Аппараты для проведения процессов адсорбции

Сущность процесса адсорбции

О способности твердых тел поглощать своей поверхностью примеси из газовых смесей и растворов жидкостей знали давно. Российский ученый Иоганн Ловиц (1757-1804) впервые изучил этот процесс в 1785 году и на­шел ему практическое применение. Первым адсорбентом, нашедшим прак­тическое применение, стал древесный уголь. Уголь применяли во флоте для очистки питьевой воды, на водочных заводах для очистки спирта, а за­тем и на сахарных заводах. В 1915 г. академик Н.Д. Зелинский (1861-1953) создал первый универсальный угольный противогаз для защиты органов дыхания от отравляющих веществ. Н.Д. Зелинский разработал способ ак­тивизации угля водяным паром и органическими веществами и ввел тер­мин активированный уголь.

Процессы адсорбции в настоящее время применяются в различных отраслях промышленности для очистки и осушки газов, для очистки рас­творов от примесей и разделения смесей газов и паров. В качестве приме­ров можно привести очистку воздуха в противогазе, разделение газообраз­ных углеводородов, осушку природного газа от воды и высокомолекуляр­ных углеводородов, очистку жидких нефтепродуктов от примесей и другие процессы. Процесс адсорбции применяется также для улавливания паров летучих растворителей из паровоздушных смесей, образующихся в раз­личных технологических процессах, с целью повторного их использования в производстве, что имеет большое экономическое значение и способству­ет охране окружающей среды. Высокая значимость этого процесса видна из следующих примеров.

Так, при производстве 1 кг ацетатного волокна расходуется до 3 кг ацетона, при производстве 1 кг вискозного волокна - до 0,5 кг сероуглеро­да, при производстве 1 кг целлулоида - до 1 кг этилового спирта, при про­изводстве 1кг искусственной кожи - до 1,5 кг бензина. В готовой продукции растворитель не содержится, т.к. он весь испаряется на конечных ста­диях производства.

Выделения больших количеств паров летучих растворителей в воздух приводят не только к потерям этих ценных продуктов и загрязнению ок­ружающей среды, но и к образованию взрывоопасных паровоздушных смесей в производственных помещениях. Поэтому неудивительно, что проблеме улавливания отработанного растворителя придается очень боль­шое значение. Процесс улавливания отработанного растворителя называ­ется рекуперацией паров летучих растворителей.

Схема процесса адсорбции в близком к равновесному состоянию изо­бражена на рис. 6.4.

При соприкосновении газа (или жидкости) с поверхностью твердого те­ла происходит избирательное поглоще­ние (адсорбция) содержащегося в этом газе (или жидкости) компонента а. Од­новременно происходит обратный про­цесс: выделение (десорбция) какого-то количества компонента а с поверхности твердого тела в газовую (жидкостную) среду. При достаточном времени сопри­косновения фаз скорости прямого (ад­сорбции) и обратного (десорбции) про­цессов уравниваются, т.е. наступает ад­сорбционное равновесие.

Адсорбенты и их характеристика

В качестве адсорбентов используются обладающие высокой пористо­стью твердые материалы, т.е. материалы с большой удельной поверхно­стью. Наиболее распространены активные (активированные) угли, силикагель, активная окись алюминия, цеолиты, диатомиты, трепелы и некоторые другие материалы.

Активные угли изготовляются в виде гранул размером от 1 до 7 мм, либо в виде порошка. Общая поверхность 1 г активированных углей дости­гает 400 м² и более. В промышленности они применяются для поглощения паров органических жидкостей из парогазовых смесей, для очистки рас­творов от примесей. Недостатком углей является их горючесть и склон­ность некоторых марок углей к самовозгоранию, что не позволяет исполь­зовать активные угли при температурах выше 200 °С. По назначению активные угли, выпускаемые промышленностью, делятся на три основные группы.

- осветляющие угли, предназначенные для адсорбции из растворов окрашивающих примесей, марок А и Б (удельная поверхность 138м²/г), МД (90 м²/г), АГС-4 и др.

- рекуперационные угли, используемые для адсорбции из газовой фа­зы паров органических растворителей, марок АР-3 (удельная поверхность 48 м²/г), APT, CKT-3 и др.

- активные угли газового типа, предназначенные для тонкой очистки и
разделения газов или адсорбции из растворов веществ, при небольших кон­центрациях, марок СКГ (удельная поверхность 108 м²/г), СКТ-6А (178 м²/г), АГ-2, КАД-водный, БАУ и др.

Силикагель (ксерогель кремниевой кислоты – nSiО₂) изготовляется в виде зерен и шариков размером от 0,2 до 7 мм и применяется в процессах осушки воздуха и промышленных газов, осушки различных жидкостей, рекуперации паров органических веществ, очистки масел, удаления из нефти смолистых веществ, очистки промышленных сточных вод от ионов различных металлов, для разделения радиоактивных изотопов и в др. про­цессах. Общая поверхность 1 г силикагеля достигает 300-700 м².

Примеры некоторых марок силикагеля: КСМ-6П (крупнозернистый силикагель мелкопористый) с диаметром шариков 2,8-7 мм, имеющий удельную поверхность 527 м²/г и средний радиус пор 1,12 нм (1,12 10^-9 м), МСК (мелкозернистый силикагель крупнопористый), имеющий размер зе­рен 0,25-2 мм, удельную поверхность 380 м²/г и средний радиус пор 6,2 нм, КСС-5 (крупнозернистый силикагель специальный) с диаметром ша­риков 2,8-7 мм, имеющий удельную поверхность 715 м²/г и средний ради­ус пор 1,61 нм, АСК (активированный силикагель крупнопористый) и др.

Активная окись алюминия изготовляется в виде гранул цилиндриче­ской формы диаметром 4-6 мм и длиной 4-25 мм и используется для осушки газов, очистки масел, очистки газов и жидкостей от фторсодержа-щих соединений и в др. процессах. Удельная поверхность активной окиси алюминия марки А-1 достигает 180-200 м~/г с преобладающими радиуса­ми пор 7 и 300 нм.

Цеолиты (молекулярные сита) изготовляются с размером зерен 0,5-2 мм и имеют с удельную поверхностью более 150 м²/г. Они представляют собой пористые искусственные или синтетические алюмосиликаты со строго регулярной кристаллической структурой и поэтому применяются для разделения газов или жидкостей по размерам молекул, например, для разделения нормальных парафиновых углеводородов и углеводородов изостроения, для глубокой осушки и очистки газов и жидкостей и в др. про­цессах. Цеолиты изготовляются в виде кристаллических порошков, гранул или таблеток. Цеолиты классифицируются по различным признакам и имеют обозначения LiA, NaA, NaX, СaX и др.

Понятие об изотерме адсорбции, динамической

и статической активности адсорбента

Природа сил, вызывающих адсорбцию, сложна и изучена еще недос­таточно полно. В то же время известно, что при длительном соприкосно­вении адсорбента с фазой, в которой находится поглощаемое вещество, на­ступает равновесие, т.е. в единицу времени поверхностью твердого тела адсорбируется столько же вещества, столько удаляется с его поверхности. Это состояние для малых концентраций поглощаемого вещества в парога­зовой смеси может быть выражено соотношением

(6.22)

где - равновесная концентрация адсорбированного вещества, кг/кг ад­сорбента; - равновесная концентрация поглощаемого вещества в фазе, соприкасающейся с адсорбентом, кг/кг инертной части парогазовой смеси или раствора; А и n - опытные коэффициенты, причем n ≥ 1.

Процессы адсорбции сопровождаются выделением тепла, т.е. они экзотермические.

Приведенная зависи­мость 6.22 соответствует оп­ределенной температуре и изображается кривой, нося­щей название изотермы ад­сорбции (рис. 6.6).

Вид и характер изотерм адсорбции зависит от многих факторов, но в первую оче­редь от природы адсорбента, поглощаемого вещества и инертной фазы, из которой поглощается вещество.

Поглотительная способ­ность адсорбентов характери­зуется статической и динами­ческой активностью. Отмече­но, что при пропускании парогазовой смеси или раствора сквозь слой адсорбента через некоторое время адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент - наблюдается так называемый «проскок» компонента через слой адсор­бента: начиная с какого-то момента времени, концентрация компонента в отходящей смеси или в растворе растет.

Количество вещества, поглощенное единицей массы (или объема) ад­сорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока», называется динамического активностью адсорбента. Если изменить условия процесса поглощения, обеспечив длительный контакт неподвижной парогазовой смеси или раствора с адсорбентом, то количество вещества, поглощенное тем же, что и в первом случае, объемом адсорбента за время от начала ад­сорбции до установления равновесия, увеличится. Эта характеристика ад­сорбента называется статической активностью. Из определений видно, что динамическая активность меньше статической.

Влияние технологических параметров на протекание

процессов адсорбции и десорбции

Концентрация адсорбируемого вещества в парогазовой смеси при по­стоянной температуре пропорциональна его давлению. Поэтому уравнение изотермы адсорбции в этом случае можно представить в виде:

(6.23)

где р - равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой сме­си, Па; -опытный коэффициент.

На рис. 6.7 показаны изотермы адсорбции метана, этана и паров бен­зола при одной и той же температуре активным углем. Приведенные зако­номерности поясняют влияние температуры, давления, а также вида по­глощаемого компонента на процесс адсорбции. С уменьшением темпера­туры процесса поглотительная способность адсорбента увеличивается (см. рис. 6.6). Увеличение давления, как видно из выражения 6.23 и рис. 6.7, также приводит к росту поглотительной способности адсорбента. При од­них и тех же значениях температуры и давления (р₁ на рис. 6.7) пары бен­зола поглощаются больше, чем этана, а этана - больше, чем метана. Эти вещества имеют различные температуры кипения и молекулярные массы (метан: темп. кип. -161,58 °С и M = 16,04; этан: темп. кип. -88,63 °С и M = 30,07; бензол: темп. кип. 80,1 °С и M = 78,11). Выявлено, что при прочих равных условиях в большей степени поглощаются те компоненты, которые имеют большие температуры кипения.

Таким образом, адсорбции способствует понижение темпе­ратуры и повышение давления процесса.

Процесс десорбции обычно проводится после адсорбции с целью выделения поглощенного компонента и регенерации по­глотителя. Десорбции способст­вуют: повышенная температура, пониженное давление и наличие вещества, вытесняющего по­глощенное вещество из адсор­бента. Такими свойствами обла­дает водяной пар, который час­то используют при проведении процесса десорбции.

Основные типы адсорберов

Для проведения процессов адсорбции веществ из парогазовых смесей применяются адсорберы следующих типов:

- с неподвижным зернистым адсорбентом;

- с движущимся зернистым адсорбентом;

- с кипящим (псевдоожиженным) слоем мелкозернистого адсорбента.
Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента работают периодически и выполняются в виде полых вертикальных или горизон­тальных аппаратов, в которых на решетках находится слой адсорбента.

На рис. 6.8 показан вертикальный угольный абсорбер, который ис­пользуется на установках рекуперации. Исходная паровоздушная смесь поступает в адсорбер через верхний штуцер, проходит через находящийся на решетке 3 слой адсорбента 6, а очищенный воздух удаляется через шту­цер в коническом днище адсорбера. По завершении процесса адсорбции проводится десорбция, для чего в аппарат подают перегретый водяной пар (или другой конкурирующий агент), который движется по адсорберу снизу вверх.

Паровая смесь, выходящая из штуцера 8, направляется на конденса­цию и разделение, куда также подается стекающий в днище адсорбера конденсат. По завершении процесса десорбции сквозь слой адсорбента для его осушки пропускают горячий воздух, который вводится в аппарат через штуцер подачи водяного пара и удаляется через штуцер 8. Высушенный адсорбент охлаждают холодным воздухом, движущимся по тому же пути, что и горячий воздух. После этого операции поглощения, десорбции, суш­ки и охлаждения возобновляются.

Загрузка свежего и выгрузка отработанного адсорбента производит­ся через люки 7 и 5. В случае самовозгорания активированного угля для его тушения ис­пользуется вода, пода­ваемая в нижнюю часть адсорбера по штуцеру 4. Для предотвращения разрушения адсорбера при возможном «хлоп­ке» паровоздушной смеси на крышке загру­зочного люка 7 имеется взрывное мембранное устройство.

Так как адсорбер работает периодически, то для обеспечения не­прерывности производ­ственного процесса в технологической схеме должно быть установ­лено несколько параллельно работающих однотипных аппаратов, чтобы соблюдалось следующее условие:

(6.24)

где τ - продолжительность операции; индексы ад, д, с и охл означают со­ответственно адсорбция, десорбция, сушка и охлаждение; n - количество однотипных аппаратов.

Продолжительность операции адсорбции оценивается расчетом и уточняется опытным путем, продолжительность вспомогательных опера­ций (десорбции, сушки и охлаждения) определяется экспериментально.

Если принять, что длительность периода адсорбции приближенно равна продолжительности остальных периодов, т.е. , то для обеспечения непрерывной работы станции понадобится 2 адсорбера. В то время, когда в первом адсорбере будет проходить процесс поглощения, во втором адсорбере - вспомогательные операции по подготовке его к ра­боте: десорбция, сушка и охлаждение. После завершения процесса погло­щения в первом адсорбере переключают на поглощение второй, а первый адсорбер переключают для проведения вспомогательных операций.

В большинстве случаев рекуперационные станции работают не по четырехфазному циклу, а по двухфазному, когда фазы сушки и охлаждения совмещены с фазой адсорбции.

На рис. 6.9 приведена технологическая схема рекуперационной стан­ции, работающей по двухфазному циклу. Паровоздушная смесь (ПВС) по­ступает на станцию рекуперации по воздуховоду 7, защищенному огнепреградителем 13, и с помощью вентилятора 2 направляется в адсорбер б, ко­торый работает в режиме поглощения. Очищенный от паров воздух выхо­дит из нижнего патрубка адсорбера, проходит через сепаратор 12 и по ли­нии 8 сбрасывается в атмосферу.

В это время в адсорбере 7 производится процесс десорбции паров рас­творителей из активированного угля водяным паром, который подается в нижнюю часть адсорбера 7 по коллектору 14. Водяной пар, проходя через слой адсорбента, насыщается парами растворителя и поступает в конден­сатор-холодильник 9, где пары конденсируются, а образующийся конден­сат охлаждается и направляется на установку получения чистого раствори­теля (на схеме не показана). Конденсат частично сконденсировавшегося в адсорбере 7 водяного пара стекает в коническое днище аппарата и также направляется в сборник. В зависимости от свойств растворителя конденсат может представлять собой эмульсию (компоненты растворителя не раство­римы в воде), раствор (все компоненты растворителя растворимы в воде) или сложную смесь эмульсий и растворов. Из эмульсии растворитель вы­деляют отстаиванием; раствор подвергают ректификации; выделение рас­творителя из сложной смеси производят последовательно отстаиванием и ректификацией. Рекуперированный растворитель или его отдельные ком­поненты возвращают в технологический цикл основного производства для повторного использования.

По завершении операции десорбции отключают подачу водяного пара в адсорбер 7. Затем открывают шибер на линии подачи ЛВС в теплооб­менник 4 для ее нагрева водяным паром и проведения процесса сушки ак­тивированного угля. После окончания фазы сушки переключают шиберы на линиях подачи ПВС и в адсорбер 7 подается холодная паровоздушная смесь, которая охлаждает уголь. По мере охлаждения угля в адсорбере 7 начинается процесс поглощения паров растворителя из ПВС, т.е. фаза ох­лаждения автоматически переходит в фазу адсорбции. Одновременно с на­чалом процесса поглощения паров в адсорбере 7 закрывают шибер на ли­нии подачи ПВС в адсорбер 6 для проведения в нем процессов десорбции и регенерации адсорбента.

Количество паров растворителя, улавливаемое из паровоздушной сме­си:

(6.25)

где G_p - количество улавливаемого растворителя, кг; W_пвс - расход паро­воздушной смеси, поступающей в адсорберы на улавливание паров рас­творителя, м³/с; у_н и у_к - соответственно начальная и конечная концентра­ции паров растворителя в паровоздушной смеси до и после адсорбции, кг/м³; τ_ад - продолжительность адсорбции, с.

В то же время величину G_p можно найти из выражения

(6.26)

где G_ад - масса адсорбента в адсорбере; и - средние концентрации адсорбированного вещества в адсорбере соответственно в конечный и на­чальный моменты времени, кг/кг адсорбента.

Из выражений 6.25 и 6.26 можно найти продолжительность фазы ад­сорбции до момента проскока паров растворителей через слой адсорбента, т.е. когда y_k= 0:

(6.27)

В полученном выражении массу ад­сорбента в адсорбере определяют по форму­ле

(6.28)

где D и H - соответ­ственно диаметр ад­сорбера и высота слоя адсорбента, м; р_нас -насыпная плотность адсорбента; кг/м³; ве­личина р_нас зависит от вида адсорбента и размера его зерен; для гранулированного ак­тивного угля прини­мают р_нас = 500 кг/м³.

На рис. 6.10 пока­зана схема непрерывно действующего адсор­бера с движущимся зернистым адсорбен­том, которые приме­няются в нефтеперера­батывающей и нефте­химической промышленности. Адсорбер представляет собой сложный по конструкции

аппарат колонного типа со встроенными холо­дильником l, распределительными тарелками 2 и 5 и подогревателем б. Зернистый адсорбент, поступающий в аппарат через верхний патрубок, движется самотеком сверху вниз и проходит последовательно через зоны охлаждения, адсорбции и десорбции. Регенерированный адсорбент, охла­жденный в трубах холодильника l, проходит через распределительную та­релку 2 и поступает в зону адсорбции, куда подается исходная парогазовая смесь через перфорированный патрубок 4. После взаимодействия с адсор­бентом не поглощенная часть смеси выводится из адсорбера через патру­бок 10, а насыщенный поглощенными компонентами адсорбент проходит через распределительную тарелку 5 и поступает в трубы подогревателя б зоны десорбции адсорбера. В эту зону через перфорированный патрубок 7 подается конкурирующий агент - водяной пар, который вытесняет из ад­сорбента поглощенные компоненты и выходит в смеси с ними через пат­рубок 9. В нижней части адсорбера имеется затвор 8, аналогичный по уст­ройству с секторным питателем, с помощью которого регулируется ско­рость движения адсорбента.

Регенерированный адсорбент поступает в приемное устройство элева­тора или пневмоподъемника (на схеме не показаны) и транспортируется к верхнему патрубку адсорбера. Далее процесс повторяется.

6.2.3. Аппараты для проведения процессов абсорбции

Сущность процесса абсорбции

Процессы абсорбции, также как и процессы адсорбции, используются в промышленности для выделения из газовых или парогазовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки отходящих газов произ­водств.

Схема процесса абсорбции в близком к равновесному состоянии показана на рис. 6.11.

При соприкосновении газовой (парогазовой) фазы с жидкостью происходит избирательное растворе­ние (абсорбция) содержащегося в этом газе компонента а. По мере на­сыщения жидкости компонентом а ускоряется обратный процесс - процесс десорбции компонента а из жидкости (абсорбента) и через опреде­ленный промежуток времени установится равновесие.

Влияние технологических параметров на протекание

процессов абсорбции и десорбции

Растворимость газов в жидкостях зависит от физико-химических свойств этих газов и жидкостей, температуры процесса и парциального давления в газовой смеси поглощаемого компонента. Растворимость газов и паров в жидкостях сопровождается выделением тепла, так как процессы абсорбции экзотермические.

Зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлени­ем в состоянии равновесия выражается законом Генри:

(6.29)

где р_а - равновесное парциальное давление поглощаемого компонента а над абсорбентом, Па; ψ - коэффициент пропорциональности (константа Генри), зависящий от свойств растворяемого газа, вида абсорбента и тем­пературы, Па; - содержание растворенного компонента а в абсорбенте, кг/кг абсорбента.

Константа Генри зависит от природы растворяемого компонента и температуры:

(6.30)

где q - теплота растворения газа, Дж/моль; R = 8,314 Дж/(моль К) - уни­версальная газовая постоянная; Т - температура процесса, К; С - посто­янная, зависящая от природы газа и жидкости.

Константа Генри увеличивается с ростом температуры, асимптотиче­ски приближаясь к значению постоянной С. Анализ выражений 6.29 и 6.30 показывает, что с повышением температуры процесса растворимость по­глощаемого компонента в жидкости уменьшается, а с повышением его парциального давления - растет. Парциальное давление компонента мож­но увеличить за счет повышения его концентрации в смеси или за счет по­вышения общего давления системы.

Таким образом, процессу абсорбции способствуют: повышенное дав­ление среды, высокая концентрация поглощаемого компонента и пони­женная температура (процесс должен протекать с отводом тепла).

Для практических расчетов необходимо знать связь между содержа­нием абсорбируемого компонента в газовой фазе и в растворе.

Относительное весовое содержание компонента а в газовой (парогазо­вой) смеси определяется по формуле

, кг/кг инертного газа, (6.31)

где m_а - масса поглощаемого компонента а в смеси, кг; m_н - масса не по­глощаемого (инертного) компонента, кг.

Вспомним, что

и

а и

В этих выражениях: р_а и р_н - плотности соответственно поглощаемо­го и не поглощаемого компонентов смеси; φ_а и φ_н - объемные концентра­ции этих компонентов в смеси; р_а и р_н = р_общ - р_а - парциальные давления компонентов и р_общ - общее давление парогазовой смеси.

Подставляя значения найденных величин в выражение 6.31, получаем:

(6.32)

В этом выражении в соответствии с законом Дальтона отношение р_а/р_н можно заменить на М_а/М_н (здесь М_а и М_н - молекулярные массы соответственно поглощаемого компонента а и инертного (не поглощаемо­го) компонента смеси).

Известно, что при небольших значениях р_а по сравнению с р_общ, что часто имеет место на практике, величиной р_а в знаменателе выражения 6.32 можно пренебречь.

Тогда с учетом зависимости 6.29 окончательно имеем:

(6.33)

где константа фазового равновесия процесса абсорбции.

Последнее уравнение показывает, что для идеальных газов линия рав­новесия в координатах представляет собой прямую 1, проходящую через начало координат под углом, тангенс которого равен К (рис. 6.12).

Закон Генри хорошо согласуется с данными опытов и для реальных газов при незначительных концентрациях поглощаемого компонента, а также при его малой растворимости в абсорбенте (линия l). Для систем, не подчиняющихся закону Генри, коэффициент фазового равновесия К явля­ется переменной величиной, зависящей от состава раствора . Линия рав­новесия в этом случае изображается выпуклой (3) или вогнутой (2) кривы­ми, которые на диаграмме строятся по опытным данным.

Для определения расхода абсорбента рассмотрим процесс абсорбции, протекающий в элементарно малом объеме абсорбера dV (рис. 6.13).

Примем следующие обозначения:

и - текущие концентрации поглощаемого компонента в растворе и газе, кг/кг;

, - начальная и конечная концентрации абсорбированного ком­понента в растворе, кг/кг чистого абсорбента;

, - начальная и конечная концентрации абсорбированного ком­понента в газе, кг/кг инертного газа;

L - количество чистого абсорбента протекающего через абсорбер, кг/с;

G - количество газа, поглощенного абсорбентом, кг/с;

G_н - количество не поглощаемого (инертного) компонента в газовой (парогазовой) смеси, проходящей через абсорбер, кг/с.

