Типы и области применения цеолитов

смеси, нужно выбрать такое свойство, которое обеспечивает более высокую

адсорбируемость вещества А в сравнении с веществом В. Далее нужно подобрать адсорбент, в котором это свойство способно реализовываться в наибольшей степени. Подбор адсорбента облегчит табл.1.2., в которой суммированы приведенные выше свойства отдельных адсорбентов. Знак + в этой таблице означает, что данный адсорбент применяется для разделения смеси по рассматриваемому типу взаимодействия. Знак – означает, что способность к разделению по этому свойству отсутствует. Знак +? Означает, что способность к разделению имеется, но не используется из-за наличия более эффективных или дешевых адсорбентов.

                                                                                                  Таблица 1.2.

Резюме свойств адсорбентов

В столбце «Дисперсионные взаимодействия» знак + (без вопроса) стоит только у активных углей. Все адсорбенты способны к дисперсионным взаимодействиям с адсорбатами, но, если разделение или очистка осуществляются по дисперсионному механизму, то в качестве адсорбента инженер - практик будет использовать угли. Они проще в применении и часто дешевле. В разделе «Способность к ситовому разделению» у углей стоит знак +, хотя только немногие угли проявляют способность к молекулярно-ситовому разделению.

Приведем примеры. Смесь ацетон-азот, требуется очистить азот (поглотить ацетон). В качестве адсорбента следует использовать активный уголь, так как различия в молекулярных массах (и, следовательно, в дисперсионных взаимодействиях) у ацетона и азота огромны.

Вода – воздух, требуется удалить воду, т.е. осушить воздух. Адсорбентом будут силикагель или цеолит. Адсорбция воды идет по специфическому механизму.

Вода – этиловый спирт. Для поглощения воды применяют один из типов цеолита. Цеолит по специфическому механизму поглощает воду, а выбранный тип цеолита обеспечивает недоступность внутреннего объема адсорбента для сравнительно крупных молекул спирта.

Азот – кислород, требуется получить кислород. Молекула азота – сравнительно сильный квадруполь, кислорода – слабый. Адсорбент – цеолит, способный разделять вещества по различиям в квадрупольных моментах.

Бутан – изо-бутан. Разделение осуществляют на цеолитах с таким размером пор, который не допускает проникновения в полости сравнительно крупных молекул изо-бутана.

   Таковы принципы предварительного выбора адсорбента. Окончательный выбор осуществляют на основе рассмотрения более широкого круга свойств и вопросов.

1.2.3. Некоторые характеристики зернистого слоя

Адсорбенты обычно используют в виде зернистого слоя. Самые важные его характеристики таковы: порозность, эквивалентный диаметр прохода, насыпная плотность.

Порозность (ε) – доля свободного объема в зернистом слое, величина безразмерная. Ее значение обычно составляет ε = 0,4-0,5. Это очень устойчивая характеристика неподвижного зернистого слоя, значение которой не зависит от того, используется ли адсорбент, катализатор или инертный материал. Оно слабо зависит от формы гранул (частиц) и, если отношение диаметра аппарата в 20 раз и более превышает диаметр гранул, то не зависит от диаметра гранул и аппарата. Единственная особенность зернистого слоя, которая оказывает сильное влияние на значение порозности, - это его моно- или, наоборот, полидисперсность. Порозность зернистого слоя, составленного из частиц разного размера, заметно ниже, чем слоя из одинаковых частиц. Она уменьшается из-за того, что мелкие частица располагаются в пространстве между частицами крупными.     

Свежезагруженный слой адсорбента обычно состоит из одинаковых гранул. По мере эксплуатации гранулы истираются, дробятся. Слой становится полидисперсным: порозность уменьшается, а гидравлическое сопротивление аппарата возрастает. Иногда это служит главной причиной обновления адсорбента в аппарате.

Эквивалентный диаметр прохода (d_e, м) – линейная характеристика свободного объема, зависящая от диаметра образующих его гранул. Эквивалентный диаметр прохода определяет скорость потока в пространстве между гранулами. По определению:

d_e = 4ε /[f_s(1 – ε)],           (1.5.)

где f_s – удельная внешняя поверхность гранул в зернистом слое, м³/м³.Для шарообразных гранул: d_e = 2εd/3(1 – ε), где d – диаметр гранул.

Насыпная плотность (ρ_ад, г/см³) – масса адсорбента в единице объема зернистого слоя. Из-за наличия пористости внутри гранул и порозности самого слоя насыпная плотность адсорбентов невелика и лежит в пределах 0,4 – 0,7 г/см³. Насыпная плотность обязательно указывается в документах заводов – изготовителей адсорбентов, сопровождающих поставку. Значения ρ_ад, принимаемые в расчетах, для углей, силикагелей и цеолитов обычно таковы: 0,45; 0,55; 0,6 г/см³.