АБСО́РБЦИЯ

АБСО́РБЦИЯ га­зов (лат. absorptio, от absorbeo – по­гло­щать), объ­ём­ное по­гло­ще­ние га­зов и па­ров жид­ко­стью или твёр­дым те­лом (аб­сор­бен­та­ми) с об­ра­зо­ва­ни­ем рас­тво­ра; ча­ст­ный слу­чай сорб­ции. Про­цесс, об­рат­ный А., – де­сорб­ция. А. га­зов твёр­ды­ми или рас­плав­лен­ны­ми ме­тал­ла­ми с об­ра­зо­ва­ни­ем твёр­дых рас­тво­ров или хи­мич. со­еди­не­ний на­зы­ва­ет­ся окк­лю­зи­ей. Раз­ли­ча­ют фи­зич. А., ко­гда аб­сор­бент яв­ля­ет­ся инерт­ной сре­дой по от­но­ше­нию к га­зу, и хи­мич. А., ко­гда по­гло­щае­мый ком­по­нент хи­ми­че­ски взаи­мо­дей­ст­ву­ет с аб­сор­бен­том (см. Хе­мо­сорб­ция).

Статика абсорбции

Ха­рак­те­ри­зу­ет тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сие рас­тво­ра с па­ро­га­зо­вой сме­сью, а так­же ма­те­ри­аль­ный и энер­ге­тич. ба­лан­сы про­цес­са. Ко­ли­че­ст­во аб­сор­би­рован­но­го га­за за­ви­сит не толь­ко от при­ро­ды га­за и жид­ко­сти, но так­же от дав­ле­ния, темп-ры сис­те­мы и со­ста­ва га­зо­вой фа­зы. В со­стоя­нии рав­но­ве­сия кон­цен­тра­ция по­гло­щае­мо­го ве­ще­ст­ва в га­зо­вой фа­зе $y^*$ свя­за­на с рав­но­вес­ной А. – кон­цен­тра­ци­ей по­гло­щае­мо­го ве­ще­ст­ва в жид­кой фа­зе $x^*$, рав­ной рас­тво­ри­мо­сти дан­но­го га­за в аб­сор­бен­те, со­от­но­ше­ни­ем: $y^*=mx^*$, где $m$ – кон­стан­та фа­зо­во­го рав­но­ве­сия (ко­эф. рас­пре­де­ле­ния).

При фи­зич. А. с об­ра­зо­ва­ни­ем иде­аль­но­го рас­тво­ра га­за в аб­сор­бен­те, ко­гда си­лы взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду все­ми мо­ле­ку­ла­ми в рас­тво­ре оди­на­ко­вы, рас­тво­ри­мость га­за оп­ре­де­ля­ет­ся за­ко­ном Рау­ля, ес­ли газ спо­собен кон­ден­си­ро­вать­ся при темп-ре рас­тво­ра, или за­ко­ном Ген­ри – для га­зов, кри­тич. темп-ра ко­то­рых вы­ше темп-ры рас­тво­ра. Ве­ли­чи­ну $m$ вы­чис­ля­ют ис­хо­дя из тер­мо­ди­на­мич. свойств га­за и жид­ко­сти или (ча­ще) оп­ре­де­ля­ют экс­пе­ри­мен­таль­но. По­гло­ти­тель­ная спо­соб­ность аб­сор­бен­та – аб­сорб­ци­он­ная ём­кость, со­от­вет­ст­вую­щая пре­дель­но­му ко­ли­че­ст­ву га­за, ко­то­рый по­гло­ща­ет­ся еди­ни­цей объ­ё­ма аб­сор­бен­та, и те­п­ло­вой эф­фект про­цес­са при хи­мич. А. боль­ше, чем при фи­зи­че­ской. При хи­мич. А. рас­тво­ри­мость силь­но за­ви­сит от темп-ры. Влия­ние дав­ле­ния на ём­кость аб­сор­бен­та обыч­но ма­ло, по­это­му хи­мич. А. тер­мо­ди­на­ми­че­ски бо­лее вы­год­на, осо­бен­но для из­вле­че­ния из га­зовой сме­си при­ме­си при не­боль­шой её кон­цен­тра­ции.

Дан­ные по рав­но­ве­сию газ–жид­кость ис­поль­зу­ют при оп­ре­деле­нии кон­стан­ты фа­зо­во­го рав­но­ве­сия $m$, а так­же при рас­чё­те дви­жу­щей си­лы про­цес­са, рав­ной ($x^*_{гр}-x$) или ($y-y^*_{гр}$), где ,  – моль­ные до­ли жид­ко­сти и га­за в объ­ё­ме со­от­вет­ст­вую­щей фа­зы, $x^*_{гр}$, $y^*_{гр}$, – моль­ные до­ли жид­ко­сти и га­за на меж­фаз­ной по­верх­но­сти. От­но­ше­ние кон­стант фа­зо­во­го рав­но­ве­сия для двух срав­ни­вае­мых га­зов ха­рак­те­ри­зу­ет се­лек­тив­ность аб­сор­бен­та. За­ви­си­мость $y^*$ от при рас­чё­те ап­па­ра­ту­ры обыч­но на­зы­ва­ют рав­но­вес­ной ли­ни­ей.

Кинетика абсорбции

При А. по­гло­щае­мый газ в ре­зуль­та­те мо­ле­ку­ляр­ной, кон­век­тив­ной, а так­же тур­бу­лент­ной диф­фу­зии из яд­ра га­зо­во­го по­то­ка пе­ре­но­сит­ся к гра­ни­це раз­де­ла фаз и по та­ко­му же ме­ха­низ­му рас­пре­де­ля­ет­ся по объ­ё­му жид­ко­сти. Ско­рость пе­ре­но­са ха­рак­те­ри­зу­ет­ся мас­со­вым по­то­ком $j$, т. е. чис­лом мо­лей ве­ще­ст­ва, пе­ре­но­си­мых за еди­ни­цу вре­ме­ни че­рез еди­ни­цу пло­ща­ди меж­фаз­ной по­верх­но­сти по нор­ма­ли к ней; $j=βx(x^*_{гр}-x)=βy(y-y^*_{гр})=K_y(y-y^*)$, где $β_x, β_y$ – ко­эф­фи­ци­ен­ты мас­со­от­да­чи для жид­кой и га­зо­вой фаз, $K_y$ – ко­эф. мас­со­пере­да­чи, от­не­сён­ный к га­зо­вой фа­зе, $y^*$ – моль­ная до­ля по­гло­щае­мо­го ком­по­нен­та в га­зе, ко­то­рая от­ве­ча­ет рав­но­ве­сию с жид­ко­стью со­ста­ва $x$. Из урав­не­ния $(1/K_y)=(1/β_y)+(m/β_x)$ оп­ре­де­ля­ют $m$ как тан­генс уг­ла на­кло­на рав­но­вес­ной ли­нии. При хи­мич. А. ско­рость рас­тво­ре­ния га­за в жид­ко­сти, как пра­ви­ло, вы­ше, чем при фи­зи­че­ской. Этот эф­фект мо­жет быть вы­ра­жен че­рез уве­ли­че­ние дви­жу­щей си­лы А. или (ча­ще) ко­эф. мас­со­от­да­чи. Во вто­ром слу­чае ис­поль­зу­ют т. н. ко­эф. ус­ко­ре­ния $ϰ=β^ \prime_x/β_x$, где $β^\prime_x$ – ко­эф. мас­со­от­да­чи в жид­кой фа­зе при хи­мич. А. Ко­эф. мас­со­от­да­чи оп­ре­де­ля­ет ско­рость А. и по­зво­ля­ет рас­счи­тать не­об­хо­ди­мую для за­дан­ной сте­пе­ни раз­де­ле­ния (или очи­ст­ки) га­за вы­со­ту слоя на­сад­ки. Др. под­ход к рас­чё­ту ки­не­ти­ки про­цес­са ос­но­ван на пред­по­ло­же­нии о дос­ти­же­нии рав­но­ве­сия ме­ж­ду жид­ко­стью и га­зом в зо­не кон­так­та с по­сле­дую­щим вве­дени­ем по­прав­ки, учи­ты­ваю­щей эф­фек­тив­ность сту­пе­ни кон­так­та (сте­пень при­бли­же­ния к рав­но­ве­сию), рав­ной от­ноше­нию реа­ли­зо­ван­но­го из­ме­не­ния со­ста­ва к из­ме­не­нию, ко­то­рое про­изош­ло бы при дос­ти­же­нии рав­но­ве­сия.

При цик­лич. про­цес­сах фи­зич. А. в осн. по­треб­ля­ет­ся элек­тро­энер­гия на пе­ре­ка­чи­ва­ние рас­тво­ра, а при хи­мич. А. – те­п­ло­та на его ре­ге­нера­цию. Энер­ге­тич. за­тра­ты на ре­ге­не­ра­цию аб­сор­бен­та обыч­но пре­вы­ша­ют рас­ход энер­гии на А.

Основы технологии абсорбционных процессов

Схема абсорбционно-десорбционного цикла: 1 – абсорбер; 2 – десорбер; 3 – очищаемый газ; 4 – очищенный газ; 5 – регенерированный абсорбент; 6 – отработанный абсорбен...

В пром-сти про­цесс А. осу­ще­ст­в­ля­ют обыч­но в вер­ти­каль­ных ко­лон­ных ап­па­ра­тах – аб­сор­бе­рах, имею­щих раз­ви­тую по­верх­ность со­при­кос­но­ве­ния га­за и жид­ко­сти. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны на­са­доч­ные ап­па­ра­ты (ус­тар. – скруб­бе­ры), за­пол­нен­ные слоя­ми твёр­дых тел разл. раз­ме­ров и фор­мы – на­сад­ка­ми для соз­да­ния раз­ви­той по­верх­но­сти кон­так­та фаз, и та­рель­ча­тые ап­па­ра­ты, снаб­жён­ные рас­по­ло­жен­ны­ми од­на над дру­гой по­пе­реч­ны­ми пе­ре­город­ка­ми разл. кон­ст­рук­ции, или та­рел­ка­ми, с по­мо­щью ко­то­рых по вы­со­те ко­лон­ны осу­ще­ст­в­ля­ет­ся мно­го­крат­ный дис­крет­ный кон­такт га­за (па­ра) с жид­ко­стью. Про­цесс час­то осу­ще­ст­в­ля­ют по аб­сорб­ци­он­но-де­сорб­ци­он­но­му цик­лу (см. рис.), од­на­ко ста­дия де­сорб­ции мо­жет от­сут­ст­во­вать, ес­ли в ре­зуль­та­те А. по­лу­ча­ют го­то­вый про­дукт или ре­ге­не­ра­ция по­гло­ти­те­ля не­це­ле­со­об­раз­на (не­воз­мож­на). Ре­ге­не­ра­цию аб­сор­бен­та (де­сорб­цию га­зов) мож­но про­во­дить сни­же­ни­ем дав­ле­ния, на­гре­ва­ни­ем, от­дув­кой пло­хо рас­тво­ри­мы­ми га­за­ми и па­ра­ми ки­пя­ще­го аб­сор­бен­та.

Фи­зич. А., как пра­ви­ло, наи­бо­лее эф­фек­тив­на при гру­бой очи­ст­ке от боль­ших ко­ли­честв га­за под дав­ле­ни­ем. Хи­мич. А. ча­ще все­го при­ме­ня­ют при из­вле­че­нии ма­лых ко­ли­честв при­ме­сей и при тон­кой очи­ст­ке; при этом обыч­но су­ще­ст­вен­но вы­ше се­лек­тив­ность аб­сор­бен­та, ни­же ко­ли­че­ст­во цир­ку­ли­рую­ще­го рас­тво­ра вслед­ст­вие боль­шой по­гло­ти­тель­ной спо­соб­но­сти.

Абсорбция в природе и технологии

А. ши­ро­ко рас­про­стра­не­на в при­ро­де: про­цес­сы А. оп­ре­де­ля­ют со­дер­жа­ние ки­сло­ро­да в ре­ках и озё­рах, по­верх­ност­ных сло­ях мо­рей и океа­нов, ре­гу­ли­ру­ют фи­зио­ло­гич. про­цес­сы в жи­вых ор­га­низ­мах и пр. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ные об­лас­ти прак­тич. при­ме­не­ния про­цес­сов А.: мно­го­тон­наж­ные про­из-ва сер­ной, со­ля­ной и азот­ной ки­слот, нит­ра­тов и др. со­лей; вы­де­ле­ние цен­ных ком­по­нен­тов из га­зо­вых сме­сей – бен­зи­на из кок­со­во­го га­за, аце­ти­ле­на из га­зов кре­кин­га или пи­ро­ли­за при­род­но­го го­рю­че­го га­за, бу­та­дие­на из кон­такт­но­го га­за по­сле раз­ло­же­ния эти­ло­во­го спир­та и пр.; очи­ст­ка га­за от при­ме­сей вред­ных ком­по­нен­тов – неф­тя­ных и кок­со­вых га­зов от $\ce{H2S}$, азо­то­во­до­род­ной сме­си для син­те­за ам­миа­ка от СО₂ и СО, са­ни­тар­ная очи­ст­ка га­зов, вы­пус­кае­мых в ат­мо­сфе­ру, – то­поч­ных га­зов ТЭЦ от SO₂, аб­га­за от Cl₂, ре­ку­пе­ра­ция ле­ту­чих рас­тво­ри­те­лей и др.