Определение явления абсорбции и его применение

    Некоторые данные о растворимости газов приведены в таблице, где газы и растворители расположены в порядке возрастания энергетических параметров и потенциала Леннард-Джонса. Эти параметры могут быть использованы для приближенной оценки растворимости газов при низких давлениях по уравнению:  

   

где - растворимость в 1 м3 газа, приведенная к нормальным условиям (20 °С, 0,1 МПа) на 1 м3 абсорбента; kв - константа Больцмана; Р0, T0-соотв. давление и температура при нормальных условиях; Р, Г-то же при рабочих условиях. Растворимость умеренно растворимых газов в данном растворителе возрастает линейно с увеличением

    Ниже приведены значения параметров потенциала Лен-нард-Джонса (в К) для газов и жидкостей:

  

    Тепловой эффект растворения газов линейно изменяется с увеличением ; соответственно растворимость плохо растворимых газов , в основном Не, Ne, H2, N2, CO, Аr, О2 и NO, с возрастанием температуры увеличивается (за исключением водных растворов), а растворимость хорошо растворимых газов уменьшается. Типичные примеры для бесконечно разбавленных растворов приведены на рис. 2. Раство-римость таких газов, как H2S, COS, SO2, HC1, NH3, C12, обычно значительно выше, чем рассчитанная по уравнению (1), вследствие специфичного взаимодействия с молекулами растворителя.

    При хим. абсорбции поглотительная способность абсорбента (емкость, соответствующая предельному количеству газа, который поглощается единицей объема абсорбента) и больше, чем при физ. абсорбции. При необратимой реакции (напр., при поглощении СО2 растворами NaOH с образованием Na2CO3) равновесное давление газа над раствором равно нулю, пока в растворе есть не прореагировавший абсорбент, и поглотительная способность определяется стехиометрией реакции. При обратимой реакции давление газа над раствором равно нулю, но по сравнению с физ. абсорбцией резко изменяется характер зависимости растворимости газа от давления (рис. 1, кривые 4,5). Так в простейшем случае, когда в растворе происходит только одна реакция и активности компонентов раствора равны их концентрациям, имеем:  

                         (2) 

где Кх = AsKфKр - константа равновесия системы газ-жидкость; Кр — константа равновесия реакции; - равновесная степень превращения абсорбента; x1- начальная концентрация абсорбента; h-число молей продуктов реакции на 1 моль прореагировавшего газа; j-число молей абсорбента, вступивших во взаимодействие с 1 молем растворенного газа; A5-коэффициент, зависящий от стехиометрии.

    Коэффициенты ускорения абсорбции могут быть достаточно велики. Так, в случае поглощения СО2 в насадочной колонне при одинаковых нагрузках по фазам, температуре и давлении, используя 2 н. водный раствор КОН (15% К содержится в растворе в виде карбоната), можно получить по сравнению с физ. абсорбцией СО2 водой. Гипотетически идеальный растворитель, не обладающий сопротивлением переносу в жидкой фазе и имеющий бесконечно большую реакционную способность, обеспечил бы

    Увеличение и (иногда в несколько раз) может происходить под влиянием поверхностной конвекции, вызываемой локальными градиентами поверхностного натяжения, которые возникают в ряде случаев в результате массоотдачи, особенно при одновременном протекании реакций (например, при абсорбции СО2 водными растворами моноэтаноламина). Это необходимо учитывать при подборе новых хемосорбентов. Значение, если реакция приводит к возникновению поверхностной конвекции, следует определять на основе коэффициента массоотдачи при физической абсорбции, найденного в условиях воздействия на процесс конвективных микропотоков вблизи границы раздела фаз.

    При расчете скорости абсорбции часто используют коэффициент массопередачи, определяемые по гипотетическим поверхностным составам и, следовательно, по гипотетическим движущим силам. Обычно принимают, что коэффициент массопередачи, отнесенный к концентрации в газе, Кг [кмоль/(м2 *МПа*с)] обусловлен движущей силой (у2-у*2), где у*2-молярная доля поглощаемого компонента в газе, которая отвечает равновесию с жидкостью, имеющей средний объемный состав х2; у2 -средний объемный состав газа в данном сечении аппарата. Тогда получим:

 

Аналогично можно  найти движущую силу (x*2 — х2) и коэффициент массопередачи Кж. Из выражений (2) и (3) следует:  

 

где т = (y2,гр — y*2)/(x2,гр - х2)-наклон равновесной линии в интервале концентраций от х2, у2до x2,гр, y2,гр. Выражение (4) записано для локального коэффициент массопередачи и показывает, что этот коэффициент зависит от наклона линии равновесия. Наиболее удобно рассчитывать коэффициент массопередачи по уравнению (4) в случаях, когда наклон равновесной линии остается почти постоянным в рабочем интервале концентраций. При искривленной линии равновесия необходимо учитывать зависимость m от концентрации.  

Абсорбцию осуществляют в массообменных аппаратах, называемых абсорберами,-тарельчатых, насадочных (устаревшее название-скрубберы), пленочных, роторно-пленочных и распылительных. Схема материальных потоков в абсорбере представлена на рис. 3. Связь между концентрациями поглощаемого компонента в газе у2 и в жидкости в любом горизонтальном сечении аппарата находят из ур-ния материального баланса (так называемое уравнение рабочей линии). В общем случае это уравнение имеет вид:  

   

где L и G-расходы  жидкости и газа. Когда объемы фаз  в ходе абсорбции изменяются незначительно, рабочая линия-прямая:  

   

Здесь индексом "н" обозначается нижнее сечение противоточного абсорбера или десорбера.  

Существенное  влияние на ход рабочей и равновесной [у* =f(x*2)] линий могут оказать тепловые эффекты абсорбции. Ход рабочей  линии может сильно зависеть от интенсивности испарения растворителя (особенно при десорбции). Если абсорбция сопровождается значительным выделением теплоты, а кол-во абсорбированного вещества достаточно велико, растворитель может сильно нагреваться при прохождении через колонну. Примеры: осушка воздуха с помощью концентрированной H2SO4, растворение НС1 в воде при получении концентрированной соляной кислоты. Температурный режим абсорбера, от которого зависят равновесное давление поглощаемого компонента, т.е. движущая сила процесса, физико-химические свойства системы и ход рабочей линии рассчитывают по уравнению теплового баланса абсорбера.

 

   

 

Рис. 3. Схема  материальных потоков в абсорбере и ход рабочей и равновесной линий (а -при противотоке, б-при прямотоке): ЛВ-рабочая линия; ОС- равновесная линия; и -движущая сила соотв. в газовой фазе в верх, и нижних сечениях абсорбера и в газовой и жидкой фазах на ступени.  
 

При отсутствии внеш. подвода или отвода теплоты, при одинаковых температурах газа и жидкости и без учета испарения и конденсации абсорбента и теплот растворения др. газов изменение температуры абсорбента в любом сечении абсорбера составляет:  

,  

где Ср - теплоемкость раствора, - изменение концентрации газа в рассматриваемом сечении. Обычно принимают, что температура жидкости на межфазной границе и в объеме одинаковая. Поскольку наиб. концентрация растворенного газа и соотв. наиб. тепловыделение наблюдаются вблизи поверхности контакта фаз, температура межфазной поверхности, определяющая истинное равновесие, часто существенно отличается от температуры объема жидкости. Методы учета этого явления разрабатываются.  

Чтобы вычислить  поверхность массообмена F, необходимую для обеспечения желаемого изменения состава газа в абсорбере, можно использовать локальные значения скорости массопередачи [см. уравнение (3)1 совместно с уравнением материального баланса по абсорбируемому компоненту. При постоянстве коэффициента массопередачи по высоте аппарата:  

 

где G-мольная  массовая скорость газа, кмоль/(м2*с);  

   

No,r - общее число единиц переноса в газовой фазе:

Этот важный параметр зависит только от технологического режима процесса, определяется положением рабочей и равновесной линий и показывает, как влияет движущая сила абсорбции на высоту аппарата. Число единиц переноса, а следовательно, и высота абсорбера, бесконечно велики, если абсорбер работает при минимальном количес-тве циркулирующего абсорбента. При увеличении габариты аппарата уменьшаются, но возрастают расход энергии и степень растворения плохо растворимых компонентов газовой смеси, что приводит либо к их потере и загрязнению извлекаемого газа, либо к дополнит. затратам на разделение растворенных газов.  

При расчете  абсорберов, особенно тарельчатых, часто  используют понятие эффективности  ступени, или степени приближения  к равновесию . Эту величину можно определить как отношение фактически реализованного изменения состава к изменению, которое произошло бы при достижении равновесия:  

 

где индексом "в" обозначается верх. сечение противоточного аппарата.

Во мн. типах  ступенчатых контактных устройств достигнута . Это означает, что при мат. анализе таких устройств правомерно использовать понятие о равновесной ступени. Рассчитав число теоретических тарелок и зная эффективность ступени , можно определить число реальных ступеней, необходимых для обеспечения заданной степени разделения.

Основы технологии абсорбционных процессов. Абсорбцию  часто осуществляют в виде абсорбционно-десорбционного цикла (циклический процесс), однако стадия десорбции может отсутствовать, если в результате абсорбции получают готовый продукт или регенерация поглотителя невозможна (разомкнутый процесс). На рис. 4 приведена одна из простейших схем абсорбционного разделения газов. Для снижения расхода энергии иногда применяют двух- и многопоточные схемы с отводом грубо- и тонкорегенерированного растворов в разных сечениях десорбера и подачей их в различ-ные точки абсорбера либо направляют насыщенный раствор абсорбента в разные точки десорбера и т.п.

 

Рис. 4. Принципиальная схема абсорбционно-десорбционного цикла: 1 -абсорбер; 2-насос; 3-десорбер; 4 - холодильник; 5-теплообменник; 6-кипятильник; 7 - конденсатор.  

Регенерацию абсорбентов (десорбцию газов) можно проводить  снижением давления (вплоть до вакуумирования), нагреванием, отдувкой плохо растворимыми газами и парами кипящего абсорбента, а также сочетанием этих приемов.  

Физическую абсорбцию осуществляют, как правило, при температуре окружающей среды (20-40°С) или при пониженных температурах, т.к. растворимость хорошо растворимых газов возрастает с уменьшением температуры. Кроме того, при снижении температуры уменьшается растворимость плохо растворимых газов, т.е. увеличивается селективность и снижаются потери плохо растворимого компонента и загрязнение им извлекаемого газа, а также уменьшаются давление паров абсорбента и его потери. При химической абсорбции увеличение температуры приводит к значит. росту коэффициента массопередачи и, помимо этого, к возрастанию растворимости множества абсорбентов в разбавителях, а следовательно, к увеличению до определенного предела общей поглотительной способности абсорбента.  

При физической абсорбции с повышением парциального давления поглощаемого компонента поглотительная способность абсорбента почти всегда увеличивается приблизительно пропорционально парциальному давлению или концентрации газа. Поэтому количество циркулирующего абсорбента почти не зависит от концентрации извлекаемого газа в исходной газовой смеси. При химической абсорбции характер изменения растворимости газа с ростом его парциального давления сильно зависит от константы равновесия реакции и степени превращения абсорбента. В результате при увеличении концентрации извлекаемого газа количество циркулирующего абсорбента возрастает.  

Физическая абсорбция, как правило, наиболее эффективна при грубой очистке от больших количеств газа под давлением. Химическую абсорбция чаще всего применяют при извлечении малых количеств примесей и при тонкой очистке; при этом обычно существенно выше селективность абсорбента, ниже количество циркулирующего раствора вследствие большой поглотительной способности, меньше расход электро-энергии, но выше расход теплоты.  

Режим абсорбции. При расчете абсорбции обычно задают параметры очищаемого газа (давление, температуру, состав) и предъявляют требования к очищенному газу. Необходимый для осуществления абсорбции расход жидкости (кол-во циркулирующего абсорбента) определяется материальным балансом и кинетикой абсорбции. Концентрация у2,в извлекаемого компонента в очищенном газе зависит от х2,в: