Абсорбция 2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана

Кафедра «Химии и химической технологии»

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Основные процессы и аппараты химико-технологического производства»

Тема: «Абсорбция»

Выполнил: студент группы ХТНВ-32

Трыгуб Юлия

Проверил: Абдрахманова А.Г.

Уральск 2010

Введение……………………………………………………………………..3

Процесс абсорбции………………………………………………………….4

Области применения абсорбционных процессов………………………..4

Абсорберы………………………………………………………………….6

Физическая сущность абсорбции…………………………………………7

Математическая модель абсорбции………………………………………8

Равновесие при абсорбции…………………………………………8

Материальный баланс процесса абсорбции…………………….12

Заключение………………………………………………………………..15

Список литературы……………………………………………………….16

Введение

Абсо́рбция (от латинского absorptio от absorbere — поглощать) — это явление поглощения сорбата всем объёмом сорбента. Абсорбция — частный случай сорбции.

Абсорбция, как правило, означает поглощение газов в объёме жидкости или реже твёрдого тела. Поглощение твёрдым абсорбентом, например, водорода палладием, называют окклюзией. Для процесса поглощения молекул газа или жидкости поверхностью твёрдого тела в русском языке используется термин адсорбция.

На практике абсорбции подвергают не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых поглощаются жидкостью. Эти составные части смеси называют абсорбируемыми компонентами (абсорбат), а непоглощаемые части — инертным газом.

Процесс абсорбции

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс - выделение растворенного газа из раствора - носит название десорбции.

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы - жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, поглотитель используется однократно. При этом в результате абсорбции получают готовый продукт, полупродукт или, если абсорбция проводится с целью санитарной очистки газов, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) впроцессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. Пои этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, ав абсорбер подают свежий поглотитель.

Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом [1].

Абсорберы

Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из этого, абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы) (рис. 1). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца., кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей.

Рисунок 1 – Пленочный абсорбер с плоскопараллельной (листовой) насадкой:

1 – пакеты листовой насадки;

2 – распределительное устройство

б) Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта развивается потоками газа. распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Тaкое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой. В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями [3].

Физическая сущность абсорбции

В абсорбционных процессах участвуют две фазы - жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Поэтому, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

Абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а не поглощаемые составные части - инертным газом.

Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, будет растворитель.

Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель не расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. При хемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом [2].

Протекание абсорбционных процессов характеризуется их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции,т. е. равновесие между жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.

Кинетика абсорбции, т. е. скорость процесса массообмена определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы). В абсорбционных аппаратах движущая сила, как правило, изменяется по их длине и зависит от характера взаимного движения фаз (противоток, прямоток, перекрестный ток и т. д.).

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбциирастворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.

При хемосорбции(абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции [5].

Области применения абсорбционных процессов

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 р_Арастворенного газа пропорционально его мольной доле х_Ав 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 х_А(в мол. долях); -концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равнор_А; 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 у_А - мольная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р - общее давление в системе, то парциальное давление р_А, по закону Дальтона, можно выразить зависимостью

(4)

Подставив значение р_Ав 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.

В случае абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости значительно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального. При этом парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т. е. является функцией большого числа переменных. Поэтому, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных.

Материальный баланс процесса абсорбции

Материальный баланс и расход абсорбента. Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях. Обозначим: G - расход инертного газа, кмоль/сек; Y_ни Y_к - начальная и конечная концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L - расход абсорбента, кмоль/сек; его концентрации Х_ни Х_к, кмоль/кмоль абсорбента. Тогда уравнение материального баланса будет:

(10)

Отсюда общий расход абсорбента (в кмоль/сек)

(11)

а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа)

(12)

Это уравнение можно переписать так:

(13)

Уравнение (13) показывает, что изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y-Xрабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен .

Между удельным расходом абсорбента и размерами аппарата существует определенная связь. Через точку В с координатами Х_ни Y_к (рисунок 3) проведем, согласно уравнению (13), рабочие линии ВА, ВА₁, ВА₂, ВА₃, отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным удельным его расходам. При этом точки А, А₁, А₂, А₃будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Y_нгаза в смеси.

Рисунок 3 - К определению удельного расхода абсорбента

В случае растворов небольшой концентрации для любого значения Хи выбранной величины l движущая сила процесса выражается разность ординат Y-Y*, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия Y* = f (X). Для всего аппарата можно принять среднее значение ∆Y_ср, величин: которого, например для рабочей линии BA₁изображена на рисунке отрезком ∆Y_ср1. Величина ∆Y_ср будет тем больше, чем круче наклон рабочих линий и, следовательно, чем больше удельный расход абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако удельный расход абсорбента l при этом будет бесконечно большим (так как Х_к = Х_н). Если же линия рабочих концентраций ВА₃касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (l = l_min), а движущая сила в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке рабочая концентрация равна равновесной. В первом случае размеры абсорбционного аппарата будут наименьшими при бесконечно большом расходе абсорбента, во втором - расход абсорбента наименьший при бесконечно больших размерах аппарата. Таким образом, оба случая являются предельными и практически неосуществимы.

В реальном абсорбционном аппарате равновесие между фазами не достигается и всегда Х_к< Х*_к, где Х*_к - концентрация поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с поступающим газом. Отсюда следует, что значение l всегда должно быть больше минимального значения l_min отвечающего предельному положению рабочей линии (линия BA₃ на рисунке 3). Значение l_minможно определить по уравнению (12) при замене Х_кна Х*_к:

(14)

Необходимо отметить, что увеличение удельного расхода l абсорбента одновременно со снижением высоты аппарата приводит к определенному увеличению его диаметра. Это объясняется тем, что с увеличением lвозрастает также расход поглотителя L, а при этом, как показано ниже, снижаются допустимые скорости газа в аппарате, по которым находят его диаметр. Вот почему в тех случаях, когда удельный расход абсорбента не задан технологическими условиями, т. е. когда не задана конечная концентрация Х_кабсорбента, следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбционного аппарата и удельным расходом l абсорбента, при котором величина l и размеры аппарата будут оптимальными.

Оптимальный удельный расход поглотителя l_опт может быть найден только с помощью технико-экономического расчета [1].

Заключение

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны.

Из различных типов аппаратов в настоящее время наиболее распространены насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы. При выборе типа абсорбера нужно в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условий проведения процесса с учетом технико-экономических факторов.

Основные размеры абсорбера (например, диаметр и высота) определяют путем расчета, исходя из заданных условий работы (производительность, требуемая степень извлечения компонента и т.д.). Для расчета необходимы сведения по статике и кинетике процесса. Данные по статике находят из справочных таблиц, рассчитывают при помощи термодинамических параметров или определяют опытным путем. Данные по кинетике в значительной степени зависят от типа аппарата и режима его работы. Наиболее надежны результаты экспериментов, проведенных при тех же условиях. В ряде случаев подобные данные отсутствуют, и приходится прибегать к расчету или опытам.

В настоящее время еще нет вполне надежного метода, позволяющего определять коэффициент массопередачи путем расчета либо на основе лабораторных или модельных опытов. Однако для некоторых типов аппаратов можно найти коэффициенты массопередачи с достаточно большой точностью при помощи расчета или сравнительно простых опытов.

Список литературы:

1. В.М. Рамм. «Абсорбция газов».М., «Химия», 1976г.

2. «Расчет тарельчатых абсорбционных колонн» под ред. В А. Иванова, Москва, 1985.

3. «Основные процессы и аппараты химической технологии», пособие по проектированию под ред. Ю. И. Дытнерского. М, «Химия» 1991 г.

4. К.Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л., «Химия», 1976г.

5. А. А. Лащинский, А. Р. Толчинский. «Основы конструирования и расчета химической аппаратуры». М, 1968г.

6. Отраслевой стандарт ОСТ 26-808-73.

7. Каталог «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения». М„ «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991г.