Материальный баланс и расход абсорбента

Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содер- жание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях. Обозна- чим: G – расход инертного газа, кмоль/сек; y Н и y К – начальная и конечная кон- центрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L – расход абсорбента, кмоль/сек; x Н и x К – начальная и конечная концентрации погло- щаемого газа в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента.

Тогда уравнение материального баланса будет:

 

G( y н

- y к ) =

L( x к

- x н ) = M

 

,                     (26)

 

где М – количество компонента, перешедшее из одной фазы в   другую,

кмоль/сек.

 

Отсюда общий расход абсорбента (в моль/сек):

 

L  = G( y н - y к ) ( x к - x н ) ,                                     (27)

а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа):

 

l = L G

= ( y н -

y к ) ( x к

- x н  ).                       (28)

 

  Устройство абсорбционных аппаратов

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность контакта фаз между жидкостью и га- зом. По способу образования этой поверхности выделяют три основные группы абсорберов:

1. Плёночные и насадочные. Поверхностью контакта в плёночных абсорберах является поверхность стекающей плёнки жидкости; в насадочных –поверхность жидкости растекающейся по специальной насадке;

2. Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается по- токами газа (пара) и жидкости;

3. Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается вследствие разбрызгивания жидкости.

Наибольшее применение получили насадочные абсорберы. Адсорбер (рис.5), представляет собой цилиндрическую колонну 1, заполненную насадоч- ными телами 2 (кольца или другие твердые тела), которые укладываются  на

 

I

III

1

3

 

2

I                              4

IV

IV

Рис. 5. Насадочный абсорбер:

1 – корпус, 2 – слой насадки, 3 – распылитель жидкости, 4 – опорная решетка.

Рис. 6. Плёночный абсорбер с конусами: 1 – корпус, 2 – неподвижные конуса, 3 – внут- ренние конуса, 4 – вал.

I – загрязнённый газ, II – очищенный газ,

III – свежий абсорбент, IV – отработанный абсорбент.

опорные решетки 4, имеющие отверстия для прохождения газа и стока жидко- сти. Абсорбирующая жидкость из разбрызгивателя 3 стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой плёнки, а в промежутках между ними – в виде струй и капель. Газ, подлежащий разделению, поднимается снизу вверх. Аб- сорбтив поглощается жидкостью. При достаточной плотности орошения, ха- рактеризуемой расходом жидкости (м 3 /с) на единицу площади поперечного се- чения аппарата (м 2), практически вся поверхность элементов насадки покрыта жидкостными плёнками. Поэтому образующаяся поверхность массопередачи близка к суммарной поверхности насадочных тел.

Плёночным аппаратом с направленной организацией течения плёнки яв- ляется – абсорбер с системой конусов. Абсорберы состоят из корпуса 1, на внутренней поверхности которого установлены неподвижные конуса 2. На валу 4 закреплены внутренние конуса 3. При вращении внутренних конусов 3, жид- кость распыляется тонким слоем на неподвижные 2 образуя плёночные завесы. Прорыв газа через такие завесы приводит к образованию пены; за счёт этого увеличивается площадь контакта.

 

 

Адсорбция

Общие сведения

Под адсорбцией понимают процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощаемое вещество содержащееся в сплошной среде (газе, жидкости) носит название адсорбтива или адсорбата.

Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится - возможным выделение поглощенных веществ из ад- сорбента при проведения десорбции.

Механизм процесса адсорбции отличается от абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым поглотителем.

Адсорбция широко применяется в химической технологии:

- для осушки газов и их очистки с выделением ценных компонентов;

- для извлечения растворителей из газовых или жидких смесей;

- для осветления растворов;

- для очистки газовых выбросов и сточных вод.

Успех процесса адсорбции во многом определяется выбором адсорбента. Поэтому адсорбенты, применяемые в промышленных условиях, должны отве- чать следующим основным требованиям:

- обладать избирательностью (селективностью) - способностью поглощать только тот компонент (те компоненты), которые необходимо выделить или удалить из смеси;

- иметь большую поглотительную способность (ёмкость по адсорбату),что по- зволяет обойтись меньшим количеством сорбента;

- приемлемая стоимость и доступность;

- лёгкость десорбции и регенерации;

- высокая механическая прочность.

Адсорбенты чаще всего – высокопористые твёрдые вещества, используе- мые, как правило, в виде зёрен размером от долей до нескольких миллиметров. Промышленные сорбенты могут содержать поры разных размеров. Соответст- венно преобладанию тех или иных размеров говорят о микропористых, мезопо- ристых и макропористых сорбентах.

Приведём наиболее распространённые промышленные сорбенты.

Активные угли получаются термической обработкой без доступа возду- ха различных углеродсодержащих веществ: древесины, углей, плодовых косто- чек – с последующей активацией. В зависимости от назначения в активных уг- лях могут преобладать микропоры либо, наряду с ними, и мезопоры. Приготов- ленные из неполярного материала, активные угли хорошо сорбируют неполяр- ные вещества, например, многие органические соединения, в частности углево- дороды. Активные угли отличаются невысокой механической прочностью.

Силикагели и алюмогели представляют собой продукты термической обработки (обезвоживания) гелей кремниевой и алюминиевой кислот. Эти сор- бенты хорошо поглощают полярные вещества, в частности воду, и поэтому час- то используются для осушки газов. Механическая прочность селикагелей и алюмогелей значительно выше чем у активных углей.

Цеолиты – природные, а в последнее время всё в большей степени син- тетические алюмосиликаты – слабополярные сорбенты, пригодные для сорбции как полярных, так и неполярных веществ. Цеолиты отличаются высокой одно- родностью пор, а потому и высокой селективностью, т.е. способностью адсор- бировать из сплошной среды молекулы определённого размера. Это позволяет использовать набор цеолитов с различными размерами пор для поочерёдной сорбции различных (от мелких молекул к крупным) поглощаемых компонентов из исходной смеси.

 

Равновесие при адсорбции и материальный баланс

Количество вещества, адсорбированное единицей массы или объёма дан- ного поглотителя при достижении состояния равновесия зависит от его темпе- ратуры и концентрации в парогазовой смеси или растворе. Соответственно за- висимость между равновесными концентрациями фаз при адсорбции имеет вид:

 

X * = f (Y ,T ) ,                                                  (29)

 

или при постоянной температуре

 

X  * = f i  (Y  ) ,                                                     (30)

где Х* – относительная концентрация адсорбтива в адсорбенте, равновесная с его концентрацией в газовой или жидкой фазе, кг адсорбтива/кг ад- сорбента;

Y – относительная концентрация адсорбтива, кг/кг носителя газовой смеси или раствора.

 

Концентрация Y поглощаемого компонента может быть заменена парци-

альным давлением растворов парогазовой смеси, тогда:

X * =

f z  ( p).

Представленные две зависимости представляют собой выраженные в са- мом общем виде уравнения линии равновесия при адсорбции, или изотермы ад- сорбции.

Несмотря на сложность и своеобразие процесса, основные закономерно- сти для процесса адсорбции имеют сходство с абсорбцией. Так, для адсорбции, как и для абсорбции будет справедливо уравнение материального баланса:

 

G(Y H

- Y K ) =

L( X K

- X H  )

,                         (31)

 

где ХН – начальное содержание сорбтива, отнесенное к единице веса сорбента;

ХК – конечное содержание сорбтива, по окончании цикла работы аппарата.

 

Следует иметь в виду, что при проведении процесса адсорбции адсорбент находится чаще всего в неподвижном состоянии, а газ профильтровывается че- рез его слой. В уравнении (31) под L следует понимать не часовой расход ад- сорбента, а количество его, которое загружено в аппарат.

В последнее время стали применять адсорберы непрерывного действия, в которых адсорбент движется навстречу газовой смеси. В этом случае уравнение вполне идентично уравнению материального баланса процесса абсорбции.

Количество адсорбированного вещества за время t может быть по анало- гии с процессом абсорбции найдено из уравнения:

 

M = b

DCF t

,                                                    (32)

 

где b – коэффициент адсорбции;

F – поверхность адсорбента, м2;

DC –движущая сила выражаемая разностью концентраций.

 

д

Величину коэффициента адсорбции b рассчитывают, используя известное уравнение критериальной зависимости между диффузионными критериями Нуссельта и Прандтля:

Nu д

= A Re m

Pr n

.                                           (33)

 

Величину коэффициента А и показателей степеней m и n определяют

экспериментально. Так при поглощении паров активным углём при ориентиро- вочных расчетах можно принять:

 

Nu д

= 1,6 Re0,54

 

.                                          (34)

 

Из уравнения (32) можно определить необходимую поверхность адсор- бента F и его расход. Далее рассчитываются размеры аппарата, для которого была подобрана требуемая поверхность массообмена.