Абсорбция - процесс разделение газовых смесей с помощью жидких поглотителей - абсорбентов. Если поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом, то абсорбцию называют физической (не поглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции.

Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбцию проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.

В промышленности абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

1) для получения готового продукта (например, абсорбция SO 3 в производстве серной кислоты); при этом абсорбцию проводят без десорбции;

2) для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

3) для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SО 2). В этих случаях извлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией;

4) для осушки газов.

Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

Равновесие в процессе абсорбции

Для идеальных газов справедлив закон Генри:

Закон Генри : парциальное давление компонента газовой смеси над раствором пропорционально мольной доле этого компонента в растворе при достижении равновесия. Константа Генри (Е ) увеличивается с ростом температуры.

По закону Дальтона парциальное давление компонента газовой смеси пропорционально его мольной доле в газовой смеси:

,

где P – общее давление.

Объединяя законы Генри и Дальтона, можно установить влияние условий на растворимость газа в жидкости:
.

Таким образом, с увеличением давления в абсорбере и понижением температуры растворимость растет.

Чем хуже растворяется газ, тем больше повышают давление.

При растворении хорошо растворимых газов нет надобности в большом повышении давления, но необходимо отводить тепло, которое в этом случае выделяется в большом количестве.

Конструкции абсорберов выбираются с учётом растворимости газов. Например, для хорошо растворимых (аммиак-вода) можно использовать абсорберы-теплообменники. Для плохо растворимых необходима развитая поверхность контакта фаз, поэтому применяют насадочные, тарельчатые абсорберы.

Тема 3.3. Абсорбция 12ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 6ч.

Студент должен:

знать:

Физические основы и теорию процесса абсорбции (равновесие между фазами, принципы составления материального теплового баланса, уравнение рабочей линии);

- порядок расчета насадочного и барботажного абсорбера;

- сущность и методы проведения десорбции;

уметь:

- составлять материальный и тепловой баланс;

- определять расход поглотителя;

- строить равновесную и рабочую линию процесса;

- определять основные габаритные размеры абсорберов, пользуясь справочниками.

Назначение абсорбции. Абсорбция при разделении гомогенных газовых смесей и очистки газов. Выбор абсорбента. Физическая абсорбция и абсорбция, сопровождаемая химическим взаимодействием. Десорбция.

Равновесие между фазами при абсорбции. Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкостях. Материальный баланс процесса и уравнения рабочей линии при абсорбции и десорбции. Расход абсорбента. Тепловой баланс абсорбции. Отвод тепла при абсорбции.

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями – абсорбентами.

Принцип абсорбции основывается на различной растворимости компонентов газовых и парогазовых смесей в жидкостях при одних и тех же условиях. Поэтому выбор абсорбентов осуществляют в зависимости от растворимости в них поглощаемых компонентов, которая определяется:

· физическими и химическими свойствами газовой и жидкой фаз;

· температурой и давлением осуществления процесса;

При выборе абсорбента необходимо учитывать такие его свойства, как селективность (избирательность) по отношению к поглощаемому компоненту, токсичность, пожароопасность, стоимость, доступность и др.

Различают физическую абсорбцию и химическую абсорбцию (хемосорбцию). При физической абсорбции поглощаемый компонент образует с абсорбентом только физические связи. Процесс этот в большинстве случаев является обратимым. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора – десорбция. Если поглощаемый компонент вступает в реакцию с абсорбентом и образует химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

Процесс абсорбции обычно является экзотермическим, т. е. сопровождается выделением теплоты.

Абсорбция широко используется в промышленности для разделения углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получения соляной и серной кислот, аммиачной воды, очистки газовых выбросов от вредных примесей, выделения ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т. д.

Равновесие в процессах абсорбции определяется правилом фаз Гиббса (В.4), представляющим обобщение условий гетерогенного равновесия:

C = К - Ф + 2.

Поскольку процесс абсорбции осуществляется в двухфазной (газ – жидкость) и трехкомпонентной (один распределяемый и два распределяющих компонента) системе, число степеней свободы – три.

Таким образом, равновесие в системе газ (пар) – жидкость может характеризоваться тремя параметрами, например температурой, давлением и составом одной из фаз.

Равновесие в системе газ – жидкость определяется законом растворимости Генри, согласно которому при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

где р – парциальное давление газа над раствором; х – мольная концентрация газа в растворе; Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).

Закон Генри распространяется в первую очередь на слаборастворимые газы, а также на растворы с низкими концентрациями хорошо растворимых газов при отсутствии химической реакции.

Коэффициент Е имеет размерность давления, совпадающую с размерностью р, и зависит от природы растворяющегося вещества и температуры. Установлено, что с увеличением температуры растворимость газа в жидкости уменьшается. Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Поскольку тепловой эффект, сопровождающий процесс абсорбции, отрицательно сказывается на положении линии равновесия, он должен обязательно учитываться при расчетах. Количество теплоты, выделяющейся при абсорбции, может быть определено по зависимости

где q д - дифференциальная теплота растворения в пределах изменения концентрации х 1 – х 2 ; L – количество абсорбента.

Если абсорбция ведется без отвода теплоты, то можно допустить, что вся выделяющаяся теплота идет на нагревание жидкости, и температура последней повышается на величину

где с – теплоемкость раствора.

Для понижения температуры исходную газовую смесь и абсорбент охлаждают, отводя теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции, с помощью встроенных (внутренних) или наружных теплообменников.

Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть определено по закону Дальтона , согласно которому парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.

где Р – общее давление газовой смеси; у – мольная концентрация распределяемого в смеси газа.

Сопоставляя уравнения (10.2) и (10.1), найдем

где А равн = Е/Р – константа фазового равновесия, применимая для областей действия законов Генри и Дальтона.

Пусть Р аб – давление паров чистого абсорбента в условиях абсорбции; р аб – парциальное давление паров абсорбента в растворе; Р – общее давление; х – мольная доля абсорбируемого газа в растворе; у – мольная доля распределяемого газа в газовой фазе; у аб – мольная доля абсорбента в газовой фазе.

Согласно закону Рауля парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную долю в растворе:

По закону Дальтона (10.2) парциальное давление абсорбента в газовой фазе равно

При равновесии

Анализ факторов, влияющих на равновесие в системах газ (пар) – жидкость, позволил установить, что к параметрам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, - пониженное давление, повышенная температура и введение в абсорбент добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.

Материальный баланс процесса абсорбции выражается дифференциальным уравнением

где G – поток газовой смеси (инертного газа), кмоль/с; L – поток абсорбента, кмоль/с; Y н и Y к – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в газовой фазе, кмоль/кмоль инертного газа; Х к и Х н – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента; М – количество распределяемого вещества, перенесенного из фазы G в фазу L в единицу времени, кмоль/с.

Из уравнения материального баланса (10.9) можно определить необходимый общий расход абсорбента

Процесс абсорбции характеризуется также степенью извлечения (поглощения), представляющей отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном его извлечении,

Кинетика процесса абсорбции характеризуется тремя основными стадиями, которые соответствуют схеме, представленной на рис. 9.4.

Первая стадия – перенос молекул абсорбируемого компонента из ядра потока газа (пара) к поверхности раздела фаз (поверхности жидкости).

Вторая стадия – диффундирование молекул абсорбируемого компонента через поверхностный слой жидкости (граница раздела фаз).

Третья стадия – переход молекул абсорбируемого вещества от поверхности раздела фаз в основную массу жидкости.

Кинетические закономерности абсорбции соответствуют общему уравнению массопередачи для двухфазных систем:

Экспериментально установлено, что вторая стадия процесса абсорбции идет с большей скоростью и не влияет на общую скорость процесса, ограниченную скоростью наиболее медленной стадии (первой или третьей).

Движущая сила процесса абсорбции для I и III стадий в уравнениях (10.5а) и (10.6а) может быть выражена через другие параметры:

В уравнениях (10.5б) и (10.6б) р – рабочее парциальное давление распределяемого газа в газовой смеси; р равн – равновесное давление газа над абсорбентом, соответствующее рабочей концентрации в жидкости; С – рабочая объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости; С равн – равновесная объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости, соответствующая рабочему парциальному давлению его в газовой смеси.

При таком выражении движущей силы процесса абсорбции уравнение равновесной зависимости принимает вид

где Ψ – коэффициент пропорциональности, кмоль/(м 3 *Па).

Коэффициенты массопередачи выражаются для уравнений (10.5а) и (10.6а) в виде

для уравнений (10.5б) и (10.6б)

В уравнениях (10.7) и (10.8) β у, β р – коэффициенты массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз; β х, β С - коэффициенты массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку жидкости.

Коэффициенты массоотдачи по газу и жидкости β у и β х могут быть определены из критериальных уравнений, имеющих вид:

для газовой фазы Nu диф у = f *(Re, Pr диф у);

для жидкой фазы Nu диф х = f *(Re, Pr диф х).

Величина коэффициента Ψ оказывает существенное влияние на кинетику процесса абсорбции. Если Ψ имеет высокие значения (высокая растворимость компонента – диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе), то 1/(β c *Ψ) < 1/β р или К Р ≈ β р. Если Ψ мало (извлекаемый компонент трудно растворим – диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе), то Ψ/β р << 1/β с и можно считать К с ≈ β с

Так же, как для массоо6менных процессов при L/G = const, рабочие линии процесса абсорбции являются прямыми и описываются в случае противотока уравнением (9.4), а прямотока – уравнением (9.5).

Средняя движущая сила в уравнениях (10.5а) и (10.6а) определяется в случае прямолинейной равновесной зависимости через относительные мольные концентрации компонентов по зависимостям (9.6) и (9.7).

Эти же зависимости можно использовать и при выражении движущей силы процесса абсорбции через парциальные давления распределяемого компонента в газе или объемные мольные концентрации этого же компонента в жидкости в уравнениях (10.5б) и (10.6б)

Здесь Δр max , Δр min – большее и меньшее значения движущей силы в начале и конце процесса абсорбции, выраженные через разность парциальных давлений поглощаемого компонента; ΔС max , ΔС min – большее и меньшее значения движущей силы в начале и конце процесса абсорбции, выраженные через объемные мольные концентрации поглощаемого компонента в жидкости.

В случае Δp max /Δp min ≤ 2, ΔC max /ΔC min ≤ 2 при сохранении линейности равновесной зависимости средняя движущая сила процесса абсорбции может равняться среднеарифметическому этих значений.

При проведении процесса абсорбции, сопровождаемой химической реакцией (хемосорбция), протекающей в жидкой фазе, часть распределяемого компонента переходит в химически связанное состояние. В результате этого концентрация растворенного (физически связанного) распределяемого компонента в жидкости уменьшается, что приводит к увеличению движущей силы процесса по сравнению с чисто физической абсорбцией.

Скорость хемосорбции зависит как от скорости массопередачи, так и от скорости химической реакции. В этом случае различают диффузионную и кинетическую области протекания хемосорбции. В диффузионной области скорость процесса определяется скоростью массопередачи, в кинетической – скоростью химической реакции. В тех случаях, когда скорости массопередачи и реакции соизмеримы, процессы хемосорбции протекают в смешанной, или диффузионно-кинетической, области.

При расчете хемосорбции коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, учитывающий протекающую в ней химическую реакцию β′ х, может быть выражен через коэффициент массоотдачи при физической абсорбции β х с учетом фактора ускорения массообмена Ф м, показывающего, во сколько раз увеличится скорость абсорбции за счет протекания химической реакции:

β′ х = β х * Ф м

Фактор Фм определяют по графическим зависимостям.

absorption) - (в физиологии) поглощение, всасывание жидкости или других веществ тканями человеческого тела. Переваренная пища всасывается пищеварительным трактом и поступает затем в кровь и лимфу. Больше всего питательных веществ всасывается в тонкой кишке - в составляющих ее тощей и подвздошной кишке, однако алкоголь может легко всасываться и из желудка. Тонкая кишка выстлана изнутри мельчайшими пальцевидными выпячиваниями (см. Ворсинка), которые значительно увеличивают площадь ее поверхности, в результате чего всасывание продуктов пищеварения значительно ускоряется. См. также Ассимиляция, Пищеварение.

Абсорбция

Словообразование. Происходит от лат. absorptio - поглощение.

Специфика. Восприимчивость индивида к особым состояниям сознания (гипнозу, наркотикам, медитации). В обычных ситуациях проявляется в повышении уровня фантазирования. Показано, что абсорбция связана с другими личностными характеристиками (положительно - с разноплановостью мотивов, социальной приспособляемостью, образностью мышления, коммуникативностью, тревожностью, а также со слабостью и динамичностью нервной системы; отрицательно - с самоконтролем, социальным статусом в малой группе, уровнем притязаний, а также с подвижностью нервной системы).

Литература. Гримак Л.П. Моделирование состояний человека в гипнозе. М.: Наука, 1978;

Pekala R.J., Wenger C.F., Levine P. Individual differences in phenomenological experience: states of consciousness as a function of absorption // J. Pers. and Soc. Psychol. 1985, 48, N 1, p. 125-132

АБСОРБЦИЯ

1. При исследовании сенсорных процессов, поглощение рецептором химического, электромагнитного или другого физического стимула. Например, см. спектральная абсорбция. 2. Занятость, поглощенность какой-то деятельностью. Оттенок значения может быть положительным, когда внимание субъекта сосредоточено на выполнении какой-то задачи, или отрицательным, когда поглощение внимания рассматривается как уход от действительности.

Сорбция - (от лат. sorbeo - поглощаю), поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. Основные разновидности сорбции - адсорбция, абсорбция, хемосорбция. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое - сорбтивом (сорбатом). Важнейшие твердые сорбенты, способные к регенерации и применяемые в технике, - активные угли, силикагель, цеолиты, иониты. Сорбция в гидрометаллургии - поглощение ценных компонентов (U, Au, Mo) из растворов или пульп при выщелачивании руд и концентратов.

Различают поглощение всем объемом жидкого сорбента (абсорбция), а также твердого тела или расплава (окклюзия) и поверхностным слоем сорбента (адсорбция). Сорбция, обусловленная взаимодействием химического типа между поверхностью твердого сорбента и сорбатом, называется хемосорбцией. При сорбции паров твердыми веществами часто происходит капиллярная конденсация. Обычно протекает одновременно несколько сорбционных процессов.

Сорбция относится к действию абсорбции или адсорбции:

· Абсорбция - объёмное слияние двух веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (напр. жидкости, абсорбирующиеся твёрдыми телами или газами, газы, абсорбирующиеся жидкостями и т.д.).

· Адсорбция - физическое сцепление ионов и молекул на поверхности тела другого состояния (напр. реагенты адсорбируются к целой поверхности катализатора).

Обратный процесс выделения называют десорбцией.

Абсорбция

Абсорбция в химии - физический или химический феномен или процесс, при котором атомы, молекулы или ионы входят в какоё-либо объёмное состояние - газ, жидкость или твёрдое тело. Это процесс, отличный от адсорбции, поскольку молекулы, подвергающиеся абсорбции, забираются по объёму, а не по поверхности (как происходит в случае с адсорбцией). Более общий термин - сорбция, который охватывает процессы абсорбции, адсорбции и ионного обмена. Абсорбция, в основном - это где что-то присоединяет другую субстанцию.

Если абсорбция является физическим процессом, не сопровождаемым другими физическими или химическими процессами, она обычно подчиняется закону распределения Нернста:

при равновесии отношение концентраций третьего компонента в двух жидких состояниях является постоянной величиной.";

Объём постоянной K N зависит от температуры и называется коэффициентом распределения. Это равенство верно при условии, что концентрации не слишком велики и если молекулы "х" не меняют свою форму в любом другом из двух состояний. Если такая молекула подвергается ассоциации или диссоциации, тогда это равенство всё так же описывает равновесие между "х" в обоих состояниях, но только для той же формы - концентрации всех оставшихся форм должны быть рассчитаны с учетом всех остальных равновесий.

В случае газовой абсорбции можно рассчитать концентрацию используя например Закон идеального газа, c = p/RT. В качестве альтернативы можно использовать парциальное давление вместо концентраций. Во многих технологически важных процессах, химическая абсорбция используется вместо физического процесса, например абсорбция углекислого газа гидроксидом натрия - такие процессы не следуют закону распределения Нернста.

Для некоторых примеров этого эффекта можно рассмотреть экстракцию, при которой можно извлечь из одной жидкой фазы раствор и перенести в другую без химической реакции. Примеры таких растворов - благородные газы и оксид осмия.

Рис.1 Лабароторный абсорбер. 1a): впуск CO 2 ; 1b):впуск H 2 O; 2): выпуск; 3): абсорбционная колонна; 4): наполнитель

Адсорбция

Адсорбция (лат. ad -- на, при; sorbeo -- поглощаю) -- процесс сгущения газообразного или растворенного вещества на поверхности раздела фаз. Адсорбция -- частный случай сорбции.

Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое -- адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом -- адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция.