ТЕМА ЛЕКЦИИ: ПРОЦЕССЫ АДСОРБЦИЯ, АДСОРБЦИОННЫЕ
Адсорбция процесс поглощения газов (паров) или жидкостей, поверхностью твердых тел (адсорбентов). Явление адсорбции связано с наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощаемого вещества. По сравнению с другими массообменными процессами адсорбция наиболее эффективна в случае малого содержания извлекаемых компонентов в исходной смеси. Различают два основных вида адсорбции: физическую и химическую (или хемосорбцию). Физическая адсорбция вызывается силами взаимодействия молекул поглощаемого вещества с адсорбентом (дисперсионными или ван дер ваальсовскими). Однако молекулы, соприкаса ясь с поверхностью адсорбента, насыщают его поверхность, что ухуд шает процесс адсорбции.
Химическая адсорбция характеризуется химическим взаимодействием между средой и адсорбентом, что может образовывать новые химические соединения на поверхности адсорбента. Оба вида адсорбции экзотермичны. Химическая адсорбция протекает обычно с небольшой скоростью и возможна при высоких температурах, когда физическая адсорбция ничтожно мала. Переход вещества из газовой и жидкой фаз в адсорбированное состояние связан с потерей одной степени свободы, т. е. сопровождается уменьшением энтропии и энтальпии системы, следовательно, выделением теплоты. При этом различают дифференциальную и интегральную теплоты адсорбции; первая выражает количество выделяющейся теплоты при поглощении очень малого количества вещества, вторая при поглощении до полного насыщения адсорбента.
Повышение температуры в каждом процессе адсорбции зависит от теплоты адсорбции и массовой скорости газового (парового) потока, от температуропроводности этого потока и адсорбента, количества адсорбированного вещества и его концентрации. Так как адсорбционная способность адсорбента снижается с ростом температуры, экзотермичность процесса должна учитываться в инженерных расчетах. При больших тепловыделениях прибегают к охлаждению слоя адсорбента.
Процессы адсорбции отличаются избирательностью и обратимостью, позволяя поглощать (адсорбировать) из газовых (паровых) смесей и растворов один или несколько компонентов, а затем в других условиях выделять (десорбировать) их из твердой фазы. При этом избирательность зависит от природы адсорбента и адсорбируемых веществ, а предельное удельное количество поглощаемого вещества зависит еще от его концентрации в исходной смеси и температуры, а в случае газов также от давления.
Адсорбенты пористые тела с сильно развитой поверхностью пор. Удельная поверхность пор может достигать 1000 м 2/г. Адсорбенты применяют в виде таблеток или шариков размером от 2 до 6 мм, а также порошков с размером частиц от 20 до 50 мкм. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, силикагель, алюмосиликаты, цеолиты (молекулярные сита) и др. Важной характеристикой адсорбентов является их активность, под которой понимают массу адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента в условиях равновесия. Активность адсорбента равна а=М/G, (1) где М масса поглощенных компонентов; G масса адсорбента.
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. М = f(Т, С). Обычно условия адсорбционного равновесия изучают при постоянной температуре. Зависимость М = f(G) называется изотермой адсорбции. Конкретная форма этой зависимости определяется свойствами и механизмом взаимодействия адсорбента и адсорбируемого вещества.
Адсорбенты характеризуются также временем защитного действия, под которым понимают время, в течение которого концентрация поглощаемых веществ на выходе из слоя адсорбента не изменяется. При большем времени работы адсорбента происходит проскок поглощаемых компонентов, связанный с исчерпанием активности адсорбента. В этом случае необходима регенерация или замена 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.
Схемы адсорбционных установок и устройство адсорберов Рис. 1 Принципиальная схема установки адсорбционной осушки газа
Сырой газ со сборного пункта поступает во входной (первичный) сепаратор 4, где от него отделяется жидкая фаза, далее влажный газ поступает в адсорбер 1, где он проходит снизу вверх через слой адсорбента – твердого вещества, поглощающего пары воды. Далее осушенный газ, пройдя фильтр 7 для улавливания уносимых частичек адсорбента, поступает в магистральный газопровод или подается потребителю. Процесс осушки газа осуществляется в течение определенного (12… 16 ч) времени.
После этого влажный газ пускают через адсорбер 2, а адсорбер 1 отключают и выводят на регенерацию. Для этого из газовой сети отбирается сухой газ и направляется в подогреватель 2, где он нагревается до температуры 180… 200°С. Далее газ подается в адсорбер 1, где отбирает влагу от адсорбента, после чего поступает в холодильник 8. Сконденсировавшаяся вода собирается в емкости 5, а газ используется для осушки повторно и т. д. Процесс регенерации адсорбента продолжается 6… 7 ч. После этого в течение около 8 ч адсорбер остывает.
Рис. 2 Адсорбционная кислородная установка
Рис. 3 Разделение газов с помощью адсорбционных технологий
Процессы адсорбции проводятся в, основном следующими способами: 1) с неподвижным слоем адсорбента; 2) с движущимся слоем адсорбента; 3) с псевдоожиженным слоем адсорбента Аппараты, с помощью которых происходит разделение газообразных и жидких сред поверхностью пористого твердого тела называются адсорберами. Наиболее распространено применение адсорберов для разделения паровых или газовых сред, осушки или очистки газа, а также для улавливания ценных органических веществ из газообразных сред.
