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). Обычна 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 вандерваальсовские 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 [41], 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.

Рис. 8.4. Принципиальные схемы ад­сорбции:

а – с неподвижным слоем адсорбента; б – с движущимся слоем адсорбента; в – с псевдоожиженным слоем адсорбента

Скорость процесса адсорбции зависит от условий транспорта адсорбируемого вещества к поверхности адсорбента (внешний перенос), а 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.

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. 8.4,6) 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,б) с рециркулирующим псевдоожиженным адсорбентом.

Контрольные вопросы

1. Какие виды абсорбции и адсорбции Вы знаете? В чем состоит их физическая сущность?

2. Сформулируйте закон, являющийся основным при процессе адсорбции.

3. В чем различие определения числа теоретических ступеней при ректификации, абсорбции и адсорбции?

4. В чем заключается преимущество применения при адсорбции многоступенчатых схем перед одноступенчатыми?

5. Укажите условия, при которых процесс адсорбции является наиболее эффек­тивным.

Глава девятая

УСТАНОВКИ ДЛЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