Техника и технология удаления газообразных
Глава 6
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ УДАЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ
ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ПРИМЕСЕЙ
Известны четыре метода удаления газовых компонентов:
— абсорбция газов жидкостью;
— адсорбция на поверхности твердого вещества;
— каталитическая очистка;
— термическое обезвреживание.
Физико-химические основы этих методов были рассмотрены в главе 4.2. Ниже остановимся на конкретном использовании процессов в технологии очистки газов.
АБСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ
Разработка и проектирование абсорбционных систем.Важнейшим вопросом проектирования абсорбционных систем является выбор абсорбента.
Требования к абсорбентам:
— возможно большая абсорбционная емкость;
— высокая селективность;
— невысокое давление насыщенных паров;
— легко регенерироваться;
— быть термохимически устойчивым;
— не проявлять коррозионную активность;
— небольшая вязкость;
— быть легко доступным;
— низкая стоимость.
Естественно, что абсорбенты, отвечающие в полной мере всем этим требованиям, отсутствуют. Поэтому, в каждом конкретном случае, необходимо подбирать абсорбентом максимально соответствующим определенным требованиям.
Абсорбционная очистка газов от диоксида серы. Из большинства разработанныххемосорбционных методов очистки газов от диоксида серы чаще всего применяются абсорбция водой, водными растворами и суспензиями щелочных и щелочноземельных металлов.
Абсорбция водой диоксида серы сопровождается реакцией:
SO2 + H2O == H+ + HSO–3
Растворимость SO2 в воде мала. Зависимость общей концентрации SO2 в растворе и равновесным давлением 
выражается формулой:
,
где — равновесное давление SO2 ; mpc — константа фазового равновесия для SO2, М2∙Па/кмоль; К — константа равновесия реакции.
Равновесные концентрации для системы диоксид серы- воздух-вода приведены ниже:
Парциальное давление P, Па 66,65 160 426 1133 1880 3470 5060 7880 12250
Концентрация SO2, г/100 г воды 0,02 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5
При абсорбции SO2 водой процесс лимитируется диффузионным сопротивлением со стороны газа и жидкости.
Известняковые и известковые методы. Достоинством известняковых и известковых методов очистки отходящих газов от диоксида серы является простая технологическая схема, низкие эксплуатационные затраты, доступность и дешевизна сорбента, возможность очистки газа без предварительного охлаждения и обеспыливания. Процесс абсорбции этими методами представляется в виде следующих стадий:
SO2 + H2O == H2SO3
CO2 + H2O == H2CO3
CaCO3 + H2SO3 == CaSO3 + H2CO3
CaCO3 + H2CO3 == Ca(HCO3)2
CaCO3 + H2SO3 == Ca(HSO3)2
Ca(HSO3)2 + 2CaCO3 == Ca(HCO3)2 + 2CaSO3
Ca(HCO3)2 + 2H2 SO3 == Ca(HSO3)2 + 2H2CO3
Ca(HSO3)2 + O2 == Ca(HSO4)2
2CaSO3 + O2 == 2CaSO4
Ca(HSO4)2 + 2CaSO3 == Ca(HSO3)2 + 2CaSO4
Ca(HSO4)2 + 2CaCO3 == Ca(HCO3)2 + 2CaSO4
Ca(HSO4)2 + Ca(HSO3)2 == 2CaSO4 + 2H2SO3
2CaSO3 + 0,5H2O == CaSO3 * 0,5H2O
CaSO4 + 2H2O == CaSO4 *2H2O
Протекание тех или иных реакций зависит от состава и рН суспензии. В присутствии в растворе различных примесей процесс абсорбции значительно осложняется. Например, действие небольших количеств MgSO4 повышает степень очистки и степень использования известняка. При этом протекают следующие реакции:
Ca(HSO3)2 + MgSO4 == Mg(HSO3)2 + CaSO4
CaCO3 + Mg(HSO3)2 == MgSO3 + CaSO3 + H2CO3
MgSO3 + SO2 + H2O == Mg(HSO3)2
Для повышения интенсивности массообмена газ — жидкость и уменьшения отходов в поглотитель добавляют ионы магния, хлора и карбоновых кислот. В присутствии этих ионов возрастает степень использования поглотителя, и тем самым сокращается количество токсотропных шламов.
Введение иона Mg2+ в состав извести значительно меняет растворимость сульфита кальция, что приводит к росту коэффициента массопередачи и позволяет уменьшить отношение жидкость/газ в абсорбере и обеспечить степень использования извести ≈ 90%. Концентрация магния в циркулирующей суспензии должна быть строго определенной, так как избыток его приводит к образованию труднофильтруемой жидкости гидроксида магния Mg(OH)2.
Механизм действия карбоновых кислот такой же, как и ионов магния. Они являются буфером, понижающим рН раствора до 4-5, что приводит к увеличению концентрации SO2 на поверхности раздела фаз.
Требования, предъявляемые к кислотам, добавляемым к суспензии извести: константы их диссоциации должны быть в пределах 10-4…10-5; они должны быть доступными( выпускаться промышленностью) и иметь низкую стоимость, хорошо растворяться в воде, обладать вязким давлением паров( во избежание потерь).
Могут быть использованы бензойная, адипиновая и лимонная кислоты. В результате химических реакции при добавлении кислот образуются кальциевые соли, которые реагируют с сернистой кислотой, Например, при добавке бензойной кислоты протекают следующие реакции:
CaCO3 + C6H5COOH == Ca(C6H5COO)2 + H2 O + CO2
Ca(C6H5COO)2 + H2SO3 == Ca(HSO3)2 + 2 C6H5COOH
Освобождающаяся кислота вновь взаимодействует с CaCO3. При этом увеличивается коэффициент использования известняка. Наибольшее распространение на практике находит адипиновая кислота НООС(СН2)4СООН. Карбоновые кислоты добавляют в колдичестве 0,1 — 0,3% от массы известняка.
Магнезитовый метод. Диоксид серы в этом случаеь поглощают оксид-гидроксидом магния. В процессе хемосорбции образуются кристаллогидраты сульфита магния, которые сушат, а затем термически разлагают на SO2-содержащий газ и оксид магния. Газ перерабатывают в серную кислоту, а оксид магния возвращают на абсорбцию.
В абсорбире протекают следующие реакции:
MgO + H2O == Mg(OH)2
MgSO3 + H2O + SO2 == Mg(HSO3)2
Mg(HSO3)2 + Mg(OH)2 == 2MgSO3 + 2H2O
Растворимость сульфита магния в воде ограничена, избыток его в виде MgSO3 ּ 6H2O и MgSO3 ּ 3H2O выпадает в осадок.
Достоинства магнезитового метода: 1) возможность очищать горячие газы без предварительного охлаждения; 2) получение в качестве продукта рекуперации серную кислоту; 3) доступность и дешевизна хемосорбента, высокая эффективность очистки.
Недостатки: 1) сложность технологической схемы; 2) неполное разложение сульфата магния при обжиге; 3) значительные потери оксида магния при регенерациии.
Цинковый метод. Абсорбентом служит суспензия оксида цинка, при этом идет реакция:
SO2 + ZnO + 2,5 H2O == ZnSO3·2,5 H2O
При большой концентрации О2 в газе может протекать реакция:
2SO2 + ZnO + H2O == Zn(НSO3)2
Образующийся сульфит цинка нерастворим в воде, его отделяют в гидроциклонах, а затем сушат и обжигают при 3500С. Сульфит цинка разлагается по реакции:
ZnSO3·2,5H2O == SO2 + ZnO + 2,5 H2O
Образующийся диоксид серы перерабатывают, а оксид цинка возвращают на абсорбцию.
Достоинством метода является возможность проводить процесс очистки при высокой температуре (200–250°С). Недостаток — образование сульфата цинка, который экономически не целесообразно подвергать регенерации, а необходимо непрерывно выводить из системы и добавлять в нее эквивалентное количество диоксида цинка.
Абсорбция хемосорбентами на основе натрия. Достоинством этого метода является использование нелетучих хемосорбентов, обладающих большой поглотительной способностью. Метод может применяться для улавливания диоксида серы из газов любой концентрации.
Возможны различные варианты процесса. При абсорбции раствором соды получаются сульфит и бисульфит натрия:
Na2CO3 + SO2 == Na2SO3 + CO2
Na2SO3 + SO2 + H2O == 2NaHSO3
При абсорбции гидроксидом натрия также образуются сульфит-бисульфитные растворы растворы. Газы вступают в реакцию с сульфитом и бисульфитом, что ведет к увеличению содержания бисульфита:
SO2 + NaHSO3 + Na2SO3 + H2O == 3NaHSO3
Образующийся раствор взаимодействует с оксидом цинка:
NaHSO3 + ZnO → ZnSO3 + NaOH
Сульфит цинка обжигают:
ZnSO3 == ZnO + SO2
Диоксид серы перерабатывают в серную кислоту или серу, а оксид цинка возвращают в процесс.
Аммиачные методы. В этих методах поглощение диоксида серы производится аммиачной водой или водными растворами сульфит-бисульфита аммония с последующим его выделением. Достоинством метода является высокая эффективность процесса, доступность сорбента и получение необходимых продуктов (сульфит и бисульфит аммония). Химические реакции процесса:
NH4OH + H2SO3 == (NH4)2SO3 + H2O
(NH4)2SO3 + H2SO3 == 2NH4HSO3
2(NH4)2SO3 + O2 == 2(NH4)2SO4
Имеются циклические и нециклические методы. В аммиачно-нецикличном методе бисульфит аммония выпускают в качестве товарного продукта. В цикличном методе получают концентрированный диоксид серы.
Абсорбция расплавленными солями. Для очистки газов при высокой температуре используется эвтеклическая смесь карбонатов щелочных металлов состава (в %): Li2CO3-32; Na2CO3 — 33; К2СО3 — 35. Точка плавления смеси 3970С. При 4250С смесь имеет вязкость 0,012 Паּс и плотность 2000кг/м3. При содержании диоксида серы в газе от 0,3 до 3% он сорбируется смесью до 99%.
Процесс состоит из стадий абсорбции, восстановления и регенерации абсорбента. Абсорбция диоксида серы производится карбонатами с образованием сульфитов и сульфатов металлов. Скорости реакций очень велики, поэтому процесс лимитируется скоростью переноса диоксида серы. Абсорбцию производят в оросительном скруббере при скорости газа 7,5 м/с. Реакции, проходящие в скруббере, экзотермичны, что позволяет частично компенсировать потерю тепла.
На стадии восстановления используют генераторный газ. Процесс проводят при 600 0С. Происходит восстановление сульфатов до сульфидов металлов:
4Me2SO3 → 3Me2SO4 + Me2S
Me2SO4 + 4H2 → Me2S + 4H2 O
Me2SO4 + 4CO → Me2S + 4CO2
Реакции восстановления протекают медленно. На стадии регенерации сульфиды реагируют со смесью диоксида углерода и воды при 425°С:
Me2S + CO2 + H2 O → Me2SO3 + H2S
Последняя реакция протекает быстро. Полученный расплав солей вновь возвращают в процесс. Газ, выходящий из реактора регенерации, содержит 30% H2S, оксид углерода и воду.. Его направляют на установку, работающую по методу Клауса, для получения серы.
Абсорбция ароматическими аминами. Для абсорбции диоксида серы из отходящих газов цветной металлургии [концентрация SO2 в газе 1–2% (об.)] применяют растворы ксилидина или диметиланилина. В одном из разработанных процессов абсорбентом является смесь (1:1) ксилидина и воды. Ксилидин и вода обычно не смешиваются, но при взаимодействии диоксида серы с ксилидином образуется некоторое колочество ксилидинсульфита, растворимого в воде:
2С6Н3(СН3)2NH2 + SO2 == 2С6Н3(СН3)2NH2 · SO2.
При концентрации диоксида серы 100 кг/м3 смесь становится гомогенной.
Абсорбционные методы очистки газов от оксидов азота. Известны следующие соединения азота с кислородом: N 2O, NO, N2O3, NO2, N 2O4, N 2O5, NO3, N 2O6. На практике
Большей частью с отходящими газами выбрасываются NO и NO2 при их одновременном присутствии. Для абсорбции окислов азота используют воду, растворы щелочей и селективные сорбенты, кислоты и окислители.