Широко распространены циклические установки с неподвижным слоем зернистого адсорбента, основной узел которых один или несколько адсорберов, выполненных в виде полых колонн, заполняемых гранулированным адсорбентом. 1, 4 – входной и выходной патрубки 2 - слой пористого адсорбента, 3 - горизонтальная решётка. 5 - патрубок для входа пара
Работа данного адсорбера заключается в подаче газовой или паровоздушной среды через патрубок во внутреннюю часть корпуса адсорбера для её разделения. Затем газовая среда перемещается через зернистый адсорбент, который уложен слоем на сетке. Адсорбент будет поглощать из газообразной среды только необходимое вещество, а поступившая среда удалится из адсорбера через выхлопной патрубок. Процесс поглощения определенного вещества адсорбентом будет происходить до определенного момента, после чего осуществляют процесс десорбции.
Данный процесс заключается в прекращении подачи газообразной среды в адсорбер, затем начинается подача перегретого водяного пара. Его перемещение происходит в направлении обратном движению газовой среды. Смесь пара и извлеченного из газовой среды вещества выводится из адсорбера и поступает на ректификацию в специальную установку или в отстойник. Процессы десорбции и адсорбции длятся одинаковое время, а после процесса десорбции через слой адсорбента пропускают горячий воздух, в результате чего адсорбент просушивается. Горячий воздух перемещается по адсорберу, поступая через паровой патрубок и выходя через патрубок для смеси пара и извлеченного вещества.
Затем в адсорбер поступает прохладный воздух, который охлаждает адсорбент до определенной температуры. Перемещается прохладный воздух также как водяной пар. После того, как адсорбент остынет, процесс адсорбции повторяется. В настоящее время адсорбер укомплектован системой устройств, работающие в автоматическом режиме и по заданным временным параметрам переключают процессы адсорбции и десорбции, процессы осушки и охлаждения. Для того, чтобы установка работала беспрерывно и постоянно делила газовую среду, она устраивается из нескольких адсорберов, которые попеременно включаются.
На подобных установках после поглощения газовой среды в первом адсорбере подачу газовой среды переключают на следующий адсорбер. В это время в первом адсорбере происходит процесс десорбции, процессы осушки и охлаждения адсорбента. После процесса поглощения во втором адсорбере, газовая среда переключается на следующий аппарат или обратно на первый и так далее. Большое число стадий обусловливает низкую интенсивность и высокую энергоемкость процесса. Поэтому широкое распространение получили т. наз. короткоцикловые установки, весь цикл в которых занимает несколько минут. В них газ подается в адсорбер под значит. давлением, которое затем сбрасывается, и происходит десорбция. Весь процесс идет почти изотермически. Стадии цикла: адсорбция, сброс давления, десорбция, подъем давления.
В установках с движущимся слоем адсорбента (гиперсорберах) последний под действием силы тяжести медленно опускается, выводится из нижней части адсорбера и попадает в т. наз. эрлифт, представляющий собой вертикальную трубу, параллельную адсорбционной колонне. По этой трубе снизу вверх движется поток воздуха, который поднимает зерна адсорбента в верхнюю часть колонны. Перерабатываемый газовый поток поступает в среднюю часть адсорбера и движется вверх противотоком к адсорбенту. В верхней части колонны непрерывно происходит адсорбция, в нижней под действием нагрева происходит процесс десорбции.
В установках с псевдоожиженным ("кипящим") слоем адсорбента газовый поток, поступающий в адсорбер снизу, приводит адсорбент во взвешенное состояние. При этом резко увеличивается эффективность массообмена между адсорбентом и газом и сокращается длительность адсорбции и десорбции. Такие установки имеют высокую производительность. Их широкому распространению препятствуют высокие требования, предъявляемые к мех. прочности зерен адсорбента (недостаточная прочность обусловливает значительные потери адсорбента вследствие его истирания и уноса из аппарата).
корпус (1) распределяющая адсорбент решетка (2) слой абсорбента (3) патрубок (4)
Основные требования к адсорбентам: большая адсорбционная емкость, т. е. они должны представлять собой дисперсные тела с большой удельной поверхностью или с большим объемом пор; химическая природа поверхности должна обеспечивать эффективную адсорбцию данных веществ в данных условиях; химическая и термическая стойкость, регенерируемость, доступность. Наибольшее распространение получили активные угли, ксерогели некоторых оксидов (силикагели, алюмогели и др. ), цеолиты; из непористых адсорбентов технический углерод (сажа) и высокодисперсный Si. O 2 (аэросил, "белая сажа").
Скачать презентацию ТЕМА ЛЕКЦИИ ПРОЦЕССЫ АДСОРБЦИЯ АДСОРБЦИОННЫЕ Адсорбция процесс
ЛЕКЦИЯ ЛАПТЕВА Е.А. Адсорбция.pptx