Описание массопередачи между газом и жидкостью.

Растворимость газа в жидкости подчиняется закону Генри, если концентрация растворенного газа не велика, а температура и давление далеки от критических. Согласно закону Генри равновесное парциальное давление растворенного газа P_A над раствором прямо пропорционально его концентрации в жидкой фазе С_А:

(165)

где Н_А – коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри или константой фазового равновесия.

Р_А Граница раздела фаз

Газ Р_Ар

С_Ар Жидкость

С_А

Рисунок 46. Схема распределения парциального давления и концентрации растворяемого газообразного вещества А в фазах при массопередачи.

Скорость массоотдачи от газа к жидкости пропорциональна движущей силе – разности парциальных давлений компонента А в ядре газового потока Р_А и на границе раздела фаз Р_Ар:

(166)

где b_Г - коэффициент массоотдачи со стороны газовой фазы.

Скорость массоотдачи от жидкости к газу:

(167)

где b_Ж – коэффициент массотдачи со стороны жидкой фазы; С_Ар – концентрация растворенного реагента А на границе раздела фаз; С_А – концентрация растворенного компонента А в основной массе жидкой фазы.

Обычно при расчете процессов массопередачи принимают, что на границе раздела фаз достигается равновесие. Однако это справедливо если сопротивлением переносу через границу можно пренебречь. При равновесии в соответствии с законом Генри:

(168)

Для вывода уравнения скорости массопередачи, учитывающего сопротивление и со стороны жидкой, и со стороны газовой фазы, запишем уравнения (166) и (167) в следующем виде:

(169)

(170)

В уравнении (170) концентрация растворенного компонента на границе раздела фаз С_Ар выражена через парциальное давление этого вещества на границе раздела фаз в соответствии с уравнением (167).

В условиях равновесия скорости массоотдачи от газовой фазы к жидкой или от жидкой фазы к газовой равны между собой .

Почленно складывая уравнения (169) и (170), получим уравнение, не содержащее неизвестной величины парциального давления Р_Ар на границе раздела фаз:

(171)

или

(172)

Уравнение (172) для расчета скорости массопередачи содержит лишь экспериментально определяемые величины Р_А (парциальное давление растворяемого компонента в газовой фазе) и С_А (концентрация этого компонента в основной массе жидкости), а также коэффициент массопередачи:

(173)

В уравнение (173) для определения коэффициента массопередачи К_М входят коэффициенты массоотдачи b_Г и b_Ж, которые , как правило. Могут быть определены экспериментально в виде объемных коэффициентов массопередачи b_Га и b_Жа, где а – удельная поверхность контакта фаз, м²/м³. Константа фазового равновесия определяется по равновесным данным о растворимости газов.

При протекании процессов массопередачи сопротивление может быть равномерно распределено в жидкой или газовой фазе; возможны также случаи, когда преобладает сопротивление в жидкой фазе или, наоборот в газовой.

Например, когда сопротивление сосредоточено в газовой фазе, т.е. 1/b_Г >> Н_А/b_Ж уравнение (172) примет более простой вид:

(174)

Если же вещество А, растворившись, вступает в быструю химическую реакцию с компонентами, находящимися в жидкой фазе, то его концентрация в основной массе жидкости будет бесконечно мала и тогда

(175)

Наличие или отсутствие лимитирования процесса массотдачей в одной из фаз в сильной степени зависит от числового значения коэффициента распределения Н_А. При малых значениях Н_А, что отвечает высокой растворимости газа в жидкости

(176)

т.е. процесс абсорбции лимитируется массотдачей в газовой фазе. При больших значениях Н_А

(177)

т.е. сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе.