Protsessy_ispravlennye

7. Физическая сущность абсорбции. Уравнение Генри

Абсорбция — пр-с избирательного погл-ия комп-тов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Пр-с абсорбции происходит в том случае, когда парц Р извлекаемого комп-та в газовой смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт с этим газом, т.е. для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия. Различие в парц Р извлекаемого комп-та в газе и жид-ти является той движущей силой, под действием к-ой происходит поглощение (абсорбция) данного комп-та жидкой фазой из газовой фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую.

Виды абсорбции: физ., при к-ой извлечение комп-тов из газа происходит благодаря их раств-ти в абсорбентах и хим (хемосорбцию), основанную на хим-ом вз-ии извлекаемых комп-тов с активной частью абсорбента. Скорость физ. абсорбции определяется диффузионным пр-сом, скорость хемосорбции зависит от скорости диффузии и химической реакции.

Погл-е комп-ов газовой смеси при абсорбции сопровождается выделением тепла. Процесс абсорбции обратимый, поэтому он используется не только для получения р-ров газов в ж-тях, но и для разделения газовых смесей. При этом после поглощения одного или нескольких комп-ов газа из газовой смеси необходимо произвести выделение из абсорбента поглощенных компонентов т.е.

десорбцию.

При выборе абсорбента учитывают состав разделяемого газа, давление и температуру процесса, производительность установки. Выбор абсорбента определяется также его селективностью, поглотительной способностью, коррозионной активностью, стоимостью, токсичностью и другими факторами.

В нефтяной и газовой пром-ти пр-с абсорбции прим-ся для разделения, осушки и очистки УВ газов. Из природных и попутных нефтяных газов путем абсорбции извлекают этан, пропан, бутан и компоненты бензина; абсорбцию применяют для очистки природных газов от кислых компонентов

— Н2S, исп-го для производства серы, диоксида углерода, серооксида углерода, сероуглерода, тиолов (меркаптанов) и; с помощью абсорбции также разделяют газы пиролиза и кат.крекинга и осущ-ют санитарную очистку газов от вредных прим. В качестве абсорбентов при разделении УВ газов используют бензиновые или керосиновые фракции, а в последние годы и газовый конденсат, при осушке — диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ). Для абсорбционной очистки газов от кислых комп-ов применяют N-метил-2-пирролидон, гликоли, пропиленкарбонат, трибутилфосфат, метанол; в качестве хим. поглотителя используются моно- и диэтаноламины. В отличие от ректификации пр-с абсорбции протекает в основном однонаправленно. В случае абсорбции многокомпонентной газовой смеси на некоторой ее стадии отдельные комп-ты могут вытесняться другими поглощаемыми комп-тами. В рез-те наряду с пр-сом абсорбции будет протекать пр-с частичной десорбции некоторых комп-ов, что приведет к распределению комп-ов между газовой и жидкой фазами, обусловленному обоими указанными процессами.

Закон Генри справедлив для разбавленных растворов и формулируется следующим образом: парциальное давление компонента прямо пропорционально его мольной концентрации, т.е.

pi = Ki хi'.

8. Основное уравнение массопередачи при абсорбции.

Абсорбция (десорбция) — диффузионный пр-с, в к-ом участвуют две фазы: газовая и жидкая. Движущей силой пр-са абсорбции (десорбции) является разность парциальных давлений поглощаемого компонента в газовой и жидкой фазах, который стремится перейти в ту фазу, где его концентрация меньше, чем это требуется по условию равновесия.

Обозначим парциальное давление поглощаемого компонента в газовой фазе через рг, а парциальное давление того же компонента в газовой фазе, находящейся в равновесии с абсорбентом, через рр. Если рг > рр, то компонент газа переходит в жидкость, т.е. протекает процесс абсорбции . Если рг < рр, то поглощенные компоненты газа переходят из абсорбента в газовую фазу, т.е. осуществляется процесс десорбции .

Чем больше величина рг — рр, тем интенсивнее осуществляется переход компонента из газовой фазы в жидкую. При приближении системы к состоянию равновесия движущая сила уменьшается и скорость перехода компонента из газовой фазы в жидкую замедляется. Поскольку парциальное давление компонента пропорционально его концентрации, то движущая сила процесса абсорбции или десорбции может быть выражена также через разность концентраций компонента в газовой

или жидкой фазе .

Количество вещества М, поглощаемого в единицу времени при абсорбции или выделяемого при десорбции, прямо пропорционально поверхности контакта газовой и жидкой фаз F, движущей силе процесса и коэффициенту пропорциональности К, зависящему от гидродинамического режима процесса и физико-химических свойств системы.

Уравнение массопередачи при абсорбции можно записать в виде

или

Коэффициент К называется коэффициентом массопередачи при абсорбции и характеризует массу вещества, переданную в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице.

Единица измерения величины К зависит от единиц измерения составляющих, входящих в уравнение (1). Так, например, если измерять массу поглощенного компонента в кг/ч, поверхность контакта фаз в м , а движущую силу процесса абсорбции в МПа, то из уравнения ( 1) получим

единицу измерения К в

схема переноса	компонентов при контакте газа с
	абсорбентом

9. Материальный баланс абсорбера.

взаимосвязь обычных концентраций с приведенными:

Если потоки газа и жидкости мало меняются по высоте аппарата, т.е.

уравнение равновесия:

заменим концентрации на приведенные поменяем члены местами

учитывая, что	-фактор абсорбции и	-уд расход
уравнение равновесия запишется

запишем баланс для выбранного сечения затем отсюда удельный расход абсорбента

10. Тепловой баланс абсорбера.

Поглощение комп-ов газовой смеси при абсорбции сопровождается выделением тепла, величина к-го пропорциональна массе и теплоте растворения qA поглощаемых комп-ов, к-ая в первом приближении может быть принята равной теплоте конденсации соответствующего комп-та. Если считать, что все выделившееся при абсорбции тепло пошло на увеличение темп-ры абсорбента, т.е. не учитывать некоторое повышение температуры газа и тепловые потери в окр. среду, то такое допущение дает некоторый запас в расчетах. Общее количество тепла, выделяющееся при абсорбции, равно

Выделяющееся в процессе абсорбции тепло QA повышает температуру абсорбента, что приводит к ухудшению поглощения компонентов газовой смеси.

Если выделенное при абсорбции тепло не отводить, то темп-ра абсорбента на выходе из аппарата без учета нагревания газа и теплопотерь в окр. среду будет равна

где С — средняя теплоемкость абсорбента в интервале температур от ( t0 до tN’; L — средний расход абсорбента в абсорбере.

Средняя температура в абсорбере При абсорбции жирных газов, когда поглощается значительная масса газа, тепло, выделенное при

абсорбции, окажется большим и приведет к недопустимому повышению темп-ры, что потребует увеличения расхода абсорбента или

числа тарелок в абсорбере. Чтобы избежать этого, в одном-двух сечениях аппарата проводят промежуточный отвод тепла Q, обеспечивая тем самым на выходе из абсорбера необходимую температуру tN. При промежуточном отводе тепла темп-ра

абсорбента на выходе из абсорбера будет равна Применение промежуточного охлаждения обеспечивает более равномерное

распределение температур по высоте аппарата и более благоприятные условия протекания процесса абсорбции

РИС Схема абсорбера с промежуточным отводом тепла и изменение температуры по высоте аппарата

.

11. Абсорбция тощих газов.

В случае абсорбции так называемых "сухих" газов кол-во извлекаемых комп-ов невелико, что позволяет в расчетах пользоваться усредненным абсорбционным фактором А, к-ый рассчитывают как

A = A1 AN

среднее геометрическое между абсорбционными факторами для низа и верха абсорбера:

	Yj	=	Yj+1 + Aj−1Yj−1
			1+ Aj
	В этом случае уравнение			запишется в виде

Варьируя номером тарелки j от 1 до N, получим с-му равенств:

После	соответствующих	подстановок	и	преобразований		получим	выражение
		YN	= YN +1	− Y1	+ A0Y0
				AN

изменение концентрации на нижней тарелке.

Исключим YN из этого уравнения, использовав уравнение Получим Это уравнение можно привести к виду уравнения

если в левой части последнего прибавить и отнять AN+1YN+1 После преобразований получим уравнение Кремсера.

При заданных эффективности извлечения е и абсорбционном факторе А из этого уравнения можно определить N — число теоретических тарелок в абсорбере.

При идеальном отделении абсорбента от извлеченных компонентов, когда Y0=0. получим уравнение для расчета коэффициента извлечения через фактор абсорбции.

Из этого уравнения может быть получено следующее уравнение для расчета числа теоретических тарелок в абсорбере:

Для компонента, у которого абсорбционный фактор А = 1, из последнего уравнения после раскрытия неопределенности получим N=ε/(1-ε)

Зависимость между эффективностью абсорбции, абсорбционным фактором и числом теоретических тарелок, определяемая уравнением Кремсера, представлена графически на рис. Этот же график может быть использован и для расчета процесса десорбции.

12. Коэффициент извлечения абсорбции. Уравнение Кремсена.

для хар-ки пр-са абсорбции есть понятия о коэф-те извлечения компонента φ и эффективности извлечения компонента ε

Под коэф-том извлечения φ при абсорбции понимают отношение кол-ва поглощенного комп-та к его содержанию в исходной газовой смеси.

Очевидно, что при полном извлечении компонента У1 = 0 и φ = 1. Во всех остальных случаях φ < 1.

Под эф-тью извлечения е при абсорбции понимают отношение количества поглощенного компонента к теоретическому, достигаемому в условиях равновесия между уходящим из абсорбера газом и вводимым абсорбентом.

(1)

Разделив числитель и знаменатель правой части уравнения на УN+1 получим

Отсюда следует, что ε> φ и ε → φ только при Y0→ 0. При достижении равновесия на выходе из абсорбера: У1= У0 и ε = 1. Во всех остальных случаях 0 < ε< 1.

Из приведенных уравнений вытекает, что обеспечение возможно полной десорбции извлекаемых компонентов из насыщенного адсорбента (Х0 → 0) и снижение содержания извлекаемого компонента на выходе из аппарата (У1) увеличивают коэффициент извлечения и эффективность при абсорбции

если в левой части уравнеия (1) прибавить и отнять

После преобразований получим

уравнение Кремсера.При заданных эффективности извлечения е и абсорбционном факторе А из этого уравнения можно определить N — число теоретических тарелок в абсорбере.

При идеальном отделении абсорбента от извлеченных компонентов, когда Y0=0. получим уравнение для расчета коэффициента извлечения через фактор абсорбции.

Из этого уравнения может быть получено следующее уравнение для расчета числа теоретических тарелок в абсорбере:

Для комп-та, у к-го абсорбционный фактор А = 1, из последнего уравнения после раскрытия неопределенности получим

N=ε/(1-ε)

Зависимость между эффективностью абсорбции, абсорбционным фактором и числом теоретических тарелок, определяемая уравнением Кремсера, представлена графически на рис. Этот же график может быть использован и для расчета процесса десорбции.

13.Принципиальная схема установки абсорбер-десорбер.

В промышленности процессы абсорбции и десорбции обычно осуществляются на одной установке, обеспечивающей непрерывную регенерацию и циркуляцию абсорбента по замкнутому контуру между абсорбером и десорбером. Поток газа Сн+1 поступает в нижнюю часть абсорбера 1, а сверху подается поток свежего (регенерированного) абсорбента L0. Непоглощенные компоненты газа G, уходят с верха абсорбера, а из его низа выводится поток насыщенного абсорбента III, который поступает через теплообменник 7 и подогреватель 3 на регенерацию в десорбер 4. Регенерация осуществляется либо за счет подвода тепла Qв в нижнюю часть десорбера, либо за счет ввода водяного пара. Регенерированный абсорбент, охлажденный в теплообменнике 7 и холодильнике 2, возвращается в абсорбер. В случае работы десорбера с подводом тепла его можно рассматривать как отгонную ректификационную колонну.

Такую схему применяют, когда абсорбент обладает высокой избирательностью и необходимо из смеси извлечь один компонент или одну целевую фракцию (например, извлечение из газа кислых компонентов, осушка газов). При переработке природных и попутных газов такие схемы не эффективны, так как не обеспечивают получение кондиционной товарной продукции.

Рис. У1-2. Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки:

1 — абсорбер; 2 — холодильник; 3 — подогреватель; 4 — десорбер; 5 — конденсатор; 6 — емкость; 7 — теплообменник. Потоки: I — сырой газ; II — сухой (тощий) газ; III — насыщенный абсорбент; IV — регенерированный абсорбент; V — извлеченные компоненты; VI - несконденсированные газовые компоненты; VII — жидкий продукт

14.Физическая сущность адсорбции

Адсорбцией называется процесс поглощения газов (паров) или жидкостей поверхность твердых тел (адсорбентов). В случае избирательного поглощения компонентов смеси появляется возможность ее разделения на составляющие компоненты. Явление адсорбции связано с наличием сил притяжения м/у молекулами адсорбента и поглощаемого вещества.

