Материальный баланс процесса абсорбции

                Материальный баланс процесса абсорбции

Схема противоточного процесса:

,                           ,                  G – расход газовой фазы, кмоль/с;

                                                                     L – расход жидкой фазы, кг/с

                                         газовая фаза

,                                     равновесие в системе    

                                         жидкая фаза

    ,                           ,      

Рекомендуемые материалы

Материальный баланс составляют для определения количества компонента, кмоль/с, которое перейдет из газовой фазы в жидкую при отсутствии равновесия между фазами, т. е.

 ;

где: ,  - количество входящего и выходящего из абсорбера газа, кмоль/с (кмоль/ч);

,  - количество входящего и выходящего абсорбента, кмоль/с (кмоль/ч);

,   - мольные доли газового компонента на входе и на выходе из аппарата, кмоль/кмоль;

,  - мольные доли жидкого компонента на входе и на выходе из аппарата, кмоль/кмоль;

Так как расходы газа и жидкости в процессе абсорбции не изменяются, то уравнение  может принять вид:

,

если ввести индекс 1- вместо , а 2- вместо , то уравнение примет вид:

 .

Тогда  минимальный расход абсорбента будет равен:

, а отношение  - удельный расход абсорбента, кмоль/кмоль. Или

, отсюда  - линейная зависимость, поэтому необходимый расход абсорбента принимаем с запасом 1,2 – 1,3.

Уравнение материального баланса можно выразить графически, приняв концентрации газа и жидкости в относительных мольных долях.

Из уравнения  видно, что концентрация газа в абсорбере изменяется линейно, поэтому рабочая линия представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен , а относительная концентрация компонента

, кмоль/кмоль, (кг/кг);   .

По закону Генри  , 

где   - константа фазового равновесия, тогда:

Состояние равновесия между концентрацией газа в газовой и жидкой фазах характеризуется константой фазового равновесия (коэффициентом распределения), которая равна отношению концентрации компонента в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе.

В зависимости от способа выражения концентраций, константа фазового равновесия может быть определена:

,  ;  

; ,  Па/мольные доли

, ;   , .

Сведения о растворимости газов , определенные опытным путем, приведены в справочниках:

1. Коган В.Б., Фридман В.М. Равновесие между жидкостью и паром, 1966 г.

2. Павлов К.Ф., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии.

В технологических  расчетах могут быть применимы законы для идеальных растворов:

а) закон Рауля – при температурах ниже критических:

,

где:  - парциальное давление компонента в газовой фазе над жидкостью в условиях              равновесия;

 - давление насыщенного пара чистого компонента А при данной температуре;

 - мольная доля компонента А в жидкой фазе.

б) закон Генри - для систем “жидкость - газ” при температурах газа выше критических, когда концентрация растворенного компонента мала ( менее 10%), а температура и давление далеки от критических значений:

 ,  ,  ,

где:  - парциальное давление компонента в газовой фазе над жидкостью в условиях равновесия;

 - мольная доля компонента в жидкой фазе;

 - коэффициент Генри, изменяется с температурой и зависит от природы газа и растворителя, имеет размерность давления (Павлов К.Ф., табл. XLII).

Так как  , то уравнение   можно представить в виде 

;  ;  ;

где: - мольная доля компонента в газовой фазе, равновесной с жидкой;

 - безразмерная константа фазового равновесия, постоянная при -const и    -const. 

,  - коэффициенты зависящие от температуры;

 - парциальное давление в газе, Мпа.

Если концентрация в  в , то:

, подставим это выражение в уравнение ;

                              .

Закон Генри:  .    - в справочной литературе, .

Зная (спр.), вычисляют равновесное содержание абсорбируемого компонента в газовой фазе:

, тогда закон Генри можно записать как:

,  где .

Если концентрация компонентов выражена в относительных мольных концентрациях, то тогда закон Генри примет вид:

;

 Если концентрация компонентов выражена в относительных массовых концентрациях, то тогда закон Генри примет вид:

.

Если в газовой смеси присутствует лишь 1 компонент, то .

Для газов, близких к идеальным, мольная доля численно равна объемной доле (С) и на основании уравнения Клайперона:  , а условие равновесия “газ - жидкость” может быть выражено законом Рауля:  .

 Равновесие при физической абсорбции можно выразить с помощью закона Генри в области малых концентрациях и при температурах ниже критических (меньше 10%), устанавливающим зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлением.:

;   или  

где:  - равновесное парциальное давление компонента в газе, Па;

 - коэффициент Генри (в справочной литературе, зависит от температуры, природы газа и растворителя);

 - мольная доля компонента в жидкости.

Зависимость константы Генри от температуры определяют из выражения:

;

где: ,  - коэффициенты при , , ;

 - парциальное давление компонента в газовой фазе, Мпа:

.

Так как растворимость многих газов значительно отклоняется от закона Генри, то при расчетах можно использовать экспериментальные опытные данные парциального давления:

 или используют таблицы растворимости газов (Павлов К.Ф., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии).

                                 Кинетика процесса абсорбции

При отсутствии равновесия между фазами происходит переход вещества из одной фазы в другую. Скорость этого процесса:

;

где:  - масса вещества , переходящей из одной фазы в другую в единицу времени, кмоль/ч (кг/ч);

 - поверхностный коэффициент массопредачи, отнесенный к концентрации газа;

 - поверхность соприкосновения фаз,

- средняя движущая сила процесса.

Процесс массопередачи протекает в две стадии:

1) перенос вещества из газовой фазы к поверхности соприкосновения фаз;

2) перенос вещества  от поверхности раздела в жидкую фазу.

;          ;

где: ,  - коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах;

 - константа фазового равновесия.

Из приведенных уравнений видно, что общее сопротивление массопередаче зависит не только от коэффициента массоотдачи, но и в большей степени от константы фазового равновесия :

- при  -  хорошо растворимые газы, тогда:  .

Член очень мал, и им можно пренебречь, это значит, что сопротивление жидкой фазы незначительно.

- при - плохо растворимые газы – сопротивлением газовой фазы можно пренебречь, основное сопротивление в жидкой фазе и тогда: .

- при  -  умеренно растворимые газы и здесь требуется учитывать  и .  

Эти значения определяются экспериментально с использованием критериального уравнения:  ,

где: ;

 ;

.

Бесплатная лекция: "3 Ультразвуковая диагностическая аппаратура" также доступна.

 - симплекс геометрического подобия;

коэффициенты , , ,  - экспериментальные;

 - линейный размер;

 - коэффициент кинематической вязкости;

 - скорость газа;

 - коэффициент диффузии.