Процесс абсорбции

б) Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта развивается потоками газа. распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Тaкое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой. В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями .

Физическая сущность абсорбции

В абсорбционных процессах участвуют две фазы — жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Поэтому, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

Абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах.

Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а не поглощаемые составные части — инертным газом.

Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, будет растворитель.

Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель не расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. При хемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом .

Протекание абсорбционных процессов характеризуется их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции,т. е. равновесие между жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.

Кинетика абсорбции, т. е. скорость процесса массообмена определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы). В абсорбционных аппаратах движущая сила, как правило, изменяется по их длине и зависит от характера взаимного движения фаз (противоток, прямоток, перекрестный ток и т. д.).

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбциирастворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.

При хемосорбции(абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции .

Области применения абсорбционных процессов

Области применения абсорбционных процессов в химической и смеж­ных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые, из этих областей указаны ниже:

1.Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в про­изводстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кис­лоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т. д. При этом аб­сорбция проводится без последующей десорбции.

  1. Разделение газовых смесей для выделения од­ного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому
    компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным
    частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция).
    При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом про­цессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из
    коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза
    природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после раз­ложения этилового спирта и т. п.

  2. Очистка газа от примесей вредных компонентов.
    Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления

примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от Н2S, очистка азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т. д.). Кроме того, произ­водят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от С12 абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т. п.).

В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно исполь­зуют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют рас­твор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извле­каемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.

4. Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным со­ображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки га­зов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией приме­няют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими сообра­жениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента .

>Абсорбция препаратов – Абсорбция лекарств

Определение абсорбции лекарственных препаратов

Абсорбцию лекарств (от латинского слова Absorptio — всасывание, поглощение) — в ветеринарной и медицинской практике данное понятие представляет собой природный процесс всасывания, а именно проникновение ксенобиотиков, лекарственных веществ или токсинов через мембраны клеточной стенки непосредственно в лимфу и кровь. При определении или оценке качества лекарственного препарата абсорбция является основным важным показателей фармакокинетики, который характеризует скорость поступления фармакологической композиции и степень выраженности его лечебной эффективности. При медленной абсорбции лекарств концентрация препарата в плазме крови может быть низкой для получения стойкого терапевтического действия, а при слишком быстром всасывании — может превысить порог оптимальной лечебной концентрации и вызывать побочные эффекты или проявить токсичность. Термин абсорбция препарата тесно коррелирует с его биологической доступностью. Однако определение особенностей абсорбции лекарств усугубляются невозможностью оценки всех индивидуальных особенностей организма и факторов внешней среды (наличие сопутствующих заболеваний, физиологические особенности, возрастные, половые, генетические различия, индивидуальная непереносимость) или воздействие стресс-факторов, которые оказывают влияние на выработку фармакодинамической реакции каждого конкретного пациента на введенное лекарственное средство.

Фармакологические особенности абсорбции лекарств

При пероральном введении лекарственного препарата интенсивность его всасывания зависит от физиологических особенностей организма и уровня секреторной активности органов желудочно-кишечного тракта, осмотического и онкотического давления, рН среды, времени прохождения и уровня наполнения органов ЖКТ пищей и многих других факторов. Многие лекарственные препараты достаточно легко абсорбируются через слизистую оболочку ротовой полости, которая является достаточно хорошо васкуляризированной, или эпителиоцитов тонкого кишечника. Следует отметить, что срок пребывания лекарств в ротовой полости весьма ограничен.

