Основные определения и теория процесса. Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения газа из смеси газов (или пара из парогазовой смеси) жидким поглотителем

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения газа из смеси газов (или пара из парогазовой смеси) жидким поглотителем. В абсорбционных процессах участвуют две фазы – газовая и жидкая. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую, обратный процесс называется десорбцией, при этом происходит переход вещества из жидкой фазы в газовую. Все процессы массопередачи обратимы, т.е. в зависимости от условий, направление перехода распределяемого вещества может быть различным. Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, которое устанавливается при продолжительном соприкосновении фаз и зависит от состава одной из фаз, температуры, давления и термодинамических свойств компонента и поглотителя [1, 2].

Для каждой конкретной системы газ – жидкость при определенной температуре и давлении существует строго определенная зависимость между равновесными концентрациями, т.е. каждому значению Х соответствует строго определенное равновесное значение Y^* и эту связь можно представить в виде функции .

В общем случае эта зависимость находится опытным путем. Для большего числа систем имеются данные в справочной литературе. Для разбавленных растворов хорошо растворимых газов равновесная зависимость хорошо описывается законом Генри, который имеет вид , где - константа фазового равновесия, величина которой зависит от природы газа и жидкости и единиц, в которых выражены концентрации.

Рис. 7. Схема процесса абсорбции: ОС – линия равновесия ; АВ – рабочая линия - прямая, проходящая через точки (Y_H, X_K) и (Y_K, X_H)

Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях. Обозначим: G – расход инертного газа, кмоль/с; Y_H,Y_K -начальная и конечная концентрации компонента в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L – расход абсорбента, кмоль/сек; его концентрации X_H и X_K, кмоль/кмоль абсорбента.

Уравнение материального баланса абсорбера имеет вид

.

Выделим любое сечение в аппарате (рис. 7), например, 1-1, в котором имеются рабочие концентрации X и Y. Напишем материальный баланс для верхней части аппарата по распределяемому компоненту

.

Если исходный абсорбент не содержит распределяемый компонент (X_H = 0), то

.

Полученная зависимость называется уравнением рабочей линии.

Это уравнение позволяет нам определить значение рабочей концентрации в любой точке аппарата. Так как G, L – величины постоянные для каждого конкретного случая, то это уравнение прямой линии и для ее построения необходимо всего две точки. Можно взять вверху колонны B (X_H, Y_K) и внизу колонны A (X_K, Y_H).

Разность между рабочей и равновесной концентрациями вещества в данной фазе называется движущей силой массопередачи ΔY=Y – Y^*. Она непрерывно меняется по высоте аппарата. В частном случае, когда линия равновесия является прямой, определяется как средняя логарифмическая величина из движущих сил массопередачи у концов аппарата

где ΔУ_б , ΔУ_м – большая и меньшая разность рабочих и равновесных концентраций на концах аппарата.

Основное уравнение массопередачи для процесса абсорбции

где М – количество компонента, передаваемое через поверхность контакта фаз, кмоль/с;

- поверхность контакта фаз, м².

Так как поверхность контакта газа и жидкости зависит от скорости потока, физических свойств фаз и типа аппарата, то обычно расчеты тарельчатых абсорберов проводят по модифицированному уравнению массопередачи, в котором коэффициенты массопередачи относят к единице рабочей площади тарелки

,

где - коэффициент массопередачи, отнесенный к единице площади тарелки, моль/м²(кмоль/кмоль)с;

F- суммарная рабочая площадь тарелок в абсорбере, м²;

,

где f - рабочая площадь тарелке, м²;

n - число тарелок в абсорбере.

Рабочая площадь провальной тарелки может быть принята равной сечению абсорбера. Зная М – количество поглащенного аммиака (в кмоль/с) и рассчитав F и , можно определить коэффициент массопередачи

.

Коэффициенты массопередачи определяют по уравнениям аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений

где β_yf, β_xf – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки, соответственно в газовой и жидкой фазах, кмоль/м² (кмоль/кмлоь)с.

При абсорбции хорошо растворимых газов << , и в этом случае величиной m/β_y можно пренебречь, т.е. . Поэтому при абсорбции аммиака водой можно приравнять общий коэффициент массопередачи частному коэффициенту массоотдачи в газовой фазе.