Адсорбция (стр. 1 из 2)
1. Адсорбция. Область применения
Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем – абсорбентом. Если поглощаемый газ – абсорбтив – химически не взаимодействует с абсорбентом, то такая абсорбция физическая, если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называется хемосорбцией. Физическая абсорбция обратима, выделение поглощаемого газа из раствора – десорбция. Сочетание абсорбции и десорбции позволяют многократно использовать поглотитель и выделять поглощённый газ в чистом виде.
Абсорбция применяется:
- для получения готового продукта (абсорбция
в производстве серной кислоты, абсорбция HCl, оксидов азота водой в производстве азотной кислоты);- для выделения ценных компонентов из газовых смесей (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;
- для очистки газовых выбросов от вредных примесей;
- для осушки газов.
2. Равновесие при абсорбции. Закон Генри
Система состоит из трёх компонентов (распределяемое вещество и два распределяющих вещества) и двух фаз – жидкой и газовой. Такая система по правилу фаз имеет три степени свободы. Для абсорбции переменными являются Т, р, концентрация компонента А в газовой и жидкой фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при Т=const и постоянном общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А или его концентрацией и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление
растворённого газа пропорционально его мольной доле 
в растворе: 
(5.72)где
- парциальное давление поглощаемого газа над раствором, находящегося в равновесии, при концентрации раствора 
, Е – константа Генри. Е не зависит от общего давления в системе, но зависит от природы абсорбента и поглощаемого газа, а также от Т. 
Рис. 1
Для идеальных растворов зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, т.к.
(5.73)Чем больше Т, тем меньше растворимость.
- равновесная концентрация газа в растворе, т.е. растворимость.Если
– молярная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р – общее давление в системе, то парциальное давление 
, по закону Дальтона, можно записать: 
(5.74)Тогда, подставив значение
в (5.72) получим 
Итак для закона Генри имеем
(5.75)Здесь
- коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.Величина m уменьшается с увеличением Р и снижения Т. Таким образом, растворимость газа в жидкости растёт с ростом давления и снижения Т.
Когда в равновесии с жидкостью находятся смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.
Закон Генри справедлив только для идеальных газов, а также к сильно разбавленным реальным растворам. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем по закону Генри. Для систем, не подчиняющихся закону Генри, m является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.
При больших давлениях (1 МПа и выше) изменение объёма жидкости вследствие растворения в ней газа соизмеримо с изменением объёма газа, тогда
- фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри.
Общая масса фазы, состоящей из распределяемого компонента и 1 кг носителя равна (1+Х) кг (жидкая фаза) и (1+Y) кг (газовая фаза). Тогда весовые концентрации х и у распределяемого компонента в фазах:
Тогда закон Генри запишется:
(5.76)Следовательно, линия равновесия в системе газ – жидкость в координатах Х и У изображается кривой. При малых концентрациях Х в жидкости (5.76) упрощается и принимает вид:
(5.77)В случае абсорбции многокомпонентных смесей парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но и от концентрации в растворе других компонентов, т.е. является функцией большого числа переменных. Поэтому в подобных случаях, равновесные зависимости основываются на опытных данных.
3. Материальный баланс и расход абсорбента
Рис. 2
– расход инертного газа; 
– расход абсорбента; 
- начальная и конечная концентрация абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; 
- начальная и конечная концентрация абсорбтива в в поглотителе кмоль/кмоль абсорбента.Из уравнения (5.78) обычно определяют
: 
(5.79)Уравнение (5.78) можно представить в виде:
(5.80) 
Уравнение (5.80) носит название рабочей линии. Она, рабочая линия, в координатах У-Х прямая с углом наклона, тангенс которого равен
. Найдём связь 
с размером аппарата. Заданы 
. Необходимо найти 
. 
Рис. 3
Поскольку
известно, точки 
лежат на одной прямой. 
и 
граничные случаи. При АВ движущая сила максимальна 
поскольку 
(см. уравнение (5.79)). При 
, движущая сила минимальна: в точке 
она равна нулю. Поэтому 
должна быть больше 
. 
(5.81)
По Разинову, можно принять
. Тогда по (5.80) находим 
4. Тепловой баланс и температура адсорбента
Рис. 4
Если абсорбцию ведут без отвода тепла или с недостаточным его отводом, то температура повышается вследствие выделения тепла при поглощении газа жидкостью, что необходимо учитывать при расчете. Для технических расчетов можно пренебречь нагреванием гая фазы и считать, что выделяющееся при абсорбции тепло затрачивается только на нагрев жидкости.
Если линия равновесия при температуре tнпоступающей жидкости изображает кривой ОD(рис. Х1-4), то при температуре уходящей жидкости линия равновесиям положится выше (кривая ОС) и действительная линия равновесия при переменной температуре жидкости изобразится кривой АВ.