7.4. Адсорбция

Адсорбцией называют процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества — адсорбента. Процесс адсорбции подобно процессу абсорбции избирателен, т. е. из смеси поглощаются только определённые компоненты. Как и при абсорбции, поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента, например при нагревании. Этот процесс регенерации (обновления) абсорбента называют десорбцией.

Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом — только поверхностью твердого поглотителя — адсорбента.

В пищевой промышленности адсорбция сопровождает технологию очистки водно-спиртовых смесей в ликероводочных производствах, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарном производстве адсорбция обеспечивает основную очистку диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Адсорбенты. Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твёрдом теле.

Активированный уголь — самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией — прокаливанием при температуре около 900 "С. При этом в 1 г активированного угля достигают огромной суммарной поверхности пор — от 600 до 1700 м². Активированный уголь получают также из костей животных и других углеродсодержащих материалов. Размеры кусков активированного угля в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Активированный уголь лучше поглощает пары органических веществ, чем пары воды. Недостаток активированных углей — их малая механическая прочность и горючесть

Силикагели — это адсорбенты, которые получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Размер гранул силикагеля составляет от 0,2 до 7 мм. Суммарная площадь поверхности 1 г силикагеля 400...770 м². Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, а также влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда вкладывают в упаковку для хранения приборов и материалов, боящихся влаги. В отличие от активированного угля силикагель негорюч и характеризуется большой механической прочностью.

Цеолиты — пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп периодической системы элементов. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, имеющие однородную структуру с размерами пор, сравнимыми с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтрационных мембран.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и потому используются для глубокой осушки газов и воздуха с незначительным содержанием влаги. Гранулы промышленных цеолитов обычно имеют размеры от 2 до 5 мм.

Иониты — природные и искусственные адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Процессы с применением ионитов относят к хемосорбции — адсорбции, сопровождаемой химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называют анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называют катионитами. Существует группа аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обмену одновременно. Наиболее распространены в промышленности ионообменные смолы. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол осуществляют обесцвечивание сиропов. Смолы применяют в некоторых случаях водоподготовки. Последние успехи в области синтеза ионитов позволяют надеяться на их успешное использование в нетрадиционных технологиях, например в производстве спирта-ректификата из спирта-сырца.

В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышленности, например для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. С этой же целью применяют рыбий клей (желатин) и другие вещества.

Равновесие при адсорбции. Количество вещества, поглощенного адсорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс. Условия равновесия для адсорбции имеют вид:

, (7.51)

где:

— относительная (по отношению к 1 кг адсорбента) концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте, равновесная с относительной концентрацией этого вещества в газовой или жидкой фазе , кг/кг.

Для изотермических процессов уравнение (7.51) принимает вид уравнения Фрейндлиха:

, (7.52)

где:

и — константы для данных веществ и температуры.

Концентрацию поглощаемого вещества у можно заменить его парциальным давлением:

, (7.53)

где:

и — константы.

Линии равновесия, соответствующие уравнениям (7.52) и (7.53), получили название изотерм сорбции. Изотермы сорбции (рис. 7.20) строят по опытным данным. Характер кривой изотермы сорбции зависит от многих факторов, в том числе от удельной поверхности адсорбента, объёма пор, структуры и распределения пор, свойств поглощаемого вещества и, конечно, от температуры.

Движущая сила процесса адсорбции определяется как разность между рабочей и равновесной концентрациями поглощаемого вещества в парогазовой или жидкой фазе.

Рабочая линия для непрерывных процессов адсорбции соответствует уравнению (7.11).

В процессе адсорбции выделяется теплота, что ведет к повышению температуры в системе и снижению активности адсорбента. Поэтому для поддержания скорости процесса в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбента.

Адсорберы. В пищевых производствах применяют три группы адсорберов: с неподвижным слоем адсорбента; с подвижным слоем; с кипящим слоем адсорбента. Типичный аппарат первой группы — колонный адсорбер (рис. 7.21) для обесцвечивания сахарного сиропа. Колонна аппарата через верхний люк на всю высоту 6...10 м загружается костно-угольной крошкой. На нижнюю решетку предварительно укладывают металлическое сито и на него фильтровальную ткань. Чистый сироп отбирается снизу и направляется на контрольное фильтрование для отделения мелких частиц угля, унесенных сиропом. По мере поглощения адсорбентом красящих веществ активность его падает и начинается «проскок» красящих веществ. Адсорбер останавливается. Через нижний люк из него выгружают адсорбент и направляют его на регенерацию.

На предприятиях малой мощности обесцвечивание растворов проводят в мешалках, куда предварительно загружают костно-угольную крошку. Образовавшаяся суспензия перемешивается в течение определённого времени. Затем мешалка останавливается, а смесь подается на фильтр, где чистый раствор отделяется от угольной крошки. Такая мешалка представляет собой простейший адсорбер с подвижным слоем адсорбента.

Более сложный аппарат — непрерывнодействующий угольный адсорбер для очистки газов (рис. 7.22). Газ поступает в нижнюю часть поглотительной камеры. Частицы угля из бункера проходят по трубам холодильника и осаждаются в камере, поглощая из газа задерживаемые компоненты. Далее частицы угля переходят в десорбер, где нагреваются в трубках парового теплообменника. В результате десорбции с поверхности угольных частиц удаляются легко десорбируемые элементы и отводятся из аппарата через патрубок, расположенный над верхней трубной решёткой подогревателя. Для окончательной десорбции ниже нижней трубной решетки подается перегретый пар, который, не конденсируясь, удаляет из угля остатки поглощенных веществ. Из десорбера частицы угля переходят в трубопровод, где смешиваются с транспортирующим воздухом и по пневмотранспортеру подаются в бункер. В бункере частицы угля отделяются от воздуха и вновь поступают по трубам холодильника в поглотительную камеру

Адсорбер с кипящим слоем изображен на рис. 7.23. Слой гранул адсорбента лежит на решетке в нижней части аппарата. Газ поступает снизу, проходит через решетку и фильтруется через слой адсорбента, приводя его в псевдожидкое состояние (кипящий слой). Свежий адсорбент непрерывно поступает через трубу в верхней крышке аппарата, а отработавший — непрерывно отводится через край вертикальной трубы, установленной на высоте слоя адсорбента. По этой трубе он поступает на десорбцию и затем используется вновь. Очищенный газ отводится через сепаратор, расположенный в верхней части аппарата.

Подобным образом устроены многоступенчатые колонные адсорберы непрерывного действия. По высоте эти аппараты разделены решетками на отдельные зоны. В каждой зоне образуется кипящий слой, а адсорбент переходит из верхней зоны в нижележащую по переточным трубам, как в тарельчатых колоннах.

Расчет адсорберов. Порядок расчета адсорберов аналогичен порядку расчета абсорберов. И только то, что поверхность массообмена фиксированная и ее несложно вычислить, даёт возможность использовать некоторые кинетические уравнения и более точно рассчитать требуемые размеры аппарата, не прибегая к определению числа ступеней изменения концентрации.

Материальный баланс процесса адсорбции. Уравнение материального баланса процесса адсорбции соответствует уравнению (7.7):

, (7.54)

где:

— расход парогазовой или жидкой фазы, кг/с; и — начальная и конечная концентрации поглощаемого вещества в газе или жидкости, кг/кг; — расход адсорбента, кг/с; и — начальная и конечная концентрации поглощаемого вещества в адсорбенте, кг/кг.

Уравнение (7.54) позволяет рассчитать количество адсорбента, необходимого для очистки газа или жидкости.

Кинетика процесса адсорбции. Процесс поглощения вещества при адсорбции в общем случае описывается крите­риальным уравнением для систем с твердой фазой:

где: — равновесная концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте, соответствующая его рабочей концентрации ; — равновесная концентрация, соответствующая начальной рабочей концентрации .

Многочисленные опыты показывают, что при адсорбции диффузионное сопротивление внутри твердой фазы мало по сравнению с внешним диффузионным сопротивлением. Поэтому при расчетах установившихся процессов адсорбции обычно используют основное уравнение массопередачи (7.2), написанное для парогазовой фазы:

, (7.55)

для которого принимают .

Коэффициенты массоотдачи можно определить по следующим уравнениям:

для зернистого адсорбента при ламинарном движении (Re < 30)

;

при турбулентном движении (Re = 30...150)

;

для мелкозернистого адсорбента в кипящем слое:

. (7.56)

В уравнении (7.56) и определяют по формулам:

; ,

где:

— фиктивная скорость парогазовой смеси, м/с; — вязкость парогазовой смеси, Н∙с/м²; — объемный коэффициент массоотдачи, 1/с; — средний диаметр зерна, м; — коэффициент диффузии в парогазовой фазе, м²/с.

В приведенных критериальных уравнениях диффузионный критерий Нуссельта содержит объемный коэффициент массоотдачи, отнесенный не к единице поверхности абсорбента, как это было принято в уравнении (7.55), а к единице его объёма. Поэтому следует модифицировать уравнение (7.55), заменив площадь поверхности объёмом :

,

где:

Эту же задачу можно решить графоаналитическим способом, построив рабочую линию процесса на изотерме адсорбции и определив число ступеней изменения концентрации, как это было сделано при расчете абсорберов.

Расчет процесса адсорбции в неподвижном слое адсорбента сводится к определению времени, в течение которого слой принятой толщины способен извлекать из потока газа или жидкости поглощаемые компоненты. Это время (с) называют временем защитного действия слоя и рассчитывают по уравнению:

, (7.57)

где:

— коэффициент защитного действия слоя, с/м; — высота слоя адсорбента, м; — потеря времени защитного действия слоя, с.

Величины и определяют опытным путем.

Количество теплоты, выделяемой при адсорбции. Удельную теплоту адсорбции г (Дж/моль) обычно определяют опытным путем; значения г для разных веществ приводятся в справочниках. При отсутствии опытных данных можно воспользоваться следующим уравнением:

, (7.58)

где:

и — равновесные давления поглощаемого вещества над адсорбентом, соответствующие абсолютным температурам и .

Количество теплоты определится путём умножения количества адсорбируемого вещества на удельную теплоту адсорбции :

.

Контрольные вопросы и задания. 1. Чем отличаются процессы абсорбции и адсорбции? 2. Назовите известные вам адсорбенты. 3. Какая линия называется изотермой сорбции? 4. Как устроен колонный адсорбер для обесцвечивания сахарного сиропа? 5. Какие преимущества имеет адсорбер с кипящим слоем?