Абсорбция — поглощение вещества¶
Абсорбция — процесс поглощения одного вещества (газа или пара) другим веществом — абсорбентом, сопровождающийся проникновением поглощаемого компонента в объём абсорбента и образованием раствора. Термин противопоставляется адсорбции, при которой поглощение происходит только на поверхности вещества. Абсорбция относится к массообменным процессам и широко применяется в химической промышленности, газовой очистке, нефтепереработке и биологии.
¶Терминология и отличие от адсорбции
Абсорбция (от лат. absorptio — поглощение) — объёмный массообменный процесс, при котором поглощаемый компонент (абсорбат) переходит из газовой фазы в жидкую (или твёрдую) и образует с абсорбентом однородный раствор. Адсорбция — поверхностный процесс, при котором молекулы газа или растворённого вещества удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности твёрдого тела (адсорбента).
На практике оба процесса часто протекают одновременно: при контакте газа с пористым жидким или твёрдым телом наблюдается и объёмное поглощение, и поверхностное удержание. В промышленности термин «абсорбция» обычно применяется для процессов поглощения газов жидкостями.
¶Классификация
По характеру фазового перехода различают:
- Физическую абсорбцию — поглощение обусловлено растворением газа в жидкости без химической реакции. Процесс обратим, сопровождается выделением тепла (теплота растворения обычно 20–40 кДж/моль), для его интенсификации применяют пониженные температуры и повышенные давления.
- Химическую абсорбцию (хемосорбцию) — поглощение сопровождается необратимой или обратимой химической реакцией между компонентом газа и абсорбентом. Процесс протекает с выделением большего количества тепла (50–200 кДж/моль), менее обратим, но позволяет достигать высокой глубины очистки.
По фазе абсорбента:
- Жидкофазная абсорбция — газ поглощается жидким абсорбентом (вода, растворы щелочей, амины, органические растворители).
- Твёрдофазная абсорбция — газ поглощается твёрдым телом, способным к объёмному растворению (например, водород поглощается палладием).
¶Теоретические основы
Основу расчёта абсорбционных процессов составляет закон Генри: при постоянной температуре растворимость газа в жидкости пропорциональна его парциальному давлению над раствором:
p = K · x,
где p — парциальное давление газа, x — мольная доля растворённого компонента, K — константа Генри. Закон выполняется для разбавленных растворов и газов, не вступающих в химическую реакцию с абсорбентом.
Интенсивность массообмена описывается уравнением Нернста — Прандтля:
J = k · ΔC,
где J — плотность диффузионного потока, k — коэффициент массообмена, ΔC — концентрационный перепад. В абсорбционных аппаратах перенос массы происходит через пограничный слой на границе газ — жидкость.
¶Оборудование
Абсорбция реализуется в абсорберах — вертикальных колонных аппаратах, в которых газ движется снизу вверх, а абсорбент подаётся сверху вниз (противоток). Основные типы абсорбционного оборудования:
- Тарелочные колонки — снабжены тарелками (с плоскими, колпачковыми, клапанными элементами), обеспечивающими контакт фаз.
- Насадочные колонки — заполнены насадкой (кольца Рашига, Палле, крестовины), на поверхности которой стекает жидкость.
- Трубчатые (струйные) аппараты — газ и жидкость входят в контакт в струе или пленке.
- Барботажные аппараты — газ пропускается через слой жидкости.
Выбор типа аппарата зависит от производительности, требуемой глубины очистки, свойств системы газ — жидкость и допустимого гидравлического сопротивления.
¶Промышленное применение
- Очистка природного и промышленных газов от сероводорода, углекислого газа, сернистого ангидрида. Для удаления CO₂ и H₂S применяют растворы моноэтаноламина (МЭА) и диэтаноламина (ДЭА).
- Изготовление кислорода и азота — разделение воздуха методом глубокого охлаждения с последующей абсорбцией примесей.
- Синтез серной кислоты — поглощение SO₃ в башнях Лушано абсорбентом — концентрированной серной кислотой с образованием олеума.
- Аммиачное производство — промывка газовой смеси водой для извлечения непрореагировавшего аммиака.
- Нефтепереработка — удаление сернистых соединений из нефтепродуктов.
¶Биологическая абсорбция
В биологии и медицине абсорбция — поглощение вещества тканями или органом. Ключевой пример — абсорбция в кишечнике: процесс всасывания продуктов переваривания пищи (аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, витаминов, минеральных солей) через слизистую оболочку тонкого кишечника в кровь и лимфу. Площадь поверхности кишечника за счёт ворсинок и микроворсинок составляет около 200 м², что обеспечивает высокую эффективность процесса. Нарушение абсорбции (мальабсорбция) приводит к дефициту питательных веществ и лежит в основе ряда заболеваний желудочно-кишечного тракта.
¶История
Первые промышленные абсорбционные установки появились в конце XIX века для газовой очистки. В 1930-е годы в СССР и США были разработаны промышленные процессы очистки газов от CO₂ с помощью растворов аминов, что стало основой современной газоперерабатывающей промышленности. Теоретические основы массообмена в абсорбционных аппаратах были заложены работами Г. Уоррена, Н. В. Телегина и других исследователей.
¶Источники
- Косťенко В. А., Немцов М. Д., Родионов В. М. Процессы и аппараты химической технологии
- Фаустов А. С. Массообменные процессы в химической технологии
- Романков П. Г. Массообменные процессы в химической технологии
- Патерсон У. Очистка промышленных газов
- ГОСТ 22653-77. Аппараты для абсорбции. Типы и основные параметры