АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

СОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Во многих химических производствах используются Jh получаются газообразные продукты, представляющие собой гомогенные смеси. Часто приходится из таких смесей выделять какой-либо продукт в чистом виде или разделять смесь на составляющие ее компоненты.

Разделение гомогенных газовых смесей в промышленности осу­ществляется:

1) Сорбцией;

2) Физико-механическим путем;

3) Химическим взаимодействием. 4

Собственно химические методы не являются темой данного курса и они в этой книге не рассматриваются; физико-механические методы раз­деления будут рассмотрены в главе, посвященной глубокому охлаждению, здесь же остановимся на сорбционных процессах.

Сорбционными процессами в общем случае называются та­кие процессы, в которых происходит поглощение вещества на поверхности раздела двух фаз, независимо от механизма поглощения.

Частными случаями сорбции являются процессы абсорбции и адсорбции. Абсорбцией называется сорбция газа при проник­новении его фШффузии) в массу сорбента (жидкость, твердое тело), при­водящая к образованию раствора. Потт ядспрбтгирй понимают сгущение газа на поверхности твердого вещества, не сопровождающееся сжижением газа.

Конденсация паров в тончайших порах (капиллярах) твердого вещества есть также процесс сорбции, который называется в отличие от адсорбции капиллярной конденсацией.

В тех случаях, когда поглощаемый газ ооразует с поглотившим его веществом новое химическое соединение, процесс называется х е м о - сппб тт и е й.

Поглощаемый газ называется абсорбтивом илиадсорбти - в о м,1в зависимости от характера процесса сорбции, а поглощающий агент соответственно абсорбентом или адсорбентом.

Процессы сорбции являются процессами селективными (избира­тельными), т. е. каждый абсорбент или адсорбент обладает способностью поглощать лишь некоторые вещества (абсорбтивы) и не поглощать вовсе * или поглощать весьма незначительно другие вещества. Это свойство абсорбентов (адсорбентов) дает возможность осуществить разделение газовых смесей без затраты механической энергии. .

Рассмотрим газовую смесь, состоящую из компонентов А и В, и абсорбент, который легко поглощает компонент А и не поглощает компо­нента В. Если такую смесь привести в соприкосновение с абсорбентом, то компонент А будет поглощен и газовая смесь может быть разделена на составные части путем выделения компонента А из полученного раствора.

Процесс выделения поглощенного компонента из раствора назы­вается десорбцией.

Во многих случаях проводить десорбцию не обязательно, так как часто абсорбент и абсорбтив являются дешевыми или отбросными про­дуктами, которые можно после абсорбции не использовать, вновь. Еще чаще образующийся продукт абсорбции (раствор) является конечным продуктом производства и дальнейшие операции по разделению (десорб­ция) теряют смыСл. Таким образом, при рассмотрении сорбционных про­цессов будет правильнее говорить об абсорбции и адсорбции не только как о методах разделения газообразных смесей на составные части, но и как о методах выделения чистых компонентов в виде раствора иг газовой смеси, и методе очистки газов.

78. Физические основы абсорбции

Растворимость газов в жидкостях. При взаимодействии какого-либо газа с жидкостью возникает система, состоящая из двух компонентов и двух фаз—жидкой и газообразной. Такая система имеет по правилу фаз две степени свободы (С= 2, Р=2 и К=2+2—2—2), т. е. так же, как и двухкомпонентные жидкие смеси, система будет двухвариант - ной. Из трех основных параметров, определяющих фазовое равновесие: давление температура и концентрация, принимаем температуру по­стоянной и тогда получаем однозначную зависимость растворимости газа в жидкости от давления.

Эта зависимость, как было показано выше, для идеальных газов выражается законом Генри и вытекающим из этого закона уравнением

YP = K ХХ (3-68)

Где kx = - р—константа фазового равновесия, величина безразмерная

—коэффициент Генри; Р—общее давление).

<ь

Из соотношения следует, что в принятой нами системе еди­

Ниц измерения коэффициент Генри выражается в единицах давления. Числовые значения коэффициентов Генри зависят от свойств газа и тем­пературы: с повышением температуры числовое значение f увеличивается и растворимость газа в жидкостях уменьшается. Соответственно с повы­шением температуры числовое значение коэффициента фазового равно­весия kx увеличивается. Числовые значения коэффициента Генри для некоторых газов в водных растворах при разных температурах приве­дены в табл. 21.

Уравнение (3—68) показывает, что для идеальных газов линия равновесия в координатах у—х представляет собой прямую, проходящую через начало осей координат и имеющую угол наклона, тангенс кото­рого равен kx.

Закон Генри хорошо согласуется с данными опытов и для реаль­ных газов при низких концентрациях растворенного газа, а также при малой растворимости газа. Для систем, не подчиняющихся закону Генри, можно пользоваться уравнением (3—68Х принймая коэффициент фазо­вого равновесия kx переменной величиной, зависящей от состава рас­твора х; при этом линия равновесия изобразится кривой, которую на­носят на диаграмму у—х по опытным данным.

При расчете абсорбционной аппаратуры обычно концентрацию аб­сорбируемого газа в газовой смеси выражают в кг-мол на 1 кг-мол инерт -

Ного газа, а содержание того же газа в растворе—в кг-мол на 1 кг-мол растворителя. В этом случае

У = ТГу (3-69)

X=y^tx (3—69а)

И линию равновесия строят на диаграмме у—х в виде прямой. Если же диаграмму строить в координатах У—X, то

^Т+Еух <3-70>

И линия равновесия в этом случае всегда будет кривой.

Уравнения абсорбции. При выводе уравнений абсорбции обычно исходят из так называемой пленочной теории абсорбции. Со­гласно этой теории на поверхности раздела жидкой и газообразной фаз имеется пограничный слой, который оказывает основное сопротивление про­хождению газа из газовой смеси в жидкость. Пограничный слой обра­зуют две прилегающие друг к другу пленки: первая пленка состоит из молекул газа, а ■ вторая—из молекул жидкости. Под действием конвек­ционных токов, происходящих в жидкостях и газах, частицы легко пере­мещаются одна относительно другой и свободно движутся по простран­ству, в котором заключены газ или жидкость. Поэтому находящийся над жидкостью газ имеет одинаковую концентрацию в любой точке про­странства, которое он занимает над жидкостью, а концентрация раствора в жидкости одинакова во всем его объеме. Концентрации же жидкости и газа в пограничных жидкой и газообразной пленках соответствуют равно­весным концентрациям, т. е. соответствуют фазовому равновесию. Таким образом, согласно пленочной теории абсорбции абсорбируемый газ диф­фундирует через пленку инертного газа, затем, попадая в жидкостную пленку, образует раствор, из которого в свою очередь диффундирует в жидкость. Следовательно, процесс абсорбции сводится к диффузии газа через газовую и жидкостную пленки.

При таком представлении о механизме процесса диффузии, по ана­логии с теплопередачей, сопротивление абсорбции выражают суммой частных сопротивлений указанных пленок, а обратную величину коэффи­циентов абсорбции определяют как сумму обратных величин частных или пленочных коэффициентов абсорбции.

В действительности, в процессе абсорбции, особенно в статических условиях и при небольших скоростях жидкости и газа, газообразная и жидкостная пленки, очевидно, имеются. Однако такой подход к обосно­ванию методики расчета абсорбционных аппаратов, по нашему мнению, не вполне пригоден. В современной промышленности при больших мас­штабах производства стремятся интенсифицировать производственные процессы путем максимально возможного увеличения скоростей жид­костей и газов. В этих условиях массообмен обусловливается главным обра­зом конвективным переносом, а не молекулярной диффузией, и решающее влияние на величину коэффициента массопередачи оказывает скорость про­текания газа. В связи с этим пленочная теория абсорбции, построенная только на молекулярной диффузии, является до известной степени тор­мозом для разработки методов интенсификации процесса абсорбции. В диффузионных процессах обе фазы непосредственно соприкасаются, вследствие чего общий коэффициент массопередачи для каждой пары жидко­сти и газа зависит исключительно от их свойств и скорости протекания жидкости и газа, и поэтому нет необходимости вводить частные коэффициенты, тем более что опытным путем определить непосредственно величины этих частных или пленочных коэффициентов не представляется возможным. Гораздо проще, и надежнее сразу определить опытным путем общий коэф­фициент массопередачи в зависимости от условий проведения процессов, как коэффициент скорости переноса массы из одной фазы в другую.

Следует иметь в виду, что коэффициенты массопередачи, предло­женные разными исследователями по опытным данным, фактически явля­ются общими коэффициентами, а не фазовыми. Поэтому для расчетов абсорбционной 4 аппаратуры мы исходим из общих уравнений массопе­редачи, изложенных в главе X.

Если поверхность межфазового контакта вполне определима, то для расчета абсорбционных аппаратов следует пользоваться уравнениями (3—34) и (3—37). В применении к процессам абсорбции Ку представляет собой коэффициент абсорбции при выражении движущей силы процесса в молярных концентрациях газовой смеси и Кх—тот же коэффициент при выражении движущей силы процесса в молярных концентрациях жидкой фазы. Эти коэффициенты имеют следующую размерность:

Кг-мол

Кг-мол

М2*час•

.кг-мол

Кг-мол м2-час• —-—

Соотношения между К у и Кх находим из сопоставления уравнений (3—34) и (3—37):

G = KyFi&Ycp. = KxFxkxcp.

Так как t/p—ktx, то

Kx = KxKy ' (3-71

В уравнении (3—34) молярные концентрации газовой фазы можно заменить парциальными давлениями газа, выраженными в долях от об­щего давления:

(3—72) где

ДРср.=

2,3 lg

ДРк

ЬРн = Рн — Ррк ЬРк = Рк — Ррн

Если парциальные давления выражены в долях от общего давле­ния, то коэффициенты Кр и Ку численно равны друг другу. Если же парциальные давления выражены в единицах давления, например в мм рт. ст., то

Кр = РКу

Расход поглощающей жидкости (абсорбента). При расчете абсорбе­ров задаются количеством газовой |^смеси, подлежащей обработке, на­чальной концентрацией поглощаемого газа в газовой сме­си, конечной концентрацией его и начальной концентра­цией абсорбента. Обозначим:

Gy—количество газа, поступающего в абсорбер, в кг-мол! час\ Ун—начальная концентрация абсорбируемого газа в

Кг-мол! кг-мол инертного газа; Ук—конечная концентрация абсорбируемого газа в

Кг-мол! кг-мол инертного газа; Хп—начальная концентрация абсорбированного газа в

Жидкости в кг-мол! кг-мол чистого абсорбента; Хк—конечная концентрация абсорбированного газа в жид­кости в кг-мол/кг-мол чистого абсорбента; У—концентрация абсорбируемого газа в газовой смеси в любом сечении абсорбера в кг-мол! кг-мол инертного газа;

X—концентрации абсорбированного газа в жидкости в любом сечении абсорбера в кг-мол! кг-мол чистого растворителя;

W—количество чистого абсорбента, протекающего через

Абсорбер, в кг-мол! час\ 0И—количество инертного газа в газовой смеси, протекающей абсорбер, в кг-мол! час, причем

Ga = Gy (1 — уИ) = Gy —Кг-молічас

Рассмотрим процесс абсорбции, протекающий в пределах элемен­тарно малого объема абсорбера dV (рис. 323). Количество газа G, погло­щенное абсорбентом при прохождении газового потока через элемент объема в час, может быть выражено следующим уравнением материаль­ного баланса:

DG = —GKdY == — WdX .

Где dY и dX—изменение концентрации поглощаемого газа в пределах элемента объема dV абсорбера.

3 1 А. Г. Касаткин.

Для всего объема абсорбера надо взять интегралы от левой и пра­вой частей равенства в пределах заданных начальных и конечных кон­центраций абсорбируемого газа в газовой смеси и в жидкости, считая ве­личины GH и W постоянными:

К Лн

С = --6И f DY = — W f DX

Из последнего уравнения имеем

G = Ga (YH — YK) = W (XK - XH) (3-75) откуда общий расход абсорбента:

W = GH vH~vK кг-мол/час (3—76) а удельный расход его: '

W у _______ у

M=-g-= хн кг-мол/кг-мол инертного газа (3—76а)

Уравнение (3—76а) можно переписать следующим образом:

YH-YK = m{X К-Хн) (3-77

Выражение (3—77) показывает, что изменение концентрации в абсорбере происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y—X линия рабочих концентраций при абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен

Между удельным расходом абсорбента в абсорбере и размерами абсорбера существует определенная связь. Пусть линия / (рис. 324) является линией равновесия У—; (X). Через точку В с координатами по уравнению (3—77) проводим линии рабочих концентраций ВА, ВАг, ВА2, ВА3, ВА±, соответствующие различным концентрациям абсор­бента или различным удельным его расходам. При этом точки А, Аг, АА3, А 4 лежат на одной горизонтальной прямой соответствующей заданной конечной концентрации газовой смеси Кн.

Рассмотрим полученную диаграмму совместно с основным уравне­нием массопередачи (3—34):

G-=-KvFLycv, кг-мол/час

При заданных условиях величины G и Ку в уравнении массопере­дачи являются постоянными и, следовательно, постоянным должно быть и произведение F&ycp; таким образом, поверхность фазового контакта F может меняться только при соответствующем изменении величины движу­щей силы Дг/Ср. Иными словами, поверхность F может быть уменьшена при соответствующем увеличении Д^ср. и» наоборот, F увеличивается с уменьшением ДуСр. Величина поверхности фазового контакта F опре-
деляет размеры абсорбера любой конструкции и, следовательно, с уве­личением поверхности F в колоннах с насадкой должна соответствен­но увеличиться высота насадки Я, а в колоннах тарельчатых — число тарелок NT.

На графике рис. 324 для любого значения X и выбранного m раз­ность концентраций или движущая сила процесса выражается разностью ©рдинат Y—Yр, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки линии рабочих концентраций А В и линии равно­весия I. Для всего абсорбера можно принять среднее? значение Д#ср., величина которого для рабочей линии ВА1 изображена на рисунке отрез­ком Ьуср..

Величина Дг/Ср. будет тем большей, чем круче наклон линии рабочих концентраций и, следовательно, чем больше удельный расход абсорбента. Если линия рабочих концентра­ций В А будет совпадать с вер­тикалью, то в этих условиях движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако удельный расход абсорбента т при этом равен бесконечности. Если же линия рабочих кон­центраций БЛ4 является ка­сательной к линии равновесия, то при этих условиях удельный расход абсорбента будет минимальным, а движущая сила в точке [касания равна нулю. В первом^ случае размеры абсорбера будут наименьшими при бесконечно~большом~расходе абсорбента, во втором—расход абсор­бента" найМеныний при бесконечно больших" размерах абсорбера, и, та­ким образом, оба случая являются предельными и практически не­пригодными.

В тех случаях, когда удельный расход абсорбента не задан техно­логическими условиями, т. е. когда не задана конечная концентрация аб­сорбента, следует выбирать такое соотношение между поверхностью F или вообще размерами абсорбера и удельным расходом абсорбента т, при котором удельный расход абсорбента и размеры абсорбера будут ©птимальными.

Влияние упругости паров поглотителя. В предыдущих выводах не учитывалось влияние упругости паров поглотителя на процесс абсорбции, что допустимо в тех слу­чаях, когда эта упругость мала по сравнению с парциальным давлением абсорбируе­мого газа. Можно принимать, что уходящий из абсорбера газ насыщен парами погло­тителя независимо от присутствия их в поступающем газе.

При расчете следует во всех уравнениях за Gx Принимать количество сухого, т. е. не содержащего паров поглотителя, инертного газа. Моль-доля компонента в газовой смеси при этом определяется из расчета на сухой газ (т. е. на газ, состоящий лишь из адсорбируемого компонента и сухого инертного газа). Давление Р во всех уравнениях должно рассматриваться как парциальное давление сухого газа; иначе говоря, Р есть полное давление газовой смеси минус парциальное давление паров поглотителя.

Неизотермическая абсорбция. Если абсорбцию ведут без отвода тепла или с не­достаточным его отводом, то в процессе абсорбции температура повышается вследствие выделения тепла при поглощении газа в жидкости. Значительное повышение темпера­туры должно быть учтено при расчете. Простых методов расчета неизотермической абсорб­ции нет, но для технических расчетов можно пренебречь нагреванием газовой фазы и считать, что все выделяющееся тепло абсорбции идет на нагрев жидкости.

Если линия равновесия при температуре TH Поступающей жидкости изображается кривей 0D (рис. 325), то при температуре TH Уходящей жидкости линия равновесия рас­
положится выше (кривая ОС) и действительная линия равновесия при переменной тем­пературе жидкости изобразится кривой АВ.

Ординату Ур некоторой точки М на кривой, соответствующую составу жидкости X, можно найти, если известна температура T При данном составе жидкости. Для этого необходимо составить уравнение теплового баланса для части абсорбера выше сечения

С концентрациями жидкости и газа X и Y. Это уравнение может быть написано в виде

QGMy = Wc (T — /н) Мх (3—78)

Где Q—количество тепла, выделяемого при поглощении 1 кгс газа, в Ккалікгс;

G—количество газа, поглощенного в рассматриваемой части абсорбе­ра, в кг-мол/час, W—количество жидкости в кг-мол/час\ С—теплоемкость жидкости в

Ккал/кгс °С; T—температура жидкости в рассмат­риваемом сечении в °С; /н— начальная температура жидкв-

Сти в °С; Му—молекулярный вес абсорбиру­емого газа; Мх—молекулярный вес жидкости.

Подставив ^уравнение (3—78) значение G=W(X—Хн), получим ДМу (X - Хн) = сМх (T - TH)

Откуда искомая температура жидкости

(3-79)

Промышленные методы абсорбции. Из основных уравнений абсорб­ции видно, что количество абсорбированного вещества прямо пропорцио­нально поверхности контакта фаз, и, следовательно, абсорбционная

Аппаратура] должна иметь развитую поверхность соприкосновения проходящих через нее жид - Чл кости и газа. Для этого необходимо постоянное

Обновление поверхности контакта между жид­кой и газообразной фазами.

Контакт между жидкостью и газом со­здается по одному из следующих методов:

V; 1) пропусканием газа над поверхностью жидкости;

\}2) пропусканием газа через башню с насадкой, которая орошается жидкостью, по­крывающей насадку в виде тонкой пленки; Tjr у 3) пропусканием газа в виде мелких пу -

СорберыИЧеСКИе зырьков сквозь слой жидкости (барботирова -

/, 2—абсорберы; 3—вход газа; НИЄМ);

Соединительный газопровод; 5-вы - - ч) 4) пропусканием Газа ЧЄрЄЗ ПрОСТраИ -

Ход газа; 6—вход жидкости; 7—вы - - r„rr

Ход раствора. ство, заполненное разбрызгиваемой ЖИДКОСТЬЮ.