Характеристика процесса адсорбции

Колонна по высоте делится на пять зон. Газ, подлежащий разделению, поступает по трубе под нижнюю тарелку первой-верхней зоны, в которой протекает процесс адсорбции; свежий адсорбент подается в верхнюю часть этой зоны. В этой зоне из газовой смеси поглощаются углеводороды, содержащие два и три атома углерода, и небольшие количества метана. Непоглощенная часть газовой смеси, содержащей метан, водород, азот и двуокись углерода, удаляется из верха колонны по трубе 1. Так как процесс адсорбции в первой зоне колонны протекает с выделением тепла, тарелки этой зоны снабжены охладительными трубами, по которым протекает холодная вода.

Из первой зоны адсорбент по переточному каналу поступает во вторую, где поднимающийся с низа колонны инертный газ десорбирует из адсорбента метан; метан попадает в первую зону и уходит из колонны вместе с непоглощенной частью газа. Из второй зоны адсорбент поступает в третью, а затем в четвертую и пятую зоны. В третьей зоне происходит десорбция поглощенных газов с двумя углеродными атомами (фракция C₂) и в четвертой - с тремя углеродными атомами (фракция С₃). В пятой зоне адсорбент обрабатывается острым паром. Водяной пар выдувает из адсорбента углеводороды с тремя углеродными атомами. Адсорбент из пятой зоны выходит по трубе 4 и пневмотранспортом подается снова в верхнюю часть колонны.

Рис. 3.4.3 - Схема установки для адсорбции и десорбции в кипящем

слое: 1 - циклон; 2 - сепаратор; 3 - адсорбер; 4 - теплообменники;

5, 6 - разгрузочные приспособления; 7 - десорбер; 8 - паровая

рубашка

На рис. 3.4.3 представлена схема установки для адсорбции и десорбции в кипящем слое, состоящей из адсорбера 3 и десорбера 7. В адсорбер 3 через трубу подаются исходная газовая смесь и регенерированный адсорбент из десорбера. В адсорбере создается кипящий слой адсорбента, в котором происходит адсорбция поглощаемой части газового потока. Непоглощенная часть газового потока через сепаратор 2 и циклон 1 удаляется из аппарата.

Из адсорбера адсорбент через разгрузочное приспособление 5 поступает в трубопровод и газом или паром, используемыми для десорбции, увлекается в десорбер 7, в котором десорбция проводится также в кипящем слое. Десорбер снабжен паровой рубашкой 8. Газ после десорбции проходит через теплообменник, где отдает тепло выходящему из адсорбера адсорбенту. Выходящий из десорбера регенерированный адсорбент охлаждается в теплообменнике 4.

На рис. 3.4.4 представлена схема устройства адсорбера с кипящим слоем.

Рис. 3.4.4 - Адсорбер с регулируемой высотой кипящего слоя:

1 - корпус адсорбера; 2 - регулятор давления; 3 - трубопровод для

подачи регулировочного газа; 4 - вспомогательный бак; 5 - выход

непоглощенной части газа; 6 - крышка адсорбера; 7 - труба для подачи

адсорбента; 8 - загрузочный бункер; 9 - труба; 10 - труба для подачи

исходного газа; 11 - разгрузочная труба

Адсорбер имеет специальное приспособление для регулирования высоты кипящего слоя. Этот аппарат состоит из корпуса-резервуара 1, в верхней части которого расположен открытый сверху вспомогательный бак 4. Свежий адсорбент загружается через бункер 8 по трубе 7 в вспомогательный бак. Снизу в вспомогательный бак подведена труба 3. по которой через регулятор 2 нагнетается газ, необходимый для псевдоожижения адсорбента в баке 4. Бак 4 установлен в трубе 9, прикрепленной к крышке адсорбера; открытый конец трубы находится в кипящем слое адсорбента (в резервуаре 1). Псевдоожиженный слой адсорбента из бака 4 по этой трубе переливается в резервуар. Исходная газовая смесь поступает в адсорбер по трубе 10 и создает кипящий слой в резервуаре 1. Скорость газового потока должна быть равна скорости витания щ_вит. Освобожденная от поглощаемой части газовая смесь удаляется из адсорбера по трубе 5, а адсорбент, насыщенный поглощаемым газом, осаждается в нижней конической части резервуара и по трубе 11 удаляется из него.

Высота кипящего слоя в резервуаре колеблется в интервале уровней А-В. Подачу газа в бак 4 рассчитывают таким образом, чтобы при достижении уровня А кипящий слой адсорбента переливался через край бака в резервуар в количестве большем, чем уходит по трубе 11. В результате количество адсорбента в резервуаре увеличивается и уровень кипящего слоя в нем повышается. При этом будет возрастать толщина слоя адсорбента, сопротивление которого должен преодолевать газ, подаваемый через трубу 5. Вследствие этого при постоянстве давления этого газа, поддерживаемом регулятором 2, расход его будет соответственно уменьшаться. По достижении кипящим слоем уровня Б расход газа сократится настолько, что подача адсорбента в резервуар прекратится, а это приведет к понижению уровня кипящего слоя в резервуаре. Разность уровней А и Б зависит от чувствительности регулятора и практически может быть доведена до 100 мм и менее.

Опытные данные показывают, что процесс адсорбции в кипящем слое характеризуется теми же закономерностями, что и адсорбция в неподвижном слое. Так, время защитного действия слоя меняется прямо пропорционально высоте кипящего слоя. Коэффициент защитного действия адсорбента зависит от скорости газового потока, начальной концентрации газовой смеси и физико-химических свойств системы.

При адсорбции в кипящем слое можно принимать скорость газового потока в три-четыре раза большей по сравнению со скоростью при адсорбции в неподвижном слое и значительно интенсифицировать процесс адсорбции.

3.5 Расчет адсорберов периодического действия

В аппаратах периодического действия с неподвижным слоем адсорбента высотой L процесс собственно сорбции протекает в две стадии. Первая стадия считается с момента начала пропускания газовой смеси через слой адсорбента до полного насыщения нижних слоев адсорбента. В течение этой стадии на какой-то высоте слоя адсорбента L₀, называемой работающей высотой, происходит полный переход распределяемого между фазами вещества из газовой фазы в адсорбент и газовая смесь выходит из адсорбера, будучи полностью освобождена от поглощаемого адсорбентом вещества.

При дальнейшей работе адсорбера адсорбент постепенно насыщается поглощаемым веществом и, наконец, наступает момент, когда адсорбент перестает поглощать распределяемый между фазами компонент и начинается проскок этого компонента через слой адсорбента. Время от начала процесса до момента проскока называют временем защитного действия слоя адсорбента.

Количество поглощенного вещества может быть выражено следующим образом:

G=бf_aL (3.5.1)

и G=w_yf_aC₀ф' (3.5.2)

где L - высота слоя адсорбента в м;

f_a - площадь поперечного сечения слоя адсорбента в м²;

w_y - скорость газового потока в м/сек;

С₀ - начальное содержание поглощаемого вещества в газовой фазе в кгс/м³;

ф' - продолжительность поглощения при бесконечно большой скорости поглощения в сек.

Сравнивая два последних уравнения, находим:

ф'=б/w_yC₀*L (3.5.3)

Фактическое время защитного действия ф слоя адсорбента длиной L всегда меньше ф'. Разность:

ф₀=ф'- ф (3.5.4)

называется потерей времени защитного действия.

Подставляя в последнее уравнение значение ф' из уравнения, находим

ф= б/w_yC₀*L- ф₀ (3.5.5)

или ф= K₃L- ф₀ (3.5.6)

где K₃= б/w_yC₀ - коэффициент защитного действия слоя.

Уравнение можно выразить и так:

ф= K₃(L- h) (3.5.7)

где h - величина, характеризующая неиспользованную статическую активность слоя адсорбента.

Соответственно потеря времени защитного действия слоя получится из равенства

ф₀= K₃h (3.5.8)

Процесс адсорбции в неподвижном слое адсорбента является неустановившимся, поэтому определение времени защитного действия слоя адсорбента и изменения концентрации газа по высоте слоя представляет собой весьма сложную задачу.

Связь между концентрацией газовой смеси в любой момент времени и высотой слоя адсорбента выражается уравнением:

(3.5.9)

а между равновесной концентрацией в каждый данный момент времени и высотой слоя адсорбента уравнением

(3.5.10)

где С - содержание поглощаемого компонента в газовой фазе в любой момент времени ф на высоте слоя L в кгс/м³;

С₀ - содержание поглощаемого компонента в газовой фазе при входе в адсорбер в кгс/м₃;

С_сравн. - равновесная концентрация газовой фазы в кгс/м³;

J₀(2ivxz) - функция Бесселя первого ряда и нулевого порядка.

x=K_vL/w_y (3.5.11)

z=K_v/A(ф-L/w_y) (3.5.12)

где K_v - коэффициент массопередачи в кгс/м³ час кгс/м³;

L - высота слоя адсорбента в м;

w_y - скорость газовой фазы, отнесенная к общему поперечному сечению слоя адсорбента, в кгс/м³;

А - константа из уравнения изотермы. Допуская линейную зависимость между концентрацией газа и поглощенным количеством вещества, числовое значение А можно найти из уравнения б=АС'_равн.;

ф - длительность процесса адсорбции в сек.

i=v-1 (3.5.13)

Значения C/C₀ и С'_равн/ С₀, вычисленные согласно формулам, по значениям x и z, даны в виде кривых на рис. 3.5.1.

Продолжительность адсорбции при заданной толщине слоя адсорбента и начальной концентрации газа определяется в зависимости от того, к какому участку кривой изотермы адсорбции относятся заданные концентрации газовой смеси.

Для первой области изотермы адсорбции зависимость между б и С_рав - приближенно может быть признана линейной, т. е. можно допустить, что в этой области изотерма приблизительно отвечает закону Генри:

б=ГС_рав (3.5.14)

где Г - безразмерный коэффициент, равный отношению б₀/ б⁰:

б₀ - количество поглощенного вещества, равновесное с концентрацией вещества в газовом потоке.

В этом случае длительность адсорбции определяется из уравнения:

 (3.5.15)

где (3.5.16)

Функция Крампа Ф(z) представляет собой выражение:

(3.5.17)

где С - содержание поглощаемого вещества в газовой фазе при выходе из адсорбера в кгс/м^3.

Числовые значения функции Крампа в зависимости от величины z, находят по таблицам.

Рис. 3.5.1 - Зависимость отношений С/С₀ и С_равн/С₀ от значений х и z (на

кривых указанна величина х)

Во в торой области изотермы адсорбции зависимость между б и С_{равн -} выражается кривой, выпуклой по отношению к оси абсцисс. В этом случае приближенно длительность адсорбции определяется по уравнению

 (3.5.18)

Здесь (3.5.19)

где С'_рави. - содержание вещества в газовой фазе, равновесное с количеством вещества, равным половине б_?, в кгс/м³ (б_{? -} количество вещества, максимально поглощаемое при данной температуре, в кгс/м³).

В третьей области изотермы адсорбции величина поглощаемого адсорбентом вещества достигает предела и остается постоянной и не зависящей от содержания поглощаемого вещества в газовой фазе. В этом случае длительность адсорбции определяется по уравнению

(3.5.20)

3.6 Расчет адсорберов непрерывного действия

Процесс адсорбции в аппаратах непрерывного действия является установившимся и к нему применимы общие уравнения массопередачи.

Если концентрации поглощаемого вещества находятся в пределах линейного участка кривой изотермы адсорбции, то можно воспользоваться уравнением массопередачи, которое для данного случая выражается так

(3.6.1)

где G - количество поглощаемого адсорбентом вещества в кгс/сек;

Kv - коэффициент массопередачи в кгс/м³*сек*кгс/м³;

f_c - площадь поперечного сечения движущегося адсорбента в м³;

?С_ср. - средняя разность концентрации.

Эта величина определяется из выражения:

(3.6.2)

где ?С₁- большая разность концентрации на одном конце слоя;

?С₂ - меньшая разность концентрации на другом конце слоя.

Если концентрация поглощаемого вещества находится в пределах криволинейного участка изотермы адсорбции, высота слоя адсорбции может быть найдена по уравнениям, которые для данного случая могут быть выражены так:

L=hm м (3.6.3)

где h=V₂/K_vf_{c -} высота слоя, соответствующая одной единице переноса

V₂ - объем газовой смеси, протекающей через адсорбер, в м³/сек);

(3.6.4)

m - число единиц переноса, которое находят графическим путем.

Заключение

Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту - носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организм. Многие функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхности, так, например, общая площадь биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Даже такие наши чувства, как обоняние и вкус, зависят от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.

Сегодня адсорбция составляет основу многих промышленных операций и научных исследований. Наиболее важные из них - очистка, выделение и разделение различных веществ, адсорбционная газовая и жидкостная хроматография.

Адсорбция является важной стадией гетерогенного катализа и коррозии. Исследования поверхности тесно связаны с развитием полупроводниковой техники, медицины, строительства и военного дела. Адсорбционные процессы играют ключевую роль при выборе стратегии защиты окружающей среды.

Адсорбционные методы исследования свойств поверхности позволяют количественно охарактеризовать происходящие при адсорбции межмолекулярные взаимодействия адсорбат-адсорбент и адсорбат-адсорбат, определить термодинамические характеристики адсорбционного равновесия (например, теплоту и энтропию адсорбции), а также исследовать геометрические параметры адсорбента (величину удельной поверхности, объем пор и распределение пор по размерам, характерные для данного материала).

Такие исследования необходимы для понимания факторов, управляющих адсорбционными процессами и обеспечивающих возможность выбора и разработки эффективных адсорбентов с необходимыми для решения конкретных задач свойствами.

Список использованной литературы

1. Процессы и аппараты: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Д.А. Баранов, А.М. Кутепов. - 2-е изд., - М.: Издательский центр «Академия», 2005.

2. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов./ Дытнерский Ю.И. - Изд. 2-е. В 2-х кН. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. - М.: Химия, 1995.

3. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. - М.: Высш. шк., 1986.

4. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - М.: Мир, 1984.

5. Российский химический журнал. - 1995. - Т. 39 - №6.

Размещено на Allbest.ru