АДСОРБЦИЯ Процесс физической адсорбции
АДСОРБЦИЯ

Процесс адсорбции состоит в избирательном поглощении примесей из парогазовых (или жидких) сред развитой поверхностью твердого поглотителя - адсорбента, обычно используемого в виде пористых частиц размерами до 5 мм. Процесс физической адсорбции сопровождается тепловыделением, удельная величина которого несколько превышает скрытую теплоту конденсации адсорбируемого компонента (адсорбтива). Однако малые количества адсорбирующегося вещества по отношению к теплоемкостям адсорбента и потока-носителя обычно не приводят к заметному повышению температуры, что в большинстве случаев позволяет рассматривать процессы адсорбции как изотермические.

Равновесные зависимости между количеством целевого компонента в газовой (или жидкой) среде и в адсорбенте устанавливаются многочисленными теоретическими соотношениями, каждое из которых соответствует сравнительно неширокому классу пар адсорбент -адсорбтив; при этом константы тех или иных уравнений изотерм адсорбционного равновесия определяются опытным путем. В общем случае, в частности для широкого диапазона содержаний целевого компонента в окружающей среде, равновесные соотношения концентраций находятся непосредственными экспериментами.

Процессы промышленной адсорбции часто проводятся в периодическом режиме, когда газовый поток, содержащий адсорбируемый компонент, фильтруется через неподвижный слой частиц адсорбента. При этом концентрация компонента в газе на выходе из слоя адсорбента постепенно увеличивается. Время от начала процесса периодической адсорбции до достижения на выходе из слоя предельно допустимой концентрации (рис. 8.3) называется временем защитного действия слоя адсорбента. Численное значение такого времени защитного действия определяется экспериментально для каждой конкретной пары адсорбент - адсорбтив в зависимости от статической емкости адсорбента, скорости газовой фазы и начальной концентрации компонента в поступающем газовом потоке .

1. Равновесное состояние между адсорбентом и окружающей смесью компонентов в общем случае описывается функциональной зависимостью вида , где а - количество адсорбтива, 
Различные виды изотерм адсорбции

поглощенного единицей адсорбента по достижении состояния равновесия; р -парциальное давление адсорбтива в смеси; Т - температура системы. (Вместо парциального давления используется также массовая концентрация компостнента,

В практических расчетах используется уравнение изотермы адсорбции, справедливое для постоянных значений температуры. Явный вид функциональной зависимости  зависит от свойств системы адсорбент - адсорбат. Данные по равновесию определяются на основе тех или иных модельных представлений о взаимодействии молекул адсорбируемого компонента с поверхностью адсорбента с последующим экспериментальным нахождением соответствующих констант для каждой конкретной системы.

2. Модель локализованной, мономолекулярной адсорбции приводит к уравнению изотермы Ленгмюра:
где  предельное количество адсорбтива, которое может быть поглощено адсорбентом при заполнении всех центров адсорбции на поверхности пор адсорбента;  коэффициент, в основном определяющий зависимость вида изотермы Ленгмюра от температуры.
Для практических расчетов значения и b обычно находятся из опытных данных по равновесию конкретных систем. Уравнение изотермы  в наибольшей степени справедливо для мелкопористых адсорбентов при малых значениях парциальных давлений адсорбтивов.

3. Согласно теории поли молекулярной адсорбции БЭТ равновесное состояние описывается изотермой вида где  давление насыщенного пара адсорбтива при температуре равновесного процесса; константа, определяемая для каждой пары адсорбент - адсорбат.
Уравнение типа описывает изотермы, имеющие перегиб в координатах, в интервале относительных парциальных давлений.
4. Теория объемного заполнения микропор адсорбированным компонентом приводит к уравнению изотермы Поляни Здесь суммарный удельный объем микропор адсорбента, м3/кг; v. - молярный объем жидкой фазы адсорбтива, м3/кмоль; В - структурная константа, характеризующая преобладающее влияние микропор адсорбента, К-2;  коэффициент аффинности, определяемый по адсорбтиву, принятому за стандартное вещество (бензол при адсорбции микропористыми адсорбентами и азот при адсорбции цеолитами);  температура. Значения параметров  и х приводятся в специальной литературе

5. Значения коэффициентов массоотдачи р  от фильтрующегося через неподвижный слой частиц (зерен) адсорбента потока парогазовой смеси к наружной поверхности частиц могут быть определены, например, по корреляционным соотношениям где Д - диффузионный критерий Нуссельта (критерий Шервуда); ; Мс - массовый расход газа-носителя, кг/с; а - удельная наружная поверхность зерен адсорбента, м2/м3; d ~ диаметр частиц, м; D - коэффициент диффузии целевого компонента в газе-носителе, м2/с; ¦д - динамическая вязкость газа-носителя, .

6. Для мелкопористых адсорбентов с диаметром частиц, равным нескольким миллиметрам, преобладает обычно сопротивление переносу целевого компонента внутри пористой структуры адсорбента. Если дополнительно изотерма адсорбции имеет прямолинейный характер (например, при малых значениях р в потоке газа-носителя), то для сферических частиц при постоянной концентрации целевого компонента в газе С0 и нулевой начальной концентрации в зерне среднее по радиусу зерна значение концентрации адсорбтива С(т) может быть описано согласно решению уравнения нестационарной диффузии:


где F - диффузионный критерий Фурье; т - текущее время процесса адсорбции, с; Д/(1 + Г) - эффективный коэффициент диффузии целевого компонента в пористом адсорбенте, м2/с, D - коэффициент диффузии компонента в газе-носителе,  - угол наклона линейной изотермы адсорбции.

8.1. Сравнить равновесные значения масс хлористого этила, поглощенных 1 кг активированного угля, при различных значениях парциальных давлений паров хлористого этила 20 и 200 мм рт. ст. и температурах -15 и 20 °С. Объяснить полученные результаты. Параметры изотермы Ленгмюра взять из примера 8.1.

8.2. Сравнить равновесные количества пропана, адсорбирующиеся одним килограммом мелкопористого силикагеля при 20 "С и относительных давлениях пропана 0,07 и 0,14. Считать справедливой изотерму БЭТ с параметрами ам = 9,5 % (массовая доля) и С, = 9,2.

8.3. Определить количества воды, адсорбированной по достижении равновесия 8 кг цеолита СаХ при температуре 40 *С и парциальных давлениях пара р = 5 и 50 мм рт. ст. Параметры изотермы (8.3): W0 = 0,235 10 3 м3/кг; В — 6,15 10 6 К-2; % — 2,53.

8.4. Сравнить времена полного заполнения сферических частиц адсорбента в условиях примера 8.4, но для диаметров 4 10~3 и 1 10~3 м.

8.5. Определить степени отработки сферических частиц активированного угля при поглощении хлористого этила при условиях примера 8,5, но при времени процесса 100 с, а также при диаметрах частиц 3,0 и 2,0 мм.

8.6. Сравнить интенсивности внешнего массопереноса, отнесенные к единице движущей разности концентрации, для неподвижных слоев сферических частиц адсорбента размерами 1,0 и 2,0 мм, в процессе адсорбции паров хлороводорода из воздуха при общем давлении II = 1520 мм рт. ст. и температуре 15 'С. Расход воздушной смеси одинаков - Fc = 0,15 м3/(м2 • с).

8.7. Сравнить значения общих коэффициентов массопередачи при адсорбции паров этанола из потока воздуха в псевдоожижен-ном слое частицами активированного угля АГ-3 диаметром 1 и 2 мм при 20 С и парциальном давлении паров в исходной смеси 25 мм рт. ст. Расход адсорбента на 1 м2 поперечного сечения слоя 0,60 м3/(м2 с). Высота псевдоолшженного слоя 70 мм. Коэффициент аффинности адсорбтива и структурная константа адсорбента 0,61 и 1,02 10 8 К 2 соответственно.

8.8. Определить необходимую высоту Н неподвижного слоя активированного угля СКТ порозностью 0,38 при адсорбции им паров бензола из воздушного потока, имеющего объемную скорость 0,280 м3/(м2с) и начальную концентрацию 0,0190 кг/м3. Необходимо обеспечить время защитного действия слоя искомой высоты, равное 1 ч 30 мин. Значение минимально возможной высоты слоя hm = 70 мм определено экспериментально.

8.9. В противоточном аппарате с движущимся слоем адсорбента и газа-носителя происходит непрерывная адсорбция целевого компонента от 0,110 до 0,005 кг/м3. Поступающий в аппарат адсорбент содержит 1,8 кг компонента в одном кубометре собственно твердой фазы. Расход газового потока 0,39 м3/(м2 с) при температуре процесса; объемный расход дисперсной фазы 2,1 • 10 3 м3/(м2 с) при порозности движущегося слоя £ = 0,47. Изотерма адсорбции представлена на рис. 8.5. Опытные данные по значениям общего коэффициента массопередачи представлены графически на рис. 8.6. Определить необходимую высоту слоя адсорбента по уравнениям (8.13) и (8.14).

8.10. В условиях примера 8.10 произвести расчеты при диаметре частиц адсорбента 4 мм, а затем сравнить значения необходимых высот псевдоожиженных слоев при уменьшении выходной концентрации паров влаги в потоке воздуха в два раза (до Ск = = 0,02 • 10 3 кг/м3).