Раздел 3 массообменные процессы и аппараты

ПиА                                            НГ (2)

Занятие № ___

РАЗДЕЛ 3 МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Тема 3.3 Абсорбция.

Сущность абсорбции, применение. Равновесие. Закон Генри. Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкости. Требования к абсорбенту и выбор.

 (П. Г. Романков и др. с.324-326; А. А. Захарова и др. ПиАХТ с.275-278, 291-297;

А. П. Плановский ПиАХТ с.590-591)

Вопросы:

Сущность абсорбции, применение.

Равновесие. Закон Генри.

Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкости.

Требования к абсорбенту и выбор.

Сущность абсорбции, применение.

Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

Обратный процесс — выделение поглощенного газа из поглотителя — называется десорбцией.

При контактировании газовой смеси с жидким поглотителем один компонент (или несколько) переходит из одной фазы в другую

Абсорбция подразделяется на два вида.

Физическая абсорбция – поглощаемый компонент не взаимодействует химически с абсорбентом. Он только растворяется в абсорбенте. Процесс в большинстве случаев обратим. На этом свойстве основано выделение поглощённого компонента из раствора – десорбция.

Химическая абсорбция (хемосорбция) – поглощаемый компонент с абсорбентом образует химическое соединение. В этом случае поглотитель представляет собой химически активный компонент или раствор химически активного компонента; вещество, в котором растворён химически активный компонент называется растворителем.

В промышленности процесс абсорбции обычно сочетают с последующей десорбцией, что позволяет многократно использовать абсорбент.

Экспериментально установлено, что процесс абсорбции всегда сопровождается выделением теплоты.

Процессы абсорбции широко применяются в промышленности:

- для разделения углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках;

- для получения соляной и серной кислот, аммиачной воды;

- для выделения из газовых смесей ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, извлечения из коксового газа аммиака, бензола и др.,

- для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей (например, при очистке их от сероводорода),

 

2

- для санитарной очистки газов (например, отходящих газов от сернистого ангидрида) и т. д.

В некоторых случаях десорбцию не проводят, если извлекаемый компонент и поглотитель являются дешевыми или отбросными продуктами или если в результате абсорбции получается готовый продукт (например, соляная кислота при абсорбции хлористого водорода водой).

Растворимость газов в жидких поглотителях зависит:

1) от физических и химических свойств газовой и жидкой фаз;

2) от температуры;

3) от давления газа в смеси; чем оно выше, тем растворимость газа больше.

 

Требования к абсорбенту и выбор.

Основные проблемы при осуществлении абсорбции связаны с подбором абсорбента и созданием рациональных условий контактирования газа и жидкости.

При выборе абсорбента к нему предъявляются следующие требования:

- селективность, т.е. способность избирательного поглощения целевого компонента при возможно малой растворимости в нём газа-носителя, что позволяет перевести в жидкую фазу только поглощаемый компонент (ПК), оставляя газ-носитель в газовой фазе;

- большая поглотительная способность, т.е. высокая растворимость поглощаемого вещества в жидкой фазе в рабочих условиях; при этом уменьшаются затраты на подачу абсорбента, затраты теплоты на его нагрев при десорбции и т.д.;

- возможно более низкая летучесть (в идеале – нулевая), т.е.малая упругость паров абсорбента при рабочей температуре во избежание его потерь с уходящим газом;

- устойчивость в работе, т.е. абсорбент не должен подвергаться изменениям – разложению, окислению, осмолению и т.д.;

- безопасность (удобство) в работе – нетоксичность, негорючесть, малое коррозионное воздействие на аппаратуру;

- доступность и дешевизна;

- лёгкая регенерируемость при десорбции или каком-либо другом процессе регенерации.

 

ПиА                                            НГ (2)

Занятие № 42

Тема 3.3 Абсорбция.

А. П. Плановский ПиАХТ с.566-573)

Вопросы:

Материальный баланс.

Тепловой баланс.

Расход абсорбента.

Материальный баланс.

Материальный баланс абсорбера характеризуется уравнением (16-14), в котором G — количество инертного газа, кг/сек L — количество поглотителя, кг/сек, У — содержание компонента в газовой фазе, кг/кг инертного газа; X — содержание компонента в жидкой фазе, кг/кг поглотителя.

Величина l определяемая по уравнению (16-15), является удельным расходом поглотителя (кг/кг инертного газа).

При полном извлечении компонента из газа его содержание в газовой фазе на выходе из абсорбера было бы У₂ = 0, а количество поглощенного компонента составило бы GY₁

Отношение количества фактически поглощенного компонента G(У₁ — У₂) к количеству, поглощаемому при полном извлечении, называется степенью извлечения:

Рабочая линия процесса абсорбции описывается уравнением (16-16). На диаграмме Y — X она расположена выше линии равновесия, так как при абсорбции содержание компонента в газовой фазе больше равновесного. При десорбции, наоборот, рабочая линия лежит ниже линии равновесия.

Чтобы построить рабочую линию, надо знать составы фаз на входе в абсорбер (Х₂, Y₁) и на выходе из него (Х₁ Y₂). По этим составам строят точки А и В (см. рис. 16-1), а расход поглотителя определяют по уравнению (16-15).

