Абсорбция

  

где G-мольная  массовая скорость газа, кмоль/(м2*с);

  

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 а.сорбции на высоту аппаратабсорбция 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, которое произошло бы при достижении равновесия: 

где индексом "в" обозначается верх. сечение противоточного аппаратабсорбция  

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.  

Физ. абсорбция  осуществляют, как правило, при температуре  окружающей среды (20-40°С) или при  пониженных температурах, т.к. растворимость  хорошо растворимых газов возрастает с уменьшением т-ры. Кроме того, при снижении температуры уменьшается растворимость плохо растворимых газов, т.е. увеличивается селективность и снижаются потери плохо растворимого компонента и загрязнение им извлекаемого газа, а также уменьшаются давление паров абсорбента и его потери. При хим. абсорбция увеличение температуры приводит к значит. росту коэф. массопередачи и, помимо этого, к возрастанию растворимости мн. абсорбентов в разбавителях, а следовательно, к увеличению до определенного предела общей поглотит. способности абсорбентабсорбция  

При физ. абсорбция  с повышением парциального давления поглощаемого компонента поглотит. способность  абсорбента почти всегда увеличивается  приблизительно пропорционально парциальному давлению или концентрации газабсорбция Поэтому кол-во циркулирующего абсорбента почти не зависит от концентрации извлекаемого газа в исходной газовой смеси. При хим. абсорбция характер изменения растворимости газа с ростом его парциального давления сильно зависит от константы равновесия реакции и степени превращения абсорбентабсорбция В результате при увеличении концентрации извлекаемого газа кол-во циркулирующего абсорбента возрастает.  

Физ. абсорбция, как правило, наиб. эффективна при грубой очистке от больших кол-в газа под давлением. Хим. абсорбция чаще всего применяют при извлечении малых кол-в примесей и при тонкой очистке; при этом обычно существенно выше селективность абсорбента, ниже кол-во циркулирующего раствора вследствие большой поглотит. способности, меньше расход электроэнергии, но выше расход теплоты.  

Режим абсорбции. При расчете абсорбция обычно задают параметры очищаемого газа (давление, т-ру, состав) и предъявляют требования к очищенному газу. Необходимый для осуществления абсорбция расход жидкости (кол-во циркулирующего абсорбента) определяется материальным балансом и кинетикой абсорбция Концентрация у2,в извлекаемого компонента в очищенном газе зависит от х2,в:

  

где -степень приближения к равновесию на выходе газа из абсорбера, зависящая от скорости процессабсорбция В общем случае:  

   

где G2-кол-во извлекаемого газабсорбция При необратимой реакции миним. кол-во циркулирующего поглотителя определяют из стехиометрич. ур-ния реакции и находят .  

Соотношение расходов жидкости и газа определяется ур-нием: 

        
 

  

При разомкнутых  процессах обычно , при циркуляционных - х2,в х2,р (концентрация газа в регенерированном растворе). В простейшем случае (при и ) имеем: . Если растворимость описывается законом Генри, то .При этом кол-во циркулирующего абсорбента не зависит от кол-ва извлекаемого газабсорбция При достижении равновесия на выходе из абсорбера  

   

Важный параметр процесса - т. наз. абсорбционный фактор:  

   

который при полном извлечении газа 1. Этот фактор равен отношению тангенсов углов наклона рабочей и равновесной линий, которые выражают зависимость соотв. реальной и равновесной концентраций извлекаемого компонента в газовой фазе от его концентрации в жидкости. Параметр А одновременно характеризует избыток кол-ва циркулирующего абсорбента по сравнению с минимально необходимым для полного извлечения р-римого газабсорбция  

Режим д.сорбции газов (регенерации абсорбентов). Максимально допустимую концентрацию растворенного компонента в регенерированном растворе   определяют из условия равновесия на выходе из абсорбера (при противотоке). Минимально достижимую концентрацию газа  в том же растворе при д.сорбции в результате снижения давления, нагревания или отдувки парами абсорбента находят с помощью условия равновесия на выходе р-ра из десорбера:

  

где Р и Рпар- общее давление в регенераторе и давление паров абсорбентабсорбция В некоторых случаях, особенно при регенерации хемосорбентов, предельная глубина регенерации определяется равновесием в к.-л. другом (не в нижнем) сечении десорберабсорбция Это т. наз. критич. сечение определяют после построения равновесной и рабочей линий д.сорбции либо спец. расчетом.  

При регенерации  отдувкой плохо растворимым газом предельная глубина регенерации не ограничена давлением и температурой в десорбере, но зависит, как и при отдувке парами абсорбента, от расхода отдувочного агентабсорбция Его миним. расход находят из условия соблюдения ур-ния (5) не только на выходе раствора из десорбера, но и в любом его сечении. Верх, сечение противоточного аппарата, где газ выходит из оегенератора, часто является лимитирующим. Тогда = G2Ф*, где Ф* = р*пар/p2*(t,x2,в)-отношение давления паров абсорбента к давлению газа над раствором. Если отдувка производится плохо растворимым газом, то Ф * = = (Р — p2,в*)/p2,в. При отдувке парами кипящего растворителя, когда температура в критич. сечении десорбера задана, Ф = = pпар/(Р - pпар). Окончат. расход отдувочного агента можно определить только после построения рабочей и равновесной линий, нахождения местоположения в аппарате критич. сечения и оптимизации абсорбционно-десорбционного циклабсорбция  

При д.сорбции парами кипящего абсорбента давление, температура и концентрация газа в растворе связаны изобарной равновесной зависимостью Tкип от х2, где Tкип-т-ра кипения раствора при давлении Р в регенераторе. Расчет д.сорбции смеси газов проводят на основе ур-ния, аналогичного (5):   

 

  

где -сумма давлений растворенных газов. Режим д.сорбции находят совместным решением ур-ния (6) с ур-ниями материального баланса по каждому компоненту методом последоваг. приближений. Равновесную линию д.сорбции строят по ур-нию:  

   

Построение  рабочей линии при д.сорбции парами кипящего абсорбента значительно отличается от построения рабочей линии абсорбера и заключается в совместном решении ур-ний материального и теплового балансов по участкам аппарата при заданном общем расходе теплоты. Рабочая и равновесная линии при д.сорбции (рис. 5) могут пересечься не в конечных точках х2,в или х2,н, как при абсорбция, а в промежуточном (критическом) сечении десорберабсорбция Это характерно для "сильных" хемосорбентов (напр., при д.сорбции СО2 из водных р-ров моноэтаноламина) при их глубокой регенерации. Миним. расход отдувочного агента определяется равновесием в критич. сечении и зависит от глубины регенерации.  

   

Рис. 5. Равновесная (/) и рабочие (2, 3) линии д.сорбции СО2 из водного раствора моноэтаноламина при давлении 0,18 МПа и разл. глубине регенерации: x2, у2-концентрации СО2 соотв. в газе и жидкости.  

Др. параметры  десорбции, в частности число  единиц переноса, рассчитывают так  же, как при абсорбция Однако коэф. массопередачи могут неск. отличаться от величин, найденных при абсорбция, вследствие наличия пузырьков газа (пара), возникающих при кипении жидкости или в результате сброса давления, влияния теплоты конденсации отдувочного агента, существенного изменения расходов фаз по высоте аппаратабсорбция Скорость хим. абсорбция зависит от скорости прямой реакции образования соединения между поглощаемым газом и активной частью хемосорбента, а скорость десорбции-от скорости разложения этого соединения и т.п.  

Расход энергии  на абсорбционное разделение газовых  смесей. Этот расход складывается из расхода  электроэнергии на циркуляцию раствора, подачу отдувочного и охлаждающего (воды или воздуха) агентов, рециркуляцию газовых потоков и расхода теплоты. При циклич. процессах физ. абсорбция в основном потребляется электроэнергия на перекачивание раствора, а при хим. абсорбция-теплота на его регенерацию. При регенерации р-ра теплота расходуется на его нагревание (Qнагр)" покрытие теплоты д.сорбции Qдес (численно равной теплоте абсорбция) и на создание отдувочного пара (Qотд), если отдувка осуществляется парами кипящего абсорбента

        
 

  

где  и -тепловые эффекты соотв. испарения абсорбента и десорбции; -разность т-р регенерированного и насыщ. растворов на холодном конце теплообменникабсорбция Давление д.сорбции может сильно сказываться на расходе энергии, особенно при регенерации под вакуумом. При д.сорбции парами кипящего абсорбента соответствующие изменения давления и температуры вызывают изменение Ф*. Если

  

то с увеличением  температуры Qотд возрастает. В противном случае Qотд уменьшается и при заданном расходе теплоты с увеличением давления десорбции регенерация не ухудшается, а улучшается, однако до некоторого предела, определяемого термохим. устойчивостью абсорбента и возрастанием Qнагр. Энергетич. затраты на десорбцию газов (регенерацию абсорбентов), как правило, значительно превышают расход энергии на абсорбция  

Лит.: Рамм В. М., Абсорбция газов, 2 изд., М., 1976; Очистка технологических газов, под ред. Т. абсорбция Семеновой, И. Л. Лайтеса, 2 изд., М., 1977; Кафаров В. В., Основы массопередачи, 3 изд., М., 1979; Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1981 Н.Н. Кулов, И. Л. Лейтес.