Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем – абсорбентом. Если поглощаемый газ – абсорбтив – химически не взаимодействует с абсорбентом, то такая абсорбция физическая, если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называется хемосорбцией. Физическая абсорбция обратима, выделение поглощаемого газа из раствора – десорбция. Сочетание абсорбции и десорбции позволяют многократно использовать поглотитель и выделять поглощённый газ в чистом виде.

Абсорбция применяется:

- для получения готового продукта (абсорбция в производстве серной кислоты, абсорбция HCl, оксидов азота водой в производстве азотной кислоты);

- для выделения ценных компонентов из газовых смесей (абсорбция бензола из коксового газа, абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа и т.д.), при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

- для очистки газовых выбросов от вредных примесей;

- для осушки газов.

2. Равновесие при абсорбции. Закон Генри

Система состоит из трёх компонентов (распределяемое вещество и два распределяющих вещества) и двух фаз – жидкой и газовой. Такая система по правилу фаз имеет три степени свободы. Для абсорбции переменными являются Т, р, концентрация компонента А в газовой и жидкой фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при Т=const и постоянном общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А или его концентрацией и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление растворённого газа пропорционально его мольной доле в растворе:

(5.72)

где - парциальное давление поглощаемого газа над раствором, находящегося в равновесии, при концентрации раствора , Е – константа Генри. Е не зависит от общего давления в системе, но зависит от природы абсорбента и поглощаемого газа, а также от Т.

Рис. 1

Для идеальных растворов зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, т.к. (5.73)

Чем больше Т, тем меньше растворимость. - равновесная концентрация газа в растворе, т.е. растворимость.

Если – молярная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р – общее давление в системе, то парциальное давление , по закону Дальтона, можно записать:

(5.74)

Тогда, подставив значение в (5.72) получим

Итак для закона Генри имеем

(5.75)

Здесь - коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Величина m уменьшается с увеличением Р и снижения Т. Таким образом, растворимость газа в жидкости растёт с ростом давления и снижения Т.

Когда в равновесии с жидкостью находятся смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри справедлив только для идеальных газов, а также к сильно разбавленным реальным растворам. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем по закону Генри. Для систем, не подчиняющихся закону Генри, m является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

При больших давлениях (1 МПа и выше) изменение объёма жидкости вследствие растворения в ней газа соизмеримо с изменением объёма газа, тогда

- фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.

При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри.

Общая масса фазы, состоящей из распределяемого компонента и 1 кг носителя равна (1+Х) кг (жидкая фаза) и (1+Y) кг (газовая фаза). Тогда весовые концентрации х и у распределяемого компонента в фазах:

Тогда закон Генри запишется:

(5.76)

Следовательно, линия равновесия в системе газ – жидкость в координатах Х и У изображается кривой. При малых концентрациях Х в жидкости (5.76) упрощается и принимает вид:

(5.77)

В случае абсорбции многокомпонентных смесей парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но и от концентрации в растворе других компонентов, т.е. является функцией большого числа переменных. Поэтому в подобных случаях, равновесные зависимости основываются на опытных данных.

3. Материальный баланс и расход абсорбента

Рис. 2

– расход инертного газа; – расход абсорбента; - начальная и конечная концентрация абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; - начальная и конечная концентрация абсорбтива в в поглотителе кмоль/кмоль абсорбента.

Из уравнения (5.78) обычно определяют : (5.79)

Уравнение (5.78) можно представить в виде:

(5.80)

Уравнение (5.80) носит название рабочей линии. Она, рабочая линия, в координатах У-Х прямая с углом наклона, тангенс которого равен . Найдём связь с размером аппарата. Заданы . Необходимо найти .