8.2. Абсорбционные процессы и установки

В абсорбционных процессах участвуют две фазы — газовая и жид­кая. Газовая фаза состоит из непоглощаемого газоносителя и одного или нескольких абсорбируемых компонентов. Жидкая фаза представля­ет собой раствор абсорбируемого (целевого) компонента в жидком по­глотителе. При физической абсорбции газ-носитель и жидкий погло­титель (абсорбент) инертны взаимно и по отношению к переходящему компоненту.

Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, которое устанавливается при продолжительном соприкосновении фаз и зависит от состава фаз, температуры, давления и термодинамических свойств компонента и абсорбента.

Основным законом равновесия в системе газ—жидкость является закон Генри: растворимость или молярная доля газа в растворе при заданной температуре пропорциональна парциальному давлению газа над раствором. т.е.

где p*_i — парциальное давление i-гo компонента в газе в условиях равновесия; х_i — молярная доля (концентрация) i-го компонента в жидкости; K_i — коэффициент пропорциональ­ности (константа Генри) i-гo компонента.

Константу Генри, зависящую от природы растворяемых веществ и температуры, для каждого компонента можно определить по формуле [37]

где q_д — дифференциальная теплота раство­рения газа; R — газовая постоянная; Т — тем­пература; С — постоянная, зависящая от при­роды газа и раствора.

Рис.8.1. Растворимость газа в жидкости при различных температурах

( Т1>Т2>Т3)

Для идеальных растворов на диаграмме р, х (рис. 8.1) зависимость равновесных концен­траций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равный К — коэффициенту Генри. Из рис. 8.1 и урав­нения (8.2) следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значение р и соответственно уменьшается ра­створимость газа в жидкости. Согласно закону Дальтона

uде y_i — молярная доля i-го извлекаемого компонента в газовой смеси; р — общее давление в системе.

Тогда из уравнений (8.2) и (8.4) получим

где y_i* — молярная доля i-гo компонента в газовой фазе при равно­весии; а — безразмерная константа (константа фазового равновесия). В расчетах абсорбционных процессов и аппаратов часто пользуются относительными молярными концентрациями, которые связаны с кон­центрациями, выраженными в молярных долях, соотношениями

Подставив в выражение (8.5) вместо молярных долей относитель­ные молярные концентрации, получим

Закон Генри применим только для идеальных систем при малых давлениях и концентрациях. В этих условиях для построения линии равновесия, необходимой для расчета абсорбционных колонн, исполь­зуют уравнения (8.5) и (8.7). Если закон Генри не применим (К≠const и, следовательно, α≠const), уравнения (8.5) и (8.7) теряют смысл и линию равновесия строят на основе экспериментальных дан­ных.

Материальный баланс. Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными. Обозначим: G — расход инертного газа; У_н, Y_к — начальная и конечная концентрации инертного газа в газовой смеси; L — расход абсорбента; Х_н, Х_к— его начальная и конечная концентрации. Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид

G(Yн-Yк)=L(Xн-Xк)

Отсюда общий расход абсорбента.

а его удельный расход

Это уравнение можно записать в виде

оно показывает, что в координатах У, X рабочая линия процесса представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен m=L/G. Абсорбция может происходить в том случае, если рабочая концентрация абсорбируемого компонента в газе больше равновес­ной и, следовательно, рабочая линия процесса в диа­грамме располагается выше равновесной.

Рис. 8.2. Определение теоретического числа тарелок при абсорбции (1-линия равновесия, 2-рабочая линия)

Расчет массопереноса и кинетических зависимо­стей в абсорбционных процессах производят анало­гично процессу ректификации (см. гл. 7). Отличие заключается в том, что вместо паровой фазы рас­сматривают газовую среду. Так, например, число теоретических тарелок в абсорбере определяют так­же построением ступеней между рабочей и равно­весной линиями (рис. 8.2). Анализ уравнения (8.11) показывает, что увеличение расхода абсорбента изменяет положение рабочей линии, вызывая уменьшение числа тарелок.

Принципиальные схемы абсорбции. В технике используют следую­щие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией [74].

Прямоточная схема взаимодействия веществ в процессе абсорбции показана на рис. 8.3,а. В этом случае потоки газа и абсорбента дви­жутся параллельно друг другу, при этом газ с большей концентрацией распределяемого вещества приводится в контакт с жидкостью, имею­щей меньшую концентрацию распределяемого вещества, и наоборот. Противоточная схема абсорбции показана на рис. 8.3,б. По этой схеме в одном конце аппарата приводят в контакт свежий газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределенного вещества, а в про­тивоположном — меньшие.

Рис. 8.3 Принципиальные схемы абсорбции:

а- прямоточная, б- противоточная, в- с рециркуляцией жидкости, г- с рециркуляцией газа, д - многоступенчатая с рециркуляцией жидкости, n-доля компонента, используемая для рециркуляции

В схемах с рециркуляцией предусмотрен многократный возврат в аппарат или жидкости, или газа. Схема с рециркуляцией жидкости по­казана на рис. 8.3,в. Газ проходит через аппарат снизу вверх, и кон­центрация распределяемого вещества в нем изменяется от Y_н до Y_к -Поглощающая жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества У_н, затем смешивается с вы­ходящей из аппарата жидкостью, в результате чего ее концентрация повышается до Х_с. Рабочая линия представлена на диаграмме отрез­ком прямой: крайние точки его имеют координаты У_н, Хс и Х_к, Х_с со ответственно. Значение Х_с определяют из уравнения материального ба­ланса.

Схема абсорбции с рециркуляцией газа приведена на рис. 8.3,г. Материальные соотношения здесь аналогичны предыдущим, а положение рабочей линии определяют точки A*_с(Y_с,X_к) и B*(Y_к, X_н). Ординату Y_c находят из уравнения материального баланса. Одноступенчатые схе­мы с рециркуляцией могут быть как прямоточными, так и противоточными.

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут быть прямоточны­ми и противоточными, с рециркуляцией газа и жидкости. На рис. 8.3,д показана многоступенчатая противоточная схема с рециркуляцией жид­кости в каждой ступени. На у,х – диаграмму рабочие линии наносят от­дельно для каждой ступени, как и в случае нескольких отдельных сту­пенчатых аппаратов. В рассматриваемом случае рабочую линию со­ставляют отрезки А₁В₂, А₂В₂ и А₃В₃

Анализ описанных процессов позволяет сделать вывод, что одноступенчатые схемы с рециркуляцией абсорбента или газа по сравне­нию со схемами без рециркуляции имеют следующие отличия: при од­ном и том же расходе свежего абсорбента количество жидкости, про­ходящей через аппарат, значительно больше; результатом такого ре­жима являются повышение коэффициента массопередачи и снижение движущей силы процесса. При определенном соотношении между диф­фузионными сопротивлениями в жидкой и газовой фазах такая схема может способствовать уменьшению габаритов аппарата. Очевидно, что рециркуляция жидкости целесообразна в том случае, если основное сопротивление массопередаче составляет переход вещества от поверх­ности раздела фаз в жидкость, а рециркуляция газа — когда основным сопротивлением процесса является переход вещества из газовой фазы к поверхности раздела фаз.

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией обладают всеми преимуществами одноступенчатых схем и вместе с тем обеспечивают большую движущую силу процесса. Поэтому чаще выбирают варианты схем с многоступенчатой рециркуляцией.

Необходимо отметить, что процессы абсорбции характеризуются тем, что из-за малой относительной летучести абсорбента перенос ве­щества происходит преимущественно в одном направлении — из газо­вой фазы в жидкую. Переход поглощаемого вещества из газового со­стояния в конденсированное (жидкое) сопровождается уменьшением энергии в нем. Таким образом, в результате абсорбции происходит вы­деление теплоты, количество которой равно произведению количества поглощенного вещества на теплоту его конденсации. Связанное с этим повышение температуры взаимодействующих фаз, которое определяют с помощью уравнения теплового баланса, уменьшает равновесное со­держание поглощаемого вещества в жидкой фазе, т.е. ухудшает разде­ление. Поэтому при необходимости целесообразен отвод теплоты аб­сорбции.

Конструктивно абсорбционные аппараты выполняют аналогично теплообменным, ректификационным, выпарным и сушильным аппара­там. По принципу действия абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распылительные.