Также необходимо добавить, что низкий рН содержимого желудка благоприятствует всасыванию слабых органических кислот, которые находятся в неионизированной форме и хорошо растворяются липидах. Эффективность абсорбции препаратов определяется скоростью опорожнения желудка и достоверно снижается с приемом жирной пищи. Кислая среда желудка разрушает некоторые фармакологические лекарственные средства (эритромицин, пенициллины и др.). Наиболее высокая скорость абсорбции лекарства в тонком кишечнике. Этому явлению способствует продолжительное время нахождения лекарства, огромная площадь поверхности всасывания, высокая секреторная активность и вариабельные значения рН в разных отделах кишечника. Вышеперечисленные факторы оказывают разнообразное влияние на процессы абсорбции лекарств, что зависит от их химических и фармакологических свойств. Различная скорость всасывания веществ, транспортируемы через мембрану клеточной стенки путем облегченной диффузии (цианкоболамин), слабых щелочей, плохо растворимых препаратов (например, гризеофульвин) или средств, имеющих электрический заряд, который ингибирует их абсорбцию через мембрану (антибиотики). Ряд лекарств инактивируются микроорганизмами кишечника (например, сердечные гликозиды). На скорость абсорбции препаратов влияет скорость кровотока в периферических сосудах. Значительно замедляется всасывание лекарств в толстом отделе кишечника. Обычно абсорбция препаратов в кишечнике и желудке прямо пропорциональна их липофильности. Однако скорость всасывания лекарства не является базисным критерием их лечебной эффективности. Например, при лечении энтероколита или энтерита ТАНСАЛ, дейтвующее вещество – танальбин, который обладает вяжущим эффектом, замедляет всасывание фенилсалицилата в кишечнике, что существенно потенцирует его противомикробный эффект. Количество и эффективность лекарства, который подвергается абсорбции, может значительно варьировать под влиянием метаболизма, особенно при первом прохождении через печень (нитроглицерин, лидокаин и др.) или других внутренних органах. Например, хлорпромазин хуже метаболизируется в печени, чем в кишечнике. При пероральном применении абсорбция лекарства индивидуальная и может варьировать для каждого фармакологического препарата. Это явление наблюдается при комбинированном приеме лекарства с сорбентами или при большом возрасте пациента, что обусловлено нарушением секреторной деятельности органов желудочно-кишечного тракта, снижается уровень активности окислительно-воспалительных процессов и энергетического резерва в клетках, активности транспортных мономеров-транспортеров на клеточной мембране энтероцитов, объема желудочного сока, что значительно влияет на процесс абсорбции лекарства.

Также возможно обратная абсорбция препарата, которая возникает в экскреторных и секреторных внутренних органах (в частности, почечных канальцах при диурезе) и регулируется гуморальными (гормональными) и нервными механизмами. Информацию относительно обратного всасывания необходимо учитывать при разработке режима приема лекарственного средства, в зависимости от употребления продуктов питания, которые влияют как на концентрацию лекарства в плазме крови, но и выступать в качестве ингибиторов или индукторов ферментов, которые принимают участие в метаболизме. Поэтому далеко не всегда можно профилактировать снижение абсорбции лекарства путем его назначения с определенной кратностью приема, интервалами между питанием или парентеральным способом применения лекарств.

На абсорбцию препаратов влияют ряд биологических и фармацевтических факторов: физических и химических свойств ингридиентов, которые входят в состав лекарственного средства, включая наличие вспомогательных веществ, технологических приемов, лекарственной формы.

Указанные выше факторы оказывают влияние не только на абсорбцию препарата, но и на его системную пригодность и стабильность.

Различие в абсорбции препаратов также можно объяснить особенностями фармакологической субстанции, а также различной растворимостью в липидах мембран клеточной стенки или физиологических жидкостях (желудочный или кишечный сок, вариабельный уровень их рН).

На абсорбцию лекарства могут оказывать влияние физико-химические характеристики лекарственной субстанции: ее молекулярная структура, форма кристаллов, размер частиц, (кристаллическая или аморфная форма), природа сольватации и / или гидратации, оптические, электрофизические и т. д.

Исходя из вышесказанного следует отметить, что как состав, так и рецептура оказывает важнейшее значение в абсорбции лекарств, а также новейшие фармакологические технологии производства лекарственных средств демонстрируют значительный потенциал для лучшего понимания путей и механизмов их всасывания. Следует отметить, что скорость и полнота абсорбции препаратов в системный кровоток остаются важнейшими факторами, определяющие их фармакологическую эффективность. В современных условиях для оптимизации качественных и количественных показателей абсорбции используются фармакологические препараты с контролируемым (постепенным) высвобождением активных действующих веществ.

^Наверх

В нефтяной и газовой промышленности процесс абсорбции применяется для разделения, осушки и очистки углеводородных газов. Из природных и попутных нефтяных газов путем абсорбции извлекают этан, пропан, бутан и компоненты бензина; абсорбцию применяют для очистки природных газов от кислых компонентов — сероводорода, используемого для производства серы, диоксида углерода, серооксида углерода, сероуглерода, тиолов (меркаптанов) и т.п.; с помощью абсорбции также разделяют газы пиролиза и каталитического крекинга и осуществляют санитарную очистку газов от вредных примесей.

Что такое абсорбция?

Абсорбция — процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Процесс абсорбции происходит в том случае, когда парциальное давление извлекаемого компонента в газовой смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт с этим газом, т.е. для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия.

Расчет абсорбера

Различие в парциальном давлении извлекаемого компонента в газе и жидкости является той движущей силой, под действием которой происходит поглощение (абсорбция) данного компонента жидкой фазой из газовой фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую.

По своей природе различают два вида абсорбции: физическую, при которой извлечение компонентов из газа происходит благодаря их растворимости в абсорбентах и химическую (хемосорбцию), основанную на химическом взаимодействии извлекаемых компонентов с активной частью абсорбента. Скорость физической абсорбции определяется диффузионными процессами, скорость хемосорбции зависит от скорости диффузии и химической реакции.

Поглощение компонентов газовой смеси при абсорбции сопровождается выделением тепла, величина которого пропорциональна массе и теплоте растворения qA поглощенных компонентов.

Процесс абсорбции обратимый, поэтому он используется не только для получения растворов газов в жидкостях, но и для разделения газовых смесей. При этом после поглощения одного или нескольких компонентов газа из газовой смеси необходимо произвести выделение из абсорбента поглощенных компонентов, т.е.

десорбцию.
При выборе абсорбента учитывают состав разделяемого газа, давление и температуру процесса, производительность установки. Выбор абсорбента определяется также его селективностью, поглотительной способностью, коррозионной активностью, стоимостью, токсичностью и другими факторами.

В качестве абсорбентов при разделении углеводородных газов используют бензиновые или керосиновые фракции, а в последние годы и газовый конденсат, при осушке — диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ). Для абсорбционной очистки газов от кислых компонентов применяют N-метил-2-пирролидон, гликоли, пропиленкарбонат, трибутилфосфат, метанол; в качестве химического поглотителя используются моно- и диэта-ноламины.

В отличие от ректификации процесс абсорбции протекает в основном однонаправленно, т.е. абсорбент можно считать практически нелетучим. В случае абсорбции многокомпонентной газовой смеси на некоторой ее стадии отдельные компоненты могут вытесняться другими поглощаемыми компонентами. В результате наряду с процессом абсорбции будет протекать процесс частичной десорбции некоторых компонентов, что приведет к распределению компонентов между газовой и жидкой фазами, обусловленному обоими указанными процессами.

Абсорбция — вода

Cтраница 1

Абсорбция воды в кислотных мембранах типа нафион.

Абсорбция воды в нейтральных мембранах типа нафион.  

Абсорбция воды серном кислотой производится при температуре 65 С. Разбавленная серная кислота из приемника 5 поступает на производство фосфорной кислоты.  

Абсорбция воды резиной протекает сравнительно медленно и по характеру зависимости от времени может быть разделена на два типа: а) количество абсорбированной воды достигает равновесного значения; б) это количество бесконечно возрастает с течением времени.  

Абсорбция воды увеличивается с увеличением содержания поливинилового спирта. Мовиталь ( F 40) содержит 79 — 82 % формаля, 9 — 13 % ацетата и 6 — 8 % поливинилового спирта.  

Отчетливый минимум абсорбции воды, был найден при 25 — 30 С. Начиная с этой температуры происходит особенно интенсивная кристаллизация шестиводного трехкальцие-вого алюмината, которая отрицательно отражается на силах сцепления структуры при схватывании цемента из-за neoMeTpHqecKoro габитуса кристаллов. Действительно, глиноземистые цементы, которые твердеют при температурах выше 30 С, имеют более низкую механическую прочность, чем цементы, схватывающиеся при более низких температурах.  

В отсутствие воздуха абсорбция воды вулканизованным крепом стремится к достижению равновесного значения в соответствии с осмотическим механизмом абсорбции.  

Полимер в смеси вследствие абсорбции воды на поверхности его гидрофильных частиц предохраняет воду от слишком быстрого испарения и тем самым способствует полной гидратации цемента. В смеси с соотношением поливинилацетата к цементу 0.2 наличие поливинилацетата в пустотах способствует когезии частиц цемента. В результате получается прочность.  

Существуют два характерных участка абсорбции воды полимером. Первый участок соответствует низкому содержанию воды вплоть до 4 4 % и характеризуется значительным уменьшением при повышении температуры как химического сдвига, так и ширины линии спектра ЯМР.  

