Адсорбция

Адсорбцией называется процесс поглощения газов (паров) или жидкостей поверхностью твердых тел (адсорбентов). В случае избира­тельного поглощения компонентов смеси появляется возможность ее раз­деления на составляющие компоненты. Явление адсорбции связано с нали­чием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощаемого веще­ства.

Адсорбция является одним из эффективных методов разделения газо­образных и жидких смесей компонентов, различающихся структурой мо­лекул. По сравнению с другими массообменными процессами наиболее эф­фективно ее использование в случае малого содержания извлекаемых ком­понентов в исходной смеси.

Твердое вещество, на поверхности или в порах которого происхо­дит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся вне пор адсорбента, называется адсорбтивом, а после его перехода в адсорбированное состояние — адсорбатом.

Процессы адсорбции являются избирательными и обрати­мыми. Это значит, что каждый поглотитель обладает способ­ностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощает (или поглощает лишь в незначительной степени) другие ве­щества, содержащиеся в газовой смеси или растворе, а погло­щенное вещество всегда может быть выделено из поглотителя путем десорбции — процесса, обратного адсорбции.

Процессы адсорбции протекают в неподвижном или переме­щающемся слое зернистого адсорбента, или в кипящем (псевдоожиженном) слое. В последнем случае адсорбенты могут нахо­диться в виде «стационарного» слоя внутри аппарата или циркулировать через аппарат.

Адсорбция в слое движущегося адсорбента и особенно в ки­пящем слое протекает значительно интенсивнее, чем в неподвиж­ном слое, и может проводиться в более компактной аппаратуре.

Благодаря огромной удельной поверхности адсорбентов (по­верхность на единицу объема) при адсорбции возможны очень большие скорости поглощения и полное поглощение компонен­тов, выделение которых путем абсорбции было бы невозможно из-за малой концентрации их в смеси. Поэтому адсорбция является эффективным способом разделения «бедных» смесей, со­держащих незначительное количество поглощаемых веществ, а также смесей, состоящих из компонентов, очень близких друг к другу по химическим и физическим свойствам.

Процессы адсорбции широко применяются для очистки и осушки газов, для разделения смесей газов и паров, например смесей газообразных углеводородов, для улавливания из паро­газовых смесей паров ценных органических веществ (бензола, бензина, ацетона и др.), или так называемой рекуперации ле­тучих растворителей. Посредством адсорбции производят также очистку растворов от примесей.

Адсорбционные установки разделяют:

а) установки с неподвижным слоем

б) установки с движущимся слоем

в) установки с псевдоожиженым слоем

А дсорберы с неподвижным зернистым адсорбентом. Эти ад­сорберы представляют собой полые вертикальные или горизонтальные сосуды, в которых размещен слой зернистого адсорбента. Иногда применяют адсорберы с кольцевым слоем адсорбента. Газовая (паровоздушная) смесь подается в корпус 1 адсор­бера, проходит сквозь находящийся на решетке 2 слой адсорбента (на рисунке заштрихован), после чего уда­ляется через выхлопной штуцер. По завершении адсорбции для вытеснения поглощенного вещества из адсорбента в аппарат подается перегретый водяной пар (или другой вытесняющий агент), который движется в направлении, обратном движению газа. Паровая смесь (смесь паров воды и извлекаемого компо­нента) удаляется из аппарата и поступает на разделение в от­стойник непрерывного действия или в ректификационную ко­лонну. После десорбции сквозь слой адсорбента пропускают для его сушки горячий воздух, который входит через паровой шту­цер и удаляется через тот же штуцер, что и паровая смесь. Вы­сушенный адсорбент охлаждается холодным воздухом, движу­щимся по тому же пути, что и водяной пар, после чего цикл поглощения повторяется снова.

Для адсорбции из жидкой фазы используют обычные фильтрпрессы, рамы которых заполняют зернистым адсор­бентом.

Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом. Эти ад­сорберы представляют собой колонны, в которых зернистый ад­сорбент движется самотеком сверху вниз, либо перемещается при помощи специальных транспортных устройств (шнеки, эле­ваторы).