Однако обычно заданы только начальные составы газа и жидкости (У₁ Х₂) и степень извлечения ε. Заданным условиям соответствует определенное значение Y₂, которое можно найти по формуле (17-4) и таким образом построить точку В (рис.17-1).

В зависимости от удельного расхода поглотителя рабочая линия будет поворачиваться около точки В, причем точка А будет перемещаться по горизонтали, соответствующей ординате У₁

Положение А'В, когда точка А' лежит на линии равновесия (рис. 17-1, а) или когда рабочая линия касается линии равновесия (рис. 17-1,6), соответствует минимальному расходу поглотителяl_min.

При минимальном расходе поглотителя движущая сила в точке касания рабочей линии и линии равновесия равна нулю, при этом требуется абсорбер бесконечно большой высоты.С увеличением удельного расхода поглотителя уменьшается требуемая высота абсорбера, но возрастают расходы на десорбцию, на перекачивание поглотителя и т. д.

Наивыгоднейший удельный расход поглотителя можно найти технико-экономическим расчетом.

 

 

Тепловой баланс

Если абсорбция ведется без отвода тепла или с неполным его отводом» температура повышается вследствие выделения тепла при растворении газа в жидкости. Повышение температуры ведет к повышению равновесного парциального давления компонента и к сдвигу линии равновесия вверх. Движущая сила при этом уменьшается и условия абсорбции ухудшаются.

Количество выделяющегося, при абсорбции тепла составляет

где Ф— дифференциальная теплота растворения (в дж/кг), т. е. количество тепла, выделяющегося при поглощении 1 кг компонента в растворе данной концентрации;

М — количество поглощенного компонента, кг/сек.

Если абсорбция ведется без отвода тепла, можно считать, что все выделяющееся тепло идет на нагревание жидкости:

где с — удельная теплоемкость жидкости, дж1кг град,

t₁ и t₂ — температуры жидкости на выходе из абсорбера и на входе в пего.

Приравнивая правые части уравнений (17-5) и (17-6), получим уравнение теплового баланса абсорбера, работающего без отвода тепла:

Для части абсорбера, расположенной выше сечения, в котором состав жидкости равен X. а температура t, это уравнение примет вид

откуда температура жидкости в любом сечении абсорбера при составе жидкости X будет составлять.

Значения Х в уравнении (17-8) принимаются произвольно, относительно изначально заданного значения содержания извлекаемого компонента в абсорбенте (см. пример 16-5 – Пл. с.569) – 0,002 относительной весовой единицы

При построении линии равновесия для каждого значения X надо определить t по уравнению (17-8). а затем найти Y* для этих значений X и t но уравнению {17-2).

Пример 17-1. (Пл. с.593) Построить линию равновесия процесса поглощения аммиака водой в условиях примера 16-5 {стр 569), если температура поступающей воды t₂ — 20°С, а коэффициент φ в уравнении (17-1) для раствора аммиака в воде выражается формулой

где - φ — в мм pm. cm,

Т — температура раствора, °К

Дифференциальная теплота растворения NH₃ в воде Ф — 2070 * I0⁹ дж/кг (495 ккал(кг).

Решение

Принимая теплоемкость жидкости (воды) = с ~4190 дж/кг • град (1 ккал/кг - град), находим по формуле (17-8) температуру жидкости:

где 0,002 — содержание NH₃ в воде, поступающей на абсорбцию (Х₂), (см. пример 16-5, стр. 569).

Задаваясь рядом значений Х, находим температуру t и рассчитываем соответствующие величины φ. (Для всех значений Х)

Далее находим по уравнению (17-1, Пл с.590) значения парциальных давлений для всех значений Х

 

А далее определяем Y* по формуле (17-2) (тоже для всех значений Х):

где 17 и 29—молекулярные массы NH₃ и воздуха.

Результаты расчета сведены в табл. 25.

Расчет числа единиц переноса по найденным значениям Y* приведен в примере 16-10 (стр. 586).

По рассчитанным данным (См. таблицу 25) Y* и принятым значениям Х строим линию равновесия – изогнутая линия на рис. 16-5

Пример 17-2. Определить минимальный удельный расход поглотителя при абсорбции аммиака водой в условиях примеров 16-5 (стр. 569) и 16-10 (стр. 586).

Решение. На Y — X диаграмме (см. рис. 16-5, стр. 587) строим точку В с координатами (Х₂ = 0,002, Y₂ = 0,0016) и точку А’ на линии равновесия с ординатой Y₁ = 0,0309.

Абсцисса точки А' будет 0,0318.

Минимальный удельный расход поглотителя составляет:

Принятый в примере 16-5 удельный расход поглотителя l = 1,18 больше l_min  в-1,2 раза-

 

 

ПиА                                            НГ (2)

Занятие № ___

РАЗДЕЛ 3 МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Тема 3.3 Абсорбция.

Сущность абсорбции, применение. Равновесие. Закон Генри. Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкости. Требования к абсорбенту и выбор.

 (П. Г. Романков и др. с.324-326; А. А. Захарова и др. ПиАХТ с.275-278, 291-297;

А. П. Плановский ПиАХТ с.590-591)

Вопросы: