Контрольные вопросы (абсорбция)

Контрольные вопросы

1. Дайте определение абсорбции и укажите ее применение в технологических процессах?

Абсорбцией называют процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом).

Процессы абсорбции имеют широкое распространение в химической технологии и составляют основу технологической стадии ряда производств (например, абсорбция SO2 в производстве серной кислоты; абсорбция HCI с получением соляной кислоты; абсорбция оксидов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция NH3, паров C6H6, H2S и других компонентов из коксового газа; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти и т. п.). Абсорбционные процессы являются основными при санитарной очистке выбросных газов от диоксида серы (дымовые газы), фтористых соединений (производство минеральных удобрений) и т. д.

2. Укажите способы выражения состава фаз.

В случае разбавленных растворов (газа в жидкости) и при низких давлениях для описания равновесия между газом и жидкостью применим закон 7 Генри:

Р_ПК = Е ∙ х, (1)

Для газовой фазы, если состав ее выражен в мольных долях, формула (1) примет вид:

у ^р = Е/Р · х, (2)

где: p – общее давление, Па. Или введя коэффициент распределения поглощаемого компонента между газовой и жидкой фазами m=Е/р получим:

у ^р = 𝑚 · х (3)

Иногда удобнее зависимость (3) представить в виде:

х ^р = у/𝑚 (4)

3. Запишите основные уравнения материального баланса процесса абсорбции, массоотдачи и массопередачи в изучаемом процессе.

Уравнение процесса абсорбции

M = G · (yн  yк) = ±L · (хк  хн )

В этом уравнении знаки плюс и минус соответствуют абсорбции и десорбции.

Уравнение массопередачи

где: М – расход вещества (целевого компонента), которое переходит из газовой фазы в жидкую в единицу времени, кг/с или кмоль/с; Ksy и Ksx – поверхностные коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах, кмоль/м2∙ч ; F – площадь поперечного сечения аппарата, м2 .

Уравнение массоотдачи

Ввиду сложности механизма процессов массоотдачи в фазах для практических целей принимают, что скорость массоотдачи пропорциональна движущей силе, равной разности концентраций в ядре и на границе фазы или (в случае обратного направления переноса) разности концентраций на границе и в ядре фазы. Соответственно, если распределяемое вещество переходит из фазы Фу в фазу Фх, то основное уравнение массоотдачи, определяющее количеством М вещества, переносимого в единицу времени в каждой из фаз (к границе фазы или в обратном направлении), выражается следующим образом:

фаза Фу

 (1)

фаза Фх

, (1, а)

входящие в эти уравнения разности концентраций   и   представляют собой движущую силу процесса массоотдачи соответственно в фазах Фу и Фх, причем   и   - средние концентрации в основной массе (ядре) каждой из фаз,   и   - концентрации у границы соответствующей фазы.

Коэффициенты пропорциональности в уравнениях (1) и (1, а) называются коэффициентами массоотдачи. Коэффициенты массоотдачи   (в фазе Фх и   (в фазе Фу) показывают, какая масса вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы: или в обратном направлении) через единицу поверхности в единицу времени при движущейся силе, равной единице.

4. Как проявляют себя в процессе абсорбции молекулярная и турбулентная диффузия?

МОЛЕКУЛЯРНАЯ И ТУРБУЛЕНТНАЯ ДИФФУЗИИ.

В основе всех массообменных процессов лежит диффузия распределяемого вещества внутри фазы и через границу раздела фаз. Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярной диффузии,либо путем конвекции и молекулярной диффузииодновременно (см. рис. 2.1.)

Рис.2.1. Процессы, отвечающие за перенос вещества внутри фазы

 

Посредством одной молекулярной диффузии вещество перемещается, строго говоря, лишь в неподвижной среде. В движущейся среде перенос вещества осуществляется как молекулярной диффузией , так и самой средой в направлении ее движения или отдельными ее частицами в разнообразных направлениях.

В турбулентном потоке перенос молекулярной диффузией преобладает только вблизи границы фазы. При турбулентном течении возникают нерегулярные пульсации скорости, под действием которых, наряду с общим движением потока, происходит перемещение частиц во всех, в том числе и в поперечном направлении.

Конвективный перенос вещества, осуществляемый под действием турбулентных пульсаций, часто называют турбулентной диффузией.. Поэтому диффузию вещества внутри фазы можно классифицировать на молекулярную и турбулентную (см.рис.2.2.).

Рис.2.2. Классификация процессов диффузии

Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движением самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому количество вещества dM, продиффундировавшего за время dt через элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации dc/dn этого вещества.

Суммарный перенос вещества в движущейся среде, по аналогии с теплообменом, называют конвективным массообменом (конвективной диффузией). Распределение концентрации при конвективном массообмене определяется в самом общем виде дифференциальном уравнением массообмена в движущей среде.

5. Что является движущей силой процесса абсорбции и укажите способы ее расчета?

Движущая сила массопередачи – разница между рабочей и равновесной концентрациями

Скорость массообмена определяется движущей силой процесса, свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также гидродинамическим режимом. Движущую силу процесса можно рассчитать графически, построив равновесную и рабочую линии.

Движущая сила, выраженная через концентрации компонента в газовой фазе, будет определяться как разность на входе в аппарат и на выходе:

Аналогично можно выразить движущую силу через концентрации того же компонента в жидкой фазе:

где: y р н, y р к, хр к, х р н – концентрации компонента в газовой и жидкой фазах, равновесные с концентрацией компонента в жидкости и газе на входе в абсорбер и выходе из него, кмоль/кмоль.

6. Как определяется поверхность контакта фаз в различных абсорбционных установках?

Поверхность контакта фаз Fможет быть найдена из основного уравнения массопередачи

7. Прокомментируйте изображение процесса абсорбции на фазовой диаграмме.