Ильясов С.Г. Процессы и аппараты упаковочного производства
Подождите немного. Документ загружается.
•....' Пу ЧЕП в фазе Фу, так как dy/(y — у^р) представляет собой отношение изменения юочих концентраций вещества на единицу движущей силы.
5.2 АБСОРБЦИЯ
Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем -абсорбентом. Если
поглощаемый газ - абсорбтив - химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называю! физической (непоглощаемую
составную часть газовой смеси называю! инертом, или инертным газом}. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то
такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции.
Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обрати ма. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделени е
поглощенного газа из раствора -десорбция. Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в усло виях
подогрева абсорбента или снижения давления над абсорбентом. Отработанные после хемосорбции абсорбенты обычно
регенерируют химическими методами или нагреванием. Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и
выделять поглощенный газ в чистом виде,Часто десорбцию проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор
является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.
В промышленности абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:
1)д л я получения готового продукта (например, абсорбция SO
3 в
производстве серной кислоты, абсорбция НС1 с получением хло-роводородной
кислоты, абсорбция оксидов азота водой в произ-водстве азотной кислоты и т.д.); при этом абсорбцию проводят без десорбции
2)для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например-абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов
крекинга или пиролиза природного газа и т.д.); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;
3)для очистки газовых выбросов от вредных примесей (на-
пример очистка топочных газов от SO
2
, очистка от фтористых
соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных
удобрений и т.д.) Очистку газов oт вредных примесей адсорбцией
используют также применительно к технологическим газам, когда
присутствие примесей недопустимо для дальнейшей переработки
газа (например, очистка коксового и нефтяного газов от H
2
S,
очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака oт CО
2
, и СО
и т.д.).В этих случаях извлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией;
4) для осушки газов, когда в абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы-жидкая и газовая-и происходит переход
вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции), причем инертный газ и поглотитель
являются только носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах и в этом смысле в массопереносе не участвуют.
Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют
абсорберами.
5.2.1. РАВНОВЕСИЕ ПРИ АБСОРБЦИИ
При взаимодействии какого-либо газа с жидкостью возникает система, состоящая как минимум из трех компонентов (распределяемое вещество и два
распределяющих вещества или носителя) и двух фаз -жидкой и газовой. Такая система по правилу фаз имеет три степени свободы (С = К — Ф + 2 = 3 —
2 + 2 = 3).
Для данного случая массообмена переменными являются температура, давление и концентрации компонента А в газовой и жидкой фазах. Следовательно,
в состоянии равновесия при условии постоянства температуры и общего давления зависимость межд\ концентрациями распределяемого в газовой и жидкой
фазах компонента (или парциальным давлением газа и составом жидкости) будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное
давление растворенного газа пропорционально его моляр-
ной доле в растворе:
AA
x
,
(16.1)
или растворимость газа (поглощаемого компонента А ) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над
жидкостью:
где Е- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри;
A
парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в ран новесии с
раствором, имеющим концентрацию Х
А
(в мол. долях);
A
x
-концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесная с газовой фазой, в которой парциальж-давление
поглощаемого компонента равно
A
.
Чем выше растворимость газа в абсорбенте, тем меньше расход этого абсорбента. Поэтому при выборе абсорбента растворимость в нем
поглощаемого газа рассматривается как важнейшее свойство данного абсорбента (наряду со стоимостью, доступностью,токсичностью,пожаро- и
взрывоопасностью и т.п.)
Величина Е для данного газа не зависит от общего давления в системе,но зависит от природы абсорбента и поглощаемого газа и от температуры.
Зависимость константы Генри от температуры выражается следующим уравнением:
cRTq )/(ln
, (16.2)
где q-дифференциальная теплота растворения газа;с-постоянная,зависящая от природы газа и абсорбента.
Рис. 16-1. Растворимость газа в жидкости при различных температурах
321
ttt
и соответственно
321
В идеальных растворах силы
взаимодействия между молекулами
каждого из компонентов раствора,
а также молекулами различных
компонентов равны между собой.
Поэтому улетучивание того или
иного компонента из жидкой фазы
в газовую не зависит от присутствия
в растворе других компонентов и определяется содержанием в
растворе данного компонента. i
Для идеальных растворов на диаграмме p-x (рис. 16-1) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой с наклоном, равным
Е. С повышением температуры значение ' увеличивается и соответственно уменьшается растворимость газа в жидкости [см. уравнение (16.1 а)].
При общем давлении Р в системе и концентрации
A
y
(мол. доли) извлекаемого компонента А в газовой cмеси парциальное давление этого компонента по
закону Дальтона
A
yA
(16.3)
С учетом уравнения (16.1) получим
A
xA
y )/(
, (16.4)
Тогда закон Генри можно выразить следующим образом:
AA
mxy
, (16.5)
где
/m
-коэффициент распределения или константа фазового равновесия.
Из уравнения (16.5) следует, что зависимость между концентра-
миями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней
жидкости выражается прямой линией (линия равновесия), прохо-
дящей через начало координат и имеющей угол наклона
тангенс которого равен m. Значения величины m уменьшаются при снижении температуры и
увеличении давления в системе. Поэтому растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.
Если в равновесии находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый из компонентов этой смеси в отдель-ности.
Как уже отмечалось, закон Генри справедлив для идеальных растворов, поэтому он применим лишь к сильноразбавленным растворам.При
повышенных давлениях(порядка нескольких мегапаскалей и выше) изменение объёма жидкости вследствие растворения в ней газа соизмеримо с
изменением объёма газа,и равно
весне в этом случае не следует закону Генри. При этих условиях
константу фазового равновесия можно определить так (см. гл. 2):
0
/ fm
, (16.6);
где /
0
фугитивность (летучесть) поглощаемого
газа, выраженная в единицах давления.
Расчет величины
0
f
приводится в
специальной литературе.
При выражении состава фаз в относительных концентрациях
запись закона Генри видоизменяется. В этом случае уравнение (16.5)
принимает следующий вид:
XmmXmXxmX )1(1/)1/(
(16.7)
т.е. равновесие в системе газ-жидкость при выражении состава фаз
в относительных концентрациях изображается кривой линией. Для
сильноразбавленных растворов, т. е. при низких концентрациях газа
в жидкости, можно принять
0)1( Xm
. При этом в уравнении
(16.7) знаменатель обращается в единицу, и оно принимает вид
mXY
,
(16.8)
т.е. при низких концентрациях закон Генри изображается
прямойлинией.
Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их
в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона
Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону,
коэффициент т в уравнениях (16.5) и (16.7) является переменной
величиной, линия равновесия представляет собой кривую,
которую обычно строят по
опытным данным.
При абсорбции многокомпонентных смесей равновесные
зависимости существенно сложнее, чем при абсорбции одного
компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от
идеального. В этом случае парциальное давление каждого
компонента в газовой смеси зависит не только от его
концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе
остальных компонентов, т. е. является функцией большого числа
переменных. Поэтому обычно в таких случаях равновесные
зависимости основываются на опытных данных.
Если раствор является идеальным и только в газовой фазе
наблюдается отклонение от идеального состояния, то в этом случае
компоненты раствора не воздействуют друг на друга. Поэтому
концентрация данного компонента в газовой фазе зависит только от
концентрации его в жидкости (при постоянных температуре и
давлении).Тогда к каждому компоненту i можно применить уравнение
(16.5):
)1/()1/( XmX
,или
iii
XmY
,(16.9)
в котором константа фазового равновесия m зависит от температуры и
общего давления в системе.
Следовательно, при постоянной температуре равновесие данного
компонента i в разбавленном растворе на диаграмме Y-X
представляется прямой линией с наклоном, тангенс которого равен
i
m
.
5.2.2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ
АБСОРБЦИИ
Материальный баланс и расход абсорбента. В гл. 1 в качестве при
мера
приложения законов сохранения массы к процессам химической
технологии было получено уравнение (1.6) материального баланса
процесса абсорбции:
s
)/()(
hkkh
XXYYG
где G расход инертного газа, кмоль/с;
h
и У, начальная и конечная
концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного
газа; L-расход абсорбсша, кмоль/с; Х
н
и Х
к
начальная и конечная
концентрации абсорбтива в поглотителе, кмоль/кмоль абсорбента.
Обычно из уравнения материального баланса определяют общий расход абсорбента:
L=G(Y
H
- Y
K
)/(X
K
-XJ
(16.10)
или его удельный расход / (кмоль/кмоль инертного газа):
)/()(/
hkkh
XXYYGll
(16.11)
Уравнение (16.11) можно записать следующим образом:
)(
hkkh
XXlYY
(16.12)
Это уравнение определяет зависимость между составами газа
жидкости в произвольном сечении аппарата и поэтому носит
название уравнения рабочей линии.
Из уравнения (16.12) следует, что рабочая линия абсорбции в
координатах У— X представляет собой прямую с углом наклона,
тангенс которого равен / = L/G.
Рассмотрим понятие об удельном расходе абсорбента и
выбор
размера аппарата для проведения этого процесса. Связь между
удельным расходом абсорбента и размером абсорбера показана на
рис. 16-2, а. В данном случае заданными являются начальная и ко-
нечная концентрации газа (У
н
и У
к
),' расход инертного газа G и
начальная концентрация абсорбента Х
и
. Таким образом,
переменными в уравнении (16.12) являются расход абсорбента L и
его конечная концентрация Х
к
, от которых зависит положение рабочих
линий на диаграмме Y— X и, следовательно, величина движущей
силы процесса и соответственно размер абсорбера [уравнение
(15.36)]. Через точку А (рис. 16-2, а) с координатами У
к
и Х
нв
в
соответствии с уравнением (16.12) проведены рабочие линии АВ,
У,, АВ
2
, АВ
3
, отвечающие различным концентрациям абсорбента
или разным удельным его расходам Поскольку начальная
концентрация
h
газа задана,то точки
321
,,,
будут лежать на
одной горизонтальной прямой.
I
О
Рис. 16-2. К определению удельного (а) и оптимального удель-
ного (б) расходов абсорбента (S затраты в руб.)
Движущая сила процесса абсорбции для любого значения X и
выбранной величины / будет выражаться разностью ординат Y—
У*, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими
соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия. Для
всего абсорбера можно принять среднее значение АУ
ср
, величина
которого, например для линии АВ
1
, изображена на рис. 16-2, а
отрезком А7
ср
. Величина движущей силы будет тем больше, чем
круче наклон рабочей линии и, следовательно, чем больше удель-
ный расход абсорбента. При совпадении рабочей линии с верти-
калью АУ
ср
будет иметь максимальное значение, и, следовательно,
размеры аппарата при этом минимальны [так как число единиц
переноса п
у
= (АУ
б
— АУ
м
)/А7
ср
, то при постоянстве АУ
М
значения AF
6
и АУ
ср
максимальны]. Удельный расход абсорбента
при этом будет бесконечно большим, поскольку X
к
= X
н
и
знаменатель в уравнении (16.11) будет равен 0.
Если же рабочая линия АВ
Ъ
касается линии равновесия, то
удельный расход абсорбента минимален (т.е. / = /
min
), а величина
АУ
ср
в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке У
н
= У *;
при этом п
у
= оо.
В технике в массообменных, в том числе и в абсорбционных,
аппаратах равновесие между фазами не достигается и всегда
Х
К
<Х* (где ^jf-концентрация поглощаемого газа в жидкости,
находящейся в равновесии с поступающим газом). Поэтому вели-
чина / всегда должна быть больше минимального значения /
min
,
отвечающего предельному положению рабочей линии, т.е. линии
АВ
Ъ
на рис. 16-2. Заменив Х
к
на X* в уравнении (16.11), получим
выражение для определения минимального расхода абсорбента:
Отметим, что увеличение удельного расхода / абсорбента одно-
временно с уменьшением высоты абсорбера может привести к за-
метному увеличению его диаметра. Это происходит потому, что
48
; увеличением / = L/C возрастает также расход поглотителя L (G
остается постоянной величиной), а при этом снижаются
допустимые •чсорости газа в абсорбере, по которым находят его
диаметр. \ 1оэтому если удельный расход абсорбента не задан (т.е.
не задана конечная концентрация Х
к
абсорбента), следует
выбирать такое соотношение между размерами абсорбера
затратами на его эксплуатацию и величиной /, при котором
величина удельного расхода абсорбента будет оптимальной.
