ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Выделение газа из жидкости из "Новый справочник химика и технолога Процессы и аппараты Ч1" В технике и технологии использование любого явления всегда носит целенаправленный характер. При этом процесс, использующий данное явление, должен быть проведен с заданной полнотой и максимально возможной скоростью, поскольку эти два условия определяют качество получаемого продукта и габариты используемого оборудования. Для того, чтобы понять, каким образом провести процесс вьщеления газа из жидкости с соблюдением этих условий рассмотрим, как поведут себя молекулы газа и жидкости, если их привести в соприкосновение в замкнутом объеме. Хорошо известно, что при обычных давлениях и температурах плотность газа мала, и расстояние между молекулами в несколько раз превышает их эффективный диаметр. Вследствие этого молекулы газа свободно движутся в объеме, не испытывая силового взаимодействия со стороны окружающих частиц. Периодически они подвергаются упругим столкновениям с другими молекулами и со стенками сосуда, обмениваясь при этом импульсом и кинетической энергией. За счет столкновений движение их носит беспорядочный характер, при этом все направления движения равноправны. [c.24] В жидкостях молекулы приближены друг к другу настолько, что их движение всегда происходит в поле сил молекулярного взаимодействия. Силы взаимного притяжения молекул проявляют себя в интервале расстояний между молекулами примерно от 1 до 3 диаметров молекулы. При плотном сжатии частиц и их электронных оболочек, когда расстояние между центрами молекул становится менее одного диаметра, действуют силы взаимного отталкивания. Силы межмоле-кулярного взаимодействия полностью определяют взаимное расположение и характер движения молекул жидкости. Под действием этих сил молекулы жидкости, как и молекулы в кристаллах, совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Однако, в отличие от кристаллов, амплитуда этих колебаний настолько велика, что соседние частицы сравнительно легко отрываются друг от друга и покидают положения равновесия, освобождая при этом место для других молекул. Одна из теорий твердого и жидкого состояния вещества, в частности, теория неупорядоченности исходит из того, что чистая жидкость является совокупностью равного числа занятых и незанятых узлов (положений равновесия), или, иными словами, равного числа молекул и дырок . Время оседлой жизни молекулы в положении равновесия достаточно мало и составляет около 10 секунд. При временах, значительно превышающих указанную величину, молекула жидкости в результате неупорядоченного движения может очутиться в любой точке объема, занятого жидкостью. И в этом смысле ее движение сходно с движением газовой молекулы. [c.24] Поверхность жидкости по своим свойствам существенно отличается от твердой поверхности. Вследствие очень малой подвижности молекул в кристалле, очень малых межмолекулярных расстояний и высоких значений энергии взаимодействия между частицами поверхность кристалла совершенно непроницаема для молекул газа. При столкновении с твердой поверхностью молекула газа испытывает полностью упругое отражение за счет близкодействующих сил отгалкивания (здесь пока не учитывается наличие на поверхности кристалла так называемых активных центров, которые способны адсорбировать молекулы газа). Это означает, что ее кинетическая энергия сохраняется, а составляющая скорости, перпендикулярная поверхности стенки, изменяется на прямо противоположную. [c.25] Столкновение молекулы газа с поверхностью жидкости, наоборот, является полностью неугфугим. Можно предположить, что молекула газа при столкновении с молекулой жидкости, находящейся на поверхности, выбивает ее с занимаемого места, теряя при этом часть своего импульса и кинетической энергии, а под действием оставшейся кинетической энергии и сил молекулярного взаимодействия окружающих молекул втягивается в процесс колебательного движения. Избыточная энергия, которую теряет молекула газа при столкновении с поверхностью жидкости, переходит в энергию колебательного и вращательного движения окружающих молекул, иначе говоря рассеивается в виде тепла. В дальнейшем молекула газа начинает жить по законам жидкого состояния, хаотически перемещаясь в объеме жидкости, как и все окружающие ее частицы. По-видимому, такой механизм и приводит к тому, что все частицы газа или пара, которые движутся в направлении к поверхности жидкости, в результате столкновения оказываются на этой поверхности и в дальнейшем поглощаются жидкостью. Если газ (пар) состоит из молекул того же сорта, что и основная масса жидкости, то процесс перехода молекул из газообразного состояния в жидкое носит название конденсации. Если жидкостью поглощаются газообразные молекулы иного сорта, такой процесс называется абсорбцией. Выделяющаяся при этом теплота называется соответственно теплотой конденсации или теплотой абсорбции. Скорость абсорбции (конденсации) определяется числом молекул газа, подлетающих к поверхности жидкости в единицу времени. Из кинетической теории газов известно, что эта величина пропорциональна концентрации молекул данного сорта в объеме газа (или парциальному давлению) и очень слабо зависит от массы молекулы и абсолютной температуры. Таким образом, чем больше молекул газа содержится в единице объема, тем выше скорость абсорбции (конденсации). [c.25] Существенно то, что не все молекулы, находящиеся в жидкости, могут оторваться и перейти в газообразное состояние. Для этого необходимо, чтобы молекула обладала некоторой избыточной энергией (энергией активации), которая требуется для преодоления сил межмо-лекулярного притяжения (вспомним, как трудно оторвать от магнита металлический шарик). Чем выше температура жидкости, тем больше амплитуда колебаний молекул и скорость их вращательного движения, и соответственно тем большая доля молекул может получить от своих соседей энергию, необходимую для преодоления потенциального барьера. Поэтому чем выше температура жидкости, тем выше скорость десорбции (испарения). Дополнительная энергия, необходимая молекуле для ее отрыва от окружающих молекул и удаления на расстояние, на котором уже не действуют силы молекулярного взаимодействия, называется теплотой десорбции (испарения). Скорость и теплота десорбции существенно зависят также и от сил межмолекулярного взаимодействия частиц разного сорта. Спектр этого взаимодействия может быть достаточно широк — от взаимного притяжения до отталкивания. Подробнее влияние сил межмолекулярного взаимодействия на процесс абсорбции— десорбции рассмотрено в разделе 14. [c.25] После приведения в соприкосновение газа и жидкости на поверхности раздела очень быстро (за время порядка 10 с) устанавливается равновесие. При этом скорость абсорбции (конденсации) становится равной скорости десорбции (испарения). Это равенство фактически и определяет существующую при равновесии связь концентрации или парциального давления компонента в газовой (паровой) фазе с концентрацией того же компонента в жидкости и температурой жидкости. Фазовые равновесия газ (пар)— жидкость представляют собой основу для расчета статию многих процессов, протекающих с участием этих фаз, в том числе абсорбции и десорбции. Степень приближения к равновесию на границе раздела фаз определяет полноту протекания этих процессов. Подробнее о фазовых равновесиях и методах их расчета см. разделы 13 и 14. [c.25] Процесс выравниванЕм концентраций можно значительно ускорить, заставив газ и, в особенности, жидкость двигаться, т. е. включив в работу механизм конвективного переноса молекул растворенного вещества. В этом случае локальные концентрации растворенного компонента в основной массе жидкости быстро выравниваются за счет конвективного переноса, турбулентной и вихревой диффузии, а процесс молекулярной диффузии лимитирует скорость переноса молекул только в очень тонком слое, прилегающем к поверхности раздела фаз. Чем выше скорость движения жидкости, тем этот слой тоньше. Вопросы, связанные с механизмами и расчетами процессов конвективной диффузии, подробно рассматриваются в разделе 5.2. [c.26] В научно-технической литературе по химической технологии принято десорбцией называть суммарный процесс перехода молекул из газообразного состояния в раствор и обратно с преобладающей скоростью обратного перехода. Процесс с преобладающей скоростью прямого перехода называют абсорбцией. [c.26] Десорбцию путем снижения давления удобно проводить, если первоначально жидкость с растворенным в ней газом или паром находилась под повышенным давлением. При резком снижении давления жидкость оказывается пересыщенной растворенным компонентом при данной температуре и начинает кипеть, выделяя пузырьки растворенного газа с небольшим количеством пара растворителя. Процесс обычно проводят в емкостных аппаратах, снабженных устройствами для улавливания капель и брызг — каплесепараторами. При выделении газа жидкость охлаждается за счет расходования ее внутренней энергии на десорбцию и испарение части растворителя, и процесс кипения быстро заканчивается. Поэтому полнота выделения газа при таком способе невелика. Для повышения степени десорбции жидкость перед сбросом давления дополнительно подогревают. Однако и в этом случае адиабатический процесс не обеспечивает высокой степени приближения к новым равновесным параметрам за технологически приемлемое время пребывания жидкости в аппарате. [c.26] Десорбция путем разбавления (продувкой) инертным газом, напротив, позволяет практически полностью выделить растворенный газ или пар. Массовая скорость выделения газа или пара из жидкости в этом случае определяется величиной поверхности раздела газ— жидкость и скоростью массопереноса в жидкости или, иначе говоря, величиной результирующего потока молекул растворенного вещества из глубины жидкости к поверхности раздела фаз, выраженному в кмоль/(с-м ). Этот поток в свою очередь зависит от того, насколько велика разница концентраций растворенного компонента в глубине жидкости и на поверхности раздела фаз, возникшая за счет снижения концентрации компонента в газовой фазе, а также, насколько высока интенсивность конвективной диффузии, определяемая коэффициентом массоотдачи, который в свою очередь зависит от физико-химических свойств растворенного компонента и жидкости и локальных скоростей движения жидкости. [c.26] Такими эффективными массообменными аппаратами являются насадочные и тарельчатые колонные аппараты. В насадочнык аппаратах развитая поверхность контакта фаз создается за счет использования различных насадочных тел, образующих при соответствующей укладке в аппарате систему извилистых каналов, которые имеют достаточно большую поверхность — примерно 80-700 м на 1 м объема рабочей зоны аппарата. Жидкость движется по поверхности каналов преимущественно в виде тонких 1шенок (0,1-5 мм), а газ занимает все оставшееся свободное пространство, объем которого также достаточно велик и составляет 70-96 % объема рабочей зоны аппарата. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается, а жидкость при этом перемешивается. На нижележащем элементе насадки образуется новая пленка. Структура потоков газа и жидкости в аппарате достаточно близка к поршневому противоточному движению. [c.27] В тарельчатых аппаратах поверхность контакта фаз формируется за счет барботирования (продавливания) газа через слой жидкости на тарелке, которая представляет собой лист с отверстиями, прорезями или специальными устройствами для барботирования газа — колпачками или клапанами. При барботировании образуется большое количество пузырей, которые в зависимости от расхода газа и свойств жидкости могут занимать до 90 % и выше объема рабочей зоны аппарата, создают развитую поверхность контакта газа и жидкости, превращая жидкость в тонкие прослойки и пленки. Однако поднимающиеся в жидкости пузыри вовлекают в восходящее движение окружающую жидкость. В барботажных аппаратах с высоким газо-жидкостным слоем формируется нестабильное циркуляционное течение жидкости, которое способствует ее быстрому перемешиванию по высоте слоя. Поэтому в проточных барботажных ахшаратах, несмотря на развитую межфазную поверхность, даже при очень большой высоте газожидкостного слоя не удается достичь высокой степени извлечения растворенных компонентов из жидкости (см. рис. 1.4.1.1, в). [c.27] В тарельчатых аппаратах жвдкость располагается на тарелках тонким слоем от 10 до 60-70 мм и перетекает с тарелки на тарелку либо через специальное переливное устройство, либо проваливаясь в отверстия тарелки. Несмотря на практически полное перемешивание жидкости на каждой тарелке, при разнонаправленной подаче газа и жидкости в целом по аппарату удается получить режим движения газа и жидкости, близкий к поршневому противоточному режиму (см. рис. 1.4.1.1, г). [c.27] Недостатком процесса десорбции методом продувки является необходимость подачи достаточно большого объема инертного газа. В том случае, когда извлекаемый компонент является токсичным, возникает проблема очистки отработавшего газа. С целью уменьшения объема продувочного газа и повышения степени извлечения растворенного компонента жидкость перед подачей в аппарат для проведения процесса десорбции— десорбер — подогревают, увеличивая тем самым скорость десорбции. Однако такой прием приводит к повышению скорости испарения самой жидкости (растворителя), увеличивая ее потери и загрязняя отходящий газ. [c.28] где это технологически возможно, для продувки и одновременного подогрева жидкости в десорбере используют насыщенный или перегретый водяной пар, который непосредственно контактирует с жидкостью (острый пар). Если десорбируемый компонент плохо растворим в воде, его после конденсации вместе с паром можно отделить от воды простым расслаиванием. [c.28] Подогрев жидкости хотя и сдвигает равновесие в сторону увеличения скорости десорбции, но без развитой поверхности контакта фаз и без продувки паровой фазы не дает возможности достичь высокой степени извлечения растворенного компонента. Однако, если довести жидкость до кипения, то в результате появления пузырей существенно увеличивается поверхность контакта жидкой и паровой фаз, а постоянно генерируемый поток пара растворителя становится хорошим десорбирующим агентом. Поэтому газы и пары, плохо растворимые в жидкости, достаточно полно удаляются из нее простым кипячением. Недостатком такого способа десорбции являются значительные потери растворителя, который в виде пара уносится десорбированным газом. Поэтому в промышленных условиях растворитель возвращают в процесс путем конденсации пара. Если соотношение десорбированный газ пар невелико, однократным испарением с последующей конденсацией пара удается обеспечить высокую степень извлечения газа и возврат основной массы испаренного растворителя. Процесс разделения жидкой смеси путем частичного превращения ее в пар и последующей конденсации этого пара называется дистилляцией. [c.28] Очень часто летучий компонент, который необходимо десорбировать из жидкости, оказывается хорошо растворимым в ней. В этом случае его не удается достаточно полно вьщелить из жидкости, используя только процесс дистилляции, и для десорбции используют процесс, называемый ректификацией. Ректификация отличается от дистилляции тем, что образовавшийся в кипятильнике пар вместе с десорбированным компонентом подается на конденсацию не сразу, а после контактирования в колонном массообменном аппарате с поступающей сверху жидкостью в режиме противотока. При таком контакте жидкость теряет летучий (низ-кокипящий) компонент за счет массообмена с паром, в котором концентрация компонента ниже равновесной. [c.28] Вернуться к основной статье