7.3. Абсорбция

Абсорбцией называют процессы поглощения газов или паров жидкостью. Для большинства случаев этот процесс обратимый, т. е. в определенных условиях, например при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой процесс называют десорбцией.

Сочетание абсорбции и десорбции позволяет создать непрерывные промышленные производства с многократным использованием жидкого поглотителя и выделением в чистом виде вещества, поглощенного из парогазовой смеси.

В пищевых производствах процессы абсорбции занимают значительное место. Например, при производстве спирта из образующегося в результате брожения углекислого газа абсорбцией улавливают пары спирта, а затем очищенный газ сжижают для использования в других производствах.

Процесс насыщения минеральной воды и других многочисленных напитков углекислым газом, в специальной технологии называемый сатурацией, в действительности служит классическим примером процесса абсорбции.

Закон Генри. Равновесие при абсорбции. Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств газа и жидкости, температуры и парциального давления поглощаемого газа в газовой смеси над поверхностью жидкости.

Для примера рассмотрим разделение бинарной газовой смеси, состоящей из компонентов и . Пусть жидкость поглощает компонент А. Определим число степеней свободы для этой системы, воспользовавшись правилом фаз:

,

где:

— число фаз; — число степеней свободы; — число компонентов.

Для нашего примера , так как в процессе участвуют две фазы: газ и жидкость. Число компонентов , газовые компоненты и и третий компонент — поглощающая жидкость.

Тогда число степеней свободы для рассматриваемого примера равно:

.

Три степени свободы здесь — три переменных параметра: температура, давление и концентрация. Изменение любого из них нарушает установившееся равновесие.

В состоянии равновесия, при постоянных температуре и общем давлении, концентрации компонента в газовой смеси соответствует определенная концентрация этого компонента в жидкости.

Этот закон, известный как закон Генри, записывается следующим уравнением:

. (7.40)

Здесь вместо концентрации компонента в газовой смеси используется пропорциональное ей парциальное давление этого компонента в смеси , Па; — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом или константой Генри; — концентрация компонента в жидкости, молярные доли.

Величина константы Генри зависит от свойств газа и жидкости, их температуры и не зависит от общего давления.

Для идеальных растворов на диаграмме (рис. 7.12) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой линией с угловым коэффициентом, равным .

При неизменном общем давлении и концентрации компонента константа увеличивается с повышением температуры, что ведет к уменьшению растворимости газа в жидкости.

Это следствие из закона Генри демонстрируется каждый раз в быту при подогреве воды. Из холодной воды в кастрюле, поставленной на огонь, вначале выделяются пузырьки газа, которые можно легко заметить на стенках кастрюли. Подобно из свежей водопроводной воды, налитой в стакан, интенсивно выделяются газы, делая воду вначале непрозрачной. Это связано с резким уменьшением давления в воде. В городской водопроводной сети поддерживается давление на уровне (2...4)10⁵ Па, а давление воды в стакане равно атмосферному. Уменьшение общего давления ведет к уменьшению парциальных давлений компонентов, что соответствует закону Дальтона:

. - (7.41)

Общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений составляющих смесь компонентов.

Из закона Дальтона следует, что парциальное давление компонента пропорционально общему давлению и его концентрации:

(7.42)

Подставив последнее уравнение (7.42) в уравнение закона Генри (7.40), получим:

(7.43)

Заметим, что закон Дальтона, сформулированный для парциальных давлений и пропорциональных им концентраций и , справедлив и для равновесных парциальных давлений и и соответствующих им равновесных концентраций и .

Закон Генри может быть представлен в следующей записи:

(7.44)

где — коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Графически уравнение (7.44) представляет собой прямую, проходящую через начало координат с угловым коэффициентом . Численное значение и, следовательно, угол наклона прямой равновесия зависят от температуры и давления в системе. С ростом давления уменьшается, а с повышением температуры — увеличивается. Соответственно растворимость газов увеличивается с ростом давления и понижением температуры.

Если равновесная система состоит из жидкости и смеси газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закону Генри подчиняются газы, критические температуры которых выше температуры раствора. С другой стороны, закон Генри справедлив для идеальных растворов и с достаточной точностью ему следуют сильно разбавленные растворы. Для систем, не подчиняющихся закону Генри, коэффициент в уравнении (7.44) — величина переменная, а кривую равновесия для них строят по опытным данным.

Абсорберы. В пищевых производствах применяют следующие группы абсорберов: с механическим перемешиванием, поверхностные, распылительные, плёночные и барботажные. На крупных предприятиях используют колонны с барботажными тарелками и насадочные. Устройство колонных аппаратов подробно обсуждалось в предыдущей главе. Остановимся здесь на устройстве абсорберов других типов.