Величину оптимального расхода абсорбента /
опт
находят с
помощью технико-экономиче-
кого расчета. Затраты S (рис. 16-2,5) на поглощение в абсорбере
1 кмоль газа
южно представить следующим образом:
s = s, + S
2
+ s
3
,
где Sj затраты, не зависящие от размеров аппарата и расхода
абсорбента (стоимость газа, обслуживание и т.д.); S
2
капитальные
вложения, зависящие от размеров абсорбера (стоимость энергии
на преодоление гидравлического сопротивления при
прохождении газа через абсорбер и т.д.); 5
3
затраты, зависящие от
расхода абсорбента (стоимость перекачки абсорбента, расходы на
десорбцию и т.д.).
Так как S
{
не зависит от расхода абсорбента, то функция 5\ — /(/)
на рис. 16-2,6 выражается горизонтальной прямой линией.
Построив по ряду точек зависимости 5"
2
=/(/) и 5
3
= F(/), строим
кривую S общих расходов, которая имеет минимум, соответст-
вующий оптимальному удельному расходу /
opt
абсорбента.
Тепловой баланс и температура абсорбента. В случае
неизотермической абсорбции при растворении газа в жидкости
температура ее повышается вследствие выделения теплоты. Для
технических расчетов пренебрегают нагреванием газа и считают,
что вся теплота идет на нагрев жидкости.
При изотермической абсорбции и температуре /
н
поступающего в
абсорбер поглотителя линия равновесия изображается кривой OD
(рис. 16-3). Если же температура абсорбента в процессе
абсорбции изменяется, то линия равновесия будет располагаться
выше, и действительная линия равновесия при переменной
температуре изобразится кривой АС.
Ноли известна темпералура / при данном составе, то можно
найти ординату К* некоторой точки (У на кривой равнове- ^
сия, соответствующую составу X (см. рис. 16-3). Для этого нужно
составить ^ уравнение теплового баланса для части абсорбера,
расположенной выше некото-
v
* 'v
Рис. 16-3. Кривые равновесия при изотермической (ОАО) и
нсизотермичсской (ОАС) абсорбции
49
Рого произвольного сечения с текущими
значениями концентрации жидкости и газа X и Y
соответственно:
)()(
hhдab
ttLcXXLqQ
,
(16.14)
)()(
hhд
ttcXXq
(16.14а)
где
д
q
- дифференциальная теплота расширения газа, кДж/кмоль; L-
расход абсорбента, моль/с; с-теплоемкость . жидкости, кДж/(кмоль • К); t-
температура жидкости в данном сечении, К;
h
t
начальная температура
жидкости, К.
Тогда
))(/(
hдh
XXcqtt
С помощью уравнения (16.15), задаваясь рядом произвольных
значений X в интервале между заданными концентрациями Х
я
и Х
к
, определяют температуры t и затем по справочным данным
находят соответствующие значения Y* и строят линию равновесия
(по точкам 0
1
, О
2
и т.д.).
5.2.3. АБСОРБЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
Для многокомпонентных смесей равновесие каждого компонента
можно выразить уравнением (16.5):
где
i
Y
равновесная концентрация /-го компонента в газовой фазе на 1 моль газовой
(
смеси;
i
X
, - концентрация /-го компонента на 1 моль абсорбента.
Если система характеризуется законом Генри, то коэффициент
фазового равновесия m
t
будет выражаться прямой линией (в системе
координат X — Y). На диаграмму X — У (рис. 16-4) наносят линии
равновесия для каждого компонента (на рис. 16-4 таких
компонентов три -А
9
В, С), причем получим пучок прямых с
разными наклонами: т^, ш
2
, т
3
(рис. 16-4). Чем менее летуч
компонент или чем менее растворим в жидкости, тем больше будет
наклон соответствующей линии равновесия. Далее на диаграмму
наносят рабочие линии для каждого компонента. Уравнения
рабочих линий можно получить из уравнений материального
баланса для каждого компонента:
)()(
ihikikih
XXLYYG
,(16.16)
где G число молей газовой смеси, поступающей в абсорбер; L число молей аб-
сорбента; X
itl
и К,
н
начальные концентрации /-го компонента в абсорбенте и газовой
смеси; X
iK
и У
/к
конечные концентрации /-го компонента в абсорбенте и газовой
смеси.
