2. Абсорбция
Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями – адсорбентами.
При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.
Физическая абсорбция обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция.
Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель (абсорбент) и выделять поглощенный компонент в чистом виде.
Примерами использования процессов абсорбции в химической технологии и технике могут быть разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получение соляной кислоты, аммиачной воды, очистка отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживание газовых выбросов и т. п.
2.1. Равновесие при абсорбции
При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой смеси.
В случае растворения в жидкости бинарной газовой смеси взаимодействуют две фазы (Ф = 2), число компонентов равно трем ( =3) и, согласно правилу фаз Гиббса
,
число степеней свободы системы равно трем (С=3). То есть для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянном давлении и температуре зависимость между концентрациями газа и жидкости однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:
или
,
(2.1)
где Е – коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри.
Коэффициент Е зависит от природы растворяющегося вещества и температуры:
,
(2.2)
где
– дифференциальная теплота растворения
газа;
– постоянная, зависящая от природы газа
и растворителя, определяемая опытным
путем.
Из равенств (2.1) и (2.2) следует, что с ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается.
Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону Дальтона, парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси:
или
.
Сопоставляя последнее равенство с (2.1), получим
или
.
(2.3)
В общем случае
константа фазового равновесия
зависит от общего давления
,
температуры и концентрации распределяемого
компонента в жидкости
:
.
Эта функция для некоторых систем может
быть вычислена, но в большинстве случаев
ее находят опытным путем.
Уравнение (2.3) выражает зависимость между равновесными концентрациями распределяемого газа в газовой и жидкой фазах. Анализ и расчет процесса абсорбции удобнее всего проводить, выражая концентрации распределяемого компонента в относительных единицах, т. к. в этом случае расчетные значения потоков газовой и жидкой фаз постоянны.
Уравнение равновесия, выраженное через относительные мольные доли
;
;
;
,
можно переписать следующим образом:
.
При незначительных
концентрациях
величина
<<1, и уравнение приобретает более
простой вид:
.
К факторам, улучшающим растворимость газов в жидкостях, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, – пониженное давление, повышенная температура и прибавление к абсорбенту добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.
Закон Генри справедлив для смесей газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов, т. е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся закону, коэффициент в уравнении равновесия является величиной переменной, и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.
При повышенных давлениях (десятки атмосфер и выше) равновесие не следует закону Генри, т. к. изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема газа. При этих условиях константа фазового равновесия определяется следующим образом:
,
где
– фугитивность (летучесть) поглощаемого
газа, выраженная в единицах давления.
Для бинарных растворов фугитивность может быть определена по уравнению
,
где А – постоянная, значение которой можно найти в справочной литературе.
В случае абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости значительно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно в тех случаях, когда раствор значительно отличается от идеального. При этом парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т. е. является функцией большого числа переменных.