1. Адсорбція. Областьзастосування
абсорбції називаєтьсяпроцес поглинання газів або парів з газових або парогазових сумішей рідкимпоглиначем - абсорбентом. Якщо поглинається газ - абсорбтів - хімічно невзаємодіє з абсорбентом, то така абсорбція фізична, якщо ж абсорбтівутворює з абсорбентом хімічна сполука, то такий процес називається хемосорбції.Фізична абсорбція оборотна, виділення поглинається газу з розчину -десорбція. Поєднання абсорбції та десорбції дозволяють багаторазово використовуватипоглинач і виділяти поглинутий газ у чистому вигляді.
Абсорбція застосовується:
- для отримання готовогопродукту (абсорбція у виробництвісірчаної кислоти, абсорбція HCl,оксидів азоту водою у виробництві азотної кислоти);
- для виділення ціннихкомпонентів з газових сумішей (абсорбція бензолу з коксового газу, абсорбціяацетилену з газів крекінгу або піролізу природного газу і т.д.), при цьомуабсорбцію проводять у поєднанні з десорбцією;
- для очищення газовихвикидів від шкідливих домішок;
- для осушення газів.
2. Рівновага приабсорбції. Закон Генрі
Система складається з трьохкомпонентів (розподілюване речовина і два розподіляють речовини) і двох фаз- Рідкої та газової. Така система за правилом фаз має три ступені свободи. Дляабсорбції змінними є Т, р, концентрація компонента А в газовій ірідкій фазах. Отже, у стані рівноваги при Т = const і постійному загальному тискузалежність між парціальним тиском газу А або його концентрацією і складомрідкої фази однозначна. Ця залежність виражається законом Генрі: парціальнийтиск розчиненого газупропорційно його мольної частці врозчині:
(5.72)
де - парціальний тискпоглощаемого газу над розчином, що знаходиться в рівновазі, при концентраціїрозчину, Е - константа Генрі. Е незалежить від загального тиску в системі, але залежить від природи абсорбенту тапоглощаемого газу, а також від Т.
Рис. 1
Для ідеальних розчинівзалежність рівноважних концентрацій від тиску зображується прямою, тому (5.73)
Чим більше Т, тим меншерозчинність. - Рівноважнаконцентрація газу в розчині, тобто розчинність.
Якщо - молярна часткавитягується компонента А в газовій суміші і Р - загальний тиск в системі, топарціальний тиск, за закономДальтона, можна записати:
(5.74)
Тоді, підставивши значенняв (5.72) отримаємо
Отже для закону Генрімаємо
(5.75)
Тут - коефіцієнтрозподілу, або константа фазової рівноваги.
Величина m зменшується із збільшенням Р ізниження Т. Таким чином, розчинність газу в рідині зростає з ростомтиску і зниження Т.
Коли в рівновазі зрідиною знаходяться суміш газів, закону Генрі може слідувати кожен зкомпонентів суміші окремо.
Закон Генрі справедливийтільки для ідеальних газів, а також до сильно розбавленим реальним розчинів.Для добре розчинних газів, при великих концентраціях їх у розчині,розчинність менше, ніж за законом Генрі. Для систем, не підкоряються законуГенрі, m є величиною змінною ілінія рівноваги являє собою криву, яку будують зазвичай по досвідченимданими.
При великих тисках (1МПа і вище) зміна обсягу рідини внаслідок розчинення в ній газупорівнянно зі зміною обсягу газу, тоді
- фугітівность (летючість)поглощаемого газу, виражена в одиницях тиску.
При вираженні складу фазне в абсолютних, а у відносних концентраціях видозмінюється і запис законуГенрі.
Загальна маса фази,складається з розподілюваного компонента та 1 кг носія дорівнює (1 + Х) кг (рідкафаза) і (1 + Y) кг (газова фаза). Тоді ваговіконцентрації х і у розподілюваного компонента у фазах:
Тоді закон Генрізапишеться:
(5.76)
Отже, лініярівноваги в системі газ - рідина в координатах Х і У зображується кривої.При малих концентраціях Х в рідині (5.76) спрощується і приймає вигляд:
(5.77)
У разі абсорбціїбагатокомпонентних сумішей парціальний тиск кожного компонента в газовійсуміші залежить не тільки від його концентрації в розчині, але й від концентрації врозчині інших компонентів, тобто є функцією великого числа змінних.Тому в подібних випадках, рівноважні залежності грунтуються на досвідченихданих.
3. Матеріальний балансі витрата абсорбенту
Рис. 2
- витрата інертного газу; - витрата абсорбенту; - початкова та кінцеваконцентрація абсорбтіва в газовій суміші, кмоль/кмоль інертного газу; - початкова та кінцеваконцентрація абсорбтіва в в поглиначі кмоль/кмоль абсорбенту.
З рівняння (5.78)зазвичай визначають: (5.79)
Рівняння (5.78) можнапредставити у вигляді:
(5.80)
Рівняння (5.80) носитьназву робочої лінії. Вона, робоча лінія, в координатах У-Х пряма з кутомнахилу, тангенс якого дорівнює. Знайдемозв'язок з розміром апарату.Задані. Необхідно знайти.
Рис. 3
Оскільки відомо, точки лежать на одній прямій. і граничні випадки. При АВрушійна сила максимальна оскільки(Див. рівняння (5.79)).При, рушійна сила мінімальна:в точці вона дорівнює нулю. Тому повинна бути більше.
(5.81)
За Разінову, можнаприйняти. Тоді по (5.80) знаходимо
4. Тепловий баланс та температураадсорбенту
Рис. 4
Якщо абсорбцію ведуть без відводу тепла або знедостатнім його відведенням, то температура підвищується внаслідок виділення теплапри поглинанні газу рідиною, що необхідно враховувати при розрахунку. Длятехнічних розрахунків можна знехтувати нагріванням гаю фази і вважати, що виділяєтьсяпри абсорбції тепло витрачається тільки на нагрів рідини.
Якщо лінія рівноваги при температурі t н надходить рідинизображує кривої Про D (рис. Х1-4), то при температурі уходящей рідинилінія равновесиям покладеться вище (крива ОС) і дійсна лініярівноваги при змінній температурі рідини зобразиться кривою АВ.
ординат У * деякої точки О ' накривої рівноваги, відповідну складом рідини X , можна знайти, якщовідома температура t при даному складі жідкості.Для цього необхідноскласти рівняння теплового балансу для частини адсорбційного апарата,розташованої вище деякого довільного перерізу з концентраціями X і У рідини і газувідповідно:
(XI, 18)
q-фференціальная теплота розчинення газу, кдж/кмоль;М ' - кількість газу, поглиненого в розглянутій частині абсорбера, кмоль/сек; L - витрата абсорбенту, кмоль/сек; із - теплоємністьрідини, КЖД/(кмольград); t - температура рідини в даному перерізі, В° С; tн - початковатемпература рідини, В° С,: М '= L (Х - Х н ), то
(XI, 19)
Переймаючись поруч довільних значень X в інтервалі міжвідомими величинами Хн і Х до , за допомогою рівняння (XI, 19) обчислюють t. За досвідченим данимизнаходять відповідні значення У * і будують лінію рівноваги (по точках Про 1 , 0 2.
5. Швидкість процесу
Швидкість фізичній абсорбції. Швидкість процесуабсорбції характеізуется рівнянням (X, 46), якщо рушійну силу виражають уконцентраціях газової фази
І рівнянням (X, 46а), якщо рушійнасила виражається в концентраціях рідкої фази
У цих рівняннях коефіцієнти масопередачі До у і До х визначаються, відповідно до рівнянь (X, 47) і (X, 48), наступним чином:
В г-коефіцієнт массоотдачи від потоку газу доповерхні контакту фаз; в ж-коефіцієнт массоотдачи від...
