Абсорбция. Общие сведения о процессе и область его применения. Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки

В системе, состоящей из газа и соприкасающейся с ним жидкости, молекулы газа, ударяющиеся о поверхность жидкости, растворяются в ней. Эти растворяемые молекулы, продолжая двигаться, частично возвращаются в газовую фазу, а частично остаются в жидкой фазе. Растворение молекул газа в жидкости будет продолжаться до достижения состояния равновесия. Концентрация газа, растворенного в жидкой фазе, зависит от парциального давления над поверхностью жидкости.

Согласно правилу фаз Гиббса система, состоящая из жидкости и растворенного в ней газа, имеет две степени свободы

 

С=К+2-Ф=2+2-2=2 (6.84)

 

Следовательно, состояние системы определяется температурой и давлением. При постоянной температуре растворяемость газа зависит от давления системы.

По закону Генри растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его парциальному давлению

, (6.85)

 

, (6.86)

 

где х_г - концентрация газа, растворенного в жидкости (в мольных долях);

- парциальное давление газа над жидкостью;

- const Генри;

- коэффициент, зависящий от свойств газа и жидкости.

 

Из основного уравнения равновесия (закона Дальтона)

 

, (6.87)

 

где y_А - концентрация поглощаемого компонента А в газе (в мольных долях);

- парциальное давление компонента А над жидкостью;

Р – общее давление.

, (6.88)

где х_А - концентрация поглощаемого компонента А в жидкости (в мольных долях);

- коэффициент распределения или const фазового равновесия

(6.89)

 

С повышением температуры константа m как правило, увеличивается, следовательно, растворимость газа снижается. (Исключение составляют растворимости азота и водорода в углеводородах, у которых растворимость увеличивается с повышением температуры)

Абсорбция – процесс разделения газовых смесей путем избирательного поглощения отдельных компонентов смеси жидким поглотителем – абсорбентом.

Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором – хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса. Поглощаемые компоненты газовой смеси условимся называть абсорбтивом, непоглощаемые инертами.

В химической технологии абсорбция используется

- для получения целевых продуктов (абсорбция газообразного HCl водой в производстве соляной кислоты и т.д.)

- для выделения ценных компонентов газовых смесей (бутан-бутиленовой фракции из контактного газа в производстве СК, ацетилена из газов крекинга и т.д.);

- для удаления вредных примесей из газовых смесей.

Механизм процесса абсорбции состоит в следующем. На поверхности раздела фаз имеются два пограничных слоя – жидкий и газообразный. Молекула газа, прежде чем проникнуть в толщу жидкости, должна пройти эти два слоя. Перемещение молекул через газовую и жидкую пленку может происходить только путем диффузии; скорость диффузии зависит от разности парциальных давлений газа в общей массе и в пленке. Эта разность является движущей силой процесса абсорбции.

Если парциальное давление или концентрация компонента в газовой фазе будет больше чем жидкости – процесс абсорбции; если концентрация компонентов в жидкой фазе больше, чем в газовой – процесс десорбции.

Сравним процессы абсорбции и ректификации.

Общее между ними:

- применяются для разделения смесей;

- относятся к массообменным процессам;

движущая сила – разность парциальных давлений или концентраций.

Различия:

- ректификация – двухсторонний массообменный процесс: паровая фаза обогащается НКК, а жидкая ВКК.

- абсорбция – основной массообменный процесс за счет перехода каких-то компонентов из газовой фазы в жидкую. При этом считаем, что летучесть абсорбента мала, т.е. нет перехода компонентов из жидкой фазы в газовую.

- абсорбция является процессом избирательным. Каждый абсорбент обладает способностью в заметных количествах поглощать одни компоненты, тогда как другие компоненты поглощаются незначительно или вовсе не поглощаются. Большое влияние на процесс абсорбции оказывают также температура и давление.

- в процессе абсорбции газов жидкостью выделяется тепло, называемое теплотой абсорбции. При отсутствии химического взаимодействия между абсорбентом и абсорбируемым газом теплота абсорбции численно равна скрытой теплоте конденсации. В случае химического взаимодействия необходимо также учитывать теплоту реакции. Теплоту абсорбции необходимо отводить, т.к повышение температуры абсорбентов резко ухудшает процесс абсорбции.

На рисунке 6.27 изображена принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки

 

1-абсорбер; 2-десорбер; 3-холодильник; 4-конденсатор; 5-нагреватель; 6-теплообменник

Рисунок 6.27 - Принципиальная схема абсорбционно–десорбционной установки

 

Расчёт процессов абсорбции-десорбции ведётся по относительным концентрациям, т.е. определяя составы как жидкой, так и газовой фаз по отношению к входящим потокам.

Введём обозначения

- расход газового сырья;

- относительная концентрация извлекаемого компонента в сырье;

- расход абсорбента;

- относительная концентрация извлекаемого компонента в абсорбенте;

- расход насыщенного абсорбента;

- расход инертов;

- относительная концентрация извлекаемого компонента в инертах;

- расход десорбирующего агента;

- относительная концентрация извлекаемого компонента в десорбирующем агенте;

 

Выразим относительные концентрации через обычные

, (6.90)

, (6.91)

, (6.92)

, (6.93)

(6.94)

, (6.95)

, (6.96)

(6.97)

 

Основные показатели абсорбции

Основными показателями абсорбции являются коэффициент извлечения и эффективность извлечения.

Коэффициент извлечения - отношение количества поглощенного компонента к его содержанию в исходной смеси

 

(6.98)

 

При полном извлечении . Тогда . Во всех остальных случаях <1.

Эффективность извлечения - отношение количества поглощенного компонента к теоретическому, достигаемому в условиях равновесия между уходящим из абсорбента газом и вводимым абсорбентом

 

, (6.99)

 

где Y₀ – относительная концентрация извлекаемого компонента в газовом потоке, равновесном входящему абсорбенту.

С учётом уравнения (6.89) можно записать

 

, (6.100)

 

Х₀ показывает степень регенерации. Если регенерация 100%, то Х₀=0.

При Х₀=0; Y=0, то ε=φ. Во всех других случаях ε>φ.

Абсорбенты, применяемые в процессе абсорбции, должны обладать высокой абсорбционной способностью, быть избирательными, иметь низкое давление паров, быть нетоксичными, огне- и взрывобезопасными, иметь низкую стоимость и т.д.

Абсорбенты выбирают по растворимости в них поглощаемых компонентов.

Растворимость зависит от физико – химических свойств газа и жидкости, темпе-

ратуры системы и давления.