Абсорбция
Возможно поглощение газа жидкостью, как в случае с углекислым газом и гидроксидом натрия, а также поглощение жидкости или газа твердым веществом, как при проникновении воды в гель.
Процесс находит широкое промышленное применение, например, при очистке природного газа сероводород абсорбируется водным раствором этаноламина.
Абсорбция известна во всех отраслях науки; в частности, в ядерной физике нейтроны, образовавшиеся при распаде, поглощаются такими элементами, как бор.
Часто в процессе абсорбции происходит не только увеличение массы абсорбирующего материала, но и существенное увеличение его объема (набухание), а также изменение его физических характеристик – вплоть до агрегатного состояния.
На практике абсорбция чаще всего применяется для разделения смесей, состоящих из веществ, имеющих различную способность к поглощению подходящими абсорбентами.
При этом целевыми продуктами могут быть как абсорбировавшиеся, так и не абсорбировавшиеся компоненты смесей.
Обычно в случае физической абсорбции абсорбировавшиеся вещества могут быть вновь извлечены из абсорбента посредством его нагревания, разбавления неабсорбирующей жидкостью или иными подходящими способами.
Регенерация химически абсорбированных веществ также иногда возможна.
Она может быть основана на химическом или термическом разложении продуктов химической абсорбции с высвобождением всех или некоторых из абсорбированных веществ.
Но во многих случаях регенерация химически абсорбированных веществ и химических абсорбентов бывает невозможной или технологически/экономически нецелесообразной.
Абсорбция. Абсорбенты. Абсорберы
Общее описание процесса абсорбции
Термин абсорбция произошел от латинского слова absorbere, что в переводе означает «поглощать». По сути, это процесс полного или частичного поглощения газа (который способен в нем почти целиком раствориться) жидким поглотителем (ученые дали ему название «абсорбент»). Обратный процесс называется десорбция, при нем, наоборот, идет выделение газа из раствора.
Для разделения газов друг от друга в их смесях, с целью очистки либо получения ценных компонентов существуют и другие способы: глубокое охлаждение, адсорбция, и др., но чаще всего используется именно метод абсорбции, потому что полное извлечение такого рода компонентов требуется редко.
Процесс абсорбции или десорбции всегда проходит жидкую и газовую фазы, во время которых и происходит трансформация вещества из газа в жидкость при процессе абсорбции и, наоборот, из жидкости в газ при процессе десорбции. Именно поэтому процессы абсорбции называются одним из способов массопередачи (обмен масс с помощью поверхности раздела или через проницаемую стенку в процессе двух фаз или между двумя веществами).
На практике процессу абсорбции подвергаются газовые смеси, а не какие-либо отдельные виды газов. Такие составные доли называются компонентами, а те части, которые не поглощаются, имеют название инертный газ. Вместе с поглотителем этот газ представляет собой носитель компонента в жидкой и газовой фазах.
Жидкая фаза включает в себя поглотитель и компонент процесса абсорбции. Сам поглотитель – это, по сути, раствор активного компонента, который вступает в химическую реакцию с абсорбируемым его аналогом, а само вещество, в котором активный компонент растворяется, называют растворителем.
Абсорбция бывает двух видов:
Для успешного проведения абсорбции необходим специальный аппарат. Такие приборы имеют свою условную классификацию в зависимости от вида поверхности контакта.
Абсорберы. Описание и виды
Сюда в свою очередь входят подвиды:
В целом, поверхность контакта для такого вида абсорберов определяется геометрическими параметрами поверхности элементов (к примеру, той же насадки), но во многих случаях бывает ей не равна.
Сюда же входит вариант барботажных абсорберов, в которых жидкости перемешивают механическими мешалками.
В этих абсорберах поверхность контакта так же, как у барботажных абсорберах, зависит от режима гидродинамики, но отличается способом образования: в этом случае жидкость в общей массе газа распыляется на мелкие капельки.
В свою очередь они тоже делятся на подвиды:
Один и тот же аппарат может оказаться в разных группах, это обычно определяют условия его работы. (К примеру, насадочные абсорберы способны работать как в барботажном, так и в пленочных режимах.)
Диаметр, высоту и прочие параметры абсорбера определяют с помощью расчетов, исходя из степени извлекаемого компонента, производительности и прочих условий задач. Для подобных подсчетов понадобятся сведения по кинетике и статике процесса. Кинетические данные определяются типом и режимом работы аппарата, а статические всегда можно найти в справочных таблицах, затем считают с помощью параметров термодинамики и вычисляют на практике. Если какие-либо данные найти нет возможности, их получают с помощью опытов.
Из всех существующих аппаратов сегодня самое широкое распространение получили барботажные тарельчатые и насадочные абсорберы.
Выбирая подходящий абсорбер, в каждом индивидуальном случае следует исходить из химических и физических факторов проведения процесса, обязательно учитывая и все экономические и технические моменты.
