2.2. Физическая абсорбция
При физической абсорбции взаимодействие молекул в растворе обуславливается силами Ван-дер-Ваальса. В качестве абсорбентов обычно применяют воду, органические растворители (неэлектролиты), не реагирующие с газами и их водными растворами.
Кинетика физической абсорбции изучена относительно хорошо особенно при больших концентрациях извлекаемого компонента. Скорость абсорбции лимитируется диффузией в жидкой фазе. При тонкой очистке, то есть при малой концентрации примеси, независимо от механизма абсорбции скорость ее лимитируется диффузией примесей в газовой фазе.
Повышение температуры и понижение давления способствует обратному процессу – выделению поглощенного компонента из растворителя – десорбции. Десорбция позволяет осуществлять регенерацию абсорбента. Использованный раствор снова направляют на очистку газов, осуществляемая, в итоге, в замкнутом цикле.
В основе процесса абсорбции лежит диффузия газов в жидкость. Протекание диффузионных процессов обуславливается наличием в системе двух фаз и возможностью перехода вещества из одной в другую, то есть сопровождается массопередачей. В изолированной замкнутой системе, состоящей из двух и более числа фаз, процесс адсорбции возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между фазами (при данных условиях температуры и давления) не установится подвижное равновесие, при котором в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул, сколько и обратно.
Из термодинамики известно, что любой процесс, самопроизвольно протекающий в замкнутой изолированной системе, характеризуется фактором интенсивности данного вида энергии. При этом числовые значения фактора интенсивности в разных частях системы не равны. Процесс протекает в направлении от части системы с большим фактором интенсивности к части с меньшим фактором интенсивности, и, система приходит в состояние подвижного равновесия, когда все части ее имеют одинаковый фактор интенсивности.
В процессах массообмена между фазами, в частности, в абсорбционных процессах, характеристикой фактора интенсивности и движущей силой является разность парциальных давлений или концентраций компонента, удаляемого из газа.
Основное уравнение процесса адсорбции, как частного случая процессов массопередачи, имеет вид
М = К Р F , |
(2.1) |
где М – количество вещества, перешедшего из газовой фазы в жидкую, кг или м3; F – поверхность раздела фаз, м2; р – движущая сила процесса, равная разности между фактическими парциальными давлениями или концентрацией извлекаемого компонента в газовой фазе Р = f(С) и равновесным значением того же параметра при данных условиях Рравн = f(Сравн) над жидким раствором; – время, ч; К – коэффициент массопередачи, в данном случае называемый коэффициентом абсорбции, кг/ч м2, а Р = Р – Рравн.
Количество абсорбированного компонента находят из расхода газовой смеси V м3/ч и изменения концентрации в ней извлекаемого компонента до и после абсорбции С1 и С2, соответственно.
М = V (С1 – С2), (м3) |
(2.2) |
или с учетом плотности компонента :
М = V (С1 – С2) , (кг). |
(2.3) |
Коэффициент абсорбции может быть найден из уравнения (2.1)
|
(2.4) |
.
Коэффициент абсорбции представляет собой количество газового компонента, поглощенное в течении 1 ч на поверхности раздела фаз, равной 1, при единичной движущей силе Рср.
Величина Рср меняется по высоте аппарата (абсорбера) и может быть найдена как среднее арифметическое на входе газа в аппарат (Рвход) и на выходе (Рвыход), когда отношение Рвход /Рвыход 2. Или в общем случае Рср вычисляется как средняя логарифмическая величина
|
(2.6) |
,
где Рвход = Рвход – Рравн. на вход; Рвыход = Рвыход + Рравн. на выходе; Рвход – парциальное давление удаляемого компонента в газе до абсорбции; Рвыход – парциальное давление удаляемого компонента в газе после абсорбции; Рравн. на входе – равновесное парциальное давление удаляемого компонента над раствором до абсорбции; Рравн. на ввходе – равновесное парциальное давление удаляемого компонента над раствором после абсорбции.
Равновесие системы газ-жидкость подчиняется закону Генри, согласно которому равновесное парциальное давление компонента в газовой фазе пропорционально его мольной концентрации в растворе
Рравн = x, |
(2.7) |
где х – мольная доля извлекаемого компонента в жидкой фазе; – коэффициент растворимости газа, величина которого определяется природой абсорбента или абсорбируемого вещества.
Закону Генри подчиняются системы, в которых отсутствует химическое взаимодействие между компонентами газовой и жидкой фаз.
Скорость процесса абсорбции выражается соотношением
|
(2.8) |
Поэтому важнейшим фактором, определяющим скорость абсорбции является коэффициент абсорбции К.
В случае хорошей растворимости газа в жидкости для интенсификации процесса целесообразно турбулизовать газовую фазу, то есть пропускать газ в виде мелких пузырьков через слой жидкости (барбатаж)
Если газ плохо растворим в жидкости, то для интенсификации процесса газ пропускают через пространство с мелкоразбрызгиваемой жидкостью (механические скруберы). При средней растворимости компонента целесообразно пропускать газ через колонку с насадкой (скрубер), которая орошается жидкостью, покрывающей насадку в виде тонкой пленки. При этом обеспечивается хорошее перемешивание обеих фаз.
Из основного уравнения (2.1) следует, что количество абсорбированного вещества прямо пропорционально поверхности контакта фаз (F). Поэтому абсорбционная аппаратура должна иметь развитую поверхность соприкосновения жидкости и газа.
Очистка газа проводится в аппаратах, называемых абсорберами. Особенно широкое распространение имеют аппараты, представляющие собой колонны насадочного или тарельчатого типа. Газ и жидкость подаются противотоком. Жидкость орошает насадку абсорбера или стекает с одной тарелки на другую, обеспечивая большую поверхность контакта между газом и поглотителем.
Регенерацию растворов проводят в отгоночных колоннах-десорберах насадочного или тарельчатого типа, имеющих в нижней части подогреватель-кипятильник. Кипятильник служит для получения из водного раствора водяного пара, которым и производится отгон газов из насыщенного раствора.
Применяемые абсорбенты должны удовлетворять следующим требованиям:
обладать высокой сорбционной способностью по отношению к абсорбируемому газу;
легко выделять его при регенерации;
иметь низкую упругость пара;
быть достаточно избирательным при поглощении одного из компонентов газа по сравнением с другими;
обладать стойкостью по отношению к химически активным компонентам газа (например, кислороду);
не коррозировать аппаратуру;
быть доступным для промышленного использования.