16.5. Непрерывная адсорбция

Процесс непрерывной адсорбции является стационарным и осуществляется в аппаратах со встречным движением потоков газа и адсорбента (противоток). Для расчета такого установившегося процесса при движении плотного слоя адсорбента можно использовать методы расчета массообмена между двумя фазами (например, абсорбция), которые изложены ранее в разделах 12.7.2. и 13.1. Для этого обозначим LиGмассовые расходы адсорбента и инертной части газового потока,,– относительные массовые концентрации адсорбата в адсорбенте и адсорбтива в инертном газе. Тогда можно воспользоваться уравнениями (13.1) – (13.8). Отличие будет заключаться в нахождении коэффициента распределенияв уравнении равновесия (13.4). В случае линейной изотермы адсорбции или малых концентраций,для нелинейных изотерм (рис.16.1) величинаможет считаться постоянной. Это упрощает нахождение средней движущей силы массопередачи по (12.105).

Если нельзя считать постоянным, а коэффициент массопередачи можно, то следует воспользоваться основным (12.95) или модифицированными (12.110), (12.117) уравнениями массопередачи, среднюю движущую силу в которых находить по (12.103). Если же и коэффициент массопередачи существенно меняется по высоте аппарата, то возможно применение уравнения (12.106) или (12.212).

Еще более общий, но и более сложный подход заключается в численном решении системы дифференциальных уравнений, позволяющих учесть как изменение теплофизических свойств каждой из фаз, коэффициентов распределения и массопередачи по высоте аппарата, так и обратное перемешивание по аналогии с (4.112), (4.113). Используя, например, для газовой фазы диффузионную модель структуры потока, а для плотного слоя адсорбента – идеального вытеснения, запишем уравнения изменения концентрации абсорбтива (16.14), абсорбата (16.15), массопередачи (16.16), равновесия (16.17), граничных условий в нижнем (16.18) и верхнем (16.19) сечениях аппарата

, (16.14)

, (16.15)

, (16.16)

, (16.17)

х=0,, (16.18)

, (16.19)

где – плотности газовой и твердой фаз,S – площадь поперечного сечения аппарата,D_L – коэффициент обратного перемешивания.

16.6. Десорбция

Извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя (десорбция) с целью регенерации адсорбента является необходимой составной частью всех технологических процессов адсорбции, проводимых в замкнутом цикле.

К числу основных способов десорбции относятся: продувка адсорбента инертным газом, не содержащим адсорбтива; вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью; испарение поглощенных компонентов, путем нагрева слоя адсорбента либо существенного понижения давления.

Выбор того или иного способа десорбции производится на основе технико-экономических расчетов с учетом ценности десорбирующихся компонентов, причем часто указанные выше способы применяются в комбинации друг с другом.

Проведение десорбции путем пропускания инертного газа через слой адсорбента в изотермических условиях описывается теми же уравнениями, что и процесс адсорбции, например, (16.3) (16.6), но с другими начальными и граничными условиями. Недостатками данного способа являются малая скорость и последующее отделение адсорбтива от десорбирующего агента, если это необходимо. Для повышения скорости извлечения десорбцию можно проводить при повышенных температурах, например, пропуская через слой адсорбента предварительно нагретый десорбирующий агент.

Десорбция с применением вытесняющих агентов, как правило, водяного пара, позволяет интенсифицировать процесс. Однако после проведения процесса десорбции слой адсорбента требуется подвергать сушке и охлаждению. Десорбцию водяным паром наиболее часто применяют в процессах десорбции органических растворителей из активированного угля. В этом случае водяной пар вытесняет растворители из угля и занимает их место, а вытесненные из адсорбента летучие растворители вместе с потоком пара выносятся из слоя адсорбента. Кроме того, водяной пар конденсируется в слое адсорбента и за счет теплоты конденсации происходит нагревание адсорбента, что также способствует десорбции. Для полного восстановления активности адсорбента по окончанию десорбции его необходимо освободить от поглощенной влаги, т.е. высушить, а затем охладить до температуры, при которой протекает процесс адсорбции.

Большой скорости процесс десорбции может достигать при вакуумировании с нагревом адсорбента. Пары адсорбтива при этом откачиваются с помощью вакуум-насоса в чистом виде. Недостатками данного способа десорбции являются менее эффективный нагрев адсорбента через стенку и дополнительные затраты на вакуумирование и герметизацию.

Процессы десорбции, подобно процессам адсорбции, осуществляются как в неподвижном слое адсорбента, так и в аппаратах с движущимся и псевдоожиженным слоями адсорбента.