4. Методи адсорбції і десорбції

Адсорбцію проводять в нерухомому шарі адсорбента, а також у рухомому і зрідженому шарах адсорбента.

Десорбцію проводять:

- витісненням з адсорбента поглинутих речовин агентом, який має поглинальну здатність, яка є вищою від поглинальної здатності поглинутих речовин;

- випаровуванням поглинутих речовин (якщо їхня леткість достатньо висока) шляхом нагрівання адсорбента.

Як десорбуючі агенти використовують водяну пару, пари органічних речовин або інертні гази.

Дози сорбенту, які необхідні для очищення таких вод, підбирають експериментально, тому що адсорбційна ємкість сорбенту (кількість ммоль речовини, 1 г сорбенту) залежить від природи адсорбтива (речовина, що адсорбується) та адсорбента, тобто від сировини, з якої отриманий сорбент, та метода його активування, що обумовлює визначену марку сорбента.

Максимальну адсорбційну ємкість|місткість| сорбенту визначають експериментально|експериментальний|. За отриманими|одержувати| експериментальними даними будують ізотерми адсорбції в координатах „адсорбційна ємкість|місткість| сорбенту - концентрація адсорбованої речовини після|потім| адсорбції, або так звана рівноважна концентрація|”.

Для побудови|шикування| ізотерми адсорбції однакові наважки сорбенту заливають розчинами, що містять|утримують| різні кількості| адсорбованої речовини, струшують певний час для встановлення адсорбційної рівноваги, потім сорбент фільтрують і у фільтратах| визначають залишкові (рівноважні) концентрації адсорбованої речовини.

Знаючи вихідні|вихідні| і залишкові концентрації адсорбованої речовини, а також наважки сорбенту, які використані для адсорбції, обчислюють|обчисляти| адсорбційну ємкість|місткість| сорбенту.

5. Розрахунок адсорбції у процесах осушки (очищення) газових потоків

1. Безперервні адсорбційні процеси здійснюються в адсорбційних апаратах із шаром поглинача, що рухається зверху вниз, причому парогазова суміш рухається протитечією. Розрахунком визначаються мінімальна швидкість руху сорбенту (швидкість, при якій ступінь використання рівноважної адсорбційної ємності сорбентів в умовах динамічного досліду становить 0,95-0,98 і забезпечується задана глибина очищення або осушки пароповітряних потоків) і робоча висота шару в гіперсорбціонному апараті Н₀.

Швидкість руху шару и розраховується за формулою:

(186)

де w – швидкість газового потоку, віднесена до повного перерізу апарата; K – коефіцієнт захисної дії шару; – початкова концентрація адсорбованої речовини в парогазовій суміші; – постійна індукуюча проскокова концентрація адсорбованої речовини в парогазовому потоці за шаром сорбента.

У процесах тонкого сушіння або очищення газових потоків змінюється від 0,025 до 0,008% залежно від величини (коли змінюється від 20,0 до 10,0 г/м³). Тому в цьому випадку в рівнянні (186) постійною індукуючою пропусковою концентра-цією можна знехтувати.

Робоча висота шару в гіперсорбціоному апараті розраховується за формулою:

, (187)

де – коефіцієнт, що характеризує відношення насипної щільності з вібраційним ущільненням шару до щільності без ущільнення (в середньому y = 1,4); h₀ – висота зони масопередачі нерухомого шару.

2. Висота шару адсорбенту може бути розрахована за допомогою загального методу через число одиниць переносу:

(188)

де V_γ – витрата парогазової суміші; S - площа поперечного перерізу шару; β_у – коефіцієнт масовіддачі; і – концентрація парогазової суміші при вході в адсорбер і при виході з нього; –рівноважна концентрація адсорбованої речовини в парогазовій суміші по ізотермі.

Різниця концентрацій визначає рушійну силу процесу. Прикладом такої різниці є відрізок DE на рис. 56, у якого абсциса точки D дорівнює , а точки . Відношення виражає висоту шару поглинача, еквівалентну одній одиниці переносу, і позначається через h_e, а інтеграл являє собою загальне число одиниць переносу і позначається через m. Для визначення Н треба знайти величину інтеграла. Здійснюється це графічним методом.

Маючи дані і , наносять на діаграму ізотерми адсорбції обидві точки і з'єднуючи їх прямою, отримують робочу лінію AK. Потім в координатах будують криву. Замість такого визначення інтеграла можна скористатись більш простим графічним методом. Почавши від точки A (рис. 56) на робочій лінії (точки входу парогазової суміші в адсорбер), будують ступені зміни концентрацій між рівноважною кривою і цією лінією до точки K (точки виходу парогазової суміші з адсорбера).

Число одиниць переносу, яке відповідає одному ступеню, позначається через m_0. Якщо число ступенів дорівнює n і всі вони однакові, то m = m₀n і висота шару:

(189)

Такий випадок можливий лише на прямолінійній ділянці ізотерми. У загальному ж вигляді формула для розрахунку висоти шару має такий вигляд:

(190)

Рис. 56. Визначення числа ступенів зміни концентрації

Для кожного ступеня зміни концентрації число одиниць переносу т₀ обчислюється окремо за формулою:

(191)

де – концентрація на вході парогазової суміші в ступінь, наприклад абсциса точки А; – концентрація на виході парогазової суміші із ступеня, наприклад абсциса точки D; – рівноважна концентрація, наприклад абсциса точки В, причому ; – рівноважна концентрація, наприклад абсциса точки Е.

На прямолінійній ділянці ізотерми для визначення висоти шару можна скористатися формулою:

(192)

Тут G – кількість речовини, адсорбованої за одиницю часу; – середня рушійна сила адсорбції, яку можна обчислити як середню логарифмічну величину:

, (193)

де – найбільша рушійна сила на одному кінці шару ; – найменша рушійна сила на іншому кінці шару .

3. Адсорбція в нерухомому шарі адсорбенту є невстановленим процесом, що ускладнює визначення зміни концентрації цільового компоненту по висоті шару, а також розрахунок часу захисної дії.

Зв'язок між концентрацією в газі, висотою шару адсорбенту і часом для першої (лінійної) частини ізотерми адсорбції описується рівнянням:

, (194)

де С і С₀ – концентрація сорбтива в газовій суміші в момент часу τ на висоті шару L і на вході в адсорбер, відповідно; – функція Бесселя першого роду нульового порядку; х – безрозмірна приведена відстань, або висота шару; z – безрозмірний приведений час контакту адсорбенту з газовою сумішшю (без врахування газу, що перебуває в шарі перед початком процесу).

В результаті перетворень рівняння (194) отримаємо:

. (195)

В розгорнутому вигляді рівняння (192) можна записати:

. (196)

Це рівняння зручно використовувати для розрахунку на ЕОМ (рис. 57).

4. Розподіл концентрації сорбтиву в нерухомому шарі адсорбенту аналогічно (194), (195) описується залежністю:

(197)

де y^* – концентрація сорбтиву в газовій фазі, рівноважна з концентрацією в твердій фазі.

Рис. 57. Ізотерми адсорбції при 20⁰С:

1 – бензол; 2 – діетиловий ефір; 3 – етиловий спирт (70%) + диетиловий ефір (30%)

В розгорнутому вигляді рівняння (197) можна записати:

(198)

У рівняннях (194)-(197):

(198)

(200)

Тут K_υ – об'ємний коефіцієнт масопередачі; L – висота шару адсорбенту; w_y – швидкість газової фази, розрахована на загальний переріз адсорбера; τ – тривалість процесу адсорбції; А – константа з рівняння ізотерми адсорбції: A=y^*/a ( а – величина адсорбції).

Криві розподілу концентрацій (рис. 57) сорбтива у твердій фазі представлені відповідно до даних, розрахованими за рівнянням (198). На практиці такі графіки використовують рідко, тому що для умов пропускання необхідні малі значення , або , які важко визначити за рисунком через дрібний масштаб.

Для розрахунку часу захисної дії за допомогою ЕОМ зручно користуватися даними таблиці 16.

Таблиця 16

		При значеннях х
		10	20	30	50	100	150	200
0,005	z	1,5	6,6	13,0	27,1	66,4	108	151
	η	0,15	0,33	0,43	0,54	0,66	0,72	0,76
0,010	z	2,0	7,6	14,3	29,0	69,3	112	156
	η	0,20	0,38	0,48	0,58	0,69	0,75	0,78
0,020	z	2,6	8,7	15,8	31,3	72,6	116	161
	η	0,26	0,44	0,53	0,62	0,73	0,77	0,80
0,030	z	3,0	9,5	16,8	32,5	74,7	119	164
	η	0,30	0,48	0,56	0,65	0,75	0,79	0,82
0,040	z	3,3	10,0	17,5	33,5	76,3	121	116
	η	0,33	0,50	0,58	0,67	0,76	0,80	0,83
0,050	z	3,6	10,5	18,2	34,5	77,6	122	168
	η	0,36	0,53	0,61	0,69	0,78	0,82	0,84

У таблиці 16 наведені значення z і η (η – коефіцієнт корисної дії адсорбційної ємності адсорбенту при пропусканні). При низьких значеннях С/С₀ коефіцієнт корисної дії адсорбційної ємності η приблизно дорівнює відношенню комплексів z/x.

Після експериментального визначення і η із таблиці 16 знаходять значення x і z. З величин х і z за формулами (199) і (200) розраховують коефіцієнт масопередачі К_υ і співвідношення рівноважних концентрацій між фазами або . Для одиничного об’єму газової суміші (при z = const ) у відрізку висоти шару L/x (рівному висоті одиниці масопередачі) концентрація – С₁ змінюється в С₂ за залежністю:

. (201)

Таким чином, комплекс х являє собою число одиниць масопереносу.

Отже, в задачах управління можна виділити змінні, що характеризують процес адсорбції, вхідні, вихідні та проміжні змінні.

Вхідні: глибина очищення (осушки) парогазових потоків; робоча висота шару адсорбенту; початкова концентрація адсорбованої речовини в парогазовій суміші; постійна пропускна концентрація адсорбованої речовини в парогазовому потоці за шаром адсорбента.

Проміжні: кількість ступенів зміни концентрації; кількість речовини, що адсорбується за одиницю часу; середня рушійна сила адсорбції; розподіл концентрацій в нерухомому шарі адсорбенту.

Вихідні: тривалість процесу адсорбції; концентрація компоненту в парогазовій суміші та адсорбенті.

6. Апаратна реалізація процесів адсорбції

Адсорбери з нерухомим шаром поглинача. Це є, як правило, цилі­ндричні адсорбери вертикального (рис.58, а) і горизонтального (рис.58, б) типів. Адсор­бери з шаром поглинача кільцевого перерізу (рис.58, в) використовуються дуже рідко.

В таких апаратах процес адсорбції відбувається в чотири стадії: власне адсорбція, десорбція, висушування поглинача і охолодження. Після закінчення четвертої стадії цикл роботи апарата повторюється.

Перша стадія – власне адсорбція, тобто насичення поглинача адсорбованим компо­нентом. Парогазова суміш подається в корпус 1 апарата (рис. 58) через штуцер 2, про­ходить через шар поглинача (на рисунку заштрихований) і виходить через штуцер 3.

