5 Понятие о процессе абсорбции. Схема и материальных потоков в абсорбере. Материальный и тепловой баланс абсорбера

Абсорбцией называется процесс поглощения газа жидким поглотителем. Этот процесс является избирательным и обратимым.

В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой формы в жидкую.

Примерами использования процесса абсорбции в технике могут служить разделение углеводородных газов на газобензиновых заводах, осушка газа, очистка газа, очистка газа от H2S и CO2, очистка отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов и другие.

Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз и зависит от состава одной из фаз, температуры, давления и термодинамических свойств компонента и поглотителя.

В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системах газ-жидкость, обычно используется закон Генри (растворимость газа прямо пропорциональна давлению) Рассмотрим схему работы абсорбера-аппарата, предназначенного для осуществления этого процесса и представляющего собой вертикальный цилиндрический сосуд с тарелками или насадкой, обеспечивающими контакт между газом и жидкостью – абсорбентом (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема материальных потоков в абсорбере

Газ, содержащий углеводороды, подлежащие извлечению, подается вниз абсорбера, а абсорбент поступает наверх. По мере движения газа вверх уменьшается содержание в нем извлекаемых углеводородов вследствие растворения в абсорбенте, количество которого соответственно увеличивается.

Материальный баланс абсорбера

Составим материальный баланс абсорбера по извлекаемому компоненту. Материальный баланс абсорбции в общем виде выражается, уравнением (1)

или (2)

где V – количество сухого газа, моли;

L – количество тощего абсорбента; моли;

• – относительная концентрация извлекаемого углеводорода в сыром газе, моль/моль сухого газа;

- относительная концентрация извлекаемого углеводорода в сухом газе моль/моль сухого газа;

• - относительная концентрация извлекаемого углеводорода в насыщенном абсорбенте, моль/моль тощего абсорбента;

• - относительная концентрация извлекаемого углеводорода в тощем абсорбенте, моль/моль тощего абсорбента.

Отношение показывает наклон прямой линии, называемой рабочей линией абсорбции, координаты двух точек которой 1и 2 () определяются заданием на проектирование и предварительным расчетом.

Для осуществления процесса абсорбции необходимо, чтобы концентрация извлекаемых компонентов в жидкости была ниже равновесной, поэтому рабочая линия располагается выше кривой равновесия (рисунок 2). Определение числа тарелок в абсорбере графическим путем производится по методике, рассмотренной нами в лекции по «Массопередаче».

Рисунок 2 – Равновесная и рабочая линии процесса абсорбции

Расчет абсорбера аналитическим методом применительно к тощим газам впервые разработан Кремсером.

Для упрощения вывода расчетной формулы приняты следующие допущения: 1) содержание извлекаемых компонентов в тощем абсорбенте равно нулю; 2) концентрация компонентов рассчитывается как отношение числа молей данного углеводорода к числу молей сухого газа или тощего абсорбента; 3) процесс абсорбции изотермичен; 4) количество газа и абсорбента по высоте абсорбера неизменно.

Составим уравнение материального баланса первой тарелки абсорбера: (3)

где l – количество извлекаемого углеводорода в абсорбенте, моли;

υ - количество извлекаемого углеводорода в газе, моли.

Из уравнения равновесия следует, что (4)

где (5)

(6)

где – относительная концентрация извлекаемого компонента, моль/моль тощего абсорбента;

–относительная концентрация извлекаемого компонента, моль/моль сухого газа;

k – коэффициент массопередачи;

V – количество сухого газа, моли;

L – количество тощего абсорбента, моли.

Тогда, подставив значениеив уравнении (4), получим(7)

или, заменив l₁ его значением из уравнения (3), получим (8)

Из уравнения (8) найдем значение υ₂ (9)

Обозначим - (10) – это выражение называется фактором абсорбции.

Подставив это значение в предыдущее уравнение (9), получим уравнение материального баланса первой тарелки. (11)

Составим уравнение материального баланса двух верхних тарелок: (12)

Для второй тарелки, по аналогии с первой из уравнения равновесия можно записать(13)

или, подставив значение l₂ из уравнения равновесия можно записать(14)

Из уравнения (14) находим значение υ₃. После соответствующих преобразований (15)

Заменив υ₂ его значение из уравнения (11), получим уравнение материального баланса двух тарелок (16)

Аналогичным образом составим уравнение материального баланса трех тарелок(17)

Для абсорбера, содержащего «n» тарелок, уравнение материального баланса будет иметь следующий вид: (18)

или (19)

- уравнение материального баланса абсорбера с «n» тарелками.Обозначим (20)

- коэффициент извлечения

Выразим коэффициент извлечения через коэффициент абсорбции. (21)

После подстановки в уравнение (19) получаем (22)

или (23)

окончательно (24) - уравнение, связывающее коэффициент извлечения с коэффициентом абсорбции

Для расчета абсорбции жирных газов Хартоном и Франклином предложен более точный метод, учитывающий изменение абсорбционного фактора на каждой тарелке для всех компонентов, а также наличие извлекаемых компонентов в тощем абсорбенте.

Количество тощего абсорбента определяется по уравнению (25)

В процессе абсорбции в абсорбенте в различном количестве растворяются все углеводороды, входящие в состав перерабатываемого газа, поэтому для каждого компонента можно написать(26)

Для двух компонентов это можно выразить уравнением(27)

отсюда (28)

Эффективность процесса абсорбции углеводородных газов зависит от давления, температуры, числа тарелок, количества и качества абсорбента.

Повышение давления способствует поглощению целевых компонентов, однако это происходит до известного предела, характеризуемого перегибом на кривых констант равновесия. При абсорбции происходит нагревание абсорбента за счет выделения теплоты растворения, равной теплоте конденсации поглощаемых углеводородов при давлении в абсорбере.

При расчете процесса абсорбции задаются средней температурой в абсорбере, которая потом проверяется путем составления теплового баланса.

Принимаем, что температуры уходящего сухого газа и входящего тощего абсорбента одинаковы.

Составим уравнение теплового баланса (см. рисунок 1). (29)

Определив теплосодержание насыщенного абсорбента находим значение конечной температуры его t3 и проверяем среднюю температуру в абсорбере по формуле (30)

Если tср отличается от заданной температуры, то следует провести перерасчет.

Для отвода теплоты растворения на некоторых установках применяется промежуточное охлаждение абсорбента в одном или нескольких сечениях абсорбера. Охлаждающим агентом служит холодная вода, пропан или аммиак. Промежуточное охлаждение позволяет повысить извлечение целевых углеводородов при заданном количестве циркулирующего абсорбента. Кроме того, охлаждение дает возможность применять более легкий абсорбент, поглотительная способность которого выше, чем тяжелого, что также способствует более глубокое извлечение целевых углеводородов.

Обычно в качестве абсорбента применяют керосин, парафинового или нафтенового основания с молекулярным весом 190-200, выкипающий в пределах 180-300 ºС, а иногда более легкую керосиновую фракцию с молекулярным весом 150, выкипающего в пределах 150-280 ºС.

Охлаждение газа и абсорбента позволяет использовать абсорбент с молекулярным весом даже ниже 150.

Практически количество тарелок в абсорберах колеблется от 20 до 40. Обычно устанавливают 30 тарелок.