Вопрос 3. Физическая сущность процесса адсорбции. Основные меры пожарной безопасности

На практике по механизму адсорбции осуществляют процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора как правило на поверхности твердого вещества – адсорбентом. Смесь паров или газов, направляемую на адсорбцию , называют адсорбтивом вещество, которое используют как поглотитель, называют адсорбентом. Адсорбируемое вещество называют адсорбатом. Адсорбенты обладают селективностью (избирательностью) и обратимостью. Благодаря этому имеется возможность улавливать и затем выделять адсорбируемые вещества из растворов или смесей газов и возвращать их в производство. В этом состоит сущность рекуперации. Рекуперация используется, в частности, для возврата в производственный цикл пожаровзрывоопасных и токсичных растворителей.

В качестве адсорбентов используются твердые пористые вещества и материалы как природные, так и искусственные, обладающие высокой пористостью. Количество вещества, поглощаемое (сорбируемое) единицей массы (или единицей объема) адсорбента называют активностью. Различают статическую и динамическую активность. Адсорбционную активность нельзя отождествлять с активностью поверхности по отношению к кислороду, т.е. с реакционной способностью. Это различные активности. Часто высокоактивный сорбент может обладать пониженной склонностью к самовозгоранию.

В промышленности в качестве адсорбентов применяют активные угли, силикагель, цеолиты и иониты.

Активные угли – высокопористые углеродные материалы, получаемые путем температурной карбонизации дерева, бурого угля, косточек плодов и других углеродосодержащих материалов и последующего их активирования, т.е. придания им повышенной пористости. Пористость активных углей 600…1700 м²/г. Основной недостаток активных углей – повышенная склонность к самовозгоранию. Самовозгорание в адсорберах может приводить к взрывам паровоздушных смесей. Поэтому в адсорбционных установках активный уголь стремятся заменить негорючим силикагелем.

Силикагель представляет собой микропористое тело, получаемое прокаливанием геля поликремниевой кислоты. Состоит из SiO₂. Удельная адсорбционная поверхность 400… 770 м²/г. Негорюч, механически прочен.

Основные недостатки силикагеля по сравнению с активным углем – его меньшая поглотительная активность и высокая гигроскопичность. По мере увлажнения силикагель свои сорбционные свойства к улавливанию растворителей теряет. Поэтому нередки случаи, когда в системах рекуперации адсорберы с силикагелем своего назначения не выполняют.

Цеолиты – (молекулярные сита) – природные минералы или искусственные соединения (алюмосиликаты). Имеют высокую избирательную способность. Применяются для осушки и очистки газов и жидкостей.

Иониты:неорганические –природные и синтетические алюмосиликаты, гидроокиси и соли поливалентных металлов; органические – ионообменные соли. Применяются для умягчения воды, извлечения из растворов следов металлов, очистки сахарных сиропов, лекарств и т.д.

Движущей силой процесса адсорбции является разность между рабочей концентрацией поглощаемого вещества в растворе или парогазовой смеси и концентрацией этого вещества (компонента) в условиях равновесия.

При более глубоком рассмотрении этого процесса просматривается связь адсорбционных свойств со свободной энергией поверхности сорбента. При адсорбции молекулы газа или пара удерживаются адсорбционными силами. Эти силы могут быть ионными, дисперсионными и другими ещё недостаточно изученными силами Адсорбция молекул на поверхности твердых материалов сопровождается выделением теплоты. Поэтому о прочности связи сорбированных молекул с поверхностью можно судить по теплотам адсорбции.

Адсорбционные силы по сравнению с химическими являются достаточно слабыми, но их действие распространяется на несколько сорбированных молекулярных слоёв. С повышением температуры кинетическая энергия адсорбированных молекул возрастает, и адсорбционные силы оказываются не в состоянии удерживать сорбированные молекулы на поверхности адсорбента. Поэтому при повышенных температурах происходит десорбция, поверхность адсорбента освобождается от сорбированного вещества.

На протекание процесса адсорбции оказывают влияние следующие факторы:

1.Свойства адсорбента, его статическая и динамическая активность. При этом под статической активностью понимают количество вещества, поглощаемое единицей массы или единицей объёма адсорбента из неподвижной газовой смеси до установления состояния равновесия. Под динамической активностью понимают количество вещества, поглощаемое единицей массы (или объёма) адсорбента при движении через него газовой смеси до момента “проскока”. Динамическая активность всегда меньше статической, так как в условиях движения газа не достигается равновесное состояние в системе газ – твёрдое тело.

2.Температура газовой смеси. С повышением температуры адсорбция ухудшается. Поэтому адсорбцию следует проводить при сравнительно низких температурах. При повышенных температурах извлекают поглощённое вещество из адсорбента, т.е. ведут процесс десорбции.

3.Давление газовой смеси. С повышением давления процесс адсорбции улучшается. Поэтому адсорбцию следует проводить при повышенном давлении, а десорбцию – при пониженном.

