6.2 Неравновесная динамика адсорбции с учетом продольной диффузии и без нее. Уравнение Шилова

Как было отмечено ранее, к моменту проскока паров ТХ через шихту (поглощающий слой) её статическая активность используется не полностью, т.е. в реальных случаях поглощения величина  всегда меньше 1 и даже для паров хорошо сорбирующихся веществ, например ФОВ и иприта, как правило, составляет около 0,5.

Это явление – неполное использование статической активности поглотителя в динамических условиях – вызывается размытием фронта адсорбции вещества, к основным причинам которого относятся кинетика адсорбции и продольный перенос вещества в шихте.

6.2.1 Кинетика адсорбции

В слое сорбента паро-воздушный поток двигается в промежутках между зернами, образующих извилистые каналы неправильной формы. При этом, адсорбция паров из этого потока происходит не мгновенно, а требует известного времени, т.е. идёт с определенной конечной скоростью, называемой кинетикой адсорбции и зависящей от ряда факторов. Насыщение сорбента во времени – скорость адсорбции или скорость перехода вещества из газовой фазы в адсорбированное состояние характеризуется кинетической кривой адсорбции а = ƒ(t).

Процесс адсорбции из потока складывается из следующих стадий:

- подвод пара в слой адсорбента с воздушным потоком;

- приближение молекул адсорбируемого вещества к внешней поверхности зёрен (внешний массообмен или внешняя диффузия);

- диффузия пара в микропоры через макро и мезопоры (внутренняя диффузия);

- собственно акт адсорбции в объёме микропор.

Установлено, что сам акт адсорбции молекул протекает практически мгновенно и время их «удерживания» на поверхности раздела фаз составляет около 10^-6 с. Поэтому эта стадия процесса не может лимитировать скорость поглощения паров.

Под внешним массообменом понимается диффузия молекул адсорбируемого вещества из потока к внешней поверхности зёрен сорбента. Для описания приращения количества адсорбированного вещества (da/dt) за счет внешнего диффузионного массообмена паров применимо уравнение вида

(6.6)

и зависимость, предложенная Д.П.Тимофеевым

, (6.7)

где β₀ – кинетический коэффициент внешней диффузии, 1/мин;

С₀ – концентрация вещества в потоке воздуха, мг/см²;

С^/ – концентрация вещества вблизи поверхности зёрен, мг/см³;

U – скорость воздушного потока, см/мин;

d – диаметр зёрен сорбента, см;

D – коэффициент молекулярной диффузии вещества см²/с.

Как следует из многочисленных опытов, при достаточно больших скоростях паровоздушного потока, преобладающую роль в кинетике адсорбции играет внутренняя диффузия

, (6.8)

где β_i – кинетический коэффициент внутреннего массообмена, 1/мин;

С – концентрация адсорбтива вблизи поверхности зёрен, мг/см³;

С^(а) – концентрация адсорбтива, отнесённая к некоторой точке внутри

зерна, мг/см³.

В реальных случаях адсорбции массообмен определяется одновременно внешней и внутренней диффузией. Конечная скорость процесса поглощения приводит к размытию фронта концентраций и неполной отработке поглощающего слоя в момент проскока пороговой и даже действующей концентрации пара ТХ за слой адсорбента.