Тема 5 План ( 2 часа ) Физические основы процесса адсорбции Теория адсорбции Устройство адсорберов Типы адсорберов Расчет адсорберов Якуб Лидия Николаевна к.ф.-м.н.,доцент
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 2 1. Физические основы процесса адсорбции Адсорбция представляет собой процесс поглощения газов, паров или жидкостей поверхностью пористых твердых тел — адсорбентов. Процессы адсорбции являются избирательными и обратимыми. Это значит, что каждый поглотитель обладает способностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощает другие вещества, содержащиеся в газовой смеси или растворе. Поглощенное вещество всегда может быть выделено из поглотителя путем десорбции — процесса, обратного адсорбции.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 3 Физические основы процесса адсорбции Адсорбенты отличаются весьма высокой пористостью, вследствие чего их поверхность очень велика. Наиболее распространенными адсорбентами являются активированный уголь и гель кремневой кислоты (силикагель). В некоторых случаях в качестве адсорбентов используют глины, активированные серной кислотой. Адсорбенты применяются в виде зерен размером 2—8 мм или в пылевидном состоянии (размер частицы 50—200 мк). Процессы адсорбции протекают в неподвижном или перемещающемся слое зернистого адсорбента, или в кипящем (псевдоожиженном) слое. Адсорбция в слое движущегося адсорбента и особенно в кипящем слое протекает значительно интенсивнее, чем в неподвижном слое
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 4 Физические основы процесса адсорбции Благодаря огромной удельной поверхности адсорбентов (поверхность на единицу объема) при адсорбции возможны очень большие скорости поглощения и полное поглощение компонентов. Поэтому адсорбция является эффективным способом разделения « бедных » смесей, содержащих незначительное количество поглощаемых веществ, а также смесей, состоящих из компонентов, очень близких друг к другу по химическим и физическим свойствам Поэтому адсорбция является эффективным способом разделения « бедных » смесей, содержащих незначительное количество поглощаемых веществ
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 5 2. Теория адсорбции При адсорбции молекулы газа или пара концентрируются на поверхности адсорбента под влиянием молекулярных сил притяжения. Этот процесс часто сопровождается химическим взаимодействием, а также конденсацией пара в капиллярных порах твердого адсорбента. Общепризнанной теории адсорбции еще нет. Предложенные теории можно разделить на: физическую и химическую. Физическая - (потенциальная теория) или теория сгущенного слоя. Согласно этой теории взаимодействие атомов на поверхности твердого тела с адсорбируемыми молекулами обусловлено Ван–дер–Ваальсовскими силами.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 6 Теория адсорбции Химическая теория адсорбции – допускает существование только мономолекулярного слоя на поверхности твердого тела. Адсорбционные силы носят химический характер и действуют на очень коротком расстоянии, не превышающем величины диаметра молекул. Независимо от характера сил, вызывающих адсорбцию, при достаточном времени соприкосновения фаз наступает адсорбционное равновесие. Устанавливается определенная зависимость между концентрацией адсорбированного вещества X (в кг/кг адсорбента) и его концентрацией Y в фазе, соприкасающейся с адсорбентом:
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 7 Теория адсорбции где Y - равновесная концентрация, кг/кг инертной части парогазовой смеси или раствора; А и n – коэффициенты, определяемые опытным путем. Зависимость соответствует определенной температуре и изображается кривой, которая носит название изотермы адсорбции. Концентрация адсорбируемого вещества в смеси при постоянной температуре пропорциональна его давлению. Уравнение можно записать так: где P – равновесное давление поглощаемого вещества.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 8 Теория адсорбции
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 9 Теория адсорбции Основными факторами, влияющими на протекание процесса адсорбции, являются: свойства адсорбента, температура, давление, свойства поглощаемых веществ, состав фазы, из которой они адсорбируются. Адсорбция ускоряется при понижении температуры или при повышении давления. Те же факторы влияют в обратном направлении на процесс десорбции, проводимый обычно после адсорбции. Десорбция ускоряется с повышением температуры адсорбента и снижением давления над ним, а также при пропускании через адсорбент паров, вытесняющих поглощенное вещество.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 10 3. Устройство адсорберов Для проведения процессов адсорбции применяются адсорберы следующих типов: с неподвижным зернистым адсорбентом; с движущимся зернистым адсорбентом; с кипящим (псевдоожиженным) слоем мелкозернистого адсорбента. Адсорберы с неподвижным зернистым адсорбентом представляют собой полые вертикальные или горизонтальные сосуды, в которых размещен слой зернистого адсорбента.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 11 Устройство адсорберов Адсорбер вертикальный
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 12 Устройство адсорберов Адсорбер горизонтальный
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 13 Устройство адсорберов Адсорбер вертикальный с кольцевым слоем адсорбента
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 14 Устройство адсорберов Газовая (паровоздушная) смесь подается в корпус 1 адсорбера, проходит сквозь находящийся на решетке 2 слой адсорбента (на рисунке заштрихован), после чего удаляется через выхлопной штуцер. По завершении адсорбции для вытеснения поглощенного вещества из адсорбента в аппарат подается перегретый водяной пар (или другой вытесняющий агент), который движется в направлении, обратном движению газа. Паровая смесь (паров воды и извлекаемого компонента) удаляется из аппарата и поступает на разделение в отстойник непрерывного действия или в ректификационную колонну.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 15 Устройство адсорберов После десорбции сквозь слой адсорбента пропускают для его сушки горячий воздух, который входит через паровой штуцер и удаляется через тот же штуцер, что и паровая смесь. Высушенный адсорбент охлаждается холодным воздухом, движущимся по тому же пути, что и водяной пар, после чего цикл поглощения повторяется снова. Для адсорбции из жидкой фазы используют обычные фильтрпрессы, рамы которых заполняют зернистым адсорбентом.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 16 4.1.Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом 4. Типы адсорберов Эти адсорберы представляют собой колонны, в которых зернистый адсорбент движется самотеком сверху вниз, либо перемещается при помощи специальных транспортных устройств (шнеки, элеваторы). В зоне 1 адсорбент поглощает более тяжеылые компоненты газовой смеси, наиболее легкие, непоглощенные газы (верхняя, или легкая фракция) удаляются из верхней части зоны 1.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 17 4.1.Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом После десорбции сквозь слой адсорбента пропускают для его сушки горячий воздух, который входит через паровой штуцер и удаляется через тот же штуцер, что и паровая смесь. Высушенный адсорбент охлаждается холодным воздухом, движущимся по тому же пути, что и водяной пар, после чего цикл поглощения повторяется снова. Для адсорбции из жидкой фазы используют обычные фильтрпрессы, рамы которых заполняют зернистым адсорбентом.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 18 4.1.Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом Далее адсорбент проходит промежуточную зону II и поступает в зону десорбции III, где движется по трубкам теплообменника - десорбера 4, в межтрубном пространстве которого конденсируется греющий пар. Одновременно в трубки теплообменника-десорбера подают перегретый острый пар для отдувки из адсорбента поглощенных тяжелых компонентов Наиболее тяжелые компоненты (нижняя, или тяжелая фракция) удаляются из верхней части зоны III. Часть десорбированных более легких компо - нентов в виде парогазовой смеси проходит в промежуточную (ректификационную) зону II.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 19 4.1.Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом Парогазовая смесь вытесняет из адсорбента часть поглощенных компонентов. Эти вытесненные компоненты отводятся из зоны II в качестве промежуточной фракции. Регенерированный в зоне III нагретый адсорбент проходит через разгрузочное устройство 5, и через гидравлический затвор 6. Далее адсорбент через клапан 7 поступает в сборник 8, куда газодувной 9 подается транспортирующий газ. По трубе-газоподъемнику 10 адсорбент подается током газа в бункер I и затем в холодильника 2, где охлаждается, и снова поступает в адсорбционную зону I.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 20 4.2.Адсорберы с кипящим (псевдоожжиженым) слоем адсорбента При проведении адсорбции в кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента гидравлическое сопротивление слоя является весьма малым, поэтому можно создавать скорости газового потока. Благодаря сочетанию высоких скоростей газа с очень развитой поверхностью фазового контакта можно значительно интенсифицировать процесс адсорбции. При интенсивном перемешивании частиц в кипящем слое в нем проходит быстрое выравнивание температур предотвращается опасность перегрева адсорбера
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 21 Адсорберы с кипящим (псевдоожжиженым) слоем адсорбента Одноступенчатый адсорбер с кипящим слоем. 1 –корпус 2 – распределительная решетка 3 – кипящий слой адсорбента 4 – труба для выхода адсорбента.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 22 Адсорберы с кипящим (псевдоожжиженым) слоем адсорбента При соприкосновении газового потока на выходе из кипящего слоя с отработанными насыщенными частицами адсорбента может происходить частичная десорбция поглощенного вещества и адсорбента. При интенсивном перемешивании в кипящем слое происходит сильное истирание твердых частиц адсорбента. Для проведения описанного процесса необходимо применять адсорбенты, обладающие достаточной механической прочностью.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 23 5. Расчет адсорберов Адсорберы с неподвижным зернистым адсорбентом. Продолжительность Т полного цикла в адсорбере с неподвижным зернистым слоем адсорбента складывается из времени собственно адсорбции t, времени десорбции t д, в течение которого через адсорбент продувают вытесняющий агент, и времени сушки и охлаждения адсорбента т с.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 24 Расчет адсорберов Приближенно продолжительность адсорбции можно определить, исходя из средней концентрации X 1 адсорбированного вещества в начальный момент времени и концентрации X 2 этого вещества в конечный момент. Если масса адсорбента G c, то количество поглощенного за один цикл вещества составит: S – площадь сечения, w 0 – скорость парогазовой смеси.
15.02.2019 Процессы и аппараты. Тема 5. 25 Благодарю за внимание
