Коэффициент абсорбции. Определение cорбции и ее виды Примеры решения задач

В этой статье речь пойдет о коэффициенте абсорбции, который свидетельствует о текущем состоянии гигроскопической изоляции электротехнического оборудования. Из статьи вы узнаете, что такое коэффициент абсорбции, для чего его измеряют, и какой физический принцип лежит в основе процесса измерения. Также скажем несколько слов о приборах, при помощи которых эти измерения производят.

«Правила устройства электроустановок» в пунктах с 1.8.13 по 1.8.16 и «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» в приложении 3, сообщают нам, что обмотки двигателей, равно как и обмотки трансформаторов, после капитального или текущего ремонта, подвергаются обязательной проверке на значение коэффициента абсорбции. Эта проверка осуществляется в сроки планово-предупредительных работ по инициативе руководителя предприятия. Коэффициент абсорбции связан с увлажненностью изоляции, и соответственно свидетельствует о ее качестве в текущий момент.

В нормальном состоянии изоляции коэффициент абсорбции должен быть больше или равен 1,3. В случае, если изоляция сухая, коэффициент абсорбции окажется выше 1,4. Влажная изоляция имеет коэффициент абсорбции близкий к 1, это является сигналом к тому, что изоляцию следует высушить. Необходимо также помнить, что температура окружающей среды оказывает влияние на коэффициент абсорбции, и в момент испытаний ее температура должна быть в пределах от +10°С до +35°С. С ростом температуры коэффициент абсорбции уменьшится, а с понижением - увеличится.

Коэффициентом абсорбции называется коэффициент диэлектрического поглощения, определяющий увлажнённость изоляции, и позволяющий решить вопрос о том, нуждается ли гигроскопическая изоляция того или иного оборудования в сушке. Испытание заключается в измерении посредством мегомметра сопротивления изоляции через 15 секунд и через 60 секунд с момента начала проверки.

Сопротивление изоляции через 60 секунд - R60, сопротивление через 15 секунд - R15. Первое значение делится на второе, и получается значение коэффициента абсорбции.

Суть измерения в том, что электрическая изоляция характеризуется электроемкостью, и напряжение мегомметра, приложенное к изоляции, заряжает постепенно эту емкость, насыщая изоляцию, то есть возникает ток абсорбции между щупами мегомметра. Для проникновения тока в изоляцию требуется время, и это время тем больше, чем больше размер изоляции и чем выше ее качество. Чем выше качество, тем сильнее препятствует изоляция прохождению тока абсорбции при проведении измерений. Так, чем более увлажнена изоляция, тем коэффициент абсорбции меньше.

У сухой изоляции коэффициент абсорбции будет сильно больше единицы, поскольку ток абсорбции сначала резко устанавливается, затем постепенно снижается, и сопротивление изоляции через 60 секунд, которое покажет мегомметр, окажется больше примерно на 30%, чем оно было через 15 секунд с момента начала замера. Влажная же изоляция покажет коэффициент абсорбции близкий к 1, поскольку ток абсорбции, установившись, не сильно изменит свое значение спустя еще 45 секунд.

Новое оборудование не должно отличаться коэффициентом абсорбции от заводских данных более чем на 20% в сторону уменьшения, и его значение в диапазоне температур от +10°С до +35°С не должно быть меньше 1,3. Если условие не выполняется, оборудование необходимо сушить.

При необходимости измерить коэффициент абсорбции у силового трансформатора или мощного двигателя, применяют мегомметр на напряжение 250, 500, 1000 или 2500 В. Вспомогательные цепи измеряют мегомметром на напряжение 250 вольт. Оборудование с рабочим напряжением до 500 вольт - мегомметром на 500 вольт. Для оборудования с номинальным напряжением от 500 вольт до 1000 вольт применяют мегомметр на 1000 вольт. Если номинальное рабочее напряжение оборудования выше 1000 вольт, применяют мегомметр на 2500 вольт.

