Материальный баланс адсорбции.

АДСОРБЦИЯ

Адсорбцией  называют процесс поглощения вещества из смеси газов, паров или растворов поверхностью или объемом пар твердого тела - адсорбента. Поглощаемое вещество, находящееся в газе, паре называется адсорбтивом, а поглощенное - адсорбатом.

Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую.

Физическая адсорбция обусловлена поверхностными вандервальсовыми силами, удерживающими на поверхности адсорбента несколько слоев молекул адсорбата.

При химической адсорбции поглощаемое вещество вступают в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности химических соединений.

Силы притяжения возникает на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц. Заполнение адсорбатом поверхности адсорбента частично уравновешивает поверхностные силы и уменьшает поверхностное натяжение. Это в конечном счете приводит к выделению тепла. Следовательно, процессы адсорбции экзотермичны.

Процессы адсорбции избирательны и обратимы (десорбция).

Адсорбция – применяется в главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация извлекаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

  Частным случаем хемосорбции является ионный обмен между твердым ионообменным сорбентом и раствором электролита. Кинетика, а также аппаратурное оформление ионообменных процессов близки к адсорбционным.

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: .

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.