Тема 5 – Адсорбция. Принципы адсорбционной технологии (2 часа)
Цель: разобрать процесс адсорбции и применение адсорбционной технологии
Задачи обучения:
- формировать мотивацию у студентов по разбору основного тематического материала;
- формировать у студентов возможность сконцентрироваться по некоторым элементам повторения;
- закрепить знания по вопросам основного курса физики, термодинамики.
- развить общее представление по определениям «Физическая адсорбция и хемосорбция»;
- провести самообучающие тесты по теме занятия.
План проведения занятия:
1. Адсорбция.
2. Виды адсорбции.
Роль адсорбции в процессах теплообмена, разделения газовых и жидких смесей, в биохимических системах.
Адсорбционные технологии.
Формы проведения занятия: разбор занятия проводится методом «Теоретического опроса». При неправильном ответе, правильный ответ разъясняет преподаватель. «Теоретический опрос» проводится с целью выявления основных знаний по контрольным вопросам темы.
При разборе диффузионных процессов проводится обсуждение полученных результатов анализа.
Литература:
1 Государственная фармакопея Республики Казахстан. 1 том. – Алматы: изд-й дом «Жибек жолы», 2008 - 592 с.
2 Майофис Л.С. Химия и технология химико-фармацевтических препаратов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1964. – 625 с.
Альбицкая В.Г., Гинзбург О.Ф., Коляскина З.Н., Купин Б.С., Павлова Л.А., Разумова Н.А., Ралль К.Б., Серкова В.И., Стадничук М.Д. Лабораторные работы по органической химии. Под ред. О.Ф. Гинзбурга, А.А. Петрова. М.: Высш. шк., 1967. – 295 с.
Государственная фармакопея СССР. X изд. – М.: Медицина, 1968 - 1078 с.
5 А.Е. Агрономов, Ю.С. Шабаров Лабораторные работы в органическом практикуме. М.: Изд. Московского университета., 1971. – 230 с.
6 Бошкаева А.К. Методы определения никотина в табаке и табачных изделиях. – Алматы, 2008. – 56 с.
Контроль (вопросы):
1. В чем заключается поглощение веществ поверхностью твердого тела?
2. Дайте общее представление о короткоцикловой адсорбции или PSA-адсорбции (Pressure Swing Adsorption?
3. Какие виды адсорбции различают в зависимости от характера взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата?
4. Приведите примеры адсорбционных технологии.
5. Опишите зависимость степени заполнения поверхности адсорбированными молекулами при равновесной адсорбции от концентрации (давления) адсорбата при постоянной температуре.
Методы контроля:
Оцениваются:
- умение формулировать правильные вопросы и ответить правильно на них (25 б);
- анализ теоретического материала по контроль (вопросам) (25 б);
- умение мотивировать принцип адсорбционной технологии (25 б);
- умение конкретизировать примерами (25 б).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Задание 1
Разобрать технологический процесс выделения алкалоидов.
Задание 2
Провести диалог-собеседование по определениям «Физическая адсорбция и хемосорбция».
Задание 3
Провести схематический разбор по видам адсорбционных технологии.
Адсорбция - процесс, приводящий к аномально высокой концентрации вещества (адсорбата) из газообразной или жидкой среды на поверхности ее раздела с жидкостью или твердым телом (адсорбентом). Частный случай - сорбация. Адсорбция происходит под действием некомпенсированных сил межмолекулярного взаимодействия в поверхностном слое адсорбента, что вызывает притяжение молекул адсорбата из приповерхностной области; адсорбция приводит к уменьшению поверхностной энергии. В зависимости от характера взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Физическая адсорбция не сопровождается химическими изменениями молекул. При такой адсорбции молекулы могут образовывать не только мономолекулярный слой на поверхности адсорбента, но и адсорбироваться многослойно, а также мигрировать по поверхности. Процессы хемосорбции сопровождаются образованием связи между молекулами адсорбента и адсорбата.
Адсорбированные молекулы через некоторое время (время десорбции) покидают поверхность адсорбата - десорбируются. Количество молекул, адсорбирующихся (десорбирующихся) в единицу времени на единице поверхности (с единичной поверхности), называются скоростью адсорбции (скоростью десорбции). При равенстве скорости адсорбции и десорбции имеет место адсорбционное равновесие. С ростом температуры время физической адсорбции и количество адсорбирующих молекул уменьшается, в то время как скорость хемосорбции обычно возрастает. Скорость адсорбции повышается с увеличением концентрации и, следовательно, ростом давления адсорбата в объеме. Зависимость степени заполнения поверхности адсорбированными молекулами при равновесной адсорбции от концентрации (давления) адсорбата при постоянной температуре называется изотермами адсорбции. Для описания многослойного покрытия поверхности адсорбента в системе газ- твердое тело существует несколько основных изотерм адсорбции. Наиболее общеупотребительная из них - изотерма Ленгмюра:
,
где р - давление;
q - относительная степень заполнения поверхности адсорбированными молекулами;
k - константа, зависящая от температуры и характера взаимодействия между частицами адсорбента и адсорбата.
