Reja: Absorbsiya jarayonining fizik asoslari

Nasadkali absorber gidrodinamikasini tadqiq qilish.
Reja:
1. Absorbsiya jarayonining fizik asoslari
2. Absorbsiyaning moddiy balansi va kinetik qonuniyatlari
3. Absorbsiya jarayonini olib borish usullari
4. Nasadkali absorberlar.

Gaz yoki bug’larni gaz yoki bug’li aralashmalardagi komponentlarining suyuqlikda yutilish jarayoni absorbsiya deb nomlanadi. Yutilayotgan gaz yoki bug’ absorbtiv, yutuvchi suyuqlik esa absorbent deb ataladi. Ushbu jarayon selektiv va qaytar jarayon bo’lib, gaz yoki bug’ aralashmalarini ajratish uchun xizmat qiladi.

Absorbtiv va absorbentlarning o’zaro ta’siriga qarab, absorbsiya jarayoni ikkiga bo’linadi: fizik absorbsiya, kimyoviy absorbsiya (yoki xemosorbsiya).
Fizik absorbsiya jarayonida gazning suyuqlik bilan yutilishi paytida kimyoviy reaksiya yuz bermaydi, ya’ni kimyoviy birikma hosil bo’lmaydi. Agar, suyuqlik bilan yutilayotgan gaz kimyoviy reaksiyaga kirishsa, bunday jarayon xemosorbsiya deyiladi.
Ma’lumki, fizik absorbsiya ko’pincha qaytar jarayon bo’lgani sababli, ya’ni suyuqlikka yutilgan gazni ajratib olish imkoni bo’ladi. Bunday jarayon desorbsiya deb nomlanadi. Absorbsiya va desorbsiya jarayonlarini uzluksiz ravishda tashkil etish yutilgan gazni sof holda ajratib olish va absorbentni ko’p marta ishlatish imkonini beradi.
Absorbsiya jarayoni sanoat korxonalarida uglevodorodli gazlarni ajratish, sulfat, azot, xlorid kislotalar va ammiakli suvlarni olishda gaz aralashmlaridan qimmatbaho komponentlarni ajratish va boshqa hollarda keng maqsadda ishlatiladi.
Absorbsiya jarayoni ishtirok etadigan texnologiyalarni qurilmalar bilan jihozlash murakkab emas. Shuning uchun, kimyo, oziq–ovqat va boshqa sanoatlarda absorberlar ko’p qo’llaniladi.

Absorbsiya jarayonining fizik asoslari

Gaz faza suyuqlik bilan o’zaro ta’siri natijasida ikkita faza (Ф=2) va uchta komponent, ya’ni tarqaluvchi modda va ikkita modda tashuvchi (K=3) lardan iborat sistema hosil bo’ladi.

Fazalar qoidasiga binoan, bunday sistema 3 ta erkinlik darajasiga ega:

Sistemadagi fazaviy muvozanatni belgilovchi asosiy uchta parametrlar quyidagilardir: bosim, temperatura va konsentratsiya. Demak, “gaz–suyuqlik” sistemada ikkala fazaning bosimi p, temperaturasi t va konsentratsiyasi x o’zgarishi mumkin. Absorbsiya jarayoni o’zgarmas bosim va temperaturada borayotgan bo’lsa, bir fazada tarqalayotgan moddaning har bir konsentratsiyasiga ikkinchi fazadagi aniq konsentratsiya to’g’ri keladi.

O’zgarmas temperatura (t =const) va umumiy bosimli sharoitda muvozanat konsentratsiyalari orasidagi bog’liqlik Genri qonuni bilan ifodalanadi. Bu qonunga binoan, biror temperaturada eritmadagi eritma ustidagi gaz parsial bosimi, uning mol ulushiga to’g’ri proporsionaldir:

(9.1)

bu yerda: p muvozanat holatidagi eritmada x konsentratsiyali yutilayotgan gazning parsial bosimi; E – Genri konstantasi.
Genri konstantasi absorbtiv va absorbentlarning xossalariga, hamda temperaturaga bog’liq bo’ladi:
(9.2)
bu yerda q – gazning erish issiqligi, kJ/kmol; R – 8,325 kJ/(kmol·K) – universal gaz doimiysi; T – absolyut temperatura, K; C – yutayotgan suyuqlik va gazlarning tabiatiga bog’liq bo’lgan o’zgarmas kattalik.
(2) tenglamadan ko’rinib turibdiki, temperatura ortishi bilan gazning suyuqlikda erishi kamayadi.
Dalton qonuniga binoan, gaz aralashmasidagi komponentning parsial bosimi, ushbu komponent mol ulushining umumiy bosimga ko’paytirilganiga tengdir, ya’ni:
va (9.3)
bu yerda: P – gaz aralashmasining umumiy bosimi; y – tarqalayotgan moddaning aralashmadagi konsentratsiyasi; mol ulushi.
(1) va (3) tenglamalarni taqqoslab, quyidagi ifodaga kelamiz:

yoki fazaviy muvozanat konstantasi E/P ni m orqali belgilab, quyidagi ifodani olamiz:
(9.4)