Абсорбция водой. При абсорбции диоксида азота водой в газовую фазу выделяется часть оксида азота, скорость окисления которого при низких концентрациях мала:
3NO2 + H2O == HNO3 + NO + Q.
Для утилизации оксидов можно использовать разбаваленные растворы пероксида водорода с получением азотной кислоты:
NO + H2O2 → NO2 + H2O, 3NO2 + H2O → 2HNO3 = NO
N2O3 + H2O2 → N 2O4 + H2O, N 2O4 + H2O → HNO3 + HNO2.
Основным фактором, определяющим экономику процесса, является расход пероксида водорода. Он приблизительно равен :6 кг на 1 т кислоты в сутки.
Разработан процесс очистки газов водой и циркулирующей HNO3 , Физическая абсорбция оксидов азота в азотной кислоте увеличивается с ростом концентрации кислоты и парциального давления NOx, Увеличение поверхности контакта способствует протеканию процесса, так как на границе раздела фаз идет реакция окисления NO в NO2. Для интенсификации процесса используют катализатор. Степень очистки может достигать 97%.
Абсорбция щелочами. Для очистки газов применяются различные растворы щелочей и солей. Хемосорбция диоксида азота раствором соды протекает по уравнению:
2NO2 + Na2CO3 == NaNO3 + CO2 + Q.
Уравнения для хемосорбции N2O3 различными щелочными растворами или суспензиями представлены ниже:
2NaОН + N2O3 == 2Na NO2 + 2H2O, Na2CO3 + N2O3 == 2NaNO2 + CO2;
2NaHCO3 + N2O3 == NaNO2 + 2CO2 + H2O, 2КОН + N2O3 == 2К NO2 + H2O;
К2CO3 + N2O3 == 2КNO2 + CO2, 2КHCO3 + N2O3 == КNO2 + CO2 + H2O;
Са(ОН)2 + N2O3 == Са(NO)2 + H2O, СаСО3 + N2O3 == Са(NO)2 + СО2;
Mg(ОН)2 + N2O3 == Mg(NO)2 + H2O, MgСО3 + N2O3 == Mg(NO)2 + СО2;
Ва(ОН)2 + N2O3 == Ва(NO)2 + H2O, ВаСО3 + N2O3 == Ва(NO)2 + СО2;
2NН4ОН + N2O3 == 2NН4 NO2 + 2H2O, 2NН 4HCO3 + N2O == NН 4NO2 + 2CO2 + H2O.
При абсорбции N2O3 активность щелочных растворов убывает в такой последовательности:
KOH > NaOH > Ca(OH)2 > Na2CO3 > K2CO3 > Ba(OH)2 > NaHCO3 > KHCO3 > MgCO3 >
1 0,84 0,80 0,78 0,63 0,56 0,51 0,44 0,4
> BaCO3 > CaCO3 > Mg(OH)2.
0,40 0,39 0,35
Цифры под каждым из щелочных растворов показывает их активность относительно раствора КОН, активность которого условно принята за единицу. Данные приведены для начальной концентрации растворов 100 г/л и времени проскока газа 10 мин. Активность щелочных растворов определяется начальным рН раствора. Активность тем выше, чем выше этот показатель.
При абсорбции растворами аммиака образуются соединения с низкой температурой разложения. Например, образующийся нитрит аммония NH4NO2 при 560С полностью распадается:
NH4NO2 → N2 + 2H2O.
Селективные абсорбенты. Для очистки газов от NO при отсутствии в газовой фазе кислорода могут быть использованы растворы FeSO4, FeCI2, Na2S2O3, NaHSO3. Для первых растворов протекают реакции с образованием комплексов:
FeSO4 + NO == Fe(NO)SO4
FeCI2 + NO == Fe(NO)CI2,
При нагреве до 95-1000С комплекс Fe(NO)SO4 распадается и NO выделяется в чистом виде, а восстановленный раствор вновь возвращается в производство. Аналогично распадается комплекс Fe(NO)CI2.
Раствор FeSO4 является наиболее доступным и эффективным поглотителем. В качестве абсорбента могут быть использованы и травильные растворы, содержащие FeSO4. Поглотительная способность раствора зависит от концентрации FeSO4 в растворе, температуры и концентрации NO в газе. При температурах 20-250С раствор может поглощать NO даже при небольших концентрациях. Предел растворимости оксида азота соответствует соотношению NO/Fe2+ = 1/1. Присутствие в растворе серной и азотной кислот, солей и органических веществ снижает его поглотительную способность. Однако наличие в растворе 0,5-1,5% (об.) серной кислоты предохраняет FeSO4 от окисления кислородом воздуха до Fe2(SO4)3.
Использование растворов Na2S2O3, NaHSO3,(NH2)2CO приводит к дефиксации азота:
Na2S2O3 + 6NO = 3N2 + 2Na2SO4 + 2SO2;
2NaHSO3 + 2NO = N2 + 2NaHSO4
2(NH2)2CO + 6NO = 5N2 + 4H2O + 2CO2.
Таким же образом NO взаимодействует и с растворами ZnCI2. СН2О, С2Н2О4.
При температуре выше 2000С NO взаимодействует с аммиаком по реакции:
4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O.
Серная кислота используется для поглощения NO2 и N2O3 с образованием нитрозилсерной кислоты:
H2SO4 + NO2 == NOHSO4 + HNO3;
2H2SO4 + N2O3 == 2NOHSO4 + H2O.
При нагревании нитрозилсерной кислоты или при разбавлении ее водой происходит выделение оксидов азота:
2NOHSO4 + H2O == 2H2SO4 + NO + NO2.
Взаимодействие оксидов азота с жидкими сорбентами наиболее эффективно протекает при 20…400С.
Абсорбционная очистка газов от оксида углерода.Оксид углерлда является высокотоксичным газом. Он образуется при неполном сгорании веществ, содержащих углерод. CO входит в состав газов, выделяющихся в процессах выплавки и переработки черных и цветных металлов, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, газов, образующихся при взрывных работах и т.д.
Для очистки газов от оксида углерода используют абсорбцию или промывку газа жидким азотом. Абсорбцию проводят также водно-аммиачными растворами закисных солей ацетата, формиата или карбоната меди.
Медно-аммиачная очистка. В случае применения медно-аммиачных растворов образуются комплексные медно-аммиачные соединения оксида углерода:
[Cu(NH3)m(H2O)n]+ + xNH3 + yCO == [Cu(NH3)m+x(CO)y(H2O)n]+ + Q.
Показано, что наиболее вероятной формой существования одновалетной меди является ион [Cu(NH3)2 ·H2O]+, образующий с СО ион [Cu(NH3)2 ·CO ·H2O]+ с выделение одного моля воды.
Раствор имеет слабощелочной характер, поэтому одновременно поглощается и диоксид углерода:
2NH4OH + CO2 == (NH4)2CO3 + H2O
(NH4)2CO3 + CO2 + H2O == 2NH4HCO3,
Абсорбционная способность раствора увеличивается с повышением концентрации одновалентной меди, давления СО и уменьшения температуры абсорбции. Соотношение свободных аммиака и диоксида углерода в растворе также влияет на поглодительную способность раствора.
Абсорбция оксида углерода медь-алюминий-хлоридными растворами. Этот метод применяют при наличии в газе кислорода и больших количеств диоксида углерода. Процесс основан на химической абсорбции оксида углерода раствором смешанной соли тетрахлорида меди и алюминия в различных ароматических углеводородах с образованием комплекса с оксидом углерода. Рекомендуется раствор, содержащий 20-50% CuAICI4 и 80-50% толуола.
Процесс абсорбции можно представить следующим образом. Сначала идет образование комплекса:
CuCI + AICI3 + 2C6H5CH3 → (CuAICI4)(C6H5CH3)2,
С6Н5СН3
(CuAICI4)(C6H5CH3)2 + 2СО → (CuAICI4)· 2СО + 2C6H5CH3 .
С6Н5СН3
Другие газы — СО2, О2, N2, Н2, СО — не реагируют с комплексом, однако вода разрушает комплекс с выделением HCI:
2CuAICI4 + Н2О → HCI + CuCI + CuAICI4∙AIOCI,
поэтому перед абсорбцией газ должен быть осушен, что является недостатком процесса.
