Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ АБСОРБЦИОННОЙ

Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ АБСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
Цель работы: изучение основных показателей работы абсорбционной установки, практическое освоение приемов определения степени очистки выбросов на абсорбционной установке.
Задание. 1. Определить степень очистки выбросов методом абсорбции.
2. Освоить методы контроля состава газового потока на входе и
выходе абсорбера.
3. Определить среднюю движущую силу абсорбции.
1. Общие положения
Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или
парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В зависимости от особенностей взаимодействия поглотителя и извлекаемого из газового потока компонента (абсорбтива) абсорбционные методы подразделяются на методы, в основе которых лежат закономерности физической абсорбции, и методы, которые характеризуются протеканием химической реакции в жидкой фазе между абсорбентом и
абсорбтивом (хемосорбция). В качестве абсорбентов обычно используются вода, водные растворы и суспензии, значительно реже другие
жидкости.
Величина физической абсорбции (и степень очистки) определяется равновесием в системе газ – жидкость. В зависимости от условий
(температура, давление) может наблюдаться как поглощение газа
жидкостью, так и его выделение (десорбция). Скорость процесса в
основном зависит от разности равновесной и фактической концентраций абсорбтива в жидкой или газовой фазах, растворимости газа
в абсорбенте.
При хемосорбции величина абсорбции и ее скорость зависят от
скорости и полноты протекания химической реакции между абсорбтивом и абсорбентом.
Абсорбционные процессы широко распространены в химической
технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO2 в производстве серной кислоты; абсорбция HCI с получением соляной кислоты; абсорбция оксидов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция
16
NH3, паров C6H6, H2S и других компонентов из коксового газа; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти
и т. п.). Абсорбционные процессы являются основными процессами
при санитарной очистке отходящих газов от диоксида серы (дымовые
газы), фтористых соединений (производство минеральных удобрений) и т. д.
2. Закономерности физической абсорбции
Основные размеры абсорбера (диаметр, высота, число тарелок)
рассчитываются с учетом условий работы: производительности, необходимой степени извлечения компонента из газа и т. д., а также по
статике и кинетике процесса. Статика абсорбции рассматривает вопросы равновесия между фазами, которое определяется термодинамическими свойствами абсорбтива и поглотителя, их составом и зависит от температуры и давления. В случае разбавленных растворов
(газа в жидкости) и при низких давлениях для описания равновесия
между газом и жидкостью применим закон Генри:
p* = К · x,
(15)
где p*  парциальное давление газа над раствором в условиях равновесия, Па;
К – коэффициент растворимости; имеет размерность давления и
зависит от температуры, свойств газа и поглотителя;
х – мольная доля поглощаемого компонента в растворе.
Кинетика абсорбции, скорость массообмена определяются движущей силой процесса (степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного
газа, а также способом соприкосновения фаз (гидродинамическим
режимом). Движущую силу процесса можно рассчитать графически,
построив равновесную и рабочую линии.
Для процессов с содержанием компонента в фазах ниже 510%
рабочую линию в координатах y  x можно принять в виде прямой
АВ, проведенной через точки, отвечающие значениям концентраций
поглощаемого компонента на входе (хк, yн) и выходе (хн, yк) газа из
аппарата (рис. 4). Движущая сила, выраженная через концентрации
компонента в газовой фазе, будет определяться как разность
yн = yн  y*н на входе в аппарат и ∆yк = yк − y*к – на выходе. Аналогично можно выразить движущую силу через концентрации того же
компонента в жидкой фазе: как разности ∆хк= х*к − хк и хн = х*н  хн,
17
где y*н, х*к, y*к, х*н – концентрации компонента в газовой и жидкой
фазах, равновесные с концентрацией компонента в жидкости и газе
на входе в абсорбер и выходе из абсорбера, кмоль/кмоль.
y
В
С
yн
y*н
yк
А
y*к
О
хн
х*н
хк
х*к
х
Рис. 4. Построение равновесной ОС и рабочей АВ линии
Для газовой фазы, если состав ее выражен в мольных долях,
формула (15) примет вид
y* = (К / p) · х,
(16)
где p – общее давление, Па.
Значения ∆х и y изменяются по высоте аппарата (рис. 4). Поэтому в расчетах, если рабочая и равновесная линии прямые, используют среднелогарифмическое значение:
(17)
∆yср= (yн − ∆yк) / ( ln(yн / yк )),
(18)
хср = (хк − хн ) / ( ln(хк / хн )).
Значения yн, yк, хн, хк, расходы газа G и жидкости L могут быть
определены экспериментально или из уравнения материального ба18
ланса по поглощаемому компоненту. При этом принимается, что количество поглощенного жидкостью компонента равно убыли его в
газе, т. е. при L, G ≈ const
(19)
M = G · (yн  yк) = ±L · (хк  хн ).
В этом уравнении знаки плюс и минус соответствуют абсорбции
и десорбции.
Эффективность работы абсорбера может оцениваться по следующим показателям:
коэффициент извлечения примеси
(20)
 = (yн − yк ) / (yн  yк*);
степень насыщения абсорбента
(21)
 = (хк − хн ) / (хк*  хн);
степень очистки газа определяется по формуле
η = (yн − yк ) / yн.
(22)
3. Описание лабораторной установки и методики выполнения
работы
Лабораторная работа может быть выполнена на абсорберах трех
типов: насадочном, тарельчатом и вихревом (рис. 5, 6). В качестве
абсорбтива может использоваться диоксид углерода (СО2) или аммиак (NH3).
Вихревой аппарат может работать как скруббер ударноинерционного действия, что позволяет использовать его для изучения
мокрого пылеулавливания.
Абсорберы диаметром 0,072 м – тарельчатый с ситчатыми тарелками и насадочный с высотой слоя насадки (кольца Рашига) 0,4 м,
закреплены на общем каркасе (рис. 5).
Установка сконструирована таким образом, что работа может
выполняться на одном из абсорберов. Поток газовоздушной смеси
(ГВС), подаваемой на абсорбер, получают путем смешения в смесителе 8 газа (СО2 или NH3), подаваемого из баллона 9 через редукционный вентиль 10, и воздуха, подаваемого вентилятором 11 через
расходомер 12 и редукционный вентиль 13.
Возможно также получение ГВС, содержащей аммиак, с помощью сатуратора 14, заполненного 25%-ной аммиачной водой, на который подается воздух через расходомер 15 и редукционный вентиль
16. Полученная ГВС через вентиль 17 или 18 поступает на абсорбер.
19
В тягу
16
13
2
14
~220В
28
27
8
7
26
12
1
23
15
3
24
20
20
25
19
6
10
К аспиратору
9
21 22 17
18
11
~220В
5
~220В
4
29
Рис. 5. Схема абсорбционной установки
20
При выполнении работы один из вентилей (17 или 18) должен
быть закрыт, так как исследования проводят на одном из абсорберов.
На линии, соединяющей смеситель 8 и абсорберы, установлены
тройники 19, 20, через которые производится отбор проб ГВС на
входе и выходе из абсорбера. Подключение пробоотборного устройства, состоящего из расходомера (ротаметра) 21, поглотительного сосуда 22 и аспиратора (при необходимости), ко входу или выходу абсорбера производится с помощью кранов 23 и 24. Регулирование
объемного расхода ГВС, подаваемой на поглотительный сосуд, производится вентилем 25. Линия подачи абсорбента (воды) состоит из
расходной емкости 1 с регулятором уровня жидкости 2, приемного
бака 4, из которого вода насосом 5 подается в емкость 1, расходомера 3 и вентиля 29.
Вихревой абсорбер (рис. 6) представляет собой аппарат, состоящий из контактной секции 1, на которой скоростной газовый поток
контактирует с поверхностью жидкости, диспергируя ее на мелкие
капли, и двух ступеней каплеулавливания (инерционная 2 и центробежная 3). Для создания необходимых условий контакта газового потока с жидкостью в емкости контактной секции необходимо установить с помощью регулятора 11 и кранов 5 и 6 уровень жидкости, соответствующий расходу ГВС или запыленного воздуха.
Контроль степени очистки производится путем отбора с помощью пробоотборного устройства 8 проб в газоходах на входе и выходе из аппарата с последующим их анализом на содержание соответствующих веществ.
Вихревой абсорбер может использоваться для отработки приемов
контроля за работой газоочистных установок (см. лаб. работу № 5).
Перед началом работы необходимо включить вентиляцию, убедиться в ее нормальном функционировании. Далее в соответствии с
заданием необходимо подключить с помощью вентилей 27, 28, 17, 18
насадочный (7) или тарельчатый (26) абсорбер и проверить готовность к работе абсорбционной системы. Для этого необходимо проконтролировать уровень жидкости в емкостях 1 и 4, включить насос 5
и убедиться, что жидкость нормально циркулирует по контуру: емкость 1, ротаметр 3, абсорбер (7 или 26). Вентилем 27 (или 28) установить требуемый расход жидкости (абсорбента). Включить вентилятор и с помощью вентиля 12 установить требуемый расход воздуха.
Если в работе предусматривается получение ГВС с помощью сатуратора, открывают вентиль 16 и устанавливают заданный расход воздуха через сатуратор.
21
О чи щ ен н ы й возд ух
в в ен т ш а х т у
12
Зап ыленн ый
в о з д у х и л и г аз
8
9
10
8
Вода
3
7
2
11
1
6
5
4
Рис. 6. Вихревой газопромыватель:
1 – вихревой газопромыватель; 4 – сборник отработанной жидкости; 5, 6 – вентиль;
7 – емкость; 8 – пробоотборная (пьезометрическая) трубка; 9 – вентилятор; 10 – газоход; 11  регулятор уровня жидкости; 12  нагнетательная линия
22
При использовании для получения ГВС газа из баллона вентиль
16 должен быть закрыт. Расход газа, подаваемого из баллона в смеситель, устанавливается вентилем 10 с помощью лаборанта или
преподавателя! После подачи в течение 45 мин ГВС на абсорбер
производят отбор проб на жидкий поглотитель на входе (кран 23 закрыт, 24 – открыт), затем на выходе (кран 23 открыт, 24 – закрыт) из
аппарата отбирают абсорбент для анализа через кран 29.
Опыт повторяют при режимах, которые определены заданием на
лабораторную работу, изменяя концентрацию ГВС, скорость ГВС в
аппарате.
После окончания эксперимента вначале необходимо перекрыть
подачу газа (аммиака, СО2) или воздуха, подаваемого на сатуратор,
затем отключить вентилятор, насос. По указанию преподавателя
слить воду из емкостей 1, 4.
При использовании в составе ГВС аммиака его концентрация определяется титриметрическим методом с использованием смешанного индикатора (метиловый красный и метиловый синий) или метилового красного. В жидкости (абсорбенте) содержание аммиака устанавливается прямым титрованием 0,1 Н Н2SO4; аммиак из ГВС на
входе и выходе из аппарата поглощается в поглотителе титрованным
раствором серной кислоты, после чего ее избыток оттитровывается
0,1 Н NaOH.
При использовании в составе ГВС СО2 его концентрация определяется баритовым методом. В жидкости содержание СО2 устанавливается прямым титрованием 0,1 Н раствором Ва(ОН)2 в присутствии индикатора фенолфталеина.
Концентрация аммиака (СО2) в газовой фазе (г/м3) определяется
по соотношению
(23)
Сг = г ·(V0 · N0 · K0  V1 · N1 · K1) / (Vа· ),
где г  молярная масса поглощаемого газа;
V0 и V1  объемы растворов Н2SO4 (Ва(ОН)2) в поглотителе и
NaOH (HCl), пошедших на титрование избытка Н2SO4 (Ва(ОН)2) в
пробе, соответственно, мл;
N0 и N1  нормальности растворов Н2SO4 (Ва(ОН)2) и NaOH (HCl)
соответственно;
K0 и K1  поправочные коэффициенты к нормальности растворов
Н2SO4 (Ва(ОН)2) и NaOH (HCl) соответственно;
Vа  объемный расход отбора пробы газа на анализ, л/мин;
  продолжительность пробоотбора, мин.
