Кинетические закономерности абсорбции

Движущей силой абсорбции является разность между парциальным давлением растворимого газа в газовой смеси и его равновесным давлением над пленкой жидкости, контактирующей с газом. Абсорбция происходит в том случае, если парциальное давление абсорбируемого компонента в газовой фазе больше равновесного парциального давления этого же компонента над данным раствором. Чем больше разница между этими давлениями, тем больше движущая сила и тем с большей скоростью протекает абсорбция. Если значение движущей силы не является положительным числом, то абсорбции не происходит. Если значение представляет отрицательную величину, то происходит десорбция, и количество загрязнителей в обрабатываемом газе может возрасти. Скорость процесса абсорбции при переносе вещества из одной фазы в другую определяется уравнениями массопередачи:

M = K _y ∙ F ∙ ΔY_ср; M = K_x ∙ F ∙ ΔX _ср (3.41)

где y K и X К - коэффициенты массопередачи по газовой и жидкой фазам; F - поверхность контакта фаз; Δ Y ср, Δ X ср - средняя движущая сила соответственно в газовой и жидкой фазах.

Для определения скорости абсорбции необходимо знать движущую силу процесса, которая выражается разностью концентраций компонента в одной из фаз и равновесной концентрацией (или обратной разностью), т.е.

ΔY_ср = Y - Y* (3.42)

ΔX_ср = X* - X (3.43)

Чем больше эта разность, тем с большей скоростью протекает процесс. Она изменяется по высоте аппарата и зависит от многих факторов, в том числе от характера движения фаз.

Концентрация газовой и жидкой фазы изменяется при движении фазы вдоль поверхности их соприкосновения; вследствие этого обычно изменяется вдоль поверхности соприкосновения и движущая сила массопередачи. При расчете пользуются средним значением движущей силы.

Среднюю движущую силу процесса массопередачи можно рассчитать как среднюю интегральную, среднюю логарифмическую или среднюю арифметическую величину из движущих сил на входе в аппарат и на выходе.

Средняя интегральная величина используется в том случае, если равновесная линия на диаграмме Y-X является кривой:

Yн

ΔY_ср = (Y_н – Y_к)/∫dY/(Y – Y*) (3.44)

Y к

Средняя логарифмическая величина движущей силы используется в том случае, когда равновесная линия на диаграмме Y-X является прямой Y * = m. x:

(3.45)

(3.46)

ΔY_б = Y_н − Y_н*; ΔY_K = Y_K −Y_K* (3.47)

ΔX_б = X_к * −X_к; H ΔX_M = X_H* −X_H (3.48)

где Y * - равновесная концентрация в газовой фазе, мольные доли (масс. доли); X * - равновесная концентрация в жидкой фазе, мольные доли (масс. доли); Y н, Y к - концентрация компонента в газовой фазе на входе в аппарат и на выходе мольные доли (масс.доли); m - коэффициент распределения; Δ Y δ, M Δ Y, Δ X δ, M Δ X - большая и меньшая движущая сила процесса мольные доли (масс.доли).

Средняя арифметическая величина движущей силы используется, когда

(Δ Y б/Δ Y м) ≤ 2:

ΔY_ср = (ΔY_б + ΔY_м)/2 (3.49)

Коэффициенты массопередачи связаны с коэффициентами массоотдачи:

; (3.50)

где βг и βж - коэффициенты массоотдачи соответственно в газовой и жидкой фазах.

Член (1/βг) выражает сопротивление переходу вещества в газовой фазе G, член (m /βж) - сопротивление в жидкой фазе L.

Для хорошо растворимых газов величина m незначительна, т.е. (1/βг) >> (1/βж) и можно принять, что Ky ≈ βг. Следовательно, в такой системе все сопротивление массопередаче сосредоточено в газовой фазе. При малой растворимости газа в жидкости (1/βж) >> (1/ m. βг), поэтому можно полагать Kx ≈ βж. В этом случае все сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе.

При протекании химической реакции в жидкой фазе абсорбируемый компонент вступает в реакцию с поглотителем. При этом возрастает градиент концентраций у поверхности раздела, и по сравнению с физической абсорбцией скорость поглощения увеличивается.

Коэффициент ускорения абсорбции в жидкой фазе при протекании химической реакции равен

k = β_ж′/β_ж (3.51)

где βж и βж′ - коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе для физической абсорбции и хемосорбции.

Связь коэффициента массопередачи с коэффициентами массоотдачи при хемосорбции определяется уравнениями

1/K_y′ = (1/β_г) + (m/β_ж′) (3.52)

(1/K_x′) = (1/m∙β_г) + (1/β_ж′) (3.53)

Коэффициент ускорения зависит от скорости химической реакции и степени турбулизации жидкости.

По мере протекания хемосорбции коэффициент массоотдачи в жидкой фазе βж′ уменьшается, что затрудняет вычисление движущей силы.

При абсорбции, сопровождающейся химической реакцией, возникает поверхностная конвекция, значительно ускоряющая процесс массопередачи.