40.Массообменные процессы и аппараты. В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.), причем наиболее часто процессы массопередачи используют для разделения гомогенных систем.
В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами:
1. Абсорбция — поглощение газа жидкостью, т. е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой фазы в жидкую. Обратный процесс выделения газа из жидкости называется десорбцией.
2. Экстракция (в системе жидкость — жидкость)— извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. При этом извлекаемый компонент исходного раствора переходит из одной жидкой фазы в другую.
3. Ректификация — разделение гомогенных жидких смесей путем многократного взаимного обмена компонентами между жидкой и паровой фазами, движущимися обычно противотоком друг к другу.
4. Адсорбция — поглощение компонента газа, пара или раствора твердым пористым поглотителем, т. е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой (паровой) или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс — десорбция проводится после адсорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.
Разновидностью адсорбции является ионный обмен — процесс разделения, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы растворов электролитов.
5. Сушка — удаление влаги из твердых материалов главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую.
6. Кристаллизация — выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости.
7. Растворение и экстракция (в системе твердое тело — жидкость). Растворение характеризуется переходом твердой фазы в жидкую (растворитель) и представляет собой, таким образом, процесс, обратный кристаллизации. Избирательное растворение, предназначенное для извлечения того или иного компонента из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого, или выщелачиванием.
Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Как известно, при теплопередаче обменивающиеся теплом среды в большинстве случаев разделены твердой стенкой, в то время как массопередача происходит обычно через границу раздела соприкасающихся фаз.
Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т. е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.
Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.), в которых участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, другое — вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами вещество. Вещества, составляющие каждую из фаз, являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу. Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воздухом вода и воздух служат носителями распределяемого вещества — аммиака.
К другой группе относятся процессы (например, ректификация), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.
Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называются также диффузионными процессами.
Для диффузионных процессов, по аналогии с процессами переноса тепла, принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потенциалов распределяемого вещества. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией, и в расчетах движущую силу процессов массопереноса выражают приближенно через разность концентраций, подобно тому, как в процессах теплопереноса ее выражают разностью температур.
Процессы массопередачи избирательны в тех случаях, когда поглотитель извлекает только один компонент (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальных ее компонентов. Эти процессы большей частью обратимы, т. е. могут протекать в противоположных направлениях в зависимости от температуры, давления и других условий их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия
41.Равновесие при массопередаче. Правило фаз. Знание равновесия в процессах массопередачи позволяет установить пределы, до которых могут протекать эти процессы. В основе равновесия лежит известное правило фаз:
Ф+С=К+2
где Ф — число фаз; С — число степеней свободы, т е. число независимых переменных, значения которых можно произвольно изменять без нарушения числа или вида (состава) фаз в системе; К — число компонентов системы.
Правило фаз указывает число параметров, которое можно менять произвольно (в известных пределах) при расчете равновесия в процессах массообмена.
Фазовое равновесие. Линия равновесия. Рассмотрим в качестве примера процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой, т. е. в виду отсутствия равновесия переходит из газовой фазы Фу, где его концентрация равна у, в жидкую фазу Фх, имеющую начальную концентрацию х = 0. С началом растворения аммиака в воде начнется переход части его молекул в обратном направлении со скоростью, про-
порциоиальной концентрации аммиака в воде и на границе раздела фаз. С течением времени скорость перехода аммиака в воду будет снижаться, а скорость обратного перехода возрастать, причем такой двусторонний переход будет продолжаться до тех пор, пока скорости переноса в обоих направлениях не станут равны друг другу. При равенстве скоростей установится динамическое равновесие, при котором не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу.
При равновесии достигается определенная зависимость между предельными, или равновесными, концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осуществляется процесс массопередачи.
В условиях равновесия некоторому значению отвечает строго определенная равновесная концентрация в другой фазе, которую обозначим через . Соответственно концентрации отвечает равновесная концентрация . В самом общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью:
(Х,8)
или
(X, 9)
Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рис. Х-1, либо в частном случае - прямой линией.
На рис. Х-1а показана равновесная кривая для системы с компонентами-носителями, выражающая зависимость равновесной концентрации, например в газовой фазе, от концентрации жидкой фазы при Р = const и t= const. На рис. Х-1,б приведен пример равновесной кривой для процесса ректификации, построенной при Р — const. Каждая точка кривой, как показано на рисунке, соответствует разным температурам (t1,t2 и т.д.).
Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения:
(X, 10)
Коэффициент распределения выражает тангенс угла наклона линии равновесия и для кривой линии равновесия является величиной переменной.
Конкретный вид законов равновесного распределения, выражающих зависимости (X, 8) и (X, 9), различен для разных процессов массопередачи. Так, например, в процессе абсорбции при низких концентрациях распределяемого вещества в исходном растворе равновесие описывается законом Генри ( ,где yA*—равновесная концентрация извлекаемого компонента в газовой фазе, кгА/кг(А+В);m - коэффициент распределения;x - концентрация газа в растворе, кмольА/кмоль (А+В).), для идеальных растворов в процессах ректификации - законом Рауля (рк = Рк х, где рк -парциальное давление данного компонента в парах над жидкостью, выраженное в долях от общего давления; Рк—упругость паров чистого данного компонента при данной температуре; х—молекулярная доля данного компонента в жидкости) и т. д.
Зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие, т. е. неравновесные концентрации фаз в соответствующих точках, можно определить направление и движущую силу массопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рассчитана средняя движущая сила, а по ней — скорость процесса массопередачи.
42.Материальный баланс. Рабочая линия. Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений.
Зависимость между рабочими концентрациями, распределяемого вещества в фазах
изображается линией, которая носит название рабочей линии процесса. Вид функции , или уравнение рабочей линии в его общем виде, является одинаковым для всех массообменных процессов и получается из их материальных балансов.
Рассмотрим схему массообменного аппарата, работающего в режиме идеального вытеснения при противотоке фаз (рис. Х-2). Пусть в процессе массопередачи из фазы в фазу, например из газовой фазы в жидкую, переходит только одни распределяемый компонент (скажем, аммиак).
Сверху в аппарат поступает Lн кг/сек одной фазы (жидкой), содержащей хн вес. долей распределяемого компонента, а снизу из аппарата удаляется LK кг/сек той же фазы, содержащей хк вес. долей распределяемого компонента. Снизу в аппарат поступает Gн кг/сек другой фазы (газовой) концентрацией ун и сверху удаляется GK кг/сек этой фазы, имеющей концентрацию yк вес. долей распределяемого компонента.
Тогда материальный баланс по всему веществу
Gн + Lн= Gк + Lк
и материальный баланс по распределяемому компоненту
.
Теперь напишем уравнения материального баланса для части аппарата от его нижнего конца до некоторого произвольного сечения, для которого расходы фаз составляют G и L кг/сек, а их текущие концентрации равны у и х соответственно.
Материальный баланс по всему веществу Gн + L= G + Lк и материальный баланс по распределяемому компоненту
.
Решая это уравнение относительно у, получим:
(X, 11)
Уравнение (X, 11) представляет собой уравнение рабочей линии, выражающее связь между рабочими концентрациями распределяемого компонента в фазах для произвольного сечения аппарата.
Расходы фаз постоянны по высоте аппарата, например в процессах ректификации, когда числа молей компонентов, которыми обмениваются фазы, равны. В других случаях, если концентрации фаз мало изменяются по высоте аппарата, то расходы фаз по его высоте можно с достаточной для практических целей точностью считать постоянными, т. е. принять L == const и G = const. При этом LK = L, GH = G и уравнение (X, 11) приводится к виду
(X, 11а)
Вводя обозначения, находим
(X, 116)
Выражения (X, 11а) и (X, 11б) являются уравнениями рабочей линии, которыми обычно пользуются при расчетах массообменных процессов.
Таким образом, рабочая линия представляет собой прямую, которая наклонена к горизонту под углом, тангенс которого равен А, и отсекает на оси ординат отрезок, равный В. Рабочая линия для всего аппарата ограничена точками с координатами хн и ук (верхний конец аппарата, рис. Х-2) и ун и хк (нижний конец аппарата).
4.Перенос вещества молекулярной диффузией. Закон Фика. Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движением самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому количество вещества dМ продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации этого вещества:
(X. 12)
или
(X. 12а)
Из выражения (X, 12а) следует, что удельный поток вещества, переносимого молекулярной диффузией через единицу поверхности (F = 1) в единицу времени (τ = 1), или скорость молекулярной диффузии, составляет:
(Х.13)
Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика называется коэффициентом молекулярной диффузии, или просто коэффициентом диффузии. Знак минус перед правой частью первого закона Фика указывает на то, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого компонента.
Согласно уравнению (X, 12), коэффициент диффузии выражается следующим образом: , откуда (до сокращения одноименных величин) вытекает физический смысл D. Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице.
Коэффициент молекулярной диффузии представляет собой физическую константу, характеризующую способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Величина D таким образом не зависит от гидродинамических условий, в которых протекает процесс.
Значения коэффициента диффузии D являются функцией свойств распределяемого вещества, свойств среды, через которую оно диффундирует, температуры и давления. Обычно величины D возрастают с увеличением температуры и понижением давления (для газов). В каждом конкретном случае значение D определяют по опытным данным или по теоретическим и полуэмпирическим уравнениям с учетом температуры и давления, при которых протекает процесс диффузии.
43.Перенос вещества молекулярной диффузией. Закон Фика. Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движением самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому количество вещества dМ продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации этого вещества:
(X. 12)
или
(X. 12а)
Из выражения (X, 12а) следует, что удельный поток вещества, переносимого молекулярной диффузией через единицу поверхности (F = 1) в единицу времени (τ = 1), или скорость молекулярной диффузии, составляет:
(Х.13)
Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика называется коэффициентом молекулярной диффузии, или просто коэффициентом диффузии. Знак минус перед правой частью первого закона Фика указывает на то, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого компонента.
Согласно уравнению (X, 12), коэффициент диффузии выражается следующим образом: , откуда (до сокращения одноименных величин) вытекает физический смысл D. Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице.
Коэффициент молекулярной диффузии представляет собой физическую константу, характеризующую способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Величина D таким образом не зависит от гидродинамических условий, в которых протекает процесс.
Значения коэффициента диффузии D являются функцией свойств распределяемого вещества, свойств среды, через которую оно диффундирует, температуры и давления. Обычно величины D возрастают с увеличением температуры и понижением давления (для газов). В каждом конкретном случае значение D определяют по опытным данным или по теоретическим и полуэмпирическим уравнениям с учетом температуры и давления, при которых протекает процесс диффузии.
44. Конвективная диффузия. Ур-е переноса в-ва конв. дифузией. Ур-е переноса в-ва конв. дифузией. В движущей среде массоперенос осущ-ся как за счет молекул-ой диф-ии так и за счет конвективного переноса. Концентрация распред-го в-ва в элементарном объеме изменяется не только за счет хаот-го движ молекул но и за счет макродвижений турбулентных пульсаций в самой среде, т к среда перемещается в направлении всех 3-х осей х,у,z. Со скоростямиWx,Wy,Wz, то изменение концентрации распред-го в-ва необходимо выражать субстациональной прозв-й учитывающей изменение величины во времени и изменение связанное с перемещением в простр-ве. Если в Ур-ии молекулярной диффузии заменить локальное изменение концентр-ии на полное, то получим ДУ конвективного массопереноса: Данное Ур-е выражает распределение концентрации в-ва движущейся в стационарной среде, при неустан-ся процессе массообмена.
Возникновение массооб процесса, его направление и предел перехода в-ва из 1-й фазы во 2-ю зависит от степени отклонения с-мыот равновесия. По направлении переноса массы в с-ме можно судить о взаимном положении рабочей и равновесной линий. Рассм 2 случая:
1. рабочая линия располагается выше равновесной. Концентрация Х соот-ет, что рабочая меньше равновесной, а у У наоборот. При этом , - распределенный компопнент переходит из 2-х(абсорбция)
2. Рабочая линия распологается ниже равновестной.
При стремлении с-мы к состоянию равновесия распр-й компонент переходит из жидкой фазы в газовую(десорбция) Движущей силой процесса масообмена условно называют разность между рабочей и равнов концентрациями переходного компонента в данной фазе. Знак и указывает на направление переноса массы.
45. Механизм переноса тепла при конвективном теплообмене. Уравнение массоотдачи Для описания механизма массопереноса множество упращенных теор-их моделей. В основу большинства из них положены 1 и те же допущения: 1. Сопр-я массопереносу складыв-ся из сопрот-й каждой из фаз и сопр-я на границе раздела фаз. Допуская, что сопр-е на пов-ти раздела фаз =0 принимаем, что процесс массопереноса в каждой из фаз происходит независимо друг от друга и общее сопр-ие рассматривают как сумму всех сопрот-й. 2. На пов-ти раздела фаз равновесие устан-ся почти мгновенно и равновесная конценирация на пов-ти отличается от соот-ей концентрации в ядре потока. Ур-е массоотдачи : з-н массоотдачи гласит: кол-во в-ва перенесённог от пов-ти раздела фаз в воспринимающую среду пропорц-но разности концентрации у пов-ти фаз и потока восприним-ей фазы, пов-ти фазового контакта и времени: Коэф-т хар-ет такое кол-во в-ва переходит от границы раздела фаз в ядро потока через пл-дь пов-ти 1 в течении 1 сек при разности концентрации=1. При расчете конкретного процесса массопереноса обычно принимают, что коэф-т массоотдачи сохраняет свое значение вдоль пов-ти контакта. Тогда предыдущее Ур-е можно переписать: (G); Входящие в Ур-е разности концентраций выражают собой движущую силу процесса в фазах G и L.
46. критериеи диф-го подобия Nu, Pe,Pr При выборе условий и критериев диф-го подобия исходят из ДУ молекулярного и конвективного массопереноса в-ва. В свою очередь сходство ДУ массо и тепло переноса дает основание пологать, что критерий диф-го и теплового подобия имеет одинаковый вид. В этом легко убедиться, анализируя условия массообмена у границы разделе фаз. Кол-во распред-го в-ва, переносимого от пов-ти контакта в ядро потока можно выразить с помощью Ур-я массоотдачи в свою очереть массоперенос в пограничном слое, где приобладает молекул-я диф-я, описывается Ур-ем Фика: . Приравниваем правые части Ур-ий, получим выражение, хар-е граничные условия при массопереноса . Это выражение явл-ся з-ном сохранения в-ва. Переходя к конкретным хар-ым величинам и отбрасывая знаки мат-их операторов будем иметь: Разделив левую часть на правую получим безразмерный комплекс , который в подобных системах идентичен и назван диффузионным числом Нуссельта (Nu’) - диф-е число Нуссельта.Диф-й критерий Нуссельта хар-ет соотношение хар-го размера в толщине пограничного слоя. Для установления диф-го подобия в ядре потока, за исходную позицию берут ДУ конвективного массообмена. Для кратности изложения запишем одномерное, нестац-е Ур-е диффузии:
Проводя замену членов ДУ конечной величины отбросив при этом знаки математ-их операторов получим: . Разделив правую часть Ур-я на 1-е слогаемое в левой части получим безразмерный комплекс , который для подобных процессов идентичный, и назван диф-ым числом Фурье: - идентичное число Фурье. Число Фурье хар-ет подобие нестационарных процессов. Поделив 2-е слагаемое предыдущего выражения на правую часть, получим безразмерный комплекс , который для диф-ых процессов идентичен и назван диф-ым критерием Пекле: - диф-е число Пекле. Число Пекле хар-ет соотношение массовых потоков за счет конвекции и диффузии. Если умножить числитель и знаменатель в числе Пекле на отношение , то получим: , где - число Прандля диф-е, хар-ие физ-е св-ва в-в в фазах и указывет на соотношение между толщинами гидродинамического и диф-ых слоев.Полученные из ДУ числа подобия позволяют записать критериальное Ур-е в неявной форме: . Из всех чисел диф-го подобия, включающих первоначальные величины в число Nu входит величина , которая сама зависит от нескольких переменных и явл-ся искомой. Следовательно критерий Nu явл-ся определенным критерием, а остальные- определяющие. В связи с этим критериальные Ур-я представляют в таком виде: . Явный вид данного Ур-я устан-ся как правило при обработке эксперем-ых данных, различными методами.
47.Массопередача Основное Ур-е массопередачи. Средняя движущая сила массопередачи Всоот-ии с общими кинет-ми законами химико-технолог-х прочесов основной з-н массопередачи можно сфор-ть следующим образом. Скорость процесса массопередачи проп-на движущей силе и обратно проп-на сопротивлению. R- сопротивление процессу массопереноса. Если вместо R взять обратную величину, хар-ю скорость процесса 1\R=K то предыдущее Ур-е примет вид: или Отношение кол-ва распред-го в-ва между фазами к 1 времени для всей пов-ти контакта фаз Ур-е массопередачи примет вид: Согласно основному Ур-ю массопередачи кол-во в-ва М переходящее из фазы в фазу за 1 времени проп-но пов-ти контакта фаз и движущей силе процесса. Коэф-т К выражает собой кол-во в-ва переходящее из 1-й фазы во 2-ю за 1 времени через 1 пов-ти контакта фаз при движущей силе =1: Движ-я сила процесса может быть выражена в любых единицах.
48. связь между коэф-ми массопередачи и массоотдачи. Зав-ть К от установим рассматривая массоперенос распр-го в-ва из фазы G в фазу L на упрощенной модели. Рассмотрим случай, когда равновесная линия прямая т е описывается Ур-ем , m- тангес угла наклона линии равновесия к горизонтали. За 1 времени из фазы G к выделенному элементу пов-ти dF переносится кол-во в-ва равное: за это время от элемент-й пов-ти dF в фазу L переносится кол-во в-ва: тогда для всей пов-ти контакта фаз можно записать: ; При линейной зав-ти между равновесными концентрациями распред-го в-ва в фазах: либо по аналогии , где - концентрация распредел-го в-ва в фазе G равновесна с конц-й в фазе L. Из последних 2-х Ур-й выразим концентрацию в фазе L через конц-ю в фазе G: ; Подставим в Ур-е массотдачи: Выразив движущие силы по фазам: ; сложив левые и правые части Ур-я получим движ-ую силу процесса в целом , Отсюда получаем зав-ти между коэф-ми массоотдачи и массопередачи: ;
- общее сопротивление массопереносу, - диф-е сопр-е газовой фазы, - диф-е сопр-е жидкой фазы, т е по правтлу адитивности общее диф-е сопр-е массопереноса = сумме диф-ых сопр-й газовой и жидкой фаз. При выражении коэф-та массопередач концентрации фазы L по аналогии можно получить ;
m- коэф-т распределения .
49. Последовательность расчета массообменного аппарата. Определение поперечного сечения и высоты (длины) аппарата.
,
, ,
, ,
,
,
,
50. Расчет высоты массообменных аппаратов с непрерывным контактом фаз. Высота и число единиц переноса.
В случаях, когда пов-ть контакта фаз постоянно деформируется, ее размер установить почти нельзя, использовать основное ур-е массопередачи трудно
В этом случае
- удельная пов-ть насадки аппарата, (м2/м3),
S – площадь поперечного сечения аппарата,
H – высота контактной зоны аппарата.
=
или согласно мат балансу по распределяемому компоненту M=G(Yн-Yк) получим
- модифицированное ур-е массопередачи.
=hоу- участок по высоте аппарата, соответствующей 1 единице переноса(ВЕП).