С момента подачи высокого напряжения от щупов измерительного прибора производят отсчет времени 15 и 60 секунд, и фиксируют значения сопротивления R15 и R60. Во время подключения измерительного прибора, оборудование, которое подвергается проверке, должно быть обязательно заземлено, а напряжение с его обмоток должно быть снято.

По окончании измерений следует подготовленным проводником разделить заряд с обмотки на корпус. Время разряда для обмоток с рабочим напряжением 3000 В и выше должно быть не менее 15 секунд для машин до 1000 кВт и не менее 60 секунд для машин мощностью больше 1000 кВт.

Для измерения коэффициента абсорбции обмоток машин между собой и между обмотками и корпусом, проводят поочередно измерения сопротивлений R15 и R60 для каждой из независимых цепей, а остальные цепи при этом соединяют между собой и с корпусом машины. Предварительно измеряют температуру цепи, подвергаемой проверке, она должна желательно соответствовать температуре при номинальном режиме работы машины, и не должна быть ниже 10°С, в противном случае обмотку следует прогреть прежде чем проводить замеры.

Значение наименьшего сопротивления изоляции R60 при рабочей температуре оборудования вычисляют по формуле: R60 = Uн / (1000 + Pн / 100), где Uн – номинальное напряжение обмотки в вольтах; Pн – номинальная мощность в киловаттах для машин постоянного тока или в киловольт-амперах для машин переменного тока. Ка = R60 / R15. Вообще, существуют таблицы, в которых указаны допустимые значения коэффициентов абсорбции для различного оборудования.

Надеемся, что наша краткая статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, как и с какой целью необходимо измерять коэффициент абсорбции трансформаторов, электродвигателей, генераторов, и другого электротехнического оборудования, имеющего обмотки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Абсорбцией называют процесс поглощения вещества (сорбата) другим веществом (сорбентом).

Наиболее часто в технике используют абсорбцию газов или паров жидкостями. Процесс абсорбции является обратимым и избирательным. В процессе физической абсорбции не происходят химические реакции. Существует еще хемосорбция.

Процесс абсорбции сопровождается увеличением массы и объема абсорбента, так же изменяются другие его физические параметры. Возможно даже изменение агрегатного состояния.

Абсорбция отличается от адсорбции тем, что в первом случае происходит поглощение во всем объеме сорбента.

Причиной абсорбции является взаимное притяжение молекул абсорбента и абсорбирующего веществ.

Определение

В соответствии с законом Дальтона, если в жидкости растворяется смесь газов, то каждый компонент смеси растворяется пропорционально своему парциальному давлению не зависимо от остальных газов. Коэффициентом абсорбции называют степень растворения газа в жидкости. Различают несколько коэффициентов абсорбции: Бунзена, Ван-Слайка, Освальда. Наиболее часто применяется коэффициент Бунзена.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коэффициент абсорбции газа (по Бузену) в жидкости при температуре t o равен объему газа, который измерен при нормальных условиях (Па), поглощенному единицей объема жидкости, когда давление газа над жидкостью равно 1 атм.. Его часто обозначают буквой

Коэффициенты абсорбции газов водой находят, используя формулу:

где — температура газа; , , — постоянные коэффициенты, для каждого газа свои и могут изменяться в зависимости от температуры.

Так, коэффициент абсорбции по Бунзену для абсорбции: водой кислорода равен , водой азота ; водой углекислого газа

Коэффициент абсорбции по Освальду (коэффициент растворимости) при температуре t o С и парциальном давлении газа над жидкостью при равновесии p атм. равен объему газа, который измерен без приведения к нормальным условиям, растворившийся в единичном объеме жидкости. Его чаще обозначают буквой .

Процесс и результат абсорбции газов жидкостями является зависимым от вида газа и жидкости, давления газа и его температуры. Существует закон, называемый законом Генри, в соответствии с которым концентрация газа (с), который растворен в жидкости, связана с давлением (p) при помощи формулы:

где , если концентрация выражена в объеме газа, который приведен к нормальным условиям, который растворился в единичном объеме жидкости, давление приведено в атмосферах. То есть численное значение коэффициента k зависит от единиц, в которых выражены давление и концентрация. Иначе говоря, растворимость данного газа в жидкости при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению в газовой фазе. Закон Генри применяют для газов с малой растворимостью.

