Статика процесса абсорбции

Как известно, молекулы жидкости и газа постоянно находятся в хаотическом движении, обладая определенной кинетической энергией, причем молекулы газа более подвижны и амплитуда элементарных перемещений молекул газа больше по сравнению с молекулами жидкости. На границе контакта фаз системы газ‑жидкость молекулы газа непрерывно переходят в жидкость и обратно. Скорость абсорбции зависит от концентрации поглощаемого компонента или его парциального давления в газовой фазе. Если скорости обоих процессов равны, то имеет место динамическое равновесие. Такому состоянию системы соответствуют определенные концентрации компонента в газовой и жидкой фазах, называемые равновесными концентрациями. Зависимость между ними устанавливается законом Генри, согласно которому парциальное давление компонента в газе, равновесном с жидкостью р_x, пропорционально его мольной доле х в жидкости

. (1)

От растворимости газа в том или ином абсорбенте зависит расход последнего, что влияет на себестоимость процесса наряду со стоимостью абсорбента, его токсичностью, доступностью, пожаро- и взрывоопасностью.

Величина Е зависит от природы абсорбента, поглощаемого газа и температуры и не зависит от общего давления в системе.

Зависимость константы Генри от температуры подчиняется уравнению

, (2)

где q – дифференциальная теплота растворения газа; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура, К; с – постоянная, зависящая от природы газа и абсорбента.

Согласно закону Дальтона парциальное давление компонента в смеси р_к равно

, (3)

где р – общее давление; у – мольная концентрация компонента в газе (мольная или объемная доля).

При абсорбции паров хорошо растворимых веществ, образующих в жидкости идеальные растворы, справедлив закон Рауля

р^* = Рх, (4)

где P – давление насыщенного пара поглощаемого вещества при температуре абсорбции.

Материальный и тепловой баланс абсорбции

При составлении материального баланса концентрации компонента в газовой и жидкой фазах выражают в относительных концентрациях: Y, кг/кг, инертного газа, Х, кг/кг, растворителя:

и , (5)

где M_к, M_uн,,М_р – молекулярные массы растворяемого компонента, инертного газа и растворителя.

Уравнение материального баланса имеет следующий вид:

, (6)

где М – количество поглощаемого компонента в единицу времени; G_ин – расход газовой фазы, проходящей через аппарат; L_o – расход абсорбента; Y_н, Y_к, Х_к, Х_н – концентрации компонента в газовой и жидкой фазе соответственно.

На практике конечную концентрацию компонента в растворе необходимо максимально увеличивать, т. к. это позволяет снизить расход абсорбента, а конечную концентрацию компонента в газе максимально понижать, увеличивая тем самым полноту извлечения. При этом следует учитывать, что при приближении к максимальной возможной конечной концентрации раствора и максимальному извлечению компонента из газа, т. е. к равновесному состоянию системы, движущая сила процесса стремится к нулю.

Это приводит к уменьшению скорости процесса, увеличению размеров аппарата и неоправданным затратам. Поэтому на практике не допускают равновесных состояний, а конечные концентрации компонента в газовой и жидкой фазах определяют технико-экономическими расчетами.

Н

Рис. 1. Схема к уравнению материального баланса

процесса абсорбции

а рис. 1 представлена противоточная схема процесса абсорбции.

Особый интерес для оценки энергетических затрат представляет тепловой баланс процесса. Теплота, выделяемая при абсорбции, существенно влияет на температуру процесса, поэтому необходимо учитывать зависимость равновесного состояния от температуры.

Тепловой баланс абсорбера может быть записан уравнением

, (7)

где t_н, t_к, θ_н, θ_к – температуры жидкости и газа на входе в аппарат и на выходе; с_г и с_ж – удельные теплоемкости жидкости и газа; Q_т – тепловые потери и охлаждение абсорбента; Q_абс – теплота, выделяющаяся при абсорбции.

При отсутствии отвода теплоты (Q_т = 0) и допущении, что все выделившееся в результате абсорбции тепло остается в абсорбере, т. е. при условии t_н = t_к, нагрев становится максимальным, тогда

, (8)

, (9)

где Ф – теплота растворения газа.

Теплота при абсорбции паров веществ равна сумме теплоты парообразования и теплоты растворения жидкого целевого компонента в поглотителе Ф_ж. Если жидкая фаза – идеальный раствор, то Ф_ж=0. Проводя расчеты, необходимо сравнить предельные значения насыщения поглотителя, достигаемые при температурах θ_н и θ_к max.

Составляя тепловой баланс, допускают, что теплота абсорбции полностью идет на нагрев абсорбента. Учитывая, что теплоемкость газа значительно меньше теплоемкости жидкости, можно пренебречь также изменением температуры газовой фазы, и тепловой баланс абсорбера примет следующий вид:

, (10)

где L_н, L_к – расход жидкой фазы на входе и выходе из аппарата, кг/с, с учетом количества поглощенного вещества; с_н и с_к – удельная теплоемкость жидкой фазы на входе и выходе из абсорбера, Дж/(кг^оС).

Удельная теплоемкость рассчитывается по правилу аддитивности. При незначительных изменениях концентрации абсорбтива в газовой фазе можно пренебречь изменением массы абсорбента и удельной теплоемкости жидкой фазы и принять: L_н = L_к = L и с_н = с_к = С.

Q_абс рассчитывают по формуле:

, (11)

где q_абс – удельная теплота абсорбции, Дж/кг, жидкой фазы.

Тепловой баланс следует представить так:

, (12)

тогда

, (13)

где с – средняя удельная теплоемкость жидкой фазы, Дж/кг, которая определяется как среднее арифметическое величин с_н и с_к..

При незначительном изменении температуры жидкой фазы (t_н = t_к) абсорбцию можно считать изотермической. Сильное изменение температуры жидкости вызывает смещение равновесного состояния системы, что следует учитывать при построении равновесной линии. Увеличение температуры жидкой фазы приводит к уменьшению движущей силы процесса. Для сохранения стабильных характеристик процесса в таких случаях необходимо поддерживать постоянную температуру абсорбента путем отвода теплоты, выделяющейся в процессе в специальных охлаждающих устройствах.