Тема: «Определение времени и коэффициента защитного действия слоя адсорбента»

Введение

Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовых и жидких смесей и концентрирования его (их) на поверхности или в объеме пор твердого тела (адсорбента).

Адсорбционное поглощение компонентов из смесей вызвано взаимодействием силовых полей адсорбента и адсорбируемых молекул. Поглощаемое вещество, находящееся в смеси в неадсорбированном состоянии, называется адсорбтивом, а после перехода вещества в адсорбированное состояние – адсорбатом. В зависимости от типа сил, обусловливающих адсорбцию, различают физическую и химическую адсорбции. Физическая адсорбция вызывается силами молекулярного взаимодействия, которые могут носить разнообразный характер, в зависимости от природы адсорбента и адсорбата. Поглощение адсорбата сопровождается выделением теплоты. В отличие от химической адсорбции, адсорбция физическая является обратимым процессом.

В качестве адсорбентов используют активные угли, силикагели, алюмогели, природные и синтетические цеолиты, пористые cтекла, природные алюмосиликаты (отбельные глины) и другие вещества. Для увеличения их адсорбционной способности применяют специальные способы обработки, позволяющие значительно изменить микроструктуру и увеличить удельную поверхность адсорбентов (поверхность единицы массы или единицы объема адсорбента).

В зависимости от размеров поры адсорбентов подразделяются на три типа: микро-, мезо- и макропоры. Микропоры имеют диаметры порядка 1–3 нм (1 нм = 10^–9 м). Адсорбция в микропорах сводится к заполнению их пространства молекулами адсорбата. Диаметры мезопор значительно больше размеров поглощаемых молекул и находятся в пределах от 3 до 400нм. В мезопорах концентрирование молекул адсорбата происходит не в объеме пор, а на поверхности, по механизму капиллярной конденсации. Макропоры имеют диаметры свыше 200 нм. Они незаметно влияют на суммарную величину адсорбции и играют роль транспортных пор в зернах адсорбента. Перечисленные адсорбенты, за исключением цеолитов, представлены всеми типами пор и применяются как в форме зерен диаметром 1–5 мм, так и в виде мелкодисперсных порошков.

Адсорбенты, применяемые в промышленных условиях, характеризуются следующими параметрами:

– статическая адсорбционная емкость по поглощаемым компонентам;

– избирательность – способность поглощать только определенные молекулы компонентов;

– механическая прочность;

– возможность регенерации без ухудшения адсорбционных свойств;

– химическая инертность к газовым и жидким смесям;

– термостойкость.

Адсорбционные процессы находят широкое применение в пищевой промышленности. Они используются при очистке растительных масел в масложировой промышленности, очистке диффузионного сока и сиропа в свеклосахарном производстве, осветлении фруктово-овощных соков в консервной промышленности, стабилизации пива в пивоваренной промышленности, осветлении вин и обработке спиртов в ликероводочном производстве. Перечисленные жидкие продукты представляют собой многокомпонентные смеси растворенных органических веществ и коллоидов. В ряде случаев адсорбцией можно извлечьизсмеси определенные ее компоненты, но при этом следует учитывать возможное влияние на этот процесс сопутствующих органических веществ. В пищевой промышленности наиболее распространена адсорбция из растворов, поэтому ниже даны основы теории этого процесса.

В основе pacчета процecca адсорбции, лежат закономерности статики, кинетики и динамики процесса. При равновесии в системе адсорбент–адсорбат количество адсорбированного вещества а _р есть функция концентрации компонента и температуры

(1)

Для характеристики адсорбционных свойств пористых тел используют изотерму адсорбции, показывающую адсорбционную способность в зависимости от концентрации при постоянной температуре процесса ( const),

(2)

Анализ изотермы адсорбции дает представление только о практической пригодности адсорбента для извлечения конкретного компонента из смеси. Поэтому для расчета процесса адсорбции используют также кинетические кривые, показывающие степень приближения процесса к равновесному состоянию. Следует иметь в виду, что адсорбционные процессы протекают, как правило, в динамических условиях, при которых адсорбент и раствор движутся друг относительно друга. В связи с этим существует несколько моделей динамики адсорбции, адекватность которых реальному процессу необходимо проверять экспериментальными исследованиями. В частности, для расчета динамики процесса в неподвижном слое применяют модель фронтальной (послойной) отработки слоя адсорбента, предложенную Н.А. Шиловым

, (3)

где – время защитного действия слоя адсорбента (интервал времени от начала адсорбции до появления на выходе из слоя минимально допустимой концентраций адсорбтива), с; – коэффициент защитного действия (интервал времени, в течение которого слой адсорбента единичной высоты задерживает адсорбат в условиях стационарного режима), с/м; – высота слоя адсорбента, м; – потеря времени защитного действия, связанная с начальным периодом формирования кривой распределения адсорбата в слое, с.

Уравнение (3) позволяет определить время защитного действия слоя адсорбента любой высоты, если экспериментально установлены величины и для определенного режима адсорбции (определенная скорость движения раствора через слой, его концентрация и т. д). Рис. 1 иллюстрирует общий вид зависимости времени защитного действия слоя от его высоты L. Как следует из уравнения (3), равно отрезку, отсекаемому от оси ординат, а равно тангенсу угла наклона a к оси абсцисс прямолинейного участка данной кривой. Из рис. 1 видно, что высота слоя адсорбента меньше так называемой высоты работающего слоя . Следовательно, в данном случае имеет место период формирования фронта адсорбции. При высоте слоя превышающей значение , осуществляется режим параллельного переноса фронта сорбции, при котором движение данного фронта в слое адсорбента происходит с постоянной скоростью

, (4)

где w – скорость раствора, рассчитанная на полное сечение кoлонны, заполненной адсорбентом, м/с; – начальная концентрация раствора, моль/м³; – равновесная адсорбционная способность адсорбента, моль/м³.

. (5)

 

Рис.1 Зависимость времени защитного действия слоя

от его высоты

 

Скорость распространения фронта сорбции является величинoй, обратной коэффициенту защитного действия слоя.

Под высотой работающего слоя понимают условную высоту слоя адсорбента, в котором концентрация адсорбата изменяется от нулевого до максимального значения, соответствующего величине начальной концентрации адсорбтива (рис. 2). Высоте работающего слоя на рис. 2 соответствует изменение концентрации адсорбтива от практически нулевго значения до . Линия изменения концентрации адсорбтива во времени ( АВ) на выходе из слоя адсорбента называется выходной кривой. Выходные кривые получают по результатам экспериментальных исследований. Точка А на выходной кривой соответствует моменту проскока, который наступает при появлении минимальной концентрации адсорбтива в растворе на выходе из слоя адсорбента. Концентрация адсорбтива в точке В соответствует достижению равновесного состояния, при котором слой адсорбента полностью насыщен адсорбатом, поэтому концентрации адсорбтива в растворе перед слоем адсорбента и позади него одинаковы и для .

Рис. 2. Зависимость концентрации адсорбтива за слоем адсорбента от времени (выходная кривая)

 

Цель работы

 

Определение времени защитного действия и коэффициента защитного действия слоя адсорбента.

 

Описание установки

Схема установки представлена на рис. 3. Установка состоит из трех одинаковых адсорбционных колонок 1, 2, 3, установленных вертикально; напорного бака 4, имеющего шкалу делений; шлангов 5, соединяющих колонки с напорным баком; вентилей 6, 7, 8, 9. При выполнении лабораторной работы используется детектор для обнаружения минимальной концентрации адсорбтива, секундомер, линейка.

Высота слоя адсорбента в каждой из колонок 1, 2, 3 достаточна для создания режима параллельного переноса фронта сорбции. Наибольшая высота слоя адсорбента – в первой колонке, а наименьшая – в третьей, следовательно

, (6)

где – высота слоя адсорбента в соответотвущей колонке, м; – высота работающего слоя, м.

Колонки, выполнены из материала, имеющего высокую теплопроводность, что обеспечивает отвод теплоты из зоны процесса и приближает условия проведения лабораторной работы к изотермическим. Процесс адсорбции проводят на модельном растворе, приготовленном из воды и красителя. Напорный бак выполнен в виде сосуда Мариотта и обеспечивает постоянную величину гидростатического напора, а следовательно, и постоянный расход вытекающего раствора на всем протяжения опыта. Выбор типа адсорбента и приготовление модельного раствора производятся по указанию преподавателя.

 

 

Рис. 3. Схема установки:
1, 2, 3 – адсорбционные колонки; 4 – напорный бак; 5 – шланги;
6, 7, 8, 9 – вентили; 10 – решетки

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: