Н.С. Зефиров - Химическая энциклопедия, том 1 (1110090), страница 25
Текст из файла (страница 25)
проблема использования этого и ряда др. уравнений изотермы А.-выяснение зависимости коэф, активности компонентов в адсорбц. слое от его состава. Важнейший вопрос при применении А. для разделения или очистки в-в-подбор селективного адсорбента по отношению к данному компоненту р-ра. Ионная А., как правило, не носит эквивалентного характера. На пов-стя из р-ра электролита адсорбируются преим. катионы или аиионы. Благодаря электрнч. (кулонов- аким) силам на нов-сти образуется двойной элехшряческий слой. Если в состав адсорбента входят ионы иля поверхностные функц. группы, способные в данном р-рителе к ионизации, то между адсорбентом и р-ром электролита происходят яонный обмен.
Адсорбент в этом случае наз. ионитом. Квиетшга адсорбции А., как и любой реальный процесс, происходят во времени. Поэтому полная теория А, должйа содержать раздел о кинетяке А. Элементарный вкт А. осуществляется практически мгновенно (исключение — хемосорбция). Поэтому временные зависимости А. определяютса в оси. механизмом диффузии, т.е. подвода адсорбтнвв к месту А. Если А. на открытой пов-сти ие мгновенна, такой процесс происходит во внешнедиффузноиной области; при этом законы диффузии не специфичны для А. В случае же пористых адсорбентов, кроме внеш. диффузии, важную роль начинает играть внутр.
диффузия, т.е. перенос адсорбтива в порах адсорбента при наличии в них градиента концентрации. Механизм такого переноса может зависеть от концентрации адсорбтива я размеров пор. Различают молекулярную, кнудсеновскую и поверхностную (фольмеровскую) диффузию. Молекулярная диффузия осушествлаетсл, если длина сноб. пробега молекул в порах меньше размера пор, кнудсеновская-есин эта длина превышает размер пор. При поверхностной диффузии молекулы перемешаются по пов.сти адсорбента без перехода в обьемную фюу.
Однако значения коэф. диффузии не одинаковы для разных механизмов диффузии. Во мн. случаях экспериментально не удастся установить, как нменно происходит диффузия, и поэтому вводят т. наз. эффективный коэф. диффузии, описывающий процесс в целом. Осн. эксперим. материалом о кинегике А. служит т. наз. кннсгич. кривая, т.е. ф-цня у = а/ар„„=/(!), где у-относительная А., равная отношению текущего значения адсорбции а к а „,-ее значению прн времени г ° оэ, Для истолкования кинетич. кривой в простейшем случае предполагают, что зерно адсорбеита имеет совершенно однородную по объему пористую структуру (эту модель наз. квазигомогенной). Значит.
усовершенствование квазигомогенной модели — прелставление о том, что каждое зерно содержит области с более крупными и более тонкими порами. Диффузия в таком зерне описывается двумя разл. коэффициентами. В случае открытой пов-сти, принимая модель Ленгмюра, легко получить кииетич. ур-ние А. Скорость приблюкения к равновесию яй/я! представляет собой разность скоростей А. н десорбции. Считая, как обычно в кинетике, что скорости процессов пропорциональны концентрациям реагирующих в-в, имеем: дй йрл (1 0) йии0 (28) где й и й -константы скорости соотв. А.
и десорбции, Давление в газовой фазе считается постоянным. При интегрировании этого ур-ния от !=0 до любого значения ! получим: йллл 0 =, ' [1 — ехР( — (й, + й„) !)1, (29) й +й Отсюда прн с-+ со имеем.' 0 = 0 гю Поэтому окончательно имеем: 0 = брав» (1 — ехр ( — ъс)~ (30) где й=й +Й Влияние т-ры на скорость А. выражается ур-вием, аналогичным ур-нию Аррениуса.
С увеличением т-ры )с,д, экспонеициально возрастает. Т.к. диффузия в порах адсорбента связана с преодолением актнвац. барьеров, температурные зависимости )с, и )с не одинаковы. Знание скоростей лййсфузии важно не только для теории А.,но и для расчета иром. адсорбц, процессов. При этом обычно имеют дело не с отдельными зернами адсорбента, а с их слоями. Кинетика процесса в слое выра, кается очень сложными зависимостями. В каждой токе слоя в данный момент времени величина А. определяется не только видом ур-ния изотермы А. н закономерностями кинетики процесса, но также аэро- или гидродинамич.
условиями обтекания зерен газовым нли лшдкостным потоком. Кинетика процесса в слое адсорбента в отличие от кинетики в отдельном зерне наз. дивамикой А., общая схема решения задач к-рой такова: составляется система дифференц, ур-ний в частных производных, учитывающая характеристики слоя, изотерму А., диффузяонные характеристики (коэф. диффузии, виды переноса массы по слою и внутри зерен), аэро- и гидродинамич.
особенности потока. Задаются начальные н краевые условия. Решение этой системы ур-ний в принципе приводит к значениям величин А. в данный момент времени в данной точке слоя, Как правнло, аналитич. решение удается получить только для простейших случаев, поэтому такаа задача решается численно с помощью ЭВМ. При опытном изучении динамики А. через слой адсорбента пропускают газовый или жидкостный поток с заданными характеристиками и исследуют состав выходящего потока каи ф-цию времени.
Появление поглощаемого в-ва эа слоем наз. проскоком, а время до проскакав временем защитного действия. Зависнмоссь концентрации данного компонента за слоем от времени наз. выходной кривой. Эти кривые служат осн. эксперим. материалом, позволяющим судить о закономерностях динамики А. Аппаратурное оформление адсарбцианиых процессов Существует множество технол. приемов проведения адсорбц. процессов.
Широко распространены циклич. (периодич)установки с неподвяжиым слоем адсорбента, осн. узел к-рых-один или песк. адсорберов, выполненных в виде полых колонн, заполняемых гранулированным адсорбентом. Газовый (или жидкостной) поток, содержащий адсорбируемые компоненты, пропускается через слой адсорбента до проскока. После этого адсорбент в адсорбере регснерируют, а газовый поток направлшот в др, алсорбер. Регенерация адсорбента включает ряд стадий, из к-рых основная-десорбция, т.
е, выделение ранее поглощенного в-ва из адсорбента. Десорбцию проводят нагреванием, сбросом давления в газовой фазе, вытеснением (напр., острым водяным паром) или комбинацией этих методов. Т.к. времена А. и регенерации не совпадают, подбирают такое число одновременно работающих и регенерируемых адсорберов, чтобы в целом процесс шел непрерывно. По техн. и экономич. соображениям регенерацию не доводят до конца.
Поэтому рабочая емкость адсорбента равна разности между максимально достигаемой в данных условиях А. и кол-вом адсорбата, остающегося в адсорбенте после регенерации. Вследствие этого изотермы А., соответствующие процессу в адсорбере, не должны быть слишком крутыми. В описанной схеме возможны два варианта; 1) целевой продукт адсорбнруется из газового потока практически полностью, и тогда он содержится в десорбате, откуда его извлекают тем или иным способом; 2) целевой продукт адсорбируется хуже, чем др. компоненты газовой смеси, н тогда он содержится в выходящем газовом потоке.
По 61 АДСОРБЦИЯ 43 первому варианту работают, напр., рекуперационные установки на вискозных произ-вах, улавливающие из отходящих газов и возвращающие в цикл Сбг. Производительность таких установок достигает сотен тысяч м' очищаемого газа в час; адсорбент-активный уголь с не слишком тонкимн микропорами, т.е. уголь, в к-ром константа Е по ТОЗМ (см. выше) равна 20-25 кДжсмоль. Это значение Ее соответствует не слишком крутой изотерме, что обесгечивает хорошие условия регенерации Такие угли наз, рекуперационными. Десорбцию осуществляют острым водяным паром. Для экономии энергии холодные и ~азовые горячие потоки пропускают через теплообменники.
Очень важна осушка газов и жидкостей, напр. нефтяных газов перед их переработкой илн прир. газов перед транспортировкой; адсорбенты-силикагель или цеодиты. Десорбцию осуществляют нагреванием. Т. к. десорбция цеолита связана с бдльшими энергозатратами, применяют комбинированный адсорбент: оси, массу влаги поглосцают легко регенерируемым силикагелем, а глубокую доосушку-цеолитом. При тепловой регенерации полный цикл включает А., нагрев адсорбента, его десорбцию и охлаждение.
Большое число стаалй обусловливает низкую интенсивность и высокую энергоемкость процесса. Поэтому широкое распространение получили т. наз. короткоцикловые установки, весь цикл в к-рых занимает носк. минут. В них газ подается в адсорбер под значит. давлением, к-рос затем сбрасывается, и происходит десорбциа Весь процесс идет почти изотермическн (отклонение от изотермичности вызывается только выделением теплоты А. и поглощением теплоты при десорбции).
Стадии цикла: А., сброс давления, десорбция, подъем давления. Пример-установки с цеолитом для получения воздуха, обогасценного кислородом. В установках с движущимся слоем адсорбента (в т. наз. гиперсорберах) последний под действием силы тяжести медленно опускается, выводится из ниж. части адсорбера и попадает в т. наз. эрлифт, представляюсций собой вертикальную трубу, параллельную адсорбц. колонне, По этой трубе снизу вверх двиксется поток воздуха, к-рый поднимает зерна адсорбеита в верх, часть колонны. Перерабатываемый газовый поток поступает в среднюю часть адсорбера и движется вверх протнвотоком к адсорбенту. В верхней части колонны непрерывно происходит А., а нижней -регенерации адсорбента (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
