ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Адсорбция из "Теоретические основы типовых процессов химической технологии" Адсорбция — процесс поглощения одного или нескольких компонентов подвижной фазы (газообразной или жидкой) твердым поглотителем — адсорбентом. Способность твердых тел поглощать вещества из подвижной фазы объясняется особыми свойствами молекул поверхности твердого тела. Их силовые поля в противоположность силовым полям молекул, расположенных в объеме твердого тела в окружении других молекул, не уравновешены, в результате чего возникает сила, направленная к поверхности твердого тела. Под действием этой силы и происходит притяжение молекул из подвижной фазы. В зависимости от природы сил, действующих на поверхности твердого тела, различают физическую, активированную и химическую адсорбцию. Последнюю обычно называют хемосорбцией. Под физической понимают адсорбцию, происходящую под действием сил взаимного притяжения молекул— вандерваальсовских сил. Они не обладают специфическим действием, т. е. химические особенности поглощаемого вещества и адсорбента не имеют значения и вызванное этими силами взаимодействие не приводит к образованию каких-либо химических соединений. Действие вандерваальсовских сил проявляется на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул. Поэтому при физической адсорбции на поверхности адсорбента обычно удерживается несколько слоев молекул поглощаемого вещества. [c.502] Во всех процессах адсорбции взаимодействие адсорбента с поглощаемым веществом приводит к уменьшению свободной энергии. Поэтому они протекают самопроизвольно и сопровождаются выделением теилоты. Количество теплоты определяется характером взаимодействия поглощаемых молекул и адсорбента. При поглощении вещества пз газовой или парогазовой смеси путем физической адсорбции состояние молекул в адсорбционном слое приближается к конденсированному (жидкому) состоянию. Поэтому теплота физической адсорбции — величина такого же порядка, как теплота фазового перехода из парообразного в жидкое состояние, т. е. колеблется в пределах от нескольких килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей на I моль поглощаемого вещества. Теплота активированной адсорбции и хемосорбции по порядку величины такая же, как теилоты химических реакций, и составляет несколько сотен килоджоулей на 1 моль поглощаемого вещества. [c.503] Процессы адсорбции на практике, как правило, сочетаются с процессами десорбции — удалением адсорбированных веществ из адсорбента. Мпнимальный расход энергии на проведение процесса десорбции равен теплоте адсорбции. В действительности он превышает эту величину в связи с неизбежным дополнительным расходом энергии. [c.503] Обычно десорбция проводится путем нагревания адсорбента, а также продувки инертным газом или паром. Выбор метода десорбции определяется назначением адсорбционно-десорбционного процесса. По этому признаку различают процессы поглощения примесей из газов с целью их очистки и процессы выделения ценных веществ из газовых или парогазовых смесей. К первой группе относятся процессы очистки воздуха от вредных примесей, осушки газов и т. д. Во вторую группу входят процессы рекуперации органических растворителей из газовых смесей и другие подобные им процессы. В первом случае основной задачей является регенерация адсорбента для повторного использования, во втором случае, кроме того, должна быть решена задача выделения с максп-мальным выходом адсорбированного вещества. [c.503] При разработке или исследовании процесса адсорбции необходимо выбрать эффективный адсорбент. Важнейшие характеристики адсорбента — поглощающая способность и селективность. Под поглощающей способностью понимается количество вещества, которое может быть поглощено единицей массы или объема адсорбента, а под селективностью — избирательность поглощения компонентов разделяемой смеси. [c.503] Наиболее распространенными адсорбентами являются актив ные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты. Имеется большой ассортимент этих адсорбентов. Отдельные сорта различаются пористой структурой и физико-механическими свойствами. Активные угли получили широкое распространение для поглощения паров углеводородов и неполярных органических веществ. Силикагели и алюмогели хорошо поглощают пары полярных соединений и относительно плохо — неполярные соединения. Цеолиты — синтетические адсорбенты, обладающие подвижным капюном. Некоторые их сорта обладают ионообменными свойствами — способностью поглощать из растворов