8.1. Общие сведения о сорбционных процессах

Для получения целевых продуктов, выделения компонентов из га­зовых смесей, удаления посторонних примесей из газовых и жидких смесей, осушки и в других случаях применяют сорбционные установки. Сорбция – физико-химический процесс, в результате которого происхо­дит поглощение каким-либо телом газов, паров или растворенных веществ из окружающей среды. Понятие сорбции включает, как абсорб­цию, так и адсорбцию.

Абсорбция – поглощение газа в объеме, а также избирательное по­глощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить ли­бо в результате его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором – хемосорбцией. Воз­можно также сочетание обоих механизмов процесса.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция. Сочетание абсорбции с десорбцией по­зволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

Процесс физической абсорбции газа сопровождается выделением теплоты и, следовательно, повышением температуры абсорбента и контактирующей с ним газовой смеси. При значительном росте темпера­туры возможно резкое понижение растворимости газа, поэтому для поддержания требуемой производительности абсорбера приходится в ряде случаев прибегать к его охлаждению внутренними или внеш­ними охлаждающими элементами.

Адсорбция – процесс поглощения газов (паров) или жидкостей по­верхностью твердых тел (адсорбентов]. Явление адсорбции связано с наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощае­мого вещества. По сравнению с другими массообменными процессами адсорбция наиболее эффективна в случае малого содержания извле­каемых компонентов в исходной смеси.

Различают два основных вида адсорбции: физическую и химическую (или хемосорбцию). Физическая адсорбция вызывается силами взаи­модействия молекул поглощаемого вещества с адсорбентом (диспер­сионными или вандерваальсовскими). Однако молекулы, соприкаса­ясь с поверхностью адсорбента, насыщают его поверхность, что ухудшает процесс адсорбции. Химическая, адсорбция характеризуется химическим взаимодействием между средой и адсорбентом, что может образовывать новые химические соединения на поверхности адсорбента. Оба вида адсорбции экзотермичны. Однако если теплота физической адсорбции промышленных газов и паров соизмерима с их теплотой конденсации (85–125 кДж/кмоль), а в случае растворов даже меньше, то теплота химической адсорбции достигает нескольких сотен кило­джоулей на киломоль. Химическая адсорбция протекает обычно с не­большой скоростью и возможна при высоких температурах, когда фи­зическая адсорбция ничтожно мала.

Переход вещества из газовой и жидкой фаз в адсорбированное со­стояние связан с потерей одной степени свободы, т. е. сопровождается уменьшением энтропии и энтальпии системы, следовательно, выделени­ем теплоты. При этом различают дифференциальную и интегральную теплоты адсорбции; первая выражает количество выделяющейся теп­лоты при поглощении очень малого количества вещества (2 г/100 г ад­сорбента), вторая – при поглощении до полного насыщения адсорбента. Повышение температуры в каждом процессе адсорбции зависит от теплоты адсорбции и массовой скорости газового (парового) потока, от температуропроводности этого потока и адсорбента, количества ад­сорбированного вещества и его концентрации. Так как адсорбционная способность адсорбента снижается с ростом температуры, экзотермич-ность процесса должна учитываться в инженерных расчетах. При боль­ших тепловыделениях прибегают к охлаждению слоя адсорбента.

Процессы адсорбции отличаются избирательностью и обратимостью, позволяя поглощать (адсорбировать) из газовых (паровых) смесей и растворов один или несколько компонентов, а затем в других условиях выделять (десорбировать) их из твердой фазы. При этом избиратель­ность зависит от природы адсорбента и адсорбируемых веществ, а предельное удельное количество поглощаемого вещества зависит еще от его концентрации в исходной смеси и температуры, а в случае га­зов – также от давления.