Особенности равновесия и массопередачи в процессе абсорбции

Глава 13. Абсорбция

Абсорбцией называется избирательное поглощение компонентов паровых или газовых смесей жидким поглотителем. Десорбция процесс обратный абсорбции, т.е. переход отдельных компонентов жидкой смеси в газовую фазу. Абсорбтив распределяемый компонент газовой фазы, переходящий в жидкую. Абсорбент жидкий поглотитель. Инертный газ компонент газовой смеси не переходящий границу раздела фаз. Необходимо иметь в виду, что инертный газ может состоять из нескольких компонентов, например, воздух, абсорбент также может быть многокомпонентным и поглощаться в общем случае могут несколько компонентов. Рассмотрим вначале простейший случай бинарной абсорбции, когда в каждой фазе содержится не более двух компонентов: в газовой – абсорбтив и инертный газ, в жидкой – абсорбтив и абсорбент. Более общий случай многокомпонентной абсорбции рассматривается в разделе 13.4.

Различают физическую абсорбцию, не сопровождающуюся химическими реакциями, и хемосорбцию, при которой абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение.

Абсорбция широко применяется в промышленности для извлечения ценных компонентов газовых смесей (бензола из коксового газа) или очистки их от вредных примесей (коксового газа от сероводорода), а также с целью получения готового продукта (серной кислоты за счет поглощения водой).

 

Особенности равновесия и массопередачи в процессе абсорбции

Как отмечалось в разделе 12.2.1, при записи уравнений материального баланса и рабочих линий целесообразно выбирать единицы измерения расходов таковыми, чтобы эти величины не менялись по высоте аппарата. Это сделает рабочие линии прямыми и упростит процедуру расчета. В случае абсорбции по высоте колонны не изменяются массовые и мольные расходы инертного газа и абсорбента, что позволяет использовать их в уравнениях материального баланса и рабочих линий в совокупности с относительными массовыми и относительными мольными концентрациями распределяемых компонентов. Выберем, например, массовые расходы и концентрации, тогда

, (13.1)

, (противоток) (13.2)

, (прямоток) (13.3)

где массовые расходы инертного газа и абсорбента (кг/с); относительные массовые концентрации абсорбтива в инертном газе (кг абсорбтива/ кг инертного газа) и в абсорбенте (кг абсорбтива / кг абсорбента). С использованием этих же концентраций запишем уравнение линии равновесия.

; =кг абсорбента/ кг инертного газа. (13.4)

В связи с этим коэффициенты распределения , способы определения которых подробно рассмотрены, как для равновесия в системах пар жидкость, так и газ жидкость в разделе 12.1, необходимо перевести в соответствующие единицы измерения [9, 49]. В соответствии с правилом фаз Гиббса (12.3) для трехкомпонентной двухфазной системы число степеней свободы равно трем, т.е. . Если процесс абсорбции проводится при постоянных давлении и температуре, то их можно считать фиксированными и коэффициент распределения будет являться функцией только одной переменной .

Рассмотрим выбор схемы относительного направления движения фаз. Пусть заданы: расход инертного газа G, начальная и конечная концентрация абсорбтива в нем , а также начальная концентрация абсорбтива в абсорбенте . Допустим, что коэффициент распределения , то есть линия равновесия прямая. Это допущение справедливо для идеальных смесей, подчиняющихся законам Генри (12.59) или Рауля (12.53), при постоянных температуре и давлении. Проведение процесса абсорбции требует выполнение условия . Определим минимальные расходы абсорбента и максимальные конечные концентрации абсорбтива в абсорбенте для прямотока и противотока. Проведем на диаграмме равновесную линию, а также из точек с известными координатами (прямоток) и (противоток) рабочие линии, соответствующие (рис.13.1), то есть соприкаса-ющиеся с линией равновесия.