Чтобы лучше понять, как абсорбционные процессы применяются на практике, надо хорошо понимать некоторые способы применения их в химической отрасли промышленности.
Существует несколько таких основных моментов:
Готовый продукт получают с помощью процесса поглощения газа жидкостью.
В качестве примера можно привести абсорбцию оксида серы (SO3) в ходе производства серной кислоты, абсорбцию окисей азота водой при производстве азотной кислоты, абсорбцию растворов щелочи для получения нитратов и НС1 для получения соляной кислоты. В этих случаях абсорбцию проводят без дальнейшей десорбции.
Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь или с целью их удаления в соответствии с санитарными нормативами.
Чтобы проиллюстрировать это, лучше всего подходит рекуперация спирта, эфира, кетонов и прочих летучих растворителей.
Для выделения отдельных ценных компонентов разделяют газовые смеси
В данном случае у поглотителя должна быть большая поглотительная способность в сравнении с извлекаемым компонентом и несколько меньшей для других частей смеси газов (это еще называют селективной или избирательной абсорбцией.) При этом абсорбцию дополнительно сочетают с десорбцией так, чтобы они в своем чередовании образовывали круговой процесс.
Ярким примером может послужить абсорбция ацетилена из крекинговых либо газов пиролиза или бензола из газа кокса, природного газа, абсорбция бутадиена из газа от разложения этилового спирта и т.п.
В рассматриваемом варианте извлеченный компонент еще и используют, поэтому его выделяют с помощью процесса десорбции и отправляют на дальнейшую переработку. Когда количество извлекаемой составной части очень мало и поглотитель не несет особой ценности, после абсорбции раствор сливают в канализацию.
В качестве примеров можно привести очистку газов нефти и кокса от Н2S, обсушивание сернистого газа при получении серной кислоты, очищение смеси азота и водорода, чтобы синтезировать аммиак. Часто используется очистка по санитарным нормам топочных отходящих газов от SO2, очистка от абгаза (это выделяющаяся парогазовая смесь) после процесса конденсации хлора в жидком виде, от фтористых газов, которые выходят, когда получают минеральные удобрения и многие другие.
Из описаний способов применений в химической отрасли промышленности можно сделать логический вывод, что абсорбцию часто сочетают с десорбцией. Такое сочетание позволяет использовать поглотитель много раз и в чистом виде выделять абсорбированный компонент. Чтобы его получить, раствор после пребывания в абсорбере тут же направляют на процесс десорбции, где и выделяется нужный компонент, а освобожденный от него (регенерированный) раствор опять возвращают для новой абсорбции. При этой схеме кругового процесса поглотитель практически не растрачивается (не считая совершенно незначительных его потерь) и постоянно проходит циркуляцию типа абсорбер — прибор десорбции — абсорбер.
В случае наличия малоценного поглотителя многократное использование поглотителя не проводят при процессе десорбции, после освобожденный в приборе десорбции поглотитель выбрасывают в канализацию, а в абсорбер кладут новый.
Условия, которые очень благоприятны для процесса десорбции, абсолютно противоположны условиям, которые благотворят абсорбции. Чтобы осуществить над раствором десорбцию, необходимо обеспечить довольно сильное давление компонента, чтобы он смог выделиться в процессе газовой фазы. При проведении же абсорбции, особенно когда она дает необратимую химическую реакцию, нужные компоненты не поддаются освобождению от поглотителя путем десорбции. Регенерацию подобных поглотителей возможно производить только еще одним химическим методом.
На сегодняшний день для всех видов приборов пока не существует достаточно надежного способа, который мог бы позволить определять коэффициент массопередачи с помощью расчета или опираясь на лабораторные опыты либо модельные варианты. Тем не менее, для некоторых видов аппаратов постепенно удается их найти даже с помощью довольно простых опытов и достоверной точностью вычислений.
АБСОРБЦИЯ
Различают физ. и хим. абсорбцию. При физической абсорбции энергия взаимод. молекул газа и абсорбента в р-ре не превышает 20 кДж/моль. При химической абсорбции (или абсорбция с хим. р-цией, часто наз. хемосорбцией) молекулы растворенного газа реагируют с активным компонентом абсорбента-хемосорбентом (энергия взаимод. молекул более 25 кДж/моль) либо в р-ре происходит диссоциация или ассоциация молекул газа. Промежут. варианты абсорбции характеризуются энергией взаимод. молекул 20-30 кДж/моль. К таким процессам относится растворение с образованием водородной связи, в частности абсорбция ацетилена диметилформамидом.
Статика абсорбции. Характеризует термодинамич. равновесие р-ра с паро-газовой смесью, а также материальный и энергетич. балансы процесса. При физ. абсорбции с образованием идеального р-ра для р-рите-ля и растворенного газа во всем интервале изменения состава в соответствии с законом Рауля растворимость газа:
Рис. 2. Зависимость коэф. Генри (в мм рт. ст./молярные доли) для р-ров газов в додекане от т-ры.
Зависимость растворимости газа от температуры как при физ., так и при хим. абсорбции приближенно описывается ур-нием:
где


где КН.си, КН.N-коэф. Генри соотв. для газа в смеси р-рителей и для р-ров этого газа в чистых компонентах р-рителя;

Нек-рые данные о р-римости газов приведены в таблице, где газы и р-рители расположены в порядке возрастания энергетич. параметров 

где
Ниже приведены значения параметров потенциала Лен-нард-Джонса 


Тепловой эффект растворения газа АЯ линейно изменяется с увеличением 


При хим. абсорбции поглотит. способность абсорбента (емкость, соответствующая предельному кол-ву газа, к-рый поглощается единицей объема абсорбента) и 
где Кх = ASKфKP-константа равновесия системы газ-жидкость; Кр — константа равновесия р-ции;

Коэф. ускорения абсорбции могут быть достаточно велики. Так, в случае поглощения СО2 в насадочной колонне при одинаковых нагрузках по фазам, т-ре и давлении, используя 2 н. водный р-р КОН (15% К содержится в р-ре в виде карбоната), можно получить 
Увеличение 


Аналогично можно найти движущую силу (x*2 — х2) и коэф. массопередачи Кж. Из выражений (2) и (3) следует:
Абсорбцию осуществляют в массообменных аппаратах, наз. абсорберами,-тарельчатых, насадочных (устаревшее название-скрубберы), пленочных, роторно-пленочных и распылительных. Схема материальных потоков в абсорбере представлена на рис. 3. Связь между концентрациями поглощаемого компонента в газе у2 и в жидкости в любом горизонтальном сечении аппарата находят из ур-ния материального баланса (т. наз. ур-ние рабочей линии). В общем случае это ур-ние имеет вид:
где L и G-расходы жидкости и газа. Когда объемы фаз в ходе абсорбции изменяются незначительно, рабочая линия-прямая:
Здесь индексом «н» обозначается ниж. сечение противоточного абсорбера или десорбера.
Существенное влияние на ход рабочей и равновесной [у* =f(x*2)] линий могут оказать тепловые эффекты абсорбции. Ход рабочей линии может сильно зависеть от интенсивности испарения р-рителя (особенно при десорбции). Если абсорбция сопровождается значит. выделением теплоты, а кол-во абсорбированного в-ва достаточно велико, р-ритель может сильно нагреваться при прохождении через колонну. Примеры-осушка воздуха с помощью конц. H2SO4, растворение НС1 в воде при получении конц. соляной к-ты. Температурный режим абсорбера, от к-рого зависят равновесное давление поглощаемого компонента, т.е. движущая сила процесса, физ.-хим. св-ва системы и ход рабочей линии рассчитывают по ур-нию теплового баланса абсорбера.
Рис. 3. Схема материальных потоков в абсорбере и ход рабочей и равновесной линий (а-при противотоке, 6-при прямотоке): ЛВ-рабочая линия; ОС-равновесная линия; и

