વાયુઓનું શોષણ (Absorption of gases)

વાયુઓનું શોષણ (Absorption of gases) : રાસાયણિક ઇજનેરીમાં વાયુમિશ્રણમાંથી એક અથવા વધુ ઘટકોને અલગ પાડવાની પરોક્ષ (indirect) વાયુ-પ્રવાહી-સ્થાનાંતરણ (masstransfer) વિધિ. રાસાયણિક ઇજનેરીમાં આ એક મુખ્ય પ્રચાલન (operation) છે, જે મહદ્ અંશે વિસરણ(diffusion)ના દર દ્વારા નિયંત્રિત આંતરપ્રાવસ્થા (interphase) દ્રવ્યમાન-સ્થાનાંતરણ ઉપર આધારિત છે. મિશ્રણને તેના ઘટકોમાં અલગ પાડવા માટેના ભૌતિક પ્રક્રમ(physical process)માં કોઈ એક ભૌતિક ગુણધર્મનો આધાર લઈ આમ કરવામાં આવે છે; જેમ કે, વિભાગીય (fractional) નિસ્યંદન(distillation) બાષ્પશીલતા(volatility)ના તફાવત ઉપર આધાર રાખે છે; વાયુ-શોષણ કોઈ એક વરણાત્મક (selective) અવશોષક(absorbent)માં વાયુઓની દ્રાવ્યતા ઉપર આધાર રાખે છે; જ્યારે પ્રવાહી-પ્રવાહી નિષ્કર્ષણ (liquid-liquid extraction) એક અમિય (immiscible) પ્રવાહી દ્રાવકની, મિશ્રણમાંના કોઈ એક ઘટક માટેની વરણાત્મકતા પર આધારિત હોય છે.

વાયુ-શોષણ(વાયુ-અવશોષણ, gas absorption)માં વાયુમિશ્રણને યોગ્ય પ્રવાહી દ્રાવકના સંપર્કમાં લાવવાથી મિશ્રણમાંનો દ્રાવ્ય ઘટક દ્રાવકમાં વિસરિત થાય છે અને પ્રવાહીમાં તેનું દ્રાવણ બને છે. વાયુ-શોષણ પ્રચાલનો બે પ્રકારનાં હોય છે : (i) ભૌતિક શોષણ (કે અવશોષણ) અને (ii) રાસાયણિક શોષણ કે અવશોષણ.

વાયુના શોષણ માટેના સાધનની મુખ્ય જરૂરિયાત એ છે કે વાયુને પ્રવાહીના ગાઢ સંપર્કમાં લાવવામાં આવે. મહદ્અંશે સાધનની અસરકારકતા તે કેટલી સફળતાથી બે પ્રાવસ્થાને એકબીજાના સંપર્કમાં લાવે છે તેના વડે નક્કી થાય છે. સામાન્ય રીતે અવશોષણમાં પ્રવાહી અને વાયુનો પ્રવહનદર (flow rate) નિસ્યંદનની સરખામણીમાં ઊંચો હોય છે. વળી શોષણના ઉચ્ચતર પ્રવાહી દરને લીધે પરિવેદૃષ્ટિત સ્તંભો (packed columns) સામાન્ય રીતે વધુ વપરાય છે.

1. ભૌતિક અવશોષણ : આ પ્રકારના અવશોષણ-પ્રચાલનમાં દ્રાવ્ય (solute) વાયુ દ્રાવક સાથે પ્રક્રિયા કરતો નથી પણ તે દ્રાવકમાં ઓગળે છે. અવશોષણ બાદ મળતા દ્રાવણમાંથી દ્રાવક અને દ્રાવ્યને અવલેપન (stripping) દ્વારા છૂટા પાડવામાં આવે છે; જેમ કે, કોક ઓવન (coke oven) વાયુમાંથી બેન્ઝિન અને ટૉલ્યુઇનની બાષ્પને હાઇડ્રોકાર્બન તેલ જેવા પ્રક્ષાલન તેલ (wash oil) વડે અલગ પાડી શકાય છે. હવામાંના એમોનિયાને દૂર કરવા મિશ્રણને પાણીમાંથી પસાર કરવાથી એમોનિયા તેની દ્રાવ્યતાને કારણે પાણીમાં શોષાઈ જાય છે. યુરિયાના ઉત્પાદન દરમિયાન એમોનિયા પ્લાન્ટમાંથી કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ દૂર કરવા મૉનોઇથેનૉલ એમાઇનનો ઉપયોગ થાય છે.

2. રાસાયણિક અવશોષણ : આ પ્રકારના અવશોષણમાં દ્રાવ્ય (solute) વાયુ પ્રવાહી દ્રાવક સાથે પ્રક્રિયા કરે છે અને તે રીતે દૂર થાય છે. આમાં અવશોષણનો દર અત્યંત ઊંચો હોવાથી દ્રાવકની પુન:પ્રાપ્તિ તો જ શક્ય બને છે, જો પ્રક્રિયા પ્રતિવર્તી હોય. આ પ્રકારના પ્રચાલનનાં ઉદાહરણો આ પ્રમાણે છે : (i) વાયુમિશ્રણમાં રહેલ અનિચ્છનીય હાઇડ્રોજન સલ્ફાઇડને આલ્કલાઇન દ્રાવણ વડે દૂર કરવો, (ii) આહાર-ઉદ્યોગમાં ખાદ્ય તેલોનું હાઇડ્રોજનીકરણ (hydrogenation) કરવા માટે તેલમાં હાઇડ્રોજન વાયુને નિકલ જેવા ઉદ્દીપકની હાજરીમાં પસાર કરવામાં આવતાં તે તેલમાં શોષાય છે અને ઉદ્દીપકની હાજરીમાં તેલ સાથે પ્રક્રિયા કરી હાઇડ્રોજનીકૃત (hydrogenated) તેલ ઉત્પન્ન કરે છે. (ii) સોડિયમ હાઇપોક્લોરાઇટ (NaOCl) બનાવતી વખતે કૉસ્ટિક સોડાના દ્રાવણમાં ક્લોરિન વાયુ પસાર કરવો.

વિશોષણ (desorption) અથવા અવલેપન (stripping) : વાયુના પ્રવાહીમાં શોષણ બાદ વિશોષણ / અવલેપન તરીકે ઓળખાતી વિધિ વડે દ્રાવક અને દ્રાવ્ય ઘટકને અલગ પાડવામાં આવે છે. તે અવશોષણથી ઊલટી વિધિ છે. પુન:પ્રાપ્ત દ્રાવકનો ફરી ફરીને ઉપયોગ થઈ શકે છે; દા. ત., પ્રક્ષાલન-તેલ (wash oil) (હાઇડ્રૉકાર્બન તેલ)માંથી બેન્ઝિન અને ટૉલ્યુઇન અલગ પાડવાં.

શોષણ–પ્રચાલન માટે દ્રાવકની પસંદગીને અસર કરતાં પરિબળો : અવશોષણ-પ્રવિધિની આર્થિક ક્ષમતા જાળવી રાખવા દ્રાવકની સરળ પુન:પ્રાપ્તિ (recovery) અને તેનો પુન:-ઉપયોગ જરૂરી હોઈ આવો પ્રવાહી દ્રાવક નીચેની લાક્ષણિકતા ધરાવતો હોવો જોઈએ :

(અ) વાયુની દ્રાવ્યતા : પ્રવાહી દ્રાવકમાં જેમ વાયુની દ્રાવ્યતા વધારે તેમ શોષણનો દર ઊંચો અને તેથી દ્રાવકના ઓછા જથ્થાની જરૂર પડે છે. તાપમાન વધતાં વાયુની દ્રાવ્યતા ઘટે છે, જ્યારે દબાણ વધતાં તે વધે છે. ઘણી વાર દ્રાવક સાથે દ્રાવ્ય વાયુની રાસાયણિક પ્રક્રિયા ઊંચી દ્રાવ્યતામાં પરિણમે છે. આવે વખતે દ્રાવકની પુન:પ્રાપ્તિ માટે રાસાયણિક પ્રક્રિયા પ્રતિવર્તી હોવી જરૂરી છે; દા. ત., મૉનોઇથેનૉલ એમાઇન વાપરી હાઇડ્રોજન સલ્ફાઇડ (H₂S)ને દૂર કરવાની વિધિમાં નીચા તાપમાને H₂S સહેલાઈથી શોષાય છે, અને ઊંચા તાપમાને તેનું અવલેપન થઈ શકે છે. કૉસ્ટિક સોડા H2Sને શોષી શકે છે, પણ અવલેપન-વિધિ દરમિયાન તેને સહેલાઈથી મુક્ત કરતો નથી.

(આ) દ્રાવકની બાષ્પશીલતા (volatility) : પ્રચાલન તાપમાને દ્રાવક પ્રમાણમાં ઓછો બાષ્પશીલ (ઓછું બાષ્પદબાણ ધરાવતો) હોવો જોઈએ, જેથી બહાર આવતા વાયુપ્રવાહ(gas strem)ને કારણે પડતી દ્રાવકની ઘટ નિવારી શકાય.

(ઇ) સંક્ષારકતા (corrosivity) : દ્રાવક એવો હોવો જોઈએ કે જે સાધનોનું સંક્ષારણ (corrosion) ન કરે. જો દ્રાવક સંક્ષારક હોય તો ક્ષારણ-પ્રતિરોધી (corrosion resistant) સાધનોની જરૂર પડે છે.

(ઈ) મૂલ્ય (cost) : દ્રાવક ઓછો ખર્ચાળ અને સહેલાઈથી પ્રાપ્ય હોવો જોઈએ, જેથી તેની ઘટ પડે તોપણ વિધિ ખર્ચાળ ન બને.

(ઉ) સ્નિગ્ધતા (શ્યાનતા, viscosity) : શોષણના ઝડપી દર માટે તેમજ સારા પ્રમાણમાં ઉષ્માના સ્થાનાંતરણ અને પંપિંગ દરમિયાન દાબ-પાત (pressure drop) ઓછો રહે તે માટે દ્રાવકની સ્નિગ્ધતા ઓછી હોય તે ઇચ્છનીય છે.

(ઊ) અન્ય : દ્રાવક એવો હોવો જોઈએ કે તે બિનવિષાળુ (non-toxic), બિનજ્વલનશીલ (non-flammable), રાસાયણિક દૃષ્ટિએ સ્થાયી (stable) તથા નીચું ઠારબિંદુ ધરાવતો હોય.

દ્રાવ્ય વાયુના સતત શોષણ માટેનાં સાધનો : વાયુમિશ્રણમાંથી દ્રાવ્ય વાયુનું સતત શોષણ થઈ શકે તે માટે નીચેના પ્રકારનાં સાધનો ઉપયોગમાં લેવાય છે :

(1) પરિવેદૃષ્ટિત (packed) સંસ્તર (bed) અવશોષક;

(2) પ્લેટ-ટાવરો;

(3) વેન્ટુરી (ventury scrubbers);

(4) શીકર/ફુવારા (spray)-ટાવર;

(5) પ્રપાત (falling) ફિલ્મ-અવશોષક;

(6) ઘાણ(batch)-અવશોષક

(1) પરિવેદૃષ્ટિત પ્રકારના અવશોષણ-સ્તંભ : આવો સ્તંભ આકૃતિ 1માં દર્શાવ્યા મુજબ યોગ્ય પરિવેષ્ટન-દ્રવ્ય વડે ભરેલો એક લાંબો નળાકાર ટાવર હોય છે. આવા પરિવેદૃષ્ટિત સ્તંભો ખાસ કરીને નીચેનાં સાથે કામ પાડવા માટે યોગ્ય છે :

(i) સંક્ષારક પ્રવાહીઓ [કારણ કે, પરિવેષ્ટન માટેના ઘટકો (elements) સિરેમિક, કાર્બન કે અન્ય સંક્ષારણરોધી દ્રવ્યના બનાવી શકાય છે.]

(ii) ફીણ ઉત્પન્ન કરતાં પ્રવાહીઓ [કારણ કે પરિવેદૃષ્ટિત સ્તંભમાં વાયુ દ્વારા પ્રવાહીના પ્રક્ષોભ(agitation)ની માત્રા નીચી હોય છે.]

(iii) ઉષ્મા-સંવેદી પ્રવાહીઓ

સ્તંભમાં વપરાતા પરિવેષ્ટન-દ્રવ્યો (i) યાંત્રિક સામર્થ્ય (mechanical strength) અને (ii) રાસાયણિક પ્રક્રિયા (attack) સામે પ્રતિરોધ (resistance) ઉપર આધાર રાખે છે. આ ઉપરાંત તે એવા હોવા જોઈએ કે જે પ્રચાલનના તાપમાન કે દબાણમાં એકાએક વધઘટ થાય તો સંકોચાય કે ખંડિત થાય નહિ. આકૃતિ 2માં પરિવેષ્ટન માટેનાં સાધનો દર્શાવ્યાં છે.

(2) પ્લેટ પ્રકારના અવશોષક–સ્તંભો : પ્લેટ-સ્તંભો એ તબક્કાવાર સંસ્પર્શ માટેનાં સાધનો છે, સિવાય કે તે સંસ્પર્શન (contacting) સાધન હોય. પ્લેટ-ટાવરમાં વાયુ-પ્રવાહી સંસ્પર્શ ફક્ત પ્લેટ અથવા છાજલીઓ (trays) આગળ જ થાય છે; જ્યારે પરિવેદૃષ્ટિત સ્તંભમાંના પદાર્થમાંના તેમના પથ દરમિયાન વાયુ અને પ્રવાહી વચ્ચે સંસ્પર્શ સતત થયાં કરે છે. પ્લેટ-સ્તંભ એ ઊંચો, નળાકાર સ્તંભ હોય છે, જેમાં અનેક ચાળણી (sieve) જેવી અથવા છિદ્રિત તકતીઓ, બુદદ આચ્છદ (bubble cap) તકતીઓ અથવા વાલ્વ તકતીઓ જડેલી હોય છે.

પ્લેટ-સ્તંભોનાં મુખ્ય (salient) લક્ષણો : આવા સ્તંભો નીચેના સંજોગોમાં ફાયદાકારક હોય છે :

(i) જ્યારે પ્રક્રમણ-તરલો (process fluids) આલંબિત (suspended) કણો ધરાવતા હોય. [આ માટે દરેક પ્લેટ ઉપર એક નરદ્વાર (manhole) હોય છે, જેથી સાફસૂફી સરળતાથી થઈ શકે.]

(ii) જ્યારે અવશોષણ સાથે સારી એવી ઉષ્મા-અસરો ઉદભવતી હોય. [આ માટે પ્લેટ ઉપર તાપન અથવા શીતનનળીઓ બેસાડેલી હોય છે.]

(iii) જ્યારે અવશોષણ રાસાયણિક પ્રક્રિયા સાથે સંકળાયેલું હોય. [પ્લેટ-સ્તંભોમાં પ્રવાહીનો નિવાસી સમય (residence time) લાંબો રાખી શકાય છે.]

(iv) વજન લક્ષમાં લેવાનું હોય. પ્લેટ-સ્તંભનું કુલ વજન સમાન ક્ષમતાવાળા પરિવેદૃષ્ટિત ટાવર કરતાં ઘણું ઓછું હોય છે.

નીચેની સારણીમાં પરિવેદૃષ્ટિત અને પ્લેટ-ટાવરોની સરખામણી આપી છે :

	પરિવેદૃષ્ટિત ટાવરો		પ્લેટ-ટાવરો
(1)	દાબ-પાત ઓછો	(1)	દાબ-પાત ઊંચો
(2)	નિર્વાત-પ્રચાલનમાં વપરાય છે.	(2)	શૂન્યાવકાશ હેઠળ વપરાતાં નથી.
(3)	તરલ પ્રવાહમાં નિલંબિત (sus-	(3)	નિલંબિત ઘન પદાર્થોની
	pended) ઘન પદાર્થો હોય ત્યારે		હાજરીમાં પણ વાપરી
	ઉપારોધન (clogging) અને સાફ-		શકાય છે.
	સૂફીના પ્રશ્નોને કારણે વપરાતા નથી.
(4)	પ્રવાહીના વિતરણના પ્રશ્નોને કારણે	(4)	મોટા વ્યાસમાં વાપરી શકાય
	મોટા વ્યાસવાળાં વપરાતાં નથી,		છે, કારણ કે પ્રવાહી વિતરણના
	કારણ કે મોટાં આમાપને લીધે		પ્રશ્નો ઉદભવતા નથી.
	ખર્ચ ઊંચું જાય છે.
(5)	નાની સાઇઝમાં વધુ પરવડે તેવાં.	(5)	મોટી સાઇઝમાં આર્થિક રીતે
			વધુ પરવડે તેવાં.

3. શીકર–અવશોષક : આવા અવશોષકો ઊર્ધ્વ (vertical) અથવા ક્ષિતિજ સમાંતર પ્રકારના હોય છે. ઊર્ધ્વ શીકર-ટાવરોમાં વાયુ નીચેથી ઉપર તરફ વહે છે, જ્યારે પ્રવાહીનો છંટકાવ ઉપરથી નીચે તરફ થાય છે. આવાં ટાવરો ખાસ કરીને ત્યારે વપરાય છે કે જ્યારે નીચો દાબ-પાત જરૂરી હોય અને ભારણ (feed)વાયુપ્રવાહ નિલંબિત કણવાળા પદાર્થો ધરાવતો હોય. ચીમનીના વાયુઓ(flue gases)માંથી સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડને દૂર કરવા આ પ્રકારના ટાવરનો ઉપયોગ થાય છે.

(5) પ્રપાત–ફિલ્મ–અવશોષકો અથવા આર્દ્રિત (wetted) – દીવાલ– સ્તંભો : જ્યારે અવશોષણ-પ્રવિધિ મોટા પ્રમાણમાં ઉદભવતી ઉષ્મા-અસરો સાથે સંકળાયેલી હોય ત્યારે આવા અવશોષકો વપરાય છે. તેમાં તરલ નળી અથવા નળીઓનાં ઝૂમખાં(bundles)માં પાતળી ફિલ્મના રૂપમાં નીચેની તરફ વહે છે, જ્યારે નળીઓની બહાર શીતકનું પરિવહન (circulation) કરવામાં આવે છે. પ્રપાત-ફિલ્મ-અવશોષક માટે પૃષ્ઠ-ક્ષેત્રફળ અને કદનો ગુણોત્તર ઘણો મોટો હોવાથી તેમાં દળ-સ્થાનાંતર ગુણાંક (mass transfer coefficient) ઊંચો મળે છે. નળીઓમાં વાયુ ઉપરની તરફ જતો હોવાથી તેનું શોષણ સારું થાય છે.

આ સાધનની બે ખામીઓ છે : (અ) પ્રવાહીને સ્તંભના મથાળે લઈ જવાનો ખર્ચ ઊંચો હોય છે. (બ) બહુગુણિત (multiple) નળીઓની ઉપરની પરિમિતિઓ (perimeters) આગળ પ્રવાહીનું એકસરખું વિતરણ ડિઝાઇનની દૃષ્ટિએ મુશ્કેલ પ્રશ્ન બને છે.

વાયુ-પ્રવાહી સંસ્પર્શની ભાત બે પ્રકારની હોય છે : (i) સહ-પ્રવાહ (co-current)-પ્રચાલન, (ii) પ્રતિ-પ્રવાહ(counter current)-પ્રચાલન.

(i) પહેલા પ્રકારમાં વાયુ અને પ્રવાહી બંને એક જ દિશામાં વહે છે. આથી તેને સમાંતર પ્રવાહ-પ્રચાલન પણ કહે છે.

        વાયુ    પ્રવાહી  અથવા વાયુ    પ્રવાહી

        ↓            ↓                 ↓            ↓

સહ-પ્રવાહ-પ્રચાલન જ્યારે દ્રાવ્ય વાયુ સાથેની રાસાયણિક પ્રક્રિયા ઝડપી હોય ત્યારે ફાયદાકારક છે. વળી તેમાં યોગ્ય સંઘટન પ્રાપ્ત કરવા માટે નાના વ્યાસવાળાં ટાવરોની જરૂર પડે છે. જોકે તેના ગેરફાયદા એ છે કે તેમાં યોગ્ય સંકેન્દ્રણ પ્રાપ્ત કરવા માટે દ્રાવકનું પુન:સંચરણ (recirculation) જરૂરી છે. વળી ઓછા સ્પર્શ-સમયને કારણે તેની ક્ષમતા ઓછી હોય છે. આ ઉપરાંત પ્રતિ-પ્રવાહ-પ્રચાલનની સરખામણીમાં વધુ તબક્કાઓની જરૂર પડે છે.

(ii) પ્રતિ-પ્રવાહ પ્રચાલન : આમાં વાયુ અને પ્રવાહી વિરુદ્ધ દિશામાં ગતિ કરે છે.

        વાયુ    પ્રવાહી

        ↓            ↓

આ પદ્ધતિના ફાયદા એ છે કે તેના સંઘટનમાં કોઈ એક ફેરફાર કરવા માટે ઓછામાં ઓછા તબક્કાઓની જરૂર પડે છે. સહ-પ્રવાહ-પ્રચાલનની સરખામણીમાં તેની ક્ષમતા વધુ છે અને ઇચ્છિત (desired) સંકેન્દ્રણ પ્રાપ્ત કરવા માટે પ્રવાહીના પુન:સંચરણની જરૂર પડતી નથી.

અવશોષણની ગણતરી માટે વાયુ-પ્રવાહી-સંતુલનના આંકડા(data)ની જરૂર પડે છે. આ આંકડા રાઉલ્ટના કે હેન્રીના નિયમનો ઉપયોગ કરી પ્રયોગ દ્વારા કે ગણતરી દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. સંતુલન-આંકડાનો ઉપયોગ કરી દ્રાવકનો ન્યૂનતમ પ્રવહન-દર, દ્રાવ્યનો ખરેખરો દર, સૈદ્ધાંતિક પ્લેટની સંખ્યા અને પરિવેદૃષ્ટિત સંસ્તરની ઊંચાઈ ગણી શકાય છે.

હર્ષદ રમણભાઈ પટેલ, અનુ. જ. દા. તલાટી