Абсорберы с механическим перемешиванием используют для насыщения углекислым газом минеральных вод и других напитков на установках небольшой производительности. В таком абсорбере (рис. 7.13) жидкость подается в нижнюю часть аппарата, называемую ванной, а вращающиеся на горизонтальном валу перфорированные диски захватывают жидкость и поднимают ее вверх. Жидкость заполняет отверстия в дисках и образует пленки на их поверхности. Под действием центробежной силы с дисков срываются капельки и заполняют пространство аппарата над уровнем жидкости. Газ подается в верхнюю часть аппарата и вступает в контакт с капельками и пленками жидкости. Для поддержания высокой скорости поглощения газа аппараты снабжают рубашками, куда подают охлаждающую воду.

Плёночный трубчатый абсорбер (рис. 7.14) напоминает кожухотрубный теплообменный аппарат. Охлаждающая вода подается в межтрубное пространство. Поглощающая жидкость поступает на верхнюю трубную решетку и в виде пленки стекает по внутренней поверхности труб. Газ подводится под нижней трубной решеткой и по трубам проходит вверх.

Распылительный абсорбер устроен аналогично распылительному конденсатору (рис. 7.15). Газ подается снизу, а поглощающая жидкость распыляется по зонам с помощью специальных сопел. Очищенный газ отводится сверху, а жидкость — снизу.

Абсорбционные колонны с псевдоожижённым слоем — современные высокоэффективные аппараты (рис. 7.16). Колонна разделена по высоте ситчатыми тарелками (на рис. 7.16 показаны только две тарелки). Нижняя тарелка — опорная для слоя шарообразной насадки из оргстекла или другого полимерного материала. Плотность насадки не должна превышать плотности поглощающей жидкости, поэтому часто шары диаметром от 7 до 75 мм делают полыми. При определенной скорости газа, подаваемого под нижнюю тарелку, слой насадки переходит в состояние псевдокипения, обеспечивая совершенное перемешивание фаз. Поглощающую жидкость распыляют над верхней тарелкой со слоем псевдокипящей насадки. Очищенный газ отводится из колонны сверху, а жидкость — снизу. Колонны с псевдоожиженным слоем насадки имеют более высокие КПД, чем обычные насадочные или барботажные колонны с колпачковыми тарелками.

Расчет абсорберов. Этот расчет выполняют в несколько этапов.

Материальный баланс. Определение расхода жидкого поглотителя. Обозначим: — расход газовой смеси, кмоль/с; и — начальная и конечная концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси, кмоль/кмоль смеси; — расход жидкого поглотителя, кмоль/с; и — начальная и конечная концентрации извлекаемого компонента в жидком поглотителе, кмоль/кмоль поглотителя.

Воспользуемся уравнением материального баланса процесса массопередачи (7.7):

.

Удельный (на 1 кмоль газовой смеси) расход жидкого поглотителя составит:

(7.46)

или

. (7.47)

Последнее уравнение, как и уравнение (7.11), на диаграмме равновесия (рис. 7.17) изображается прямой, угол наклона которой зависит от удельного расхода жидкого поглотителя. Это значит, что влияет на размеры аппарата.

Рассмотрим предельные положения рабочей линии АВ с принятыми нами начальными и конечными концентрациями фаз (см. рис. 7.17). При возрастании удельного расхода поглотителя увеличивается угол наклона рабочей линии, который в пределе может достичь 90°, и рабочая линия примет вертикальное положение. Как мы уже знаем, движущая сила процесса массопередачи тем больше, чем дальше рабочая линия отстоит от линии равновесия. Следовательно, средняя для процесса движущая сила увеличивается по мере её приближения к вертикали. При этом удельный расход поглотителя стремится к бесконечности в процессе для которого разность равна нулю.

Минимальный расход поглотителя достигается в процессе , когда рабочая линия в точке пересекает линию равновесия. В этом случае средняя движущая сила резко уменьшается, так как в выходном для газа сечении (точка ) движущая сила равна нулю. Значение можно рассчитать по уравнению (7.46), подставив вместо равновесную концентрацию .

Для реального аппарата удельный расход поглотителя всегда больше , так как , и его рассчитывают с учетом коэффициента запаса поглотителя, определяемого экспериментально.

Заметим, что возрастание удельного расхода абсорбента, хотя и приводит к уменьшению высоты аппарата, влечет за собой увеличение его диаметра. Это связано с тем, что с ростом увеличивается общий расход поглотителя .

Оптимальное значение расхода поглотителя может быть получено только в результате многовариантного расчета для разных с учётом всех возникающих затрат.

Тепловой баланс и определение температуры абсорбента. Абсорбция газов сопровождается выделением теплоты и повышением температуры фаз, что снижает движущую силу. Поэтому для поддержания высокой скорости процесса необходимо отводить теплоту.

В наших расчетах можно пренебречь нагреванием газа и считать, что вся выделяющаяся при абсорбции теплота затрачивается на повышение температуры жидкости.

Пусть линия равновесия при начальной температуре входящей в аппарат жидкости представляет собой прямую (рис. 7.18). Точка на прямой соответствует равновесным концентрациям и при температуре жидкости . По мере нагревания жидкости увеличивается угол наклона прямой равновесия [см. уравнение (7.44)]. Построим ординату для некоторой точки на новой прямой равновесия, соответствующей температуре жидкости . Для температуры жидкости условия равновесия ( и ) представлены точкой и т. д. В результате при повышении температуры жидкости равновесие системы (при постоянном давлении) будет представлено кривой .

Температуру жидкой фазы в произвольно выбранном сечении аппарата можно найти из уравнения теплового баланса для части аппарата, расположенной между этим сечением и крайним верхним, где подводится жидкость с начальной температурой :

, (7.49)

где:

— дифференциальная теплота растворения газа, кДж/кмоль; — количество газа, поглощенного в рассматриваемой части абсорбера, кмоль/с; — расход жидкого поглотителя, кмоль/с; — удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг ∙ К).

С другой стороны, из материального баланса следует, что

.

Подставив значение в уравнение (7.49), получим:

. (7.50)

Решая уравнение (7.50) относительно , получим формулу для расчета температуры жидкости в любом сечении аппарата:

.

По этой формуле можно рассчитать — температуру жидкости на выходе из аппарата, а затем и количество теплоты, которое необходимо отводить.

Определение числа ступеней изменения концентрации. На диаграмме равновесия для идеальной двухфазной системы жидкость — газ (рис. 7.19) построим рабочую линию процесса абсорбции в соответствии с уравнением (7.47).

Отметим на рабочей линии точку 1, соответствующую начальной концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси . В этом же сечении аппарата находится жидкость, рабочую концентрацию которой узнаем, опустив перпендикуляр из точки 1 на ось . Отметим цифрой 2 точку пересечения перпендикуляра с прямой равновесия. Проведя горизонталь через точку 2, получим значение рабочей концентрации на выходе из первой ступени изменения концентрации и точку 3 на рабочей линии. Отрезок прямой между точками 2 и 3 соответствует одной ступени изменения концентрации.

Продолжая подобные построения, определим необходимое число ступеней изменения концентрации для извлечения компонента при заданных начальной и конечной концентрации и и удельном расходе поглотителя .

Определение размеров абсорбера. Высоту насадочных колонн или барботажных колонн с тарелками определяют по уравнению:

,

где:

— высота колонны, м; — число ступеней изменения концентрации; — эквивалентная высота, соответствующая одной ступени изменения концентрации, м.

Эквивалентную высоту находят в соответствующих справочниках для конкретных газов и поглотителей в зависимости от типа насадки или типа тарелки.

Для аппаратов с мешалками подобным образом определяют рабочий объем (м³), если известен эквивалентный объем (м³) для одной ступени изменения концентрации:

.

Диаметр колонны можно определить из уравнения расхода для газа:

, а затем ,

где:

— объемный расход газа, м³/с; — допустимая средняя рабочая скорость подъема газа, м/с; — площадь живого сечения, свободного для прохода газа, м².

Сделаем некоторые пояснения относительно средней рабочей скорости газа. Скорости движения жидкой и газовой фаз, от которых зависит производительность колонны, не могут быть выбраны произвольно. Скорость движения жидкости выбирают таким образом, чтобы обеспечить равномерное орошение всей поверхности насадки или равномерное заполнение всех тарелок. Излишне малая скорость движения газа не только приведет к падению удельной производительности, но и значительно уменьшит коэффициент массопередачи. Увеличение скорости газа может привести к «захлебыванию» колонны. Так называют явление, при котором из-за возрастания гидравлического сопротивления жидкость заполняет часть свободного пространства аппарата, вызывая прекращение движения газа. Для каждого вида насадки и типа тарелок имеются свои допустимые средние скорости движения газа. Они определены экспериментально и рекомендованы соответствующими справочниками.

Контрольные вопросы и задания. 1. Как связаны парциальное давление компонента газовой смеси и его концентрация в жидкости? 2. Имеет ли размерность константа Генри? 3. Поясните понятие «удельный расход поглотителя». 4. Почему необходимо отводить теплоту из абсорбера? 5. Как выбирают среднюю скорость газа в колонных абсорберах?