использовать абсорбент, если реакция проте- кает медленно.
Циркуляционные (или абсорбционно-десорбционные) процессы (рис. 4.1 в) отличаются от разомкнутых наличием замкнутого цикла абсорбента.
Растворитель, насыщенный в абсорбере растворенным газом, по- ступает в десорбер, где происходит обратный процесс - выделение рас- творенного газа, после чего абсорбент поступает вновь на абсорбцию.
Десорбция осуществляется за счет сдвига равновесия газ- жидкость в сторону уменьшения растворимости газа. Это достигается одним из следующих способов:
снижением общего давления до атмосферного или остаточного;
снижением парциального давления газа над раствором, что дос- тигается отдувкой газа другим газом или парами абсорбента;
повышением температуры, что в большинстве случаев приво- дит к снижению растворимости.
Преимуществами циркуляционных методов является снижение расхода абсорбента, возможность выделения в чистом виде хорошо
растворимых газов. Однако при этом возрастает расход энергии и ус- ложняется аппаратурно-технологическое оформление процесса.
К циркуляционным процессам относятся многие процессы очист- ки газов от диоксида углерода, очистка газа от оксида углерода медно- аммиачными растворами.
Технологические схемы циркуляционных процессов включают кроме абсорбера и десорбера разнообразное оборудование, причем число десорберов может достигать 3-4 при необходимости селективно- го выделения различных газов за счет постепенного сброса давления или постепенного нагрева.
Технологическое оформление циркуляционных процессов зави- сит от физико-химических особенностей процесса.
Так, при физической абсорбции относительно малая раствори- мость и близкая к линейной зависимость ее от давления приводит к не- обходимости проводить абсорбцию под давлением. Чем выше давле- ние, тем экономичнее процесс. По этой же причине десорбцию выгод- нее вести не при нагревании, а путем сброса давления или отдувкой.
Ввиду малой растворимости газов расход электроэнергии на цир- куляцию абсорбента велик. Он снижается при проведении процесса при пониженных температурах. Характерным примером такого про- цесса является очистка от диоксида углерода и др. примесей холодным метанолом.
При циркуляционном процессе физической абсорбции трудно достичь тонкой очистки, т.к. наличие даже небольшого количества растворенного газа в регенерированном растворе приводит к сущест- венному увеличению его давления над раствором.
Ввиду линейной зависимости растворимости газа от его давления при физической абсорбции количество циркулирующего раствора тео- ретически не зависит от концентрации извлекаемого компонента в ис- ходном газе, т.к. с увеличением количества извлекаемого газа возрас- тает его парциальное давление и поглотительная способность раствора. Повышение концентрации примеси приводит к увеличению высоты абсорбера или (при заданной высоте) к возрастанию циркуляции рас- твора. Поэтому при физической абсорбции возможна рециркуляция га- зовых потоков после промежуточной десорбции с подачей вновь в аб- сорбер.
Особенности технологического оформления процесса физической абсорбции иллюстрируются на примере процесса водной очистки от диоксида углерода.
Для химической абсорбции характерны следующие особенности:
возможность абсорбции при низком парциальном давлении из- влекаемого газа из-за более высокой поглотительной способности раствора;
относительно низкая циркуляция раствора и малый расход электроэнергии;
регенерация путем нагревания из-за резкого уменьшения рас- творимости с ростом температуры, при этом относительно велик расход тепла на регенерацию;
поскольку регенерация проводится часто при кипении абсор- бента, его пары играют роль десорбирующего агента;
достижение весьма тонкой очистки;
более высокая селективность, и, следовательно отсутствие ре- циркуляции газовых потоков;
возрастание коррозии и протекание побочных реакций из-за применения повышенных температур и щелочных реагентов - сильных и слабых электролитов.
В целом технологическое оформление процесса физической аб- сорбции проще, чем процесса хемосорбции. При повышенных давле- ниях, пониженных температурах и грубой очистке физическая абсорб- ция потребляет меньше энергии.
При высоком парциальном давлении примеси и в случае необхо- димости тонкой очистки целесообразно применять двухступенчатые схемы, включающие физическую абсорбцию в первой ступени (грубая очистка) с регенерацией абсорбента путем снижения давления и хемо- сорбцию на второй ступени. Применяются и трехступенчатые схемы. В качестве третьей ступени очистки от диоксида углерода используется тонкая очистка растворами щелочей.
Технологические схемы циркуляционных процессов разнообраз- ны. Могут применяться схемы с двумя и большим числом потоков аб- сорбента. Обычно верхний поток охлаждают до более низкой темпера- туры или глубже регенерируют. Такие схемы позволяют добиться бо- лее тонкой очистки и одновременно сократить расход энергии на реге- нерацию, сократить циркуляцию абсорбента, упростить схемы (заме- нив двухступенчатую очистку одноступенчатой). Применяются схемы с отводом тепла абсорбции (неадиабатическая абсорбция), что способ- ствует увеличению поглотительной способности абсорбента. В стадии регенерации также применяются схемы с разделенными потоками аб- сорбента, позволяющие снизить расход тепла.