4 сорбционни процеси и апарати

Наименованието на тези процеси произлиза от латинската дума sorbeo - поглъщам. Към сорбционните процеси спадат процесите на поглъщане на газове, пари или разтворени вещества от течности и твърди тела. Тъй като се извършва поглъщане само на някои вещества от газови смеси, казваме, че сорбционните процеси са избирателни. Ако сорбираният газ не взаимодейства химически с течната или твърда фаза, която го поглъща, процесът се нарича физична сорбция. В противен случай се говори за химична сорбция(хемисорбция). Използват се за пречистване на газови смеси, въздух, разтвори и др. Обратният процес на отделяне на погълнатото вещество се нарича десорбция. От сорбционните процеси най-широко приложение имат абсорбционните, адсорбционните и йонообменът.

В практиката процесът абсорбция може да се представи така. Нека вземем газова смес, състояща се от компонентите А,В, и С и е необходимо да се отдели компонентът А. Трябва да се намери такава течност, която да разтваря силно само А, а в същото време В и С да не се разтварят. И накрая да се намери подходящ апарат, в който да се проведе процесът. В този случай А представлява поглъщаното (абсорбираното) вещество, а неабсорбираните компонентите В и С, тъй като не участват активно в процеса, се наричат инертни носители (газ-носители). Течността, която поглъща компонент А и го разтваря, се нарича абсорбент.

Газовата смес постъпва в долната част на колоната под опорната решетка 4, носеща пълнежа, преминава през него, контактувайки с абсорбента и напуска колоната от върха. Абсорбентът се подава в противоток през оросително устройство 1, стича се във вид на тънък филм по пълнежните тела и наситен, се извежда от долния край на колоната през хидрозатвор. При голяма височина на пълнежа течността постепенно се изтласква от газа към стените на колоната, а газът се промъква в средата (газов тунел). Това води до намаляване на ефективната повърхност на контакта между двете фази. За да се избегне образуването на газов тунел, пълнежът се дели на секции, като през 2-3 м се поставят събиратели на абсорбента 3, които го преразпределят.

Колоните с неподвижен пълнеж имат просто устройство, малко хидравлично съпротивление, лесна защита от корозия и удобно обслужване. Техни недостатъци са: трудно охлаждане и лошо умокряне на пълнежа при ниски плътности на оросяването и невъзможност да се използват при силно замърсени с твърда фаза газове или течности.

Абсорберите с листов пълнеж са разновидност на абсорбционните колони, запълнени с пълнежни тела. В тях са монтирани вертикални листове от различен материал (метал, дърво, пластмаса и др.). Над тях е поставено специално разпределително устройство, осигуряващо покриването на всеки лист от пълнежа от двете страни с тънък течен слой. По този начин тези абсорбери могат да разделят и замърсени газове смеси.

Разпръскващият абсорбер на Вентури е с най-широко приложение от този вид високоскоростни апарати. В него се използват тръби на Вентури, които се поставят хоризонтално или вертикално (фиг.4.7). Течността постъпва в конфизора 1 на тръбата на Вентури, стича се и във вид на ципа през гърловината 2 се разпръсква в газовия поток в дифузора 3. Разделянето на капките от газовата смес протича в разделителната камера 4.

Към разпръскващите абсорбери могат да се отнесат и механичните абсорбери. При тях течната фаза се разпръсква на фини капки в затворено пространство с помощта на различни по

Фиг.4.6. Схеми на кухи колони с дюзи Фиг.4.7. Схема на абсорбер

на Вентури
конструкция механични приспособления. Тези абсорбери работят с ниско хидравлично съпротивление, добро смесване, но ограничен фазов контакт. Наличието на движещи се части и значителният разход на механична енергия ограничава тяхното приложение.

В промишлени условия абсорбцията протича самостоятелно или в съчетание с десорбция. В първия случай абсорбентът се използва еднократно, като се получава краен продукт, полупродукт или отпадъчни води. Когато абсорбцията е съпроводена с десорбция, абсорбентът се употребява многократно и абсорбирания компонент се отделя и получава в чист вид. Задачата на десорбционния процес е възможно пълно регенериране на абсорбента с най-малък разход на десорбиращ агент.

Процесът на отделяне на разтворените газове от наситения абсорбент се нарича д е с о р б ц и я. Този процес се осъществява чрез продухване на абсорбента с инертен газ, нагряване, понижаване на налягането или съчетаване на тези начини. Тя е обратен процес на абсорбцията и продължава до достигане на равновесното състояние при новите условия. Продухване с инертен газ се извършва чрез смесване на разтвора на газа(наситения абсорбент) с инертен газ(въздух или прегрята водна пара). Това води до повишаване на парциалното налягане на газовата компонента и тя преминава обратно в газовата среда. Десорбираният газ се отделя заедно с въздуха и затова този начин се прилага главно за регенерация на абсорбента или когато десорбирания газ не е ценен продукт и не замърсява околната среда. Нагряването на наситения абсорбент се извършва с непряка пара при което заедно с десорбирания газ се изпарява и част от абсорбента. Това води до загуба на абсорбент и необходимост от следващото им разделяне. Десорбция чрез понижаването на налягането обикновено се комбинира с десорбция чрез нагряване до кипене и се прилага за пълно отделяне на газа, останал при атмосферно налягане разтворен в абсорбента. При този начин десорбирания газ се изсмуква от вакуумпомпа. Това се прилага за десорбция на газове, чиято разтворимост силно се влияе от налягането(например отделянето на въглероден диоксид от вода при очистване на технологичния газ за синтеза на амоняк).

Абсорбционно-десорбционните инсталации са непрекъснато действащи уредби, в които десорбцията може да се провежда извън инсталацията или едновременно с абсорбцията в една инсталация. По принцип те включват абсорбери с различна конструкция; топлообменници за отнемане на топлината на абсорбция или за нагряване на абсорбента преди подаване в десорбционната колона; резервоари; помпи за подаване, циркулация и отвеждане на абсорбента; вакуумни помпи; арматура; тръбопроводи и др.

Промишлените инсталации са едностепенни с частична циркулация на абсорбента и многостепенни (фиг.4.8), най-често с противотоково движение на фазите. Броят на степените на абсорбция или десорбция зависи от концентрацията на абсорбирания компонент и желаната степен на абсорбция или десорбция. В химическата технология много често абсорбцията и десорбцията се извършва в една инсталация (фиг.4.9).

Абсорбционно-десорбционната инсталация с частична рециркулация на разтвора на газа е най-икономичната, тъй като се постига по-пълно оползотворяване на топлината и по-малък разход на абсорбент. Състои се от две отделения : абсорбционно – два последователно свързани абсорбера 1 и три междинни охладителя 4 и десорбционно, включващо топлообменник-регенератор 5 и десорционна колона 6. Спомагателни съоръжения са резервоари 2 и помпи 3.

Фиг.4.8.Схема на тристепенна абсорбция Фиг.4.9. Абсорбционно-десорбционна

инсталация
Газовата смес се подава в основата на първия абсорбер и последователно преминава през двата апарата. В противоток се движи абсорбентът, който се подава в горния край на втория абсорбер. Наситеният абсорбент от колоните се събира в резервоарите и оттам с помпи се прехвърля от един абсорбер в друг. Между колоните има монтирани междинни охладители за междинно охлаждане на абсорбента. Част от наситения абсорбент преминава през топлообменника 5 и се подава в горния край на десорбера 6. Десорбираният газ напуска десорбционната колана от горния край. Регенерираният абсорбент от резервоара преминава през топлообменника, за да отдаде топлината си на постъпващия абсорбент. След допълнително охлаждане се смесва с циркулиращия абсорбент на втория абсорбер, за да компенсира тази част от него, която се връща към първия абсорбер.
Контролни задачи и въпроси:
1. Какво е значението на абсорбционните процеси за химическата промишленост? 2.От какво зависи количеството на разтворения газ? 3.Защо при престояване на вода от водопровода при стайна температура по стените на съда се отделят мехурчета? 4.Сравнете процесите абсорция и десорбция. По какво си приличат и по какво се различават двата процеса? 5.За какви газове се подходящи барботажните и разпръскващите абсорбери?

Адсорбция
Адсорбцията е процес на избирателно поглъщане от повърхността на твърди тела на един или няколко компонента на газова или течна фаза. Този процес се използва за разделяне на газови смеси или за извличане на разтворени вещества от техните разтвори. Практическото приложение на тези процеси е разнообразно – извличане на влагата от въздуха и други газове, както и от бензин, отделяне на вредни или, напротив ценни компоненти на газови смеси, очистване на газове, разделяне на фракции на газови смеси от въглеводороди или течни смеси от ароматни или парафинови въглеводороди, обезцветяване на петролни продукти и др.

Адсорбцията се основава на взаимодействието между частиците на поглъщаното вещество и повърхността на твърдото тяло, което се нарича адсорбент. Силите, които предизвикват това взаимодействие, са твърде различни. Така адсорбирането на първите порции газ става много здраво под действие на химични сили и е съпроводено от отделяне на топлина както при химични реакции. Тази адсорбция се нарича х е м и с о р б ц и я. При поглъщането на следващите порции газ (при повишаване на налягането) процесът има физичен характер (ф и з и ч н а адсорбция) и настъпва равновесие. По-нататъшното увеличаване на налягането довежда до кондензиране на погълнатите газове и пари в капилярите и пукнатините на адсорбента под действието на капилярни сили. Явлението се нарича к а п и л я р н а к о н д е н з а ц и я. Адсорбцията на разтвори е много по-сложна, тъй като наред с поглъщането на неутрални молекули става адсорбиране и на йони (полярна адсорбция).

Като масообменен процес адсорбцията е равновесен, т.е. обратим процес. Обратният процес, както и при абсорбцията, се нарича десорбция и се прилага за получаване на веществото в чист вид, а също и за регенериране на адсорбента. Десорбцията се провежда при повишена температура или понижаване на налягането. Адсорбционното равновесие се установява след достатъчно време на контакт между фазите в процеса. Опитно е установено, че при постоянна температура количеството адсорбирано вещество от единица маса(обем) адсорбент е пропорционално на парциалното налягане на погълнатия газ, съответстващо на неговата концентрация в адсорбента.

Независимо от силите, които предизвикват адсорбционния процес (физични или химични), количеството на адсорбираното вещество зависи от свойствата на поглъщаното вещество, природата и структурата на адсорбента, неговата обработка, температурата, налягането при които протича процеса.

Адсорбционните процеси са избирателни, т.е. всеки адсорбент има свойството да поглъща само определени вещества и да не поглъща други компоненти на сместа. При еднакви други условия първи се адсорбират газове и пари, които по-лесно се втечняват, а от разтвори в по-голяма степен се поглъщат по-слабо разтворимите вещества. Тъй като адсорбционният процес е екзотермичен, количеството адсорбирано вещество се увеличава с понижаване на температурата и повишаване на налягането. Като хетерогенен процес поглъщането е толкова по-голямо, колкото е по-голяма повърхността на адсорбента.

Адсорбенти. Като адсорбенти в практиката се използват твърди порести вещества с голяма и грапава повърхност. Обикновено те са под формата на гранули с различни размери от няколко десетки микрона до няколко милиметра. Установено е, че цялата повърхност на адсорбента няма еднаква поглъщателна способност. При силно увеличение се вижда, че повърхнината на добрите адсорбенти не е гладка, а е покрита с многобройни микроскопични пукнатини, драскотини, изпъкналости и вдлъбнатини. Приема се, че газовите частици най-напред се адсорбират по върховете, ръбовете и изпъкналостите, които са най-активните места.

Адсорбентите трябва да имат голяма специфична повърхност, висока активност и селективност, добра механична якост, да бъдат евтини и лесно да се регенерират. Повърхността на адсорбента отнесена към единица маса или обем адсорбент определя тяхната специфична повърхност, изразена в m²/g. Основна характеристика на адсорбентите е активността (поглъщателната способност, или адсорбционен капацитет). Тя се определя от количеството вещество, погълнато от единица маса или обем адсорбент, kg/kg. Капацитетът на адсорбента по отношение на дадено вещество зависи от концентрацията на веществото в газовата смес, температурата и налягането, при които протича процесът. Максималната поглъщателна способност, която се постига при дадена температура и налягане, се нарича с т а т и ч н а активност. След известно време част от поглъщания газ престава да се адсорбира и преминава в газовата фаза след адсорбента. Затова количеството вещество, погълнато до появата му след адсорбента определя д и н а м и ч н а активност на адсорбента. Динамичната адсорбционна активност е винаги по-малка от статичната и е основа за изчисляване на необходимото количество адсорбент. С е л е к т и в н о с т та определя различната активност на адсорбентите към различни вещества. Тя дава възможност адсорбентите да се регенерират.

Най-разпространени адсорбенти за разделяне на газови смеси са различните видове активен въглен, силикагелът и зеолитите. Те имат висока адсорбционна активност и сравнително лесно се регенерират. Активен въглен се получава чрез суха дестилация на вещества от различен растителен произход и животински произход и активиране на получения суров въглен. Той има голяма специфична повърхност и активност, но е лесно запалим и бързо губи адсорбционните си качества. Използва се да поглъщане на органични газове пари и очистване на разтвори от примеси. Силикагелът се получава чрез обезводняване на гел от силициева киселина. Има висока активност, по-продължителна употреба и термоустойчивост, но по-малка специфична повърхност в сравнение с активния въглен. Той намира най-широко приложение за поглъщане на полярни молекули и водни пари при сушене на газове. Зеолитите са природни или изкуствени алумосиликати с кристален строеж. Природните зеолити като активните глини и хумата се използват за пречистване на течности от примеси. От синтетичните зеолити най-често се използват йонообменните смоли и молекулните сита. Те се отличават с висока активност и селективност, химична и механична устойчивост и сравнително лесно регенериране.

Адсорбцията е незаменим процес за бързо и пълно поглъщане на ценни вещества, за сушене на газове, за очистване на продукти. Този процес е икономически по-изгоден от абсорбцията, когато целевият компонент в газовата фаза е с много ниска концентрация или трябва напълно да се улови. Недостатъците на адсорбционните методи са сравнително ниската ефективност на инсталациите, значителните разходи за регенериране и за запазване активността на адсорбента в хода на експлоатацията му, както и техническите и конструктивни трудности при осъществяване на непрекъснат процес.

Фиг.4.10. Адсорбери с периодично действие:

а – хоризонтален; б – вертикален
След насищане на адсорбента, той се подлага на регенериране с цел възстановяване на неговата активност или отделяне и оползотворяване на погълнатото вещество. За целта адсорбентът се обработва с инертни газове и се нагрява. Най-често десорбцията се извършва с прегрята водна пара, която се подава в посока обратна на постъпващата за разделяне газова смес. Парата и кондензата се отвеждат през отделни щуцери. Преди превключване на апарата за нова адсорбция през щуцера за пара се подава най-напред сух горещ въздух за изсушаване на адсорбента, а след това студен газ за охлаждането му. Тези апарати работят периодично, тъй като в тях протичат последователно отделните етапи на процеса: адсорбция, десорбция, сушене и охлаждане на адсорбента. За да се осъществи непрекъснат адсорбционен процес е необходимо да се използват най-малко два такива апарата.

При работа на адсорберите с периодично действие процесът на разделяне на газовата смес периодично се преустановява, за да се регенерира адсорбентът. Този недостатък се избягва при адсорберите с непрекъснато действие.

Фиг.4.11. Схема на адсорбер с Фиг.4.12.Схема на адсорбер с движещ се адсорбент кипящ слой

Едностепенните адсорбери представляват метално тяло 4, в което е поставена разпределителна решетка 5 (фиг.4.12). Адсорбентът постъпва в апарата по тръба 2, а се отвежда за регенериране през тръба 6, определяща височината на кипящия слой адсорбент.

През щуцера 1 под решетката се подава газовата смес, довеждаща адсорбента до състояние на псевдокипене. Очистеният газ се отвежда през щуцер 3, като преди това преминава през филтруваща фуния, за да се отделят евентуално увлечените частици на адсорбента.

Многостепенните апарати са колони, в които газовата смес минава отдолу нагоре последователно през различните степени, а адсорбентът чрез преливни тръби се движи в противоток от тарелка на тарелка. Наситеният адсорбент се извежда от най-долната степен на колоната за регенерация.

Адсорберите с кипящ слой работят интензивно. Те имат по-малко хидравлично съпротивление на една степен от адсорберите с неподвижен адсорбент. Интензивното движение на частиците в кипящия слой обаче води до бързото им износване, поради което за реализиране на процеса е необходимо адсорбентът да притежава достатъчна механична якост.

Адсорбционни инсталации. Адсорбционният процес се реализира в инсталации с периодично или с непрекъснато действие. В първите адсорбцията, десорбцията, сушенето и охлаждането протичат в четири последователни етапа. При непрекъснато действащите инсталации тези етапи се извършват едновременно. Адсорбционните инсталации включват принципно следните основни апарати: абсорбер, десорбер, регенератор(активатор) и спомагателни съоръжения.

Фиг.4.13. Схема на непрекъснато действаща адсорбционна инсталация
Адсорбционните инсталации с непрекъснато действие работят чрез използване на периодично работещи апарати. За да бъде адсорбцията непрекъсната, инсталацията се изгражда от два или повече апарати, които се включват последователно. При инсталация с два адсорбера (фиг.4.13) след насищане та адсорбента в адсорбера 1 газовата смес се подава за разделяне в адсорбер 2. През това време в първия адсорбер се извършват десорбцията, сушенето и охлаждането на адсорбента. След като адсорбентът е регенериран и подготвен първият апарат се включва отново за адсорбция, а втория – за регенериране. Получената след десорбцията смес от водна пара и десорбиран компонент постъпва в кондензатор 3 за разделяне. Необходимият въздух за сушенето и охлаждането на адсорбента се осигурява с вентилатор 4 и калорифер 5.

Тези инсталации могат да включват адсорбери с движещ се или с кипящ адсорбент като за целта са монтирани допълнителни съоръжения, свързани главно с отделяне на част от адсорбента за пълна регенерация и активация.