Занятие № 24. Адсорбционные процессы

1. АДСОРБЦИЯ, АДСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Адсорбция - процесс поглощения газов (паров) или жидкостей, по­верхностью твердых тел (адсорбентов). Явление адсорбции связано с наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощае­мого вещества. По сравнению с другими массообменными процессами адсорбция наиболее эффективна в случае малого содержания извле­каемых компонентов в исходной смеси.

Различают два основных вида адсорбции: физическую и химическую (или хемосорбцию). Физическая адсорбция вызывается силами взаи­модействия молекул поглощаемого вещества с адсорбентом (диспер­сионными или ван-дер-ваальсовскими). Однако молекулы, соприкаса­ясь с поверхностью адсорбента, насыщают его поверхность, что ухуд­шает процесс адсорбции. Химическая адсорбция характеризуется химическим взаимодействием между средой и адсорбентом, что может образовывать новые химические соединения на поверхности адсорбента. Оба вида адсорбции экзотермичны. Однако если теплота физической адсорбции промышленных газов и паров соизмерима с их - теплотой конденсации (85-125 кДж/кмоль),- а в случае растворов даже меньше, то теплота химической адсорбции достигает нескольких сотен кило­джоулей на киломоль. Химическая адсорбция протекает обычно с не­большой скоростью и возможна при высоких температурах, когда фи­зическая адсорбция ничтожно мала.

Переход вещества из газовой и жидкой фаз в адсорбированное со­стояние связан с потерей одной степени свободы, т. е. сопровождается уменьшением энтропии и энтальпии системы, следовательно, выделени­ем теплоты. При этом различают дифференциальную и интегральную теплоты адсорбции; первая выражает количество выделяющейся теп­лоты при поглощении очень малого количества вещества (2 г/100 г ад­сорбента), вторая - при поглощении до полного насыщения адсорбента. Повышение температуры в каждом процессе адсорбции зависит от теплоты адсорбции и массовой скорости газового (парового) потока, от температуропроводности этого потока и адсорбента, количества ад­сорбированного вещества и его концентрации. Так как адсорбционная способность адсорбента снижается с ростом температуры, экзотермичность процесса должна учитываться в инженерных расчетах. При боль­ших тепловыделениях прибегают к охлаждению слоя адсорбента.

Процессы адсорбции отличаются избирательностью и обратимостью, позволяя поглощать (адсорбировать) из газовых (паровых) смесей и растворов один или несколько компонентов, а затем в других условиях выделять (десорбировать) их из твердой фазы. При этом избиратель­ность зависит от природы адсорбента и адсорбируемых веществ, а предельное удельное количество поглощаемого вещества зависит еще от его концентрации в исходной смеси и температуры, а в случае га­зов - также от давления.

Адсорбенты - пористые тела с сильно развитой поверхностью пор. Удельная поверхность пор может достигать 1000 м²/^г. Адсорбенты применяют в виде таблеток или шариков размером от 2 до 6 мм, а также порошков с размером частиц от 20 до 50 мкм. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, силикагель, алю­мосиликаты, цеолиты (молекулярные сита) и др. Важной характеристикой адсорбентов является их активность, под которой понимают массу адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента в условиях равновесия. Активность адсорбента равна

а=М/G, (1)

где М - масса поглощенных компонентов; G - масса адсорбента.

Адсорбенты характеризуются также временем защитного действия, под которым понимают время, в течение которого концентрация поглощаемых веществ на выходе из слоя адсорбента не изменяется. При большем времени работы адсорбента происхо­дит проскок поглощаемых компонентов, связанный с исчерпанием активности адсор­бента. В этом случае необходима регенерация или замена адсорбента.

Достижению равновесия между твердой и подвижной газовой фаза­
ми соответствует поглощение максимального количества вещества. Ус­ловия равновесия описываются в виде зависимости поглощающей способности (количества вещества М, поглощаемого единицей массы или объема адсорбента) от температуры Т и концентрации С поглощаемо­го вещества в равновесной подвижной фазе, т.е.М = f (Т, С). Обычно условия адсорбционного равновесия изучают при постоянной темпера­туре. Зависимость М = f (G) называется изотермой адсорбции. Кон­кретная форма этой зависимости определяется свойствами и механиз­мом взаимодействия адсорбента и адсорбируемого вещества.

В связи с разнообразием адсорбентов и адсорбируемых веществ единая теория адсорбции пока не разработана. Закономерности про­цессов адсорбции, в которых определяющую роль играют ван-дер-ваальсовские силы притяжения, можно удовлетворительно описать так называемой потенциальной теорией адсорбции. Согласно этой теорий на поверхности адсорбента образуется полимолекулярный адсорбцион­ный слой, энергетическое состояние молекул в котором определяется значением адсорбционного потенциала, являющегося функцией рассто­яния от поверхности, и не зависит от температуры. Наибольшее значе­ние адсорбционный потенциал имеет, на поверхности адсорбента. По­тенциальная теория применима к процессам адсорбции на адсорбен­тах, размеры пор которых соизмеримы с размерами поглощаемых мо­лекул. В таких случаях происходит не послойное, а объемное заполне­ние пор.

Для описания процесса мономолекулярной адсорбции наибольшее применение получила теория Лангмюра, согласно которой за счет некомпенсированных сил у поверхностного атома или молекулы ад­сорбента адсорбированная молекула удерживается некоторое время на
поверхности. Адсорбция происходит в особых точках поверхности - цен­трах адсорбции. Материальные по­токи, участвующие в процессах ад­сорбции и десорбции, содержат переносимые и «инертные» компонен­ты. Под первыми понимаются веще­ства, переходящие из одной фазы в другую, а под вторыми - те кото­рые в таком переносе не участвуют. В твердой фазе «инертным» компо­нентом является адсорбент.

Скорость процесса адсорбции за­висит от условий транспорта адсор­бируемого вещества к поверхности адсорбента (внешний перенос), а также от переноса адсорбируемого вещества внутрь зерен адсорбента (внутренний перенос). Скорость внешнего переноса определяется гид­родинамической обстановкой процесса, а внутреннего - структурой адсорбента и физико-химическими свойствами системы.

2. УСТРОЙСТВО АДСОРБЕНТОВ И СХЕМЫ АДСОРБЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Процессы адсорбции проводятся в, основном следующими способа­ми: 1) с неподвижным слоем адсорбента;

2) с движущимся слоем ад­сорбента;

3) с псевдоожиженным слоем адсорбента.