4.2 Материальный и тепловой балансы абсорбции

Для определения количества поглощенного компонента газовой смеси и требуемого для поглощения количества раствора составляют материальный баланс процесса, исходя из того, что количество поглощенного компонента, в самых простых случаях, равно убыли его в газовой фазе и прибыли в жидкой фазе. Наиболее широко в процессах очистки газов используется противоточный способ контакта фаз, причем поглотитель считают нелетучим. Схема материального баланса показана на рис. 4.1.

Для абсорбционных аппаратов, работающих в противоточном режиме, можно записать для единицы времени

, (4.14)

г

Рис. 4.1. Схема материального баланса и построения рабочей линии при противоточном движении фаз: ОС – линия равновесия; АВ – рабочая линия

де G – количество газовой фазы; L – количество жидкой фазы; y – концентрация компонента в газовой фазе; x – концентрация его в жидкой фазе; W_A – количество поглощенного компонента.

Индекс 1 относится к расходам и концентрациям на стороне входа газа, а индекс 2 – на стороне выхода газа. При тех же обозначениях уравнение материального баланса общих количеств газовой и жидкой фаз имеет вид

. (4.15)

Если выразить расходы в кмоль/с, а концентрации Y и Х в мольных долях, то также выражается в кмоль/с. Принято расходы жидкости и газа выражать через количества носителей (поглотителя и инертного газа), которые не изменяются в процессе, если поглотитель не летуч. Тогда

(4.16)

где G₀ ,L₀ – расходы инертного газа и жидкого носителя, причем

,

.

При заданных начальных и конечных концентрациях обеих фаз по уравнению (4.16) можно найти расход поглотителя , а также отношение :

. (4.17)

Из последнего уравнения следует, что отношение принимает при противотоке положительное значение, а его абсолютное значение равно удельному расходу поглотителя. При нелетучем поглотителе, количество компонента в единицу времени, равно изменению расходов газа и жидкости при прохождении их через аппарат, т.е.

, (4.18)

Выражая через расходы жидкой или газовой фаз, получаем уравнения, удобные для определения по заданным расходам и концентрациям компонента в газе или жидкости.

, . (4.19)

Подобные уравнения материального баланса можно составить для любой части аппарата, например, для сечения ММ, в котором расходы фаз равны G и L, а концентрации компонентов x и y:

. (4.20)

При нелетучем поглотителе имеем:

,

и тогда

. (4.21)

Подставляя эти значения G и L в уравнение (4.20) и решая относительно у, получаем:

, (4.22)

где через обозначено отношение на стороне газа

.

Из уравнений (4.21) можно найти отношение для любого сечения абсорбера:

. (4.23)

Уравнение (4.22) выражает зависимость между концентрациями компонента в фазах y и x в произвольном сечении аппарата и является уравнением рабочей линии, т.е. линии АВ рис. 4.1. Равновесная линия ОС строится на основе равновесных данных в исследуемой системе. При абсорбции концентрация компонента в газовой смеси выше равновесной, и рабочая линия располагается выше равновесной. В реальных процессах рабочая линия никогда не пересекается с равновесной, так как это означало бы достижение равновесия, что возможно только при бесконечно большой поверхности контакта фаз.

Растворение компонента газа при абсорбции обычно сопровождается выделением теплоты, в том числе за счет тепла растворения и разведения, а также теплоты химического взаимодействия. Если обозначить энтальпии газа и жидкости через J и i , то уравнение теплового баланса имеет вид:

, (4.24)

где Q₀ – тепло, отводимое в процессе абсорбции, включая потери в окружающую среду.