8.3. Адсорбционные процессы и установки

Достижению равновесия между твердой и подвижной газовой фаза­ми соответствует поглощение максимального количества вещества. Ус­ловия равновесия описываются в виде зависимости поглощающей способности (количества вещества М, поглощаемого единицей массы или объема адсорбента) от температуры Т и концентрации С поглощаемо­го вещества в равновесной подвижной фазе, т.е. M=f(T,С). Обычно условия адсорбционного равновесия изучают при постоянной темпера­туре. Зависимость M=f(C) называется изотермой адсорбции. Кон­кретная форма этой зависимости определяется свойствами и механиз­мом взаимодействия адсорбента и адсорбируемого вещества.

В связи с разнообразием адсорбентов и адсорбируемых веществ единая теория адсорбции пока не разработана. Закономерности про­цессов адсорбции, в которых определяющую роль играют вандер-ваальсовские силы притяжения, можно удовлетворительно описать так называемой потенциальной теорией адсорбции. Согласно этой теории на поверхности адсорбента образуется полимолекулярный адсорбцион­ный слой, энергетическое состояние молекул в котором определяется значением адсорбционного потенциала, являющегося функцией рассто­яния от поверхности, и не зависит от температуры. Наибольшее значе­ние адсорбционный потенциал имеет на поверхности адсорбента. По­тенциальная теория применима к процессам адсорбции на адсорбен­тах, размеры пор которых соизмеримы с размерами поглощаемых мо­лекул. В таких случаях происходит не послойное, а объемное заполне­ние пор.

Для описания процесса мономолекулярной адсорбции наибольшее применение получила теория Лангмюра, согласно которой за счет некомпенсированных сил у поверхностного атома или молекулы ад­сорбента адсорбированная молекула удерживается некоторое время на поверхности. Адсорбция происходит в особых точках поверхности — цен­трах адсорбции. Материальные по­токи, участвующие в процессах ад­сорбции и десорбции, содержат пе­реносимые и «инертные» компонен­ты. Под первыми понимаются веще­ства, переходящие из одной фазы в другую, а под вторыми — те которые в таком переносе не участвуют. В твердой фазе «инертным» компонентом является адсорбент.

Скорость процесса адсорбции за­висит от условий транспорта адсорбируемого вещества к поверхности адсорбента (внешний перенос), a также от переноса адсорбируемого вещества внутрь зерен адсорбента (внутренний перенос). Скорость внешнего переноса определяется гидродинамической обстановкой процесса, а внутреннего — структурой адсорбента и физико-химическими свойствами системы.

Рис. 8.4 Принципиальные схемы адсорбции:

а- с неподвижным слоем адсорбента

б- с движущимся слоем адсорбента

в- с псевдоожиженным слоем адсорбента

Процессы адсорбции проводятся в основном следующими способа­ми: 1) с неподвижным слоем адсорбента; 2) с движущимся слоем ад­сорбента; 3) с псевдоожиженным слоем адсорбента. Принципиальные схемы адсорбционных процессов показаны на рис. 8.4 [74]. При при­менении зернистого адсорбента используют схемы с неподвижным (рис. 8-4,а) и с движущимся (рис. 8.4,б) адсорбентами. В первом слу­чае процесс проводится периодически. Вначале через адсорбент L пропускают парогазовую смесь G и насыщают его поглощаемым веще­ством; после этого пропускают вытесняющее вещество В или нагрева­ют адсорбент, осуществляя таким образом десорбцию (регенерацию адсорбента). Во втором случае адсорбент L циркулирует в замкнутой системе: его насыщение происходит в верхней — адсорбционной — зоне аппарата, а регенерация — в нижней — десорбционной. При примене­нии пылевидного адсорбента используют схему (рис. 8.4,в) с рециркулирующим псевдоожиженным адсорбентом.

При расчете адсорбера [67] обычно пользуются экспериментальными данными по активности адсорбента для соответствующих компонентов смеси а_i. Общее количество поглощенных компонентов в единицу времени

Если адсорбер имеет неподвижный слой, то при длительности процесса адсорбции будет поглощено следующее количество вещества:

Средняя активность адсорбента

Необходимое для адсорбции количество адсорбента равно

Высота слоя адсорбента в адсорбере обычно не превышает 10 м при диаметре аппарата 2—3 м. Высота слоя лимитируется прочностью гранул и сопротивлением слоя адсорбента. Скорость газа в свободном сечении аппарата принимается в пределах 0,1—0,2 м/с.

Расчет числа теоретических тарелок производится с помощью изотермы адсорбции и рабочей линии по аналогии с расчетом процессов ректификации и абсорбции.