3. Очистка от промышленных газовых выбросов

3.1. Общие сведения о массопередаче

В процессе очистки газов широко используют процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. При очистке газов в основном используют процессы массопередачи между газовой и жидкой фазами.

Поглощение газа жидкостью, т.е. процесс разделения, характеризующийся переходом вещества из газовой фазы в жидкую , называется абсорбцией . Обратный процесс, выделение газа из жидкости - десорбция. Жидкий поглотитель - абсорбент, поглощаемый газ - абсорбтив. Поглощение газа твердым пористым поглотителем, т.е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой фазы в твердую называется адсорбцией. Обратный процесс - десорбция, часто проводится после адсорбции с целью регенерации поглощенного вещества из поглотителя. Разновидностью адсорбции является ионный обмен - процесс разделения, основанный на способности ионитов обменивать свои подвижные ионы на ионы растворов. Если же газ (абсорбтив) образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Массопередача происходит обычно через границу раздела соприкасающихся фаз. Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т.е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.

Абсорбция относится к массопередаче, в которой участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, другое - вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами вещество. Вещества, составляющие каждую из фаз, являются лишь носителями распределяемого вещества, а сами не переходят из фазы в фазу. Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воздухом вода и воздух служат носителями распределяемого вещества (аммиака). Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называются также диффузионными процессами. Для диффузионных процессов принимают, что количество вещества приблизительно равно поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущую силу в процессе массопередачи выражают через разность концентраций.

Расчетные выражения движущей силы для процессов массоотдачи и массопередачи неодинаковы. Процессы массотдачи в большей части обратимы, т.е. могут протекать в противоположных направлениях в зависимости от температуры, давления и др.

Равновесие в системе газ - жидкость

Равновесие между жидкой и газовой фазами устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз, оно определяется термодинамическими свойствами извлекаемого компонента и поглотительного раствора и зависит от концентрации, температуры и давления фаз. Состав газовой и жидкой фаз может быть представлен следующими величинами (см. таблицу 3.1).

Таблица 3.1 - Способ выражения состава фаз

Способы выражения концентрации	Условные обозначения
Объемная концентрация (число кмоль или кг компонента в единице объема фазы )	С,кмоль/м3, кмоль/л	С, кг/м3, кг/л
Мольная или массовая доля компонента по отношению к общему количеству вещества в данной фазе: для газовой фазы для жидкой фазы	y, мольные доли x, мольные доли	y, массовые доли x, массовые доли
Относительные концентрации ( отношение кмоль или кг компонента к числу кмоль или кг носителя ): для газовой фазы для жидкой фазы	Y, кмоль/кмоль X, кмоль/кмоль	, кг/кг X, кг/кг
Парциальное давление компонента для газовой фазы	Рк, Па	-

Связь между указанными величинами описывается следующими выражениями.

1. Парциальное давление компонентов

, (3.1)

где Р - общее давление газовой среды;

y - концентрация компонента в газовой среде (в долях).

или . (3.2)

2. Парциальное давление инертного газа (газовой фазы)

. (3.3)

3. Объемная концентрация

, (3.4)

где Мк - мольная масса компонента.

4. Мольная доля компонента

, (3.5)

или . (3.6)

5. Относительная концентрация компонента

. (3.7)

6. Средняя мольная масса определяется соотношениями

для газовой фазы

, (3.8)

для жидкой фазы

, (3.9)

где Р - общее давление;

М_к - мольная масса компонента;

М_ОГ и М_ож - мольные массы носителя в газовой и жидкой фазах;

T - температура, К;

R - универсальная газовая постоянная;

_ж - плотность жидкости, кг / м³.

При абсорбции переход компонента из газовой фазы в жидкую продолжается до тех пор, пока парциальное давление компонента в газовой фазе не станет равным равновесному давлению этого компонента над раствором.

Состояние равновесия между концентрацией газа в газовой и жидкой фазах характеризуется константой фазового равновесия (коэффициент распределения), которая равна отношению концентрации компонента в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе

.

В зависимости от способа выражения концентрации в газовой и жидкой фазах константа фазового равновесия имеет следующий вид:

. (3.10)

Символы, обозначенные ( * ), относятся к равновесным концентрациям

компонентов, а индексы при константе фазового равновесия (m) относятся:

1-й - к единицам концентрации газовой фазы, 2-й - к единицам концентрации жидкой фазы.

Если единицы измерения концентрации газовой и жидкой фаз одинаковы, то ставится один индекс, а константа фазового равновесия безразмерна. Во всех остальных случаях (m) имеет размерность.

Примеры выражения константы фазового равновесия (m) в зависимости от единиц измерения концентрации компонентов в газовой и жидкой фазах представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Примеры выражения константы фазового равновесия

Выражение константы фазового равновесия	Выражение концентрации компонента
	в газовой фазе		в жидкой фазе
m с ( безразмерная)	С,	С,
mс ( безразмерная)	С,	С,
m cс ,	С,	С,
m рс ,	Р, Па	С,
m рс ,	Р, Па	С,
m рх , Па	Р, Па	Х, мольная доля
m р ( безразмерная)	Р, Па	Р, Па
m ух (безразмерная)	У, мольная доля	Х, мольная доля

Соотношение между константами фазового равновесия при различных способах выражения состава фаз приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Соотношение между константами фазового равновесия при различных способах выражения состава фаз

Вели чины	m с	m ух	m рх	m рс	m рс
m с	-
m ух		-
m рх			-
m рс				-
m рс					-

Здесь М_к - мольная масса компонента,

 _ж - плотность жидкости,

М_ж - мольная масса компонента,

Пример: определить константы фазового равновесия m_рх, m_ух, m_с и m_рс для системы диоксид серы - вода - воздух при следующих условиях:

температура 20⁰ С, давление 10² кПа, концентрация раствора х =3,55^.10^-3 - мольная составляющая, равновесное парциальное давление диоксида серы над раствором р* =0,813 кПа.

Из уравнения (3.10) = 0,813/ 3,55*10^-3 = 229 кПа.

По таблице 3.3 находим m_yx = = 2,29 (безразмерная),

m_с = = =1,69_*10^-3 ( безразмерная).

m_рс = = = 4,12 (м^3. Па/кмоль).

Значение М_ж определено из уравнению (3.9).