поглощаемого компонента адсорбент будет быстро насыщаться последним и также быстро должен будет регенерирован или заменен. Следовательно, рациональная область применения процессов адсорбции ограничена малыми начальными концентрациями поглощаемого компонента в парогазовой смеси, когда необходимо полное поглощение этого компонента из смеси. Абсорбционными же методами полного поглощения достигнуть нельзя, зато газовая (парогазовая) смесь может поступать в процесс с высоким начальным содержанием поглощаемого компонента.

6.2.2. Аппараты для проведения процессов адсорбции

Сущность процесса адсорбции

О способности твердых тел поглощать своей поверхностью примеси из газовых смесей и растворов жидкостей знали давно. Российский ученый Иоганн Ловиц (1757–1804) впервые изучил этот процесс в 1785 году и нашел ему практическое применение. Первым адсорбентом, нашедшим практическое применение, стал древесный уголь. Уголь применяли во флоте для очистки питьевой воды, на водочных заводах для очистки спирта, а затем и на сахарных заводах. В 1915 г. академик Н.Д. Зелинский (1861–1953) создал первый универсальный угольный противогаз для защиты органов дыхания от отравляющих веществ. Н.Д. Зелинский разработал способ активизации угля водяным паром и органическими веществами и ввел тер-

мин активированный уголь.

Процессы адсорбции в настоящее время применяются в различных отраслях промышленности для очистки и осушки газов, для очистки растворов от примесей и разделения смесей газов и паров. В качестве примеров можно привести очистку воздуха в противогазе, разделение газообразных углеводородов, осушку природного газа от воды и высокомолекулярных углеводородов, очистку жидких нефтепродуктов от примесей и другие процессы. Процесс адсорбции применяется также для улавливания паров летучих растворителей из паровоздушных смесей, образующихся в различных технологических процессах, с целью повторного их использования в производстве, что имеет большое экономическое значение и способствует охране окружающей среды. Высокая значимость этого процесса видна из следующих примеров.

Так, при производстве 1 кг ацетатного волокна расходуется до 3 кг ацетона, при производстве 1 кг вискозного волокна – до 0,5 кг сероуглерода, при производстве 1 кг целлулоида – до 1 кг этилового спирта, при производстве 1кг искусственной кожи – до 1,5 кг бензина. В готовой продук-

183

ции растворитель не содержится, т.к. он весь испаряется на конечных стадиях производства.

Выделения больших количеств паров летучих растворителей в воздух приводят не только к потерям этих ценных продуктов и загрязнению окружающей среды, но и к образованию взрывоопасных паровоздушных смесей в производственных помещениях. Поэтому неудивительно, что проблеме улавливания отработанного растворителя придается очень большое значение. Процесс улавливания отработанного растворителя называется рекуперацией паров летучих растворителей.

Схема процесса адсорбции в близком к равновесному состоянию изображена на рис. 6.4.

Адсорбенты и их характеристика

В качестве адсорбентов используются обладающие высокой пористостью твердые материалы, т.е. материалы с большой удельной поверхностью. Наиболее распространены активные (активированные) угли, силикагель, активная окись алюминия, цеолиты, диатомиты, трепелы и некоторые другие материалы.

Активные угли изготовляются в виде гранул размером от 1 до 7 мм, либо в виде порошка. Общая поверхность 1 г активированных углей достигает 400 м2 и более. В промышленности они применяются для поглощения паров органических жидкостей из парогазовых смесей, для очистки растворов от примесей. Недостатком углей является их горючесть и склонность некоторых марок углей к самовозгоранию, что не позволяет использовать активные угли при температурах выше 200 оС. По назначению ак-

184

тивные угли, выпускаемые промышленностью, делятся на три основные группы.

- осветляющие угли, предназначенные для адсорбции из растворов

окрашивающих примесей, марок А и Б (удельная поверхность 138 м2/г), МД (90 м2/г), АГС-4 и др.

- рекуперационные угли, используемые для адсорбции из газовой фазы паров органических растворителей, марок АР-3 (удельная поверхность

48м2/г), АРТ, СКТ-3 и др.

-активные угли газового типа, предназначенные для тонкой очистки и

разделения газов или адсорбции из растворов веществ при небольших концентрациях, марок СКГ (удельная поверхность 108 м2/г), СКТ-6А (178 м2/г), АГ-2, КАД-водный, БАУ и др.

Силикагель (ксерогель кремниевой кислоты – nSiO2) изготовляется в виде зерен и шариков размером от 0,2 до 7 мм и применяется в процессах осушки воздуха и промышленных газов, осушки различных жидкостей, рекуперации паров органических веществ, очистки масел, удаления из нефти смолистых веществ, очистки промышленных сточных вод от ионов

различных металлов, для разделения радиоактивных изотопов и в др. процессах. Общая поверхность 1 г силикагеля достигает 300–700 м2.

Примеры некоторых марок силикагеля: КСМ-6П (крупнозернистый

силикагель мелкопористый) с диаметром шариков 2,8–7 мм, имеющий удельную поверхность 527 м2/г и средний радиус пор 1,12 нм (1,12·10–9 м),

МСК (мелкозернистый силикагель крупнопористый), имеющий размер зерен 0,25–2 мм, удельную поверхность 380 м2/г и средний радиус пор 6,2

нм, КСС-5 (крупнозернистый силикагель специальный) с диаметром шариков 2,8–7 мм, имеющий удельную поверхность 715 м2/г и средний радиус пор 1,61 нм, АСК (активированный силикагель крупнопористый) и др.

Активная окись алюминия изготовляется в виде гранул цилиндрической формы диаметром 4–6 мм и длиной 4–25 мм и используется для осушки газов, очистки масел, очистки газов и жидкостей от фторсодержа-

щих соединений и в др. процессах. Удельная поверхность активной окиси алюминия марки А-1 достигает 180–200 м2/г с преобладающими радиусами пор 7 и 300 нм.

Цеолиты (молекулярные сита) изготовляются с размером зерен 0,5–

2мм и имеют с удельную поверхностью более 150 м2/г. Они представляют собой пористые искусственные или синтетические алюмосиликаты со строго регулярной кристаллической структурой и поэтому применяются для разделения газов или жидкостей по размерам молекул, например, для разделения нормальных парафиновых углеводородов и углеводородов изостроения, для глубокой осушки и очистки газов и жидкостей и в др. процессах. Цеолиты изготовляются в виде кристаллических порошков, гранул

185

или таблеток. Цеолиты классифицируются по различным признакам и имеют обозначения LiA, NaA, NaX, CaX и др.

Понятие об изотерме адсорбции, динамической и статической активности адсорбента

Природа сил, вызывающих адсорбцию, сложна и изучена еще недостаточно полно. В то же время известно, что при длительном соприкосновении адсорбента с фазой, в которой находится поглощаемое вещество, наступает равновесие, т.е. в единицу времени поверхностью твердого тела адсорбируется столько же вещества, столько удаляется с его поверхности. Это состояние для малых концентраций поглощаемого вещества в парогазовой смеси может быть выражено соотношением

где хр – равновесная концентрация адсорбированного вещества, кг/кг адсорбента; ур – равновесная концентрация поглощаемого вещества в фазе,

соприкасающейся с адсорбентом, кг/кг инертной части парогазовой смеси или раствора; А и n – опытные коэффициенты, причем n ≥ 1.

Процессы адсорбции сопровождаются выделением тепла, т.е. они экзотермические.

186