10

Лекция 3 Абсорбция газов жидкостями

Абсорбционные процессы широко применяются в химической промышленности. Абсорбция - процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс выделения растворенного газа из раствора называется десорбцией. Абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

На практике абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами, а непоглощаемые составные части - инертным газом. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией. Поглощение компонента происходит до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя. При хемосорбции абсорбируемый компонент связывается с жидкой фазой в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение.

В промышленности абсорбция может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не проводят, поглотитель используется однократно. В этом случае в результате абсорбции получают готовый продукт или полупродукт. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде, для этого раствор после абсорбера направляют на регенерацию, где происходит выделение компонента, а регенерированный раствор вновь возвращают на абсорбцию.

Области применения абсорбции

1. Поглощение готового продукта путем поглощения газа жидкостью: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция HCl с получением соляной кислоты.

2. Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких компонентов, при этом применяемый поглотитель должен обладать возможно более поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим компонентам: абсорбция бензола из коксового газа, абсорбция ацетилена при крекинге природного газа.

3. Очистка газа от примесей вредных компонентов. Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов: очистка азото-водородной смеси для синтеза аммиака от СО и СО₂, очистка нефтяных и коксовых газов от H₂S. Кроме того, проводят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов: очистка топочных газов от SO₂, очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений.

Примеры промышленных процессов абсорбции различных газов.

Газ	Абсорбирующий раствор
СО2	суспензия извести, карбонаты и гидроксиды щелочных металлов, амины
О2	водный раствор CuCl
SO3	серная кислота
SO2	растворы сульфита и гидросульфита аммония
СО	растворы медноаммиачных комплексов, МЭА, ДЭА, ТЭА
NH3	раствора азотной и серной кислот

Растворимость газов в неподвижных жидкостях

Во многих случаях, когда концентрация растворенного газа мала, а температура и давление далеки от критических значений для этого газа, соблюдается закон Генри, согласно которому концентрация растворенного газа при равновесии связана с его парциальным давлением р_i соотношением

Р_а = Неа (1)

где Не - константа Генри, лкПа/моль.

С увеличением температуры обычно константа Генри увеличивается, причем соблюдается следующее соотношение:

(2)

где Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная, Н - теплота абсорбции при рассматриваемой температуре (отрицательная величина).

Растворимость газа с повышением температуры снижается.

Когда газ вступает в растворе в химическую реакцию, закон Генри следует применять не к общей концентрации растворенного газа, а к концентрации непрореагировавшего газа.

Если в жидкой фазе имеет место реакция

А + В Q,

то величина а в уравнении выражает концентрацию свободных (непрореагировавших) молекул газа А в поглотителе. Общая концентрация свободного и прореагировавшего газа А составит

с = а + q (3)

Задача сводится к нахождению зависимости с(Ра).Согласно равновесию реакции

q = Кав (4)

где константа равновесия.

с = а + Кав = а(1+Кв) = Р_а/Не(1+Кв) (5)

согласно этому уравнению растворимость газа при протекании химической реакции в жидкой фазе увеличивается по сравнению с растворимостью при чистой физической абсорбции, когда а=Р_а/Не.

Присутствие в поглотителе электролитов обычно снижает растворимость газов:

lg(He/He₀) = hI (6)

Не₀ – константа Генри для чистой воды, h – коэффициент, зависящий от вида ионов и растворенного газа, I – ионная сила раствора, моль/л.

I = 0,5c_iz_i² (7)

с_i – концентрация ионов с зарядом z_i.

Для смеси электролитов

lg(Нe/He₀) = h_iI_i (8)

Константа Генри увеличивается с ростом температуры, причем соблюдается следующее соотношение:

dlnHe/d(1/T) = H/R (9)

где Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная, H - теплота абсорбции при рассматриваемой температуре (отрицательная величина).