Физико-химические основы процессов абсорбции, экстракции и адсорбции

Абсорбцией называют процесс поглощения газов жидкими поглотителями (абсорбентами), в которых газы растворяются. Обратный процесс выделения растворенных газов из раствори­теля носит название десорбции. В абсорбционных процессах участвуют газовая и жидкая фазы. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую, а при десорбции наоборот — из жидкой в газовую.

На практике абсорбции подвергают чаще всего газовые сме­си, необходимые компоненты которых могут поглощаться рас­творителем в заметных количествах. Непоглощаемая часть газо­вой смеси называется инертным газом.

Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного (поглощенного) компонента газовой фазы. Если между молеку­лами поглотителя и абсорбированного компонента газовой фазы не происходит химического взаимодействия, то это — физиче­ская абсорбция. При наличии химических реакций между моле­кулами поглотителя и абсорбированного компонента процесс называется хемосорбцией.

Существуют различные способы осуществления контакта га­зовой и жидкой фаз. Как и при ректификации жидких смесей абсорбция осуществляется чаще всего в цилиндрических аппара­тах (абсорберах), имеющих слой насадки или определенное ко­личество тарелок. В абсорберах поглотитель движется сверху вниз, а газовая смесь противотоком снизу вверх. Из нижней час­ти абсорбера выводится поглотитель с абсорбированными в нем компонентами газовой смеси. Из верхней части абсорбера отво­дится остаточная газовая смесь, из которой удалены абсорбиро­ванные компоненты.

В абсорберах с насадкой осуществляется непрерывный контакт между жидким поглотителем и газовой фазой. В тарельчатых аб­сорберах такой контакт происходит на тарелках, т. е. ступенчато.

При физической абсорбции полное извлечение компонентов из газовой фазы практически невозможно.

При хемосорбции абсорбируемый из газа компонент связы­вается с жидкой фазой в виде нелетучего химического соедине­ния. Если химическая реакция необратима, то возможно полное извлечение компонента из газа.

Повышение давления и снижение температуры активизиру­ют процесс абсорбции. Десорбция, наоборот, осуществляется при пониженном давлении и повышенной температуре. Конст­руктивно десорберы аналогичны абсорберам.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, то абсорбент используется однократно. Сочетание абсорбции с де­сорбцией позволяет многократно использовать абсорбент и вы­делять абсорбированный компонент в концентрированном виде практически любой чистоты.

Выходящий из абсорбера раствор поглотителя с абсорбиро­ванным (растворенным) в нем компонентом газа направляют на десорбцию. Здесь происходит разделение на газовую (бывший поглощенный компонент) и жидкую (абсорбент) фазы. Регене­рированный поглотитель вновь возвращается на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) абсорбент практически не расхо­дуется, если не считать его небольших потерь. Поглотители, в которых абсорбция сопровождается необратимой химической реакцией, регенерируются только химичесгашц, а не физически­ми способами.

Абсорбция, десорбция и ректификация являются процессами одной и той же диффузионной природы. Различие заключается в том, что в случае ректификации взаимодействующие жидкий и паровой потоки обмениваются компонентами, тогда как явления абсорбции и десорбции имеют одностороннюю направленность. Это связано с тем, что абсорбент можно считать практически нелетучим по сравнению с компонентами газовой фазы.

На нефтегазовых заводах абсорбция и десорбция углеводо­родных газовых смесей проводятся, главным образом, в тарель­чатых колоннах, расчет и анализ работы которых ведется на базе метода теоретической тарелки.

Экстракцией называется процесс извлечения из сырья, нахо­дящегося в твердом или жидком (для нефтепереработки) состоя­нии, отдельных его компонентов путем обработки избирательно действующим растворителем (экстрагентом).

При экстракции образуются две несмешивающиеся фазы: сырье—растворитель. Это могут быть твердое тело — жидкость или жидкость—жидкость. Эти фазы должны легко отделяться одна от другой при отстаивании. Скорость перехода компонен­тов из сырья в растворитель зависит от поверхности контакта фаз так же, как и в процессах ректификации и абсорбции.

Очевидно, что вначале сырье и растворитель должны быть хорошо и быстро перемешаны, а потом разделены при их отстаи­вании. Образовавшиеся две несмешивающиеся фазы носят на­звание экстрактной и рафинатной. В составе экстрактной фазы будут находиться, главным образом, растворитель и хорошо рас­творимые в нем компоненты сырья. Рафинат будет содержать ос­тавшуюся часть сырья и растворенную в ней небольшую часть растворителя. Например, если отгонкой из разделенных путем отстаивания фаз удалить растворитель, то получим экстракт и ра­финат. Экстракт будет в основном состоять из компонентов сы­рья, извлеченных из него путем экстракции.

