ASSORBIMENTO

ASSORBIMENTO (V, p. 63)

Nel campo delle operazioni fondamentali dell'ingegneria chimica si intende per a. quel processo di trasferimento di materia che permette di ottenere la separazione di un componente da una miscela gassosa a mezzo del suo passaggio in soluzione in un liquido. Citiamo alcuni esempî di questa operazione, molto diffusa nell'industria chimica: l'a. in acqua dell'ammoniaca, contenuta in una miscela gassosa, per formare soluzioni di idrato di ammonio; l'eliminazione dell'anidride carbonica e dell'ossido di carbonio dal gas-acqua convertito, il recupero del benzolo contenuto nel gas di cokeria per assorbimento in olî di antracene.

Scopi di tale processo sono: il recupero di tracce di un componente, la cui separazione con altri metodi si presenterebbe complessa, o l'eliminazione di piccole quantità di composti indesiderati o velenosi. Talvolta si realizzano contemporaneamente ambedue gli scopi, come, per es., nell'eliminazione dell'anidride solforosa dai gas di combustione mediante lavaggio con acqua: in questo caso l'anidride solforosa, dannosa se scaricata nell'atmosfera, ha un valore se separata dagli altri gas, per la possibilità della sua conversione in acido solforico.

L'operazione inversa dell'a. è chiamata desorbimento o strippaggio (pessima traduzione del termine inglese stripping, usata comunemente in italiano) e consiste nella rimozione di un componente gassoso da un liquido, portando questo a contatto con un gas inerte. Anche qui lo scopo può essere duplice, a seconda che si tenda al recupero del componente gassoso o al miglioramento delle qualità del liquido. Si possono raggiungere entrambe le finalità come, per es., nel desorbimento con vapore delle frazioni di petrolio provenienti dalla colonna di frazionamento del grezzo.

I processi di a. o di desorbimento possono sostituire molto spesso vantaggiosamente alcune separazioni che devono essere effettuate sotto pressione o sotto vuoto; così, per es., nella produzione dei gas liquidi la separazione del propano e del butano da una miscela gassosa che li contiene, assieme a metano ed etano, può essere condotta mediante compressione e raffreddamento della miscela stessa, ma può essere molto più conveniente separarli per a. in una frazione di kerosene a bassa volatilità, in cui il propano e il butano si disciolgono preferenzialmente; ed ancora la deumidificazione di un liquido poco volatile che, per sicurezza, non può essere riscaldato, si può eseguire sotto vuoto o, meglio, portando il liquido a contatto con aria calda che causa il desorbimento del vapore.

Alcune volte, per la bassa solubilità che presentano alcuni gas in solventi inerti, si adottano liquidi che reagiscono (o miscele liquide che hanno un componente che reagisca) con il componente da assorbire, secondo una reazione reversibile, in modo da rendere tecnicamente possibile ed economicamente conveniente la rigenerazione del liquido di assorbimento. Tale operazione si denomina assorbimento chimico, in contrapposto all'assorbimento fisico, in cui la dissoluzione del componente gassoso è regolata dalla sua solubilità nel solvente. In questo caso, le portate del liquido di lavaggio sono molto inferiori a quelle che si hanno nelle operazioni di assorbimento fisico; per es., impiegando soluzioni di monoetanolammina per l'assorbimento dell'anidride carbonica contenuta in gas tipo gas-acqua, la portata di liquido sarà, a parità di tutte le altre condizioni, dell'ordine del 5-10% di quella che dovrebbe essere impiegata realizzando tale assorbimento con acqua sotto pressione.

Meccanismo dell'assorbimento. - Quali che siano le condizioni in cui si opera, determinate dal tipo di torre, dall'esistenza o meno del riempimento, dalle velocità dei fluidi, ecc., si ammette che il trasferimento del componente solubile dalla fase gassosa alla fase liquida avvenga secondo un meccanismo (teoria dei due film) che localizza le resistenze alla diffusione, e quindi i gradienti di concentrazione, in due film fluidi, uno dalla parte del gas e l'altro dal lato del liquido, adiacenti alla superficie di separazione delle due fasi, o interfacies, che si suppone offra una resistenza nulla all'attraversamento del componente che diffonde.

Secondo tale meccanismo, con le notazioni riportate in fig. 1 indicando con N il numero di moli che diffondono nell'unità di tempo e per unità di volume di colonna, si può scrivere:

dove ak_G e ak_L sono i coefficienti parziali di assorbimento, proporzionali agli inversi delle resistenze offerte alla diffusione nei due film.

Poiché è difficile determinare i valori delle concentrazioni all'interfacies, data la loro interdipendenza con i coefficienti parziali di assorbimento, si è trovato conveniente introdurre i coefficienti complessivi aK_G e aK_L definiti dalle:

con

legati a quelli parziali dalle relazioni:

I valori dei coefficienti di assorbimento, caratteristici per ogni sistema gas-liquido e per ogni tipo di colonna, vengono generalmente determinati sperimentalmente.

Apparecchiature. - Le apparecchiature industriali impiegate nei processi di a. e di desorbimento possono essere raggruppate in quattro tipi del tutto differenti, ciascuno dei quali presenta però, come principale obiettivo, il raggiungimento di un intimo contatto tra la fase gassosa e quella liquida; esistono, o sono possibili, molte varietà e combinazioni dei tipi fondamentali.

Assorbitori a spruzzo. - Consistono in grandi camere vuote nelle quali il liquido è spruzzato dall'alto in una corrente gassosa in moto ascendente, attraverso distributori forati o particolari atomizzatori. La superficie delle goccioline di liquido disperse nel gas determina l'area di contatto in cui si ha il trasferimento di materia. Il principale inconveniente, oltre la spesa per la compressione del liquido, necessaria per vincere le perdite di carico incontrate negli atomizzatori, è quello dei trascinamenti di liquido che possono essere eliminati con il successivo passaggio del gas attraverso cicloni. Gli apparecchi a spruzzo sono impiegati per lo più in quelle applicazioni dove sia richiesta una piccola variazione nella composizione del gas o del liquido e una bassa perdita di carico, come per es. nell'umidificazione dell'aria e nel desorbimento di gas quasi insolubili.

Assorbitori a gorgogliamento. - Sono quelle apparecchiature in cui il gas viene disperso nel liquido sotto forma di piccole bolle. La suddivisione del gas può essere ottenuta o forzandolo a passare attraverso piatti o cilindri porosi o introducendolo al disotto di un agitatore. La riduzione della resistenza nella fase liquida che si realizza, permette l'uso di queste apparecchiature per l'assorbimento di gas poco solubili.

Assorbitori a piatti. - Rappresentano un caso intermedio tra le camere a spruzzo e gli assorbitori a gorgogliamento e sono la apparecchiature più frequentemente adoperate nel campo petrolifero specialmente nei processi di distillazione. In esse il liquido e il gas vengono a contatto, in controcorrente, su piatti, che presentano varî accorgimenti per aumentare il mescolamento tra le due fasi (piatti forati, a griglia, a campanelle). Nel caso, rappresentato in fig. 2, di una colonna a piatti con campanelle, il gas passa attraverso le frastagliature delle campanelle stesse e si disperde in minute bollicine nel liquido: un ulteriore contatto si realizza con le piccole gocce di liquido, trascinate nell'interpiatto dal gas. In queste colonne il numero di piatti dipende dalla difficoltà della separazione, mentre il diametro e la distanza fra essi sono determinati dal valore delle portate del gas e del liquido. Questo tipo di apparecchiature, che presenta il grande vantaggio dell'uniforme dispersione del gas in tutta la massa del liquido, senza quindi zone di ristagno o cammini preferenziali, ha l'inconveniente delle notevoli perdite di carico che il gas incontra nell'attraversare i piatti.

Assorbitori a riempimento. - Consistono in colonne in cui, per aumentare la superficie di scambio e la turbolenza delle correnti fluide, si pone del materiale di riempimento, sia a caso, sia distribuito in maniera ordinata: questo interferisce con il flusso del gas e del liquido, imponendo loro un cammino tortuoso. I requisiti di un buon riempimento sono: ampia superficie effettiva di contatto; grande sezione libera al passaggio del gas, per avere basse perdite di carico; piccolo peso per unità di volume; minima ritenzione di liquido nella propria massa. Sebbene per il riempimento siano state proposte molte forme concepibili, soltanto poche hanno avuto larghe applicazioni (fig. 3); il tipo più usato è quello degli anelli Raschig, cilindri con altezza di solito uguale al diametro, di materiale variabile a seconda della tendenza alla corrosione dell'ambiente: ha il pregio di offrire un'elevata superficie e una grande percentuale di vuoti. Le colonne di diametro superiore ai 2 m sono in genere meno efficienti di quelle di diametro più piccolo, in quanto il liquido scorre più facilmente in periferia che al centro, mentre il gas tende a passare nella zona centrale della colonna; in questi casi, per un migliore rendimento, è necessario mettere un ulteriore distributore (fig. 4). In generale le dimensioni del riempimento devono essere minori di 1/8 del diametro della colonna. Apparecchiature di questo tipo, usate frequentemente nei processi di a., presentano il grande vantaggio di offrire basse perdite di carico e di poter essere impiegate nei casi in cui le sostanze siano molto aggressive.

Calcolo delle apparecchiature. - Il calcolo di progetto degli assorbitori consiste essenzialmente nella determinazione: a) della portata di liquido occorrente per assorbire dal gas la quantità richiesta del componente solubile: si fa uso a tale scopo delle relazioni di equilibrio liquido-vapore per il sistema in esame; b) delle sezioni di passaggio del liquido e del gas: si ricavano in base a dati di velocità ottenuti in apparecchiature analoghe a quelle del tipo considerato; c) del numero delle unità in equilibrio (piatti teorici o unità di trasferimento) necessario per la separazione assegnata: si calcola in base ai dati di equilibrio e al bilancio di materia. Il tempo di contatto o l'altezza di torre (a seconda che l'assorbitore sia del tipo a piatti o a riempimento) possono essere determinati se sono disponibili i dati sulle velocità di trasferimento di materia tra le due fasi, espressi, in genere, in termini di efficienza del piatto o di altezza dell'unità di trasferimento.

Per lo sviluppo analitico e pratico dello schema di calcolo citato si rimanda alla bibliografia.

Bibl.: J. H. Perry (Ed.), Chemical engineering handbook, 3ª ed., New York 1950; T. K. Sherwood e R.L. Pigford, Absorption and extraction, New York 1052; G. A. Morris, e J. Jackson, Absorption towers, Londra 1953; R. E. Treybal, Mass transfer operations, 3ª ed., New York 1955.