ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Материальный баланс абсорбции

Для вывода уравнения материального баланса и уравнения рабочей линии рассмотрим схему массообменного аппарата (рис. 4.4).

Обозначим: G - массовый расход газовой фазы, кг/с (носитель); L - массовый расход жидкой фазы, кг/с (носитель); Y1, Y2 - содержание компо­нента в фазе G на входе и выходе из аппарата (относительные весовые до­ли); Х1, Х2 - содержание компонента в фазе L на выходе и входе в аппарат (относительные весовые доли).

Пусть компонент переходит из фазы G в фазу L.

С учетом количества компонентов в фазах уравнение материального баланса запишется в виде

Gn-^n + L GK-yK + L к ' xк, (4.17)

Где Gh, Gk - расход газовой фазы на входе в абсорбер и выходе из него, кмоль/с (кг/с); хк, хк - концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе на входе в абсорбер

И выходе из него, мольные доли (масс. доли); Lh, Lk - расход абсорбента на входе в абсорбер и выходе из него, кмоль/с (кг/c); ун, ук - концентрация распределяемого вещества (компонента) в газовой фа­зе на входе в абсорбер и выходе из него, мольные доли (масс. доли).

Рассмотрим случай, когда носители не участвуют в процессе массо- обмена, их количества не изменяются по высоте аппарата.

Тогда, количество компонента М, перешедшего из фазы G, равно:

M = G(Y1 - Y2). (4.18)

Количество компонента М, перешедшего в фазу L, равно:

M = LX1 - LX2 = L(X1 - X2). (4.19)

Приравняем правые части уравнений (4.18) и (4.19):

G(Y1 - Y2J = LX1 - X2), (4.20)

Или в виде

G(Yh - Yk ) = L(Xk - Хн), (4.21)

Где G - расход инертного газа, кмоль/с (кг/с); L - расход абсорбента, кмоль/с (кг/с); Yh и Yk - концентрации компонента в газе-носителе, кмоль/кмоль газа (кг/кг газа); Хк и Хн - концентрации компонента в погло­тителе (абсорбенте), кмоль/кмоль абсорбента (кг/кг абсорбента).

Уравнения (4.20), (4.21) есть уравнения материального баланса. Общий расход абсорбента равен

L = G(Yh - YK)/(Xк - Xк). (4.22)

Определим удельный расход поглотителя l, кг/кг:

L = L/G. (4.23)

Из уравнений (3.19) и (3.20):

L = (Y1 - Y2)/(X1 - Х2) или l = (Yh - Yk)/(Xk - Хн). (4.24)

Рассмотрим произвольное сечение аппарата 0-0, где составы фаз бу­дут Y и Х в фазе G и L соответственно (рис. 4.4).

Напишем уравнение материального баланса для части аппарата, рас­положенного выше сечения 0-0:

GY + LX2 = GY2 + LX. (4.25)

Откуда получим

Y = Y2 + (X-X2)L/G или Y = Y2 + l(X-X2). (4.26)

Уравнения (4.26) есть уравнение рабочей линии. Оно выражает зави­симость между неравновесными составами фаз в любом сечении аппарата. Из анализа (4.26) видно, что это уравнение прямой линии (Y = a +

BX).

Подставим в уравнение (4.26) уравнение (4.24): Y = Y2 + (Y1 - Y2)(X - Х2УХ - Х2) (4.27)

Или (Y- Y2)/(Y1 - Y2) = (X-X2)/( Xj - X) (4.28)

Это есть уравнения прямой, проходящей через точку A (X1; Y1) и точку B (X2; Y2).

Рабочую линию процесса абсорбции строят в тех же осях Y-X, что и линию равновесия.

Уравнение рабочей линии выведено выше:

Y = Y2 + l(X-X2) = Y2 + (Yi - Y2)(X - X2)/(Xi - X2). (4.29)

Для построения рабочей линии надо знать составы фаз на входе в аб­сорбер (Х2, Y1)) и на выходе из него (X1t Y2). По этим данным определяют точки А и В (рис. 4.5).

Часто заданы только начальные составы газа и жидкости (Y1, X2) и степень извлечения (в). Степень извлечения - это отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном извлечении:

В = G(Y1 - Y2)/(GY1) = 1 - Y2/Y1. (4.30)

Как видно из выражения (4.30), по в, Y1 можно оценить Y2, т. е. на диаграмме Y-X определить точку В (Y2, Х2), а точка А будет находиться на ординате Y1. Положение точки А зависит от удельного расхода поглотите­ля l.

Момент в процессе абсорбции, когда рабочая линия касается линии равновесия (прямая ВА'), соответствует минимальному расходу поглотите­ля. В точке касания рабочей линии с линией равновесия движущая сила равна нулю. При этом требуется абсорбер бесконечно большой высоты. С увеличением удельного расхода поглотителя уменьшается требуемая вы­сота абсорбера, но возрастают расходы на десорбцию, на перекачивание поглотителя и др. Оптимальный удельный расход поглотителя определяют технико-экономическим расчетом.

При абсорбции рабочая линия располагается выше линии равнове­сия, так как в этом процессе содержание компонента в газовой фазе боль­*

Ше равновесного Y > Y.

При десорбции, наоборот, рабочая линия лежит ниже линии равно­весия.