Материальный баланс абсорбции

Для вывода уравнения материального баланса и уравнения рабочей линии рассмотрим схему массообменного аппарата (рис. 3.4).

Материальный баланс абсорбции - student2.ru

Рис.3.4. Схема массообменного аппарата

Обозначим: G - массовый расход газовой фазы, кг/с (носитель); L - массовый расход жидкой фазы, кг/с (носитель); Y1, Y2 - содержание компонента в фазе G на входе и выходе из аппарата (относительные весовые доли); Х1, Х2 - содержание компонента в фазе L на выходе и входе в аппарат (относительные весовые доли).

Пусть компонент переходит из фазы G в фазу L.

С учетом количества компонентов в фазах уравнение материального баланса запишется в виде

Gн∙yн + Lн∙xн = Gк∙yк + Lк∙xк

где Gн, Gк - расход газовой фазы на входе в абсорбер и выходе из него, кмоль/с (кг/с); xк, xк - концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе на входе в абсорбер и выходе из него, мольные доли (масс.доли); Lн, Lк -

расход абсорбента на входе в абсорбер и выходе из него, кмоль/с (кг/c); yн, yк - концентрация распределяемого вещества (компонента) в газовой фазе на входе в абсорбер и выходе из него, мольные доли (масс.доли).

Рассмотрим случай, когда носители не участвуют в процессе массообмена, их количества не изменяются по высоте аппарата.

Тогда, количество компонента М, перешедшего из фазы G, равно:

M = G(Y1 – Y2) (3.17)

Количество компонента М, перешедшего в фазу L, равно:

M = L∙X1 – L∙X2 = L(X1 – X2) (3.18)

Приравняем правые части уравнений (3.17) и (3.18):

G(Y1 – Y2) = L(X1 – X2) (3.19)

или в виде

G(Yн – Yк ) = L(Xк – Xн) (3.20)

где G - расход инертного газа, кмоль/с (кг/с); L - расход абсорбента, кмоль/с (кг/с); Yн и Yк - относительные концентрации компонента в газе-носителе, кмоль/кмоль газа (кг/кг газа); Xк и Xн – относительные концентрации компонента в поглотителе (абсорбенте), кмоль/кмоль абсорбента (кг/кг абсорбента).

Уравнения (3.19), (3.20) есть уравнения материального баланса.

Общий расход абсорбента равен

L = G(Yн − Yк ) (X к − X н ) (3.21)

Определим удельный расход поглотителя l, кг/кг:

l = L/G (3.22)

Из уравнений (3.19) и (3.20):

l = (Y1 – Y2)/(X1 – X2) или l = (Yн – Yк)/(Xк – Xн) (3.23)

Рассмотрим произвольное сечение аппарата 0-0, где составы фаз будут Y и Х в фазе G и L соответственно (рис. 3.4).

Напишем уравнение материального баланса для части аппарата, расположенного выше сечения 0-0:

G∙Y + L∙X2 = G∙Y2 + L∙X (3.24)

Откуда получим

Y = Y2 + (X – X2)L/G или Y = Y2 + l(X – X2) (3.25)

Уравнения (3.25) есть уравнение рабочей линии. Оно выражает зависимость между неравновесными составами фаз в любом сечении аппарата.

Из анализа (3.25) видно, что это уравнение прямой линии (Y = a + b.X).

Подставим в уравнение (3.25) уравнение (3.23):

Y = Y2 + (Y1 – Y2)(X – X2)/(X1 – X2) (3.26)

или (Y – Y2)/(Y1 – Y2) = (X – X2)/( X1 – X2) (3.27)

Это есть уравнения прямой, проходящей через точку A (X1; Y1) и точку B (X2; Y2).

Рабочую линию процесса абсорбции строят в тех же осях Y−X, что и линию равновесия.

Уравнение рабочей линии выведено выше:

Y = Y2 + l(X – X2) = Y2 + (Y1 – Y2)(X – X2)/(X1 – X2) (3.28)

Для построения рабочей линии надо знать составы фаз на входе в абсорбер (Х2, Y1)) и на выходе из него (Х1, Y2). По этим данным определяют точки А и В (рис. 3.5).

Материальный баланс абсорбции - student2.ru

Рис. 3.5. Линия равновесия (ОС) и рабочая линия (АВ)

Часто заданы только начальные составы газа и жидкости (Y1, X2) и степень извлечения (ε). Степень извлечения - это отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном извлечении:

ε = G(Y1 – Y2)/(G∙Y1) = 1 – Y2/Y1 (3.29)

Как видно из выражения (3.29), по ε, Y1 можно оценить Y2, т.е. на диаграмме Y−X определить точку В (Y2, Х2), а точка А будет находиться на ординате Y1. Положение точки А зависит от удельного расхода поглотителя l. Момент в процессе абсорбции, когда рабочая линия касается линии равновесия, соответствует минимальному расходу поглотителя. В точке касания рабочей линии с линией равновесия движущая сила равна нулю. При этом требуется абсорбер бесконечно большой высоты. С увеличением удельного расхода поглотителя уменьшается требуемая высота абсорбера, но возрастают расходы на десорбцию, на перекачивание поглотителя и др. Оптимальный удельный расход поглотителя определяют технико-экономическим расчетом.

При абсорбции рабочая линия располагается выше линии равновесия, так как в этом процессе содержание компонента в газовой фазе больше равновесного Y > Y*.

При десорбции, наоборот, рабочая линия лежит ниже линии равновесия.

Наши рекомендации