Как было найдено при измерении абсорбции воды при различной относительной Нлажпости воздуха ( рис. 52), с уменьшением концентрации воды уменьшается количество абсорбированной воды и скорость абсорбции.  

Абсорбция SO3 кислотой ( как и абсорбция воды) является экзотермическим процессом. Поэтому как на моногидратном абсорбере 3, так и на олеумном 4 и на сушильной башне 1 устанавливают холодильники 2 для отвода выделяющегося тепла реакции.  

АБСОРБЦИЯ газов (латинский absorptio, от absorbeo — поглощать), объёмное поглощение газов и паров жидкостью или твёрдым телом (абсорбентами) с образованием раствора; частный случай сорбции. Процесс, обратный абсорбции, — десорбция. Абсорбция газов твёрдыми или расплавленными металлами с образованием твёрдых растворов или химических соединений называется окклюзией. Различают физическую абсорбцию, когда абсорбент является инертной средой по отношению к газу, и химическую абсорбцию, когда поглощаемый компонент химически взаимодействует с абсорбентом (смотри Хемосорбция).

Статика абсорбции характеризует термодинамическое равновесие раствора с парогазовой смесью, а также материальный и энергетический балансы процесса. Количество абсорбированного газа зависит не только от природы газа и жидкости, но также от давления, температуры системы и состава газовой фазы.

В состоянии равновесия концентрация поглощаемого вещества в газовой фазе у* связана с равновесной абсорбцией — концентрацией поглощаемого вещества в жидкой фазе х*, равной растворимости данного газа в абсорбенте, соотношением: у* = mх*, где m — константа фазового равновесия (коэффициент распределения).

Реклама

При физической абсорбции с образованием идеального раствора газа в абсорбенте, когда силы взаимодействия между всеми молекулами в растворе одинаковы, растворимость газа определяется законом Рауля, если газ способен конденсироваться при температуре раствора, или законом Генри — для газов, критическая температура которых выше температуры раствора. Величину m вычисляют исходя из термодинамических свойств газа и жидкости или (чаще) определяют экспериментально. Поглотительная способность абсорбента — абсорбционная ёмкость, соответствующая предельному количеству газа, который поглощается единицей объёма абсорбента, и тепловой эффект процесса при химической абсорбции больше, чем при физической. При химической абсорбции растворимость сильно зависит от температуры. Влияние давления на ёмкость абсорбента обычно мало, поэтому химическая абсорбция термодинамически более выгодна, особенно для извлечения из газовой смеси примеси при небольшой её концентрации.

Данные по равновесию газ — жидкость используют при определении константы фазового равновесия m, а также при расчёте движущей силы процесса, равной (хгр* — х) или (у — угр*), где х, у — мольные доли жидкости и газа в объёме соответствующей фазы, хгр*, угр* — мольные доли жидкости и газа на межфазной поверхности. Отношение констант фазового равновесия для двух сравниваемых газов характеризует селективность абсорбента. Зависимость у* от х* при расчёте аппаратуры обычно называют равновесной линией.

Кинетика абсорбции. При абсорбции поглощаемый газ в результате молекулярной, конвективной, а также турбулентной диффузии из ядра газового потока переносится к границе раздела фаз и по такому же механизму распределяется по объёму жидкости. Скорость переноса характеризуется массовым потоком j, то есть числом молей вещества, переносимых за единицу времени через единицу площади межфазной поверхности по нормали к ней; j= βx(xгр*- х) = βу(у-yгр*)=Кy(y-y*) где βх, βу — коэффициенты массоотдачи для жидкой и газовой фаз, Ку — коэффициент массопередачи, отнесённый к газовой фазе, у* — мольная доля поглощаемого компонента в газе, которая отвечает равновесию с жидкостью состава х. Из уравнения (l/Ky) = = (l/βу) + (m/βх) определяют m как тангенс угла наклона равновесной линии. При химической абсорбции скорость растворения газа в жидкости, как правило, выше, чем при физической. Этот эффект может быть выражен через увеличение движущей силы абсорбции или (чаще) коэффициент массоотдачи. Во втором случае используют так называемый коэффициент ускорения х = β’х/βх, где β’х — коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при химической абсорбции. Коэффициент массоотдачи определяет скорость абсорбции и позволяет рассчитать необходимую для заданной степени разделения (или очистки) газа высоту слоя насадки. Другой подход к расчёту кинетики процесса основан на предположении о достижении равновесия между жидкостью и газом в зоне контакта с последующим введением поправки, учитывающей эффективность ступени контакта (степень приближения к равновесию), равной отношению реализованного изменения состава к изменению, которое произошло бы при достижении равновесия.

При циклических процессах физической абсорбции в основном потребляется электроэнергия на перекачивание раствора, а при химической абсорбции — теплота на его регенерацию. Энергетические затраты на регенерацию абсорбента обычно превышают расход энергии на абсорбцию.

Основы технологии абсорбционных процессов. В промышленности процесс абсорбции осуществляют обычно в вертикальных колонных аппаратах — абсорберах, имеющих развитую поверхность соприкосновения газа и жидкости. Наиболее распространены насадочные аппараты (устаревший — скрубберы), заполненные слоями твёрдых тел различных размеров и формы — насадками для создания развитой поверхности контакта фаз, и тарельчатые аппараты, снабжённые расположенными одна над другой поперечными перегородками различной конструкции, или тарелками, с помощью которых по высоте колонны осуществляется многократный дискретный контакт газа (пара) с жидкостью. Процесс часто осуществляют по абсорбционно-десорбционному циклу (смотри рисунок), однако стадия десорбции может отсутствовать, если в результате абсорбции получают готовый продукт или регенерация поглотителя нецелесообразна (невозможна). Регенерацию абсорбента (десорбцию газов) можно проводить снижением давления, нагреванием, отдувкой плохо растворимыми газами и парами кипящего абсорбента.

Физическая абсорбция, как правило, наиболее эффективна при грубой очистке от больших количеств газа под давлением. Химическую абсорбцию чаще всего применяют при извлечении малых количеств примесей и при тонкой очистке; при этом обычно существенно выше селективность абсорбента, ниже количество циркулирующего раствора вследствие большой поглотительной способности.

Абсорбция в природе и технологии. Абсорбция широко распространена в природе: процессы абсорбции определяют содержание кислорода в реках и озёрах, поверхностных слоях морей и океанов, регулируют физиологические процессы в живых организмах и прочее. Наиболее распространённые области практического применения процессов абсорбции: многотоннажные производства серной, соляной и азотной кислот, нитратов и других солей; выделение ценных компонентов из газовых смесей — бензина из коксового газа, ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного горючего газа, бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и прочее; очистка газа от примесей вредных компонентов — нефтяных и коксовых газов от Н2S, азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, санитарная очистка газов, выпускаемых в атмосферу, — топочных газов ТЭЦ от SO2, абгаза от Сl2, рекуперация летучих растворителей и др.

АБСОРБЦИЯ

Тема 3.3. Абсорбция 12ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 6ч.

Студент должен:

знать:

— физические основы и теорию процесса абсорбции (равновесие между фазами, принципы составления материального теплового баланса, уравнение рабочей линии);

— порядок расчета насадочного и барботажного абсорбера;

— сущность и методы проведения десорбции;

уметь:

— составлять материальный и тепловой баланс;

— определять расход поглотителя;

— строить равновесную и рабочую линию процесса;

— определять основные габаритные размеры абсорберов, пользуясь справочниками.

Назначение абсорбции. Абсорбция при разделении гомогенных газовых смесей и очистки газов. Выбор абсорбента. Физическая абсорбция и абсорбция, сопровождаемая химическим взаимодействием. Десорбция.

Равновесие между фазами при абсорбции. Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкостях. Материальный баланс процесса и уравнения рабочей линии при абсорбции и десорбции. Расход абсорбента. Тепловой баланс абсорбции. Отвод тепла при абсорбции.

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями – абсорбентами.

Принцип абсорбции основывается на различной растворимости компонентов газовых и парогазовых смесей в жидкостях при одних и тех же условиях. Поэтому выбор абсорбентов осуществляют в зависимости от растворимости в них поглощаемых компонентов, которая определяется:

· физическими и химическими свойствами газовой и жидкой фаз;

· температурой и давлением осуществления процесса;

· содержанием газа в смеси.

При выборе абсорбента необходимо учитывать такие его свойства, как селективность (избирательность) по отношению к поглощаемому компоненту, токсичность, пожароопасность, стоимость, доступность и др.

Различают физическую абсорбцию и химическую абсорбцию (хемосорбцию). При физической абсорбции поглощаемый компонент образует с абсорбентом только физические связи. Процесс этот в большинстве случаев является обратимым. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора – десорбция. Если поглощаемый компонент вступает в реакцию с абсорбентом и образует химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

Процесс абсорбции обычно является экзотермическим, т. е. сопровождается выделением теплоты.

Абсорбция широко используется в промышленности для разделения углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получения соляной и серной кислот, аммиачной воды, очистки газовых выбросов от вредных примесей, выделения ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т. д.

Равновесие в процессах абсорбции определяется правилом фаз Гиббса (В.4), представляющим обобщение условий гетерогенного равновесия:

C = К — Ф + 2.

Поскольку процесс абсорбции осуществляется в двухфазной (газ – жидкость) и трехкомпонентной (один распределяемый и два распределяющих компонента) системе, число степеней свободы – три.

Таким образом, равновесие в системе газ (пар) – жидкость может характеризоваться тремя параметрами, например температурой, давлением и составом одной из фаз.

Равновесие в системе газ – жидкость определяется законом растворимости Генри, согласно которому при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

где р – парциальное давление газа над раствором; х – мольная концентрация газа в растворе; Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).

Закон Генри распространяется в первую очередь на слаборастворимые газы, а также на растворы с низкими концентрациями хорошо растворимых газов при отсутствии химической реакции.

Коэффициент Е имеет размерность давления, совпадающую с размерностью р, и зависит от природы растворяющегося вещества и температуры. Установлено, что с увеличением температуры растворимость газа в жидкости уменьшается. Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Поскольку тепловой эффект, сопровождающий процесс абсорбции, отрицательно сказывается на положении линии равновесия, он должен обязательно учитываться при расчетах.

Количество теплоты, выделяющейся при абсорбции, может быть определено по зависимости

где qд — дифференциальная теплота растворения в пределах изменения концентрации х1 – х2; L – количество абсорбента.

Если абсорбция ведется без отвода теплоты, то можно допустить, что вся выделяющаяся теплота идет на нагревание жидкости, и температура последней повышается на величину

где с – теплоемкость раствора.

Для понижения температуры исходную газовую смесь и абсорбент охлаждают, отводя теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции, с помощью встроенных (внутренних) или наружных теплообменников.

Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть определено по закону Дальтона, согласно которому парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.

где Р – общее давление газовой смеси; у – мольная концентрация распределяемого в смеси газа.

Сопоставляя уравнения (10.2) и (10.1), найдем

где Аравн = Е/Р – константа фазового равновесия, применимая для областей действия законов Генри и Дальтона.

Пусть Раб – давление паров чистого абсорбента в условиях абсорбции; раб – парциальное давление паров абсорбента в растворе; Р – общее давление; х – мольная доля абсорбируемого газа в растворе; у – мольная доля распределяемого газа в газовой фазе; уаб – мольная доля абсорбента в газовой фазе.

Согласно закону Рауля парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную долю в растворе:

По закону Дальтона (10.2) парциальное давление абсорбента в газовой фазе равно

При равновесии

Анализ факторов, влияющих на равновесие в системах газ (пар) – жидкость, позволил установить, что к параметрам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, — пониженное давление, повышенная температура и введение в абсорбент добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.

Материальный баланс процесса абсорбции выражается дифференциальным уравнением

где G – поток газовой смеси (инертного газа), кмоль/с; L – поток абсорбента, кмоль/с; Yн и Yк – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в газовой фазе, кмоль/кмоль инертного газа; Хк и Хн – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента; М – количество распределяемого вещества, перенесенного из фазы G в фазу L в единицу времени, кмоль/с.

Из уравнения материального баланса (10.9) можно определить необходимый общий расход абсорбента

Процесс абсорбции характеризуется также степенью извлечения (поглощения), представляющей отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном его извлечении,

Кинетика процесса абсорбции характеризуется тремя основными стадиями, которые соответствуют схеме, представленной на рис. 9.4.

Первая стадия – перенос молекул абсорбируемого компонента из ядра потока газа (пара) к поверхности раздела фаз (поверхности жидкости).

Вторая стадия – диффундирование молекул абсорбируемого компонента через поверхностный слой жидкости (граница раздела фаз).

Третья стадия – переход молекул абсорбируемого вещества от поверхности раздела фаз в основную массу жидкости.