Рис. 13.1. Расположение рабочих линий при минимальном расходе абсор-бента для противоточного 1 и прямоточного 2 движения фаз

 

Нетрудно видеть, что использование противотока позволяет достигать больших конечных концентраций абсорбтива в абсорбенте и, как следует из уравнения материального баланса (13.1), применять меньшие значения расхода абсорбента L. Этот же результат можно получить аналитически

, (13.5)

, (13.6)

т.к. , то

, (13.7)

, . (13.8)

Эффективность работы массообменного аппарата может быть охарактеризована степенью извлечения распределяемого компонента из отдающей его фазы. Вводится понятие коэффициента извлечения j, являющегося отношением количества компонента перешедшего в другую фазу к максимально возможному. Наибольшее количество абсорбтива может поглотиться абсорбентом при достижении равновесия уходящего газа с поступающей жидкостью, т.е. . Тогда

. (13.9)

Можно показать [49], что в случае идеального вытеснения и для одинаковых L и средняя движущая сила массопередачи больше, а высота аппарата, следовательно, меньше при противотоке по сравнению с прямотоком, или для одинаковых L и при противотоке больше, чем при прямотоке. Этим объясняется преимущественное применение противоточного движения фаз в процессе абсорбции.

Увеличение движущей силы массопередачи при проведении процесса абсорбции можно достичь также уменьшением коэффициентов распределения . При абсорбции паровых компонентов, как это следует из (12.52), для этого необходимо увеличивать давление в системе p или уменьшать температуру T так как давление насыщенного пара прямо пропорционально температуре. Такой же вывод можно сделать и для газовых компонентов, анализируя (12.59), так как коэффициенты Генри также, как правило, прямо пропорциональны температуре.

В том случае, когда при растворении абсорбтива в абсорбенте выделяется значительное количество теплоты и не предусмотрен ее отвод из аппарата, происходит повышение температуры жидкой фазы и, следовательно, коэффициента распределения и уменьшение движущей силы процесса. Для учета этого эффекта необходимо использовать уравнение теплового баланса

, (13.10)

где дифференциальная теплота растворения абсорбтива в абсорбенте, кДж/кг; удельная теплоемкость жидкой фазы, кДж/(кг×К).

Решив (13.10) относительно T, можно определить температуру, в каждом сечении аппарата, а затем коэффициент распределения и равновесную концентрацию (рис 13.2).

. (13.11)

Рис. 13.2. Относительное расположение рабочей линии 1 процесса абсорбции для противотока и равновесных линий при выделении тепла без его отвода 3 и при изотермическом процессе 2

 

 

Как видно из рисунка 13.2, выделение теплоты при растворении абсорбтива приводит к уменьшению движущей силы процесса. Чтобы этого избежать, в аппаратах для проведения таких процессов предусматривается отвод тепла с помощью охлаждающего агента.

В процессе хемосорбции абсорбтив вступает в химическое соединение с абсорбентом, образуя новое вещество, следовательно, концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе уменьшается. Это приводит к уменьшению равновесной концентрации и увеличению движущей силы процесса абсорбции.

В зависимости от величины коэффициентов распределения , компоненты газовой смеси условно можно подразделить на хорошо растворимые в абсорбенте ( мал, порядка единицы) и плохо растворимые ( велик, порядка ста). Очевидно, что для поглощения данного компонента следует подбирать абсорбент, обеспечивающий по возможности лучшее его растворение (меньшее значение ) и, соответственно большую движущую силу.

Таким образом, на движущую силу абсорбции влияют вид и расход абсорбента, давление и температура. Они могут служить параметрами оптимизации при проектировании абсорберов.

Анализ соотношения (12.83) позволяет сделать вывод, что для хорошо растворимых компонентов, как правило, и т.е. основное сопротивление массопередачи сосредоточенно в газовой фазе, а для плохо растворимых , в жидкой. Разумеется, при этом необходимо учитывать и соотношение коэффициентов массоотдачи в газовой и жидкой фазах.

 

Десорбция

 

Десорбция применяется преимущественно для выделения абсорбтива из абсорбента в целях получения его в чистом виде, а также повторного использования абсорбента. Можно выделить два вида десорбции: с применением десорбирующего агента и без него.

