Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физико-химические методы очистки газов (лабораторный практикум)

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 147 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

В колонку 1 налить 25 мл концентрированной серной кислоты, а в колонку 2– 50 мл 15%–ного раствора серной кислоты. В раствор опустить несколько гранул пиролюзита.

Перед началом эксперимента включить вентиляцию, затем открыть краны 5, 7 и 8 и при закрытом кране 6 отрегулировать расход воздуха, проходящего через абсорбционную колонку 2. Для этого включить воздуходувку и, постепенно открывая кран 5, установить скорость прохождения воздуха через колонку для осушки (не более 3 пузырьков в секунду). Убедившись в нормальной работе установки, подсоединить баллон или камеру с диоксидом серы к реометру 4 и, постепенно открывая кран 7, добиться такой же высоты водяного столба в дифманометре, как и в реометре 3. При этом воздух и диоксид серы смешиваются в смесителе 5 и образующаяся смесь поступает в колонку 2, где она проходит через раствор серной кислоты в виде пузырьков. Благодаря наличию в растворе ионов Mn

диоксид серы

окисляется в серный ангидрид, что приводит к повышению концентрации раствора серной кислоты.

Отбор проб на анализ осуществляют через 5, 10, 15 и 20 мин после начала эксперимента. Концентрацию раствора серной кислоты определяют титрованием 0,1N раствором NaOH.

Обработка и обсуждение результатов

Полученные результаты представить в виде графика зависимости C-t, где С – концентрация раствора серной кислоты; t – продолжительность пропускания газовой смеси через раствор.

По окончании эксперимента закрыть краны 8, 7 и 6. Затем выключить воздуходувку.

ГЛАВА III. АДСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ГАЗОВ

Адсорбцией называется поглощение газообразных и парообразных примесей газовых потоков твердым пористым поглотителем, называемым адсорбентом. В промышленных условиях адсорбционные методы очистки газов применяются тогда, когда объем газовых потоков сравнительно небольшой и составляет не более десятка тысяч м3/час и когда степень очистки должна быть очень высокой.

Эффективность любого адсорбционного процесса определяется адсорбционным равновесием, что является объектом изучения системы адсорбент—примесь в лабораторных условиях.

3.1. Равновесие адсорбции

Основой выбора адсорбентов для процессов очистки и разделения газовых потоков служит равновесная степень адсорбции (РСА), характеризующая предельное количество поглощенной примеси единицей массы адсорбента в данных условиях. РСА является функцией двух переменных – температуры и давления:

= f(t, P). (3.1)

Такое уравнение называется термическим. Из него получаются три функциональные зависимости:

уравнение изотермы а = f(P) уравнение изобары а = f(t) уравнение изостеры P = f(t)

t=const

P=const

a=const

Наиболее часто равновесие описывается с помощью уравнения изотерм адсорбции. Если примесью газового потока являются пары легколетучего вещества, то уравнение изотермы принимает вид

a = f(P/PS). (3.2)

Графическая зависимость уравнения изотермы называется изотермой адсорбции. Она имеет большое значение при определении адсорбционной емкости адсорбента, его структурных характеристик и режима процесса адсорбции. По общепринятой классификации различают пять типов изотерм адсорбции (рис. 3.1).

Основные типы изотерм адсорбции

Форма изотерм тесно связана со структурой адсорбента

микропористых адсорбентов, имеющих поры с размерами

м чем меньше

пор, тем круче ход изотермы. Адсорбенты с переходными

200 нм) обычно характеризуются

второго и четвертого типов. Кроме того, изотерма четвертого

сации

десорбционная ветвь не совпадает с адсорбционной, что

образованию гистерезисной петли. Вогнутые изотермы третьего

того типов получаются в том случае, когда интенсивность

ента

гораздо меньше, чем между молекулами поглощаемой примеси

и переходных пор, промышленные адсорбенты

К микропористым адсорбентам относятся цеолиты

активированные угли, алюмогели

ликагели. Макропоры встречаются в некоторых типах

При проведении адсорбционных процессов наиболее

пользуется изотерма первого типа. Она удовлетворительно

адсорбционная емкость мономолекулярного слоя

коэффициент

парциальное давление

Для описания среднего участка изотерм первого

Рис. 3.1. -

нм, характерны изотермы 1-го типа, при это

(размеры пор до 100-

свидетельствует о протекании капиллярной конден

кулярного взаимодействия между молекулами адсорб

ме микро– макропоры, имеющие размеры более 100–200 нм.

