50. Высота и число единиц переноса.

В случаях, когда пов-ть контакта фаз постоянно деформируется, ее размер установить почти нельзя, использовать основное ур-е массопередачи трудно

В этом случае

- удельная пов-ть насадки аппарата, (м²/м³),

S – площадь поперечного сечения аппарата,

H – высота контактной зоны аппарата.

=

или согласно мат балансу по распределяемому компоненту M=G(Yн-Yк) получим

- модифицированное ур-е массопередачи.

=hоу- участок по высоте аппарата, соответствующей 1 единице переноса(ВЕП).

=nоу- число единиц переноса (ЧЕП).

аналогично для жидкой фазы.

=hох =nох

ВЕП имеет смысл величины обратной массопередаче, ЧЕП – обратной силе процесса.

61.Абсорбция и десорбция. Характеристика процессов

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбат) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбат образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощённый компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не надо , так как абсорбент и абсорбат представляют собой дешёвые или отбросные продукты , которые после абсорбции можно вновь не использовать (например ,при очистке газов).

В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НСl с получением соляной кислоты ; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция NH₃, т.п.). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от примесей (например, очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т.д.).

62.Фазовое равновесие при абсорбции. Закон Генри.

При взаимодействии какого-либо газа с жидкостью возникает система, состоящая как минимум из трех компонентов (распреде­ляемое вещество и два распределяющих вещества или носителя) и двух фаз-жидкой и газовой. Такая система по правилу фаз имеет три степени свободы (С = К — Ф + 2 = 3 — 2 + 2 = 3).

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси). Для данной системы газ-жидкость эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление р_А растворённого газа пропорционально его мольной доле х_А в растворе р*_А=Ех_А

или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью х*_А=(1/Е)р_А

где р*_А – парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х_А (в мол. долях); х*_А – концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесной с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно р_А; Е – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом , или константой Генри.

Если y_A – мол.доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р – общее давление в системе, то парциальное давление р_А, по закону Дальтона , можно выразить зависимостью р_А=Ру

Подставив значение р_А в первое уравнение, получим у*_А=(Е/Р)*х_А

или закон Генри может быть представлен в форме у*_А=mx

где m=Е/Р – коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Закон Генри показывает, что зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен m. Числовые значения величины m зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри применим к растворам газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, 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 этому закону, коэффициент m в уравнении является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение закона Генри применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.

При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объёма жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объёма данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом: m=E/f₀

где f₀ – фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.

Для бинарных растворов величина f₀ может быть найдена следующим образом:

n(f₀/x)=lnE–[A/(RT)][1–(1-x)²] , где А – постоянная.

При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри: Y*=(mX)/[1+(1-m)X]

Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации X газа в жидкости) можно принять (1 – m)X≈0. Тогда знаменатель уравнения обращается в единицу и уравнение принимает вид: Y*=mX

При таком выражении закон Генри изображается прямой линией.

В случае абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости значительно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно 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. Поэтому, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных.

В приведенных зависимостях не учитывалось влияние давления паров поглотителя на равновесие, что допустимо, если это давление мало по сравнению с парциальным давлением абсорбируемого газа. Если же давление паров поглотителя велико, то его влияние на равновесие при абсорбции учитывают следующим образом.

Согласно закону Рауля, парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную доля в растворе, т.е. для поглотителя: р_П=Р_П(1-х)=Р_Пх_П

Парциальное давление абсорбента в равновесной газовой фазе р_П равно:р_П=Ру_П

Из уравнений получим: у_П=[P_П(1-x)]/Р=(Р_Пх_П)/Р

В этом случае концентрация абсорбируемого газа в газовой фазе по отношению к концентрации инертного газа составляет:Y=y/(1-y-y_П)

При таком выражении концентрации в качестве общего давления принимается разность Р-р_П.

63.Материальный баланс. Рабочая линия абсорбера.

Определение минимального и оптимального расхода абсорбента

Материальный баланс и расход абсорбета. Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных концинтрациях. Обозначим: G—расходинертного газа,Y_н и Yк —начальная и конечная абсорбтива в газовой смеси,инертного газа; L — расход абсорбента его концентрации Х_н Хк. абсорбента. Тогда уравнение материального баланса будет:

G(Y_н-Y_к)=L(X_к-X_н)

Отсюда общий расход абсорбент:

а его удельный расход (кмоль/кмоль инертного газа) Это уравнение можно переписать так:

Уравнение показывает, что изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и следовательно, в координатах У — Х рабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен .

Между удельным расходом абсорбента и размерами аппарата, например, показанного на рис. Х1-2. существует определенная связь. Через точку В с координатами Х_н У_н, (рис. Х1-2) проведем, согласно уравнению. рабочие линии ВА,ВА_1,ВА₂,ВА₃ отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным удельным его расходам, при этом точки А, А_1, А₂, А₃ будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Y_н газа в смеси. В случае растворов небольшой концентрации для любого значения X и выбранной величины l движущая сила процесса выражается разностью ординат Y—Y*, изображенных вертикальными отрезками, соединяем соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия. Для всего аппарата можно принять среднее значение ∆Y_ср,_Р. величина которого, например для рабочей линии ВА₁,. изображена на рисунке отрезком ∆Y_ср1. Величина ∆Y_ср будет тем больше, чем круче наклон рабочих линий и следовательно, чем больше удельный расход абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадаете с вертикалью, то движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако удельный расход абсорбента l при этом будет бесконечно большим (так как Х_к =Х_н). Если же линия рабочих концентраций ВА касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (l=l_min), а движущая сила в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке рабочая концентрация равна равновесной. В первом случае размеры абсорбционного аппарата будут наименьшими при бесконечно большом расходе абсорбента, во второй — расход абсорбента наименьший при бесконечно больших размерах аппарата. Таким образом, оба случая являются предельными и практически неосуществимыми.

В реальном абсорбционном аппарате равновесие между фазами не достигается и всегда Х_к <Х_к^* где Х_к^*; — концентрация поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с поступающим газом. Отсюда следует, что величина l всегда должка быть больше минимального значении l_min отвечающего предельному положению рабочей линии.

Н еобходимо отметить увеличение удельного расхода l адсорбента одновременно со снижением высоты аппарата приводит к определенному увеличению его диаметра. Это объясняется тем, что с увеличением l возрастал также расход поглотителя, а при этом, как показано ниже, снижаются допустимые скорости гам в аппарате, по которым находятся диаметр. Вот почему в тех случаях, когда удельный расход абсорбента не задан технологически ми условиями, т. е. когда не задана конечная концентрация Х_к абсорбента, следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбционного аппарата и удельным расходом l абсорбента, при котором величина l и размеры аппарата будут оптимальными