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