Следует отметить, что для всех компонентов отношение L/C
одинаково, так как потоки обеих фаз практически постоянны по
высоте абсорбера, и поэтому все рабочие линии будут параллельны.
При этом нельзя заранее достоверно оценить полный состав
отходящего газа, поскольку при абсорбции многокомпонентных
газовых
50
(16.15)
не. 16-4. К определению числа теоретических тарелок для многокомпонентной
»сорбции
смесей можно только наметить степень извлечения одного из
компонентов, который в этом случае называют основным. Зная
начальные и конечные концентрации основного компонента
(например, В), можно определить число теоретических тарелок для
разделения этого компонента. Конечные концентрации других
компонентов в данном абсорбере зависят от его высоты или числа
тарелок. Таким образом, концентрации
321
,,
kkk
XXX
не могут быть
произвольно заданы, а должны определяться на основе того, что
всем компонентам соответствует в абсорбере одинаковое число
теоретических тарелок (см. рис. 16-4). При этом обычно начальная
концентрация компонента в абсорбенте равна нулю. Как видно из
этого рисунка, конечные концентрации остальных компонентов
A и С газа в отходящей газовой смеси будут равны
31 kk
YY
Следует отметить, что наибольшая движущая сила процесса
массопереноса для менее летучих компонентов (в данном случае
B и С) будет на выходе из абсорбера, а для компонентов более
летучих (в данном случае А)-на входе в абсорбер.
Следует помнить, что рассмотренный метод применим только
в случае слабоконцентрированных газовых смесей и не слишком
высокой концентрации жидкости.
5.2.4. КИНЕТИКА АБСОРБЦИИ
Кинетика физической абсорбции. Скорость процесса абсорбции
может быть рассмотрена на основе материала, изложенного в гл. 15.
Применительно к абсорбции уравнение массопередачи (15.36), если
движущую силу выразить в концентрациях газовой фазы,
принимает следующий вид:
ср
yy
FKM
, (16.17) 51
Если движущую силу выразить в концентрациях жидкой фазы,
то уравнение массопередачи записывается следующим образом:
(16.17а)
срx
xFKM
Коэффициенты массопередачи
y
K
и
x
K
в уравнениях
(16.17) и (16.17а) определяются в соответствии с уравнениями
(15.35) и (15.38) так:
)/()/1(
1
ЖГ
y
m
K
, (16.18)
)/(1)/1(
1
ГЖ
X
m
K
, (16.18а)
где Р
г
коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз;
(З
ж
- коэффициент массоотдачи от поверхности контакта к потоку абсорбента.
Для хорошо растворимых газов величина т незначительна
и мало диффузионное сопротивление в жидкой фазе. Тогда
ЖГ
m
//1
, и можно принять, что
Гy
K
Для плохо
растворимых газов можно пренебречь диффузионным
сопротивлением в газовой фазе, так как в этом случае значения т и
Г
велики. Toгда
ГЖ
m
/1/1
и можно считать, что
ЖX
K
Для процесса абсорбции в уравнении массопередачи (16.14)
молярные концентрации газовой фазы могут быть заменены
парциальными давлениями газа, выраженными в долях общего
давления. Тогда
ср
FKМ
где
ср
средняя движущая сила процесса, выраженная в единицах
давления; К
р
коэффициент массопередачи, отнесенный к единице движущей силы,
выражаемой через парциальные давления поглощаемого газа.
Если линия равновесия является прямой, то средняя движущая
сила процесса
ср
по аналогии с уравнением (15.32) выражается
так:
(16.19)
)/ln(
МБ
МБ
ср
где
Б
= р
н
— р* и
М
= р
к
— р* движущая сила на концах абсорбционного
аппарата;
К
и
Н
равновесные парциальные давления газа на входе в аппарат
и выходе из него; р
н
и р
к
парциальные давления газа на входе в аппарат и выходе
из него.
Отметим, что если парциальное давление выражено в долях
общего давления p то коэффициенты массопередачи
и
Y
численно равны друг другу. Если же парциальные давления
выражены в единицах давления, то
Y
p
Между коэффициентами массопередачи и высотой единицы