Лабораторна робота № 9.

1. ТЕМА: Вивчення процесу абсорбції в апаратах колонного типу.

2. МЕТА: Вивчити процес фізичної абсорбції в колонних апаратах; визначити ефективність тарілки при абсорбції диоксиду вуглецю (СО2) водою в тарілчастій колоні, розрахувати коефіцієнт масопередачі, число і висоту одиниці переносу для насадочної колони.

3. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Абсорбцією називається процес поглинання газів або парів із газових або паро-газових сумішей рідкими поглиначами. Цей процес є вибірковим і зворотнім.

У промисловості процес абсорбції використовують для розділення вуглеводневих газів на нафтопереробних установках, добування із коксового газу аміаку і вуглеводнів, очистки відхідних газів з метою уловлювання цінних продуктів або знешкодження газовикидів і в інших випадках.

В абсорбційних процесах беруть участь дві фази - газова і рідка. Газова фаза складається із непоглинаючого газу-носія і одного або декількох компонентів, що поглинаються. Рідка фаза представляє собою розчин абсорбуючого (цільового) компоненту в рідкому поглиначі. При фізичній абсорбції газ-носій і рідкий поглинач інертні по відношенню до компоненту, що переходить, і один по відношенню до другого.

Процес абсорбції здійснюється в апаратах, що називаються абсорберами, серед яких найбільше поширення мають абсорбери колонного типу - насадочні і тарілчасті.

Основні розміри абсорбера (діаметр, висота, число тарілок) розраховують в залежності від умов роботи: продуктивності, необхідної ступеня витягу компоненту із газу і т.д., а також даних по статиці і кінетиці процесу. Статика абсорбції розглядає питання рівноваги між фазами, які визначаються термодинамічними властивостями компоненту і поглинача, їх складом і залежить від температури і тиску. У випадку розбавлених розчинів і при низьких тисках для опису рівноваги між газом і рідиною користуються законом Генрі

р* = k•х (1)

де р* - парціальний тиск газу над розчином в умовах рівноваги, Па;

k - коефіцієнт розчинності (коефіцієнт Генрі), який має розмірність тиску і залежить від температури, властивостей розчиненого газу і поглинача;

х - мольна доля компоненту, що поглинається, в розчині.

Для газової фази, якщо її склад виражений в мольних долях, формула (1) приймає вигляд

(2)

де р - загальний тиск, Па.

Закон Генрі може застосовуватися для погано розчинних газів, тобто справедливий і для випадку поглинання СО2 водою.

Кінетика абсорбції, швидкість масообміну визначається рушійною силою процесу (ступінню відхилення системи від рівноважного стану), властивостями поглинача, компоненту і інертного газу, а також способом стикання фаз (гідродинамічним режимом). Рушійну силу процесу можна розрахувати графічно, побудувавши рівноважну і робочу лінії. Для процесів з вмістом компоненту в фазах нижче 5-10 % робочу лінію в координатах у-х можна прийняти у вигляді прямої АВ, проведеної через точки, які відповідають значенням концентрацій поглинаючого компоненту на вході (хk , уn) і виході (хn, уk) газу із апарату (рис. 1а).

Рушійна сила, виражена через концентрації компоненту у газовій фазі, буде визначатися як різниця Дуn = уn-уn* на вході газу в апарат і Дуk = уk-уk*- на виході. Аналогічно можна виразити рушійну силу через концентрації того ж компоненту у рідкій фазі: як різницю Дxk = xk-xk* і Дxn = xn-xn* де уn*, уk*, xk*, xn*- концентрації компоненту у газовій і рідкій фазах, рівноважні з концентраціями компоненту в рідині і газі на вході в абсорбер і виході із абсорбера, кмоль/кмоль.

Рис. 1. Побудова рівноважної ОС і робочої АВ ліній (а) і схема потоків і концентрацій фаз (б).

Значення Ах і Ау змінюються по висоті апарату (рис. 1(б)). Тому в розрахунках, якщо робоча і рівноважна лінії прямі, використовують середньологарифмічне значення

(3)

Як правило, значення уn, уk, xn а також розхід газу G і рідини L відомі. Значення хk можна визначити з рівняння матеріального балансу по поглинаючому компоненту. При цьому приймається, що кількість поглиненого рідиною компоненту рівна значенню його в газі, тобто при L, G ? соnst.

M = G(уn - уk) = ±L(xk - xn) (4)

де знаки плюс і мінус відповідають відповідно протитечійному і прямотечійному процесам.

Абсорбер можна розраховувати по основному рівнянню масопередачі

М = К(г)•F?Дусер (5)

М = К(р)•F?Дxсер (6)

де К(г) і К(р) - поверхневий коефіцієнт масопередачі, розрахований відповідно по газовій або рідкій фазах, кмоль/м2с;

F - поверхня контакту фаз, м2.

Однак, часто значення F невідоме, тому в розрахунках використовують об'ємний коефіцієнт масопередачі, віднесений до об'єму зони контакту. В такому випадку F заміняють на aV, де a - питома поверхня контакту, м3/м3; V - об'єм зони контакту, м3. Тоді рівняння (5), (6) мають вигляд

М = Кv(г)•V?Дусер (7)

М = Кv(р)•V?Дxсер (8)

де Кv(г)•= К(г)•a; Кv(р) = К(р)•a – об'ємні коефіцієнти масопередачі, кмоль/м3с.

В інженерній практиці застосовують метод розрахунку абсорберів за числом і висотою одиниць переносу. Число одиниць переносу представляє собою відношення зміни робочих концентрацій до середньої рушійної сили і виражається залежністю для газової фази

(9)

для рідкої фази

(10)

Одиницю переносу можна розглядати як елемент абсорбера, в якому зміна робочої концентрації в одній із фаз рівна рушійній силі. Висота одиниць переносу або висота зони контакту, еквівалентна одній одиниці переносу, визначається із виразів для газової фази

(11)

для рідкої фази

(12)

де S - площа перерізу апарата, м2.

Знаючи число і висоту одиниць переносу, можна знайти висоту робочої зони абсорбера

Н = hy•my або Н = hx•mx (13)

Приведені методи розрахунку використовуються, як правило, для абсорберів з безперервним контактом фаз (наприклад, насадочних, плівкових), а для апаратів із ступінчастою взаємодією фаз вони ускладнюються тим, що поряд з невідомою площею поверхні контакту невідомий також об'єм, зайнятий контактуючими фазами. Тому розрахунки можуть виконуватися з