Количество компонента, поглощаемого абсорбентом при прохожде­нии газового потока через элемент объема в единицу времени:

(6.34)

где d и d - изменения концентрации поглощаемого компонента соот­ветственно в газе и растворе в элементе объема абсорбера dV.

Отсюда

(6.35)

или

(6.36)

Тогда общий расход абсорбента

(6.37)

Теоретически при полном извлечении компонента его содержание в смеси на выходе из абсорбера составило бы = 0, а количество погло­щенного компонента было бы равно G_н . Однако это состояние недости­жимо и фактическое количество поглощенного компонента равно .

Отношение фактического количества извлеченного компонента из га­зовой смеси к его теоретическому количеству при полном извлечении на­зывается степенью извлечения ε (ε всегда меньше 1):

(6.38)

Степень извлечения является одним из критериев оценки эффектив­ности однотипных производств на различных предприятиях.

Основные типы абсорберов

Аппараты, в которых протекают процессы поглощения газа и пара жидкостью называются абсорберами и скрубберами. Поскольку при аб­сорбции процессы массопередачи протекают на поверхности раздела фаз, эта поверхность должна быть максимально развитой. По способу образования поверхности соприкосновения фаз различают три типа абсорберов: поверхностные, барботажные и распыливающие.

Поверхностные абсорберы используются для поглощения хо­рошо растворимых газов. В таких абсорберах поверхностью сопри­косновения фаз является зеркало жидкости или поверхность теку­щей по внутренней поверхности труб 1 жидкостной пленки (рис. 6.14).

Наибольшее распространение получили насадочные абсорберы (см. рис. 6.28). Насадочный абсор­бер представляет собой колонну, заполненную специальными твер­дыми телами - насадкой. Насадка должна обладать развитой по­верхностью и оказывать малое гидравлическое сопротивление потоку газа. Наиболее известным типом насадок являются кольца Рашига, у которых диаметр равен высоте (d_к = h_к = 15-150 мм). Ма­териалом для изготовления таких колец служит керамика, фарфор. В качестве насадки применяют дробленый кокс и кварц с разме­ром кусков 25-100 мм. Распро­странена также хордовая насадка -многослойная решетка из досок, поставленных на ребро, причем слои повернуты относительно друг друга на определенный угол. Преимуществом насадочных колонн является про­стота устройства, особенно важная при работе с агрессивными средами, т.к. в этом случае требуется защита от коррозии только корпуса колонны, а насадка выполняется из химически стойкого материала. К тому же наса­дочные колонны обладают низким, по сравнению с барботажными колон­нами, гидравлическим сопротивлением. Однако насадочные колонны мало пригодны для работы с загрязненными механическими примесями абсор­бентами, с небольшими расходами абсорбента, в этих колоннах затруднен отвод выделяющегося тепла.

В барботажных (тарель­чатых) абсорберах поверх­ность соприкосновения фаз создается потоком газа, рас­пределяемого в жидкости в ви­де пузырьков и струй на специ­альных устройствах - тарелках. Такое движение газа называет­ся барботажным. В промыш­ленности применяются колпачковые, ситчатые, провальные и другие тарелки.

В колоннах с колпачковыми тарелками (рис. 6.15) газ барботирует через жидкость, выходя из прорезей колпачков, расположенных на каждой та­релке. В прорезях газ дробится на мелкие струйки и, поднимаясь вверх, проходит через слой движущейся вдоль тарелки жидкости, вспенивая ее. Очищенный газ удаляется из верх­ней части колонны.

По конструкции различают круглые (капсульные) колпачки и прямо­угольные (туннельные) колпачки. Круглые колпачки обычно имеют диа­метр 80-100 мм, а при работе с загрязненными жидкостями - до 200-300 мм. Ширина туннельных колпачков составляет 70-150 мм. Количество капсульных колпачков на тарелке превышает 270 штук при диаметре ко­лонны 3000 мм и более. К достоинствам колпачковых тарелок относится возможность регулирования высоты слоя жидкости, а к недостаткам - сложность устройства и трудность быстрого опорожнения от жидкости при возникновении аварийной ситуации.

В распыливающих абсорберах (скрубберах) (рис. 6.16) поверхность соприкосновения фаз создается путем распыления жидкости на мелкие ка­пли в массе газа. Эти абсорберы изготовляются в виде пустотелых аппара­тов колонного или башенного типов, в верхней части которых имеются устройства для распыления жидкости, а газ подается снизу. Область при­менения таких абсорберов ограничена: поглощаемые газы должны иметь хорошую растворимость в применяемых абсорбентах.

Распыление жидкостей производят гидравлическими или пневматиче­скими форсунками, а также центробежными распылителями. Центробеж­ные распылители изготовляются в виде турбинок или дисков, вращающих­ся со скоростью 4000-20000 об/мин. Схема дискового центробежного распылителя показана на рис. 6.17. Дисковые распылители в отличие от форсунок могут использоваться для распыления суспензий и загрязнен­ных жидкостей. Преимуществами распыливающих абсорберов являют­ся: простота их конструкции и деше­визна при изготовлении, низкое гид­равлическое сопротивление и возмож­ность использования газов и жидко­стей, сильно загрязненных механичес­кими примесями. К недостаткам от­носятся: необходимость затрат допол­нительной энергии на распыление жидкости, трудность регулирования процесса и невозможность создания больших плотностей орошения.

Десорбция, или отгонка, то есть выделение растворенного газа из аб­сорбента, производится тремя способами: в токе инертного газа, выпари­ванием или перегонкой раствора в вакууме.

Десорбция в токе инертного газа (собственно десорбция) происходит при соприкосновении раствора с инертным газом, когда растворенный компонент переходит в газовую фазу вследствие того, что парциальное давление компонента над раствором выше, чем в инертном газе. В качест­ве инертного газа обычно используется воздух, а в случае десорбции не­растворимых в воде газов или паров - водяной пар. Десорберами в этом случае служат насадочные или барботажные колонны. Отработанный абсорбент поступает в такие колонны сверху, а инертный газ - снизу; из нижней части колонны отводится регенерированный раствор, а из верхней - смесь инертного газа с выделенным из раствора компонентом.

Отгонка путем выпаривания раствора производится его кипячением при атмосферном давлении или в вакууме. В этом случае из раствора вы­деляется не только поглощенный компонент, но и часть испаряющегося абсорбента. Отгонка в вакууме применяется в случаях, когда при атмо­сферном давлении невозможно достичь полного выделения компонента из поглотителя или имеется опасность термического разложения продуктов отгонки или абсорбента.

Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки противоточного типа показана на рис. 6.18. В состав установки входят две по­следовательно работающих абсорбционных колонны насадочного типа - абсорбер первой ступени 1 и абсорбер второй ступени 2, насадочная десорбционная колонна 11, а также теплообменники кожухотрубного типа, сборники и насосы.

Регенерированный в десорбционной колонне 11 абсорбент забирается из сборника 5 насосом 8, проходит через теплообменник 9, где он отдает свое тепло отработанному абсорбенту, идущему на десорбцию, охлаждается в холодильнике 10 и подается на орошение абсорбера второй ступени 2, в нижнюю часть которого поступает газ, выходящий из верхней части аб­сорбера первой ступени 1. Раствор из абсорбера 2 стекает в сборник 4, из которого забирается насосом 7, проходит через холодильник 12 и подается на орошение абсорбера первой ступени 1, в нижнюю часть которого по­ступает исходная газовая (паровая или парогазовая) смесь с поглощаемым компонентом а. Насыщенный поглощенным компонентом абсорбент из абсорбера первой ступени 1 стекает самотеком в сборник 3, откуда забира­ется насосом 6, нагревается в теплообменнике 9 и подается в десорбционную колонну 11. Из верхней части десорбера 11 отводится выделившийся из абсорбента компонент а, входивший в состав исходной газовой смеси, а регенерированный абсорбент собирается в сборнике 5.