7.4. Скорость процесса

Скорость физической абсорбции. Скорость процесса абсорбции характеризуется (если движущую силу выражают в концентрациях газовой фазы):

,

(если движущая сила выражается в концентрациях жидкой фазы):

В этих уравнениях коэффициенты массопередачи К_у и К_х определяются следующим образом:

и

,

где β_г - коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз; β_ж - коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку жидкости.

Для хорошо растворимых газов величина m незначительна и мало также диффузионное сопротивление в жидкой фазе. Тогда и можно принять, что .

Для плохо растворимых газов можно пренебречь диффузионным сопротивлением в газовой фазе (в этом случае значения m и β_г велики). Отсюда,

и можно полагать, что .

Скорость абсорбции, сопровождаемой химической реакцией. Во многих практически важных процессах абсорбции поглощение газа жидкостью сопровождается химическим взаимодействием фаз. Если реакция протекает в жидкой фазе, то часть газообразного компонента переходит в связанное состояние. При этом концентрация свободного (т.е. не связанного с поглощаемым газом) компонента в жидкости уменьшается, что приводит к ускорению процесса абсорбции по сравнению с абсорбцией без химического взаимодействия фаз, так как увеличивается движущая сила процесса. В общем случае скорость хемосорбции зависит как от скорости реакции, так и от скорости массопередачи между фазами. В зависимости от того, какая скорость определяет общую скорость процесса переноса массы, различают кинетическую и диффузионную области протекания хемосорбционных процессов.

В кинетической области скорость собственно химического взаимодействия меньше скорости массопередачи, и поэтому лимитирует скорость всего процесса. В диффузионной области лимитирующей является скорость диффузии компонентов в зоне реакции, которая зависит от гидродинамики и физических свойств фаз и определяется по общему уравнению массопередачи.

В тех случаях, когда скорости реакции и массопередачи соизмеримы по величине, процессы абсорбции протекают в смешанной, или диффузионно-кинетической, области.

При расчете требуемой поверхности контакта фаз в условиях хемосорбции ускорение процесса можно учесть увеличением коэррициента массоотдачи β_ж, если считать движущую силу процесса такой же, как при физической абсорбции. Тогда коэффициент массоотдачи в жидкой фазе β_ж при протекании химической реакции

,

где Ф - фактор ускорения массообмена, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость абсорбции за счет протекания химической реакции.

Значение Ф может быть определено по графику (рис. 7.5) в зависимости от комплексов величин γ и N.

На графике величина

приведена для реакций второго порядка. В этом выражении: k₂ - константа скорости реакции второго порядка, м³/(кмоль∙с); х_в - концентрация поглотителя, кмоль/м³; D_A - коэффициент диффузии поглощаемого компонента А в растворе, м²/с.

Параметром кривых на рис. 7.5 является величина N, представляющая собой выражение

,

где D_в - коэффициент диффузии ионов реагента (абсорбента) В в растворе, м²/с; - концентрация поглощаемого компонента А на границе раздела фаз, кмоль/м³; п - стехиометрический коэффициент

В

Рис.7.5. Зависимость фактора ускорения Ф от комплексов γ и N.

кинетической и диффузионной областях выражения для расчета величиныФ упрощаются. Так, в кинетической области при условии, что , фактор ускорения Ф = γ. В диффузионной области при условии, что , величина Ф = 1 + N.