Единицы измерения коэффициента абсорбции

Коэффициент абсорбции величина безразмерная.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Коэффициент абсорбции по Освальду для в воде при равен . Какая масса углекислого газа растворится в 1 л воды при той же температуре и давлении 4 атм.

Решение

В 1 литре воды растворяется 1,8 углекислого газа при давлении в одну атмосферу. При давлении в 4 атмосферы растворится тоже 1,8 л Однако они при давлении 1 атм. займут объем равный:

(л)

Граммоль при н.у занимает объем 22, 4 л и имеет массу 44 г. Следовательно, объем углекислого газа равный 7, 2 л имеет массу:

(г)

Ответ

m=14,2 г

ПРИМЕР 2

Задание

В резервуаре над водой находится смесь кислорода и углекислого газа (рис.1). В смеси 75 % кислорода (по объему). Какой состав газовой смеси, растворенной в воде при , если коэффициенты абсорбции для данных газов по Освальду равны: и ?

Введение

За последние годы актуальность данной темы значительно выросла в области химической отрасли, так как процесс абсорбции в химической промышленности может выступать в качестве очистного оборудования для удаления примесей в газовых смесях, исключая большие потери ценного материала.

Целью данной работы: изучение процессов абсорбции и ознакомится с оборудованием, в котом проходят процессы абсорбции.

Задача работы: анализ оборудования для выявление параметров, которые могут повлиять на выбор абсорберов, используя материальный баланс процесса.

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) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. Пои этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель.

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

Абсорберы

Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкос-новения 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). 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.

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).

Тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств - сливных трубок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

Рис. 1 - Тарельчатая колона со сливными устройствами: 1 - тарелка; 2 - сливные устройства

Принцип работы колонн такого типа виден из рис.1, где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отработанный газ удаляется сверху колонны.

Переливные трубки располагают на тарелках таким образом, что жидкость на соседних тарелках протекала во взаимнопротивоположных направлениях. За последнее время все шире применяют сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и ограниченных порогом - переливом.

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.

Области применения абсорбционных процессов

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые, из этих областей указаны ниже:

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.

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.

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 азотно-водородной 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 отSO2; 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.

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

абсорбция газ очистка

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;ни Yк - начальная и конечная концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа;расход абсорбента, кмоль/сек; его концентрации Хн и Хк, кмоль/кмоль абсор-бента.

Тогда уравнение материального баланса будет:

(1)

Отсюда общий расход абсорбента (в кмоль/сек)

(2)

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

(3)

Это уравнение можно переписать так:

(4)

Уравнение (4) показывает, что изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y -X рабочая 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 Хн и Yк (рисунок 2) проведем, согласно уравнению (4), рабочие линии ВА, ВА1, ВА2, ВА3, отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным удельным его расходам. При этом точки А, А1, А2, А3 будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Yн газа в смеси.

Рисунок 2 - К определению удельного расхода абсорбента

В случае растворов небольшой концентрации для любого значения Х и выбранной величины движущая сила процесса выражается разность ординат Y-Y*, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия.

Для всего аппарата можно принять среднее значение?Yср, величин: которого, например для рабочей линии BA1изображена на рисунке отрезком?Yср1. Величина?Yср 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 при этом будет бесконечно большим (так как Хк = Хн). Если же линия рабочих концентраций ВА3 касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален(l= lmin), 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 Хк < 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 lmin отвечающего предельному положению рабочей линии (линия BA3 на рисунке 2).

Значение lmin можно определить по уравнению (3) при замене Хк на Х*к:

(5)

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 l возрастает 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 Хк абсорбента, 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 lопт может быть найден только с помощью технико-экономического расчета.

Заключение

Проблемы, с которыми столкнулась при выполнении данной работы, что 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.

