Расчет колонного абсорбера для очистки отходящих газов от газовых примесей

В отходящих газах часто содержатся токсичные газообразные примеси, эффективная очистка от которых производится абсорбцией. Различают физическую и химическую абсорбцию. При химической абсорбции примесь вступает в химическое взаимодействие с абсорбентом с образованием нерастворимого соединения. Осадок выделяется одним из методов в отдельный продукт, который подлежит дальнейшей переработке или захоронению.

Так, например, в отходящих газах при паро-фазной эпитаксии хлоридно-гидридным методом арсенида галлия содержатся HCl, AsH₃, GaCl₃. Используя водные растворы Ca(OH)₂, Ca(OCl)₂ нейтрализация токсичных газов протекает по следующим реакциям:

2HCl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2H₂O (5.1)

CaCl₂ + H₂SO₄ = CaSO_4 + 2 HCl (5.2)

2 AsH₃ + 4 Ca(OCl)₂ + 3 Ca(OH)₂ = Ca₃(AsO₄)_{2 } + 4 CaCl₂ + 6 H₂O (5.3)

2 GaCl₃ + 4 Ca(OH)₂ = Ca(GaO₂)_{2 } + 3CaCl₂ + 4 H₂O (5.4).

Твердые осадки соединений мышьяка и галлия подлежат дальнейшей переработке или захоронению, хлористый кальций может быть товарным продуктом после упаривания растворов. Реакция (5.2) может быть использована для рекуперации HCl.

Физическая абсорбция основана на фазовом равновесии газ - жидкость, часто описываемом законом Генри:

y⁰ = k⁰ x (5.5)

где y⁰ - равновесная мольная доля примеси в газовой фазе; x - мольная доля примеси в жидком абсорбенте; k⁰ - коэффициент распределения (коэффициент Генри).

В реальных растворах, благодаря межатомному взаимодействию примеси и абсорбента, возможно отклонение от линейной зависимости. Ряд данных о растворимости примесей в воде приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Количество газа (V⁰, см³, 0⁰С, 760 мм рт ст,) растворяющееся в 1 см³ воды в зависимости от температуры при суммарном давлении газа и паров воды 760 мм рт.ст.

Газ	Температура, 0С
	10	15	20
Аммиак	910	810	710
Хлористый водород	473	457	442
Сернистый газ	56.6	48	39.4
Давление насыщенных паров воды, мм рт.ст.	8.8	13.4	18

По данным таблицы в предположении образования идеального раствора определяется равновесный коэффициент распределения примеси:

Молярная концентрации газовой примеси в воде:

С_прим. = V⁰ / 22.4 моль/л (5.6)

Молярная доля примеси в воде:

x_прим. = С_прим. / ( С_прим. + 1000 / 18) (5.7)

Молярная доля примеси в газовой фазе:

y⁰ = (760 - p_H2O) / 760 (5.8)

Равновесный коэффициент распределения находят по уравнению (5.5)

Очистку газов абсорбцией проводят в аппаратах различной конструкции. Наиболее эффективным из них является колонный абсорбер непрерывного действия (рис. 5.1)

Рис. 5.1. Схема колонного абсорбера: 1 – опорная решетка, 2 – насадка, 3 – ограничительная решетка, 4 – оросительное устройство, 5 – брызгоуловитель.

Для улучшения массопереноса в абсорбере используются горизонтальные перегородки (тарелки) или насадка из элементов различной формы.

Минимальное количество абсорбента, подаваемого в абсорбер, определяется из баланса примеси, переходящей из газовой фазы в абсорбент при достижении равновесия в системе:

Q (y_н - y_к) / 22.4 = L_мин ( x_к⁰ - x_н⁰) (5.9)

где Q - расход газа, подаваемого для очистки, м³/ с; L _мин - минимальный расход абсорбента при достижении равновесия фаз в абсорбере, моль / с; y_н и y_к - начальное и конечное содержание примеси в газе соответственно, мольные доли; x_к⁰ и х_н⁰ - равновесное начальное и конечное содержание примеси в абсорбенте, мольные доли.

Для повышения эффективности массопереноса в абсорбере обычно используют избыток абсорбента. Практический расход составляет:

L = К L_мин (5.10)

где К - коэффициент избытка абсорбента, определяемый из условия минимальной стоимости процесса очистки. Стоимость передела определяется, главным образом, стоимостью абсорбента и амортизационными отчислениями со стоимости оборудования. Стоимость оборудования зависит от высоты абсорбера. С увеличением коэффициента избытка абсорбента возрастает движущая сила массопереноса и соответственно уменьшается необходимая высота абсорбера. В предлагаемой задаче при выборе коэффициента избытка следует ориентироваться на предельную высоту абсорбера 5...6м.

При принятом расходе абсорбента L из уравнения (5.9) определяется конечное содержание примеси в абсорбенте (х_к).

Высота абсорбера рассчитывается в зависимости от его конструкции. Для абсорбера с насадкой из зависимости:

H = ВЕП * m_y (5.11)

где ВЕП - высота единицы переноса, м, определяемая из условия массопередачи в абсорбере, Для насадки из колец Рашига можно принять ВЕП = 0,8...1,5 м; m_y - число единиц переноса (изменение состава газовой фазы, приходящееся на единицу движущей силы массопереноса). При линейной зависимости фазового равновесия и рабочей линии абсорбера число единиц переноса определяется из зависимости:

m_y =( y_н - y_к ) / y_сред (5.12)

где y_сред = (y_н + y_к) / 2; y_н = y_н - y_н⁰ = y_н - к⁰ х_к - движущая сила массопереноса в нижнем сечении абсорбера; y_к = y_к - y_к⁰ = y_к - к⁰ х_н - движущая сила массопереноса в верхнем сечении абсорбера.

Диаметр абсорбера (d, м) определяют по фиктивной скорости движения газа в свободном его сечении (w_ф), принимаемой обычно в пределах 1...2 м/с:

d = ( 4 Q /  w_ф)^0,5 (5.13)

где Q - расход газа с учетом температуры и давления в абсорбере.

Варианты заданий

Рассчитать размеры колонного абсорбера (высоту и диаметр) и расход абсорбента (воды) (L,м³/час) для очистки отходящих газов в количестве Q₀ =1000 м³/час (при нормальных условиях). В отходящем газе растворена примесь ........ в количестве 5% (объем.). Очистка проводится при температуре Т...... ⁰С. Конечное содержание примеси в отходящем газе y_к =0.2% (объем.). Начальное содержание примеси в абсорбенте x_н = 0. Давление газа в системе 760мм рт.ст.

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Газ	SO2	SO2	SO2	HCl	HCl	HCl	NH3	NH3	NH3
Температура 0С	10	15	20	10	15	20	10	15	20

Процедура расчета

1. По данным таблицы 5.1 рассчитываем молярную долю газовой примеси в абсорбенте при равновесии (уравнения 5.6 и 5.7).

2. Рассчитываем молярную долю примеси в газовой фазе с учетом давления паров абсорбента (уравнение 5.8).

3. Рассчитываем равновесный коэффициент распределения в системе (уравнение 5.5).

4. Рассчитываем минимальный расход абсорбента при условии достижения равновесия в абсорбере (уравнение 5.9).

5. Задаемся значением коэффициента избытка абсорбента (К) и рассчитываем действительный расход абсорбента (уравнение 5.10).

6. Рассчитываем конечный состав абсорбента с учетом действительного его расхода (уравнение 5.9).

7. Рассчитываем высоту насадки в абсорбере (уравнения 5.11 и 5.12).

Если высота насадки отличается от заданной (5...6м) задаются другим значением коэффициента избытка адсорбента и возвращаются к п.5.

8. Рассчитываем массовый расход абсорбента с учетом выбранного коэффициента его избытка.

9. Рассчитываем диаметр абсорбера (уравнение 5.13).