КТК КНИТУ
Зачётно - контрольная
работа по дисциплине ПАХТ
на тему:
«Абсорбция газов»
Выполнила: Галанина Д.Е.
Проверила: Чилимова Н.Г.
2013
Абсорбция газов (лат. absorptio,
от absorbeo-поглощаю), объемное поглощение
газов и паров жидкостью (абсорбентом)
с образованием раствора. Применение
абсорбции в технике для разделения
и очистки газов, выделения паров
из паро-газовых смесей основано на
разл. р-римости газов и паров
в жидкостях. Процесс, обратный абсорбции.,
наз. десорбцией; его используют для
выделения из р-ра поглощенного газа
и регенерации абсорбента. Поглощение
газов металлами (напр., водорода палладием)
наз. окклюзией. асорбция .- частный
случай сорбции.
Различают физ. и
хим. абсорбцию. При физической
абсорбции энергия взаимод. молекул
газа и абсорбента в р-ре
не превышает 20 кДж/моль. При химической
абсорбции (или абсорбция с
хим. р-цией, часто наз. хемосорбцией)
молекулы растворенного газа
реагируют с активным компонентом
абсорбента-хемосорбентом (энергия
взаимод. молекул более 25 кДж/моль)
либо в р-ре происходит диссоциация
или ассоциация молекул газа.
Промежут. варианты абсорбции характеризуются
энергией взаимод. молекул 20-30
кДж/моль. К таким процессам относится
растворение с образованием водородной
связи, в частности А. ацетилена
диметилформамидом.
Статика абсорбции.
Характеризует термодинамич. равновесие
р-ра с паро-газовой смесью, а
также материальный и энергетич.
балансы процесса. При физ. абсорбции
с образованием идеального р-ра
для р-рите-ля и растворенного
газа во всем интервале изменения
состава в соответствии с законом
Рауля растворимость газа:
где Р°2- давление паров над
чистым сжиженным газом при данной
т-ре системы; р2 - парциальное давление
газа; звездочкой обозначаются параметры
в-ва в условиях равновесия. Индексы
"1" и "2" относятся соотв. к
р-рителю и газу. Идеальная р-римость
x*2,ид-ф-ция только т-ры, св-ва р-ри-теля
влияния на нее не оказывают.
Зависимость р-римости
газов х*2 от их парциального
давления при физ. абсорбции
в бесконечно разбавленном р-ре
(х2 ->0) и при низких давлениях
Р в системе описывается законом
Генри (рис. 1, прямые 1-3):
где КH-коэф. Генри, изменяющийся
с изменением т-ры. Если абсорбция
проводят под давлением, но х*2 ->0, р-римость
газа можно рассчитать по уравнению
Кричевского - Казарновского:
где Кф-коэф. физ. р-римости, равный
КH при х2-> 0 и Р-> -> 0; f*2-летучесть
газа; -парциальный мольный объем
растворенного газа в жидкой фазе
при бесконечном разбавлении; R- универсальная
газовая постоянная; Po1-давление насыщ.
паров чистого р-рителя при абс.
т-ре системы Т. Если 0 < х*2 (0,05-0,1) молярной
доли (разбавленные р-ры), то при низких
давлениях справедливо ур-ние
Сеченова:
где А1,2-коэф., не зависящий
от состава р-ра.
Рис. 1. Зависимость р-римости
х2* нек-рых газов в жидкостях
парциального давления газов
над растворами: I- СО2 в воде при
20 °С; 2-СО2 в пропиленкар-бонате при
25 С; 3 С2Н4 в диметилформамиде при
25 °С; 4-СО, в водном о-ое содержащем
25% К2СО3 и 10% диэтаноламина при
60°C 5-СО, в 2,5 н водном р-ре моноэтаноламина
при 20°С; х2* - в м3 газа (при нормальных
условиях - 20°С и 0,1 МПа) на 1 м3
жидкости. 2
Рис. 2. Зависимость коэф.
Генри (в мм рт. ст./молярные
доли) для р-ров газов в додекане
от т-ры.
Зависимость растворимости
газа от температуры как при
физ., так и при хим. абсорбции
приближенно описывается ур-нием:
Где
-тепловой эффект растворения газа. Если
р-р при А. нагревается,
. С изменением т-ры
обычно либо остается постоянной, либо
незначительно изменяется. Р-римость газа
в смешанном растворителе (содержащем
малополярные компоненты) можно оценить
по соотношению:
где КН.си, КН.N-коэф. Генри
соотв. для газа в смеси р-рителей
и для р-ров этого газа в
чистых компонентах р-рителя;
-коэф. активности компонентов р-рителя
(молярные доли
относятся к смеси р-рителей, свободной
от растворенного газа).
Нек-рые данные о
р-римости газов приведены в
таблице, где газы и р-рители
расположены в порядке возрастания
энергетич. параметров
и
потенциала Леннард-Джонса. Эти параметры
м. б. использованы для приближенной оценки
р-римости газов при низких давлениях
по ур-нию:
где
-р-римость в 1 м3 газа, приведенная к нормальным
условиям (20 °С, 0,1 МПа) на 1 м3 абсорбента;
kв- константа Больцмана; Р0, T0-соотв. давление
и т-ра при нормальных условиях; Р, Г-то
же при рабочих условиях. Р-римость умеренно
растворимых газов в данном р-рителе возрастает
линейно с увеличением
.
Ниже приведены значения
параметров потенциала Лен-нард-Джонса
(в К) для газов
и жидкостей
.
Тепловой эффект растворения
газа АЯ линейно изменяется с увеличением
; соотв. р-римость плохо р-римых газов
, в основном Не, Ne, H2, N2, CO, Аr, О2 и NO, с возрастанием
т-ры увеличивается (за исключением водных
р-ров), а р-римость хорошо р-римых газов
уменьшается. Типичные примеры для бесконечно
разбавленных р-ров приведены на рис. 2.
Р-римость таких газов, как H2S, COS, SO2, HC1,
NH3, C12, обычно значительно выше, чем рассчитанная
по ур-нию (1), вследствие специфич. взаимод.
с молекулами р-рителя.
При хим. абсорбции поглотит.
способность абсорбента (емкость, соответствующая
предельному кол-ву газа, к-рый поглощается
единицей объема абсорбента) и
больше, чем при физ. абсорбция. При необратимой
р-ции (напр., при поглощении СО2 р-рами
NaOH с образованием Na2CO3) равновесное давление
газа над р-ром равно нулю, пока в р-ре есть
непрореагировавший абсорбент, и поглотит.
способность определяется стехиометрией
р-ции. При обратимой р-ции давление газа
над р-ром равно нулю, но по сравнению с
физ. абсорбцией резко изменяется характер
зависимости р-римости газа от давления
(рис. 1, кривые 4,5). Так в простейшем случае,
когда в р-ре происходит только одна р-ция
и активности компонентов р-ра равны их
концентрациям, имеем:
где Кх -константа равновесия
системы газ-жидкость; Кр — константа
равновесия р-ции;
-равновесная степень превращения абсорбента;
x1- начальная концентрация абсорбента;
h-число молей продуктов р-ции на 1 моль
прореагировавшего газа; j-число молей
абсорбента, вступивших во взаимод. с 1
молем растворенного газа; A5-коэф., зависящий
от стехиометрии.
Коэф. ускорения абсорбции
могут быть достаточно велики. Так,
в случае поглощения СО2 в насадочной
колонне при одинаковых нагрузках
по фазам, т-ре и давлении, используя
2 н. водный р-р КОН (15% К содержится
в р-ре в виде карбоната), можно
получить
по сравнению с физ. абсорбцией СО2 водой.
Гипотетич. идеальный р-ритель, не обладающий
сопротивлением переносу в жидкой фазе
и имеющий бесконечно большую реакц. способность,
обеспечил бы
.
Увеличение
и
(иногда в неск. раз) может происходить
под влиянием поверхностной конвекции,
вызываемой локальными градиентами поверхностного
натяжения, к-рые возникают в ряде случаев
в результате массоотдачи, особенно при
одноврем. протекании р-ций (напр., при
абсорбции СО2 водными р-рами моноэтаноламина).
Это необходимо учитывать при подборе
новых хемосорбентов. Значение
если р-ция приводит к возникновению поверхностной
конвекции, следует определять на основе
коэф. массоотдачи при физ. абсорбции,
найденного в условиях воздействия на
процесс конвективных микропотоков вблизи
границы раздела фаз.
При расчете скорости абсорбции
часто используют коэф. массо-передачи,
определяемые по гипотетич. поверхностным
составам и, следовательно, по гипотетич.
движущим силам. Обычно принимают, что
коэф. массопередачи, отнесенный к концентрации
в газе, Кг [кмоль/(м2 *МПа*с)] обусловлен
движущей силой (у2-у*2), где у*2-молярная
доля поглощаемого компонента в газе,
к-рая отвечает равновесию с жидкостью,
имеющей средний объемный состав
х2; у2 -средний объемный состав газа
в данном сечении аппарата. Тогда
получим:
Аналогично можно найти
движущую силу (x*2 — х2) и коэф. массопередачи
Кж. Из выражений (2) и (3) следует:
где т = (y2,гр — y*2)/(x2,гр - х2)-наклон
равновесной линии в интервале
концентраций от х2, у2до x2,гр, y2,гр. Выражение
(4) записано для локального коэф. массопередачи
и показывает, что этот коэффициент
зависит от наклона линии равновесия.
Наиб. удобно рассчитывать коэф. массопередачи
по ур-нию (4) в случаях, когда наклон
равновесной линии остается почти
постоянным в рабочем интервале
концентраций. При искривленной линии
равновесия необходимо учитывать зависимость
m от концентрации.
Абсорбция осуществляют в
массообменных аппаратах, наз. абсорберами,-тарельчатых,
насадочных (устаревшее название-скрубберы),
пленочных, роторно-пленочных и распылительных.
Схема материальных потоков в
абсорбере представлена на рис. 3. Связь
между концентрациями поглощаемого
компонента в газе у2 и в жидкости
в любом горизонтальном сечении
аппарата находят из ур-ния материального
баланса (т. наз. ур-ние рабочей линии).
В общем случае это ур-ние имеет
вид:
где L и G-расходы жидкости
и газа. Когда объемы фаз в ходе
абсорбции изменяются незначительно,
рабочая линия-прямая:
Здесь индексом "н" обозначается
ниж. сечение противоточного абсорбера
или десорбера.
Существенное влияние
на ход рабочей и равновесной
[у* =f(x*2)] линий могут оказать тепловые
эффекты абсорбции. Ход рабочей
линии может сильно зависеть от интенсивности
испарения р-рителя (особенно при
десорбции). Если абсорбция сопровождается
значит. выделением теплоты, а кол-во
абсорбированного в-ва достаточно велико,
р-ритель может сильно нагреваться
при прохождении через колонну.
Примеры-осушка воздуха с помощью
конц. H2SO4, растворение НС1 в воде
при получении конц. соляной к-ты.
Температурный режим абсорбера,
от к-рого зависят равновесное давление
поглощаемого компонента, т.е. движущая
сила процесса, физ.-хим. св-ва системы
и ход рабочей линии рассчитывают
по ур-нию теплового баланса абсорбера.
Рис. 3. Схема материальных
потоков в абсорбере и хол
рабочей и равновесной линий (а-при
противотоке, 6-при прямотоке): ЛВ-рабочая
линия; ОС-равновесная линия; и
-движущая сила соотв. в газовой фазе в
верх, и ниж. сечениях
абсорбера и в газовой и жидкой фазах
на ступени.
При отсутствии внеш. подвода
или отвода теплоты, при одинаковых
т-рах газа и жидкости и без
учета испарения и конденсации
абсорбента и теплот растворения
др. газов изменение т-ры абсорбента
в любом сечении абсорбера
составляет:
, где Ср - теплоемкость р-ра,
-изменение концентрации газа в рассматриваемом
сечении. Обычно принимают, что т-ра жидкости
на межфазной границе и в объеме одинаковая.
Поскольку наиб. концентрация растворенного
газа и соотв. наиб. тепловыделение наблюдаются
вблизи пов-сти контакта фаз, т-ра межфазной
пов-сти, определяющая истинное равновесие,
часто существенно отличается от т-ры
объема жидкости. Методы учета этого явления
разрабатываются.
Чтобы вычислить пов-сть
массообмена F, необходимую для обеспечения
желаемого изменения состава
газа в абсорбере, можно использовать
локальные значения скорости массопередачи
[см. ур-ние (3)1 совместно с ур-нием
материального баланса по абсорбируемому
компоненту. При постоянстве коэф.
массоперелачи по высоте аппарата:
где G-мольная массовая скорость
газа, кмоль/(м2*с);
е:
No,r-общее число единиц
переноса в газовой фазе:
Этот важный параметр зависит
только от технол. режима процесса, определяется
положением рабочей и равновесной
линий и показывает, как влияет
движущая сила абсорбции на высоту
аппарата. Число единиц переноса, а
следовательно, и высота абсорбера,
бесконечно велики, если абсорбер работает
при миним. кол-ве циркулирующего абсорбента,
когда
. При увеличении
габариты аппарата уменьшаются, но возрастают
расход энергии и степень растворения
плохо растворимых компонентов газовой
смеси, что приводит либо к их потере и
загрязнению извлекаемого газа, либо к
дополнит. затратам на разделение растворенных
газов.
При расчете абсорберов, особенно
тарельчатых, часто используют понятие
эффективности ступени, или степени
приближения к равновесию
.Эту величину можно определить как отношение
фактически реализованного изменения
состава к изменению, к-рое произошло бы
при достижении равновесия:
где индексом "в" обозначается
верх. сечение противоточного аппарата.
Во мн. типах ступенчатых
контактных устройств достигнута
.Это означает, что при мат. анализе таких
устройств правомерно использовать понятие
о равновесной ступени. Рассчитав число
теоретич. тарелок и зная эффективность
ступени
, можно определить число реальных ступеней,
необходимых для обеспечения заданной
степени разделения.
Основы технологии
абсорбционных процессов
Абсорбция часто осуществляют
в виде абсорбционно-десорбционного цикла
(циклич. процесс), однако стадия д.сорбции
может отсутствовать, если в результате
абсорбция получают готовый продукт или
регенерация поглотителя невозможна (разомкнутый
процесс). На рис. 4 приведена одна из простейших
схем абсорбционного разделения газов.
Для снижения расхода энергии иногда применяют
двух- и многопоточные схемы с отводом
грубо- и тонкорегенерированного растворов
в разных сечениях десорбера и подачей
их в разл. точки абсорбера либо направляют
насыщ. раствор абсорбента в разные точки
десорбера и т.п.
Рис. 4. Принципиальная схема
абсорбционно-десорбционного цикла: 1
-абсорбер; 2-насос; 3-десорбер; 4 - холодильник;
5-теплообменник; 6-кипятильник; 7 - конденсатор.
Регенерацию абсорбентов (десорбцию
газов) можно проводить снижением
давления (вплоть до вакуумирования), нагреванием,
отдувкой плохо растворимыми газами
и парами кипящего абсорбента, а
также сочетанием этих приемов. и т.д................. |