1.1. Процесс адсорбции

Начало изучения и количественного описания адсорбции связано с препаративной химией и противогазовой техникой. Специфика процесса адсорбции обусловлена в основном тем, что адсорбенты обладают сильно развитой внутренней поверхностью пор (для некоторых адсорбентов она достигает 1700 м²/г). Если при разработке массообменной аппаратуры для систем газ-жидкость, жидкость-жидкость и систем с твердой фазой, не имеющей внутренней пористости, основной задачей является обеспечение максимальной поверхности контакта фаз, то при создании адсорбционных аппаратов главной задачей часто яв­ляется обеспечение доступности этой поверхности.

Литература по адсорбции изобилует расчетными уравнениями, часто друг с другом не согласующимися. Это связано с трудностями расчета нестационарного процесса адсорбции, сложностью его математического описания, приводящими к тому, что формулы, используемые для инженерного расчета, не всегда в полной мере соответствуют физическому смыслу описываемого явления. В данной главе по возможности использованы уравнения, удовлетворительно зарекомендовавшие себя в расчетной практике.

Равновесное распределение концентраций извлекаемого компонента в газовой (жидкой) и твердой фазах при определенной температуре описывается изотермой адсорбции

(1.1)

Здесь х* – концентрация извлекаемого компонента (адсорбтива) в твердой фазе, равновесная при данной температуре с концентрацией адсорбтива в газовой (жидкой) фазах.

Концентрацию х* в литературе по адсорбции называют также статической активностью адсорбента.

Некоторые данные по равновесию в системах адсорбент-адсорбтив приведены в таблице 4.1.

Специфической характеристикой, используемой при расчете процессов адсорбции, является динамическая активность адсорбента. Это средняя концентрация адсорбтива в слое адсорбента, полученная к моменту «проскока», т. е. к началу появления адсорбтива на выходе из слоя адсорбента [2].

Существуют уравнения для расчета динамической активности [3], однако перед проектированием эту величину стараются получить экспериментально, так как она определяет практически весь дальнейший расчет установки и расходы, связанные с ее определением, несоизмеримы с затратами на исправление возможных ошибок расчета.

Процесс адсорбции обычно проводят в аппаратах с неподвижным плотным движущимся и псевдоожиженным слоем адсорбента. Адсорбцию из жидкой фазы часто проводят в аппаратах с мешалками.

Таблица 1.1

Равновесные данные по адсорбции паров бензола из их смеси с воздухом на активных углях различных марок

В настоящей главе приведены примеры расчета адсорберов с псевдоожиженным, неподвижным и движущимся слоем адсорбента. Поскольку повторение одинаковых разделов расчета нецелесообразно, определение различных величин приведено в разных примерах.

Так, метод построения изотермы адсорбции при отсутствии экспериментальных данных приведен в расчете адсорбера с неподвижным слоем адсорбента, определение среднего диаметра частиц для полидисперсных систем показано в расчете адсорбера с движущимся слоем адсорбента. Таким образом, для расчета адсорбера любой конструкции могут понадобиться методики, приведенные во всех трех примерах.