6.3 Адсорбція

 

Адсорбція – поглинання якої-небудь речовини з газоподібної суміші чи розчину поверхневим шаром рідини або твердого тіла. Речовина, на по­верхні якої проходить адсорбція, називаєтеся адсорбентом, а та, що по­глинається з об’ємної фази, – адсорбатом.   Залежно від характеру взаємо­дії між молекулою адсорбату і адсорбентом адсорбцію прийнято поді­ляти на фізичну адсорбцію і хемосорбцію. Фізична адсорбція обу­мовлена си­лами міжмолекулярної взаємодії, які зв’язують молеку­ли в рідинах і де­яких кристалах, та проявляється в поведінці силь­но стиснутих газів. При хемосорбції молекули адсорбату і адсор­бенту утворюють хімічні з’єднання. Часто адсорбція обумовлена як фізичними так і хімічними си­лами, тому не існує чіткої границі між фізичною адсорбцією і хемосорб­цією.

 

Установки, в яких здійснюють адсорбцію, називаються адсорберами. Існують адсорбери періодичної та безперервної дії.
В адсорберах періодичної дії газова сумів, з якої повинні бути витягнуті деякі компоненти, надходить через патрубок 1 в адсорбер      (рис. 6.2), про­ходить через шар пористого адсорбенту 2, розташованого на горизонталь­ній решітці 3, і видаляється з апа­рата через патрубок 4.

 

Після насичення адсорбенту, яке визнача­ється початком проскакування компоненту, що по­глинається, прово­диться десорбція. Шар адсорбенту прогрівається паром, який надхо­дить через патрубок 5. При цьому з адсорбенту відганяються па­ри витягнутих речовин, які відводяться через патрубок 6 на конденсацію і наступну переробку. Потім адсорбент сушать гарячим паром і після охо­лодження повторюють цикл процесу.

 

 

Рисунок 6.2 – Адсорбер періодичної дії:
1 – штуцер для відведення конденсату; 2 – решітка; 3 – люки для вивантаження адсорбенту; 4 – адсорбент; 5 – штуцер для відведення парів при десорбції; 6 – па­трубок для підведення забрудненого газу; 7 – люк для завантаження адсорбенту; 8 – штуцер для відведення очищеного газу та повітря під час регенерації

 

В промисловості звичайно застосовують установки безперервної дії. Вони складаються з двох і більше описаних вище адсорберів, які почер­гово включаються для адсорбції газів. Після насичення адсорбенту в пер­шому адсорбері подачу газу переключають на другий, а в першому в цей час проводять десорбцію, сушку і охолодження, після чого його переклю­чають на цикл поглинання, а другий адсор­бер –  на десорбцію, сушку і охолодження.

 

В адсорберах безперервної дії (їх називають гіперсорбери) зернистий адсорбент переміщується вертикальною колоною, у верх­ній частині якої проходить адсорбція, а в нижній –  десорбція під дією нагрівання.
Крім гіперсорберів застосовують адсорбери безперервної дії з кипля­чим шаром адсорбенту (рис. 6.3).

 

В корпусі 1 одноступеневого адсорбера встановлена розподільна ре­шітка 2, через яку знизу подається газ, що   приводить дрібно­зернистий ад­сорбент в стан киплячого шару 3. Адсорбент безперерв­но надходить зве­рху і видаляється через трубу 5 на десорбцію.

 

До промислових адсорбентів пред’являють такі вимоги: вони повин-ні  бути з великою динамічною ємністю (часом захисної дії), великою пито­мою поверхнею, вибірністю адсорбції, термічною і механічною стійкістю, здібністю до регенерації, простотою виго­товлення, дешевизною.

                
Рисунок 6.3 – Адсорбер з киплячим шаром адсорбенту:
 1 – циліндричний корпус з конусом знизу; 2 – розподільна решітка;
 3 – адсорбент;  4 – патрубок для введення адсорбенту; 5 – пристрій для виведення очищеного газу;  6 – патрубок для виведення адсорбенту; 7 – штуцер для подачі забрудненого газу

 

Для адсорбційного очищення газів в промисловості частіше всього застосовують такі пористі адсорбенти: активоване вугіл­ля, силікагелі, цео­літи, глинисті матеріали, пористе скло тощо. Всі вони по-різному від­пові­дають перерахованим вимогам і при їх виборі враховують найбільшу акти­вність відносно  компо­ненту, який треба вилучити.

 

Одним із основних параметрів при виборі адсорбенту є адсорб­ційна здатність до компоненту, який вилучається. Адсорбційна здат­ність, чи маса речовини а, яка поглинається одиницею маси адсорбен­ту в довільний момент часу, залежить від концентрації адсорбованої речовини (парціаль­ного тиску Р, Па) біля поверхні адсорбенту, загальної площі цієї поверхні, фізичних, хімічних та електричних властивостей адсорбованої речовини і адсорбенту, температурних умов та наявності інших домішок.

 

Як характеристики адсорбційних властивостей пористих тіл вико-ристовують залежність адсорбційної здатності від парціаль­ного тиску га­зового компоненту, який поглинається при постійній темпе­ратурі (ізотерма адсорбції):
                          при   Т = const
На рис. 6.4 зображені типи ізотерм адсорбції для різних ад­сорбентів. У всіх випадках адсорбційна здатність сорбенту збіль­шується при підви-щенні тиску адсорбата, але характер цього збіль­шення різний. Випукла ізотерма 1 специфічна для адсорбції на дріб­нодисперсних сорбентах, які застосовуються для очищення газової суміші при малому парціальному ти­ску компонентів, які вилучаються, і для осу­шування. Ізотерма 2 типова для непористих адсорбентів при полімолекулярній фізичній адсорбції. Ізоте­рма 3 спостерігається на ад­сорбентах з розвинутою системою великих і се­редніх пор. Ці сорбенти доцільно застосовувати для вилучення летких газів при парці­альному тиску, близькому до тиску насичення.
                   мл/г
, Па
Рисунок 6.4 – Ізотерми адсорбції
В основі інженерно-технічного розрахунку адсорбційного ме­тоду очищення знаходиться сітка кривих, що відображає  рівновагу ком­опоне­нту, який поглинається адсорбентом, тобто сітка ізотерм адсорб­ції 3.
         На рис. 6.5  зображені ізотерми адсорбції SO2 на активова­ному вугіллі СКТ в діапазоні температур від 20 до 150°С. Як вид­но, зі збільшенням те­мператури відбувається зниження адсорбційної здатності активованого ву­гілля. На цій властивості адсорбентів заснований процес їх регенерації. Ре­генерацію здійснюють нагрі­ванням насиченого адсорбенту до темпе­ратури, вищої за робочу, або продуванням його паром чи гарячим газом.
При проектуванні адсорбера використовують такі початкові дані: об’ємні витрати очищуваного газу G, м3/с, концентрацію до­мішок, які ви­тягуються С´, мг/м3, і тиск відхідних газів Р, Па. У результаті розрахунку визначають необхідну масу адсорбенту, конструктивні розміри, гідравліч­ний опір апарата і тривалість за­хисної дії адсорбера.

Рисунок 6.5 – Ізотерми адсорбції SO2 на активованому вугіллі СКТ
при різних температурах, °С: 1 – 20; 2 –  50;  3 – 100; 4 – 150
На першому етапі розрахунку і проектування адсорбера вибирають робочу температуру і тип сорбенту. Для збільшення адсорбційної здібності сорбенту робочу температуру, як правило, вибирають міні­мально можли­вою. Вибір типу сорбенту проводиться за ізотермами адсорбції при робо­чих параметрах температури і концентрації домішок з умови мінімальної маси сорбенту.
 Мінімальну необхідну масу сорбенту ma, г/с, визначають з рівняння матеріального балансу за компонентом, який вловлюється:
,                                      (6.5)
де    а∞  –  статична поглинальна здібність адсорбенту в робочих умо­вах, мг/г адсорбенту;
–   час процесу адсорбції, с;
Кз –  коефіцієнт запасу, рівний 1,1…1,2.
Швидкість потоку газу в адсорбері V, м/с, розраховують, виходячи з допустимого падіння тиску ?Р, Па, в адсорбері:
                  ,                                    (6.6)
де – коефіцієнт форми зерна сорбенту, який враховує нерівномірну доступність всієї поверхні зерна  потоку газу;
de – еквівалентний діаметр зерна сорбенту, м, для циліндричних зе­рен довжиною  діаметром  рівний
                 ,                                   (6.7)
 –  пористість шару сорбенту визначається через уявну  і насипну  густину сорбенту;
ξ –  коефіцієнт гідравлічного опору, який визначається  залежно від режиму течії газу: при Re < 50 ξ = 220/ Re; при 50 ≤ Re ≤ 7200 ξ = 11,6/Re0,25, тут  –  критерій Рейнольдса. Звичайно, виходячи з умов здійс­нення необхідного часу контакту газу з сорбентом і мінімальних гідравліч­них опорів;
υ –  швидкість газу, приймається рівною 0,15…0,5 м/с .
Геометричні розміри адсорбера (діаметр D, м, і довжина L, м, шару адсорбенту)  підраховуються за формулами:
             ,            ,                        (6.8)
Час захисної дії адсорбера визначається, виходячи з характеру кривої ізотерми адсорбції. Для області ізотерми адсорбції, в якій діє закон Генрі  , де Г –  безрозмірний коефіцієнт Генрі, рівний відношенню кіль­кості адсорбованої речовини α0 до початкової концентрації речовини в га­зовому потоці С´; тривалість адсорбції τ, с, визначають за формулою:
                         ,                                      (6.9)
де    – питома поверхня адсорбенту, м2/м3;
В – коефіцієнт, залежний від співвідношення речовини, яка поглина­ється в газовому потоці на виході та вході адсорбера (табл. 6.1)
Таблиця 6.1 – Значення коефіцієнтів b

С´´/С´	В	С´´/С´	В	С´´/С´	В
0,005	1,84	0,1	0,94	0,5	0,07
0,01	1,67	0,2	0,63	0,6	– 0,10
0,03	1,35	0,3	0,42	0,8	– 0,27
0,05	1,19	0,4	0,23	0,9	– 0,68

Коефіцієнт масопередачі β, с–1 визначають  залежно від режиму течії газу:
               , при Re < 30                          (6.10)
,  при 30<Re <50                     (6.11)
де      –  дифузійний критерій Прандтля;
μ –  коефіцієнт динамічної в’язкості газу при робочих умовах, Па·с;
 - коефіцієнт дифузії газу, який   вловлюється в повітрі, м2/с;
D0 –  коефіцієнт дифузії при Т0 = 273 °К і Р0 = 101,3 кПа.
Для області ізотерми адсорбції, в якій дотримується рівняння Ленг­мюра: , де А і В – константи, які залежать від властивос­тей адсорбенту і адсорбованої речовини. Тривалість адсорбції τ, с, визна­чається за формулою:
         ,          (6.12)
де с1 –  вміст речовини в газовому потоці, рівноважний з кількістю речовини, рівній половині а∞, кг/м3.

 

Для області ізотерми адсорбції, де величина адсорбції практично не залежить від вмісту речовини в газовому потоці (тобто а  В), тривалість адсорбції τ, с, визначають за формулою:
               ,                            (6.13)

 

Якщо одержаний час захисної дії адсорбера відрізняється від зада­ного τ на величину  ?τ, то довжину апарата  L0, м,  змінюють на величину
,                                               (6.14)
і перераховують масу сорбенту.

 

Адсорбція ефективна при видаленні великих концентрацій забруд­нювальних речовин (при цьому необхідна висока адсорбційна ємність чи велика маса адсорбенту). В тих випадках, коли концентрації забруднюва­чів невеликі й обробленню підлягає велика кількість по­вітря, адсорбція може виявитися ефективною для видалення летких вуглеводнів і органіч­них розчинників. Цей метод застосовується у випадках, коли необхідна га­рантована рекуперація достатньо цінних домішок, коли треба видалити пари отруйних речовин і канцероге­нів, які передбачаються.

 

Адсорбцію широко застосовують при видаленні парів розчинників при фарбуванні, органічних смол і парів розчинників в системі вен­тиляції підприємств для виробництва скловолокна і склотканин а та­кож парів ефіру, ацетону та інших розчинників у виробництві нітро­целюлози і без­димного пороху. Адсорбенти також використовують для:
-  очищення вихлопних газів автомобілів;
-  видалення отруйних ком­понентів (наприклад, сірководню з газових потоків), які викидають­ся в атмосферу через лабораторні витяжні шафи;
-  видалення ра­діоактивних газів при експлуатації ядерних реакторів, зокрема ра­діоактивного йоду.

 

Вінниця ВНТУ 2010