6.1 Адсорбенты.

Адсорбенты - пористые тела, обладающие большим объемом микропор. В адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r< м). Количество остальных пор, более крупных, сводится к транспортированию адсорбтива к макропорам.

Поглотительная (адсорбционная) способность адсорбентам- максимально возможная концентрация адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Максимально возможную в данных условиях поглотительная способность адсорбента называют равновесной активностью.

Статическая активность (А_ст)- количество вещества, поглощенного единицей массы адсорбента от начало до равновесия при статических условиях, динамическая активность (А_дин) - при движении смеси через слой адсорбента. Как показывают эксперименты А_ст > А_дин . Однако расчеты ведут по А_дин.

По химическому составу адсорбенты можно разделить на углеродные и не углеродные.

Углеродные - активные угли, углеродные волокнистые материалы, некоторые виды твердого топлива.

Удельная поверхность активных углей очень высока и составляет (6 ÷17)· . Недостаток активных углей их горючесть.

Неуглеродные – силикагели, активный оксид алюминия, алюмогели, цеолиты, глинистые породы.

Удельная поверхность селикагеля составляет - (4÷8)· , алюмогели - до

4 · .

Глинистые породы применяют для очистки жидкостей от различных примесей.

6.2 Равновесие при адсорбции.

Равновесная концентрация ( чистого адсорбента) поглощаемого вещества в адсорбенте может быть представлена:

, (6.1)

Или, в случае адсорбции газов:

, (6.2)

Здесь с – концентрация адсорбтива в объемной сплошной фазе, р– парциальное давление адсорбтива в объемной фазе. Зависимость или при T=const называется изотермой адсорбции.

Равновесные зависимости описываются рядом эмпирических и теоретических уравнений. Одна из них уравнение Лангмюра:

(6.4)

Здесь - предельная величина адсорбции, при полном заполнение внутренних пор мономолекулярным слоем адсорбата, b- константа, зависящая от температуры (рис.6.1)

Изотермы адсорбции обычно определяются опытным путем.

Рис.6.1. Изотермы адсорбции: 1 – изотерма Лангмюра, 2,3,4 – реальные изотермы

(2 – линейная, 3 – вогнутая, 4 – выпуклая).

Адсорбция сопровождается уменьшением парциального давления поглощаемого компонента из газовой смеси и заметным выделением тепла. Поэтому количество адсорбированного вещества возрастает с понижением температуры и повышением давления (рис.6.2).

Рис.6.2. Изотермы адсорбции для одного вещества при различных температурах: .

6.3 Материальный баланс адсорбции.

Характер протекания процесса во времени зависит от того, проводится процесс периодически или непрерывно. Для периодических процессов – адсорбент неподвижен, непрерывных – движется (псевдоожиженный или плотный слой).

В аппаратах с неподвижным слоем адсорбента поток сплошной фазы, содержащий адсорбтив, периодически проходит через зернистый слой адсорбента.

При составлении материального баланса для этого случая упростим задачу: допустим, что сплошная фаза движется в режиме МИВ в изотермических условиях.

Рассмотрим элемент слоя, имеющий площадь поперечного сечения S и высоту dx:

• объем сплошной фазы εSdx (ε- пористость),

• объем дисперсной фазы (1-ε)Sdx,

• с - концентрация адсорбента в сплошной фазе,

• с_т - концентрация абсорбента в дисперсной фазе.

х выход из элемента

dx

вход в элемент

конвективный поток диффузионный поток

абсорбтива абсорбтива

Сплошной поток (газ) входит в элемент при концентрации абсорбтива с, а выходит при концентрации . При этом реализуется конвективный поток в элемент:

; (6.4)

молекулярный поток в элемент:

. (6.5)

Сумма молекулярного и конвективного потоков в элемент будет равна скорости изменения массы целевого компонента в данном объеме (в элемент):

(6.6)

Сокращаем на Sdx получим:

(6.7)

Полученное уравнение справедливо (6.7) для МИВ, но в реальных условиях это не выполняется. Поэтому D меняем на D_L – коэффициент продольного перемешивания.

При использования концентрации в твердой фазе Х выраженной в кг/кг чистого абсорбента, последнее уравнение принимает вид:

(6.8)

Здесь с_т=Х , - насыпная плотность твердой фазы кг/м³.

В последнем уравнение два неизвестных Х(х,t) и с(х,t), поэтому для получения замкнутой системы уравнений уравнение материального баланса дополняют уравнением кинетики:

(6.9)

где f- удельная внешняя поверхность твердой фазы м²/м³ ,К_с-коэффициент массопередачи

К уравнениям материального баланса (6.8) и кинетики (6.9) необходимо добавить уравнение изотермы адсорбции:

(6.10)

Система уравнений (6.8) – (6.10) описывают процесс адсорбции в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента.