2. Фізико-хімічні основи технологічного процесу

Метод очищення газів гарячим розчином поташу заснований на тім, що розчинність солей у воді зростає зі збільшенням температури, тому в процесі очищення можуть бути використані більш концентровані розчини. Оскільки розчинність солей калію у воді більше розчинності солей натрію, для абсорбції, застосовують розчин поташу [2].

Теплота розчинення СО₂ у поташних розчинах приблизно в 2,5 рази нижче теплоти розчинення у водному моноетаноламіні і дорівнює 603,36 кДж/кг СО₂. Тому що теплота розчинення визначає швидкість зменшення розчинності газу зі збільшенням температури, то розчинність СО₂ у розчинах K₂CO₃ змінюється з температурою повільніше розчинності в моноетаноламіні [2].

Розчинність діоксиду вуглецю в гарячому поташі в більшому ступені залежить від тиску, чим у розчинах моноетаноламіна, тому регенерацію розчину варто проводити шляхом зниження тиску [2].

Основною перевагою ведення процесу абсорбції при високих температурах є значне збільшення швидкості гідратації діоксиду вуглецю й отже, швидкості абсорбції в цілому. Ці фізико - хімічні особливості дозволили здійснити такий процес очищення, у якому абсорбція і регенерація проводяться майже при однакових температурах, причому абсорбція протікає при підвищеному тиску, а регенерація - при тиску, близькому до атмосферного [2].

Найбільш подібні значення про розчинність солей у системі K₂CO₃ - КНСО₃ - Н₂О приведені на рисунку 2.1 для 18 - 40 % - них розчинів K₂CO₃ при різному ступені перетворення карбонату в бікарбонат.

Рисунок 2.1 - Розчинність у системі К₂СО₃ - КНС0₃ - Н₂О при різноманітній температурі та різноманітних ступенях перетворення карбонату в бікарбонат: 1 - ступінь перетворення 20%; 2 - те ж,30 %; 3 - те ж, 40%; 4 - те ж,60 %; 7- те ж, 70%; 8 - те ж 80%.

Температура розчину не повинна перевищувати температуру кипіння при атмосферному тиску. Максимальна концентрація поташу вибирається таким чином, щоб ступінь перетворення карбонату в бікарбонат до випадання осаду при цій температурі складала 80-90 % [2].

К₂СО₃ + Н₂СО₃ = 2КНСО₃ (2.1)

К = [КНСО₃]²/[ К₂СО₃]•[ Н₂СО₃]. (2.2)

При цьому незвязаний діоксид вуглецю знаходиться в розчині частиною у вільному стані (розчинений СО₂), частиною в гідратованому (Н₂СО₃). З приведених малюнків випливає, що гранична концентрація поташу в робочому розчині не повинна перевищувати 40 %. На рисунку 2.2 приведені дані про розчинність СО₂ у 20,30 і 40 % - них розчинах поташу [3].

Рисунок 2.2 - Розчинність СО₂ при різних концентраціях поташу: а - у 20% розчині; б - у 30% розчині; в - у 40 % розчині;1 - при 83,5°С; 2 - при 94,6°С; 3 - при 105 °С; 4 - при 117 °С; 5 - при 128 °С; 6 - 140 °С; 7 - при 152°С.

Результати показують, що коефіцієнт масопередачі знижується зі збільшенням Р(СО₂). Це свідчить про значну роль дифузії в рідкої фазі при абсорбції гарячим розчином поташу, тому збільшення рушійної сили абсорбції в газової фазі мало впливає на швидкість абсорбції [2].

Максимальна поглинальна здатність 40 % - нього розчину поташу при повному переході карбонату в бікарбонат дорівнює 90 м³/м³. Практично унаслідок використання поглинальної здатності карбонату на 70 - 80 % і неповній регенерації вона складає 28 - 35 м³/м³ (може коливатися від 20 до 50 м³/м³) [2].

Швидкість абсорбції СО₂ розчином поташу практично цілком лімітується швидкістю повільно протікає реакція в рідкій фазі

СО₂ + ОН^- = НСО₃ (2.3)

Швидкість абсорбції не залежить від швидкості газу і приблизно пропорційна утримуючої здатності абсорбера по рідині.

Коефіцієнт масопередачі при абсорбції діоксиду вуглецю підвищується зі збільшенням швидкості рідини, рН розчину, температури і концентрації іонів калію. Швидкість рідини входить у рівняння масопередачі в ступені від 0,28 до 0,84 у залежності від різних умов; температура рідини - у ступені 0,6 [2].

(2.4)

де К - коефіцієнт швидкості;

? - рухома сила масообмінного процесу;

?F - поверхня фазового контакту;

dМ - кількість речовини, яка перейшла з однієї фази в іншу.

Коефіцієнт масопередачі зменшується зі збільшенням вязкості рідини, концентрації бікарбонату і іонів калію [12].

Швидкість абсорбції не залежить від розміру кілець насадки і концентрації СО₂ у газовій фазі. Коефіцієнт корисної дії барботажної тарілки дорівнюй 0,07. Значення коефіцієнта масопередачі коливаються в межах 0,64 - 1,92 кмоль/(м³•год•атм). Коефіцієнти масопередачі для розчинів поташу приблизно на 36 % вище, ніж для розчинів соди [13].

Швидкість реакції СО₂ з іонами ОН^- пропорційна концентрації іона ОН^- остання залежить від відношення концентрацій [С0₃^2_] / [НС0₃^-].

Десорбція діоксиду вуглецю проходить шляхом зниження тиску й віддувши водяною парою. На рисунку приведена залежність витрати пари (у моль/моль СО₂) від поглинальної здатності розчину. Ці дані отримані для регенератора, що працює при тиску 1,7 атм і концентрації СО₂ у вихідному газі 20 % [2].

Рисунок 2.3 - Витрата пари при абсорбції гарячим 40 % - ним розчином поташу (крива 1 та 2) та розчином МЕА.

Поглинальна здатність по СО₂, м³/м³, 1 - 2 % СО₂ на виході; 2-0,6 - 0,7% СО₂ на виході; 3-30% МЕА; 4-15 % МЕА

З рисунка випливає, що спочатку витрата пари зменшується з ростом поглинальної здатності. Це пояснюється зменшенням кількості розчинника і, отже, витрати тепла на його нагрівання в десорбері. Однак надалі для досягнення тонкої регенерації розчину необхідно більша кількість віддувочної пари, що перекриває економічний ефект від зменшення витрати пари на нагрівання. Цим і пояснюється різкий підйом кривих на рисунку.

На рисунку 2.4 показана залежність витрати від парціального тиску 3 у газі за умови подачі розчину роздільними потоками.

Досліди проводили при поглинальній здатності розчину, що відповідає мінімальній витраті пари. Як випливає з рисунка, спочатку до тиску СО₂ 3-4 атм, витрата пари різко падає тобто зі збільшенням тиску СО₂ над розчином кількість пари, що витрачається на десорбцію.

Рисунок 2.4 - Витрата пари при абсорбції гарячим розчином поташу за двопотоковою схемою (точки - тиск в абсорбері): 1-2 % СО₂ на виході; 2-0,6 - 0,7% СО₂ на виході

Мінімальна кількість пари, яку необхідно подавати в десорбер для віддувши діоксиду вуглецю без урахування витрати на нагрівання, хімічну реакцію і теплові витрати може бути розраховано, як при моноетаноламіновому очищенню за рівнянням:

(2.5)

де - кількість СО₂, виведеного з системи, м³;

- рівноважний тиск водяної пари над розчином поташу у верхньому перетині регенератора;

- рівноважний тиск СО₂ при температурі і складі розчину у верхньому перетині регенератора.

Відношення - називається мінімальним флегмовим числом .

Подальше збільшення , як випливає з рисунка 2.4 не приводить до зниження витрати пари. Це пояснюється тим, що при даній висоті абсорбера розчин не може бути насичений вище визначеної межі [2].