14.1 Особенности равновесия и массопередачи в процессе абсорбции

Как отмечалось в разделе 13.2.1, 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

(14.1)

, (противоток) (14.2)

, (прямоток) (14.3)

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 (14.4)

В связи с этим коэффициенты распределения , способы определения которых подробно рассмотрены, как для равновесия в системах пар - жидкость, так и газ - жидкость в разделе 13.1, необходимо перевести в соответствующие единицы измерения .

Выбор схемы относительного направления движения фаз рассмотрим на простейшем примере абсорбции, когда каждая из фаз представляет собой бинарную смесь: газовая фаза - распределяемый компонент и инертный газ, а жидкая- распределяемый компонент и абсорбент. Пусть заданы: расход инертного газа , начальная и конечная концентрация абсорбтива в нем , а также начальная концентрация абсорбтива в абсорбенте . Допустим, что коэффициент распределения , то есть линия равновесия - прямая. Для проведения процесса абсорбции требуется выполнение условия . Определим минимальные расходы абсорбента и максимальные конечные концентрации абсорбтива в абсорбенте для прямотока и противотока. Проведем на диаграмме равновесную линию, а также из точек с известными координатами (прямоток) и (противоток) рабочие линии, соответствующие (рис.14.1), то есть соприкасающиеся с линией равновесия.

Рис. 14.1. 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 (14.1), применять меньшие значения расхода абсорбента. Этот же результат можно получить аналитически

(14.5)

(14.6)

т.к. , то

(14.7)

, (14.8)

Эффективность работы массообменного аппарата может быть охарактеризована степенью извлечения распределяемого компонента из отдающей его фазы. Вводится понятие коэффициента извлечения j, 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

(14.9)

Можно показать /Рамм/, что в случае идеального вытеснения и для одинаковых и средняя движущая сила массопередачи больше, а высота аппарата, следовательно, меньше при противотоке по сравнению с прямотоком, или для одинаковых и при противотоке больше, 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 (13.52), для этого необходимо увеличивать давление в системе или уменьшать температуру так как давление насыщенного пара прямо пропорционально температуре. Такой же вывод можно сделать и для газовых компонентов, анализируя (13.59), так как коэффициенты Генри так же пропорциональны температуре.

В том случае, когда при растворении абсорбтива в абсорбенте выделяется значительное количество тепла и не предусмотрен его 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

(14.10)

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

Решив (14.10) относительно , можно определить температуру, в каждом сечении аппарата, а затем и коэффициент распределения и равновесную концентрацию . Рис 14.2

(14.11)

Рис. 14.2. 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 14.2., выделения тепла 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 можно подразделить на хорошо растворимые в абсорбенте (-мало) и плохо растворимые (-велико). 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 (13.83) позволяет сделать вывод, что для хорошо растворимых компонентов, как правило, т.е. основное сопротивление массопередачи сосредоточенно в газовой фазе, а для плохо растворимых (-велико) - в жидкой.

Возможна селективная абсорбция одного компонента из многокомпонентной парогазовой смеси. Для этого необходимо подавать абсорбент, состав которого соответствует равновесным концентрациям всех компонентов газовой смеси за исключением целевого. Кроме того желательно, чтобы абсорбент обеспечивал минимальное значение коэффициента распределения целевого компонента. Этот вариант является частным случаем рассмотренной в разделе 13.8.3 постановки задачи расчета аппарата при заданных начальных и конечных концентрациях газовой фазы и неизвестных в жидкой.

При абсорбции нескольких компонентов, в случае заданного начального состава жидкой фазы, один из них выбирают в качестве ключевого и ведут расчет в соответствии с алгоритмами представленными в разделах 13.8.3., 13.8.4.