Кинетические закономерности абсорбции соответствуют общему уравнению массопередачи для двухфазных систем:

Экспериментально установлено, что вторая стадия процесса абсорбции идет с большей скоростью и не влияет на общую скорость процесса, ограниченную скоростью наиболее медленной стадии (первой или третьей).

Движущая сила процесса абсорбции для I и III стадий в уравнениях (10.5а) и (10.6а) может быть выражена через другие параметры:

В уравнениях (10.5б) и (10.6б) р – рабочее парциальное давление распределяемого газа в газовой смеси; рравн – равновесное давление газа над абсорбентом, соответствующее рабочей концентрации в жидкости; С – рабочая объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости; Сравн – равновесная объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости, соответствующая рабочему парциальному давлению его в газовой смеси.

При таком выражении движущей силы процесса абсорбции уравнение равновесной зависимости принимает вид

С = Ψр,

где Ψ – коэффициент пропорциональности, кмоль/(м3*Па).

Коэффициенты массопередачи выражаются для уравнений (10.5а) и (10.6а) в виде

для уравнений (10.5б) и (10.6б)

В уравнениях (10.7) и (10.8) βу, βр – коэффициенты массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз; βх, βС — коэффициенты массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку жидкости.

Коэффициенты массоотдачи по газу и жидкости βу и βх могут быть определены из критериальных уравнений, имеющих вид:

для газовой фазы Nuдифу = f*(Re, Prдиф у);

для жидкой фазы Nuдиф х = f*(Re, Prдиф х).

Величина коэффициента Ψ оказывает существенное влияние на кинетику процесса абсорбции. Если Ψ имеет высокие значения (высокая растворимость компонента – диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе), то 1/(βc*Ψ) < 1/βр или КР ≈ βр. Если Ψ мало (извлекаемый компонент трудно растворим – диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе), то Ψ/βр << 1/βс и можно считать Кс ≈ βс

Так же, как для массоо6менных процессов при L/G = const, рабочие линии процесса абсорбции являются прямыми и описываются в случае противотока уравнением (9.4), а прямотока – уравнением (9.5).

Средняя движущая сила в уравнениях (10.5а) и (10.6а) определяется в случае прямолинейной равновесной зависимости через относительные мольные концентрации компонентов по зависимостям (9.6) и (9.7).

Эти же зависимости можно использовать и при выражении движущей силы процесса абсорбции через парциальные давления распределяемого компонента в газе или объемные мольные концентрации этого же компонента в жидкости в уравнениях (10.5б) и (10.6б)

Здесь Δрmax, Δрmin – большее и меньшее значения движущей силы в начале и конце процесса абсорбции, выраженные через разность парциальных давлений поглощаемого компонента; ΔСmax, ΔСmin – большее и меньшее значения движущей силы в начале и конце процесса абсорбции, выраженные через объемные мольные концентрации поглощаемого компонента в жидкости.

В случае Δpmax/Δpmin ≤ 2, ΔCmax/ΔCmin ≤ 2 при сохранении линейности равновесной зависимости средняя движущая сила процесса абсорбции может равняться среднеарифметическому этих значений.

При проведении процесса абсорбции, сопровождаемой химической реакцией (хемосорбция), протекающей в жидкой фазе, часть распределяемого компонента переходит в химически связанное состояние. В результате этого концентрация растворенного (физически связанного) распределяемого компонента в жидкости уменьшается, что приводит к увеличению движущей силы процесса по сравнению с чисто физической абсорбцией.

Скорость хемосорбции зависит как от скорости массопередачи, так и от скорости химической реакции. В этом случае различают диффузионную и кинетическую области протекания хемосорбции. В диффузионной области скорость процесса определяется скоростью массопередачи, в кинетической – скоростью химической реакции. В тех случаях, когда скорости массопередачи и реакции соизмеримы, процессы хемосорбции протекают в смешанной, или диффузионно-кинетической, области.

При расчете хемосорбции коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, учитывающий протекающую в ней химическую реакцию β′х, может быть выражен через коэффициент массоотдачи при физической абсорбции βх с учетом фактора ускорения массообмена Фм, показывающего, во сколько раз увеличится скорость абсорбции за счет протекания химической реакции:

β′х = βх* Фм

Фактор Фм определяют по графическим зависимостям.

Добавить комментарий

Закрыть меню