Твердое вещество, на поверхности или в порах которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся вне пор адсорбента, называется адсорбтивом, а после его перехода в адсорбированное состояние – адсорбатом.

Адсорбция – физ. и хим. При физической адсорбции молекулы поглощенного вещества, находящиеся на поверхности адсорбента, не вступают с ним в химическое взаимодействия. Связь молекул поглощенного вещества (адсорбата) с адсорбентом при физической адсорбции менее прочна, чем при хемосорбции.

Физ. адсорбция явл-ся экз. пр-сом. Q адсорбции из газов и паров примерно равно теплоте их конденсации, теплота адсорбции из р-ров несколько меньше.

Пр-с адсорбционного разделения прекращается, когда активная поверхность (или объем пор) адсорбента оказывается заполненной молекулами адсорбата. Выделение из адсорбента поглощенных комп-ов называется десорбцией.

Если в слой адсорбента ввести сравнительно небольшое количество разделяемой смеси, адсорбироваться будут все ее компоненты. Это происходит до тех пор, пока вся активная поверхность адсорбента не будет заполнена. Дальнейшее поступление исходной смеси в слой адсорбента приведена к тому, что молекулы, отличающиеся более высокой адсорбируемостью, будут частично вытеснять с поверхности адсорбента молекулы вещества с меньшей адсорбируемостью и установиться равновесие между адсорбированной и неадсорбированной средами.

При прохождении исходной смеси через определенный слой адсорбента, рассмотренный выше процесс протекает послойно в направлении движения исходной разделяемой смеси. Адсорбционное разделение в данном слое адсорбента будет завершено, когда в потоке, выходящем из слоя адсорбента, появится компонент, подлежащий извлечению из исходной смеси, т.е. когда в соответствии с состоянием равновесия активная поверхность адсорбента заполнится извлекаемым компонентом и произойдет «проскок» этого компонента с уходящим потоком.

Исчерпание адсорбционной способности – проскок определяет время защитного действия адсорбента по соотношению к данному компоненту. Кол-во вещества, адсорбируемого поверхностью, определяется состоянием равновесия и природы адсорбента и адсорбируемого вещества, концентрации последнего в исходной смеси, температуры процесса, а при адсорбции газовой фазы и от давления.

В результате адсорбции концентрация поглощаемого вещества в потоке уменьшается по мере перемещения его через слой адсорбента. Поэтому и количество (концентрация) адсорбируемого вещества по высоте слоя адсорбента также изменяется в пределах от максимального до минимального, соответствующего состоянию равновесия с потоком, покидающим слой адсорбента.

Возможность разделения той или иной смеси методом адсорбции зависит от величины адсорбируемости компонентов, входящих в ее состав. Адсорбируемость веществ зависит от их природы, строение структуры адсорбента (величины удельной поверхности, размеров пор и т.п.).

15. Изотерма адсорбции

Равновесное состояние при адсорбции характеризуется изотермой адсорбции, она связывает количество адсорбированного единицей массы адсорбента вещества, т.е. активность (в массовых, мольных или объемных единицах) с концентрацией или парциальным давлением (в случае газовой фазы) компонента разделяемой смеси при данной температуре. Обычно изотермы адсорбции строят на основании экспериментальных данных.

Рис.1. общий вид изотермы адсорбции при разных температурах.

На рис.1 приведены типичные изотермы адсорбции для двух температур. Из анализа этих кривых следует, что активность адсорбента возрастает с увеличением концентрации или парциального давления) адсорбируемого компонента и с понижением температуры процесса.

Для описания изотермы адсорбции наибольшее распространение получили :

a = A1 bc 1+ bc

Уравнение Лэнгмюра

	a = A cd
	2
Уравнение Фрейндлиха	,

где а – активность (емкость) адсорбента; с - концентрация или парциальное давление адсорбируемого компонента; А1, А2 ,b, d – коэффициенты и показатели степени, зависящие от природы адсорбента и адсорбата, а так же от температуры.