Процессы и аппараты пищевых производств.
22.Абсорбация. Физические основы процесса. Материльный баланс при абсорбации и рабочая линия процессов абсорб.Аппаратов
Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров (абсорбтивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями — абсорбентами. Этот процесс является избирательным и обратимым, что позволяет применить его с целью получения растворов газов в жидкостях, а также для разделения газовых или паровых смесей.
После абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси, как правило, проводят десорбцию, т. е. выделение этих компонентов из жидкости. Таким образом осуществляют разделение газовой смеси.
Имеют место физическая абсорбция и хемосорбция. При физической абсорбции при растворении газа не происходит химической реакции. При хемосорбция абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.
Процессы абсорбции в технике применяют для разделения углеводородных газов и получения соляной и сернистой кислот, аммиачной воды, очистки отводящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов.
Аппаратурно-технологическое оформление абсорбции несложно, поэтому процессы абсорбции широко используют в технике.
Аппараты для проведения процессов абсорбции называются абсорберами.
13.2. Физические основы абсорбции
При взаимодействии газа с жидкостью возникает система, состоящая из двух фаз (Ф=2) и трех компонентов — распределяемого вещества и двух веществ носителей (К=3).
Согласно правилу фаз такая система имеет три степени свободы
.
Тремя основными параметрами, определяющими фазовое равновесие в системе, являются давление, температура и концентрация.
В
этом случае можно произвольно изменять
общее давление
,
температуру
и концентрацию
распределяемого вещества в одной из
фаз. При постоянных температуре и
давлении, что имеет место в процессах
абсорбции, каждой концентрации
распределяемого вещества в одной фазе
соответствует строго определенная
концентрация в другой.
В
условиях равновесия при
зависимость между равновесными
концентрациями выражается законом
Генри,
который гласит: при данной температуре
мольная доля газа в растворе прямо
пропорциональна парциальному давлению
газа над раствором:
,
(13.1)
или
,
где: - парциальное давление газа, равновесное с раствором, имеющим концентрацию х, доли моля; Е — константа Генри.
Константа Генри зависит от природы растворяющегося вещества (абсорбтива), абсорбента и температуры:
,
(13.2)
где: q – теплота растворения газа, кДж/кмоль; R =8,325 кДж/(кмоль*К) – универсальная газовая постоянная: Т – абсолютная температура растворения, К; С – постоянная, зависящая от природы газа и жидкости и определяемая опытным путём.
Из равенства (13.2) видно, что с ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается. Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону Дальтона парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.
и
,
(13.3)
где:
Р — общее давление газовой смеси;
- концентрация распределяемого вещества
в смеси, доли моля.
Сопоставляя уравнения (13.3) и (13.1), найдем
или,
обозначая константу фазового равновесия
через
,
получим
у=mx (13.4)
Уравнение(13.4) показывает, что зависимость между равновесными концентрациями распределяемого компонента в газовой смеси и в жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат, тангенс угла наклона которой равен . Тангенс угла наклона зависит от температуры и давления. С увеличением давления и уменьшением температуры растворимость газа в жидкости увеличивается ( снижается) (рис. 13.1). Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый из газовых компонентов смеси.
Рис.13.1. Зависимость между растворимостью газов в жидкости и парциальным его давлением над раствором при различных температурах (t1>t2>t3)
Процессы абсорбции можно рассчитывать в относительных мольных концентрациях. В этом случае при малой концентрации газа х в жидкости закон Генри записывается так:
Отметим, что закону Генри подчиняются сильно разбавленные растворы, а также растворы при небольших давлениях, которые по своим свойствам приближаются к идеальным. Для концентрированных растворов и больших давлений зависимость между равновесными концентрациями выражается кривой линией, вид которой определяют экспериментально