Термодинамика процесса абсорбции

Поглощение газов жидкостью называют абсорбцией. В зависимости от физико-химической природы взаимодействия молекул газа (абсорбата) с жидкостью (абсорбентом) различают физическую и химическую абсорбцию. Извлечение газов при физической абсорбции основано на различной растворимости газов в жидкостях. При химической абсорбции газов процесс сопровождается химическим взаимодействием молекул газа с жидкостью.

При физической абсорбции эффективность действия абсорбента определяется, главным образом, растворимостью в нем газа, которая зависит от температуры и давления.

При небольших концентрациях извлекаемого газа (невысокие парциальные давления) зависимость растворимости газа в жидкости от давления определяется законом Генри:

, (2.1)

где Р_г – парциальное давление газа в газовой фазе;

х_ж – мольная доля газа в жидкости;

К_г – константа Генри.

Зависимость растворимости газа от температуры описывается уравнением изобары:

(2.2)

где К_р – константа абсорбционного равновесия, – величина обратная константе Генри;

– теплота абсорбции, Дж/моль,

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К),

Т – температура, К.

После интегрирования при допущении, что не зависит от температуры получим:

(2.3)

где С – постоянная интегрирования.

Физическая абсорбция является экзотермическим процессом, поэтому при повышении температуры растворимость газа в жидкости будет уменьшаться и, соответственно, снижаться степень абсорбции. В промышленной практике процесс абсорбции обычно проводят при низких температурах и высоких давлениях, при высоких температурах осуществляют десорбцию абсорбированных примесей.

При химической абсорбции растворимость газа зависит не только от его физической растворимости, но и константы равновесия химической реакции газа с абсорбентом, стехиометрического соотношения реагентов и др.

Пусть при хемосорбции протекает реакция

А+ m В = kС +dД ,

где А – поглощаемый компонент,

В - дозаабсорбента (моль)

тогда парциальное давление газа определяется по соотношению

(2.4)

где К_х._р – константа химического равновесия реакции,

п – общее число молей продуктов реакции на 1 моль прореагировавшего газа А;

α – коэффициент, зависящий от мольного соотношения абсорбента и извлекаемого газа в реакции;

В – доза абсорбента (моль),

x – физическая растворимость газа в жидкости (мольная доля).

При выборе абсорбента необходимо учитывать следующие его эксплуатационные свойства:

1. Абсорбционная емкость, зависящая от растворимости в нем извлекаемого компонента и (или) полноты протекания реакции.

2. Селективность (S), которая характеризуется отношением растворимостей извлекаемого газа (х₁) и наиболее близкого к нему по растворимости компонента очищаемого газа (х₂) при одинаковых условиях:

(2.5.)

3. Давление насыщенных паров. Давление насыщенных паров абсорбента должно быть небольшим, для избежания потерь при очистке и, соответственно, температура кипения растворителя должна быть достаточно высокой.

4. Возможность десорбции абсорбированного газапри нагревании или химическими методами.

5. Вязкость. Вязкость влияет на скорость протекания массообменных процессов.

6. Термохимическая устойчивость. В условиях циклических абсорбционных процессов продолжительность пребывания абсорбента в системе велика. Полный обмен растворителя происходит в течение 6-18 месяцев.

7. Стоимость.

Движущей силой процесса абсорбции является разность концентраций на поверхности раздела фаз газ – жидкость.

Массу абсорбента определяют из уравнения материального баланса процесса абсорбции:

(2.6.)

где т – масса абсорбента;

G – масса извлекаемого газа;

х, х_К – растворимость газа в абсорбенте и начальная концентрация извлекаемого компонента при входе в абсорбер;

у,у_К – начальная и конечная концентрация извлекаемого компонента в газе.

Растворимость газа в абсорбенте определяют из равновесных данных.