Динамика неизотермической адсорбции

Модель неравновесной изотермической адсорбции достаточно удовлетворительно описывает адсорбционные процессы, применяемые в криогенной технике и используемые, главным образом, для поглощения микропримесей. При этом экзотермичность процесса адсорбции достаточно мала. Однако в некоторых случаях, при повышенных концентрациях адсорбтива, тепловой эффект может оказывать существенное влияние на протекание процесса и его следует учитывать. К таким процессам относятся: осушка воздуха в блоках комплексной очистки и осушки, очистка сырого аргона от кислорода на цеолите типа NaA, разделение неоногелиевой смеси и ее очистка от примесей азота, разделение и очистка криптоно-ксенонового концентрата и т.п.

Рассмотрим динамику адиабатической адсорбции, для которой массообмен и теплообмен между взаимодействующими фазами происходит бесконечно быстро. Такая модель является достаточно условной, но позволяет выделить ряд принципиальных особенностей процесса.

Для рассматриваемого процесса можно записать

(3.45)

где Н – суммарная теплоемкость; Q – теплота адсорбции; – теплоемкость газа.

С учетом граничных и начальных условий (3.14) скорость дви­жения адсорбционного фронта при изотермической сорбции составит

. (3.46)

Для неизотермической адсорбции из теплового баланса вытекает выражение для скорости движения тепловой волны

. (3.47)

При неизотермическом процессе адсорбции тепловая и сорбционная волны будут двигаться взаимосогласованно. Аналитическое решение системы (3.45) получено для режима параллельного переноса, т.е. для асимптотической стадии процесса при выпуклой изотерме адсорбции. Анализируя это решение, можно выделить два случая.

1. Скорость тепловой волны больше скорости движения изотермического фронта . Теплота адсорбции отводится потоком газа, и температура адсорбента не увеличивается, т.е. теплота адсорбции не оказывает влияния на процесс. Скорость движения сорбционной волны и температура поверхности адсорбента определяются уравнениями:

; (3.48)

. (3.49)

2. Скорость изотермической, сорбционной волны больше, чем скорость тепловой . Теплота адсорбции не успевает отводиться потоком. Это приводит к снижению адсорбционной емкости сорбента в зоне поглощения. На нагретом участке поглощается не весь адсорбат, а лишь его часть. В этом случае по слою распро­страняются две сорбционные волны

; (3.50)

. (3.51)

Для случая, когда , процесс адсорбции протекает не­зависимо от начальной температуры слоя. Это означает, что слой будет нагрет или охлажден потоком газа к моменту подхода адсорбционной волны и время защитного действия слоя адсорбента не зависит от его начальной температуры. Следовательно, в этом случае охлаждение зернистого слоя после его термической регенерации проводить не обязательно. При осушке газов цеолитами и силикагелями это условие может соблюдаться на практике.