8.2. 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; x_i –молярная доля (концентрация) i-го компонента в жидкости; K_i – 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 q_д – 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 - с рециркуляцией 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 К_н до Y_K. Поглощающая жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества Y_H, затем смешивается с вы­ходящей из аппарата жидкостью, в результате чего ее концентрация повышается до Х_с. Рабочая линия представлена на диаграмме отрез­ком прямой: крайние точки его имеют координаты Y_H, Х_к и Х_к, Х_с соответственно. Значение Х_с 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(Y_C, Х_к) и В*(К_К, Х_н). Ординату У_с 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.