Авторами разработана и постоянно пополняется база данных абсорбентов, содержащая перечень наиболее часто используемых жидкостей для абсорбционной очистки различных газов. В табл. 6.1 приведен фрагмент этой базы, содержащий наряду с абсорбентом и обезвреживаемым веществом литературный источник, в котором имеется достаточно подробное описание абсорбционного процесса.
Даже при поверхностном рассмотрении этой таблицы можно сделать вывод, что практически любое загрязняющее вещество, может быть удалено из выбросов за счет абсорбции. Единственным газом, для удаления которого практически не используются абсорбционные процессы, является окись углерода.
От правильного выбора абсорбента зависит решение главной проблемы абсорбционного метода — проблемы сточных вод.
Правильно сконструированная абсорбционная газоочистная установка должна работать с максимально возможной эффективностью и пропускной мощностью, и с наименьшими капитальными и эксплуатационными расходами.
Технологический расчет абсорбционной установки выполняют в три этапа.
На первом этапе производят материальные и энергетические расчеты, и устанавливают условия равновесия, определяют необходимость циркуляции раствора, устанавливают необходимую степень регенерации раствора, расход энергии на регенерацию и потери раствора при регенерации.
На втором этапе выбирают конструкции аппаратов, рассчитывают массо- и теплопередачу, гидродинамику и габариты аппаратов.
Таблица 6.1 Адсорбенты, применяемые для очистки газов
|
Продолжение таблицы 6.1
|
На третьем этапе уточняют технологические параметры и осуществляют оптимизацию процесса.
Расчет аппаратов для процессов физической абсорбции.Для расчета размеров абсорбера составляют материальный баланс
(6.1)
и уравнение рабочей линии:
(6.2)
Минимальный расход абсорбента определяют по формуле
(6.3)
Общий расход абсорбента равен
(6.4)
Среднюю движущую силу процессов массопередачи вычисляют по формулам
(6.5)
Если равновесная линия представляет собой прямую 
, то средняя движущая сила равна
(6.6)
,
где G — расход газовой фазы, кг/с; Gн, Gк — то же, на входе в абсорбер и выходе из него, кг/с; X — концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе, масс. доли; Xн, Xк — то же, на входе в абсорбер и выходе из него, масс. доли; L — расход абсорбента, кг/с; Lн, Lк — то же, на входе в абсорбер и выходе из него, кг/с; Y — концентрация распределяемого компонента в газовой фазе, масс. доли; Yн, Yк — то же, на входе в абсорбер и выходе из него, масс, доли; X* — равновесная концентрация распределяемого компонента, масс. доли; Y* — равновесная концентрация, масс, доли; m — коэффициент распределения; DYб, DXб, DYм, DXм — большая и меньшая движущая сила процесса, масс. доли.
Интеграл в уравнениях (6.5) есть не что иное как число единиц переноса (уравнение 4.52):
(6.7)
(6.8)
Высота единицы переноса
(6.9)
где Nог, Nож — общее число единиц переноса; Nг, Nж — числа единиц переноса в газовой и жидкой фазах; Кг, Кж — коэффициенты массопередачи, м/с; F — поверхность контакта фаз, м2; А — абсорбционный фактор; А = L/(G . m); а—удельная поверхность контакта фаз, м2/м3; S — площадь поперечного сечения абсорбера, м2.
Высота аппарата при непрерывном контакте фаз равна
(6.10)
или
(6.11)
где М — количество абсорбируемого вещества, кг/с.
При движении газа и жидкости в колонне происходит продольное перемешивание потоков, выравнивание концентраций по высоте и уменьшение движущей силы процесса. Влияние продольного перемешивания потоков можно учесть, используя следующее уравнение:
, (6.12)
где Nог.ф. — фиктивное число единиц переноса, рассчитанное по движущей силе для истинного противотока; Вог, Вож — число Боденштейна для газовой и жидкой фаз;
 Рис. 6.1. Зависимость констант a, b, с, d, g, h от абсорбционного фактора |
где uг,uж — газосодержание и количество удерживаемой жидкости, м3/м3; Dг, Dж — эффективный коэффициент продольного перемешивания в газе и жидкости, м2/с; а, b, с, d, g, h — коэффициенты, определяемые по рис. 6.1.
