Кинетика периодической адсорбции.

    Периодическая адсорбция является нестационарным процессом массообмена между потоком разделяемой газовой смеси и неподвижным слоем адсорбента. В общем случае этот процесс характеризуется последовательным массопереносом адсорбтива из ядра потока к поверхности частиц адсорбента (внешний массоперенос) и от этой поверхности - внутрь частиц (внутренний массоперенос). В отдельных случаях процесс может лимитироваться либо внешним, либо внутренним массопереносом.

  Расчет адсорберов периодического действия основывают на закономерности изменения во времени степени насыщения адсорбента и концентрации адсорбтива в газовой фазе в каждом сечении слоя адсорбента. Это пространственно - временное распределение поглощаемого компонента между фазами можно представить следующим образом. При входе газового потока с постоянной начальной концентрацией адсорбтива  (кг/м3 ) в слой свежего адсорбента с концентрацией поглощаемого компонента (адсорбата) с_т=0адсорбируемый компонент начинает поглощаться первым рядом гранул адсорбента, затем вторым, третьим и т.д. С течением времени вовлекается в работу много последовательно расположенных рядов частиц адсорбента, однако, каждый последующий ряд омывается потоком газа с концентрацией адсорбтива , так как часть его уже поглощена предыдущими рядами.

  После предельного насыщения частицы первого ряда выключаются из процесса поглощения, и газ с концентрацией  начинает омывать частицы второго ряда, затем третьего и т.д. Таким образом, с течением времени по высоте слоя адсорбента Н образуются три зоны (рис.6.3): 1 - зона отработанного адсорбента (высота Н₁), где достигнута предельная емкость (концентрация)  (т.е. находящаяся в равновесии с газовым потоком концентрации ); 2 - работающая зона (высота Н₂), где предельная емкость еще не достигнута, и процесс адсорбции продолжается; 3 - зона не включенного еще в работу адсорбента (высота Н₃).

Насыщение первого ряда частиц адсорбента происходит с падающей скоростью, так как по мере приближения к предельному значению  непрерывно уменьшается движущая сила процесса.

Рис.6.3. Кривая распределения концентрации адсорбата по высоте

слоя адсорбента.

 Кинетика адсорбции описываются уравнениями материального баланса, кинетики и изотермы. Запишем уравнение материального баланса без учета коэффициента продольного перемешивания:

                                                    (6.11)

  Величины с и Х взаимосвязаны. Если процесс протекает при условиях близких к равновесным (равновесная адсорбция), то их связь представляет собой изотерму адсорбции. Решение уравнения (6.11) с учетом вида изотермы (6.10) позволяет найти , которая является скоростью перемещения по слою точки, имеющий концентрацию с:

                                                                  (6.12)

  где - производная функции изотермы в точке с концентрацией с.

 Полученное соотношение (6.12) позволяет проанализировать изменение профиля концентрации при его перемещение по слою, т.е. соотношение (6.12) позволяет определить движение фронта сорбции по слою адсорбента.

 Необходимо отметить, что скорость движения фронта сорбции всегда меньше средней скорости движения сплошной (подвижной) фазы. На рис.6.4. представлены кривые движения фронта сорбции для различных изотерм.

Рис.6.4. Движение фронта сорбции по слою адсорбента при линейной изотерме адсорбции (а); при выпуклой изотерме адсорбции (б); при вогнутой изотерме адсорбции (в).

   При линейной изотерме все точки поля концентрации перемещаются с одинаковой скоростью. В случае выпуклой изотерме точки с большей концентрацией будет перемещаться по слою с большей скоростью. В результате этого происходит выравнивание поля концентраций. При вогнутой изотерме адсорбции, наоборот, точки поля концентрации, отвечающие малым значениям концентраций, движутся быстрее точек, соответствующих большим значениям концентраций и поле концентраций вытягивается.

   Расчет распределения концентраций в слое адсорбента с учетом продольного перемешивания представляет большие трудности. Известно, что продольное перемешивание обуславливает растяжение поля концентраций в работающем слое адсорбента.