Чтобы вычислить пов-сть массообмена F, необходимую для обеспечения желаемого изменения состава газа в абсорбере, можно использовать локальные значения скорости массопередачи [см. ур-ние (3)1 совместно с ур-нием материального баланса по абсорбируемому компоненту. При постоянстве коэф. массоперелачи по высоте аппарата:
где G-мольная массовая скорость газа, кмоль/(м 2 *с);
No,r-общее число единиц переноса в газовой фазе:
Этот важный параметр зависит только от технол. режима процесса, определяется положением рабочей и равновесной линий и показывает, как влияет движущая сила абсорбции на высоту аппарата. Число единиц переноса, а следовательно, и высота абсорбера, бесконечно велики, если абсорбер работает при миним. кол-ве циркулирующего абсорбента, когда 

При расчете абсорберов, особенно тарельчатых, часто используют понятие эффективности ступени, или степени приближения к равновесию
где индексом «в» обозначается верх. сечение противоточного аппарата.
Во мн. типах ступенчатых контактных устройств достигнута 

Основы технологии абсорбционных процессов. Абсорбцию часто осуществляют в виде абсорбционно-десорбционного цикла (циклич. процесс), однако стадия десорбции может отсутствовать, если в результате абсорбции получают готовый продукт или регенерация поглотителя невозможна (разомкнутый процесс). На рис. 4 приведена одна из простейших схем абсорбционного разделения газов. Для снижения расхода энергии иногда применяют двух- и многопоточные схемы с отводом грубо- и тонкорегенерированного р-ров в разных сечениях десорбера и подачей их в разл. точки абсорбера либо направляют насыщ. р-р абсорбента в разные точки десорбера и т.п.
Регенерацию абсорбентов (десорбцию газов) можно проводить снижением давления (вплоть до вакуумирования), нагреванием, отдувкой плохо р-римыми газами и парами кипящего абсорбента, а также сочетанием этих приемов.
Физ. абсорбция осуществляют, как правило, при т-ре окружающей среды (20-40°С) или при пониженных т-рах, т.к. р-римость хорошо р-римых газов возрастает с уменьшением т-ры. Кроме того, при снижении т-ры уменьшается р-римость плохо р-римых газов, т.е. увеличивается селективность и снижаются потери плохо р-римого компонента и загрязнение им извлекаемого газа, а также уменьшаются давление паров абсорбента и его потери. При хим. абсорбции увеличение т-ры приводит к значит. росту коэф. массопередачи и, помимо этого, к возрастанию р-римости мн. абсорбентов в разбавителях, а следовательно, к увеличению до определенного предела общей поглотит. способности абсорбента.
При физ. абсорбции с повышением парциального давления поглощаемого компонента поглотит. способность абсорбента почти всегда увеличивается приблизительно пропорционально парциальному давлению или концентрации газа. Поэтому кол-во циркулирующего абсорбента почти не зависит от концентрации извлекаемого газа в исходной газовой смеси. При хим. абсорбции характер изменения р-римости газа с ростом его парциального давления сильно зависит от константы равновесия р-ции и степени превращения абсорбента. В результате при увеличении концентрации извлекаемого газа кол-во циркулирующего абсорбента возрастает.
Физ. абсорбция, как правило, наиб. эффективна при грубой очистке от больших кол-в газа под давлением. Хим. абсорбция чаще всего применяют при извлечении малых кол-в примесей и при тонкой очистке; при этом обычно существенно выше селективность абсорбента, ниже кол-во циркулирующего р-ра вследствие большой поглотит. способности, меньше расход электроэнергии, но выше расход теплоты.
Режим абсорбции. При расчете абсорбции обычно задают параметры очищаемого газа (давление, т-ру, состав) и предъявляют требования к очищенному газу. Необходимый для осуществления абсорбции расход жидкости (кол-во циркулирующего абсорбента) определяется материальным балансом и кинетикой абсорбции. Концентрация у2,в извлекаемого компонента в очищенном газе зависит от х2,в:
где
где G2-кол-во извлекаемого газа. При необратимой р-ции миним. кол-во циркулирующего поглотителя определяют из стехиометрич. ур-ния р-ции и находят 
Соотношение расходов жидкости и газа определяется ур-нием:
к-рый при полном извлечении газа
Режим десорбции газов (регенерации абсорбентов). Максимально допустимую концентрацию растворенного компонента в регенерированном р-ре 

