Абсорбция 2 (стр. 2 из 3)
Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые, из этих областей указаны ниже:
1.Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т. д. При этом абсорбция проводится без последующей десорбции.
2. Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому
компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным
частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция).
При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из
коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза
природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т. п.
3. Очистка газа от примесей вредных компонентов.
Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления
примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от Н2S, очистка азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т. д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от С12 абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т. п.).
В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.
4. Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).
Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки газов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией применяют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими соображениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента [3].
Математическая модель абсорбции
Равновесие при абсорбции
Равновесие между фазами. 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) [4].
В случае растворения в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемый компонент А, носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф=2), число компонентов равно трем (К = 3) и, согласно правилу фаз, число степеней свободы системы равно трем.
Для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри парциальное давление рАрастворенного газа пропорционально его мольной доле хАв растворе
(1)или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью
(2)где
-парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию хА(в мол. долях); 
-концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равнорА; Е - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри.Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы поглотителя и газа и от температуры, но не зависят от общего давления в системе.
Зависимость Е от температуры выражается уравнением
(3)где q- дифференциальная теплота растворения газа; R- газовая постоянная; С - постоянная, зависящая от природы газа и поглотителя.
Рисунок 2- Растворимость газа в жидкости при различных температурах (t1>t2>t3 и соответственно E1>E2>E3)Для идеальных растворов на диаграмме р-х (рисунок 2) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равный Е - коэффициенту Генри. Из рисунка 1 и уравнения (3) следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значение Е и соответственно уменьшается, согласно уравнению (2), растворимость газа в жидкости.
Если уА - мольная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р - общее давление в системе, то парциальное давление рА, по закону Дальтона, можно выразить зависимостью
(4)Подставив значение рАв уравнение (1), получим
(5)или закон Генри может быть представлен в форме
где т =E/P- коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.
Уравнение (5) 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 т. Числовые значения величины т. 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 т в уравнении (5) является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.
Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение (5) 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 объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом:
(6)где f0 - фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.
Для бинарных растворов величина f0 может быть найдена следующим образом:
(7)где А – постоянная.
При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри. Так, например, при использовании относительных мольных концентраций выражение (5) можно записать в виде
откуда по правилу пропорций
Или
(8)Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации Xгаза в жидкости) можно принять (1 - т) X ≈ 0. Тогда знаменатель уравнения (8) обращается в единицу и уравнение принимает вид
(9)При таком выражении закон Генри изображается прямой линией. Таким образом, уравнения (1), (2), (5), (8) и (9) являются различными выражениями закона Генри.