1.3.2. Абсорбция

Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкостями поглотителями, называемыми абсорбентами.

Для большинства случаев этот процесс обратимый, т.е. в определенных условиях, например при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой процесс называется десорбцией.

Процесс насыщения воды диоксидом углерода, называемый сатурацией, является классическим примером процесса абсорбции.

Закон Генри. Равновесие при абсорбции. Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств газа и жидкости, температуры и парциального давления поглощаемого газа в газовой смеси над поверхностью жидкости. В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системе газ-жидкость, используется закон Генри: при данной температуре концентрация газа в растворе пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

(1.37)

где р – парциальное давление газа над раствором,

х – концентрация газа в растворе,

Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), который зависит от природы растворяющегося вещества и температуры и не зависит от давления.

Для идеальных растворов по диаграмме р – х (рис. 1.6) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой линией с угловым коэффициентом, равным Е.

При неизменных давлении и концентрации с повышением температуры константа Е увеличивается, что ведет к уменьшению растворимости газа в жидкости.

Уменьшение общего давления ведет к уменьшению парциального давления компонентов, что соответствует закону Дальтона: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений, составляющих смесь компонентов:

Р = р_А + р_В . (1.38)

Рис. 1.6. Зависимость растворимости газа от давления

Из закона Дальтона следует, что парциальное давление компонента пропорционально общему давлению и его концентрации:

р_А= Р∙Y_А . (1.39)

Подставив последнее выражение в закон Генри (1.37), получим

, или Y_А = n х_А, (1.40)

где n – коэффициент распределения, или константа фазового равновесия:

(1.41)

Если равновесная система состоит из жидкости и смеси газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

1.3.3. Ректификация

Ректификация – разделение жидкой смеси на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного взаимодействия пара и жидкости. Очень часто ректификация используется для очистки воды или почвы, загрязненных нефтепродуктами. В этом случае имеет место переход веществ из жидкой фазы в паровую, и наоборот. При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную летучими компонентами – дистиллят, и часть, обедненную летучими компонентами – остаток.

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей, или ступеней – верхней и нижней. В нижней ступени исходная, подвергаемая разделению смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу остатка. Вследствие этого из смеси извлекается летучий компонент. В верхней ступени пар начального состава, соответствующего составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается летучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы. Пар для питания ректификационного аппарата получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Схема периодически действующей ректификационной установки приведена на рис. 1.7. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре (конденсаторе) богатые летучим компонентом пары конденсируются, и конденсат поступает в делитель потока 4. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение колонны, а другая часть – дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.

Необходимо отметить, что одной из важнейших частей ректификационной установки является конденсатор или дефлегматор. Полученный в нем конденсат делится на две части: одна часть направляется обратно в колонну (флегма), другая является отбираемым продуктом (дистиллят).

Рис. 1.7. Принципиальная схема ректификационной установки

периодического действия

1 – куб; 2 – ректификационная колонна; 3 – дефлегматор; 4 – разделительный стакан;

5 – холодильник; 6, 7 – сборники