Глава 13. Абсорбция

Абсорбцией называется избирательное поглощение компонентов паровых или газовых смесей жидким поглотителем.Десорбция процесс обратный абсорбции, т.е. переход отдельных компонентов жидкой смеси в газовую фазу.Абсорбтив распределяемый компонент газовой фазы, переходящий в жидкую.Абсорбент жидкий поглотитель.Инертный газ компонент газовой смеси не переходящий границу раздела фаз. Необходимо иметь в виду, что инертный газ может состоять из нескольких компонентов, например, воздух, абсорбент также может быть многокомпонентным и поглощаться в общем случае могут несколько компонентов. Рассмотрим вначале простейший случай бинарной абсорбции, когда в каждой фазе содержится не более двух компонентов: в газовой – абсорбтив и инертный газ, в жидкой – абсорбтив и абсорбент. Более общий случай многокомпонентной абсорбции рассматривается в разделе 13.3.

Различают физическую абсорбцию, не сопровождающуюся химическими реакциями, ихемосорбцию, при которой абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение.

Абсорбция широко применяется в промышленности для извлечения ценных компонентов газовых смесей (бензола из коксового газа) или очистки их от вредных примесей (коксового газа от сероводорода), а также с целью получения готового продукта (серной кислоты за счет поглощения водой).

13.1. Особенности равновесия и массопередачи в процессе абсорбции

Как отмечалось в разделе 12.2.1, при записи уравнений материального баланса и рабочих линий целесообразно выбирать единицы измерения расходов таковыми, чтобы эти величины не менялись по высоте аппарата. Это сделает рабочие линии прямыми и упростит процедуру расчета. В случае абсорбции по высоте колонны не изменяются массовые и мольные расходы инертного газа и абсорбента, что позволяет использовать их в уравнениях материального баланса и рабочих линий в совокупности с относительными массовыми и относительными мольными концентрациями распределяемых компонентов. Выберем, например, массовые расходы и концентрации, тогда

, (13.1)

, (противоток) (13.2)

, (прямоток) (13.3)

где массовые расходы инертного газа и абсорбента (кг/с); относительные массовые концентрации абсорбтива в инертном газе (кг абсорбтива/ кг инертного газа) и в абсорбенте (кг абсорбтива/ кг абсорбента). С использованием этих же концентраций запишем уравнение линии равновесия.

; =кг абсорбента/ кг инертного газа. (13.4)

В связи с этим коэффициенты распределения , способы определения которых подробно рассмотрены, как для равновесия в системах пар жидкость, так и газ жидкость в разделе 12.1, необходимо перевести в соответствующие единицы измерения[9, 49]. В соответствии с правилом фаз Гиббса (12.3) для трехкомпонентной двухфазной системы число степеней свободы равно трем, т.е.. Если процесс абсорбции проводится при постоянных давлении и температуре, то их можно считать фиксированными и коэффициент распределения будет являться функцией только одной переменной.

Рассмотрим выбор схемы относительного направления движения фаз. Пусть заданы: расход инертного газаG, начальная и конечная концентрация абсорбтива в нем , а также начальная концентрация абсорбтива в абсорбенте . Допустим, что коэффициент распределения, то есть линия равновесия прямая. Это допущение справедливо для идеальных смесей, подчиняющихся законам Генри (12.59) или Рауля (12.53), при постоянных температуре и давлении. Проведение процесса абсорбции требует выполнение условия. Определим минимальные расходы абсорбента и максимальные конечные концентрации абсорбтива в абсорбентедля прямотока и противотока. Проведем надиаграмме равновесную линию, а также из точек с известными координатами(прямоток) и(противоток) рабочие линии, соответствующие(рис.13.1), то есть соприкаса-ющиеся с линией равновесия.

Рис. 13.1. Расположение рабочих линий при минимальном расходе абсорбента для противоточного 1 и прямоточного 2 движения фаз.

Нетрудно видеть, что использование противотока позволяет достигать больших конечных концентраций абсорбтива в абсорбенте и, как следует из уравнения материального баланса (13.1), применять меньшие значения расхода абсорбента L. Этот же результат можно получить аналитически

, (13.5)

, (13.6)

т.к. , то

, (13.7)

, . (13.8)

Эффективность работы массообменного аппарата может быть охарактеризована степенью извлечения распределяемого компонента из отдающей его фазы. Вводится понятие коэффициента извлечения ,являющегося отношением количества компонента перешедшего в другую фазу к максимально возможному. Наибольшее количество абсорбтива может поглотиться абсорбентом при достижении равновесия уходящего газа с поступающей жидкостью, т.е.. Тогда

. (13.9)

Можно показать [49], что в случае идеального вытеснения и для одинаковыхLисредняя движущая сила массопередачибольше, а высота аппарата, следовательно, меньше при противотоке по сравнению с прямотоком, или для одинаковыхLипри противотокебольше, чем при прямотоке. Этим объясняется преимущественное применение противоточного движения фаз в процессе абсорбции.

Увеличение движущей силы массопередачи при проведении процесса абсорбции можно достичь также уменьшением коэффициентов распределения . При абсорбции паровых компонентов, как это следует из (12.52), для этого необходимо увеличивать давление в системеpили уменьшать температуруTтак как давление насыщенного парапрямо пропорционально температуре. Такой же вывод можно сделать и для газовых компонентов, анализируя (12.59), так как коэффициенты Генритак же, как правило, прямо пропорциональны температуре.

В том случае, когда при растворении абсорбтива в абсорбенте выделяется значительное количество теплоты и не предусмотрен ее отвод из аппарата, происходит повышение температуры жидкой фазы и, следовательно, коэффициента распределения и уменьшение движущей силы процесса. Для учета этого эффекта необходимо использовать уравнение теплового баланса

, (13.10)

где дифференциальная теплота растворения абсорбтива, кДж/кг; удельная теплоемкость, кДж/кгК.

Решив (13.10) относительно T, можно определить температуру, в каждом сечении аппарата, а затем коэффициент распределенияи равновесную концентрацию(рис 13.2).

. (13.11)

Рис. 13.2. Относительное расположение рабочей линии 1 процесса абсорбции для противотока и равновесных линий при выделении тепла без его отвода 3 и при изотермическом процессе 2.

Как видно из рисунка 13.2., выделения теплоты при растворении абсорбтива приводит к уменьшению движущей силы процесса. Чтобы этого избежать, в аппаратах для проведения таких процессов предусматривается отвод тепла с помощью охлаждающего агента.

В процессе хемосорбции абсорбтив вступает в химическое соединение с абсорбентом, образуя новое вещество, следовательно, концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе за счет этого уменьшается. Это приводит к уменьшению равновесной концентрации(равновесная линия снижается) и увеличению движущей силы процесса абсорбции.

В зависимости от величины коэффициентов распределения , компоненты газовой смеси условно можно подразделить на хорошо растворимые в абсорбенте ( мал, порядка единицы) и плохо растворимые (велик, порядка ста). Очевидно, что для поглощения данного компонента следует подбирать абсорбент, обеспечивающий по возможности лучшее его растворение (меньшее значение) и, соответственно большую движущую силу.

Таким образом, на движущую силу абсорбции влияют вид и расход абсорбента, давление и температура. Они могут служить параметрами оптимизации при проектировании абсорберов.

Анализ соотношения (12.83) позволяет сделать вывод, что для хорошо растворимых компонентов, как правило, ит.е. основное сопротивление массопередачи сосредоточенно в газовой фазе, а для плохо растворимых, в жидкой. Разумеется, при этом необходимо учитывать и соотношение коэффициентов массоотдачи в газовой и жидкой фазах.