4.3 Кинетика абсорбции

Перенос вещества внутри фазы происходит путем молекулярной, конвективной и турбулентной диффузии. В неподвижной среде перенос происходит только путем молекулярной диффузии. В газовых фазах коэффициент молекулярной диффузии на четыре порядка выше, чем в жидких средах. Конвективная диффузия определяется скоростью перемещения потока. При турбулентном движении перенос вещества в направлении, перпендикулярном основному потоку, происходит за счет перемещения макроскопических элементов жидкостей (вихрей), которое в свою очередь вызывается турбулентными пульсациями. Перенос вещества движущимися частицами среды, участвующими в турбулентных пульсациях, и называется турбулентной диффузией.

П

Рис. 4.2. Распределение концен- траций в фазах по пленоч- ной модели

еренос вещества от границы раздела фаз вглубь какой-либо фазы анализируют на основе уравнений гидродинамики и конвективной диффузии. Рассмотрим распределение концентраций в фазах с учетом диффузии в направлении, перпендикулярном направлению движения среды (рис. 4.2) на основе широко принятой пленочной модели. Согласно этой модели с обеих сторон от поверхности соприкосновения фаз образуются неподвижные или ламинарно движущиеся слои (пленки), отделяющие поверхности соприкосновения фаз от ядер потоков соответствующих фаз.

Согласно пленочной модели в ядре потока концентрация постоянна и изменение ее происходит только в пленке, через которую передача вещества к поверхности соприкосновения (или наоборот) происходит путем молекулярной диффузии через слой носителя. Уравнение конвективной диффузии принимает вид:

, (4.25)

где С – концентрация компонента у границы раздела фаз; D – коэффициент диффузии; z - толщина пленки в направлении движения компонента.

При ограниченной толщине пленки коэффициент массоотдачи прямо пропорционален коэффициенту диффузии и обратно пропорционален толщине пленки, которая определяется гидродинамическими условиями, Чем больше турбулентность системы, тем тоньше пленка и, соответственно, выше коэффициент массоотдачи. Пленочная модель исходит из упрощенных представлений о процессе массопередачи. Она, например, не учитывает влияния движения фазы вблизи поверхности раздела на перенос вещества. И поэтому не позволяет получать количественных зависимостей.

Согласно модели пограничного диффузного слоя, вдали от поверхности раздела фаз концентрация компонента постоянна, а вблизи поверхности контакта существует область (или вязкий пограничный слой), в которой происходит затухание турбулентных пульсаций по мере приближения к поверхности. Коэффициент турбулентной диффузии у самой поверхности становится равным нулю, но в большей части вязкого слоя большее количество вещества переносится именно за счет турбулентных пульсаций. Пограничный диффузный слой не имеет четко выраженной границы. Характер изменения концентрации в слое согласно данной модели показан пунктиром на рис.4.2.

По модели обновления поверхности (пенетрационной модели) предполагается, что турбулентные пульсации постоянно подводят к поверхности раздела фаз свежую жидкость и смывают порции жидкости, уже прореагировавшие с газом. Каждый элемент поверхности взаимодействует с газом в течение некоторого времени  (продолжительность контакта или период обновления), после чего этот элемент обновляется. При этом принимают, что за время  растворение газа происходит путем нестационарной диффузии с такой же скоростью, что и при диффузии в неподвижном слое бесконечной глубины. Это соответствует очень небольшим временам контакта, когда глубина проникновения газа в жидкость мала сравнительно с толщиной слоя жидкости.

По модели обновления профиль концентраций изменяется не только в зависимости от расстояния от границы раздела фаз, но и от времени (рис. 4.3).

В предположении, что у поверхности раздела сразу устанавливается постоянное значение равновесной концентрации, выражение для мгновенной скорости абсорбции имеет вид:

(4.26)

где W – количество поглощенного компонента на единице поверхности за время .

М

Рис. 4.3. Распределение кон- центраций в фазах по модели обновления: про- должительность контакта ₁<₂<₃

гновенная скорость абсорбции уменьшается с увеличением времени. По модели обновления время контакта фаз имеет реальный смысл, тогда как толщина пленки является величиной фиктивной. Время контакта фаз зависит от типа абсорбера. В барботажных абсорберах время контакта, по порядку величины, приравнивают времени прохождения пузырьком расстояния, равного его диаметру. В насадочных абсорберах время контакта приравнивают к времени, которое требуется для прохождения жидкостью расстояния, равного высоте элемента насадки.

Ни одну из известный моделей кинетики абсорбции и механизма переноса вещества нельзя считать достаточно полной, поэтому до сих пор основой для определения коэффициентов массоотдачи остается опыт. При обработке опытных данных широко применяется теория подобия.

На скорость массопередачи при абсорбции оказывают влияние различные факторы: гидродинамические, геометрические и физико-химические. Температура оказывает влияние через изменение физических свойств, в том числе из-за роста коэффициентов диффузии при повышении температуры. Вместе с тем при повышении температуры уменьшается растворимость газов, что может оказать отрицательное влияние на кинетику процесса. При увеличении концентрации компонента в газовой фазе коэффициент массоотдачи в газе должен возрастать, стремясь к бесконечности при поглощении чистого компонента, одновременно будет уменьшаться сопротивление процессу со стороны газовой фазы. При поглощении чистого компонента сопротивление процессу со стороны газовой фазы приближается к нулю и все сопротивление массоотдачи определяется сопротивлением жидкой фазы.

Перенос вещества в жидкой фазе непосредственно у свободной поверхности (на границе раздела фаз) связан с поверхностным натяжением и состоянием поверхности. При этом возможно как замедление (поверхностное сопротивление), так и ускорение (поверхностная турбулентность) абсорбции. Закономерности перечисленных явлений подробно рассматриваются в специальной литературе.