Кратко и по делу — факторы, уравнения и влияние на конструкцию абсорберов.
Основные химические факторы
- Равновесие газ–жидкость (солюбильность): описывается законом Генри в виде
$$c=k_{H}p,$$ где $c$ — равновесная концентрация растворённого газа (моль·м^{-3}), $p$ — парциальное давление газа (Па), $k_H$ — константа Генри (моль·м^{-3}·Па^{-1}).
- Химическая реакция в растворе: для реактивно поглощающих газов (CO2, SO2, NH3 и др.) растворимость «эффективно» растёт из‑за преобразования газа; вводят фактор усиления $E$, и поток может быть записан как
$$N=K_{L}aE(c^{\ast }-c),$$ где $N$ — массовый поток, $K_L$ — коэффициент переноса по жидкости, $a$ — удельная площадь интерфейса, $c^{\ast }$ — равновесная концентрация.
- Зависимость от pH и состава: для кислотных/оснóвных газов диссоциация в растворе (например, CO2 → HCO3^-) значительно изменяет поглощение; контроль pH существенно влияет на скорость и ёмкость.
- Соля/«salting‑out»: наличие солей уменьшает растворимость газов (Setschenow):
$$\ln \frac{S_0}{S}=k_s{c}_{\text{salt}},$$ где $S_0,S$ — солюбильность без/с солью, $k_s$ — константа.
- Химическая стабильность и коррозия: растворители/продукты реакций определяют выбор материалов и режимы регенерации.
Физические факторы
- Давление: при прочих равных растворимость пропорциональна парциальному давлению (закон Генри).
- Температура: как правило растворимость газов убывает с ростом температуры; температурная зависимость может быть аппроксимирована через энтальпию растворения:
$$\frac{d\ln k_H}{dT}=\frac{\Delta H_{\text{sol}}}{R{T}^2}.$$ - Диффузивность и вязкость: влияют на кинетику массопереноса (коэффициенты переноса $k_G,k_L$).
- Межфазная площадь и гидродинамика: больше $a$ — выше обмен; $a$ зависит от типа насадки/формы пузырьков/струй.
- Температурно‑структурные эффекты: пенообразование, поверхностное натяжение, мокрость упаковки, образование эмульсий.
Механика массопереноса — ключевые формулы
- Общий поток через интерфейс (двухплёночная модель):
$$N=K_{G}a(p_G-p^{\ast }),$$ где $K_G$ — общий газовый коэффициент. Связь сопротивлений:
$$\frac{1}{K_G}=\frac{1}{k_G}+\frac{k_H}{k_L},$$ если используется форма $c=k_{H}p$. Аналогично через жидкостную разность:
$$N=K_{L}a(c^{\ast }-c).$$ - Расчёт колонны: высота теоретической ступени $H$ обычно представляется как
$$H=HTU\cdot NTU,$$ где в простых приближениях $HTU\approx \frac{1}{K_{G}a}$.
Последствия для конструкции промышленных абсорберов
- Выбор схемы (физическая vs химическая абсорбция): для слаборастворимых/реактивных газов выгодна химическая абсорбция (специальные растворители, катализаторы, pH‑регулирование) — это уменьшает высоту колонны и требуемую площадь контакта.
- Интерфейсная площадь и тип контактора: для высоких скоростей переноса выбирают насадочные колонны с мелкопористой насадкой или пленочные контактёры; для частиц/жидкостей — скрубберы типа Venturi или барабанные абсорберы. Баланс: высокая $a$ ↔ большой перепад давления и риск засорения/пенообразования.
- Температурный режим: поскольку растворимость часто падает с температурой, абсорберы проектируют для охлаждения газа/раствора или работают при повышенном давлении, если можно — чтобы увеличить растворимость. Это влияет на теплообменник, материалы и энергозатраты.
- Давление и энергоэффективность: повышение давления увеличивает поглощение (по Генри), но требует механической прочности и компрессии газа — экономическое сопоставление.
- Материалы и коррозия: агрессивные уловленные компоненты и растворители требуют коррозионностойких материалов или покрытий.
- Регенерация растворителя: выбор растворителя диктует схему десорбции (нагрев/понижение давления/химическая обработка) и влияет на общий энергопрофиль установки.
- Контроль массового transferа и кинетики: если процесс ограничен кинетикой реакции или диффузией, выбор паковки, скорость турбулентности и добавки‑катализаторы критичны.
- Эксплуатационные риски: пенообразование, унос жидкости, образование отложений — учитываются в выборе сепараторов, демпферов, моек.
Короткий вывод
- Растворимость задаёт равновесие (концентрацию $c^{\ast }$), физические и химические факторы определяют скорость переноса (коэффициенты $k_G,k_L$, $a$) и величину усиления $E$ при реакциях.
- В проекте абсорбера нужно согласовать требования равновесия (давление, температура, состав растворителя) и кинетики (интерфейсная площадь, гидродинамика, упаковка), при этом учитывать энергию регенерации, коррозию и эксплуатационные риски.
Готов пояснить конкретный пример (CO2, SO2, NH3 или другой) и показать расчёт высоты колонны / требуемой площади контакта при заданных условиях.