4.Свойства поглощаемых веществ. Из смеси газов и паров в первую очередь и в большем количестве поглощается компонент с более высокой температурой кипения (низком давлении насыщенного пара). Поэтому из паровоздушных смесей поглощаются пары растворителей, а не кислород и азот воздуха.

Адсорберы

Адсорбция осуществляется в специальных аппаратах, называемых адсорберами. Адсорберы бывают непрерывного и периодического действия. В аппаратах непрерывного действия адсорбент находится в виде движущегося или «кипящего» слоя. В аппаратах периодического действия слой сорбента обычно находится в неподвижном состоянии.

Принцип работы однокамерного адсорбера непрерывного действия с «кипящим» слоем заключается в следующем. Адсорбент поступает внутрь аппарата на решетку сверху, а газ на очистку снизу. Скорость подачи газа такова, что сорбент как бы кипит, что обеспечивает хороший контакт газа с поверхностью сорбента. Отработавший сорбент с уловленным его поверхностью газом или паром выводится из рабочей камеры по трубе вниз, а газ через циклонное устройство, где очищается от сорбента, через верхний штуцер выводится из аппарата. Десорбция газов или паров, уловленных сорбентом, осуществляется в отдельном аппарате. После очистки и охлаждения регенерированный сорбент возвращается снова в адсорбер.

Адсорберы периодического действия могут быть горизонтального, вертикального или кольцевого исполнения. Вертикальный адсорбер периодического действия. В корпусе на специальной решетке размещается слой адсорбента. Загрузка свежего адсорбента осуществляется через загрузочный люк в крышке адсорбера. Паровоздушная смесь подаётся в аппарат также сверху через штуцер. Отвод очищенного воздуха осуществляется через патрубок

Активный уголь выдерживает около 1000 циклов, после чего подлежит замене. Выгрузка отработавшего угля из аппарата осуществляется через люк.

Паровоздушная смесь по специальной линии подаётся в адсорбер, где проходит через слой адсорбента. Через определенное время уголь насыщается парами растворителя, и поглощение практически прекращается. Этот момент, называемый «проскоком», определяется по концентрации паров растворителя в отходящих из адсорбера газах. Процесс адсорбции прекращают. Отработавший уголь, насыщенный парами растворителя, подвергают десорбции в этом же адсорбере.

Продолжительность работы адсорбера до проскока зависит от свойств сорбента и высоты слоя угля в адсорбере. Согласно эмпирической формуле Н.А.Шилова длительность процесса поглощения определяется формулой

, (1)

k – коэффициент защитного действия слоя; H – высота слоя адсорбента в адсорбере; - потеря времени защитного действия слоя в начале работы адсорбента.

Как видно из формулы, с увеличением высоты слоя адсорбента в адсорбере длительность работы адсорбера по улавливанию паров увеличивается. Но это сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления слоя и, если адсорбентом является активный уголь, с увеличением H возрастает опасность самовозгорания угля в адсорбере.

Десорбция (отдув) уловленных паров с поверхности адсорбента осуществляется водяным паром. Отдув можно осуществлять и нагретым воздухом, что более экономично, но такой способ отдува обладает повышенной пожаровзрывоопасностью, поэтому в нашей стране его в настоящее время не применяют. Отдув, практически везде осуществляют паром. Такой способ экономически не выгоден, но он менее пожаровзрывоопасен, поэтому он практически повсеместно вытеснил более экономичный способ отдува нагретым воздухом.

Пар для отдува адсорбированного вещества с адсорбента, в рассматриваемом случае для десорбции растворителя с поверхности активного угля, подаётся по кольцевому перфорированному трубопроводу. При прохождении водяного пара через уголь пары растворителя с поверхности угля переходят в водяной пар, и через патрубок паровоздушная смесь отводится в специальные аппараты, где пары воды и растворителя конденсируются, а затем производится их разделение

При отдуве адсорбированного вещества с адсорбента, некоторая часть пара конденсируется, уголь увлажняется и разогревается, в результате чего становится непригодным для следующего цикла адсорбции. Его следует высушить и охладить.

Сушку угля осуществляют подогретой паровоздушной смесью. Этот период работы адсорбера является наиболее пожаровзрывоопасным, так как повышается температура угля в адсорбере и одновременно не улавливаются пары растворителя, создавая опасность образования взрывоопасной смеси.

Из вышеизложенного следует, при десорбции растворителя водяным паром полный цикл работы адсорбера периодического действия включает следующие четыре операции (фазы): адсорбцию (концентрирование паров растворителя на поверхности адсорбента), десорбцию (отдув паров растворителя с поверхности адсорбента водяным паром), сушку сорбента (угля) и его охлаждение. Следует отметить, что большинство промышленных установок работает не по четырехфазному, а двухфазному циклу: когда фазы сушки и охлаждения совмещены с фазой охлаждения. Естественно, что влажный и разогретый уголь не адсорбирует пары растворителя, поэтому в этот момент они не улавливаются в адсорбере, а выбрасываются в атмосферу. Этот период таит в себе повышенную опасность самовозгорания угля и последующего взрыва паровоздушной смеси в адсорбционной установке.