Механизм процесса адсорбции

Адсорбционные явления развиваются на границе твердой или жидкой фазы с другой жидкой фазой или газом. Наибольшее практическое значение имеет рассматриваемая далее адсорбция на поверхности твердых частиц.

При прохождении потока газа через адсорбент (рис. 3.9) сначала участвует в работе лишь слой высотой H ₀, в котором начальная концентрация извлекаемого вещества снижается до нуля (работающий слой или зона массопередачи).

Рис. 3.9. К механизму процесса адсорбции

 

В расчетах адсорберов с неподвижным адсорбентом широко используется модель адсорбционной волны, основанная на следующих предположениях. Полагают, что в начале процесса нижний слой адсорбента толщиной h 0 (рис. 3.10) быстро насыщается до состояния, близкого к равновесному.

 

 

 

Рис. 3.10. Модель «адсорбционной волны»

 

Концентрация загрязнителя по мере прохождения отбросных газов через следующие слои адсорбента понижается по некоторому закону, выраженному графически кривой 1, и на определенной высоте h 1 становится равной 0 (нулю). Далее через слой чистого адсорбента высотой (H - h ₁) фильтруется чистый газ. Через определенное время волна насыщения адсорбента доходит высоты h ₂ а отбросные газы полностью освобождаются от загрязнителя на высоте Н, т.е. на выходе из слоя адсорбента (кривая 2). Процесс адсорбции прекращают, когда концентрация загрязнителя в отбросных газах на выходе слоя достигает заранее заданной величины проскока П (кривая 3). При этом волна насыщения адсорбента достигает высоты h ₃ и его направляют на регенерацию.

При адсорбции может происходить «проскок» компонента, когда адсорбент перестает поглощать его. Под активностью адсорбента понимают его способность поглощать вещество. Адсорбенты характеризуются статической и динамической активностью.

Динамическая активность адсорбента - количество вещества, поглощенное единицей веса (объема) адсорбента за время от начала адсорбции до начала проскока.

Статическая активность адсорбента - количество вещества, поглощенное тем же количеством адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия.

Динамическая активность всегда меньше статической, поэтому расход адсорбента определяется по его динамической активности.

От активности адсорбента зависят размеры адсорбционной аппаратуры, эффективность очистки газов.

Процесс адсорбции в течение определенного времени протекает при постоянном значении степени поглощения адсорбируемого вещества. Это время называется временем защитного действия слоя адсорбента.

Решение задачи по определению стационарного фронта сорбции при равновесном режиме адсорбции (уравнение Шилова):

τ = k ∙H −τ ₀ = k(H − h) (3.58)

где - коэффициент защитного действия слоя; w - скорость перемещения фронта сорбции; τ₀ = k∙h - время потери защитного действия слоя; h = (H − H₀) - высота неиспользованной емкости слоя адсорбента.

 

Равновесие при адсорбции

Поглотительная способность адсорбентов выражается концентрацией адсорбата в массовой или объемной единице адсорбента. Процесс адсорбции сопровождается выделением тепла, поэтому снижение температуры способствует его проведению.

Независимо от природы адсорбционных сил на величину адсорбции влияют следующие факторы: природа поглощаемого вещества; температура; давление; примеси в фазе, из которой поглощается вещество.

Природа поглощаемого вещества - считается, что равновесная концентрация в адсорбенте тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа, а в случае растворов - чем меньше растворимость поглощаемого вещества в жидкости.

С повышением температуры при прочих равных условиях равновесная концентрация уменьшается.

С ростом давления в парогазовой фазе равновесная концентрация x увеличивается.

Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. При наличии в фазе, из которой адсорбент поглощает вещество А, конкурирующего (вытесняющего) вещества В, т.е. вещества, также способного поглощаться этим адсорбентом, уменьшается равновесная концентрация вещества А в адсорбенте. В этом случае вещество В либо частично, либо полностью вытесняет или замещает вещество А в адсорбенте.

С течением времени при адсорбции наступает равновесие, при котором устанавливается определенная зависимость между концентрацией адсорбируемого вещества Х (кг/кг адсорбента) и его концентрацией Y в газовой фазе:

X = A.Y^1/n (3.59)

где Y - равновесная концентрация инертной части газовой смеси, кг/кг; А, п - коэффициенты, определяемые опытным путем (причем n ≥ 1).

Зависимость (3.59) величины адсорбции целевого компонента в условиях равновесия между фазами при постоянной температуре называют изотермой адсорбции.

Существует пять типов изотерм физической адсорбции паров. Они приведены на рис. 3.11.

 

Рис. 3.11. Типы изотерм адсорбции

 

Изотерма типа а) соответствует мономолекулярной ленгмюровской адсорбции; изотермы типа б), в) - мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции. Изотермы типа г) и д) соответствуют случаю, когда мономолекулярная и полимолекулярная адсорбции сопровождаются капиллярной конденсацией.

Уравнение (3.59) можно представить в другом виде (т.к. концентрация компонента в газовой смеси при постоянной температуре пропорционально его давлению):

X = A₁P ^1/n (3.60)

где A ₁ - коэффициент; Р - равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой смеси, Па.

Адсорбция ускоряется при понижении температуры или при повышении давления. Эти же факторы влияют на процесс десорбции в обратном направлении. Десорбция ускоряется с повышением температуры адсорбента и снижением давления, а также при пропускании через адсорбент паров, вытесняющих поглощенное вещество.

При высоких температурах или малых парциальных давлениях изотермы адсорбции аппроксимируются законом Генри:

а* = A_р ∙ p (3.61)

где а * - количество поглощенного вещества, кг/кг (адсорбента) или кг/м³; А р -

константа фазового равновесия; р - парциальное давление компонента в газе.

В практических расчетах широко используется уравнение Фрейндлиха:

а* = A₁∙ pⁿ (3.62)

где А 1 и n - коэффициенты.

Для мономолекулярной физической адсорбции используется уравнение Ленгмюра:

a *= b∙ a_m ∙ p /(1+ b ∙ p) (3.63)

где b – коэффициент; am – предельная величина адсорбции.

Универсальный характер имеет уравнение Брунауер-Эммет-Теллер (БЭТ), описывающее мономолекулярную и многослойную адсорбцию:

(3.64)

где ps – давление насыщенного пара; c – константа.

На поглощаемые молекулы со стороны поверхности адсорбента действует сила притяжения, пропорциональная адсорбционному потенциалу:

E = R ∙T ∙ ln ps / p (3.65)

Серьезным отклонением от реальных характеристик адсорбции является предположение об изотермичности процесса. Адсорбция может быть изотермической только при соответствующей организации теплоотвода из зоны конденсации. В других случаях тепло, выделяемое при конденсации адсорбата и смачивании поверхности адсорбента, пойдет на нагрев обрабатываемого газа и частиц адсорбента.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: