Тема 3. Фізико-хімічні основи процесів абсорбції та їх апаратна реалізація
Абсорбцією називають процес поглинання газу (абсорбтива) рідким поглиначем (абсорбентом). Розрізняють фізичну абсорбцію і хемосорбцію. Фізична абсорбція, при якій розчинення газу не супроводжується хімічною реакцією, в більшості випадків оборотний процес. Це обумовлює процес виділення поглиненого газу з розчину – десорбцію. Абсорбція, яка ускладнена хімічною реакцією, називається хемосорбцією.
Сфери застосування процесів абсорбції, що відбуваються зазвичай|звично| в колонних| апаратах, в хімічній та інших галузях промисловості досить| широкі|величезні|. Головне цільове призначення цих процесів – вилучення|видобування| цінних|коштовних| компонентів з|із| газових сумішей і очищення|очистка| даних сумішей від шкідливих домішок|нечистот|.
Принципова схема процесу абсорбції показана на рис. 62. На схемі прийняті позначення: G, L – витрати газу і рідини в абсорбері; у, х – концентрації розподіляючого компоненту в газовій і рідкій фазах відповідно на вході в апарат і виході з нього.
Рис. 62. Принципова схема процесу абсорбції
Основні рівняння процесу. Згідно|згідно з| правила фаз:
, (202)
де Ф – число фаз, С – число ступенів вільності, К – число компонентів системи, у випадку абсорбції Ф = 2, і число параметрів, які визна-чають стан системи, дорівнює числу її компонентів, тобто С = К = 3.
Рівняння лінії рівноваги буде:
, (203)
де р – парціальний тиск компоненту в газовій фазі; с – мольна частка компоненту в рідкій фазі; Р – загальний тиск в системі; t – температура.
Для ідеальних систем це рівняння має вигляд:
, (204)
де H – коефіцієнт Генрі.
Для практичних розрахунків користуються рівнянням, записаним таким| чином:
, (205)
де М, МГ, МР – молекулярні маси компоненту, що абсорбується, газу і рідини.
При побудові|шикуванні| лінії рівноваги для реальних систем як правило|звично| використовують довідкові дані про розчинність. Склади газової і рідкої фаз виражають|виказують| різними способами.
Рівняння робочої лінії запишеться:
. (206)
Для реальних умов абсорбції, коли концентрації компоненту в газовій| і рідкій фазах невеликі (до 10%), це рівняння має вигляд:
. (207)|вид|
Області робочих умов процесу показані на рис. 63. Якщо робоча лінія знаходиться|перебуває| в області I, то відбувається|походить| абсорбція, якщо в області II – десорбція.
Рис. 63. Області робочих умов процесу абсорбції
Рівняння швидкості процесу має вигляд:
, (208)
,
(209)
причому тут l – довжина (висота) зони контакту; Kyα; Kxα – об'ємні коефіцієнти масопередачі у фазах (α – питома поверхня контакту фаз); у*, х* – рівноважні концентрації.
Швидкість процесу абсорбції може бути виражена також висотою одиниці перенесення (ВОП), що відповідає висоті hе апарату, еквівалентній одному теоретичному ступеню розділення (одній теоретичній тарілці). Позначаючи загальну ВОП в концентраціях фаз через h0y і h0x, число одиниць перенесення - через N0y і N0x, число теоретичних тарілок – через Ne, висоту апарату – через lК і vt; і зміни концентрацій для всього апарату – через уп, ук і хп, хк:
(210)
або
(211)
де
Якщо відношення
і
не змінюються по висоті апарату, то
знаходимо:
;
,
де S – площа|майдан| поперечного перерізу абсорбера.
У випадку, коли концентрація компоненту в газі на виході з|із| апарату невелика і лінія рівноваги і робоча лінія можуть бути прийняті прямими, справедливий вираз:
, (212)|
в якому (L/G)K і mK – співвідношення потоків і тангенс кута нахилу лінії рівноваги в кінці апарату.
Залежності між Kyα i Kxα, а також між h0y і h0x мають такий вигляд:
, (213)
. (214)
Співвідношення між загальною ВОП (h0y або h0x) і висотами одиниць перенесення у фазах (hy і hx) будуть:
,
(215)
. (216)
Основні параметри процесу показані на рис. 64.
Рис. 64. Основні змінні процесу в насадочному абсорбері|насадження|:
а – вхідні змінні; б – вихідні змінні; в – параметри, що визначають умови протікання процесу (тут μ і Н – в'язкість і утримуюча здатність)
Отже, в задачах управління можна виділити змінні, що характеризують процес абсорбції, вхідні, вихідні та проміжні змінні.
Вхідні: висота зони контакту; вхідна концентрація компоненту в газовій суміші; вхідна концентрація компоненту в поглиначі; витрата поглинача.
Проміжні: загальний тиск в системі; в’язкість поглинача; утримуюча здатність поглинача; парціальний тиск компонента в газовій фазі, температура.
Вихідні: вихідна концентрація компоненту у газовій фазі; вихідна концентрація компоненту у поглинаючі; різниця тиску на виході з колони, температура.