Динамика процесса адсорбции

Динамика адсорбции как область знания изучает межфазное распределение компонентов газовых смесей во времени и объеме при движении фаз относительно друг друга.

Таким образом, адсорбционные явления развива­ются на границе твердой или жидкой фазы с другой жидкой фазой или газом.

В начальный момент времени концентрация адсорбата в адсорбенте равна нулю, а концентрация адсорбтива во входящем потоке постоянна, т.е. в начальный момент введения порции газа в колонку, наполненную слоем адсорбента, концентрация адсорбата во всех поперечных сечениях слоя, кроме лобового, равна нулю.

При прохождении потока газа через слой адсорбента (рис.) сначала участвует в работе лишь нижний слой высотой h_о, который быстро насыщается до состояния, близкого к равновесному. В этом слое начальная концентрация извлекаемого вещества снижается до нуля.

Механизм процесса адсорбции

Элементарный объем адсорбента в лобовом сечении (лобовой слой) увеличивает содержание адсорбата, концентрация адсорбтива в вошедшей порции газа вступает в контакт со следующим по ходу элементарным объемом (слоем). Последовательно вступая в контакт с третьим, четвертым и так далее элементарными объемами адсорбента, порция газа проходит весь его слой. Концентрация адсорбтива при этом все более и более снижается, приближаясь в пределе к нулю.

Таким образом, по мере прохождения газов через следующие слои адсорбента концентрация загрязнителя понижается по некоторому за­кону, выраженному графически кривой 1, и на определенной высоте h₁ становится равной нулю. Далее через слой чистого адсорбента вы­сотой (Н — h₁) фильтруется чистый газ.

Через определенное время волна насыщения адсорбента доходит до высоты h₂, а загрязненные газы полностью освобождаются от загрязнителя на высоте Н, т.е. на выхо­де из слоя адсорбента (кривая 2). Процесс адсорбции прекращают, когда концентрация загрязнителя в газах на выходе из слоя достигает заранее заданной величины проскока П (кривая 3). При этом волна насыщения адсорбента достигает высоты h₃ и его на­правляют на регенерацию.

При необходимости обеспечить полную очистку газовой фазы от адсорбтива в момент проскока следует прекратить дальнейшую подачу газа. При этом часть адсорбционной емкости оказывается недоиспользованной. Ее определяют коэффициентом симметричности (φ):

по соотношению в рабочем слое площадей разделенных концентрационной кривой:

Выходная кривая при извлечении примеси из газового потока

в неподвижном слое адсорбента

Количество адсорбата, поглощенное до момента проскока, отнесенное к массе адсорбента, является одной из характеристик адсорбента и называется динамической адсорбционной способностью слоя. Отношение динамической адсорбционной способности адсорбента называют степенью использования адсорбционной емкости слоя (α). Эта величина определяется также соотношением высоты всего слоя адсорбента (L) и высоты работающего слоя (L₀):

.

Зависимость между временем защитного действия слоя и высотой его определяется формулой Шилова:

,

где K – коэффициент защитного действия, показывающий время полного задержания адсорбтива слоем адсорбента высотой 1 см в условиях стационарного режима;

τ₀ – потеря времени защитного действия при формировании фронта сорбции.

Величину работающего слоя (L₀) определяют по выходной кривой, отражающей нарастание концентрации примеси за слоем адсорбента во времени (рис.). Для расчета используется формула Майклса – Трейбка:

,

где ∆τ – разность времени между моментом появления проскоковой концентрации за слоем (τ_пр) и моментом проявления максимальной (равновесной) концентрации (τ_р).

Высота работающего слоя является важным показателем адсорбционного процесса, определяющим степень отработки емкости слоя адсорбента. Увеличение скорости потока, исходной концентрации адсорбтива, температуры процесса и диаметра зерна сопровождается возрастанием высоты работающего слоя. Он возрастает также с ухудшением сорбируемости адсорбтива. Большое влияние на высоту работающего слоя оказывает скорость проникновения молекул адсорбтива в микропоры адсорбента, которая в свою очередь зависит от соотношения размеров молекул и пор, а также от ориентации молекул при подходе к устью пор. Для улучшения динамических характеристик адсорбционного процесса используют в ряде случаев двухслойную шихту одного адсорбента. Поток газа проходит через адсорбер, в выходной части которого содержится сорбент более мелкого зернения, чем во входной. Это позволяет при равных показателях процесса снизить гидравлическое сопротивление слоя.

Конструкции адсорберов

Для санитарной очистки отходящих газов используют адсорберы периодического и непрерывного действия.

Адсорберы периодического действия могут быть с неподвижным слоем и с кипящим слоем адсорбента.

Адсорберы с неподвижным слоем представляют собой цилиндрические вертикальные или горизонтальные емкости, заполненные слоем адсорбента. В таких аппаратах адсорбцию проводят по стадиям: 1) адсорбция; 2) десорбция; 3) сушка сорбента и 4) охлаждение адсорбента.

К аппаратам такого типа относятся адсорберы полочного многосекционного типа (рис. а).

Однако наиболее интенсивны аппараты непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента (рис. б) и псевдоожиженным слоем адсорбента (рис. в).

Адсорбер полочного типа с неподвижными слоями адсорбента: 1 – корпус; 2 – слой адсорбента	Адсорбер с движущимся слоем адсорбента: 1 – зона адсорбции; 2 – распределительные тарелки; 3 – холодильник; 4 – подогреватель; 5 – затвор	Схема многоступенчатого адсорбера с псевдоожиженным слоем: 1 – псевдоожиженный слой; 2 – решетка; 3 – переток; 4 - затвор
а	б	в

Для интенсификации процесса разработан комбинированный адсорбер (рис. г), состоящий из колонны с тарелками, на которых адсорбент находится в псевдоожиженном состоянии, и камеры с перфорированной конической частью для прохода газа. Внутри камеры адсорбент движется сверху вниз и через переток 2 попадает на тарелку. В камере происходит доочистка газа от извлекаемого компонента, и одновременно газ очищается от пыли, образовавшейся при истирании адсорбента на тарелках.

Комбинированный адсорбер: 1 – тарелка; 2 – переток; 3 - промежуточный бункер