Другой не маловажной проблемой является выбор вида и размеров абсорбера (например, диаметр и высота),который 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.

Вывод: процесс абсорбции в настоящее время актуальная тема для химической промышленности,так как сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

Список литературы

1. Э. Игнатович. Химическая техника. Процессы и аппараты. Часть 2. Москва: Техносфера, 2007.

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

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

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

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

Отраслевой стандарт ОСТ 26-808-73.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Тема 3.3. Абсорбция 12ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 6ч.

Студент должен:

знать:

Физические основы и теорию процесса абсорбции (равновесие между фазами, принципы составления материального теплового баланса, уравнение рабочей линии);

- порядок расчета насадочного и барботажного абсорбера;

- сущность и методы проведения десорбции;

уметь:

- составлять материальный и тепловой баланс;

- определять расход поглотителя;

- строить равновесную и рабочую линию процесса;

- определять основные габаритные размеры абсорберов, пользуясь справочниками.

Назначение абсорбции. Абсорбция при разделении гомогенных газовых смесей и очистки газов. Выбор абсорбента. Физическая абсорбция и абсорбция, сопровождаемая химическим взаимодействием. Десорбция.

Равновесие между фазами при абсорбции. Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкостях. Материальный баланс процесса и уравнения рабочей линии при абсорбции и десорбции. Расход абсорбента. Тепловой баланс абсорбции. Отвод тепла при абсорбции.

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями – абсорбентами.

Принцип абсорбции основывается на различной растворимости компонентов газовых и парогазовых смесей в жидкостях при одних и тех же условиях. Поэтому выбор абсорбентов осуществляют в зависимости от растворимости в них поглощаемых компонентов, которая определяется:

· физическими и химическими свойствами газовой и жидкой фаз;

· температурой и давлением осуществления процесса;

При выборе абсорбента необходимо учитывать такие его свойства, как селективность (избирательность) по отношению к поглощаемому компоненту, токсичность, пожароопасность, стоимость, доступность и др.

Различают физическую абсорбцию и химическую абсорбцию (хемосорбцию). При физической абсорбции поглощаемый компонент образует с абсорбентом только физические связи. Процесс этот в большинстве случаев является обратимым. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора – десорбция. Если поглощаемый компонент вступает в реакцию с абсорбентом и образует химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

Процесс абсорбции обычно является экзотермическим, т. е. сопровождается выделением теплоты.

Абсорбция широко используется в промышленности для разделения углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получения соляной и серной кислот, аммиачной воды, очистки газовых выбросов от вредных примесей, выделения ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т. д.

Равновесие в процессах абсорбции определяется правилом фаз Гиббса (В.4), представляющим обобщение условий гетерогенного равновесия:

C = К - Ф + 2.

Поскольку процесс абсорбции осуществляется в двухфазной (газ – жидкость) и трехкомпонентной (один распределяемый и два распределяющих компонента) системе, число степеней свободы – три.

Таким образом, равновесие в системе газ (пар) – жидкость может характеризоваться тремя параметрами, например температурой, давлением и составом одной из фаз.

Равновесие в системе газ – жидкость определяется законом растворимости Генри, согласно которому при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

где р – парциальное давление газа над раствором; х – мольная концентрация газа в растворе; Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).

Закон Генри распространяется в первую очередь на слаборастворимые газы, а также на растворы с низкими концентрациями хорошо растворимых газов при отсутствии химической реакции.

Коэффициент Е имеет размерность давления, совпадающую с размерностью р, и зависит от природы растворяющегося вещества и температуры. Установлено, что с увеличением температуры растворимость газа в жидкости уменьшается. Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Поскольку тепловой эффект, сопровождающий процесс абсорбции, отрицательно сказывается на положении линии равновесия, он должен обязательно учитываться при расчетах. Количество теплоты, выделяющейся при абсорбции, может быть определено по зависимости

где q д - дифференциальная теплота растворения в пределах изменения концентрации х 1 – х 2 ; L – количество абсорбента.

Если абсорбция ведется без отвода теплоты, то можно допустить, что вся выделяющаяся теплота идет на нагревание жидкости, и температура последней повышается на величину

где с – теплоемкость раствора.

Для понижения температуры исходную газовую смесь и абсорбент охлаждают, отводя теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции, с помощью встроенных (внутренних) или наружных теплообменников.

Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть определено по закону Дальтона , согласно которому парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.

где Р – общее давление газовой смеси; у – мольная концентрация распределяемого в смеси газа.

Сопоставляя уравнения (10.2) и (10.1), найдем

где А равн = Е/Р – константа фазового равновесия, применимая для областей действия законов Генри и Дальтона.

Пусть Р аб – давление паров чистого абсорбента в условиях абсорбции; р аб – парциальное давление паров абсорбента в растворе; Р – общее давление; х – мольная доля абсорбируемого газа в растворе; у – мольная доля распределяемого газа в газовой фазе; у аб – мольная доля абсорбента в газовой фазе.

Согласно закону Рауля парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную долю в растворе:

По закону Дальтона (10.2) парциальное давление абсорбента в газовой фазе равно

При равновесии

Анализ факторов, влияющих на равновесие в системах газ (пар) – жидкость, позволил установить, что к параметрам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, - пониженное давление, повышенная температура и введение в абсорбент добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.

Материальный баланс процесса абсорбции выражается дифференциальным уравнением

где G – поток газовой смеси (инертного газа), кмоль/с; L – поток абсорбента, кмоль/с; Y н и Y к – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в газовой фазе, кмоль/кмоль инертного газа; Х к и Х н – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента; М – количество распределяемого вещества, перенесенного из фазы G в фазу L в единицу времени, кмоль/с.

Из уравнения материального баланса (10.9) можно определить необходимый общий расход абсорбента

Процесс абсорбции характеризуется также степенью извлечения (поглощения), представляющей отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном его извлечении,

Кинетика процесса абсорбции характеризуется тремя основными стадиями, которые соответствуют схеме, представленной на рис. 9.4.

Первая стадия – перенос молекул абсорбируемого компонента из ядра потока газа (пара) к поверхности раздела фаз (поверхности жидкости).

Вторая стадия – диффундирование молекул абсорбируемого компонента через поверхностный слой жидкости (граница раздела фаз).

Третья стадия – переход молекул абсорбируемого вещества от поверхности раздела фаз в основную массу жидкости.

Кинетические закономерности абсорбции соответствуют общему уравнению массопередачи для двухфазных систем:

Экспериментально установлено, что вторая стадия процесса абсорбции идет с большей скоростью и не влияет на общую скорость процесса, ограниченную скоростью наиболее медленной стадии (первой или третьей).

Движущая сила процесса абсорбции для I и III стадий в уравнениях (10.5а) и (10.6а) может быть выражена через другие параметры:

В уравнениях (10.5б) и (10.6б) р – рабочее парциальное давление распределяемого газа в газовой смеси; р равн – равновесное давление газа над абсорбентом, соответствующее рабочей концентрации в жидкости; С – рабочая объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости; С равн – равновесная объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости, соответствующая рабочему парциальному давлению его в газовой смеси.

При таком выражении движущей силы процесса абсорбции уравнение равновесной зависимости принимает вид

где Ψ – коэффициент пропорциональности, кмоль/(м 3 *Па).

Коэффициенты массопередачи выражаются для уравнений (10.5а) и (10.6а) в виде

для уравнений (10.5б) и (10.6б)

В уравнениях (10.7) и (10.8) β у, β р – коэффициенты массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз; β х, β С - коэффициенты массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку жидкости.

Коэффициенты массоотдачи по газу и жидкости β у и β х могут быть определены из критериальных уравнений, имеющих вид:

для газовой фазы Nu диф у = f *(Re, Pr диф у);

для жидкой фазы Nu диф х = f *(Re, Pr диф х).

