Физические основы процесса абсорбции

Растворимость газа в жидкости зависит от свойств газа и жидкости, от температуры и парциального давле­ния газового компонента в газовой смеси над жидкостью и характеризуется законом Генри:

где - парциальное давление газового компонента над жидкостью, Н/м², т. е. это давление, которое имел бы этот компонент в объеме газовой сме­си, если бы в этом объеме не было других газо­вых компонентов; - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность давления и зависящий от свойств растворенного газового компонента, жидкости и температуры; - содержание газового компонента в жидкости, кг/кг поглотителя.

Зная парциальное давление газового компонента в га­зовой смеси, можно найти его объемную концентрацию

где М - молекулярная масса компонента, кг; - парциальное давление газового компонента, Н/м²; R- газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кг·°С); - температура газа, °С.

Чем выше парциальное давление газового компонента в газовой среде над жидкостью, тем большее его коли­чество может раствориться в жидкости. С повышением температуры растворимость газа в жидкости понижает­ся. По истечении некоторого времени между жидкостью и газом всегда устанавливается равновесное состояние, при котором в жидкость будет поступать из газа и из жидкости будет выделяться в газ одинаковое количество газообразного компонента. Если в жидкости отсутствует газообразный компонент, способный в ней раствориться, то как бы ни было мало его количество в газе над жидкостью, часть его перейдет в жидкость. Такое же яв­ление наблюдают при переходе газового компонента из жидкости в газ, в котором он отсутствует.

Растворимость газа в жидкости зависит и от характе­ристики жидкости. В некоторых жидкостях газ может хорошо растворяться, в других - плохо. Поэтому для очистки газа от какого-либо газообразного компонента необходимо применять определенную промывную жид­кость. Закон Генри не применим к высококонцентриро­ванным растворам и тогда, когда между растворяемым компонентом и жидкостью осуществляется химическое взаимодействие. Таким образом, в процессе абсорбции происходит массообмен между газом и жидкостью, в ре­зультате чего определенный газовый компонент постепен­но переходит в жидкость. Количество жидкости, которое требуется для растворения данного количества газооб­разного компонента, определяется на основании мате­риального баланса массообмена. Рассмотрим процесс массообмена, происходящий в насадочном скруббере, в котором газ движется снизу вверх навстречу орошающей его жидкости. Обозначим количество газа, которое тре­буется очистить, Gкг/с, а количество жидкости, требуе­мой для растворения содержащегося в газе газообразно­го компонента, Lкг/с. Пусть концентрация газового ком­понента, подлежащего удалению из газа, была в газе на входе его в аппарат у_нкг/кг, а на выходе из аппарата у_к кг/кг. Содержание этого же газообразного компонента в жидкости, поступающей на орошение, будет х_икг/кг, а на выходе из аппарата х_ккг/кг. Тогда количество газо­вого компонента, которое должно быть выведено из газа, составит M=G(y_н—у_к) кг/с. Это же количество газового компонента растворится в жидкости М = L(х_к—х_н) кг/с. Следовательно, можно записать уравнение материально­го баланса массообмена

G(y_н—у_к)= L(х_к—х_н) (5.3)

откуда количество промывной жидкости составит

Из уравнения (5.4) можно найти удельный расход поглотительной жидкости

Эта формула представляет собой уравнение прямой с тангенсом угла наклона, равным m, которое характери­зует изменение концентрации газового компонента по высоте аппарата. Такую линию называют рабочей лини­ей процесса массообмена. Количество газового компо­нента, переходящего в единицу времени из газовой среды в жидкость, зависит от разности концентраций этого компонента в газе и жидкости, от поверхности соприкос­новения газовой среды с жидкостью и способа их сопри­косновения, а также от свойств газа и жидкости:

М = KFΔкг/с, (5.6)

где F- поверхность соприкосновения газа с жидко­стью, м²; ∆ -движущая сила массопередачи (абсорбции) представляет собой среднюю разность концен­траций поглощаемого газового компонента в газовой среде в начале процесса и равновесной концентрации этого компонента над поглощае­мым раствором. Движущая сила процесса мо­жет быть выражена в любых единицах, приме­няемых для выражения состава фаз, кг/м³, Н/м², кг/кг; К - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом массопередачи, который харак­теризует скорость растворения газового компо­нента в жидкости. Размерность К зависит от размерности движущей силы процесса массопе­редачи.

Из уравнения (5.6) можно найти значение поверх­ности соприкосновения газовой и жидких фаз, которая определяет размер аппарата для очистки таза

Для получения аппаратов меньшего размера нужно создать такие условия, при которых значения коэффи­циента массопередачи К и движущей силы массопереда­чи Δ были бы максимальными.