Изотерма Ленгмюра может служить для описания как физической адсорбции, так и хемосорбции, однако область ее применения ограничена, как правило, низкими степенями заполнения, при которых молекулы адсорбата не взаимодействуют между собой. При более высоких значениях молекулы адсорбата притягиваются не только молекулами адсорбента, но и к друг другу, поэтому по мере заполнения поверхности условия для адсорбции становятся все более благоприятными и резко возрастает с повышением р, но при степенях заполнения, близких к единице, рост адсорбции резко замедляется. При дальнейшем увеличении давления происходит заполнение 2-го, 3-го и т.д. слоев молекулами адсорбата (полимолекулярная адсорбция). Если адсорбент имеет пористую структуру и его поверхность является смачиваемой по отношению к адсорбату, то происходит капиллярная конденсация. Процесс адсорбции сопровождается выделением тепла, называемого теплотой адсорбции, которое тем больше, чем прочнее связь между молекулами адсорбента и адсорбата. Теплота физической адсорбции составляет как правило 8-25 Кдж/моль, теплота хемосорбции превышает 80 кдж/моль. Сорбция - поглощение твердым телом или жидкостью (сорбентом) жидкого вещества или газа (сорбата) из окружающей среды. Поглощение вещества из газовой фазы всем объемом жидкого сорбента называется абсорбцией, поглощение вещества поверхностным слоем сорбента - адсорбцией. Поглощение вещества из газовой фазы всем объемом твердого тела или расплава - окклюзией. Извлечение из жидкости какого-либо компонента другой жидкости называется экстракцией. При сорбции паров с пористыми телами может происходить капиллярная конденсация. Обычно одновременно протекает несколько сорбционных процессов.
Временные характеристики
Время инициации (log to от 0 до 2);
Время существования (log tc от 1 до 9);
Время деградации (log td от 0 до 1);
Время оптимального проявления (log tk от 2 до 6).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Техническая реализация
Простейшая техническая реализация состоит в напуске природного газа в сосуд, снабженный манометром и содержащий некоторое количество обычного активированного угля. После напуска и герметизации сосуда в течение некоторого времени давление газа будет падать, что является результатом его адсорбции активированным углем.
Применение эффекта
Адсорбция играет важную роль в процессах теплообмена, разделения газовых и жидких смесей, в биохимических системах. Она является важнейшей стадией образования гетерогенных систем и главным фактором в стабилизации дисперсных систем.
Адсорбционные технологии
Короткоцикловая адсорбция или PSA-адсорбция (Pressure Swing Adsorption) является одним из наиболее эффективных и распространенных способов воздухоразделения. Метод подразумевает использование твердых абсорбентов, в качестве которых используются цеолиты. Давление при PSA-адсорбции значительно выше, чем при альтернативных методах, кроме того оно является переменным, что позволяет избежать продолжительных этапов охлаждения и нагрева адсорбента и значительно укорачивает цикл адсорбции в целом. Данный факт обосновывает название короткоцикловой технологии адсорбции.
Типичная установка включает два адсорбционных модуля, а также компрессор для сжатия воздуха. Далее происходит осушение сжатого воздуха в рефрижераторном осушителе до точки росы с последующим его перенаправлением в один из адсорбционных модулей. При прохождении воздуха через адсорбент осуществляется удержание лишних газов и на выходе остается только требуемый высокоочищенный газ.
Затем давление в установке уменьшается, происходит продувка адсорбера в обратном направлении, что обеспечивает восстановление способности адсорбента поглощать лишние газы. Данный этап называется десорбцией. Переключение между двумя этапами автоматизировано, благодаря чему весь процесс является непрерывным и позволяет добиться высокой чистоты конечного продукта.
При производстве кислорода по технологии PSA-адсорбции (рисунок 1) стоимость получаемого продукта снижается в разы. Кроме того, внедрение технологии и дальнейший сервис задействованного оборудования являются относительно простыми, что позволяет также отнести к преимуществам метода высокую надежность. Технология находит широкое применение в химической промышленности, а также при газовой сварке, резке и пайке металлов.
Производство азота позволяет добиться максимальной чистоты конечного продукта (вплоть до 99,9999%), что недостижимо при использовании других методов. Очищенный азот применяется в нефтехимии, нефтегазовой промышленности, микроэлектронике и фармацевтике, а также при термической обработке металлов, например закалке, пайке, спекании.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рисунок 1 - Технология PSA-адсорбции
Технология адсорбции основана на поглощении молекулярными ситами определенных веществ, за счет этого обеспечивается разделение воздушной смеси. Адсорбционная технология позволяет эффективно получать из атмосферного воздуха такие газы как азот и кислород. Установки работают по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции (КЦА). На сегодняшний день получили распространение три метода организации циклического безнагревного процесса адсорбционного разделения воздуха: напорные — Pressure Swing Adsorbrion (PSA), вакуумные — Vacuum Swing Adsorbtion (VSA) и смешанные — Vacuum Pressure Swing Adsorbtion (VPSA). Для напорных схем — Pressure Swing Adsorbrion (PSA) — азот (кислород) извлекают при давлении выше атмосферного, а стадия регенерации адсорбента протекает при атмосферном давлении. В вакуумных схемах — Vacuum Swing Adsorbtion (VSA) — азот (кислород) получают при атмосференом давлении, регенерация проводится при отрицательном давлении. Работа смешанных схем — Vacuum Pressure Swing Adsorbtion (VPSA) — сочетает изменение давления от положительного до отрицательного. При прохождении воздуха через один из 2 попеременно работающих адсорберов, заполненных адсорбентом — угольно-молекулярным ситом (УМС) происходит преимущественная адсорбция кислорода на УМС и, при этом, газовая среда обогащается азотом. При насыщении УМС кислородом воздух направляется в другой адсорбер, в отработанном адсорбере давление снижается до атмосферного и он продувается частью продукционного азота, при этом из УМС удаляется адсорбированный кислород и свойства УМС восстанавливаются. Разделение воздуха адсорбционным методом реализуется при температурах +10…+40 °С (рисунок 2, 3, 4). |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
