Физико-химические основы процесса
При адсорбционных очистке и разделении используют способность различных веществ (адсорбентов) концентрировать (адсорбировать) на своей поверхности компоненты разделяемого или очищаемого продукта.
В процессе адсорбции участвуют, как минимум два агента: тело, на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрирование поглощаемого вещества (его называют адсорбентом), и поглощаемое вещество. Последнее, если оно находится в газовой или жидкой объемной фазе, т. е. в не адсорбированном состоянии, называется адсорбтивом, а после того как оно перешло в адсорбированное состояние – адсорбатом. Любое твердое вещество обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом. Однако в технике используют твердые адсорбенты с сильно развитой поверхностью (объемом пор), например, такие как естественные и активированные глины, искусственные алюмосиликаты, алюмогель, активированные окись алюминия и уголь, и другие вещества с высокой адсорбирующей способностью. Большой интерес представляют цеолиты (молекулярные сита) — адсорбенты способные разделять вещества в соответствии с размером их молекул.
При очистке и разделении нефтепродуктов методом адсорбции имеет место физическая адсорбция, которая отличается от химической тем, что адсорбируемые вещества (сорбаты) сохраняют свою индивидуальность и могут быть выделены при десорбции. В первую очередь адсорбируются полярные соединения с большим дипольным моментом, затем неполярные вещества, в молекулах которых под действием силового поля молекул адсорбента возникают индуцированные диполи, и, наконец, неполярные вещества, адсорбируемость которых определяется дисперсионным взаимодействием молекул адсорбента и адсорбируемого вещества. В соответствии с этим компоненты разделяемого нефтепродукта по адсорбируемости можно расположить в следующем порядке (по убывающей):
смолисто-асфальтеновые вещества тяжелые ароматические углеводороды средние ароматические углеводороды легкие ароматические углеводороды нафтеновые и парафиновые углеводороды.
Благодаря различной адсорбируемости указанных компонентов их можно разделять последовательным вытеснением (десорбцией) соответствующими растворителями — десорбентами. При этом в первую очередь десорбируются компоненты с наименьшей адсорбируемостью, в последнюю очередь – с наибольшей. На этом основано определение группового состава нефтепродуктов; на разной адсорбируемости углеводородных и других компонентов нефтепродуктов — адсорбционная очистка. Она бывает: неглубокая, при которой удаляются компоненты с наибольшей, адсорбируемостью (нафтеновые кислоты и их соли, сульфокислоты, смолисто-асфальтеновые вещества, непредельные углеводороды, остатки избирательных растворителей); глубокая, в результате которой наряду с указанными выше компонентами удаляются и ароматические углеводороды (полностью — при получении белых и других специальных| масел и большая часть —при получении масел с высоким индексом вязкости ).
Физическая адсорбция вызывается силами молекулярного взаимодействия. Универсальными силами молекулярного взаимодействия являются дисперсионные силы. Молекулы любого адсорбтива обладают флуктуирующими диполями и квадруполями, вызывающими «мгновенные» отклонения распределения электронной плотности от среднего распределения. При сближении молекул адсорбтива с атомами или молекулами адсорбента движение флуктуирующих диполей (квадруполей) приобретает упорядоченный характер, обусловливающий возникновение притяжения между ними. Свое название дисперсионные силы получили вследствие того, что ими вызывается и явление рассеяния света. Дисперсионные силы не зависят от характера распределения электронной плотности в молекулах адсорбтива и адсорбента и поэтому взаимодействие, вызываемое ими, носит неспецифический характер.
В ряде случаев дисперсионные силы усиливаются электростатическими силами – ориентационными и индукционными. Ориентационные силы возникают при взаимодействии полярных молекул с поверхностью, содержащей электростатические заряды (ионы, диполи), индукционные – вызываются изменением электронной структуры молекул адсорбтива и адсорбента под действием друг друга: возникновением в молекулах адсорбтива дипольных моментов, наведенных зарядами адсорбента или возникновением дипольных моментов в адсорбенте под действием зарядов молекул адсорбтива.
Взаимодействие, вызываемое электростатическими силами, зависит от химической природы адсорбтива и адсорбента и, следовательно, является специфическим. Вклад специфического взаимодействия в общую энергию взаимодействия при адсорбции любых молекул на электронейтральных углеродных адсорбентах практически равен нулю, а при адсорбции полярных молекул на цеолитах, отличающихся гетероионным характером, соизмерим с вкладом неспецифической составляющей.
Адсорбция является процессом самопроизвольным и экзотермическим, т.е. ее протекание сопровождается выделением тепла. Теплота физической адсорбции соизмерима с теплотой конденсации веществ и не превышает 80-120 кДж/моль.
Глубина очистки зависит от типа адсорбента, его количества (в % от сырья) при очистке микродисперсным адсорбентом и кратности его к сырью—при фильтровании через зерненный адсорбент.