7.1. Адсорбция

7.1.1. Основы процесса физической абсорбции

Так как растворение газов в жидкости процесс обратимый, то по истечении некоторого времени между средами устанавливается равновесное состояние. Концентрация компонента в газовой фазе может быть выражена через его парциальное давление. На основании уравнений Клапейрона и Дальтона мольная (объемная) доля любого компонента смеси идеальных газов

Y=p/P (63),

Где p – парциальное давление компонента газовой смеси, Па;

P – общее давление смеси газов или паров, определяемое суммой парциальных давлений всех компонентов, Па

Выраженная

(P= ). (64)

Для равновесного состояния идеального газа справедлива зависимость - закон Генри:

, (65)

где x – мольная доля компонента в жидкости;

- равновесное парциальное давление этого компонента в газовой смеси, Па;

- коэффициент Генри, зависящий от свойств газа и жидкости, а также температуры, Па.

Таблица 11. Значение коэффициента Генри для различных газов

Газ	Коэффициент •10 , Па, при различных температурах, С
	0	10	20	30	40	60	80
Азот Ацетилен Водород Воздух Диоксид углерода Кислород Метан Оксид углерода Сероводород Хлор Этан Этилен	5358.7 73.3 5865.2 4372.2 73.7 2572.7 2266.1 3559.1 27.1 27.2 1273.0 558.5	6771.6 97.3 6438.4 5558.6 105.6 3319.2 3012.6 4478.9 37.1 39.6 1919.5 778.5	8144.6 122.6 6918.3 6718.3 143.9 4052.3 3799.1 5425.3 48.9 53.6 2666.0 1031.7	9357.7 147.9 7384.8 7811.4 187.9 4812.1 4545.5 6278.4 61.7 66.9 3465.8 1282.4	10557.4 - 7611.4 8811.1 235.9 5425.3 5265.4 7051.6 75.5 79.9 4292.2 -	12116.9 - 7744.7 10197.5 345.3 6371.7 6345.1 8331.3 104.2 97.4 5718.6 -	12783.5 - 7651.4 10863.9 - 6958.3 6904.9 8571.2 137.3 97.3 6691.7 -

Закон Генри справедлив для слабоконцентрированных растворов и нарушается в случае высококонцентрированных растворов, а также при наличии между поглощающей жидкостью и поглощаемым газом химического взаимодействия.

Растворимость газа в жидкости повышается с увеличением парциального давления газового компонента и понижается с увеличением температуры.

Уравнение материального баланса выражает закон сохранения массы в процессе абсорбции и для случая противотока газа и жидкости имеет вид:

(66),

где и - массовые расходы газовой смеси и жидкого абсорбента, кг/c;

и - концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси соответственно на входе и выходе из абсорбера, кг/кг;

и - концентрация поглощаемого компонента поглощающей жидкости соответственно га входе и выходе из абсорбера, кг/кг.

Физический смысл уравнения заключается в том, что убыль массы в газовой фазе равна приращению массы в жидкой фазе.

Удельный расход абсорбента определяется из уравнения материального баланса абсорбера

M= (67).

Вторым основным уравнением, необходимым для расчета процесса абсорбции, является уравнение массопередачи

(68),

где M – масса поглощенного компонента, кг/с;

F – поверхность, через которую идет абсорбция, м ;

- коэффициент массопередачи, кг/м ;

- средняя движущая сила процесса абсорбции, зависящая от степени отклонения системы от равновесного состояния, определяемая по формуле

(69),

Здесь - движущая сила на входе в абсорбер, кг/кг;

- движущая сила на выходе из абсорбера, кг/кг;

и - концентрация улавливаемого компонента в газе при равновесном состоянии соответственно на входе в абсорбер и выходе из него кг/кг.

Движущую силу процесса часто выражают через разность парциальных давлений

(70),

Где p – фактическое парциальное давление поглощаемого компонента в газе, Па;

- парциальное давление в условиях равновесного состояния, Па.

Коэффициент абсорбции (массопередачи ) можно определить из выражения

(71),

Где m – тангенс угла наклона линии равновесия.

Процесс абсорбции для хорошо растворимых газов в основном определяется сопротивлением газовой пленки, т.е. .

Для плохорастворимых газов процнсс абсорбции определяется сопротивлением жидкосткой пленки, т. е.

Коэффициент абсорбции ( массопередачи ) зависит от свойств газа и жидкости, конструкции аппарата, скорости движения сред, температуры. Для его определения имеется ряд эмпирических формул, одна из которых для насадочного абсорбера и хорошо растворимого газа имеет следующий вид, кг/(м ·ч·Па):

(72),

Где - молекулярная масса поглощаемого компонента;

- скорость газа в свободном сечении насадки, см/с;

T – абсолютная температура газа, К;

- эквивалентный диаметр насадки

- удельная поверхность насадки, м /м .

Таблица 12 Характеристики некоторых насадок

Насадка	Удельная поверхность , м /м	Свободный объем , м /м	Удельная масса, кг/м	Средний коэффи циент сопротивления	Эквива-лентный диаметр , мм
Кварц: 25 мм 75 мм	120 42	0.32 0.46	1600 1380	- 80	10.5 44
Кокс кусковой: 25 мм 75 мм	120 42	0.53 0.58	600 550	240-300 35	18 55
Кольца керамические навалом, мм: 25x25x3 50x50x5	260 90	0.75 0.78	530 530	500-600 130-140	15 35
Кольца керамические уложенные, мм: 50x50x5 100x100x100	110 60	0.73 0.72	650 650	10-12 1.0	27 48

Коэффициент абсорбции возрастает при увеличении скорости газа. Но при скорости газа, равной w=5…10 м/с, достигается равновесие между силой тяжести, под действием которой движется пленка, и силой трения у поверхности пленки, тормозящей её движение. Это приводит к “захлебыванию” аппарата, которое сопровождается накоплением жидкости в аппарате, её выбросом и резким возрастанием гидравлического сопротивления.

Необходимую поверхность контакта между газом и жидкостью, которую надо создать в аппарате для достаточно полного поглощения газообразного компонента определяют по формуле

(73),

Для уменьшения размеров аппарата следует стремиться к получению возможно больших значений и . В абсорберах разной конструкции создание поверхности контакта осуществляется по-разному.

Десорбцию осуществляют отгонкой в токе инертного газа, подводом тепла к абсорбенту, снижением давления газа над абсорбентом.