Абсорбція та адсорбція Абсорбція

Абсорбція – це процес вибіркового вбирання одного або декількох компонентів газової або парової суміші рідким вбирачем (абсорбентом). Абсорбцію широко використовують в харчових виробництвах, наприклад: насичення безалкогольних напоїв, пива та деяких сортів вин вуглекислим газом; уловлювання пари спирту в спиртовому виробництві; обробка водного цукрового розчину вуглекислим та сірчистим газом в цукробуряковому виробництві.

При фізичній абсорбції компонент, що вбирається, не взаємодіє хімічно з абсорбентом. Це зворотний процес, і зворотне виділення речовини, що була ввібрана, із розчину називається десорбцією. Цей процес використовується для регенерації вбирачів.

Якщо компонент, що вбирається, утворює з абсорбентом хімічну сполуку, то такий процес називають хемосорбцією. Такі процеси використовують у цукробуряковому виробництві.

Будова абсорберів

При абсорбції процеси масообміну відбуваються на поверхні стикання фаз, що взаємодіють між собою. У зв’язку з цим в абсорберах намагаються створити розвинену поверхню між газом і рідиною. За способом утворення цієї поверхні розрізняють абсорбери поверхневі, барботажні та розпилюючи.

В поверхневих абсорберах газ і рідина стикаються на розвиненій поверхні плівки або поверхні, яка створюється насадками різної форми. Основні типи плівкових абсорберів: каскадні, трубчасті, насадкові. В каскадних абсорберах рідина стікає зверху по поличкам різної форми; знизу подається газ. Трубчасті абсорбери за конструкцією нагадують трубчасті теплообмінники. В них газ (знизу) і вода (зверху) зустрічаються в середині труб. В міжтрубний простір подається охолоджуюча вода. Ці абсорбери використовуються в тих випадках, коли необхідно охолоджувати рідину, тобто за допомогою охолоджуючої води забрати тепло абсорбції.

Найбільше використання у виробництві мають насадкові абсорбери. Вони відрізняються простотою конструкції і відносно високою ефективністю. Насадковий абсорбер – це циліндрична башта, яка заповнена насадкою. Якісну роботу абсорбера забезпечує максимальна питома поверхня насадки. Найбільш розповсюджені хордова та кільцева насадки (рисунок 13.1).

Рисунок 13.1 – Насадки апаратів для абсорбції

Кільцева насадка (а) – це порожнисті керамічні кільця Рашига; в них висота дорівнює діаметру, величина якого становить від 15 до 100 мм. Кільця насипають в абсорбер на решітку. Крім кілець Рашига застосовують і інші види насадок: кільця з перегородками (б), спіральні кільця (в), насадка у вигляді пропелерів (д), сідлоподібні елементи (е). Хордова насадка (ж) виготовляється з дерев’яних рейок, які вкладаються в абсорбери ребром у вигляді решіток, зсунутих одна відносно другої на 90⁰. В якості насадок застосовують також шар із шматків коксу або кварцу розміром 25–100 мм. Шарова насадка (г) із порожнистих поліетиленових шарів діаметром 25–35 мм використовується в абсорберах решітчастого (тарілчастого) типу або в абсорберах із псевдозрідженим шаром.

На рисунку 13.2 зображений загальний вигляд насадкового абсорберу.

Рисунок 13.2 – Насадковий абсорбер

Рідина подається через розподільний пристрій 1, який забезпечує рівномірне зрошення за усім перерізом нерухомої насадки 2. Насадка насипається на решітки 3, під якими розміщений конус 4, що спрямовує рідину до центру шару насадки, який насипаний нижче.

Насадкові абсорбери відрізняються простотою конструкції і можливістю працювати в агресивних середовищах, тому вони використовуються в різних галузях промисловості, особливо в хімічній. Для сталої роботи апарату необхідна висока щільність зрошення.

Абсорбційні колони із псевдозрідженим шаром насадки дозволяють інтенсифікувати процес абсорбції за рахунок того, що насадка приводиться в завислий стан (рисунок 13.3).

Рисунок 13.3 – Абсорбер із псевдозрідженим шаром насадки

Шар шарів розміщується на опорних решітках. Зверху решітка обмежує підняття шарів. Псевдо зріджена насадка сприяє кращому контакту рідини і газу. В якості насадки застосовують порожнисті або суцільні шари з різних матеріалів: полімерів, скла, гуми, сталі тощо.

В барботажних абсорберах поверхня стикання фаз утворюється потоками газу, які проходять через шар рідини на тарілці у вигляді бульбашок і струменів. Такий рух газу називається барботажем і здійснюється в колонах з ковпачковими, ситовими або провальними тарілками.

Ковпачкова тарілка (рисунок 13.4) складається з горизонтальної основи 2, яке має горловину 4, над якою встановлені ковпачки 5.

Рисунок 13.4 – Схема роботи ковпачкового барботажного абсорбера

Рідина з верхньої тарілки поступає по переливній трубі (стакану) 1, яка нижньою частиною занурена в шар рідини на нижній тарілці. Перегородка 3 забезпечує необхідний шар рідини на тарілці (35–50 мм). Рідина омиває ковпачки і уходить по трубі 1 на наступну тарілку. Живий переріз ковпачкової тарілки становить близько 10%. Газ, що містить компонент, який необхідно ввібрати, проходить через горловину під ковпак, занурений в рідину. Струмені і бульбашки газу виходять в рідину і барботують через неї, створюючи на поверхні шар піни та бризки. Контакт між газовою та рідкою фазами відбувається на поверхні бульбашок газу, піни та бризок. Велика поверхня контакту фаз між тарілками забезпечує інтенсивний масообмін, при якому компонент, що вбирається з газової суміші переходить в рідину.

Абсорбер з ситовими тарілками зображений на рисунку 13.5.

Рисунок 13.5 – Схема абсорбера з ситовими тарілками

Ситова тарілка має отвори діаметром 3–5 мм, живий переріз тарілок близько 10%. Газ проходить через отвори в тарілках. Рідина переливається з однієї тарілки в другу по переливним трубам і утримується на тарілках тиском газу. Ситові тарілки у порівнянні з ковпачковими простіші за будовою та дешевші при виготовленні.

Абсорбери з провальними тарілками не мають переливних труб. Рідина і газ проходять через одні і ті ж отвори: круглі діаметром 3–10 мм або прямокутні розміром 4х60 мм. Живий переріз такої тарілки близько 15%. Використовують також струменеві (рисунок 13.6а) і клапанні (рисунок 13.6б) тарілки.

Рисунок 13.6 – Схеми роботи різних видів тарілок

Розпилювальні абсорбери створюють поверхню контакту фаз шляхом розпилювання рідини в масі газу на дрібні краплі (рисунок 13.7)

Рисунок 13.7 – Схема розпилювального абсорбера

Розпилювання рідини виконують механічними або пневматичними форсунками, а також відцентровими розпилювачами.