=nоу- число единиц переноса (ЧЕП).
аналогично для жидкой фазы.
=hох =nох
ВЕП имеет смысл величины обратной массопередаче, ЧЕП – обратной силе процесса.
51. Расчет высоты массообменных аппаратов с дискретным контактом фаз. Теоретическая и действительная ступень контакта.
Очевидно, число единиц переноса, соответствующее одной ступени изменения концентрации, тус или тхс, найдем как
При заданных величинах начальной и конечной концентрации распределяемого между фазами компонента число ступеней изменения концентрации Nс в случае линейной равновесной зависимости может быть определено аналитически. Число ступеней вычисляется как частное от деления числа единиц переноса mу, определяемого при заданных рабочих концентрациях, на число единиц переноса одной ступени тус
Nс= mу/ тус
Для перехода от числа ступеней к высоте насадки насадочных колонн можно написать уравнение
H= hус Nс
где hус—высота насадки, эквивалентная одной ступени изменения концентрации.
hус = hy тус
=hоу- участок по высоте аппарата, соответствующей 1 единице переноса(ВЕП).
=mоу- число единиц переноса (ЧЕП).
аналогично для жидкой фазы.
=hох =mох
ВЕП имеет смысл величины обратной массопередаче, ЧЕП – обратной силе процесса.
52.Абсорбция и десорбция. Характеристика процессов
Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).
При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбат) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбат образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.
Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощённый компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не надо , так как абсорбент и абсорбат представляют собой дешёвые или отбросные продукты , которые после абсорбции можно вновь не использовать (например ,при очистке газов).
В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.
Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция НСl с получением соляной кислоты ; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция NH3, т.п.). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от примесей (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т.д.).
53.Равновесие при абсорбции. Закон Генри.
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).
При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси). Для данной системы газ-жидкость эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление рА растворённого газа пропорционально его мольной доле хА в растворе р*А=ЕхА
или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью х*А=(1/Е)рА
где р*А – парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию хА (в мол. долях); х*А – концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесной с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно рА; Е – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом , или константой Генри.
Если yA – мол.доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р – общее давление в системе, то парциальное давление рА, по закону Дальтона , можно выразить зависимостью рА=Ру
Подставив значение рА в первое уравнение, получим у*А=(Е/Р)*хА
или закон Генри может быть представлен в форме у*А=mx
где m=Е/Р – коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.
Закон Генри показывает, что зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен m. Числовые значения величины m зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.
Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.
Закон Генри применим к растворам газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т.е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент m в уравнении является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.
Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение закона Генри применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.
При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объёма жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объёма данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом: m=E/f0
где f0 – фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.
Для бинарных растворов величина f0 может быть найдена следующим образом:
n(f0/x)=lnE–[A/(RT)][1–(1-x)2] , где А – постоянная.
При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри: Y*=(mX)/[1+(1-m)X]
Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации X газа в жидкости) можно принять (1 – m)X≈0. Тогда знаменатель уравнения обращается в единицу и уравнение принимает вид: Y*=mX
При таком выражении закон Генри изображается прямой линией.
В случае абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости значительно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального. При этом 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, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных.
В приведенных зависимостях не учитывалось влияние давления паров поглотителя на равновесие, что допустимо, если это давление мало по сравнению с парциальным давлением абсорбируемого газа. Если же давление паров поглотителя велико, то его влияние на равновесие при абсорбции учитывают следующим образом.
Согласно закону Рауля, парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную доля в растворе, т.е. для поглотителя: рП=РП(1-х)=РПхП
Парциальное давление абсорбента в равновесной газовой фазе рП равно:рП=РуП
Из уравнений получим: уП=[PП(1-x)]/Р=(РПхП)/Р
В этом случае концентрация абсорбируемого газа в газовой фазе по отношению к концентрации инертного газа составляет:Y=y/(1-y-yП)
При таком выражении концентрации в качестве общего давления принимается разность Р-рП.