Непрерывная адсорбция

  Процесс непрерывной адсорбции является стационарным и осуществляется в аппаратах со встречным движением потоков газа и адсорбента (противоток). В упрощенном виде для расчета такого установившегося процесса при движении плотного слоя адсорбента можно использовать методы расчета массообмена между двумя фазами (например, абсорбция), которые изложены ранее. Обозначим через и  массовые расходы адсорбента и инертной части газового потока, через  и  - начальную, конечную и текущую концентрации адсорбата в адсорбенте, через - относительные массовые концентрации адсорбтива в инертном газе; при этом  и  взяты для одного и того же сечения аппарата (рис.6.5).

    Рис.6.5. Схема материальных потоков.

Рис.6.6. Схема положения рабочих

равновесных линий.

Уравнение материального баланса для высоты слоя Н будет:

 ,                    (6.13)

где - количество поглощенного компонента адсорбентом за единицу времени.

Уравнения материального баланса для нижней части слоя от сечения с концентрациями ,  запишутся в виде:

 .

 Решая последнее уравнение относительно а, получаем

 .                              (6.14)

Уравнение (6.14) описывает рабочую линию (линию рабочих концентраций) процесса адсорбции 1 - 2, изображенную на рис. 6.6. Выше рабочей линии на этом же рисунке расположена линия равновесных концентраций в фазах .

Из уравнения материального баланса (6.13) может быть определен минимальный относительный расход адсорбента, если принять, что , т.е. конечная концентрация в адсорбенте достигла равновесного значения, тогда

 .                             (6.15)

Отсюда

 .                                   (6.16)

Рабочая линия при минимальном расходе адсорбента 1 - 3 на рис. 6.6 изображена пунктиром.

Уравнение массопередачи для элементарного объема слоя высотойdH

(рис. 6.5) запишется в виде:

 ,       (6.17)

где K_v - объемный коэффициент массопередачи, отнесенный к газовой фазе;  - элементарный объем аппарата; S - площадь поперечного сечения аппарата.

Решая уравнение (6.17) относительно dH, имеем:

 ,                                      (6.18)

а требуемая рабочая высота аппарата будет:

 .                          (1.19)

В уравнении (6.19) интеграл выражает число единиц переноса, а множитель  - высоту единицы переноса.

Десорбция

Извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя (десорбция) является необходимой составной частью всех технологических процессов адсорбции, проводимых в замкнутом цикле.

К числу основных методов десорбции (регенерации адсорбента) относится: вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты; испарение поглощенных компонентов, обладающих относительно высокой летучестью, путем нагрева слоя адсорбента.

Выбор того или иного способа десорбции производится на основе технико-экономических соображений, причем часто указанные выше способы применяются в комбинации друг с другом.

На практике процессы десорбции обычно осуществляют путем пропускания пара или газа, не содержащего поглощенных адсорбентом компонентов, через слой адсорбента после завершения процесса адсорбции. Для повышения скорости извлечения десорбцию проводят при повышенных температурах, например, пропуская через слой адсорбента предварительно нагретый десорбирующий агент.

В качестве десорбирующих агентов (вытесняющих веществ) используют насыщенный или перегретый водяной пар, пары органических веществ, а также инертные газы. После проведения процесса десорбции слой адсорбента обычно подвергают сушке и охлаждению.

Десорбцию водяным паром наиболее часто применяют в процессах адсорбции летучих растворителей на активном угле. В этом случае водяной пар вытесняет растворители из угля и занимает их место, а вытесненные из адсорбента летучие растворители вместе с потоком пара выносятся из слоя адсорбента. Кроме того, водяной пар конденсируется в слое адсорбента и за счет теплоты конденсации происходит нагревание адсорбента, что также способствует десорбции.

Для полного восстановления активности адсорбента по окончанию десорбции его необходимо освободить от поглощенной влаги, т.е. высушить, а затем охладить до температуры, при которой протекает процесс адсорбции.

Процессы десорбции, подобно процессам собственно адсорбции, осуществляются как в неподвижном слое адсорбента, так и в аппаратах с движущимся и псевдоожиженным слоями адсорбента.