Экстрагент должен обладать следующими свойствами при экстракции из жидкой фазы:

• не растворяться совсем или минимально растворяться в сырье;

• образующиеся экстрактная и рафинатная фазы должны значительно отличаться по плотности;

• проявлять высокую избирательность и растворяющую спо­собность по отношению к извлекаемому веществу;

• заметно отличаться по температуре кипения от извлекае­мого вещества, что облегчает их разделение (например, пу­тем ректификации);

• быть химически устойчивым или инертным веществом.

Экстракцию можно организовать так, что смешивание сырья

и растворителя и затем их разделение — отстаивание будет осу­ществлено в непрерывном режиме многократно, например, в полочных колонных аппаратах.

Процесс растворения зависит от химического строения молекул растворителя и растворяемого вещества. Надежных теоретических представлений о природе растворимости нет. На качественном уровне можно только отметить, что вещества, значительно отли­чающиеся по полярности, плохо растворяются одни в других. На­оборот, равнополярные вещества взаимно хорошо растворяются.

На рис. 2.5 показана схема противоточной экстракции с че­тырьмя ступенями перемешивания экстрагента и сырья. В на­шем случае экстрагент имеет большую плотность, чем сырье, и поэтому он подается сверху колонны. Противотоком снизу под­нимается сырье.

В случае когда растворитель имеет меньшую плотность, чем сырье, места их ввода меняются: сырье подается сверху, а экст­рагент — снизу.

Применение колонных аппаратов целесообразно в тех случа­ях, когда при рабочей температуре процесса потоки имеют невы­сокую вязкость, что позволяет при помощи встроенных в колонну контактных устройств осуществить надежное перемешивание фаз. При этом разность плотностей рафинатной и экстрактной фаз такая, что в свободном пространстве между контактными уст­ройствами (полками, тарелками и др.) происходит хорошее разде­ление фаз, что предотвращает их взаимный унос. В противном случае вместо колонных экстракторов применяются экстракторы другого устройства. Чаще всего смешение потоков происходит в специальных горизонтально расположенных смесителях (напри­мер, аппаратах с мешалками). Разделение фаз осуществляется в отдельных отстойниках. Смеситель и отстойник образуют одну ступень экстракции.

Колонные экстракторы образуют вертикальный, а аппараты с мешалкой и отстойниками — горизонтальный каскад ступеней экстракции.

Адсорбцией называют процесс поглощения газов, паров или жидкостей поверхностью твердого тела, которое называется ад­сорбентом.

Адсорбция имеет определенные преимущества перед абсорб­ционным методом разделения смесей. В отходящем после аб­сорбции, например, газовом потоке, обязательно будет содер­жаться некоторое количество извлекаемого компонента. В слу­чае адсорбции его конечная концентрация практически может равняться нулю. На этом основан принцип работы противогаза.

Адсорбцию целесообразно применять для разделения газо­вых смесей, концентрация извлекаемых компонентов в которых невысока, или в случаях, когда необходимо достичь полного вы­деления веществ из газового потока.

При высоких концентрациях извлекаемых компонентов в потоке адсорбент будет быстро насыщаться, что потребует его частой регенерации. В таких случаях лучше сочетать адсорбцию, например, с абсорбцией. Сначала абсорбцией из потока извлека­ется основная масса вещества, а затем осуществляется его окон­чательное извлечение путем адсорбции.

В качестве адсорбентов, применяемых в нефтепереработке, используют активированные угли, силикагель, алюмогель, синте­тические цеолиты. Все эти вещества обладают большой удельной поверхностью, которая определяется отношением поверхности

к единице массы адсорбента (г), т. е. имеет размерность Другой характеристикой адсорбентов является их активность (удельная сорбционная емкость). Это количество адсорбирован­ного вещества (г), отнесенное к единице массы (кг) или объема адсорбента (л). Размерность активности — г/кг или г/л. Часто ак­тивность выражают также в процентах от веса адсорбента.

Различают статическую и динамическую активности. Стати­ческая активность определяется в момент равновесия при дан­ной температуре. Экспериментально она определяется в перио­дических условиях и говорит о максимальном количестве веще­ства, адсорбированного единицей массы адсорбента.

На рис. 2.6 представлена типичная зависимость от времени количества адсорбируемого вещества, отнесенного к единице массы адсорбента.

Динамическая активность характеризуется количеством ве­щества, поглощенного адсорбентом до появления следов адсор­бируемого вещества на выходе из аппарата.

Рассмотрим некоторые характеристики важнейших адсор­бентов.

Активированные угли получают следующим образом. Вначале вещества растительного (дерево, торф, уголь, скорлупа орехов) и животного (кости) происхождения, а также синтетические смо­лы, углеродные волокна нагревают без доступа воздуха с целью получения твердого углеродистого или минерального остатка. Затем с целью увеличения удельной поверхности и ее модифика­ции эти твердые вещества обрабатывают при высоких темпера­турах (несколько сотен градусов Цельсия) парами воды, углекис­лым газом или воздухом (так называемое активирование).

Полученные таким образом активированные угли имеют раз­личную удельную поверхность, плотность, зернение и актив­ность. Величина удельной активности может колебаться от 600 до 1700 на 1 г угля. Активированные угли применяются в виде зерен различных размеров (от 1 до 7 мм) или в виде порошка. Зерна имеют форму цилиндриков или таблеток при формовании порошков или неправильную форму, если они получаются дроб­лением.

Активные угли имеют три основных разновидности пор: мик- ро- и макропоры, а также средние между ними — переходные поры (мезопоры). Размеры микропор соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Удельная размерность микропор выра­жается сотнями, переходных — десятками, а макропор единица­ми квадратных метров на грамм. Очевидно, что для адсорбции основное значение имеет микропористая структура активных уг­лей. Основная задача мезопор и макропор — это транспортиро­вание адсорбируемого вещества вглубь частиц адсорбен Активированные угли гидрофобны, поэтому они особенно пригодны для адсорбции неполярных органических соединений.

Силикагель получают обезвоживанием геля кремниевой ки­слоты который образуется при взаимодействии ки­слот с раствором силиката натрия. Гель после промывки сушат и получают высокопористую твердую массу. В ней равномерно распределены близкие по размерам поры. Силикагель термосто­ек, но обладает невысокой механической прочностью.

Алюмогель — активный оксид алюминия содержащий

небольшое (около 1 % мае.) количество оксидов кремния, желе­за, титана и др. Он обладает высокой активностью к парам воды, превосходя в этом отношении силикагель. Кроме того, алюмо- гель имеет высокую механическую прочность, вытесняя в про­цессах осушки газов силикагель.

Широкое распространение как адсорбенты и подложки для различных катализаторов получили цеолиты — алюмосиликат- ные пористые кристаллы. Цеолиты встречаются в природе, но для технических целей их специально синтезируют. Наиболее часто используют цеолиты типов А и X. Цеолиты получаются в виде очень мелких кристаллов. В гидратированном виде — это сплошные твердые тела. После сушки образуются пористые кри­сталлы. Пористая структура собственно кристаллов цеолитов не­изменна для каждого типа. В состав цеолитов входят ионы крем­ния, алюминия, кислорода, а также способные к ионному обме­ну катионы щелочных и щелочноземельных металлов. Поры типов А и X представляют собой сферические полости, которые соединяются друг с другом узкими отверстиями, называемыми окнами. Диаметр окон зависит от природы ионообменного ка­тиона и составляет несколько ангстрем Проникать в полости через окна могут только те молекулы, размеры которых меньше размеров окон. На этом основана резко выраженная из­бирательность адсорбционных свойств цеолитов, которые назы­ваются также молекулярными ситами.

Цеолиты особенно энергично адсорбируют электрически не­симметричные молекулы (например, воды, углекислого газа и др.). Хорошо сорбируются цеолитами органические вещества, имеющие кратные связи, — ацетилен, этилен.

В технике цеолиты типов А и X применяют в виде гранул, таблеток, шариков, состоящих из кристаллических порошков цеолитов и добавок связующих веществ, обычно глин. После термической обработки при температуре 550—600 °С формован­

ные цеолиты приобретают необходимую механическую проч­ность. Такие цеолиты применяются для тонкой (тщательной) очистки газов и жидкостей, а также для выделения из смесей га­зов и жидкостей отдельных компонентов.

В промышленности используются адсорбционные аппараты с неподвижным и движущимся слоем адсорбента периодическо­го и непрерывного действия. Адсорберы с неподвижным (ста­ционарным) слоем являются аппаратами периодического дейст­вия. Процесс проводится до достижения определенной степени насыщения, чаще всего до появления следов адсорбируемого ве­щества на выходе из аппарата. Затем в этом же аппарате осуще­ствляется десорбция. Пара аппаратов, работая попеременно на адсорбцию и десорбцию, позволяет осуществлять практически непрерывный процесс. В адсорберах с движущимся слоем пере­мещение адсорбента происходит под действием силы тяжести или силы трения восходящего газового потока. В первом случае адсорбент непрерывно движется сверху вниз, во втором — пыле­видный адсорбент находится во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии. В адсорбере с движущимся слоем осуществляется не только непрерывная адсорбция, но и десорбция. Лекция №17 Классификация нефтей

Нефти различных месторождений отличаются друг от друга по хи­мическому, фракционному составу и физико-химическим свойствам.

В связи с тем что именно свойства нефти определяют направление и условия ее переработки, влияют на качество получаемых нефтепродук­тов, целесообразно объединить нефти различного происхождения по определенным признакам, т. е. разработать такую классификацию неф­тей, которая отражала бы их химическую природу и определяла воз­можные направления их переработки.

Поиск по сайту: