4.4 Кинетика абсорбции, сопровождаемой химической реакцией

Протекание химической реакции в процессе абсорбции оказывает влияние как на равновесие между фазами, так и на кинетику абсорбции. Процессы абсорбционной очистки выхлопных и вентиляционных газов – это в основном хемосорбционные процессы.

При протекании химической реакции в жидкой фазе между растворенным газообразным компонентом и поглотителем часть компонента переходит в связанное состояние, вследствие чего его концентрация в жидкости снижается. Концентрационный градиент возрастает, скорость абсорбции выше по сравнению с физической абсорбцией. Чем выше скорость химической реакции, тем больше скорость абсорбции. При высоких скоростях химической реакции ускорение абсорбции может быть настолько большим, что сопротивление процессу со стороны жидкой фазы приближается к нулю. При очень малых скоростях химической реакции абсорбцию можно рассматривать как физическую абсорбцию.

Рассмотрим закономерности абсорбции, сопровождаемой химической реакцией, на основе наиболее наглядной пленочной модели процесса. При медленной химической реакции (рис. 4.4), когда скорость реакции настолько мала, что за время диффузии абсорбируемого компонента А через пленку его химическим превращением можно пренебречь, можно считать, что реакция протекает только в жидкой фазе. Количество компонента, диффундирующего через пленку и реагирующего в массе жидкости, одинаково и поэтому его можно определить по уравнению

, (4.27)

где – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; –значение концентрации компонента А у границы раздела фаз; – концентрация компонента в массе жидкости; – равновесная реакция; V – объем находящейся в аппарате жидкости на 1 м² поверхности контакта; К_n – константа скорости реакции n-го порядка по отношению к А (точнее псевдо-n-го порядка), с учетом что (при медленной реакции) концентрация компонента В_ж в реакции А + qB  С близка к постоянной.

Конкретные выражения уравнения (4.27) зависят от порядка реакции. При кинетическом режиме и реакции первого порядка и скорость процесса определяется только скоростью реакции в массе жидкости. При диффузионном режиме и уравнение аналогично уравнению для физической абсорбции. В этом случае скорость реакции достаточно велика, чтобы поддерживать в массе жидкости равновесную концентрацию А.

Р

Рис. 4.4. Распределение концентраций в фазах при абсорбции, сопровож- даемой химической реакцией в жидкой фазе: а – медленная реакция (кинетический режим); b – медленная реакция (диффузионный ре- жим); с – быстрая реакция; рр – граница раздела фаз; гг – граница ос- новной массы газа и газовой пленки; жж – граница жидкостной пленки и основной массы жидкости; А₀ и В₀ – концентрации компо- нентов в основной массе жидкости; ^_______ – условное обозначение кривой компонента; ------ – условное обозначение кривой активной части поглотителя

аспределение концентраций в фазах для рассмотренных случаев показано на рис. 4.4.

В случае быстрой реакции она протекает в основном в пленке (рис. 4.4-с). При мгновенной реакции считают, что в результате взаимодействия компонентов у границы раздела фаз образуется слой, содержащий продукт реакции. Скорость процесса определяется диффузией продуктов реакции через слой, а также диффузией компонента В. С увеличением концентрации В скорость абсорбции возрастает, а уменьшается. При достаточно большой С_В величина становится равной нулю, т.е. сопротивление процессу оказывает только газовая фаза.

Для расчетов используют уравнение

, (4.28)

где – коэффициент массопередачи, отнесенный к газовой фазе; С_г – концентрация компонента в газовой фазе; m – константа фазового равновесия ; – коэффициент ускорения при мгновенной реакции, определяемый из соотношения .

Примерами промышленных процессов, в которых абсорбция сопровождается медленной реакцией, является поглощение СО₂ водными растворами карбонатов натрия или калия. Примером быстрой реакции служит поглощение СО₂ растворами едкого натра или калия. Примерами мгновенной реакции является поглощение аммиака кислотами или оксида серы (IV) растворами щелочей.

При проведении процессов абсорбции возможны случаи взаимодействия компонентов газовой фазы между собой или взаимодействия компонента газовой фазы с парами раствора поглотителя. Примером первого случая может быть поглощение оксида азота (II) растворами щелочей или серной кислоты. Процесс абсорбции протекает через стадию окисления NO в газовой фазе кислородом до N₂O₃ с последующим поглощением N₂O₃ растворами. Реакция окисления NO медленная и содержание в газе N₂O₃ зависит от скорости окисления NO, что замедляет абсорбцию.

Если при взаимодействии компонента газовой фазы с парами поглотителя образуется, в условиях процесса, жидкий продукт реакции, то он конденсируется в виде тумана. Образование тумана при абсорбции весьма нежелательно, так как туман плохо улавливается при абсорбции и поэтому устанавливают дополнительно электрофильтр. Примером подобных процессов может служить поглощение SO₃ разбавленными растворами серной кислоты или поглощение P₂О₅ водой или водными растворами фосфорной кислоты.

Знание лимитирующей стадии процесса абсорбции позволяет определить условия наиболее эффективного проведения процесса, его гидродинамику, осуществлять выбор соответствующих аппаратов, методов перемешивания фаз и т.д.