При расчете высоту абсорбера сначала определяют при противотоке, т. е. по Nог.ф., а затем ее увеличивают на величину, равную отношению Nог/Nог.ф.
Высота колонны со ступенчатым контактом фаз зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Число тарелок в колонне рассчитывают аналитическими или графическими методами определения числа ступеней контакта или через число единиц переноса. На практике используют коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице поверхности контакта фаз, единице площади тарелки или к единице объема газожидкостного слоя на тарелке.
Расчет аппаратов для процессов хемосорбции.Абсорберы для процессов хемосорбции рассчитывают теми же методами, что и для процессов физической абсорбции.
Уравнение материального баланса
, (6.13)
где С — химическая емкость раствора:
, (6.14)
где XA и ХB — концентрации компонента и активной части в растворе; R — доля активной части, химически связанной с абсорбируемым компонентом; n — число киломолей активной части, реагирующих с 1 кмоль компонента; индексы 1 и 2 относятся к входу и выходу газа. Знак плюс означает противоток, а знак минус — прямоток.
Минимальный удельный расход раствора равен
, (6.15)
где Lmin — минимальный расход исходного раствора.
Уравнение рабочей линии имеет вид
(6.16)
или для состава газа (в мольных долях):
, (6.17)
где 
.
Диаграмма Y–X для абсорбции, сопровождаемой химической реакцией, показана на рис. 6.2.
По мере протекания хемосорбции коэффициент массоотдачи в жидкой фазе b'ж уменьшается, что затрудняет вычисление движущей силы и числа единиц переноса. Для необратимых реакций Nог рассчитывают по формуле (при переменном значении Кг).
. (6.18)
Для необратимой реакции значение Y* равно 0, поэтому формулу подставляют значения Y.
Так как коэффициент массоотдачи в газовой фазе bг при хемосорбции не изменяется, число единиц переноса можно определить по формуле
, (6.19)
где Y р — равновесная концентрация на границе раздела фаз.
Из соотношения 
при 
получим:
, (6.20)
 Рис. 6.2. Диаграмма У—Х для хемосорбции в жидкой фазе (вертикальные отрезки между линиями АВ и CD являются значениями движущей силы Y–Yр; АВ—рабочая линия; CD—линия значений Yр). Рис. 6.3. График для определения Хр при абсорбции, сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе |
где c — коэффициент ускорения.
Значение Хр, соответствующее данному Y, определяют графически (рис. 6.3). Для этого, задаваясь значениями Хр, строят линию AВ, определяющую зависимость c от Хр. Далее строят линии CD, C'D', C»D» и C'''D''' по формуле (6.20) при разных значениях Y. Точки Е, Е', Е'' и Е''' будут соответствовать значениям Хр для значения Y. Затем из Yp = mX находят Yр и строят (см. рис. 6.4) линию CD, являющуюся функцией Yр = f(R).
Если реакция протекает по первому или псевдопервому порядку, то c, bж и Kг в процессе абсорбции постоянны и число единиц переноса рассчитывают так же, как и для физической абсорбции, но движущую силу выражают разностью Y — Y*/c. Исходя из этого, строят псевдоравновесную линию в координатах Y*/c — X. При Y* = 0 число единиц переноса равно
. (6.21)
При быстрых необратимых реакциях второго порядка
. (6.22)
Значение Yр находят по диаграмме (рис. 6.4). Линию СЕ проводят под углом, тангенс которого равен m''. Вертикальные отрезки между линиями CD и СЕ равны Хр = Yр/m. Через произвольную точку М проводят линию MQ с тангенсом угла наклона tga = bж/bг ; из треугольника MNQ следует, что Y — Yр = MN; X + C = NQ. Ордината точки N равна Yр.
Задаваясь другими точками на линии АВ и делая аналогичные построения, получают линию FG, ординаты любой точки которой равны Yр.
При обратимых химических реакциях расчет можно вести, используя псевдокоэффициент массоотдачи. При расчете строят на диаграмме Y–Х псевдоравновесную и пс