Абсорбция
Скачать 268.31 Kb.
|
| ЛЕКЦИЯ 13 АБСОРБЦИЯ 13.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров (абсорбтивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями — абсорбентами. Этот процесс является избирательным и обратимым, что позволяет применить его с целью получения растворов газов в жидкостях, а также для разделения газовых или паровых смесей. После абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси, как правило, проводят десорбцию, т. е. выделение этих компонентов из жидкости. Таким образом осуществляют разделение газовой смеси. Имеют место физическая абсорбция и хемосорбция. При физической абсорбции при растворении газа не происходит химической реакции. При хемосорбция абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой фазе. Процессы абсорбции в технике применяют для разделения углеводородных газов и получения соляной и сернистой кислот, аммиачной воды, очистки отводящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов. Аппаратурно-технологическое оформление абсорбции несложно, поэтому процессы абсорбции широко используют в технике. Аппараты для проведения процессов абсорбции называются абсорберами. 13.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АБСОРБЦИИ При взаимодействии газа с жидкостью возникает система, состоящая из двух фаз (Ф=2) и трех компонентов — распределяемого вещества и двух веществ носителей (К=3). Согласно правилу фаз такая система имеет три степени свободы  . Тремя основными параметрами, определяющими фазовое равновесие в системе, являются давление, температура и концентрация. В этом случае можно произвольно изменять общее давление  , температуру  и концентрацию  распределяемого вещества в одной из фаз. При постоянных температуре и давлении, что имеет место в процессах абсорбции, каждой концентрации распределяемого вещества в одной фазе соответствует строго определенная концентрация в другой.В условиях равновесия при  зависимость между равновесными концентрациями выражается законом Генри, который гласит: при данной температуре мольная доля газа в растворе прямо пропорциональна парциальному давлению газа над раствором: , (13.1)или  ,где: - парциальное давление газа, равновесное с раствором, имеющим концентрацию х, доли моля; Е — константа Генри.Константа Генри зависит от природы растворяющегося вещества (абсорбтива), абсорбента и температуры:  , (13.2)где: q – теплота растворения газа, кДж/кмоль; R =8,325 кДж/(кмоль*К) – универсальная газовая постоянная: Т – абсолютная температура растворения, К; С – постоянная, зависящая от природы газа и жидкости и определяемая опытным путём. Из равенства (13.2) видно, что с ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается. Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону Дальтона парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.  и  , (13.3)где: Р — общее давление газовой смеси;  - концентрация распределяемого вещества в смеси, доли моля.Сопоставляя уравнения (13.3) и (13.1), найдем  или, обозначая константу фазового равновесия  через  , получиму=mx (13.4) Уравнение(13.4) показывает, что зависимость между равновесными концентрациями распределяемого компонента в газовой смеси и в жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат, тангенс угла наклона которой равен . Тангенс угла наклона зависит от температуры и давления. С увеличением давления и уменьшением температуры растворимость газа в жидкости увеличивается ( снижается) (рис. 13.1). Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый из газовых компонентов смеси. Рис.13.1. Зависимость между растворимостью газов в жидкости и парциальным его давлением над раствором при различных температурах (t1>t2>t3) Процессы абсорбции можно рассчитывать в относительных мольных концентрациях. В этом случае при малой концентрации газа х в жидкости закон Генри записывается так:  Отметим, что закону Генри подчиняются сильно разбавленные растворы, а также растворы при небольших давлениях, которые по своим свойствам приближаются к идеальным. Для концентрированных растворов и больших давлений зависимость между равновесными концентрациями выражается кривой линией, вид которой определяют экспериментально. 13.3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АБСОРБЦИИ Материальный баланс процесса абсорбции выражается общим уравнением (4.1.5):  .После интегрирования выражения в пределах начальных и конечных концентраций получают уравнение (4.1.6), из которого определяют расход абсорбента (в кмоль/с)  . (13.5)Удельный расход на 1 кмоль инертного газа  . (13.6)Изменение концентрации в абсорбере подчиняется уравнениям (4.1.7) и (4.1.8). Рабочая линия процесса в координатах у—х является прямой линией с тангенсом угла наклона  .