катионы. Имеются цеолиты, размер нор которых соизмерим с размерами молекул. Внутрь этих пор способны проникать только мелкие молекулы, например молекулы воды. Такие цеолиты как бы отсеивают мелкие молекулы от крупных. Этой способности они обязаны названием — молекулярные сита. [c.504] В связи с разнообразием адсорбентов и адсорбируемых веществ единая теория адсорбции пока не разработана. [c.504] В соответствии с потенциальной теорией при адсорбции двух различных веществ на одном и том же адсорбенте равным адсорбционным объемам отвечает постоянное отношение адсорбционных потенциалов, т. е. [c.505] Единица измерения с определяется выбором единицы измерения газовой постоянной. Если она отнесена к одному молю, то единицей измерения с будет моль/м , если же она отнесена к единице массы, то единицей измерения с будет кг/м . [c.506] Потенциальная теория применима к процессам адсорбции на адсорбентах, размеры пор которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. В этом случае происходит не послойное, а объемное заполнение пор. Теория этого вида адсорбции была развита в последнее время в работах, выполненных под руководством М. М. Дубинина, Она получила название теории объемного заполнения пор. [c.506] Предложено большое число других уравнений, описывающих условия фазового равновесия при адсорбции. Эти уравнения основаны на различных моделях механизма этого процесса. [c.507] В инженерной практике для расчетов обычно пользуются данными, полученными экспериментально. [c.507] Материальные потоки, участвующие в процессах адсорбции и десорбции содержат переносимые и инертные компоненты. Под первыми понимаются вещества, переходящие из одной фазы в другую, а под вторым — те, которые в таком переносе непосредственно не участвуют. В твердой фазе инертным компонентом является адсорбент. Его масса остается неизменной, хотя масса адсорбента с адсорбированным веществом изменяется. Аналогично в подвижной фазе, например парогазовой смеси, изменяется масса пара, а масса инертного газа остается постоянной. Для удобства расчетов процессов адсорбции и десорбции принято все расходы и составы материальных потоков относить к инертной части взаимодействующих фаз. [c.507] В связи с тем, что скорость процесса переноса внутри зерен адсорбента обычно много меньше скорости внешнего переноса, содержание адсорбируемого вещества на границе с поверхностью адсорбента чаще всего принимается равным содержанию адсорбируемого вещества в объеме смеси, которое зависит от условий проведения процесса. При интегрировании уравнения диффузионного переноса считают, что коэффициент эффективной диффузии в течение всего процесса остается постоянным. Решения, описывающие кинетику диффузионного переноса внутри частиц различной формы, были приведены выше. [c.508] Чем больше константа Генри, т. е. чем лучше адсорбируется вещество, тем медленнее оно движется в слое адсорбента. На использовании этой закономерности основана адсорбционная газовая хроматография, широко используемая как метод определения состава смесей. В поток инертного газа, движущегося через слой адсорбента, вводится анализируемая проба, и фиксируется выход отдельных компонентов из слоя путем изменения теплопроводности, плотности или иных свойств газовой смеси. Полученные данные позволяют количественно определять содержание отдельных компонентов. [c.510] Прп линейной изотерме адсорбции величина Wa не зависит от содержания адсорбируемого вещества в подвижной фазе.Это означает, что все точки поля концентраций перемещаются с одинаковой скоростью (рис. V. 22,а). При нелинейной изотерме адсорбции величина Wa, согласно (V. 188), зависит от вида функции f( ). Прп выпуклой изотерме адсорбции производная (с)/ Эс уменьшается с ростом с. Следовательно, точки поля концентрации, отвечающие большим значениям с, движутся быстрее точек, соответствующих малым значениям с. В результате этого происходит выравнивание поля концентраций (рис. V.22, б). При вогнутой изотерме адсорбции, наоборот, производная df( )ld возрастает с увеличением с. Поэтому, согласно (V. 188), точки поля концентраций, отвечающие малым значениям с, движутся быстрее точек, соответствующих большим значениям с, и поле концентраций вытягивается (рис. V. 22, в). [c.510] Таким образом, при отсутствии продольного перемешивания независимо от вида изотермы адсорбции и факторов, влияющих на кинетику процесса, содержания поглощаемого вещества в адсорбенте и в подвижной фазе находятся в постоянном соотношении. [c.511] Вернуться к основной статье