Кінетика процесу абсорбції

Вступ

АБС0РБЦІЯ

Абсорбція - це поглинання газів або парів з газових або парових сумішей рідкими поглиначами, що називаються абсорбентами. Зворотній процес виділення рідкого поглинача з суміші газів називають десорбцією. Десорбцію газів проводять відгонкою його в струмі інертного газу або водяного пару в умовах підігріву абсорбенту або зниження тиску над абсорбентом.

В промисловості абсорбцію використовують для вирішення наступних основних задач:

1) для отримання готового продукту - (наприклад, абсорбція SO₃ в виробництві сірчаної кислоти, абсорбція HCL з отриманням хлороводневої кислоти, абсорбція оксидів азоту водою в виробництві азотної кислоти і т.д.); при цьому абсорбцію проводять без десорбції;

для виділення цінних компонентів з газових сумішей (наприклад, абсорбція бензолу з коксового газу; абсорбція ацетилену з газів крекінга або піроліза природного газу і т.д.); при цьому абсорбцію проводять з десорбцією;

для очистки газових викидів від шкідливих домішок (наприклад, очистка топочних газів від SO₂, очистка від фтористих з'єднань газів, що виділяються при виробництві мінеральних добрив і т.д.). очистку газів від шкідливих домішок адсорбцією використовують також для технологічних газів, коли присутність домішок неприпустима для подальшої переробки газу (наприклад, очистка коксового і нафтового газів від H₂S, очистка азотоводневої суміші для синтезу аміаку від СО₂ і CO і т.д.). В цих випадках вилучаємі з газових сумішей компоненти звичайно використовують, тому їх виділяють десорбцією;

для суміші газів, коли в абсорбційних процесах (абсорбція десорбція) приймають участь дві фази - рідка і газова - і відбувається перехід речовини з газової фази в рідку (при абсорбції) або навпаки, з рідкої в газову (при десорбції), причому інертний газ і поглинач є лише носіями компонента відповідно в газовій і рідкій фазах в цьому смислі в масопереносі участі не приймають.

Апарати, в котрих проводять процеси абсорбції, називають абсорберами.

9.1 Рівновага в процесах абсорбції

Умовою рівноваги між газовою і рідкою фазами є рівновага температур і тиск обох фаз і рівність хімічних потенціалів для всіх компонентів в обох фазах.

При постійній температурі і тиску в фазах хімічний потенціал компонента, що розподіляється, пропорційний концентраціям його в фазах. Тому в стані рівноваги між концентраціями компонента, що розподіляється, в обох фазах встановлюється деяке співвідношення, що характеризується константою фазової рівноваги, котра рівна відношенню концентрації компонента, що розподіляється, в газовій фазі до його концентрації в рідкій фазі.

В загальному випадку константа фазової рівноваги залежить від тиску (Р), температури (Т) і концентрації компонента, що розподіляється, (х) в рідині: m=f(P,T,x)

Ця функція для деяких систем може бути розрахована, але в більшості випадків її знаходять дослідним шляхом.

В якості основного закону, що характеризує рівновагу в системах газ-рідина, звичайно використовують закон розчинності газів в рідинах, сформульований Генрі. Згідно до цього закону при банній температурі мольна доля газу в розчині (розчинність) пропорційна парціальному тиску газу над розчином:

х = р/Е (9.1.1)

або

p = Ex (91.2)

де p - парціальний тиск газу над розчином в мм рт. ст.; х - концентрація газу в розчині в мольних долях; Е - коефіцієнт пропорційності (коефіцієнт Генрі) в мм рт.ст..

Значення р і х, що задовольняють рівняння (9.1.2), мають місце при досяганні рівноваги між фазами; ці значення потрібно розглядати як рівноважні: р - парціальний тиск газу, що знаходиться в рівновазі з розчином, що має концентрацію х, або х - концентрація газу в розчині, що знаходиться в рівновазі з газом, в котрому парціальний тиск газу, що розглядається, дорівнює р.

Коефіцієнт Е залежить від природи речовини, що розчиняться, і температури:

(9.1.3)

Де q - теплота розчинення газу в ккал/кмоль, R=1,987 ккал/кмоль·град. - універсальна газова постійна; Т - абсолютна температура розчинення в К; С - постійна, що залежить від природи газу і рідини і визначається дослідним шляхом. З рівняння (9.1.3) і рис.9.1.1 видно, що з ростом температури розчинність газів в рідинах зменшується.

Рис.9.1.1. Залежність між розчинністю газу в рідині і парціальним тиском його над розчином при різних температурах t₁>t₂>t₃ і відповідно Е₁>Е₂>Е₃.

При розчиненні газу в рідині температура останньої звичайно збільшується внаслідок виділення значної кількості тепла.

Кількість тепла, що виділяється при. абсорбції, може бути знайдено як

Q_аб =q_дL(x₁ - x₂) (9.1.4)

де - q_д - диференціальна теплота розчинення в межах зміни концентрації х₁ - х₂, ккал/кг; L - кількість абсорбенту, кг.

Якщо абсорбція проходить без відводу тепла, то можна допустити, що все тепло яке виділяється йде на нагрів рідини і температура останньої збільшується на величину

(9.1.5)

де С - теплоємність розчину, ккал/(кг·град).

Парціальний тиск газу, що розчиняється, в газовій фазі, відповідаючий рівновазі, може бути замінений рівноважною концентрацією. Згідно закону Дальтона парціальний тиск компонента в газовій суміші дорівнює загальному тиску, помноженому на мольну долю цього компонента в суміші, тобто

р = Ру і у = р/Р, де Р - загальний тиск газової суміші;

у- концентрація газу, що розподіляється, в суміші в мольних долях. Співставляючи останню рівність з рівнянням (9.1.2), знайдемо

(9.1.6)

де m = Е/Р - константа фазової рівноваги

Рівняння (9.1.6) виражає залежність між рівноважними концентраціями газу, що розподіляється, в газовій і рідкій фазах. Якщо замінити в цьому рівнянні концентрації х і у, виражені в мольних долях, на X і У, виражені в відносних мольних долях, то, маючи на увазі співвідношення

, , ,

рівняння (9.1.6) можна переписати як:

(9.1.7)

При незначних концентраціях X величина (1-т)Х ≈ 0 і рівняння (9.1.7) набуває більш простого вигляду:

Y=mХ (9.1.8)

тобто при низьких концентраціях закон Генрі зображується прямою лінією.

Для добре розчинних газів, при великих концентраціях, розчинність менше, ніж випливає з закону Генрі.

Для систем, що не підпорядковуються цьому закону, коефіцієнт т в рівнянні (9.1.7) є змінною величиною, лінія рівноваги являє собою криву, котру звичайно будують по дослідним даним.

Якщо розчин є ідеальним і лише в газовій фазі спостерігається відхилення від ідеального стану, то в цьому випадку компоненти розчину не діють один на одного, Тому концентрація даного компонента в газовій фазі залежить лише від концентрації його в рідині (при постійній температурі і тиску). Тоді до кожного компоненту і можливо використовувати рівняння (9.1.8):

Y_i = mX_i , (9.1.9)

в котрому константа фазової рівноваги т залежить лише від температури і загального тиску в системі.

Тому, при постійній температурі рівновага даного компоненту і в розбавленому розчині на діаграмі У - X представляється прямою лінією з нахилом, тангенс котрого дорівнює m_i.

Механізм абсорбції - це молекулярна та конвективна дифузії. Основне рівняння абсорбції має наступний вигляд:

M_y=K_y·ΔY·F, (9.2.1)

M_x=K_x·ΔX·F, (9.2.2)

де К_у - коефіцієнт масопередачі або абсорбції

. (9.2.3)

де 1/К_у - опір абсорбції;

1/β_y - опір в фазі G;

m/β_χ - опір в фазі L.

В абсорбції при дуже малих т, тобто добре розчинних газів величина т/β_х дуже мала, тобто опором в рідкій фазі можна знехтувати.

Для погано розчинних газів можна знехтувати опором газової фази, тоді K_y≈β_y, K_y≈β_x/m, K_y≈β_x (9.2.4)

При хімічній реакції є вплив на кінетику та рівновагу процесу. Чим вище швидкість реакції, тим вище швидкість абсорбції, цього можна досягти збільшуючи коефіцієнт β_х. В цьому випадку рівняння масопередачі може бути записане:

М = β'_Х ·ΔХ·Т

де β'_χ = ǽ·β_χ - коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі при абсорбції.

ǽ - коефіцієнт прискорення абсорбції при протіканні хімічної реакції.

Дата добавления: 2014-01-04