3.1.2. Кинетика процесса абсорбции

Кинетика физической абсорбции.

При расчете кинетики процесса физической абсорбции обычно используют уравнение массопередачи:

(2.7.)

Для расчета количества поглощенного компонента G (кмоль) надо знать коэффициент массопередачи К_г (м/час), поверхность контакта фаз F (м²/м³), и движущую силу процесса (у – у^*), где у и у^* - фактическая и равновесная концентрация извлекаемого компонента в газе (кмоль/м³).

Коэффициент массопередачи и количество извлекаемого вещества могут быть выражены через коэффициенты массоотдачи:

(2.8.)

(2.9.)

где , - коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах соответственно,

у_р, x_р – концентрации извлекаемого компонента на границе раздела фаз, соответственно в газе и жидкости, кмоль/м³,

- константа фазового равновесия: (2.10)

Теоретический расчет коэффициентов массотдачи, основанный на решении уравнений конвективной диффузии, возможен лишь для простых случаев движения жидкости, поэтому на практике используют эмпирические данные или аппарат теории подобия. В последнем случае используют зависимость критерия Нуссельта от определяющих критериев Рейнольдса и Прандтля. В реальных массообменных аппаратах процесс проводят при высокой турбулизации фаз с целью обеспечения высокой скорости массопередачи. В общем случае перенос вещества каждой из фаз осуществляется за счет молекулярной и турбулентной диффузии, при этом скорость диффузии подчиняется первому закону Фика:

(2.11.)

где D – коэффициент молекулярной или турбулентной диффузии, м²/с,

x - расстояние, м.

В соответствии с современной теорией Нернста вблизи границы раздела фаз существует диффузионный слой, в котором происходит резкое изменение концентраций, и перенос вещества осуществляется по механизму молекулярной диффузии. В жидкостях толщина пограничного диффузионного слоя намного меньше толщины вязкого пограничного слоя. При физической абсорбции скорость диффузии в пограничном слое можно определить на основе второго закона Фика:

(2.12.)

где ω- скорость потока.

Скорость потока оказывает большое влияние на толщину пограничного слоя. Зависимость коэффициента массоотдачи от скорости соответствующей фазы обычно представляют в виде степенной функции. Показатель степени зависит от типа применяемого аппарата и гидродинамического режима и изменяется в интервале 0,3÷1. Коэффициент молекулярной диффузии влияет на коэффициент массоотдачи: ~ Dⁿ. Для жидкой фазы n равен 0,5, для газовой фазы – 0,67.

Поверхностное натяжение не влияет на коэффициенты массоотдачи в условиях ламинарного течения ждидкости. При турбулентном течении обратно пропорционально поверхностному натяжению в степени равной 1/3.При добавлении ПАВ - поверхностно-активных веществ могут наблюдаться

При изменении температуры меняются физические свойства и соответственно и . Как правило, коэффициенты массоотдачи взрастают с увеличением температуры. Т.к. константа фазового равновесия также увеличивается с повышением температуры, то температурная зависимость коэффициента массопередачи определяется главным образом температурной зависимостью .

Давление не влияет на коэффициент массоотдачи в жидкой фазе. Коэффициент молекулярной диффузии в газовой фазе, а, следовательно, и величина уменьшается с повышением давления и соответственно понижается коэффициент массопередачи.

Кинетика химической абсорбции.

При протекании в жидкой фазе химической реакции абсорбируемый компонент полностью или частично связывается в химическое соединение. Градиент концентрации у поверхности раздела фаз увеличивается. При этом повышается скорость поглощения компонента по сравнению с физической абсорбцией, сто учитывается путем введения в уравнения массоотдачи в жидкой фазе коэффициент ускорения , показывающий во сколько раз при химической абсорбции, возрастает коэффициент массоотдачи по сравнению с его величиной при физической абсорбции:

(2.13)

где - концентрации извлекаемого компонента соответственно на границе раздела фаз и в объеме жидкой фазы.

На коэффициент массотдачи оказывает прямое или косвенное влияние целый ряд гидродинамических, физико-химических и геометрических (форма насадка в колонне) факторов.

Существенное влияние на скорость химической абсорбции оказывает механизм протекания реакции (необратимая или обратимая реакция, порядок реакции). Для необратимой реакции первого порядка

(2.14)

где R - кинетический параметр, зависящий от коэффициента молекулярной диффузии извлекаемого компонента, , константы скорости реакции и др.

, (2.15)

C_В – концентрация хемосорбента в жидкой фазе, кмоль/м³,

п – стехиометрический коэффициент перед хемосорбентом в уравнении реакции.

При избытке хемосорбента = 1+ R.

На практике процесс абсорбции осуществляется в аппаратах – абсорберах или скрубберах.

Основные типы абсорберов представлены на рис.2.1.

Рис.2.1. Основные типы абсорберов:

а) полочные; б) насадочные; в) пленочные; г) полые скрубберы

1 – газ на очистку; 2 – очищенный газ; 3 – сточная вода,4 –абсорбент;