Реферат: Абсорбция газов

Аналогично можно найти движущую силу (x*2 — х2) и коэф. 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 коэф. массопередачи и показывает, что этот коэффициент зависит от наклона линии равновесия. Наиб. удобно рассчитывать коэф. массопередачи по ур-нию (4) в случаях, когда наклон равновесной линии остается почти постоянным в рабочем интервале концентраций. При искривленной линии равновесия необходимо учитывать зависимость m от концентрации.

Абсорбция осуществляют в массообменных аппаратах, наз. 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 (т. наз. ур-ние рабочей линии). В общем случае это ур-ние 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 ниж. 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 р-рителя (особенно при десорбции). Если абсорбция сопровождается значит. выделением теплоты, а кол-во абсорбированного в-ва достаточно велико, р-ритель может сильно нагреваться при прохождении через колонну. Примеры-осушка воздуха с помощью конц. H2SO4, растворение НС1 в воде при получении конц. соляной к-ты. Температурный режим абсорбера, от к-рого зависят равновесное давление поглощаемого компонента, т.е. движущая сила процесса, физ.-хим. св-ва системы и ход рабочей линии рассчитывают по ур-нию теплового баланса абсорбера.

Рис. 3. Схема материальных потоков в абсорбере и хол рабочей и равновесной линий (а-при противотоке, 6-при прямотоке): ЛВ-рабочая линия; ОС-равновесная линия; и-движущая сила соотв. в газовой фазе в верх, и ниж. сечениях аосороера и в газовой и жидкой фазах на ступени.

При отсутствии внеш. подвода или отвода теплоты, при одинаковых т-рах газа и жидкости и без учета испарения и конденсации абсорбента и теплот растворения др. газов изменение т-ры абсорбента в любом сечении абсорбера составляет: , где Ср - теплоемкость р-ра, -изменение концентрации газа в рассматриваемом сечении. Обычно принимают, что т-ра жидкости на межфазной границе и в объеме одинаковая. Поскольку наиб. концентрация растворенного газа и соотв. наиб. тепловыделение наблюдаются вблизи пов-сти контакта фаз, т-ра межфазной пов-сти, определяющая истинное равновесие, часто существенно отличается от т-ры объема жидкости. Методы учета этого явления разрабатываются.

Чтобы вычислить пов-сть массообмена F, необходимую для обеспечения желаемого изменения состава газа в абсорбере, можно использовать локальные значения скорости массопередачи [см. ур-ние (3)1 совместно с ур-нием материального баланса по абсорбируемому компоненту. При постоянстве коэф. массоперелачи 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 технол. 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 миним. кол-ве циркулирующего абсорбента, когда . 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, к-рое 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 теоретич. тарелок и зная эффективность ступени, можно определить число реальных ступеней, необходимых для обеспечения заданной степени разделения.

Основы технологии абсорбционных процессов. А. часто осуществляют в виде абсорбционно-десорбционного цикла (циклич. процесс), однако стадия десорбции может отсутствовать, если в результате А. 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 р-ров в разных сечениях десорбера и подачей их в разл. точки абсорбера либо направляют насыщ. р-р 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 р-римыми газами и парами кипящего абсорбента, а также сочетанием этих приемов.

Физ. абсорбция осуществляют, как правило, при т-ре окружающей среды (20-40°С) или при пониженных т-рах, т.к. р-римость хорошо р-римых газов возрастает с уменьшением т-ры. Кроме того, при снижении т-ры уменьшается р-римость плохо р-римых газов, т.е. увеличивается селективность и снижаются потери плохо р-римого компонента и загрязнение им извлекаемого газа, а также уменьшаются давление паров абсорбента и его потери. При хим. А. увеличение т-ры приводит к значит. росту коэф. массопередачи и, помимо этого, к возрастанию р-римости мн. абсорбентов в разбавителях, а следовательно, к увеличению до определенного предела общей поглотит. способности абсорбента.

При физ. абсорбции с повышением парциального давления поглощаемого компонента поглотит. способность абсорбента почти всегда увеличивается приблизительно пропорционально парциальному давлению или концентрации газа. Поэтому кол-во циркулирующего абсорбента почти не зависит от концентрации извлекаемого газа в исходной газовой смеси. При хим. А. характер изменения р-римости газа с ростом его парциального давления сильно зависит от константы равновесия р-ции и степени превращения абсорбента. В результате при увеличении концентрации извлекаемого газа кол-во циркулирующего абсорбента возрастает.

Физ. абсорбция, как правило, наиб. эффективна при грубой очистке от больших кол-в газа под давлением. Хим. абсорбция чаще всего применяют при извлечении малых кол-в примесей и при тонкой очистке; при этом обычно существенно выше селективность абсорбента, ниже кол-во циркулирующего р-ра вследствие большой поглотит. способности, меньше расход электроэнергии, но выше расход теплоты.

Режим абсорбции. При расчете абсорбции обычно задают параметры очищаемого газа (давление, т-ру, 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:

где-степень приближения к равновесию на выходе газа из абсорбера, зависящая от скорости процесса. В общем случае:

где G2-кол-во извлекаемого газа. При необратимой р-ции миним. кол-во циркулирующего поглотителя определяют из стехиометрич. ур-ния р-ции и находят .