XIV. ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ

1. Общие сведения

2. Абсорбция

2.1. Общие сведения

2.2. Материальный баланс процесса

2.3. Устройство абсорбционных аппаратов

3. Десорбция

4. Схемы абсорбционных установок

Общие сведения

В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые пере­ходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (разовые смеси, растворы жидкостей и др.), причем наиболее часто процессы массопередачи исполь­зуют для разделения гомогенных систем.

Виды процессов массопередачи. В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи:

- между газовой (паровой) и жидкой;

- между газовой и твердой;

- между твердой и жидкой;

- между двумя жидкими фазами.

Абсорбция — поглощение газа жидкостью, т.е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой фазы в жид­кую. Обратный процесс выделения газа из жидкости называется десорбцией.

Экстракция (в системе жидкость-жидкость) – извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. При этом извлекаемый компонент исходного раствора переходит из одной жидкой фазы в другую.

Перегонка — разделение гомогенных жидких смесей путем взаимного обмена компонентами между жидкостью и паром, полученным испарением разделяемой жидкой смеси.

Адсорбция — поглощение компонента газа, пара или раствора твердым пористым поглотителем, т.е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой (паровой) или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс — десорбция — проводится после адсорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

Разновидностью адсорбции является ионный обмен — процесс разделения, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы растворов электро­литов.

Сушка — удаление влаги из твердых материалов, главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую.

Кристаллизация — выделение твердой фазы в виде кри­сталлов из растворов или расплавов. Кристаллизация осуществляется в результате пересыщения или переохлаждения раствора (расплава) и характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую.

Растворение и экстракция (в системе твердое тело—жидкость). Растворение характеризуется переходом твердой фазы в жидкую (растворитель) и представляет собой, таким образом, процесс, обрат­ный кристаллизации. Извлечение на основе избирательной растворимо­сти одного или нескольких компонентов из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого или выщелачиванием.

Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах од­ной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в преде­лах другой фазы. Как известно, при теплопередаче обменивающиеся теп­лом среды в большинстве случаев разделены твердой стенкой, в то время как массопередача происходит обычно через границу раздела соприка­сающихся фаз. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ—жидкость или пар—жидкость, жидкость—жидкость), либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном на­правлении, т.е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.) в которых уча­ствуют минимально три вещества: одно находится только в одной фазе, другое — только во второй фазе, а третье — переходит из одной фазы в другую и представляет собой распределяемое между фазами вещество. Первое и второе вещества являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу. Так, например, при погло­щении аммиака водой из его смеси с воздухом, вода и воздух служат носителями распределяемого вещества — аммиака.

К другой группе относятся процессы (например, перегонка), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами не­посредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.

Скорость массообменных процессов, как правило, лимитируется моле­кулярной диффузией. Поэтому процессы массопередачи иногда называют диффузионными процессами.

Для массообменных процессов, по аналогии с процессами переноса тепла, принимают, что количество переносимого вещества пропорцио­нально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила ха­рактеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потен­циалов распределяемого вещества. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентра­цией, и в расчетах движущую силу процессов массопереноса выражают приближенно через разность концентраций подобно тому, как в процессах теплопереноса ее выражают разностью температур. Расчетные выражения движущей силы не одинаковы для процессов массоотдачи и массопередачи и будут рассмотрены ниже для каждого из этих процессов.

Процессы массопередачи избирательны в тех случаях, когда погло­титель извлекает только один компонент (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальные ее компоненты. Эти процессы большей частью обратимы, т.е. могут протекать в противо­положных направлениях в зависимости от температуры, давления и других условий их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия.

Способы выражения состава фаз. Обычно количественный состав фаз выражают:

1) в объемных концентрациях, принимая за единицу массы 1 кг или за единицу количества вещества 1 моль; объемная концен­трация представляет собой число килограммов (или киломолей) данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы (в кг/м³ или кмоль/м³);

2) в весовых или мольных долях, представляющих собой отношение массы (или количества) данного компонента к массе (или количеству) всей фазы;

3) в относительных концентрациях, т.е. в виде отно­шения массы (или количества) данного компонента, являющегося распре­деляемым веществом, к массе (или количеству) компонента-носителя, количество которого остается постоянным в процессе массопередачи.

Материальный баланс. Рабочая линия. Рабочие концентрации распре­деляемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений.

Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого ве­щества в фазах у = f (x) изображается линией, которая носит название рабочей линии процесса. Вид функции у — f (x), или уравнение рабочей линии в его общем виде, является одинаковым для всех массообменных процессов и получается из их материальных балансов.

Рассмотрим схему массообменного аппарата, работающего в режиме идеального вытеснения при противотоке фаз (рис. Х-2). Пусть М процесс массопередачи из фазы в фазу, например из газовой фазы в жидкую, пе­реходит только один распределяемый компонент (скажем, аммиак).

Сверху в аппарат поступает L_H кг/сек одной фазы (жидкой), содержа­щей вес. долей распределяемого компонента, а снизу из аппарата уда­ляется L_k кг/сек той же фазы, содержащей вес. долей распределяемого компонента. Снизу в аппарат поступает G_h кг/сек другой фазы (газовой) концентрацией и сверху удаляется G_k кг/сек этой фазы, имеющей кон­центрацию _к вес. долей распределяемого компонента.

Тогда материальный баланс по всему веществу

G_н + L_н = G_к + L_к

и материальный баланс по распределяемому компоненту

Теперь напишем уравнения материального баланса для части аппарата от его нижнего конца до некоторого произвольного сечения, для которого расходы фаз составляют G и L кг/сек, а их текущие концентрации равны и соответственно.

Материальный баланс по всему веществу

G_н + L = G + L_к

и материальный баланс по распределяемому компоненту

Решая это уравнение относительно , получим

(XIV,1)

Уравнение (XIV,1) представляет собой уравнение рабочей линии, выражающее связь между рабочими концентрациями распреде­ляемого компонента в фазах для произвольного сечения аппарата.

Расходы фаз постоянны по высоте аппарата, например, в процессах ректификации, когда числа молей компонентов, которыми обмениваются фазы, равны. В других случаях, если концентрации фаз мало изменяются по высоте аппарата, то расходы фаз по его высоте можно с достаточной для практических целей точностью считать постоянными, т.е. принять L = const и G = const. При этом L_к = L, G_н = G и уравнение (Х,1) при­водится к виду

(XIV.1a)

Вводя обозначения и , находим

(XIV.1б)

Выражения (XIV,1а) и (XIV,1б) являются уравнениями рабочей линии, которыми обычно пользуются при расчетах массообменных процессов.

Таким образом, рабочая линия представляет собой прямую, которая наклонена к горизонту под углом, тангенс которого равен А, и отсекает на оси ординат отрезок, равный В. Рабочая линия для всего аппарата ограничена точками с координатами _н и _к (верхний конец аппарата, рис. XIV-2) и _и и _к (нижний конец аппарата).

АБСОРБЦИЯ

Общие сведения

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаи­модействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсор­бентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свой­стве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора — десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не обязательно, так как абсорбент и абсорб­тив представляют собой дешевые или отбросные продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать (например, при очистке газов).

В промышленности процессы абсорбции применяются главным обра­зом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической техно­логии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция NH₃, паров С₆Н₆, H₂S и других компонентов из коксового газа; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти и т.п.). Кроме того, абсорбци­онные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей (напри­мер, очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т.д.).