Абсорбция газов

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.