Сорбція

Сорбцією називається процес поглинання певним тілом газів, пари або розчинених речовин з навколишнього середовища. Тіло, що поглинає речовину, називають сорбентом. Типові для сорбції процеси — абсорбція і адсорбція.

Абсорбція — поглинання речовини, що супроводжується на­ступною її дифузією в глибину тіла і утворенням розчину. Погли­наючу речовину у цьому процесі називають абсорбентом. Нею звичайно є рідина.

Адсорбція — це поглинання речовини поверхнею твердого по­глинача — адсорбента.

Якщо під час сорбції відбувається хімічна взаємодія між речо­виною, що поглинається, і сорбентом, то такий процес назива­ють хемосорбцією. Якщо ж поглинання супроводжується кон­денсацією пари в порах поглинача, таке явище називають моле­кулярною конденсацією.

Процес сорбції зворотний. Виділення речовин під час зворот­ного процесу називають десорбцією.

Сорбційні процеси дуже поширені у виробництві спирту, цу­кру, крохмалю, вина, ядерного палива.

Абсорбцію застосовують у виробництві цукру (для очищання соку і сиропу), крохмалю (для одержання екстрагенту—розчину сірчистої кислоти), у консервному виробництві (для одержання розчинів, що забезпечують зберігання плодів і овочів), вина, спирту та інших продуктів. В усіх зазначених випадках абсорбен­том є вода.

У процесі абсорбції беруть участь дві фази: газоподібна — суміш компонента, який поглинається, з інертним носієм і рідка — абсорбент, що вибірково поглинає компонент, який пе­реходить у рідкий розчин. До границі розділення фаз і від гра­ниці розділення вглиб абсорбента речовина, що поглинається, переноситься за допомогою конвективної дифузії, оскільки за ви­робничих умов обидві фази звичайно рухливі.

Підвищення швидкості руху фаз збільшує швидкість перене­сення речовини у кожній з фаз, внаслідок чого зростає загальна швидкість абсорбції. Швидкість абсорбції прямо пропорційна також площі контакту фаз і тиску, оскільки із зростанням тиску розчинність газів у рідині також зростає. Підвищення температу­ри знижує швидкість абсорбції, оскільки погіршується роз­чинність газів у рідині.

Рівновага в процесі абсорбції. Рушійною силою процесу аб­сорбції є різниця концентрацій речовин, що поглинається, у газі у і в розчині х. Процес припиниться, якщо концентрації зрівнова­жаться або коли парціальний тиск газу, шо поглинається, нал

розчином досягне значення рівноважного .

Основним законом, що характеризує рівновагу в системі газ-рідина, є закон Генрі, за яким при незмінній температурі роз­чинність газу в рідині прямо пропорційна парціальному тиску р цього газу над розчином

(4.46)

Де х — концентрація в абсорбенті газу, що поглинається,

кмолъ/кмолъ;

— коефіцієнт пропорційності (за Генрі).

Парціальний тиск газу в суміші виражається залежністю

(4.47)

де у— концентрація в газовій суміші газу, що поглинається, кмолъ/кмолъ;

Р — загальний тиск у суміші. З рівнянь (4.46) і (4.47) витікає

(4.48)

Де — константа фазової рівноваги.

Рис. 4.35. Крива абсорбційної рівноваги

Рис. 4.36. Схема протитечійного абчорбційного апарата

У загальному випадку залежність між концентраціями у і х графічно виражається кривою лінією (4), яку називають

кривою рівноваги. Будують її за звичай за експериментальними даними.

Матеріальний баланс абсорбції. У разі безперервного проце­су в апараті, протитечія створює найбільшу середню рушійну си­лу (рис. 4.35). Концентрація в газі компонента, що поглинається, змінюється від а у рідкій фазі—від кмоль/кмоль.

Витрати інертного газу G і абсорбента L (кмоль/с) у процесі не змінюються. Якщо під час абсорбції не втрачається і речовина, яку поглинають, то кількість цієї речовини, що входить в абсорбер з газом і абсорбентом

дорівнюватиме кількості речовини, яка виходить з апарата з газом

і абсорбентом

або

(4.49)

З рівняння (4.49) витікає

(4.49)

Абсорцію здійснюють в насадочних та тарілчастих колонах. Тарілчасті колони дорожчі від насадочних, гідравлічний опір в них вищий, а ефективність розподілу вища.

У більшості процесів всіх технологій має місце адсорбція з розчинів. Наприклад, у цукровому, лікеро-горілчаному, спирто­вому, крохмале-патоковому виробництвах адсорбцію викорис­товують для очищення і знебарвлювання продуктів або для очи­щання води, що надходить у виробництво, або вже використаної. У спиртовому і лікеро-горілчаному виробництвах адсорбцію за­стосовують для уловлювання пари і зменшення її витрат.

Адсорбція розподіляється на фізичну, хемосорбцію, капіляр­ну конденсацію. Загальним для всіх видів адсорбції лишається те, що її зумовлюють сили тяжіння між атомами і молекулами. Кількість речовини, поглинутої масовою або об'ємною одини­цею поглинача залежить від природи його і речовини, яка погли­нається, її концентрації в парогазовій суміші або розчині, що оточують адсорбент, температури і, в разі поглинання з газо­подібного середовища, тиску.

Процес адсорбції, як і будь-який інший масообмінний процес, перебігає в напрямі встановлення рівноваги між фазами. При незмінній температурі для даної пари адсорбент-адсорбтив за

рівноважних умов має місце точно визначена залежність концен-

трації адсорбтиву в адсорбенті від концентрації в навколиш-

ньому газі (розчині) С

Цю залежність, що виражає статику процесу, називають рівнян­ням ізотерми адсорбції. У найзагальнішому випадку рівноважна кон­центрація тим вища, чим більшими будуть молекулярна маса газу, що поглинається, тиск у парогазовій фазі і нижчою температура.

У процесі адсорбції звичайно виділяється значна кількість теплоти, і, якщо її не відводити, температура шару адсорбента підвищиться, що негативно позначиться на його активності.

Процес адсорбції зворотний. У виробничих умовах зворот­ний процес (десорбція) нерозривно зв'язаний з прямим процесом. Процесу десорбції активно сприяє підвищення температури і зни­ження тиску в середовищі, що оточує адсорбент.

До адсорбентів промислових адсорберів належать: активова­не вугілля (деревне, кам'яне, кісткове), силікагель, алюмогель, це­оліти, глини.

Активоване вугілля одержують в результаті сухої перегонки відповідної сировини (деревини, тирси, кісточок з фруктів, кісток тварин відходів шкіри та інших матеріалів) з наступним вилучен­ням смолистих речовин з шпар цих речовин. Питома поверхня

активованого вугілля (600...700) використовують його у ви-

гляді гранул розміром (1...7) мм або порошків з частинок розміром (25... 250) мкм.

Силікагель (зневоджений гель кремнієвої кислоти) відрізняється від активованого вугілля однорідністю шпар рівномірним їх розподілом по об'єму частинки і здатністю витри­мувати високі температури. Питома поверхня його (300...750)

Розміри зерен — (0,2...7) мм.

Алюмогель (суміш нормального гідрату окису алюмінію з полігідратами) широко використовують для висушування газів,

питома поверхня його (200...600) Цеоліти — водні алюмосилікати натрію і калію (бентоніт, ша­базит, десміт та інші мінерали) з винятково тоненькими шпарами можна розглядати як молекулярні сита. їх поглинальна здатність в два — чотири рази вища від поглинальної здатності силікагелів і алюмогелів.

Глини (інфузорна земля, трепел) із меншою питомою поверх­нею шпар, ніж в усіх згаданих раніше матеріалів — (200...400)

Проте через низьку вартість і значне поширення в природі

знаходять застосування в промисловості.

Матеріальний баланс процесу адсорбції виражають рівнян­ням, аналогічним рівнянню (4.49) для процесу абсорбції, оскіль­ки в обох процесах можна вважати незмінними кількості інертно­го газу G у кожній фазі, а також не рахуватися з втратами роз­поділеної в фазах речовини, що поглинається.

Кінетика процесу адсорбції також має багато спільного з про­цесом екстракції в системі "тверде тіло — рідина". Процес скла­дається з двох основних стадій: перенесення речовини всередині твердого тіла за законами молекулярної дифузії і масообміну на поверхні твердого тіла за законами конвективної дифузії.

Процес адсорбції у промислових умовах може відбуватись періодично і безперервно. У першому випадку зернистий шар ад­сорбенту нерухомий, а газоподібна (рідка) фаза з речовиною, яку треба поглинати, фільтрується крізь шар. На початку процесу ад-сорбтив поглинається першими за рухом суцільного середовища шарами адсорбента. На певній висоті шару концентрація речови­ни, що поглинається, в газі впаде практично до нуля, потім фронт руху газу, на якому концентрація переходить від істотно більшої від нуля до нульової, буде повільно просуватися по висоті шару. Слідом за цим шаром, на певній відстані від нього, рухатиметься фронт суцільного середовища з концентрацією адсорбтива, що дорівнює початковій Со

а весь шар адсорбента за цим фронтом оуде повністю насиченим і не поглинатиме більше адсорбтива.

Щоб процес адсорбції відбувався безперервно, адсорбент по­винен рухатись назустріч потоку газу (рідини). Це можливо у то­му випадку, коли частинки адсорбента після їх повного насичен­ня безперервно регенеруватимуться, охолоджуватимуться, а потім знову надходитимуть у робочу ділянку шару, де відбу­вається процес адсорбції.