Абсорбция

     примесей, не допустимых при дальнейшей переработке  газов (например, очистка нефтяных и  коксовых газов от Н₂S, очистка азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т. д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO₂; очистка от С1₂ абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т. п.).

     В рассматриваемом случае извлекаемый  компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.

     4. Улавливание ценных компонентов  из газовой смеси для предотвращения  их потерь, а также по санитарным  соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

     Следует отметить, что для разделения газовых  смесей, очистки газов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией применяют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими соображениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента [3].

Математическая  модель абсорбции 

Равновесие  при абсорбции 

     Равновесие между фазами. При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси) [4].

     В случае растворения в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемый компонент  А, носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф=2), число компонентов равно трем (К = 3) и, согласно правилу фаз, число степеней свободы системы равно трем.

     Для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри парциальное давление р_А растворенного газа пропорционально его мольной доле х_А в растворе

                                                   (1) 

     или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью

                           (2) 

     где - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х_А (в мол. долях); - концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно р_А; Е - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри.

     Числовые  значения коэффициента Генри для  данного газа зависят от природы  поглотителя и газа и от температуры, но не зависят от общего давления в  системе.

     Зависимость Е от температуры выражается уравнением

            (3)

где q - дифференциальная теплота растворения газа; R - газовая постоянная; С - постоянная, зависящая от природы газа и поглотителя.

 

Рисунок 2- Растворимость газа в жидкости при различных температурах (t₁>t₂>t₃ и соответственно E₁>E₂>E₃)  
 
 
 
 

     Для идеальных растворов на диаграмме р-х (рисунок 2) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равный Е - коэффициенту Генри. Из рисунка 1 и уравнения (3) следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значение Е и соответственно уменьшается, согласно уравнению (2), растворимость газа в жидкости.

     Если  у_А - мольная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р - общее давление в системе, то парциальное давление р_А, по закону Дальтона, можно выразить зависимостью 

                            (4) 

     Подставив значение р_А в уравнение (1), получим 

                (5) 

     или закон Генри может быть представлен  в форме 

     

 

     где т = E/P - коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

     Уравнение (5) показывает, что зависимость между  концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен т. Числовые значения величины т. зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

     Когда в равновесии с жидкостью находится  смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

     Закон Генри применим к растворам газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т. е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент т в уравнении (5) является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

     Для описания равновесия между газом  и жидкостью уравнение (5) применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.

     При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом: 

                   (6) 

     где f₀ - фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.

     Для бинарных растворов величина f₀ может быть найдена следующим образом: 

             (7) 

     где А – постоянная.

     При выражении состава фаз не в  абсолютных, а в относительных  концентрациях видоизменяется и запись закона Генри. Так, например, при использовании относительных мольных концентраций выражение (5) можно записать в виде

                                                    

     откуда  по правилу пропорций 

                                             

     Или 

                                         (8) 

     Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации X газа в жидкости) можно принять (1 - т) X ≈ 0. Тогда знаменатель уравнения (8) обращается в единицу и уравнение принимает вид 

                                                                     (9) 

     При таком выражении закон Генри  изображается прямой линией. Таким  образом, уравнения (1), (2), (5), (8) и (9) являются различными выражениями закона Генри.

     В случае абсорбции многокомпонентных  смесей равновесные зависимости  значительно сложнее, чем при  абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального. При этом парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т. е. является функцией большого числа переменных. Поэтому, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных. 

     Материальный  баланс процесса абсорбции 

     Материальный  баланс и расход абсорбента. Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными  и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных  концентрациях. Обозначим: G - расход инертного газа, кмоль/сек; Y_н и Y_к - начальная и конечная концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L - расход абсорбента, кмоль/сек; его концентрации Х_н и Х_к, кмоль/кмоль абсорбента. Тогда уравнение материального баланса будет: 

            (10) 

     Отсюда  общий расход абсорбента (в кмоль/сек) 

                   (11) 

     а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа) 

                 (12) 

     Это уравнение можно переписать так: 

                    (13) 

     Уравнение (13) показывает, что изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y-X рабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен .

     Между удельным расходом абсорбента и размерами  аппарата существует определенная связь. Через точку В с координатами Х_н и Y_к (рисунок 3) проведем, согласно уравнению (13), рабочие линии ВА, ВА₁, ВА₂, ВА₃, отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным удельным его расходам. При этом точки А, А₁, А₂, А₃ будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Y_н газа в смеси.

     

Рисунок 3 - К определению удельного расхода абсорбента 
 
 
 
 
 
 

     В случае растворов небольшой концентрации для любого значения Х и выбранной величины l движущая сила процесса выражается разность ординат Y-Y*, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия Y* = f (X). Для всего аппарата можно принять среднее значение ∆Y_ср, величин: которого, например для рабочей линии BA₁ изображена на рисунке отрезком ∆Y_ср1. Величина ∆Y_ср будет тем больше, чем круче наклон рабочих линий и, следовательно, чем больше удельный расход абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако удельный расход абсорбента l при этом будет бесконечно большим (так как Х_к = Х_н). Если же линия рабочих концентраций ВА₃ касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (l = l_min), а движущая сила в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке рабочая концентрация равна равновесной. В первом случае размеры абсорбционного аппарата будут наименьшими при бесконечно большом расходе абсорбента, во втором - расход абсорбента наименьший при бесконечно больших размерах аппарата. Таким образом, оба случая являются предельными и практически неосуществимы.