Десорбция с применением десорбирующего агента. Этот вид десорбции описывается соотношениями, аналогичными рассмотренными в предыдущем разделе. Отличие заключается лишь в обратном по сравнению с абсорбцией направлении проведении процесса, что обеспечивается в случае бинарной смеси условием . Обозначим расход десорбирующего агента, не поглощающегося абсорбентом, , а начальную и конечную концентрации абсорбтива в нем и (рис. 13.4).

Тогда уравнения материального баланса и рабочей линии процесса десорбции примут вид.

, (13.12)

. (противоток) (13.13)

В отличие от абсорбции, при десорбции рабочая линия (13.13) должна располагаться ниже линии равновесия (рис. 13.3). В этом случае находится минимальный расход десорбирующего агента , обеспечивающий процесс десорбции и соответствующее ему значение . Для увеличения движущей силы процесса десорбции следует увеличивать коэффициент распределения, т.е. повышать температуру или понижать давление. Поэтому в схеме, изображенной на рис. 13.4 предусмотрен нагреватель Н.

 

Рис. 13.3. Расположение равновесной 1 и рабочих линий в процессе десорбции при минимальном расходе десорбирующего агента 2 и 3

Сочетание абсорбции с десорбцией или перегонкой позволяет многократно использовать поглотитель, выделяя из него абсорбтив.

 

 

Рис. 13.4. Схема абсорбционной установки с регенерацией абсорбента путем десорбции с десорбирующим агентом: А абсорбер; Н нагреватель; Д десорбер; Х холодильник.

 

В том случае, когда распределяемый компонент не представляет ни ценности, ни опасности для окружающей среды в качестве десорбирующего агента может использоваться воздух (инертный газ), отводимый вместе с распределяемым компонентом в атмосферу. Если же абсорбтив требуется выделить в чистом виде, то в качестве десорбирующего агента часто применяют водяной пар, при условии возможности достаточно простого последующего отделения его от абсорбтива за счет конденсации. Абсорбтив должен не конденсироваться, либо не смешиваться с водой в жидком состоянии.

Десорбция без применения десорбирующего агента. Этот способ осуществляется за счет снижения давления в аппарате и применим для отделения абсорбтива от практически нелетучего абсорбента. Особо часто его используют, если абсорбция проходит при повышенных давлениях.

Снижениe давления смещает равновесие и распределяемый компонент переходит из жидкой фазы в газовую. При условии нелетучести абсорбента газовая фаза будет состоять только из распределяемого компонента, его мольная доля , и применение относительной массовой концентрации теряет смысл. В этом случае удобнее описывать процесс массопередачи с использованием объемных мольных концентраций c (кмоль/м³) распределяемого компонента в газовой и жидкой фазах. При фиксированном давлении в десорбере (МИС по газовой фазе) величина также будет постоянной, как это следует из уравнения состояния при . Уравнение равновесия примет вид

. (13.14)

Концентрации абсорбтива в жидкой фазе в процессе десорбции будет изменяться от до (рис.13.5).

Рис. 13.5. Растворение чистого газа в жидкости 2 и десорбции без применения десорбирующего агента за счет снижения давления 1

 

Таким образом, рабочая линия процесса десорбции будет изображаться на диаграмме горизонтальной прямой 1. Все сопротивление массопередачи в данном случае будет сосредоточенно в жидкой фазе.

 

, . (13.15)

Десорбцию в данном случае можно рассматривать как процесс обратный растворению чистого газа в жидкости (частный случай абсорбции из однокомпонентной газовой фазы). Рабочая линия процесса растворения также будет изображаться горизонтальной прямой, но располагаться выше линии равновесия. Давление в процессе растворения должно быть больше, чем при десорбции . Необходимо отметить, что коэффициент в отличие от практически не зависит от давления.

Кроме рассмотренных способов десорбции отделение абсорбтива от абсорбента может осуществляться простой перегонкой или ректификацией, речь о которых пойдет в следующей главе.