Проанализируем влияние удельного расхода абсорбента на размеры абсорбера и конечную концентрацию распределяемого вещества в жидкой фазе. Примем противоток фаз в абсорбере. Начальная концентрация распределяемого вещества в жидкой фазе  , конечная концентрация в газовой фазе  , определяемые точкой В в координатах у—х, начальные концентрации в газовой фазе  (рис. 13.2). На этом же рисунке изображена равновесная зависимость  . Проведем несколько рабочих линий согласно уравнению (4.1.6) с различным тангенсом угла наклона . Согласно уравнению (4.1.6) точки А1, А2, А3 характеризуют начальную и конечную концентрации абсорбтива в газовой фазе и в абсорбенте.Движущие силы процесса определяются разностью между рабочими и равновесными зависимостями, т. е.  . Средняя движущая сила для всего аппарата определяется как среднее логарифмическое  . Нетрудно видеть, что возрастает с увеличением наклона рабочих линий, т. е. возрастает с ростом удельного расхода  абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущие силы имеют наибольшее значение, однако при этом удельный расход абсорбента должен быть бесконечным, что следует из уравнения (13.6) при подстановке в него  . В другом предельном случае, когда рабочая линия соприкасается с линией равновесия  , расход абсорбента минимальный и движущая сила в точке соприкосновения равняется нулю, так как  . Рис. 13.2. К определению удельного расхода абсорбера  Рис. 13.3. К определению оптимального удельного расхода абсорбера В первом случае размеры абсорбера будут минимальными, так как максимальное при бесконечном расходе абсорбента, во втором — размеры абсорбера будут бесконечными при минимальном расходе абсорбента.Как было отмечено выше, в реальных массообменных аппаратах равновесие не достигается и в случае абсорбции всегда  . Следовательно, удельный расход абсорбента должен быть всегда больше минимального. Значение минимального расхода можно определить из уравнения (13.7), подставляя в него  : . (13.7)На практике следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбента и удельным расходом абсорбента, при котором и размеры аппарата будут оптимальными.Оптимальный расход абсорбента определяется на основании технико-экономического расчета. Сумма затрат на поглощение 1 кмоль газа складывается из стоимости газа и обслуживания  , затрат на амортизацию и ремонт аппарата, стоимости энергии, затрачиваемой на преодоление гидравлического сопротивления при прохождении газа через абсорбер,  затрат на транспортирование газа и десорбцию  : . (13.8)Величина не зависит от удельного расхода абсорбента. С увеличением уменьшаются рабочая высота абсорбера и его гидравлическое сопротивление, но одновременно увеличивается его диаметр. Таким образом, кривая  может иметь минимум. С возрастанием увеличиваются затраты на транспортирование газа и десорбцию. На рис. 13.3 представлен характер перечисленных зависимостей. Складывая ординаты всех кривых, получим кривую суммарных затрат на абсорбцию 1 кмоль газа. Минимум этой кривой соответствует оптимальному удельному расходу абсорбента.Процесс абсорбции подчиняется уравнению массопередачи для двухфазных систем (4.1.4). В уравнении массопередачи движущую силу  при абсорбции часто выражают разностью давлений: , (13.9)где: - рабочее парциальное давление распределяемого газа в газовой смеси;  — равновесное давление газа над абсорбентом, соответствующее рабочей концентрации в жидкости.Коэффициенты массопередачи определяют по уравнениям (4.1.28) и (4.1.29):  ; (13.10) . (13.11)где:  - коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности фазового контакта, кмоль/(  );  - коэффициент массоотдачи от поверхности фазового контакта к потоку жидкости, м/ч.Величина оказывает влияние на структуру уравнений для коэффициентов массопередачи. Для хорошо растворимых газов мало и в уравнении (13.12) величина . (13.12)В этом случае  , т. е. диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе. Для труднорастворимых газов велико и в уравнении (13.11) . (13.13)Можно принять  , т. е. диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе.13.4. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АБСОРБЦИИ В технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией. Прямоточная схема взаимодействия веществ в абсорбере показана на рис. 13.4,а. В этом случае потоки газа и абсорбента движутся в одном направлении; при этом газ с большей концентрацией абсорбтива приводится в контакт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию абсорбтива, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует на выходе из абсорбера с жидкостью, имеющей большую концентрацию абсорбтива.  Рис. 13.4. Схемы абсорбции и изображения процесса в координатах y-x: а – прямоточная; б – противоточная; в – с рециркуляцией абсорбера (жидкости); г – с рециркуляцией абсорбтива (газа) |
Добавить документ в свой блог или на сайт