Величина коэффициента Ψ оказывает существенное влияние на кинетику процесса абсорбции. Если Ψ имеет высокие значения (высокая растворимость компонента – диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе), то 1/(β c *Ψ) < 1/β р или К Р ≈ β р. Если Ψ мало (извлекаемый компонент трудно растворим – диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе), то Ψ/β р << 1/β с и можно считать К с ≈ β с

Так же, как для массоо6менных процессов при L/G = const, рабочие линии процесса абсорбции являются прямыми и описываются в случае противотока уравнением (9.4), а прямотока – уравнением (9.5).

Средняя движущая сила в уравнениях (10.5а) и (10.6а) определяется в случае прямолинейной равновесной зависимости через относительные мольные концентрации компонентов по зависимостям (9.6) и (9.7).

Эти же зависимости можно использовать и при выражении движущей силы процесса абсорбции через парциальные давления распределяемого компонента в газе или объемные мольные концентрации этого же компонента в жидкости в уравнениях (10.5б) и (10.6б)

Здесь Δр max , Δр min – большее и меньшее значения движущей силы в начале и конце процесса абсорбции, выраженные через разность парциальных давлений поглощаемого компонента; ΔС max , ΔС min – большее и меньшее значения движущей силы в начале и конце процесса абсорбции, выраженные через объемные мольные концентрации поглощаемого компонента в жидкости.

В случае Δp max /Δp min ≤ 2, ΔC max /ΔC min ≤ 2 при сохранении линейности равновесной зависимости средняя движущая сила процесса абсорбции может равняться среднеарифметическому этих значений.

При проведении процесса абсорбции, сопровождаемой химической реакцией (хемосорбция), протекающей в жидкой фазе, часть распределяемого компонента переходит в химически связанное состояние. В результате этого концентрация растворенного (физически связанного) распределяемого компонента в жидкости уменьшается, что приводит к увеличению движущей силы процесса по сравнению с чисто физической абсорбцией.

Скорость хемосорбции зависит как от скорости массопередачи, так и от скорости химической реакции. В этом случае различают диффузионную и кинетическую области протекания хемосорбции. В диффузионной области скорость процесса определяется скоростью массопередачи, в кинетической – скоростью химической реакции. В тех случаях, когда скорости массопередачи и реакции соизмеримы, процессы хемосорбции протекают в смешанной, или диффузионно-кинетической, области.

При расчете хемосорбции коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, учитывающий протекающую в ней химическую реакцию β′ х, может быть выражен через коэффициент массоотдачи при физической абсорбции β х с учетом фактора ускорения массообмена Ф м, показывающего, во сколько раз увеличится скорость абсорбции за счет протекания химической реакции:

β′ х = β х * Ф м

Фактор Фм определяют по графическим зависимостям.

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 масопередачи.

На практике 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 абсорбируемого 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, будем называть растворителем.

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

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.). При этом возможно осуществление непрерывного или ступенчатого контакта. В абсорберах с непрерывным контактом характер движения фаз не меняется по длине аппарата и изменение движущей силы происходит непрерывно. Абсорберы со ступенчатым контактом состоят из нескольких ступеней, последовательно соединенных по газу и жидкости, причем при переходе из ступени в ступень происходит скачкообразное изменение движений силы.

Различают химическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение 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.

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 проводиться с целью санитарной очистки газов, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбируемый 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) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. При этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель.

Условия, благоприятные для десорбции, противоположны условиям, способствующим абсорбции. Для осуществления десорбции над раствором должно быть заметное давление компонента, чтобы он мог выделяться в газовую фазу. Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом.

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые из этих областей указаны ниже:

Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO 3 в производстве серной кислоты; абсорбция HCl с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т.д. При этим абсорбция проводится без последующей десорбции.

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.

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 H 2 S, азотно-водородной смеси для синтеза аммиака от CO 2 и CO, 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 SO 2 ; очистка от Cl 2 абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений и т.п.).

Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а так же по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности абсорбционные аппараты можно подразделить наследующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). 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.

б) Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с различного типа 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).