Абсорбционные процессы и установки
В абсорбционных процессах участвуют две фазы – газовая и жидкая. Газовая фаза состоит из непоглощаемого газа-носителя и одного или нескольких абсорбируемых компонентов. Жидкая фаза представляет собой раствор абсорбируемого (целевого) компонента в жидком поглотителе. При физической абсорбции газ-носитель и жидкий поглотитель (абсорбент) инертны взаимно и по отношению к переходящему компоненту.
Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, которое устанавливается при продолжительном соприкосновений фаз и зависит от состава фаз, температуры, давления и термодинамических свойств компонента и абсорбента.
Основным законом равновесия в системе газ-жидкость является закон Генрих растворимость или молярная доля газа в растворе при заданной температуре пропорциональна парциальному давлению газа над раствором, т. е.
, (8.2)
где p*i - парциальное давление i-гo компонента в газе в условиях равновесия; xi –молярная доля (концентрация) i-го компонента в жидкости; Ki – коэффициент пропорциональности (константа Генри) i -гo компонента.
Константу Генри, зависящую от природы растворяемых веществ и температуры, для каждого компонента можно определить по формуле [37]
, (8.3)
где qд – дифференциальная теплота растворения газа; R – газовая постоянная; Т – температура; С –постоянная, зависящая от природы газа и раcтвора.
Принципиальные схемы абсорбции. В технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией [74].
Прямоточная схема взаимодействия веществ в процессе абсорбции показана на рис. 8.3,а. В этом случае потоки газа и абсорбента движутся параллельно друг другу, при этом газ с большей концентрацией распределяемого вещества приводится в контакте жидкостью, имеющей меньшую концентрацию распределяемого вещества, и наоборот. Противоточная схема абсорбции показана на рис. 8.3,б. По этой схеме в одном конце аппарата приводят в контакт свежий газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределенного вещества, а в противоположном – меньшие.
Рис. 8 3. Принципиальные схемы абсорбции:
а – прямоточная; б – противоточная; в - срециркуляцией жидкости; г – с рециркуляцией газа; д–многоступенчатая с рециркуляцией жидкости; л–доля компонента, используемая для рециркуляции
В схемах с рециркуляцией предусмотрен многократный возврат в аппарат или жидкости, или газа. Схема с рециркуляцией жидкости показана на рис. 8.3,в. Газ проходит через аппарат снизу вверх, и концентрация распределяемого вещества в нем изменяется от Кн до YK. Поглощающая жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества YH, затем смешивается с выходящей из аппарата жидкостью, в результате чего ее концентрация повышается до Хс. Рабочая линия представлена на диаграмме отрезком прямой: крайние точки его имеют координаты YH, Хк и Хк, Хс соответственно. Значение Хс определяют из уравнения материального баланса.
Схема абсорбции с рециркуляцией газа приведена на рис. 8.3,г. Материальные соотношения здесь аналогичны предыдущим, а положение рабочей линии определяют точки A*C(YC, Хк) и В*(КК, Хн). Ординату Ус находят из уравнения материального баланса. Одноступенчатые схемы с рециркуляцией могут быть как прямоточными, так и противоточными.
Многоступенчатые схемы с. рециркуляцией могут быть прямоточными и противоточными, с рециркуляцией газа и жидкости. На рис-. 8.3,5 показана многоступенчатая противоточная схема с рециркуляцией жидкости в каждой ступени. На у, х-диаграмму рабочие линии наносят отдельно для каждой ступени, как и в случае нескольких отдельных ступенчатых аппаратов. В рассматриваемом случае рабочую линию составляют отрезки A1B1, A2B2 и А3В3.
Анализ описанных процессов позволяет сделать вывод, что одноступенчатые схемы с рециркуляцией абсорбента или газа по сравнению со схемами без рециркуляции имеют следующие отличия: при одном и том же расходе свежего абсорбента количество жидкости, проходящей через аппарат, значительно больше; результатом такого режима являются повышение коэффициента массопередачи, и снижение движущей силы процесса. При определенном соотношении между диффузионными сопротивлениями в жидкой и газовой фазах такая схема может способствовать уменьшению габаритов аппарата. Очевидно, что рециркуляция жидкости целесообразна в том случае, если основное сопротивление массопередаче составляет переход вещества от поверхности раздела фаз в жидкость, а рециркуляция газа – когда основным сопротивлением процесса является переход вещества из газовой фазы к поверхности раздела фаз.
Многоступенчатые схемы с рециркуляцией обладают всеми преимуществами одноступенчатых схем и вместе с тем обеспечивают большую движущую силу процесса. Поэтому чаще выбирают. варианты схем с многоступенчатой рециркуляцией.
Необходимо отметить, что процессы абсорбции характеризуются тем, что из-за малой относительной летучести абсорбента перенос вещества происходит преимущественно, в одном направлении – из газовой фазы в жидкую. Переход поглощаемого вещества из газового состояния в конденсированное (жидкое) сопровождается уменьшением энергии в нем. Таким образом, в результате абсорбции Происходит выделение теплоты, количество которой равно произведению количества поглощенного вещества на теплоту его конденсации. Связанное с этим повышение температуры взаимодействующих фаз, которое определяют с помощью уравнения теплового баланса, уменьшает равновесное содержание поглощаемого вещества, в жидкой фазе, т. е. ухудшает разделение. Поэтому при необходимости целесообразен отвод теплоты абсорбции.
Конструктивно абсорбционные аппараты выполняют аналогично теплообменным, ректификационным, выпарным и сушильным аппаратам. По принципу действия абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распылительные.