Равновесие при абсорбции. Закон Генри.

Система состоит из трёх компонентов (распределяемое вещество и два распределяющих вещества) и двух фаз – жидкой и газовой. Такая система по правилу фаз имеет три степени свободы. Для абсорбции переменными являются Т, р, концентрация компонента А в газовой и жидкой фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при Т=const и постоянном общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А или его концентрацией и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление растворённого газа пропорционально его мольной доле в растворе:

(2.1)

где - парциальное давление поглощаемого газа над раствором, находящегося в равновесии, при концентрации раствора , Е – константа Генри. Е не зависит от общего давления в системе, но зависит от природы абсорбента и поглощаемого газа, а также от Т.

Для идеальных растворов зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, т.к. (2.2)

Чем больше Т, тем меньше растворимость. - равновесная концентрация газа в растворе, т.е. растворимость.

Если – молярная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р – общее давление в системе, то парциальное давление , по закону Дальтона, можно записать:

(2.3)

Тогда, подставив значение в (2.1) получим

Итак для закона Генри имеем

(2.4)

Здесь - коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Величина m уменьшается с увеличением Р и снижения Т. Таким образом, растворимость газа в жидкости растёт с ростом давления и снижения Т.

Когда в равновесии с жидкостью находятся смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри справедлив только для идеальных газов, а также к сильно разбавленным реальным растворам. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем по закону Генри. Для систем, не подчиняющихся закону Генри, m является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

При больших давлениях (1 МПа и выше) изменение объёма жидкости вследствие растворения в ней газа соизмеримо с изменением объёма газа, тогда

- фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.

При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри.

Общая масса фазы, состоящей из распределяемого компонента и 1 кг носителя равна (1+Х) кг (жидкая фаза) и (1+У) кг (газовая фаза). Тогда весовые концентрации х и у распределяемого компонента в фазах:

Тогда закон Генри запишется:

(2.5)

Следовательно, линия равновесия в системе газ – жидкость в координатах Х и У изображается кривой. При малых концентрациях Х в жидкости (2.5) упрощается и принимает вид:

(2.6)

В случае абсорбции многокомпонентных смесей парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но и от концентрации в растворе других компонентов, т.е. является функцией большого числа переменных. Поэтому в подобных случаях, равновесные зависимости основываются на опытных данных.

 

Материальный баланс и расход абсорбента

(2.7)

– расход инертного газа; – расход абсорбента; - начальная и конечная концентрация абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; - начальная и конечная концентрация абсорбтива в в поглотителе кмоль/кмоль абсорбента.

Из уравнения (2.7) обычно определяют :

(2.8)

Уравнение (2.7) можно представить в виде:

(2.9)

Уравнение (2.9) носит название рабочей линии. Она, рабочая линия, в координатах У-Х прямая с углом наклона, тангенс которого равен . Найдём связь с размером аппарата. Заданы . Необходимо найти .

 

Поскольку известно, точки лежат на одной прямой. и граничные случаи. При АВ движущая сила максимальна поскольку (см. уравнение (2.8)). При , движущая сила минимальна: в точке она равна нулю. Поэтому должна быть больше .

(2.10)

По Разинову, можно принять . Тогда по (2.9) находим

Прямоток.

 

Уходящий газ соприкасается с концентрированным раствором поглощаемого газа.

. Поэтому расхода абсорбента меньше, чем при противотоке.

Тепловой баланс абсорбции

При изотермической абсорбции линия равновесия характеризуется кривой OАD.

В случае неизотермической абсорбции, при растворении газа в жидкости температура её повышается вследствие выделения теплоты. Тогда линия равновесия характеризуется кривой ОАС.

Для технических расчётов нагреванием газа пренебрегают, считают, что вся теплота идёт на нагрев жидкости.

Если известна Т°К при данном составе, то можно найти по справочникам У* на кривой равновесия, соответствующую составу Х. Для этого нужно составить уравнение теплового баланса для части абсорбера, расположенной выше некоторого сечения с текущими концентрациями Х и У соответственно, т.е. в той части аппарата, где произошло поглощение газа:

 

(2.14)

Здесь - дифференциальная теплота растворения газа, кДж/кмоль; - расход абсорбента, моль/с; с – теплоемкость жидкости, кДж/(кмоль·К); Т – температура данного сечения, К; - начальная температура жидкости, К. Находим Т:

(2.13)

С помощью (2.13), задаваясь значениями Х в пределах и находим ряд Т и по справочникам далее находим ряд и строим по точкам ОАС.

Кинетика абсорбции.

Физическая абсорбция. Применительно к абсорбции уравнение массопередачи, если движущую силу выражают в концентрациях газовой фазы, принимает вид:

 

(2.14)

Если движущую силу выразить в концентрациях жидкой фазы, то уравнение массопередачи имеет вид:

(2.15)

Коэффициенты массопередачи определяются:

В хорошо растворимых газах m незначительно, а велика, т.е. мало сопротивление в жидкой фазе, тогда и можно принять . Для плохо растворимых газов можно пренебречь диффузионным сопротивлением в газовой фазе, так как велики и можно принять .

Для процесса абсорбции в уравнение массопередачи (2.14) молярные концентрации газовой фазы может быть заменены парциальными давлениями газа, выраженными в долях общего давления:

(2.18)

Здесь - средняя движущая сила процесса, выраженная в единицах давления; - коэффициент массопередачи, отнес. к единице движущей силы, выражаемой через парциальные давления поглощаемого газа.

Если равновесная линия прямая, то для получим:

(2.19)

(2.20)

Здесь - соответственно, парциальные давления газа на входе в аппарат и выходе из него; - равновесные парциальные давления газа на входе в аппарат и на выходе из него.

Если парциальное давление выражено в долях общего давления р, то коэффициенты массопередачи и численно равны, если парциальные давления выражены в единицах давления, то .

Хемосорбция. Если химическая реакция идет в жидкой фазе, то часть газообразного компонента переходит в связанное состояние. При этом концентрация свободного компонента в жидкости снижается и увеличивается движущая сила процесса.

В общем случае скорость хемосорбции зависит как от скорости химической реакции, так и от скорости массопередачи между фазами. В зависимости от того, какая скорость определяет общую скорость переноса массы, различают кинетическую и диффузионную области процессов хемосорбции.

В кинетической области скорость собственно химического взаимодействия меньше скорости массопереноса и поэтому лимитирует скорость всего процесса. В диффузионной области лимитирующей стадией является скорость диффузии компонентов в зоне реакции, которая зависит от гидродинамических условий в системе и определяется по основному уравнению массопередачи.

Если скорости химической реакции и массопередачи соизмеримы, то такие процессы абсорбции протекают в смешанной, или диффузионно-кинетической области.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при протекании химической реакции можно определить:

(2.21)

где Ф – фактор ускорения массообмена, .

Конструкции абсорберов.

 

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. По способу образования поверхности раздела фаз абсорберов можно разделить на 4 группы:

- плёночные

- насадочные

- тарельчатые

- распыливающие.

 

Плёночные абсорберы.

Вместо труб могут быть плоские листы. Пакет листовой насадки из различного материала.

Допускаемая скорость воздуха W=3-6 м/с. Далее начинается захлёбывание (подвисание плёнки) аппарата. Δр аппарата – небольшие.

W газа > 10 м/с, Δр растёт, большие. Растёт Ку.

 

 

Насадочные абсорберы.

Они наиболее широко распространены в промышленности. Газ оттесняет жидкость к периферии. Поэтому насадки используются секциями высотой до 4D.

Насадки – твёрдые тела различной формы. Жидкость в насадочной колонне течёт по элементу насадки в виде тонкой плёнки. При перетекании жидкости с одного элемента на другой плёнка жидкости разрушается и далее образуется вновь. Часть жидкости проходит вниз в виде струек, капель и брызг.

Основные характеристики насадок:

1) удельная поверхность а ( / );

2) свободный объём ε ( / );

3) свободное сечение S ( / ).

Обычно принимают S = ε.

1 – сухой аппарат

2 – орошаемый аппарат

Плёночный режим (до А) – наблюдается при небольших плотностях орошения и малых w газа. А – точка подвисания жидкости.

 

 

Второй режим – режим подвисания (торможения), после точки А повышение wг приводит к подтормаживанию жидкости газовым потоком. Поэтому wж уменьшается и количество удерживаемой жидкости увеличивается. Спокойное течение плёнки жидкости нарушается, возникают вихри, брызги, поэтому F увеличивается и увеличивается интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается в точке В.

Третий режим – режим эмульгирования. Увеличение wг приводит к накоплению жидкости в аппарате. При этом наступает инверсия фаз – жидкость становится дисперсионной средой, газ – дисперсной фазой. Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду похожая на пену. Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн. При этом резко возрастает аппарата (отрезок ВС). Поддерживать этот режим затруднительно. По скорости газа режим очень узок.

Четвертый режим – режим уноса (C→), жидкость уносится из аппарата газовым потоком. В технике этот режим не используется.

Требуется равномерное распределение газа по сечению аппарата.

Насадки должны иметь как можно больше а, кроме того, они должны:

- хорошо смачиваться орошаемой жидкостью;

- оказывать малое гидравлическое сопротивление;

- больше e и S;

- обладать большой механической прочностью, стойкостью к агрессивным средам;

- иметь невысокую стоимость.

Тарельчатые абсорберы.

ТА – вертикальные цилиндрические колонны, внутри которых на определённом расстоянии друг от друга на высоте колонны размещаются горизонтальные перегородки – тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз, жидкость течёт сверху вниз, а газ проходит снизу вверх. Процесс массопереноса идёт ступенчато. По способу слива жидкости с тарелками абсорберы бывают:

- со сливными устройствами

- без сливных устройств (неорганизованный слив жидкости).