Работа 21 изучение процесса абсорбции

Доц. А.А. Овчинников, доц. Н.И. Еникеева, доц. Н.Б. Сосновская, вед. инж. И.Г. Решетова

Процессы, в которых происходит перенос вещества из одной фазы в другую, называются массообменными. К ним относятся аб­сорбция, адсорбция, ректификация, экстракция и т.п.

Абсорбцией называется процесс разделения газовых или паро­газовых смесей путем поглощения одного или нескольких компонен­тов газовой смеси жидким поглотителем. Это массообменный про­цесс. Жидкий поглотитель называется абсорбентом, а компонент, пе­реносимый из газовой фазы в жидкую, - абсорбтивом. Часть газовой смеси, не участвующая в процессе массообмена, называется инертным газом. Если процесс абсорбции не осложнен химической реакцией, то он является обратимым (физическая абсорбция). Процесс выделения компонента из жидкой фазы в газовую называют десорбцией.

Движущей силой процессов массообмена является разность ме­жду рабочими и равновесными концентрациями. При возникновении движущей силы масса (вещество) переносится как в пределах одной фазы, так и между взаимодействующими фазами. Перенос массы ме­жду взаимодействующими фазами прекращается при достижении равновесного состояния.

Материальный баланс. В процессах массообмена материальный баланс, как правило, составляется по распределяемому между двумя фазами компоненту. В процессе абсорбции перенос вещества осуще­ствляется из газовой фазы в жидкую.

Выражая концентрации поглощаемого компонента в газе и жидкости в относительных массовых единицах, получим уравнение материального баланса:

m = g(y„-Yk) = l(Xk-x„) , (1)

где G и L - расход инертного газа и жидкого поглотителя, кг/с; Yh и Yk - концентрация поглощаемого компонента на входе и выходе из абсорбера, кг абсорбтива/кг инертного газа; Хн и Хк - концентрация

187

в жидкой фазе на входе и выходе из абсорбера, кг абсорбтива/кг жид­кого поглотителя (абсорбента); М - количество распределяемого компонента, переносимого из одной фазы в другую за единицу време­ни, кг/с. Уравнение (1) можно записать для любого сечения аппарата:

Y = Y„+.^(X-Xk) , (2)

где t = —.— удельный расход жидкого поглотителя (абсорбента).

Это уравнение, характеризующее зависимость между концен­трациями газа и жидкости в любом сечении аппарата, называется уравнением рабочей линии. Из уравнения (2) видно, что рабочая ли­ния процесса абсорбции в координатах Y - X является прямой лини­ей, тангенс угла наклона которой к,.

Равновесие в системах газ-жидкостъ. В начальный момент времени извлекаемый компонент находится в фазе G (у?^0, х=0). Как только фазы пришли в соприкосновение, вещество переходит в фазу L (х?^0), тут же начинается обратный переход вещества. Если скорость переноса вещества из G в L равна скорости обратного переноса, уста­навливается равновесие. Связь концентраций распределяемого компо­нента во взаимодействующих фазах в условиях равновесного состоя­ния описывается уравнением равновесия:

у* = тх, (3)

где у и X - мольные доли распределяемого компонента в фазах в усло­виях равновесия; m - коэффициент распределения, зависящий от фи­зико-химических свойств системы. Для идеальных смесей

т = |, (4)

где Е - коэффициент Генри, Р - давление в аппарате.

Для относительных массовых концентраций уравнение (3) име­ет вид

Y* = m^^X = m'X, (5)

где М^ , Mjiij J. - молекулярные массы жидкости и инертного газа.

Уравнение массопередачи. Массопередачей называется процесс переноса вещества из ядра потока одной фазы в ядро потока другой фазы через границу раздела фаз. Процесс массопередачи можно раз­бить на три этапа: а) перенос вещества из ядра первой фазы к границе раздела (массоотдача в фазе G); б) перенос через границу раздела фаз; в) перенос от границы раздела в ядро второй фазы (массоотдача в фазе L). Если предположить, что при взаимодействии фаз на границе раз­дела мгновенно устанавливается равновесие, которое сохраняется в течение всего периода контакта фаз между собой, то процесс в целом можно описать уравнением массопередачи:

М = K-FAYcp , (6)

где К- коэффициент массопередачи по газовой фазе, AYcp - сред­няя движущая сила процесса (средняя по поверхности контакта фаз разность рабочей и равновесной концентраций).

Коэффициент массопередачи по газовой фазе можно определить по уравнению

где Ру, Р^ - коэффициенты массоотдачи в фазах G и L.

При допущении о движении фаз в режиме идеального вы­теснения значение средней движущей силы определяется по фор­муле

, А¥„ m —

AYk

189

где AYh

движущая сила на входе газа в абсорбер,

AYh = Yh - Y (Хд.) ; AYk - движущая сила на выходе газа из абсор­бера, AYk = Yk-Y*(Xjj) .

Схема противоточного абсорбера, построение рабочей линии, равновесной линии, а также движущей силы представлены на рис. 1.

Процесс абсорбции применяется в производстве кислот, при са­нитарной очистке промышленных газов, переработке углеводородно­го сырья и обычно осуществляется в колонных аппаратах при проти­вотоке газа и жидкости. Абсорбент подают в верхнюю часть аппарата, а газ - в нижнюю (см. рис.1). При взаимодействии фаз происходит процесс массопередачи. С целью увеличения поверхности контакта фаз, а следовательно, и результирующего эффекта процесса, внутрен­ний объем аппарата заполняют насадкой (насадочные абсорберы).

весия

В качестве насадки в насадочных аппаратах может быть исполь­зован любой материал, инертный к взаимодействующим средам и об-

190