там с переходными порами—

ных углей.

ется уравнением Ленгмюра:

-4

я-

е-

имеси

о-

ржат и

н-

ин-

са-

a = am⋅b⋅P/(1+b⋅P),

где am – ной примеси на поверхности пор адсорбента; b – теризующий равновесие адсорбции; Р – си над адсорбентом.

используют уравнение Фрейндлиха

(3.3)

нк-

е-

а = А⋅Рn, (3.4)

и логарифмическое уравнение Темкина

а = С1 + С2⋅lnP, (3.5)

где А, n, С1 и С2—константы.

Теория полимолекулярной адсорбции Брунауэра–Эммета– Теллера (БЭТ) привела к уравнению

a = am⋅C⋅(P/PS)/{(1–P/PS)⋅[1+(C–1)P/PS]}, (3.6)

где С – энергетическая константа. Уравнению БЭТ можно придать линейную форму в координатах

(Р/РS)/[a⋅(1–P/PS)] = f(P/PS). (3.7)

Уравнение БЭТ пригодно для описания изотерм адсорбции всех пяти типов в интервале относительных давлений

,05 < P/PS < 0,35.

Если С > 2, то изотерма имеет выпуклую форму (I, II и IV типы), при С < 2 изотерма имеет вогнутую форму (III и V типы).

В последние годы для описания равновесия адсорбции на микропористых адсорбентах широкое применение находит термическое уравнение теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ) М.М.Дубинина:

а = (W0/V*)⋅exp[–(A/E)n], (3.8)

где W0 – предельный объем сорбционного пространства, см3/г; V* – мольный объем поглощенной примеси, см3/моль (при температурах ниже нормальной температуры кипения примеси принимется равным мольному объему жидкой примеси при данной температуре); Е – характеристическая энергия адсорбции, Дж/моль, определяемая структурой пор адсорбента; n – параметр уравнения, чаще всего n = 2 или 3; А – дифференциальная мольная адсорбции, Дж/моль, которая определяется из уравнения

А = R⋅T⋅l

n(PS/P). (3.9)

Параметры Е и n не зависят от температуры, поэтому уравнение (3.8) позволяет рассчитывать по известной изотерме для одной темпе- ратуры изотерму для другой температуры. Его применяют также для

относительного расчета равновесия адсорбции одной примеси по другой, которая принимается за стандартное вещество. При этом используется соотношение

Е = Е0⋅β, (3.10)

где Е0—характеристическая энергия адсорбции стандартного вещества (обычно бензола или азота); β—коэффициент подобия.

Для определения параметров W0 и Е (при известном значении n) экспериментальные данные обрабатываются по уравнению (3.8), приведенному к линейной форме в координатах lna-An.

3.1.1. Экспериментальные методы

исследования равновесия адсорбции

Для получения изотермы адсорбции с помощью эксперимента необходимо определить ряд равновесных значений адсорбции в расчете на единицу массы адсорбента. При этом должны быть известны величины парциального давления или концентрации примеси в газовой фазе.

При использовании весовых статических методов адсорбент помещается в атмосферу поглощаемого газа или пара и периодически или непрерывно взвешивается. После достижения равновесия фиксируется привес массы адсорбента и парциальное давление поглощаемой примеси. Затем процесс повторяется при других значениях парциального давления примеси в газе. Наиболее точные данные об адсорбционном равновесии получаются при использовании высокочувствительных вакуумных микровесов. Чаще всего чувствительным элементом таких весов является кварцевая (иногда вольфрамовая) спираль, удлинение которой, пропорциональное величине адсорбции, фиксируется с помощью катетометра.

Весовой динамический способ исследования адсорбционного равновесия состоит в том, что смесь примеси и инертного газа пропускается через слой адсорбента до тех пор, пока не произойдет его насыщение. Масса адсорбированной примеси определяется по привесу адсорбента, и опыт повторяется при других концентрациях примеси в газовом потоке.

Разработано также несколько вариантов хроматографического метода исследования равновесия адсорбции и определения изотерм.

В объемных статических методах о величине адсорбции судят по изменению количества примеси в газовой фазе, измеряя его объем и давление.

Задачи

1. При изучении процесса адсорбции диоксида азота на силика-

геле КСК–2 при 30ºС были получены следующие данные:

Р, кПа 1 2 3 5 10 12 а, мг/г 10 19,5 20 45 74 86

Проверить пригодность уравнений (3.3)–(3.6) для описания этих результатов.

2. По данным предыдущей задачи определите параметры урав-

нения Ленгмюра.

3. При 25ºС РСА цеолита (Н-морденит) по диоксиду азота рав-

на:

0,0011 0,0021 0,0041 0,0117 0,0225 0,0543 0,228

Р/Р

а, мг/г 51,2 73,7 97,0 132,0 149,1 163,9 181,2

Определить, при каком значении параметра n уравнение (3.8) пригодно для описания результатов.

4. Рассчитайте, используя данные Приложения 1, концентрацию раствора н-октана в н-пентане, равновесное давление октана над которыми равно 100, 300, 500 Па при 25ºС.

3.2. Динамика адсорбции

Динамика адсорбции дает представление об изменении концентрации примеси в слое адсорбента по высоте и во времени. Наиболее распространенным способом адсорбционной очистки и рекуперации газовых смесей является продувка газа через неподвижный слой адсорбента. При поступлении примеси в слой адсорбента длиной L возникает перемещающаяся зона массопередачи конечной длины L0, в которой концентрация примеси уменьшается от начального значения С0 до конечного Спр, близкого к нулю. Эта зона называется работающим слоем или фронтом адсорбции. Впереди фронта адсорбции газовый поток свободен от примеси.

Рассмотрим динамику при равновесной изотермической адсорбции. Пусть скорость массопереноса из газовой в твердую фазу бесконечно велика, т.е. в каждой точке работающего слоя существует равновесие концентраций поглощаемой примеси в обоих фазах. Уста-

новившееся в слое в момент времени 1

(рис. 3.2) распределение

центраций далее значительно изменяется, поскольку

перемещается по слою адсорбента со своей скоростью U

производная

Распределение концентраций поглощаемой примеси

ть, что для выпуклых изотерм высокие

поглощенной примеси движутся по слою быстрее низких

медленнее. В первом случае длина зоны массопередачи

ся, стремясь к нулю (обрывной фронт, рис.3.2

ся (рис.3.2г). В реальном процессе зона масс

дополнительно размывается вследствие продольных э

препятствует сжатию фронта адсорбции. При одновременном

тия и размывания в случае выпуклой

ливается стационарный режим и форма

пределения концентраций становится постоянной (рис

этом все точки фронта адсорбции движутся с постоянной

концентрация примеси в газе на входе в адсорбер

Стационарный режим устанавливается только

) > 2. Если изотерма

не устанавливается. Поскольку

кон

мой уравнением Викке:

, определяе-

Ui = W/[1+f '(Ci)],

где W–скорость потока; f '(Ci) = dai/dCi – сорбции в точке Сi .

Рис. 3.2. делах работающего слоя адсорбента

Легко виде

тых уменьшать

- увеличивать

вии эффектов сжа временем устанав

(3.11)

д-

е-

ации

у-

опередачи

ффектов, что

т-

с-

определяемой уравнением

U = W⋅C

/(C0+a*),

где С0 – весная этой концентрации величина адсорбции.

длинных слоях адсорбента, когда (L/L

стационарный режим вообще

(3.12)

– равно-

огнута, то

ь-

шинстве случаев адсорбции получаются выпуклые изотермы, в дальнейшем рассмотрим только адсорбционные процессы, описываемые такими изотермами.

Когда объем газа с концентрацией поглощаемой примеси Спр достигает конца слоя адсорбента, наступает момент проскока. Время до проскока τпр называют временем защитного действия адсорбционного слоя. Затем концентрация С примеси за слоем адсорбента возрастает. Зависимость называется выходной кривой или изопланой адсорбции

C = f(τ) или (C/C0) = f(τ). (3.13)

Анализ изопланы позволяет получить данные, необходимые для расчета адсорбера. По известной выходной кривой высота работающего слоя определяется из уравнения Майклса-Трейбла:

= L⋅(τp–τпр)/[τр⋅f +τпр(1–f)] , (3.14)

где τ

– время достижения за слоем адсорбента равновесной концен-

трации Ср=С0; f – фактор симметричности выходной кривой, который определяется как отношение заштрихованной площади над выходной кривой к площади прямоугольника, в которой она вписана (рис. 3.3).

На практике процесс адсорбции прекращают, когда концентрация поглощаемой примеси достигает Спр , поэтому динамическая активность адсорбента до проскока всегда меньше полной динамической адсорбционной емкости

апр= ад⋅(L–h)/L, (3.15)

где h – так называемый «мертвый слой», который характеризует неиспользованную емкость адсорбента, измеряется в единицах высоты адсорбционного слоя (см, мм) и определяется соотношением

h = f⋅L0 . (3.16)

Рис. 3.3. - Изоплана адсорбции.

Если в слое адсорбента установился стационарный

зависимость между временем защитного действия и высотой

h),

коэффициент защитного действия адсорбц

Параметры уравнения (3.17) могут быть определены

ной кривой, либо из экспериментальной зависимости

личие от равновесной адсорбции, динамика неравн

изотермической адсорбции характеризуется тем, что скорость

обменных процессов конечна и фронт адсорбции дополнительно

тянута. Однако все сказанное выше о возникновении стаци

ения фронта адсорбции в случае выпуклой

сорбции остается в силе, и уравнение Шилова в большинстве

зывается линейной (уравнение Шилова):

а-

τпр= К⋅(L–τ0) = K(L–

где K = U-1 – τ 0 – потеря времени защитного действия.

выход (рис. 3.4).

В от

режима движ

справедливо.

(3.17)

ионного слоя;

от L

пр

овесной

онарного

учаев

о-

с-

д-

Рис.3.4. -

Графическое определение параметров

Скорость массообмена в случае неравновесной адсорбции

концентрация примеси в газовой фазе, равновесная

После преобразований и интегрирования в пределах

для высоты зоны массопередачи

высота, эквивалентная единице переноса

общее число единиц переноса массы. Коэффициент ма

С* является движущей силой

равновесные концентрации примеси в газовой фазе С и а

период стационарного режима связаны между собой уравн

концентрация примеси на входе в слой адсорбента

новесная ей величина адсорбции. Располагая изотермой

можно определить движущую силу адсорбции для любой

графически интеграл уравнения

уравнения Шилова

деляется приближенным уравнением кинетики:

е-

(da/d τ) = β0(C–C*),

где С* – общий коэффициент массопередачи.

предположении постоянства β0

dCW

∫

−

пр

где hЭ = W/β0 –

отнесен к единице объема слоя и имеет размерность кг⋅ Разность концентраций С–

а = С⋅а*/С0,

где С0 и а* –

ции С (рис. 3.5а) и найти

(3.18)

до СР в

пр

еем

m⋅ , (3.19)

ссопередачи β0

/(м3⋅с⋅кг) = с-1.

дсорбенте а в

ением

(3.20)

бции,

β0 –

–

е-

в-

а-

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 147 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]