ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

А д с о р б ц и е й называется процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся в газе, паре или жидкости, носит название адсорбтива, а поглощенное – адсорбата.

Адсорбция применяется главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация поглощаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

Процессы адсорбции широко применяются при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами и т.д.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. При химической адсорбции, или хемосорбции, в результате химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверхностными молекулами поглотителя возникает химическая связь.

В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, главным образом активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.).

Извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя называется д е с о р б ц и е й. Десорбцию обычно осуществляют путем пропускания пара или газа, не содержащего адсорбтива, через слой адсорбента после завершения прямого процесса (адсорбции). Для повышения скорости извлечения десорбцию проводят при повышенных температурах, пропуская через слой адсорбента предварительно нагретый десорбирующий агент.

В качестве десорбирующих агентов используют острый насыщенный или перегретый водяной пар, пары органических веществ, а также инертные газы. После проведения процесса десорбции слой адсорбента обычно подвергают сушке и охлаждению.

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно – в аппаратах с псевдоожиженным и плотным движущимся слоем адсорбента, а также в аппаратах с неподвижным слоем – в установке из двух или большего числа адсорберов, в которых отдельные стадии процесса протекают не одновременно. Наиболее часто применяются цилиндрические адсорберы вертикального и горизонтального типов.

Периодические процессы адсорбции обычно проводятся в четыре стадии.

Первая стадия – собственно адсорбция, т.е. насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом.

Вторая стадия – десорбция поглощенного компонента из поглотителя.

Третья стадия – сушка поглотителя.

Четвертая стадия – охлаждение поглотителя.

По окончании четвертой стадии цикл работы аппарата начинается снова. Процесс адсорбции может проводится в три и две стадии.

Вертикальные адсорберы применяют в случае малой и средней производительности. Для обработки больших объемов газов (порядка 30 000 м³/ч и выше) используют горизонтальные адсорберы, обладающие незначительным гидравлическим сопротивлением.

Количество вещества, адсорбированное единицей массы или объема данного поглотителя при достижении состояния равновесия, зависит от температуры и концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе. При этом концентрации в твердом материале и в газе (жидкости) внутри аппарата изменяются во времени. Процесс длится до тех пор, пока конечная концентрация в среде, проходящей через слой твердой фазы (адсорбента), не превысит некоторого предельного значения − концентрации проскока (практически минимально возможной концентрации, доступной для определения), после чего завершается время защитного действия слоя и адсорбент подвергают регенерации (десорбцией).

Высота слоя адсорбента в адсорбере Н, но процесс массопередачи при адсорбции происходит в некоторой ограниченной зоне, длина которой l_o < Н (рис. 1). Эта зона характеризуется следующими предельно возможными (граничными) условиями:

 

, (1)

 

где l₀ – длина участка слоя адсорбента, на котором происходит падение концентрации адсорбтива в потоке от начальной до нулевой концентрации (точнее, до концентрации, соответствующей началу “проскока”);

у – концентрация адсорбтива в потоке парогазовой смеси;

у₀ – начальная концентрация адсорбтива;

х – концентрация адсорбата в адсорбенте;

х^*_к – концентрация адсорбата в адсорбенте, равновесная с у₀.

 

Газ

Парогазовая смесь

 

Рис. 1

 

Как видно из рис. 1, в общем виде в произвольный момент времени τ в нижней части адсорбера находится слой насыщенного (отработанного) адсорбента, а в верхней – слой неработающего адсорбента. Таким образом, активный слой адсорбента постепенно перемещается по высоте и в какой -то момент его верхняя граница достигает высоты Н. Это время называется временем проскока извлекаемого вещества, после которого концентрация у на высоте Н становится больше 0.

В расчетах процессов адсорбции приходится за конечную концентрацию адсорбтива в потоке принимать те значения концентраций, которые можно определить с помощью имеющихся методов анализа газовой (жидкой) фазы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

3.1. Оборудование, приборы и материалы

 

В лабораторной работе используются:

– лабораторная установка;

– стеклянная трубка;

– индикаторный порошок;

– стеклянная воронка;

– вата;

– металлический стержень;

– измерительная шкала;

– секундомер.

 

Лабораторная установка (рис. 2) включает адсорбер (а) и универсальный газоанализатор УГ-2 (б).

А д с о р б е р состоит из стеклянного корпуса 1 диаметром d = 42 мм, основания 2 и крышки 3. Внутри корпуса размещена решетка 4, на которой находится слой адсорбента 5 (активированного угля). Основание снабжено нижним штуцером 6, а крышка – верхним штуцером 7. На днище основания находится слой вредного вещества (задается преподавателем) 8.

Универсальный г а з о а н а л и з а т о р УГ-2 состоит из корпуса 9, в верхней части которого смонтированы резиновая трубка 10 и шток 11, соединенный с находящимся внутри корпуса сильфоном (не показан) и снабженный фиксатором 12.

 

3 7 5 1 10 12 11 9