где Р и Рпар— общее давление в регенераторе и давление паров абсорбента. В нек-рых случаях, особенно при регенерации хемосорбентов, предельная глубина регенерации определяется равновесием в к.-л. другом (не в нижнем) сечении десорбера. Это т. наз. критич. сечение определяют после построения равновесной и рабочей линий десорбции либо спец. расчетом.
При десорбции парами кипящего абсорбента давление, т-ра и концентрация газа в р-ре связаны изобарной равновесной зависимостью Tкип от х2, где Tкип-т-ра кипения р-ра при давлении Р в регенераторе. Расчет десорбции смеси газов проводят на основе ур-ния, аналогичного (5):
где
Построение рабочей линии при десорбции парами кипящего абсорбента значительно отличается от построения рабочей линии абсорбера и заключается в совместном решении ур-ний материального и теплового балансов по участкам аппарата при заданном общем расходе теплоты. Рабочая и равновесная линии при десорбции (рис. 5) могут пересечься не в конечных точках х2,в или х2,н, как при абсорбции, а в промежуточном (критическом) сечении десорбера. Это характерно для «сильных» хемосорбентов (напр., при десорбции СО2 из водных р-ров моноэтаноламина) при их глубокой регенерации. Миним. расход отдувочного агента определяется равновесием в критич. сечении и зависит от глубины регенерации.
Рис. 5. Равновесная (/) и рабочие (2, 3) линии десорбции СО2 из водного раствора моноэтаноламина при давлении 0,18 МПа и разл. глубине регенерации: x2, у2-концентрации СО2 соотв. в газе и жидкости.
Др. параметры десорбции, в частности число единиц переноса, рассчитывают так же, как при абсорбции. Однако коэф. массопередачи могут неск. отличаться от величин, найденных при абсорбции, вследствие наличия пузырьков газа (пара), возникающих при кипении жидкости или в результате сброса давления, влияния теплоты конденсации отдувочного агента, существенного изменения расходов фаз по высоте аппарата. Скорость хим. абсорбции зависит от скорости прямой р-ции образования соединения между поглощаемым газом и активной частью хемосорбента, а скорость десорбции-от скорости разложения этого соединения и т.п.
где 


то с увеличением т-ры Qотд возрастает. В противном случае Qотд уменьшается и при заданном расходе теплоты с увеличением давления десорбции регенерация не ухудшается, а улучшается, однако до нек-рого предела, определяемого термохим. устойчивостью абсорбента и возрастанием Qнагр. Энергетич. затраты на десорбцию газов (регенерацию абсорбентов), как правило, значительно превышают расход энергии на абсорбцию.
===
Исп. литература для статьи «АБСОРБЦИЯ» : Рамм В. М., Абсорбция газов, 2 изд., М., 1976; Очистка технологических газов, под ред. Т. А. Семеновой, И. Л. Лайтеса, 2 изд., М., 1977; Кафаров В. В., Основы массопередачи, 3 изд., М., 1979; Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1981 Н.Н. Кулов, И. Л. Лейтес.
Страница «АБСОРБЦИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.































