Метод теоретических ступеней изменения концентраций (теоретических тарелок).

Построение теоретических ступеней изменения концентрации показано на рис.5-11

Из точки М (с координатами у_н, х_н) проводится отрезок МС до пересечения с линией равновесия, затем отрезок СА до пересечения с рабочей линией. Ступенька АСМ изображает изменение составов обеих фаз на теоретической тарелке. Для нее у₂ и х_к равновесны друг другу (точка С) или у₂ равно т.е. у₂=у₁*. Ступень изменения концентрации можно определять либо как элемент аппарата, в котором на выходе из этого элемента достигается содержание целевого компонента, равное равновесному на входе, либо как движущую силу процесса, которая обеспечивает содержание целевого компонента на выходе из элемента, равное равновесному на входе.

Строя последовательно подобные ступеньки до пересечения с ординатой, отвечающей составу газа, удаляющегося с верхней (последней) теоретической ступени, находят число теоретических ступеней n_c.

Для перехода от числа теоретических ступеней к числу действительных тарелок используют соотношение:

(5-35)

где η – средний по всей высоте колонки КПД, учитывающий реальную кинетику массообмена; обычно η=0,3÷0,8.

Рабочую высоту тарельчатых аппаратов Н (расстояние между крайними тарелками) определяют как , где h – расстояние между тарелками.

Диаметр аппарата рассчитывают по уравнению расхода для газовой фазы , где V – объемный расход газа (пара); ω – фиктильная скорость, т.е. скорость, отнесенная к полному сечению аппарата; f – площадь поперечного сечения аппарата.

(5-36)

Величина V обычно задается; определяют по предельной скорости (), которая рассчитывается по справочным эмпирическим уравнения, а принимают на 10-20% меньше.

 

VI Массообмен в процессе абсорбции.

Общие сведения. Физические основы процесса.

Абсорбция – это процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем (абсорбентом).

При физической абсорбции поглощаемый компонент не взаимодействует химически с абсорбентом. Процесс в большинстве случаев обратим. На этом свойстве основано выделение поглощённого компонента из раствора – десорбция. Если поглощаемый компонент образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

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

Примерами использования процессов абсорбции в промышленности могут служить:

а) разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках;

б) получение соляной и серной кислот, аммиачной воды;

в) очистка газовых выбросов от вредных примесей;

г) выделение ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т.д.

Абсорбенты выбирают по растворимости в них поглощаемых компонентов. 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.

Статика процесса абсорбции.

Равновесие между фазами определяется правилом фаз Гиббсона: число параметров (или ступеней свободы) С процесса равно числу компонентов К минус число фаз Ф плюс 2:

С = К – Ф + 2 (6-1)

Процесс абсорбции осуществляется в двухфазной (газ – жидкость) трёхкомпонентной системе. Согласно правилу фаз - С = К – Ф + 2 = 3 – 2 + 2 = 3. Следовательно, не нарушая равновесия в системе, можно варьировать тремя её параметрами (например, температурой, давлением и составом одной из фаз)

В двухфазных системах газ – жидкость равновесие выражается в виде фазовых диаграмм состав-состав или состав-свойство (например, состав-давление или состав-температура кипения).

Для абсорбционно-десорбционных процессов равновесие между газами и их растворами в жидкости описывается законом Генри, по которому при данной температуре количество газа, растворяющегося в жидкости, прямо пропорционально давлению газа над ней:

, (6-2) где - равновесное парциальное давление растворённого газа; х – содержание растворённого газа в жидкости (в мольных долях или - поглотителя); К - константа Генри, зависящая от свойств растворённого газа и поглотителя, а также от температуры, имеет размерность давления.

При практических расчётах по значениям равновесного парциального давления газа вычисляют равновесное содержание абсорбируемого компонента в газовой смеси по уравнению Рауля – Дальтона , где Р – давление паров чистого компонента, определяемое по закону Рауля, как ; П – общее давление газовой смеси.

Следовательно, , т.е. уравнение равновесия для процесса абсорбции при низкоконденсированных растворах газов представляет собой уравнение прямой линии с тангенсом угла наклона, равным , а отношение постоянных величин – коэффициент распределения, постоянный для данной системы газ-жидкость при и (см. рис. 6-1).

 

Рис.6-1.Линия равновесия абсорбции (у*=mx):

1 – для разбавленных растворов газа; 2 – для концентрированных растворов

Рис.6.2.Рабочая и равновесная линии абсорбера:

АВ – рабочая линия при расходе поглотителя L; АС – то же при L_мин ; начало координат – С – равновесная линия У*=f(x)

Из закона Генри следует, что растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления П и понижении температуры. Для понижения температуры охлаждают исходные газовую смесь и поглотитель, отводят теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции с помощью встроенных (внутренних) или наружных теплообменников.

По данным о растворимости поглощаемых компонентов осуществляется выбор поглотителей (абсорбентов) - лучший поглотитель тот, у которого расход для процесса меньший. Кроме того, при выборе абсорбента оценивают такие свойства, как селективность (избирательность) к поглощаемому компоненту, токсичность, пожароопасность, стоимость, доступность и т.д. При оценке физико-химических свойств системы поглощаемый газ – поглотитель учитывают, что лучшим является тот абсорбент, в смеси с которым поглощаемый компонент имеет наименьший коэффициент активности , т.е. те жидкости, которые составляют с поглощаемым компонентом системы с отрицательными отклонениями от идеального поведения . Абсорбент должен обладать меньшей летучестью во избежание его больших потерь.