1. Абсорбционные методы очистки газов

1.1. Физическая абсорбция [2, 3, 6]

Абсорбция представляет собой процесс поглощения веществ из газовой смеси жидкостями. Физическая сущность процесса абсорбции объясняется так называемой пленочной теорией, согласно которой при соприкосновении жидких и газообразных веществ на поверхности раздела фаз образуется жидкостная и газовая пленки (рис. 10). Движущей силой абсорбции является разность парциальных давлений растворенного газа в газовой смеси и его равновесных давлений над пленкой жидкости, контактирующей с газом.

б

газ

а

массо-

отдача

газовая пленка

массо-

массо-

поверхность раздела фаз

жидкостная пленка

массо-

отдача

передача

передча

жидкость

б

Рис. 10. Схема процессов массоотдачи и массопередачи при абсорбции (а) и десорбции (б)

На практике при выражении движущей силы абсорбции в газовой фазе используют парциальные давления, а в жидкой фазе – объемные концентрации. Растворимый в жидкости компонент газовоздушной смеси за счет диффузии проникает сначала через газовую пленку, а затем сквозь жидкостную пленку или наоборот в случае более высокой концентрации его в жидкой фазе по сравнению с газовой фазой.

Рассмотрим состояние равновесия между газовой и жидкой фазами для физической абсорбции.

В состоянии равновесия между концентрациями компонента (газа) в обеих фазах устанавливается определенное соотношение, характеризуемое константой фазового равновесия m (это – коэффициент равновесия). Константа фазового равновесия m равна отношению концентраций газа в газовой фазе к его равновесной концентрации в жидкой фазе (m = у_г / у_ж*, где звездочка обозначает равновесную концентрацию в жидкой фазе).

Уравнение массоотдачи, т. е. переноса вещества к поверхности соприкосновения фаз (или от этой поверхности) можно записать в виде

W_A =  F , (65)

где W_A – количество вещества, переносимого в единицу времени; F – поверхность соприкосновения фаз;  – движущая сила (разность концентраций);  – коэффициент массоотдачи, представляющий собой количество вещества, переносимое внутри фазы в единицу времени через единицу поверхности при движущей силе, равной единице; коэффициенты массоотдачи обозначаются, как _y и _x , соответственно, для газовой (на уровне поверхности раздела фаз) и жидкой фаз.

При переносе вещества из газовой фазы к поверхности соприкосновения движущая сила равна у – у_р (рис. 11), а при переносе от поверхности соприкосновения в жидкую фазу она составляет х_р – х. Индексом р обозначены концентрации у поверхности раздела фаз.

Рис. 11. Схема процесса массопередачи между газом и жидкостью (РР – граница раздела фаз; ОС – линия равновесия)

Пусть вещество передается из газовой фазы с концентрацией у в жидкую фазу с его концентрацией х. Тогда уравнение массоотдачи для газовой и жидкостной фаз будут иметь вид:

W_A = _у F (у – у_р), (66)

W_A = _х F(х_р– х) . (67)

Исходя из условия равновесия фаз у поверхности их соприкосновения (у_р=m_р х_р и у*=m*х) и исключив у_р и х_р из этих уравнений, после преобразований получим уравнение массопередачи

W_A = К_у F (у – у*), (68)

где К_у определяется уравнением

. (69)

Движущей силой здесь является разность концентраций (у – у*). К_у называется коэффициентом массопередачи, отнесенным к концентрации газа. Величина у* – концентрация газа, равновесная с концентрацией жидкости х (у*=m*х), а m представляет собой среднее значение константы фазового равновесия:

. (70)

Приведенные соотношения справедливы и для обратного процесса – десорбции, т. е. перехода вещества из жидкости в газ. В этом случае х> х_р> х* и у<у_р<у*, а движущие силы для массоотдачи в фазах будут (у_р – у) и (х – х_р), соответственно; движущими силами для процесса массопередачи являются (у* – у) и (х – х*).

В уравнении для коэффициента массопередачи

, (71)

член 1/_у представляет собой сопротивление массопередаче, оказываемое газовой фазой, а член m/_x – сопротивление жидкой фазы. Сумма этих величин (1/К_у) есть общее сопротивление массопередаче. Доля каждого из фазовых сопротивлений в общем сопротивлении главным образом определяется величиной константы фазового равновесия m. При небольших m (хорошо растворимые газы, m= у_г/ у*_ж) член m/_x , т. е. доля сопротивления жидкой фазы, невелик, а при очень малых m сопротивлением жидкой фазы можно пренебречь, тогда коэффициент массопередачи и коэффициент массоотдачи примерно равны К_у_у. При больших m (плохорастворимые газы), наоборот, член m/_x становится большим против 1/_у, т. е. сопротивление массопередачи определяется жидкой фазой.

Разделение газов на хорошо и плохорастворимые условно. В качестве грубой прикидки можно использовать следующие условия:

при m <1 – газы хорошо растворимые (NH₃, HCl);

при m = 1–100 – умеренно растворимые (SO₂ и др.);

при m > 100 – плохорастворимые (СО₂).

В действительности поверхность контакта F, например, в скрубберах сложная, поэтому коэффициент массопередачи К определяется как объемный коэффициент К_v; К_v = аК, а – удельная поверхность контакта фаз.