Принципиальная схема адсорбции

Исходная парогазовая смесь (адсорбтив) поступает в аппарат, где проходит через слой твердого пористого материала (рисунок 8.22). Адсорбент избирательно поглощает определенное вещество, и чистая смесь выводится из аппарата. Адсорбция бывает физическая и химическая.

Рисунок 8.22 – Принципиальная схема адсорбции

 

Физическая сущность адсорбции: адсорбция представляет собой перенос вещества из газовой или жидкой фазы в твердую, то есть происходит поглощение газа твердым веществом. Заполнение адсорбатом поверхности адсорбента частично уравновешивает поверхностные силы и, следовательно, снижает поверхностное натяжение. Поэтому адсорбция является произвольным процессом, который происходит с выделением тепла.

После отработки адсорбента производят десорбцию – вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов.

Требования, предъявляемые к адсорбентам:

1) селективность (избирательность);

2) максимальная поглотительная способность;

3) большая удельная поверхность;

4) экологичность;

5) нетоксичность, дешевизна, прочность.

Наиболее распространенными адсорбентами являются активированный уголь, силикагель, цеолиты.

 

Равновесие процесса адсорбции

 

Количество вещества, поглощенного единицей массы адсорбента зависит от природы этого вещества, температуры, давления, количества примесей. Равновесие между концентрациями вещества в твердой и газовой фазах выражается

                                                                                   (8.36)

или                                           ,                                  (8.37)

где  – концентрация   поглощаемого    вещества    в    адсорбенте,

кг адсорбата/кг адсорбента;

 – концентрация   поглощаемого   вещества   в    газовой   фазе,
кг адсорбтива/ кг инертного газа;

Р – равновесное давление адсорбтива в парогазовой смеси.

Зависимости (8.36) и (8.37) называются изотермами адсорбции.

Изотермы адсорбции изображаются кривыми, форма которых определяется в основном природой адсорбата и адсорбента и пористой структурой адсорбентат (рисунок 8.23).

Рисунок 8.23 – Выпуклая и вогнутая изотермы адсорбции

 

Выпуклая форма изотермы адсорбции, характерная для микропористых адсорбентов, встречается наиболее часто.

 

Кинетика адсорбции

Рассмотрим рисунок 8.24а. Газовый поток с начальной концентрацией у_н поглощаемого вещества непрерывно подается в неподвижный слой адсорбента. Через некоторое время на начальном участке слоя адсорбента поглощение практически прекращается из-за насыщения адсорбента поглощаемым веществом. Сорбирующиеся вещества «проскакивают» через этот слой, и зона адсорбции перемещается в следующие слои. Изменение фронта адсорбции изображено на рисунке 8.24б.

На рисунке 8.24:

U – скорость перемещения фронта адсорбции;

h₀ – участок слоя адсорбента, на котором происходит изменение концентрации от у_н до концентрации, соответствующей началу «проскока».

                                 ,                                       (8.38)

 

 

Рисунок 8.24 – Движение фронта адсорбции по слою адсорбента

где  – число единиц переноса в газовой фазе;

 – объемный коэффициент массопередачи.

Как уже говорилось выше, при процессе адсорбции существуют две области: внутридиффузионная и внешнедиффузионная. Процесс протекает в той или иной области в зависимости от значения критерия Био (Вi_d). Если значение Вi_d ≥ 30, то скорость процесса определяется скоростью массопроводности внутри зерна адсорбента. Если значение Вi_d ≤ 0,1, то скорость процесса зависит от скорости массопередачи в газовой фазе.

 

Классификация адсорберов

Адсорберы можно разделить по условиям работы на следующие группы: а) с неподвижным адсорбентом; б) с движущимся зернистым адсорбентом; в) с псевдоожиженным пылевидным адсорбентом.

Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента весьма просты по устройству и представляют собой цилиндрические вертикальные или горизонтальные емкости, заполненные адсорбентом. Примером адсорберов с неподвижным слоем адсорбента может служить аппарат, изображенный на рисунке 8.25. В тех случаях, когда адсорбция проводится из жидкой фазы, в качестве адсорберов используется обычная фильтровальная аппаратура.

 

 

1 - цилиндрический корпус; 2 - решетка; 3,4 - штуцеры

Рисунок 8.25 – Вертикальный адсорбер

с неподвижным зернистым адсорбентом

 

Аппараты с движущимся зернистым адсорбентом можно подразделить на аппараты типа полых колонн (применяются при адсорбции из газовой фазы) и аппараты с механическими транспортными приспособлениями (применяются при адсорбции из жидкой фазы).

Аппараты с псевдоожиженным пылевидным адсорбентом разделяют на одноступенчатые и многоступенчатые. Одноступенчатый адсорбер изображен на рисунке 8.26.

 

 

1 – корпус; 2 – газораспределительная решетка;

Рисунок 8.26 – Одноступенчатый адсорбер с псевдоожиженным

адсорбентом

Расчет адсорберов

8.3.5.1 Составляют материальный баланс адсорбции исходя из условия равновесия:

                       .                           (8.39)

Поскольку , а содержание поглощаемого компонента в адсорбенте х_н = 0, то из уравнения (8.39) находят количество адсорбента

                                                            (8.40)

или конечную концентрацию адсорбтива в газовой фазе:

                                 .                          (8.41)

8.3.5.2 Находят диаметр адсорбера исходя из уравнения расхода:

                                 ,                                       (8.42)

где    w – скорость газового потока, м/с;

V – расход газовой смеси, м³.

8.3.5.3 Находят высоту адсорбера:

                             ,                            (8.43)

где    ρ_н – насыпная плотность адсорбента, кг/м³.

8.3.5.4 Рассчитывают продолжительность адсорбции:

                           .                    (8.44)

 

Мембранные процессы

Мембранными процессами называют процессы разделения смесей посредством полупроницаемых мембран.

Мембрана – полупроницаемая перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких и газовых смесей.

Мембранные процессы в настоящее время применяются достаточно широко. В химической промышленности мембранные процессы применяются для выделения высокомолекулярных соединений, разделения азеотропных смесей, очистки и концентрирования растворов. В биотехнологии мембранные процессы используют для выделения биологически активных веществ. В пищевой промышленности – для концентрирования  соков, для  получения  высококачественных  сахаров. Наиболее широко мембранные процессы применяются для обработки воды и водных растворов, для очистки сточных вод.

 

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться: