Абсорбция газов неподвижными жидкостями

В случае абсорбции газов неподвижными жидкостями отсутствуют конвективные перемещения, способствующие переносу растворенного газа. Газожидкостные реакции могут протекать лишь по мере абсорбции газа жидкостью, которая связана с диффузией газа в жидкость от поверхности фазового раздела. Диффузия молекул растворенного вещества в жидкость осуществляется путем беспорядочных тепловых движений этих молекул. При диффузии происходит перераспределение молекул, благодаря которому возможен их перенос из областей более высоких концентраций в область более низких. Обычно говорят о концентрационной движущей силе, вызывающей этот перенос.

Уравнение, описывающее диффузию для одномерного случая (стационарная диффузия), когда концентрация диффундирующего вещества одинакова по всей произвольной плоскости, перпендикулярной оси х, и перенос вещества осуществляется лишь в направлении оси х – первый закон Фика. Поток массы F, или скорость переноса диффундирующего вещества через единицу поверхности, перпендикулярной оси х, в данный момент составляет:

(10)

где, D - коэффициент диффузии вещества концентрации а;

dа/dx - градиент концентрации в точке х в этот момент.

В общем случае концентрация растворяемого вещества изменяется как во времени, так и в пространстве. Это основное уравнение диффузии в отсутствии реакции или второй закон Фика.:

(11)

оно связывает концентрацию, время и положение точки в пространстве. Решение этого уравнения имеет вид:

( 12)

где R- скорость абсорбции, a* - равновесная концентрация газа А в жидкой фазе на границе раздела фаз, а₀ - начальная концентрация газа А в жидкой фазе, D_А - коэффициент диффузии газа А.

Отсюда количество газа Q, сорбируемого за время :

(13)

Уравнение, описывающее диффузию, сопровождаемую химической реакцией:

( 14)

где, r - скорость реакции диффундирующего вещества, отнесенная к единице объема жидкости в точке х.

Если диффундирующее вещество образуется в ходе реакции, то r отрицательна.

У поверхности жидкости градиенты концентраций всех компонентов, кроме абсорбируемого газа, будут равны нулю, если эти компоненты не испаряются или не вступают в мгновенные реакции на поверхности. То есть ни один компонент не переносится через поверхность раздела фаз и диффундирующий поток каждого из этих компонентов через поверхность равен нулю.

Для случая абсорбции, которая сопровождается мгновенной химической реакций:

А + zВ = yQ,

ее скорость при любом порядке определяется исключительно скоростью подвода (диффузии) к плоскости, где концентрации А и реагента В равны нулю, то есть компоненты А и В взаимно уничтожают друг друга. Поскольку в данном случае процесс чисто диффузионный, то выражения R и Q будут аналогичными, как в случае решения уравнения Фика для абсорбции в отсутствии реакции, с той лишь разницей, что будут дополнительно содержать коэффициент ускорения для мгновенной реакции Е_i. Под коэффициентом ускорения абсорбции понимают отношение количества газа, абсорбированного за время  в условиях химической реакции, к его количеству, которое абсорбировалось бы за то же время в отсутствии реакции. Коэффициент ускорения абсорбции при протекании мгновенной реакции зависит от концентрации реагента в растворе, растворимости газа и соотношения коэффициентов диффузии D_B/D_A:

Е_i = f(D_B/D_A, b₀/za₀),

где z – коэффициент в уравнении реакции, b₀ - начальная концентрация газа В в жидкой фазе.

(15)

при D_A=D_B

Ei = 1 + b₀/za*, тогда

(16)

то есть скорость абсорбции в данном случае равна скорости физической абсорбции газа чистым растворителем (а₀=0) при растворимости газа a*+b₀/z. Соответственно количество поглощенного газа за время  составит:

Q = 2a*+1+ b₀/za*)(D_A/) = 2a* Е_i (D_A/) (17)

В случае мгновенной обратимой реакции

Ei = (c*-c₀)/(a*-a₀) (18)

c*-c₀ – количество газа, которое требуется для полного насыщения единицы объема жидкости от исходного состояния.

R = E_i(a* - a₀) (D_A/) = (c* - c₀) (D_A/) (19)

Таким образом, если движущая сила физической абсорбции (a* - a₀), то для абсорбции с мгновенной реакций (c* - c₀).