4.4. Абсорбция
Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).
При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив 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 поглощенный компонент в чистом виде.
В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей и для очистки этих смесей от вредных примесей перед их выбросом в атмосферу.
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).
В состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы для идеальных газов однозначна и выражается законом Генри - парциальное давление РА растворенного газа пропорционально его мольной доле ХА в растворе:
или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью
,
где Р*А - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию ХА (в мол. долях);
Х*А - концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно РА;
Е - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри.
Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы поглотителя и газа и от температуры, но не зависят от общего давления в системе. Значения Е увеличивается с увеличением температуры, поэтому процессы абсорбции часто проводят при возможно низких температурах.
Парциальное давление Р*А, согласно закона Дальтона равно:
,
где У*А – мольная доля А в газовой смеси, равновесной с жидкой фазой;
Р - общее давление в системе
и
тогда
Отношение Е/Р = m называется коэффициентом распределения или константой фазового равновесия.
При сильном разбавлении любой раствор приближается к идеальному, поэтому закон Генри применим только в области разбавленных растворов и на практике применяется для описания процесса абсорбции плохо растворимых газов. Для хорошо растворимых газов этот закон применим только при относительно низких концентрациях. При более высоких концентрациях растворимость газов обычно ниже, чем следует из закона Генри.
Примером хорошо растворимых газов являются аммиак NH3, фтористый водород HF, хлористый водород HCl; умеренно растворимых – диоксид серы SO2, хлор Cl2; плохо растворимых – кислород, азот, углекислый газ.
При химическом взаимодействии растворяемого газа с жидким абсорбентов процесс абсорбции называется хемосорбцией. При хемосорбции концентрация абсорбируемого компонент в жидкой фазе быстро уменьшается за счет образования нового химического соединения, что приводит к соответствующему увеличению движущей силы и интенсификации процесса абсорбции. В результате скорость процесса химической абсорбции зависит не только от скорости массообмена, но и от скорости химической реакции взаимодействия поглощаемого компонента и абсорбента.