(4) tenglama, gaz aralashmasi va suyuqlikda tarqalayotgan moddalarning muvozanat konsentratsiyalari orasidagi bog’liqlik to’g’ri chiziq bilan ifodalanishini ko’rsatadi. Ushbu chiziq koordinata boshidan o’tadi va uning qiyalik burchagi tangensi m ga teng. Qiyalik burchak tangensi temperatura va bosimga bog’liq. 9.1-rasmdan ko’rinib turibdiki, bosim oshishi va temperatura kamayishi bilan gazning suyuqlikda eruvchanligi ortadi (m esa kamayadi).
Suyuqlik bilan gazlar aralashmasi muvozanat holatida bo’lganida, aralashma gaz komponentining har biri Genri qonuniga bo’ysunadi.
Absorbsiya jarayoni nisbiy mol konsentratsiyalarda ham hisoblanishi mumkin. Bunda, gaz fazasining suyuqlikdagi kichik konsentratsiyalari x da Genri qonuni ushbu ko’rinishda yoziladi:

Shuni alhohida ta’kidlash kerakki, o’ta suyultirilgan eritmalar, hamda suyuqlikning o’zaro muvozanat holati Genri qonuniga bo’ysunmaydi, chunki fazalarning muvozanat konsentratsiyalari orasidagi bog’liqlik egri chiziq bilan ifodalanadi.

Absorbsiyaning moddiy balansi va kinetik qonuniyatlari

Absorbsiya jarayonining moddiy balansi quyidagi ko’rinishdagi umumiy tenglama bilan ifodalanadi:

G(dy)=L·dx

Oxirgi tenglamani boshlang’ich va oxirgi konsentratsiyalar oralig’ida integrallagandan so’ng, undan absorbent sarfini (kmol/s) aniqlash mumkin:

(9.5)

1 kmol inert gaz uchun zarur solishtirma sarf:

(9.6)

Jarayon ishchi chizig’i y – x koordinatalarida to’g’ri chiziq ko’rinishida bo’ladi. Uning qiyalik burchagi tangensi l = L/G.
Absorbent solishtirma sarfining absorber o’lchamiga va suyuq fazada tarqalayotgan moddaning oxirgi konsentratsiyasiga ta’sirini ko’rib chiqamiz.
Absorberda fazalar yo’nalishi parallel deb qabul qilamiz.
y – x koordinatalarning B nuqtasida aniqlanayotgan suyuq fazada tarqalayotgan moddaning boshlang’ich konsentratsiyasi x_b, gaz fazasidagi boshlang’ich kon-sentratsiya y_b, oxirgisi esa y_ox (9.2-rasm).
Fazalar muvozanat holati y_M=f(x) tenglamaga binoan, turli qiyalik burchagi ostida bir nechta ishchi chiziqlar o’tkazamiz. Rasmdagi A₁, A₂, A₃ nuqtalar gaz faza va absorbentdagi boshlang’ich va oxirgi konsentratsiyalarni xarakterlaydi. Jarayonni harakatga keltiruvchi kuchi ishchi va muvozanat chiziqlar o’rtasidagi farq bilan aniqlanadi, ya’ni Δy=y–y_M. Butun qurilma uchun o’rtacha harakatga keltiruvchi kuch o’rtacha logarifmik qiymat sifatida topiladi. Agar, ishchi chiziq BA vertikal chiziq bilan ustma – ust tushsa, harakatga keltiruvchi kuch eng katta qiymatga ega bo’ladi. Agar, (6) tenglamaga x_ox – x_b qo’yilsa, absorbentning sarfi cheksiz bo’ladi.
Boshqa holatda esa, ya’ni ishchi chiziq BA₃ muvozanat chizig’i bilan tutashsa, absorbentning sarfi minimal va tutashish nuqtasida harakatga keltiruvchi kuch nolga teng bo’ladi, chunki y_b = y_M.
Birinchi holatda absorberning o’lchamlari minimal bo’ladi, chunki absorberning cheksiz sarfida Δy_o’r maksimal qiymatga egadir. Ikkinchi holatda esa, absorbentning sarfi minimal bo’lganda absorbentning o’lchamlari cheksiz bo’ladi.
Massa almashinish, shu jumladan, absorbsiya jarayonida ham muvozanatga erishib bo’lmaydi, chunki har doim (x_oxM). Demak, absorbentning sarfi har doim minimal qiymatdan katta bo’lishi kerak. Absorbentning minimal sarfini quyidagi tenglamadan topish mumkin:

(9.7)

Absorbentning optimal sarfi texnik – iqtisodiy hisoblashlar asosida aniqlanadi,
1 kmol gazni yutish uchun zarur sarflar gaz va ekspluatatsiya narxi S₁, amortizasiya va ta’mirlash uchun sarflar, energiya narxi S₂, gazni uzatish va desorbsiya S₃ ga ketadigan harajatlar yig’indisiga teng:

Ma’lumki, S₁ kattalik absorbentning solishtirma sarfiga bog’liq emas. Agar, l ortsa, absorberning ishchi balandligi va uning gidravlik qarshiligi kamayadi. Lekin, bunda qurilmaning diametri kattalashadi.

Shunday qilib, S₂ = f(l) funksiya minimumga ega bo’lishi mumkin.
Absorberning solishtirma safri l oshishi bilan gazni uzatish va desorbsiyasiga ketadigan sarflar S₃ ko’payadi. 9.3–rasmda yuqorida keltirilgan bog’liqliklar xarakteristikalari tasvirlangan. Hamma egri chiziqlar ordinatalarini qo’shsak, 1 kmol gazni absorbsiya qilish uchun zarur sarflar yig’indisi egri chizig’ini olamiz. Ushbu egri chiziqning minimumi, absorbent optimal solishtirma sarfiga to’g’ri keladi.