Рис. 58. Адсорбери періодичної дії з нерухомим шаром поглинача:

а – вертикальний; б – горизонтальний; в – кільцевий;

1 – корпус; 2 – штуцер для подачі парогазової суміші (при адсорбції) і повітря (при сушінні й охолодженні); 3 – штуцер для відводу відпрацьованого газу (при адсорбції) і повітря (при сушінні й охолодженні); 4 – барботер для подачі гострої пари при десорбції; 5 – штуцер для відводу пари при десорбції;

6 – штуцер для відводу конденсату; 7 – люки для завантаження поглинача;

8 – люки для вивантаження поглинача; 9 і 10 – відповідно внутрішні і зовнішні циліндричні ґрати

Друга стадія - десорбція поглиненого компоненту з поглинача. Подача парогазової суміші припиняється і в апарат подається водяна пара через барботер 4 (рис. 58, а, б) чи через штуцер 3 (рис. 58, в). Суміш пари десорбованого компоненту і води виходить через штуцер 5. Конденсат пари виділяється з апарату після десорбції через штуцери 6 (рис. 58 а, б) або 5 (рис. 58, в).

Третя стадія – сушіння поглинача. Перекривається вхід і вихід водяної пари, після цього вологий поглинач сушиться гарячим повітрям, що надходить в апарат також че­рез штуцер 2 і виводиться з апарату через штуцер 3.

Четверта стадія – охолодження поглинача. Припиняється подача гарячого повітря, після цього поглинач охолоджується холодним повітрям, що надходить в апарат та­кож через штуцер 2; відпрацьоване повітря виводиться через штуцер 3.

Після завершення четвертої стадії робочий цикл роботи апарату розпочинається знову. Завантаження і вивантаження поглинача здійснюється періодично через люки 7 і 8.

У випадку відсутності однієї з останніх двох стадій (охолодження вугілля, його сушіння) метод проведення процесу буде називатися трифазним.

Адсорбери з рухомим шаром адсорбенту. В адсорберах з рухомим шаром адсорбенту газ (або рідина) рухається через щільний шар зерен адсорбенту, що повільно рухаються згори донизу, утворюючи три робочі зони. В зоні І газова суміш взаємодіє з адсорбентом. Зона ІІ – ректифікаційна. Тут пара або газ, що піднімається знизу догори, витискує з поглинача ті компоненти, які не поглинуті в зоні І. З зони ІІ поглинач надходить у десорбційну зону ІІІ, де обігрівається ззовні високотемпературним теплоносієм і продувається гострою парою для видалення з нього адсорбованих речовин. Після регенерації поглинач знову надходить у зону І.

Перевага апаратів з рухомим адсорбентом полягає в значно меншому гідравлічному опорі рухомого шару порівняно з нерухомим шарам адсорбенту. Крім того, менший розмір частинок у киплячому шарі адсорбенту сприяє зменшенню дифузійного опору твердої фази і приводить до істотного збільшення поверхні контакту фаз, тобто до збільшення інтенсивності зовнішньої масопередачі тощо. В промисловості застосовуються безперервно діючі багатокамерні адсорбери з киплячим шаром.

На рис. 59 зображений однокамерний адсорбер з киплячим шаром, у якому газ безупин­но рухається через корпус 1 знизу догори, підтримуючи шар адсорбенту, що розміщений на газорозподільних ґратах у псевдозрідженому стані. Газ видаляється з апарату через циклонний пристрій 2, що слугує для виділення з газу захоплених ним дрібних часток адсорбенту.

В однокамерних апаратах такого типу інтенсивне перемішування твердих часток при­водить до значної нерівномірності тривалості перебування в шарі і відповідно до відмінності ступеня їх насичення компонентом, що поглинається. В цих апаратах, що пра­цюють за принципом прямотоку фаз, не вдається досягти потрібної концентрації адсорбтиву в газовій фазі (меншої за рівноважну), яка відповідає середній концентрації адсор­бенту в шарі.

Рис. 59. Однокамерний адсорбер з киплячим шаром поглинача:

1 – корпус апарата; 2 – циклонний пристрій