Абсорбция. 
Процессы и аппараты защиты окружающей среды

Основы процесса физической абсорбции

Так как растворение газов в жидкости — процесс обратимый, то по истечении некоторого времени между средами устанавливается равновесное состояние. Концентрация компонента в газовой фазе может быть выражена через его парциальное давление. На основании уравнений Клапейрона и Дальтона мольная (объемная) доля любого компонента смеси идеальных газов:

где р — парциальное давление компонента газовой смеси, Па; Р — общее давление смеси газов или паров, определяемое суммой парциальных давлений всех компонентов, Па, выраженное.

Для равновесного состояния идеального газа справедлива зависимость — закон Генри:

тех — мольная доля компонента в жидкости;р* — равновесное парциальное давление этого компонента в газовой смеси, Па; 'Г — коэффициент Генри, зависящий от свойств газа и жидкости, а также температуры, На (табл. 8.1).

Закон Генри справедлив для слабоконцентрированных растворов и нарушается в случае высококонцентрированных растворов, а также при наличии между поглощающей жидкостью и поглощаемым газом химического взаимодействия.

Растворимость газа в жидкости повышается с увеличением парциального давления газового компонента и понижается с увеличением температуры.

Таблица 8.1

Значение коэффициента Генри Ч* для водных растворов некоторых газов

Уравнение материального баланса выражает закон сохранения массы в процессе абсорбции и для случая противотока газа и жидкости имеет вид:

где М_у и М_ж — массовые расходы газовой смеси и жидкого абсорбента, кг/с; у_п и у_в — концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси соответственно на входе и выходе из абсорбера, кг/кг; х_п и х_и — концентрация поглощаемого компонента в поглощающей жидкости соответственно на входе и выходе из абсорбера, кг/кг.

Физический смысл уравнения заключается в том, что убыль массы в газовой фазе равна приращению массы в жидкой фазе.

Удельный расход абсорбента определяется из уравнения материального баланса абсорбера:

Вторым основным уравнением, необходимым для расчета процесса абсорбции, является уравнение массопередачи (8.5):

где М — масса поглощенного компонента, кг/с; К_у — коэффициент массопередачи, кг/м²; F — поверхность, через которую идет абсорбция, м²; Аг/_ср — средняя движущая сила процесса абсорбции, зависящая от степени отклонения системы от равновесного состояния, определяемая по формуле (8.19):

здесь Ау_н = у_н — у* — движущая сила на входе в абсорбер, кг/кг; Ау_и = у_п — у* — движущая сила на выходе из абсорбера, кг/кг; у* и у* — концентрация улавливаемого компонента в газе при равновесном состоянии соответственно на входе и выходе из абсорбера, кг/кг.

Движущую силу процесса абсорбции часто выражают через разность парциальных давлений:

где р — фактическое парциальное давление поглощаемого компонента в газе, Па; р* — парциальное давление в условиях равновесного состояния, Па.

Коэффициент абсорбции (массопередачи) можно определить из выражения (8.3):

где т — тангенс угла наклона линии равновесия.

Процесс абсорбции для хорошо растворимых газов в основном определяется сопротивлением газовой пленки, т. е. К_у ~ р_(/.

Для плохорастворимых газов процесс абсорбции опреде;

" _ Рж ляется сопротивлением жидкостной пленки, т. е. К,. ~ —.

т

Коэффициент абсорбции (массопередачи) зависит от свойств газа и жидкости, конструкции аппарата, скорости движения сред, температуры и в общем виде определяется сочетанием диффузионных критериев Нуссельта и Прандтля, а также критерия Рейнольдса. Для его определения при приближенных расчетах для различных конструкций абсорбционных аппаратов имеется ряд эмпирических формул, одна из которых для насадочного абсорбера и хорошо растворимого газа имеет следующий вид (кг/(м² • ч • Па)):

где М_ш — молекулярная масса поглощаемого компонента; w — скорость газа в свободном сечении насадки, см/с; Т— абсолютная температура газа, К; d_3KU — эквивалентный диаметр насадки, который определяется по табл. 8.2 исходя из /₀ (удельная поверхность насадки для конкретного вещества).

Коэффициент абсорбции возрастает при увеличении скорости газа. Но при скорости газа, равной w = 5—10 м/с, достигается равновесие между силой тяжести, под действием которой движется пленка, и силой трения у поверхности пленки, тормозящей ее движение. Это приводит к «захлебыванию» аппарата, которое сопровождается накоплением жидкости в аппарате, ее выбросом и резким возрастанием гидравлического сопротивления.

Необходимую поверхность контакта между газом и жидкостью, которую надо создать в аппарате для достаточно полного поглощения газообразного компонента, определяют по формуле.

Для уменьшения размеров аппарата следует стремиться к получению возможно больших значений К_ц и Дг/_ср. В абсорберах разной конструкции создание поверхности контакта осуществляется по-разному. Десорбцию осуществляют отгонкой в токе инертного газа, подводом тепла к абсорбенту, снижением давления газа над абсорбентом.