23
Масса поглощенного аммиака (СО2) по анализу газа, кг/ч:
Мг = 6,00 · 105 · Vгвс · ( Сгн  Сгк),
(24)
где Vгвс  объемный расход ГВС, л/мин;
Сгн и Сгк  концентрации поглощаемого газа на входе и выходе из
абсорбера соответственно, г/м3.
Концентрация аммиака (СО2) в жидкости (абсорбенте), г/л :
(25)
Сж = г ·V2 · N2 · K2 / Vаж,
где V2  объем раствора Н2SO4 (Ва(ОН)2), пошедшего на титрование
пробы абсорбента, мл;
N2  нормальность раствора Н2SO4 (Ва(ОН)2);
K1  поправочный коэффициент к нормальности раствора Н2SO4
(Ва(ОН)2);
Vаж  объем пробы абсорбента, мл.
Масса поглощенного аммиака (СО2) по анализу жидкости, кг/ч:
(26)
Мж = 6,00 · 105 · Vж · Сж,
где Vж  объемный расход абсорбента, мл/мин.
Малые различия Мг и Мж свидетельствуют о достаточной
точности выполненных анализов. Для дальнейших расчетов следует
брать среднее из полученных значений М.
Для определения средней движущей силы абсорбции
рассчитывают мольные доли аммиака (СО2) в ГВС:
(27)
у = Сг · (101,3 / В) · (Т / 273) · (22,4 · 103 / г),
где В и Т  фактические значения давления (кПа) и температуры (К)
воздуха в ходе опыта.
Мольная доля аммиака (СО2) содержащегося в жидкости, выходящей из абсорбера:
(28)
хн = ж · Сж / (г ·ж),
где ж и ж  молярная масса и плотность (г/л) абсорбента (воды).
При орошении абсорбера чистой водой очевидно, что хк = 0 и
y*к = 0. При определения y*н, х*н, х*к по уравнению (16) значения коэффициента Генри для водных растворов можно взять из табл. 5.
В координатах y  x строят равновесную линию процесса абсорбции (по уравнению (16)). По результатам эксперимента сроят рабочую линию абсорбции. Рассчитывают движущую силу, выраженную
через концентрации поглощаемого компонента в газовой и жидкой
фазах.
24
Таблица 3
Результаты опыта
№ опыГВС
та
Газ
Vгвс,
wг,
л/мин м/с
Газ до абсорбера
Vг
Vан,
л/мин л/мин
н, V0н,
мин мл
Газ после абсорбера
V1н,
мл
Сгн, Vак,
к,
г/м3 л/мин мин
V0к,
мл
Жидкость после абсорбера
V1к,
мл
Сгк,
г/м3
Vж,
мл/мин
V 2,
мл
Vаж,
мл
Сж,
г/л
Таблица 4
25
Параметры проведения процесса абсорбции
Мг
Мж
М
Газовая фаза
Жидкая фаза
№ опыта
y
кг/ч
yн
y*н
yк
y*к
хн
25
х*н
хк
х*к
х


η
По заданию преподавателя определяют также коэффициенты
массопередачи Кх и Ку и показатели, характеризующие эффективность абсорбера: коэффициент извлечения примеси, степень насыщения абсорбента и степень абсорбции (очистки). Результаты наблюдений и расчетные параметры заносят в табл. 3 и 4.
Таблица 5
Значения константы Генри (К · 106 мм рт. ст.)
Температура, ºС
5
10
15
20
25
30
Газ
NH3
0,00168
0,0018
0,00193
0,00208
0,00223
0,00241
26
CO2
0,666
0,792
0,93
1,08
1,24
1,41
27