Коротко — какие параметры определяют равновесие растворения (закон Генри) и как T и p влияют на поглощение CO₂ в промышленности.
1) Основная формулировка закона Генри:
$$c=k_H{p}_{C{O}_2}$$ или в форме с молярной долей:
$$p_{C{O}_2}=H{x}_{C{O}_2}.$$ (здесь $c$ — концентрация растворённого газа, $p_{C{O}_2}$ — парциальное давление газа, $k_H$ и $H$ — константы Генри в разных размерностях).
2) Важные параметры, определяющие равновесие:
- константа Генри $k_H$ (зависит от газа и растворителя и сильно от температуры);
- парциальное давление или фугитивность газа $p_{C{O}_2}$ (для высоких давлений корректировать через фугитивность: $f=\varphi p$);
- активность растворённого газа/коэффициенты активности при неидеальных растворах;
- присутствие солей и ионов (salting-out; влияет через уравнение Сетченова);
- наличие химической реакции между CO₂ и растворителем (реактивное поглощение), тогда равновесие определяется не только Генри, но и кинетикой/термодинамикой реакции.
3) Температурная зависимость:
- температурная зависимость $k_H$ обычно описывается выражением, аналогичным вана‑Гоффу:
$$\frac{d\ln k_H}{d(1/T)}=-\frac{{\Delta }_{sol}H}{R},$$ где ${\Delta }_{sol}H$ — энтальпия растворения. Для большинства газов (включая CO₂) растворимость падает при повышении $T$ (то есть $k_H$ уменьшается или эквивалентно $c$ при данном $p$ уменьшается).
- практический эффект: повышение температуры уменьшает равновесную загрузку растворителя, уменьшает поглощающую способность при прочих равных; одновременно повышается диффузивность и снижаются вязкость, что может частично улучшить кинетику массопереноса.
4) Давление и фракция газа:
- при низких и умеренных давлениях зависимость практически линейна: при росте $p_{C{O}_2}$ равновесная концентрация растёт пропорционально.
- при высоких давлениях требуется учитывать фугативность и отклонения от идеальности: корректировка $f=\varphi p$ и уравнение вида $f=Hx$.
5) Промышленные последствия для поглощения CO₂:
- для физического поглощения (без реакций) рабочая концентрация определяется через $c^{\ast }=k_H{p}_{C{O}_2}$; поток массопереноса через интерфейс описывают:
$$N=k_{L}a(c^{\ast }-c),$$ где $k_{L}a$ — массовый переносный коэффициент с учётом площади. Повышение давления увеличивает $c^{\ast }$ и ускоряет поглощение; повышение температуры уменьшает $c^{\ast }$ и, следовательно, снижает driving force.
- при химическом поглощении (амины и др.) реальная «ёмкость» растворителя значительно выше; однако реакция обычно экзотермична — нагрев в абсорбере снижает эффективность; в стриппере для регенерации требуется высокая температура, что делает процесс обратимым.
- практические меры: охлаждение абсорбера повышает поглощение; увеличение рабочего давления повышает загрузку при прочих равных; при высоком p следует учитывать фугитивность и растворимость CO₂ в присутствии других газов/солей; при реактивной абсорбции контролировать тепловой режим, концентрацию растворителя и кинетику реакции.
Кратко: равновесие задаёт $k_H$ и парциальное давление (или фугитивность) газа; повышение давления повышает поглощение (линейно в пределах закона Генри), повышение температуры обычно уменьшает равновесную растворимость CO₂ и сужает driving force, но влияет и на кинетику и термодинамику реактивных систем.