Равновесие между фазами (Статика процесса абсорбции)

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

С = К – Ф + 2

Правило фаз представляет собой наиболее широкое обобщение условий гетерогенного равновесия.

3

Процесс абсорбции осуществляется в двухфазной системе (газ-жидкость) трёхкомпонентной (хотя бы один целевой компонент в газовой смеси, инертный газ, жидкий поглотитель) системе.

Согласно правилу фаз число степеней свободы этой системы равно 3 (С = К – Ф + 2 =3 – 2 + 2 = 3). Следовательно, не нарушая равновесия в системе, можно варьировать тремя её параметрами (температурой, давлением, и составом одной из фаз).

В двухфазных системах газ- жидкость равновесие обычно 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:

р * = Кх,

где р * - равновесное парциальное давление растворённого газа;

х – содержание растворённого газа в жидкости (в мольных долях или кг/кг поглотителя);

К – константа Генри, зависящая от свойств растворённого газа и поглотителя, а также от температуры, имеет размерность давления.

Растворимость многих газов значительно отклоняется от закона Генри. Это относится главным образом к хорошо растворимым газам, образующим растворы высокой концентрации.

Закон Генри хорошо согласуется с опытом для слабо растворимых газов, а также для низких концентраций хорошо растворимых газов. Для них фактическая растворимость при высоких концентрациях оказывается ниже, чем это следует из закона Генри.

Растворимость газов в жидкостях зависит от

- свойств газа и жидкости,

- от температуры,

- парциального давления растворяющегося газа (компонента) в газовой смеси.

Зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлением характеризуется законом Генри, согласно которому равновесное парциальное давление р * пропорционально содержанию растворенного газа в растворе X (в кг/кг поглотителя):

)

где φ – коэффициент пропорциональности имеющий размерность давления и зависящий от свойств растворённого газа и поглотителя и от температуры (Пл. Приложение XVI)

4

Для практических расчетов пользуются полученными из опыта значениями равновесного парциального давления газа р* и вычисляют равновесное содержание абсорбируемого компонента в газовой смеси У* по уравнению Рауля-Дальтона

у* = (р/П)х,

где р – давление паров чистого компонента, определяемое по закону Рауля, как р =р*/х;

П – общее давление газовой смеси.

Т.о. у* = (р/П)х = m х,   т.е уравнение равновесия при небольших по сравнению с р значениях р*) для процесса абсорбции при низкоконцентрированных растворах газов представляет собой уравнение прямой линии у* = m х с тангенсом наклона, равным m, причём отношение постоянных величин m = К/П – коэффициент распределения, постоянный для данной системы газ – жидкость при t = const и П = const.

Из закона Генри и его подробного рассмотрения следует, что растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления П и понижением температуры.

Для понижения температуры

- охлаждают исходную газовую смесь и поглотитель,

- отводят теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции, с помощью встроенных (внутренних) или наружных теплообменников.

В некоторых случаях отвод теплоты абсорбции осуществляют без охлаждения (используют эту теплоту для концентрирования раствора в самом абсорбере).

По данным о растворимости поглощаемых компонентов осуществляется выбор поглотителей (абсорбентов), так как с практической точки зрения лучшим из ряда возможных будет тот поглотитель, расход которого для проведения процесса будет меньшим.

 

Для практических расчетов пользуются полученными из опыта значениями равновесного парциального давления газа р* и вычисляют равновесное содержание абсорбируемого компонента в газовой смеси У* по уравнению Рауля-Дальтона

у* = (р/П)х,

где р – давление паров чистого компонента, определяемое по закону Рауля, как р =р*/х;

П – общее давление газовой смеси.

 

Формула для расчёта (Пл. 16-12, с.591):

где  М_к и М_н — молекулярные массы абсорбируемого компонента и инертного (неабсорбируемого) газа;

Р—общее давление газовой смеси.

5

По найденным значениям У* строят линию равновесия (стр. 567, Пл).

При небольших значениях р*, по сравнению с Р, можно приближенно написать, учитывая уравнение (17-l):

где

В этом случае линия равновесия представляет собой прямую, тангенс угла наклона которой равен k.

 

 

ПиА                                            НГ (2)

Занятие № 42