Уравнения материального баланса процесса абсорбции

АБСОРБЦИЯ

Тема 3.3. Абсорбция 12ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 6ч.

Студент должен:

знать:

— физические основы и теорию процесса абсорбции (равновесие между фазами, принципы составления материального теплового баланса, уравнение рабочей линии);

— порядок расчета насадочного и барботажного абсорбера;

— сущность и методы проведения десорбции;

уметь:

— составлять материальный и тепловой баланс;

— определять расход поглотителя;

— строить равновесную и рабочую линию процесса;

— определять основные габаритные размеры абсорберов, пользуясь справочниками.

Назначение абсорбции. Абсорбция при разделении гомогенных газовых смесей и очистки газов. Выбор абсорбента. Физическая абсорбция и абсорбция, сопровождаемая химическим взаимодействием. Десорбция.

Равновесие между фазами при абсорбции. Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкостях. Материальный баланс процесса и уравнения рабочей линии при абсорбции и десорбции. Расход абсорбента. Тепловой баланс абсорбции. Отвод тепла при абсорбции.

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями – абсорбентами.

Принцип абсорбции основывается на различной растворимости компонентов газовых и парогазовых смесей в жидкостях при одних и тех же условиях. Поэтому выбор абсорбентов осуществляют в зависимости от растворимости в них поглощаемых компонентов, которая определяется:

· физическими и химическими свойствами газовой и жидкой фаз;

· температурой и давлением осуществления процесса;

· содержанием газа в смеси.

При выборе абсорбента необходимо учитывать такие его свойства, как селективность (избирательность) по отношению к поглощаемому компоненту, токсичность, пожароопасность, стоимость, доступность и др.

Различают физическую абсорбцию и химическую абсорбцию (хемосорбцию). При физической абсорбции поглощаемый компонент образует с абсорбентом только физические связи. Процесс этот в большинстве случаев является обратимым. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора – десорбция. Если поглощаемый компонент вступает в реакцию с абсорбентом и образует химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

Процесс абсорбции обычно является экзотермическим, т. е. сопровождается выделением теплоты.

Абсорбция широко используется в промышленности для разделения углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получения соляной и серной кислот, аммиачной воды, очистки газовых выбросов от вредных примесей, выделения ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т. д.

Равновесие в процессах абсорбции определяется правилом фаз Гиббса (В.4), представляющим обобщение условий гетерогенного равновесия:

Поскольку процесс абсорбции осуществляется в двухфазной (газ – жидкость) и трехкомпонентной (один распределяемый и два распределяющих компонента) системе, число степеней свободы – три.

Таким образом, равновесие в системе газ (пар) – жидкость может характеризоваться тремя параметрами, например температурой, давлением и составом одной из фаз.

Равновесие в системе газ – жидкость определяется законом растворимости Генри, согласно которому при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

где р – парциальное давление газа над раствором; х – мольная концентрация газа в растворе; Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).

Закон Генри распространяется в первую очередь на слаборастворимые газы, а также на растворы с низкими концентрациями хорошо растворимых газов при отсутствии химической реакции.

Коэффициент Е имеет размерность давления, совпадающую с размерностью р, и зависит от природы растворяющегося вещества и температуры. Установлено, что с увеличением температуры растворимость газа в жидкости уменьшается. Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Поскольку тепловой эффект, сопровождающий процесс абсорбции, отрицательно сказывается на положении линии равновесия, он должен обязательно учитываться при расчетах. Количество теплоты, выделяющейся при абсорбции, может быть определено по зависимости

где q_д — дифференциальная теплота растворения в пределах изменения концентрации х₁ – х₂; L – количество абсорбента.

Если абсорбция ведется без отвода теплоты, то можно допустить, что вся выделяющаяся теплота идет на нагревание жидкости, и температура последней повышается на величину

где с – теплоемкость раствора.

Для понижения температуры исходную газовую смесь и абсорбент охлаждают, отводя теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции, с помощью встроенных (внутренних) или наружных теплообменников.

Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть определено по закону Дальтона, согласно которому парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.

где Р – общее давление газовой смеси; у – мольная концентрация распределяемого в смеси газа.

Сопоставляя уравнения (10.2) и (10.1), найдем

где А_равн = Е/Р – константа фазового равновесия, применимая для областей действия законов Генри и Дальтона.

Пусть Р_аб – давление паров чистого абсорбента в условиях абсорбции; р_аб – парциальное давление паров абсорбента в растворе; Р – общее давление; х – мольная доля абсорбируемого газа в растворе; у – мольная доля распределяемого газа в газовой фазе; у_аб – мольная доля абсорбента в газовой фазе.

