Абсорбция перемешиваемыми жидкостями

При осуществлении абсорбции перемешиваемыми жидкостями растворенный газ транспортируется не только путем молекулярной диффузии, но и конвективно от поверхности вглубь основной массы жидкости. Перемешивание может осуществляться по разному. Ниже перечислены некоторые распространенные механизмы.

-При стекании жидкости по наклонной или вертикальной поверхности характер движения потока может быть турбулентным. Кроме того, скорость абсорбции может быть увеличена и при ламинарном течении за счет волнообразования на поверхности и возникающих при этом конвективных перемещений. В точках контакта отдельных элементов поверхности часто происходит периодическое смешение слоя жидкости при его стекании по насадке.

- При барботаже газа жидкость перемешивается пузырьками, например, в аэрируемых жидкостях или тарельчатых колоннах. Жидкость может перемешиваться и специальными механическими мешалками, в том числе и при одновременном вводе в нее пузырьков газа.

- Жидкость может распределяться в массе газа в качестве дисперсной фазы, например в виде капель или струй.

Выражение закона Фика в условиях перемешивания жидкости для физической абсорбции будет выглядеть следующим образом:

Dd²а/d²x + Vdа/dx = dа/d (28)

где V – вектор скорости жидкости в направлении х, а с учетом химической реакции:

Dd²а/d²x + Vdа/dx = dа/d + r (29)

Наличие конвективного члена в двух последних уравнениях делает невозможных их решение. Поэтому требуются определенные модели гидродинамического перемешивания, которые бы позволили эти уравнения упростить.

Экспериментально установлено, что скорость физической абсорбции выражается следующим уравнением:

R = k_LS (а* - а₀) (30)

где а* - концентрация растворенного газа у поверхности раздела между жидкостью и газом, соответствующая условиям равновесия с парциальным давлением газа в газовой фазе; S – поверхность контакта между газом и жидкостью, заключенная в единице объема системы; k_L – коэффициент физической массопередачи в жидкой фазе; R – средняя скорость переноса газа через единицу поверхности, действительная же скорость массопередачи может меняться как от точки к точке, так и со временем; a₀ – средняя концентрация растворенного газа в массе жидкости.

На практике раздельное определение k_L и S при физической абсорбции обычно невозможно. Так, в насадочных колоннах неизвестна доля эффективно смоченной поверхности насадки, а при барботаже неизвестна величина поверхности, разделяющей жидкость и пузыри газа. Поэтому в опытах по физической абсорбции чаще всего измеряют произведение k_LS. Справедливость этого уравнения неоднократно подтверждалась экспериментально.

Пленочная модель основана на представлениях Нернста о неподвижном диффузионном слое. Согласно этой модели, у поверхности жидкости, граничащей с газом, имеется неподвижная пленка толщиной . В то время как состав основной массы перемешиваемой жидкости однороден, изменение концентрации происходит в пленке от а* у поверхности до а у плоскости, разделяющей пленку и основную массу жидкости. Скорость абсорбции равна скорости диффузии газа:

R = D_А/ (а* - а₀) = k_L (а* - а₀)

Гидродинамическая обстановка в системе характеризуется параметром , который зависит от конструкции и размера аппарата, интенсивности перемешивания жидкости, ее физических свойств и от других факторов. Такая модель не очень реалистична, вряд ли вблизи поверхности может происходить столь резкое изменений профили концентрации, и еще менее вероятно, что пленка имеет одинаковую толщину. Тем не менее в этой модели отражена существенная черта, присущая реальной системе: газ растворяется в жидкости путем молекулярной диффузии, прежде чем быть транспортированным конвективно.

Модели со спокойной поверхностью. Когда вещество переходит от твердой поверхности к турбулентно движущейся жидкости, вблизи твердой стенки имеется, некая поверхность, где перенос осуществляется исключительно за счет молекулярной диффузии. С увеличением расстояния от стенки конвективный перенос становится все более существенным, а затем и преобладающим путем турбулентных перемещений. В отличие от пленочной модели здесь переход от молекулярного к конвективному переносу с удалением от поверхности рассматривается как постепенный.

Модели обновления поверхности. Предполагается, что турбулентные пульсации постоянно подводят к поверхности раздела фаз свежую жидкость из глубинных слоев, которая имеет состав, отвечающий среднему составу основной массы, и смывают порции жидкости уже прореагировавшие с газом. Абсорбция вглубь элемента рассматривается таким образом, что если бы он был неподвижной жидкостью с бесконечной глубиной, что справедливо при малых значениях времени взаимодействия газа с элементом жидкости  (время контакта или период обновления). Скорость абсорбции зависит от времени контакта, которое характеризует гидродинамическую обстановку в аппарате. По сравнению с пленочной моделью, где толщина пленки является фиктивной величиной, время контакта имеет реальный физический смысл. В соответствии с моделью Хигби зависимость между k_L и  для физической абсорбции выглядит следующим образом:

Q = 2(a*-a₀)(D_A/) (32)

R = Q/ = 2(a*-a₀)(D_A/) (33)

k_L = R/(a*-a₀) = 2(D_A/) (34)

Абсорбция в насадочных колоннах

В насадочных абсорберах жидкость равномерно распределяется по верху насадки, стекает тонкой пленкой по ее поверхности и выводится из колонны снизу. При обычно используемом на практике противоточном движении фаз газ входит в колонну снизу и удаляется из нее сверху. Принимают, что коэффициент физической массопередачи в жидкой фазе k_L, эффективная межфазная поверхность s, отнесенная к единице объема насадочного слоя, и объем жидкости l в той же единице объема одинаковы во всех частях колонны, то есть для любого участка аппарата непрерывного действия имеет место установившийся (стационарный) режим абсорбции.

Соответствующие балансовые уравнения в присутствии химической реакции A + zB = yQ имеют вид:

Rsdh = Lda₀ + rldh (35)

-Ldb₀ = zrldh, (36)

где R –скорость абсорбции, s – поверхность контакта фаз в единице объема насадки, см²/см³, r – скорость реакции отнесенная к единице объема жидкости моль/см³ с, L – плотность орошения см³/см²с, l – объем жидкости в единице объема насадки, h – высота колонны. Высота колонны определяется:

h = L/zs _b0кон^b0нач в_b0/R (37)

пр физической абсорбции

h = L/k_Ls(a₀^нач-а₀^кон)/а_lg (38)