Теоретическая часть

Адсорбция —это процесс поглощения веществ из газовой или жидкой фазы твердым пористым поглотителем —адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе, называется адсорбтивом, а поглощенное—адсорбатом.

Адсорбционные процессы широко применяются для разделения газовых и жидких смесей, тонкой очисткии осушки газов. В последние годы адсорбция находит широкое применение для очистки промышленных выбросов.

Адсорбенты, используемые для этих целей, должны отвечать ряду требований: иметь большую адсорбционную способность при поглощении компонентов с небольшой концентрацией их в очищаемых потоках, обладать высокой селективностью, иметь высокую механическую прочность и способность к регенерации, а также небольшую стоимость.

Для промышленных адсорбентов характерно наличие пор различного размера: микропоры (размер от 5 • 10¹⁰до 1 • 10 ⁹м), переходные поры (от 1,5 10 ^{- 9}до 1 • 10 ^{- 7}м)и макропоры (более 2 • 10^-7м). Соответственно типам пор адсорбенты бывают микропористые, переходные и макропористые. Но в большинстве случаев промышленные адсорбенты, применяемые для очистки газовых выбросов, относятся к смешанном у типу. Промышленныеадсорбенты должны иметь развитую удельную поверхность. Так, удельная поверхность адсорбентов с переходным и порам и колеблется от 10 до 400 м ²/г. Поглощающая способность поверхности адсорбентов объясняется особым (несимметричным Состоянием молекул на границе раздела фаз. Как термодинамический процесс адсорбция характеризуется уменьшением свободной энергии системы адсорбент-адсорбат.

На практике применяются следующие адсорбенты:активные угли, силикагели, алмогели и цеолиты.

Активные угли представляют собой специально обработанные угли для освобождения их пор от смолистых веществ и увеличения адсорбирующей поверхности. Получают их израз личных видов органического сырья: твердого топлива, древесины, ореховой скорлупы, отходов кожевенной промышленности и др. Активные угли характеризуются двумя отличительным и свойствам и: гидрофобностью и горючестью. По размеру и форме частиц они бывают гранулированные и порошкообразные. Гранулированные угли используют в аппаратах с неподвижным слоем, порошкообразные -только для очистки жидкостей.

Уголь является единственным неполярным адсорбентом, имеющим промышленное значение. Он обладает поверхностью, состоящей практически из нейтральных атомов одного вида с равномерным распределением зарядов без градиента потенциалов. Уголь является очень эффективным адсорбентом для неполярных органических молекул, даже в присутствии пapoв воды.

К неполярным адсорбентам относятся силикагели, алюмогели, цеолиты, некоторые оксиды металлов. По своей природе силикагель является гидрофильным адсорбентом с высокой адсорбционной емкостью.

Силикагели используют для осушки газов и поглощения паров полярных органических веществ, например метанола. По сравнению с углям и силикагели негорючи, имеют низкую температуру регенерации (100 -200°С)и соответственно меньшие энергетические затраты на десорбцию. Их

возможно синтезировать в широком интервале заданных, структурных, характеристик при использовании несложных технологических приемов.

Цеолиты по химической природе являются алюмосиликатам и, они содержат оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов и подразделяются на природные и синтетические. Цеолиты отличаются строго регулярной структурой пор, заполненных при нормальной температуре водой. Нагреванием можно выделить цеолитную воду, а освободившиеся поры могут заполняться другими веществам и(жидким и или газообразным и) Цеолиты с очень тонкими порами, размеры которых соизмеримы с размерами молекул, называют молекулярными ситами.

Из природных цеолитов практическое применение находят клиноптилолит, морденит, шабазит, эрионит. Разработаны технологии получения синтетических цеолитов, которые представлены алюмосиликатам и натрия, кальция и некоторых других металлов. Для адсорбции газовых компонентов применяют преимущественно синтетические цеолиты типов NaA,CaA,CaX,NaX, выпускаемые в виде шарообразных гранул или цилиндров. Основным достоинством цеолитов является то, что их можно использовать при высоких температурах, когда силикагель и глинозем теряют эффективность. Цеолиты применяют как селективные адсорбенты.

В последнее время для очистки газовых выбросов от вредных примесей предложено использовать иониты и активированные углеродные волокна.

Все адсорбенты разделяют на 3 группы:

1) Неполярные - на них происходит в основном физическая адсорбция;

2) полярные, где происходит физическая адсорбция без изменения химической структуры молекул газа и поверхности адсорбента;

3) адсорбенты,имеющие поверхности с чисто химической адсорбцией.

Механизм адсорбции молекул газа на поверхности твердых тел очень

сложен и зависит от физических и химических свойств как адсорбента,так и адсорбата в каждом конкретном случае.

При адсорбции молекулы газа осаждаются на поверхности адсорбента так же, как и при конденсации, а затем удерживаются на ней физическими или химическими силами, или одновременно тем и и другим и. Это определяется химической природой, как адсорбента,так и адсорбата. Некоторые поверхности обладают способностью селективно адсорбировать определенные виды молекул.

Адсорбция газа па поверхности адсорбента происходит в несколько стадий. На первой стадии осуществляется перенос молекул газа к внешней поверхности адсорбента, на второй стадии молекулы газа проникают в поры адсорбента, на третьей — происходит собственно адсорбция молекул в определенные области поры.Третья стадия протекает очень быстро по сравнению с первым и двумя.

Отработанные адсорбенты подвергают регенерации, которая осуществляется либо термическим методом, либо десорбцией насыщенным или перегретым паром.Иногда используют инертные газы. Термическая регенерация проводится при 700 — 800°С, при этом возможны потери адсорбента (5-10%).

При регенерации десорбцией используется нагретый пар при200- 300° С или инертные газы при 120 — 140°С.

Адсорберы, применяемые для очистки газов, подразделяются на аппараты периодического и непрерывного действия. В аппаратах периодическою действия слой адсорбента неподвижен,а непрерывные процессы осуществляются в адсорберах с движущимся или кипящим слоем поглотителя.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис.7)состоит из адсорбера-1, заполненного активированным углем; воздуходувки-7; источника паров ацетона-10 с

дозирующим вентилем -11; сборника конденсата-4; иоглотителей-6,12; ротам етра-9; реагирование направлений газового потока осуществляется трехходовым и кранам и-5, 8,11.

Для проведения работы на установке необходимо загрузить адсорбер активированным углем через штуцер-2, включить воздуходувку-7 и установить по ротаметру-9 необходимый расход воздуха с помощью регулирующего крана-8. Емкость-10 заполнить ацетоном и краном -11 подавать его пары в воздушны й поток от вентилятора. Концентрацию ацетона в воздухе до и после очистки из меряют с помощью поглотителей-6, 12. Газ на очистку подается в адсорбер-1, конденсат собирается в емкость4. Поток очищаемого газа выводится в вытяжной шкаф.Концентрацию ацетона в воздухе можно регулировать с помощью вентиля-11, а в случае необходимости использовать либо охлаждение емкости-10 льдом, либо ее подогрев на водяной бане.

Установка периодического действия. Для десорбции ацетона из угля необходим о продуть ее горячим воздухом. Выгрузка отработанного адсорбента осуществляется через штуцер-3.