Согласно закону Рауля парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную долю в растворе:

По закону Дальтона (10.2) парциальное давление абсорбента в газовой фазе равно

Анализ факторов, влияющих на равновесие в системах газ (пар) – жидкость, позволил установить, что к параметрам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, — пониженное давление, повышенная температура и введение в абсорбент добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.

Материальный баланс процесса абсорбции выражается дифференциальным уравнением

где G – поток газовой смеси (инертного газа), кмоль/с; L – поток абсорбента, кмоль/с; Y_н и Y_к – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в газовой фазе, кмоль/кмоль инертного газа; Х_к и Х_н – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента; М – количество распределяемого вещества, перенесенного из фазы G в фазу L в единицу времени, кмоль/с.

Из уравнения материального баланса (10.9) можно определить необходимый общий расход абсорбента

Процесс абсорбции характеризуется также степенью извлечения (поглощения), представляющей отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном его извлечении,

Кинетика процесса абсорбции характеризуется тремя основными стадиями, которые соответствуют схеме, представленной на рис. 9.4.

Первая стадия – перенос молекул абсорбируемого компонента из ядра потока газа (пара) к поверхности раздела фаз (поверхности жидкости).

Вторая стадия – диффундирование молекул абсорбируемого компонента через поверхностный слой жидкости (граница раздела фаз).

Третья стадия – переход молекул абсорбируемого вещества от поверхности раздела фаз в основную массу жидкости.

Кинетические закономерности абсорбции соответствуют общему уравнению массопередачи для двухфазных систем:

Экспериментально установлено, что вторая стадия процесса абсорбции идет с большей скоростью и не влияет на общую скорость процесса, ограниченную скоростью наиболее медленной стадии (первой или третьей).

Движущая сила процесса абсорбции для I и III стадий в уравнениях (10.5а) и (10.6а) может быть выражена через другие параметры:

В уравнениях (10.5б) и (10.6б) р – рабочее парциальное давление распределяемого газа в газовой смеси; р_равн – равновесное давление газа над абсорбентом, соответствующее рабочей концентрации в жидкости; С – рабочая объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости; С_равн – равновесная объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости, соответствующая рабочему парциальному давлению его в газовой смеси.

При таком выражении движущей силы процесса абсорбции уравнение равновесной зависимости принимает вид

где Ψ – коэффициент пропорциональности, кмоль/(м 3 *Па).

Коэффициенты массопередачи выражаются для уравнений (10.5а) и (10.6а) в виде

для уравнений (10.5б) и (10.6б)

В уравнениях (10.7) и (10.8) β_у, β_р – коэффициенты массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз; β_х, β_С — коэффициенты массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку жидкости.

Коэффициенты массоотдачи по газу и жидкости β_у и β_х могут быть определены из критериальных уравнений, имеющих вид:

для жидкой фазы Nu_{диф х} = f*(Re, Pr_{диф х}).

Величина коэффициента Ψ оказывает существенное влияние на кинетику процесса абсорбции. Если Ψ имеет высокие значения (высокая растворимость компонента – диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе), то 1/(β_c*Ψ)

Дата добавления: 2015-08-14 ; просмотров: 7360 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Материальный баланс абсорбции.

Для составления материального баланса возьмем абсорбционную колонну. Когда концентрации фаз мало изменяются по высоте абсорбера, то уравнение материального баланса можно записать следующим образом:

Где, y_н,у_к — концентрация компонента в газовой фазе, <кг комп/кг смеси>

х_н,х_к — концентрация компонента в жидкой фазе, <кг комп/кг жидк>,

G, L- количество фазы, кг/час.

Если концентрация компонента на входе и на выходе изменяется значительно, то

Где, G_ин – количество инертного газа, кг/час,

L₀ — количество жидкости без растворенного компонента, кг/час,

Y_н,Y_к – мольный кг компонента и мольный кг газа

у- мольная доля компонента,

М_к – молекулярная масса компонента,

М_ин – молекулярная масса инертного газа,

х – мольная доля жидкости.

Кинетика абсорбции.

Кинетика абсорбции характеризуется тремя стадиями.

Из газовой фазы за счет диффузии компонент доходит до раздела фаз, затем происходит растворение компонента (у / — х / ). За счет ламинарной диффузии идет вглубь потока.

I и IIIстадии абсорбции осуществляются за счет разницы компонента на границе раздела фаз, и в объеме газовой фазы или жидкости (они протекают по диффузионным законам). IIстадия протекает мгновенно и никакого сопротивления не оказывает.

Законы диффузии.

Конвективная диффузия – это перенос вещества из участка с большей концентрацией в меньшую концентрацию объемами, струйками текучих сред в результате их взаимного перемешивания.

Количество вещества, протекаемого от основного потока до встречи с ламинарным слоем определяется по закону Щукарева:

М – количество компонента, переходящего из газа в жидкость,

β – коэффициент массотдачи,

F- поверхность контакта (абсорбции)

коэффициент массоотдачи представляет собой количество вещества, диффузирующего в единицу времени из окружающей среды к единице поверхности раздела фаз при разности концентрации компонента в объеме среды и у поверхности равным 1.

В ламинарном слое протекают молекулярно-диффузиционный процесс, который описывается законом Фика:

Д – коэффициент диффузии,

Физический смысл коэффициента диффузии (Д) представляет собой количество вещества, переходящего в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном 1.

Коэффициент диффузии для газов:

где Т- абсолютная температура,

V_а ,V_в – молекулярные объемы газов,

М_а ,М_в – молекулярные массы газов.

Пример:NH₃ и воздух.

V _возд = 29,9 м 3 /моль

После подстановки данных:

Д_{NH3 в возд} =0,208 * 10 -4 м 2 /с,

формула Уилки Чанга

V_а – атомный объем компонента,

ά – поправочный коэффициент,

μ – вязкость жидкости.

После подстановки данных:

βd/Д= 0,023(Wdρ/μ) 0.8 *(μ/ρД) 0,4 – массопередача

άd/= 0,023(Wdρ/μ) 0.8 *(С_р*ρ) 0,4 – теплопередача

после решения системы 2-х уравнений

Решая систему уравнений:

II М= у / -mу процесс растворения

Основное уравнение абсорбции

Коэффициент абсорбции или массопередачи:

F – коэффициент абсорбции

(у-mх)=∆у_ср – средняя движущая сила процесса абсорбции

Основное уравнение абсорбции:

Основное уравнение, с которого начинается расчет абсорбционного аппарата:

Реферат: Абсорбция 2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана

Кафедра «Химии и химической технологии»

По дисциплине «Основные процессы и аппараты химико-технологического производства»

Выполнил: студент группы ХТНВ-32

Проверил: Абдрахманова А.Г.

Области применения абсорбционных процессов………………………..4

Физическая сущность абсорбции…………………………………………7

Математическая модель абсорбции………………………………………8

Равновесие при абсорбции…………………………………………8

Материальный баланс процесса абсорбции…………………….12

Абсо́рбция (от латинского absorptio от absorbere — поглощать) — это явление поглощения сорбата всем объёмом сорбента. Абсорбция — частный случай сорбции.

Абсорбция, как правило, означает поглощение газов в объёме жидкости или реже твёрдого тела. Поглощение твёрдым абсорбентом, например, водорода палладием, называют окклюзией. Для процесса поглощения молекул газа или жидкости поверхностью твёрдого тела в русском языке используется термин адсорбция.

На практике абсорбции подвергают не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых поглощаются жидкостью. Эти составные части смеси называют абсорбируемыми компонентами (абсорбат), а непоглощаемые части — инертным газом.

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс — выделение растворенного газа из раствора — носит название десорбции.

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы — жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, поглотитель используется однократно. При этом в результате абсорбции получают готовый продукт, полупродукт или, если абсорбция проводится с целью санитарной очистки газов, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер — десорбер — абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) впроцессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. Пои этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, ав абсорбер подают свежий поглотитель.

Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом [1].

Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из этого, абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы) (рис. 1). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца., кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей.

Рисунок 1 – Пленочный абсорбер с плоскопараллельной (листовой) насадкой:

1 – пакеты листовой насадки;

2 – распределительное устройство

б) Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта развивается потоками газа. распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Тaкое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой. В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями [3].

Физическая сущность абсорбции

В абсорбционных процессах участвуют две фазы — жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Поэтому, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

Абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а не поглощаемые составные части — инертным газом.

Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, будет растворитель.

Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель не расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. При хемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом [2].

Протекание абсорбционных процессов характеризуется их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции, т. е. равновесие между жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.

Кинетика абсорбции , т. е. скорость процесса массообмена определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы). В абсорбционных аппаратах движущая сила, как правило, изменяется по их длине и зависит от характера взаимного движения фаз (противоток, прямоток, перекрестный ток и т. д.).

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции [5].

Области применения абсорбционных процессов

Области применения абсорбционных процессов в химической и смеж­ных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые, из этих областей указаны ниже:

1.Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO₃ в про­изводстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кис­лоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т. д. При этом аб­сорбция проводится без последующей десорбции.

2. Разделение газовых смесей для выделения од­ного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому
компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным
частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция).
При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом про­цессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из
коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза
природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после раз­ложения этилового спирта и т. п.

3. Очистка газа от примесей вредных компонентов.
Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления

примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от Н₂ S, очистка азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т. д.). Кроме того, произ­водят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO₂ ; очистка от С1₂ абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т. п.).

В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно исполь­зуют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют рас­твор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извле­каемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.

4. Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным со­ображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки га­зов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией приме­няют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими сообра­жениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента [3].

Математическая модель абсорбции

Равновесие при абсорбции

Равновесие между фазами. При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси) [4].

В случае растворения в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемый компонент А, носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф=2), число компонентов равно трем (К = 3) и, согласно правилу фаз, число степеней свободы системы равно трем.

Для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри парциальное давление р_А растворенного газа пропорционально его мольной доле х_А в растворе

(1)

или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью

(2)

где -парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х_А (в мол. долях); — концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равнор_А ; Е — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри.

Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы поглотителя и газа и от температуры, но не зависят от общего давления в системе.

Зависимость Е от температуры выражается уравнением

(3)

где q — дифференциальная теплота растворения газа; R — газовая постоянная; С — постоянная, зависящая от природы газа и поглотителя.

Рисунок 2- Растворимость газа в жидкости при различных температурах (t₁ >t₂ >t₃ и соответственно E₁ >E₂ >E₃ )

Для идеальных растворов на диаграмме р-х (рисунок 2) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равный Е — коэффициенту Генри. Из рисунка 1 и уравнения (3) следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значение Е и соответственно уменьшается, согласно уравнению (2), растворимость газа в жидкости.

Если у_А — мольная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р — общее давление в системе, то парциальное давление р_А , по закону Дальтона, можно выразить зависимостью

(4)

Подставив значение р_А в уравнение (1), получим

(5)

или закон Генри может быть представлен в форме

где т = E / P — коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Уравнение (5) показывает, что зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен т. Числовые значения величины т. зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри применим к растворам газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т. е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент т в уравнении (5) является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение (5) применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.

При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом:

(6)

где f ₀ — фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.

Для бинарных растворов величина f ₀ может быть найдена следующим образом:

(7)

где А – постоянная.

При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри. Так, например, при использовании относительных мольных концентраций выражение (5) можно записать в виде

откуда по правилу пропорций

(8)

Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации X газа в жидкости) можно принять (1 — т) X ≈ 0. Тогда знаменатель уравнения (8) обращается в единицу и уравнение принимает вид

(9)

При таком выражении закон Генри изображается прямой линией. Таким образом, уравнения (1), (2), (5), (8) и (9) являются различными выражениями закона Генри.

В случае абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости значительно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального. При этом парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т. е. является функцией большого числа переменных. Поэтому, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных.

Материальный баланс процесса абсорбции

Материальный баланс и расход абсорбента. Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях. Обозначим: G — расход инертного газа, кмоль/сек; Y _н и Y _к — начальная и конечная концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L — расход абсорбента, кмоль/сек; его концентрации Х_н и Х_к , кмоль/кмоль абсорбента. Тогда уравнение материального баланса будет:

(10)

Отсюда общий расход абсорбента (в кмоль/сек )

(11)

а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа)

(12)

Это уравнение можно переписать так:

(13)

Уравнение (13) показывает, что изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y — X рабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен .

Между удельным расходом абсорбента и размерами аппарата существует определенная связь. Через точку В с координатами Х_н и Y _к (рисунок 3) проведем, согласно уравнению (13), рабочие линии ВА, ВА₁ , ВА₂ , ВА₃ , отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным удельным его расходам. При этом точки А, А₁ , А₂ , А₃ будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Y _н газа в смеси.

Рисунок 3 — К определению удельного расхода абсорбента

В случае растворов небольшой концентрации для любого значения Х и выбранной величины l движущая сила процесса выражается разность ординат Y — Y * , изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия Y * = f ( X ). Для всего аппарата можно принять среднее значение ∆ Y _ср , величин: которого, например для рабочей линии BA ₁ изображена на рисунке отрезком ∆ Y _{ср 1} . Величина ∆ Y _ср будет тем больше, чем круче наклон рабочих линий и, следовательно, чем больше удельный расход абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако удельный расход абсорбента l при этом будет бесконечно большим (так как Х_к = Х_н ). Если же линия рабочих концентраций ВА₃ касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (l = l_min ), а движущая сила в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке рабочая концентрация равна равновесной. В первом случае размеры абсорбционного аппарата будут наименьшими при бесконечно большом расходе абсорбента, во втором — расход абсорбента наименьший при бесконечно больших размерах аппарата. Таким образом, оба случая являются предельными и практически неосуществимы.