Газовая смесь, подаваемая в колонну через распределитель­ную тарелку 3, поступает в адсорбционную зону 1 и поднимается вверх. Адсорбент движется по колонне под действием силы тяжести сверху вниз, противо­током газовой смеси. В зоне / адсорбент поглощает более тяже­лые компоненты газовой смеси, наиболее легкие, непоглощенные газы (верхняя, или легкая фракция) удаляются из верхней части зоны /. Далее адсорбент проходит промежуточную зону // и поступает в зону десорбции ///, где движется по трубкам теплообменника-десорбера 4, в межтрубном пространстве, кото­рого конденсируется греющий пар. Одновременно в трубки теп- лообменника-десорбера подают перегретый острый пар для о тдувки из адсорбента поглощенных тяжелых компонентов. Наи­более тяжелые компоненты (нижняя, или тяжелая фракция) удаляются из верхней части зоны ///. Часть десорбированных более легких компонентов в виде парогазовой смеси проходит в промежуточную (ректификационную) зону //. Здесь парогазо­вая смесь вытесняет из адсорбента часть поглощенных компонен­тов, более легких, чем компоненты, десорбированные в зоне ///.

Эти вытесненные компо­ненты отводятся из зоны // в качестве промежуточ­ной фракции.

Регенерированный в зоне III нагретый адсор­бент проходит через раз­грузочное устройство 5, регулирующее скорость удаления адсорбента, и через гидравлический за­твор 6, предотвращающий утечку острого пара с ад­сорбентом. Далее адсор­бент через регулирующий клапан 7 поступает в сборник 8, куда газодувкой 9 подается транспор­тирующий газ (обычно часть непоглощенных га­зов легкой фракции). По трубе-газоподъемнику 10 адсорбент подается то­ком газа в бункер 1 и от­сюда ссыпается в трубки водяного холодильника 2 где охлаждается, и снова поступает в адсорбцион­ную зону /. Для полного восстановления активно­сти адсорбента часть его из бункера 1 направляет­ся в теплообменник-реак­тиватор //, обогреваемый топочными газами.

В трубках теплообменника-реактиватора при высокой тем­пературе адсорбент продувается острым водяным паром и посту­пает в сборник 8.

Распределительные тарелки 3 представляют собой трубные решетки, к которым снизу присоединены короткие отрезки труб. Тарелки служат для более равномерного распределения газа по сечению колонны и уменьшения уноса частиц адсорбента газо­вым потоком.

А дсорберы с кипящим (псевдоожиженым) слоем мелкозер­нистого адсорбента. При проведении адсорбции в кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента гидрав­лическое сопротивление слоя является весьма малым, поэтому можно создавать скорости газового потока, в несколько раз большие, чем в неподвижном слое адсорбента. Благодаря сочетанию высоких скоростей газа с очень развитой поверхностью фазового контакта можно значительно интенсифицировать про­цесс адсорбции. При интенсивном перемеши­вании частиц в кипящем слое в нем проис­ходит быстрое выравнивание температуры и предотвращается опасность перегрева адсорбента.

Следует, однако, отметить, что при сопри­косновении газового потока на выходе из ки­пящего слоя с отработанными насыщенными частицами адсорбента может происходить ча­стичная десорбция поглощенного вещества ил адсорбента. При интенсивном перемешивании в кипящем слое происходит сильное истира­ние твердых частиц адсорбента, в связи, с чем для проведения описанного процесса необхо­димо применять адсорбенты, обладающие до­статочной механической прочностью.

Адсорберы с кипящим слоем мелкозерни­стого адсорбента делятся на одноступенча­тые и многоступенчатые.

В корпусе 1 одноступенчатого адсорбера имеется распределительная решетка 2, через которую снизу подается газ, приводящий мелкозернистый адсорбент в состояние кипя­щего слоя.

Газ отводится через верхний штуцер. Адсорбент поступает сверху и удаляется через трубу 4.

В аппарате поддерживается определенный уровень «стацио­нарного» кипящего слоя адсорбента.

Многоступенчатый адсорбер представляет собой колонну с тарелками в виде дырчатых или колосниковых решеток. Ад­сорбент подается газодувкой наверх колонны и стекает по та­релкам через переточные трубки противотоком к газовой смеси. Газовая смесь, проходя через отверстия в тарелках, движется противотоком к адсорбенту. Адсорбент выгружается снизу ко­лонны через специальный затвор. Путем такой многоступенча­той адсорбции достигается хорошее извлечение ценных компо­нентов из «бедных» газов.

1 - корпус адсорбера

2- слой дисперсного материала