Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002

Тема 4. Основные технологические процессы

4.6. Массообменные процессы

4.6.4. Адсорбция

Адсорбция — поглощение газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми поглотителями, называемыми адсорбентами.

Особенностью процессов адсорбции являются избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из паро-газовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в других условиях, десорбирование их, т. е. выделение нужного компонента из твердой фазы в более или менее чистом виде.

Адсорбция широко распространена в различных отраслях химической технологии как метод разделения смесей. В качестве конкретных примеров можно указать выделение бензола из паро-газовых смесей, разделение смесей газообразных углеводородов, сушку воздуха, очистку жидких нефтепродуктов от растворенных в них примесей и т. д.

Природа сил, вызывающих адсорбцию, может быть различной. При адсорбции происходит концентрация молекул поглощаемого вещества на поверхности адсорбента под действием ван-дер-ваальсовых сил. Этот процесс часто сопровождается конденсацией паров поглощаемого вещества в капиллярных порах адсорбента, присоединением молекул поглощаемого вещества по месту ненасыщенных валентностей элементов, составляющих кристаллическую решетку адсорбента, и другими процессами. Независимо от природы адсорбционных сил на величину адсорбции влияют следующие факторы: природа поглощаемого вещества, температура, давление и примеси в фазе, из которой поглощается вещество.

Природа  поглощаемого вещества весьма существенно влияет на равновесие при адсорбции. Считается правилом, что равновесная концентрация X_р тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа, а в случае растворов — чем меньше растворимость поглощаемого  вещества  в жидкости.

Температура и давление также относятся к весьма существенным факторам, влияющим на равновесие при адсорбции. С повышением температуры при прочих равных условиях равновесная концентрация уменьшается. С ростом давления в паро-газовой фазе равновесная   концентрация   X_р   увеличивается.

Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. Обнаружено, при наличии в фазе, из которой адсорбент поглощает вещество А, конкурирующего (вытесняющего) вещества В, т. е. вещества, также способного поглощаться этим адсорбентом, уменьшается равновесная концентрация X_р вещества А. В этом случае вещество В либо частично,   либо   полностью   вытесняет   или   замещает   вещество   А  в адсорбенте.

При адсорбции смеси паров двух или нескольких веществ обнаружено, что адсорбируются все компоненты смеси, причем степень адсорбции каждого компонента ниже, чем адсорбция индивидуальных веществ в тех же условиях, а соотношение их концентраций в адсорбенте будут обратно пропорциональны их относительной летучести.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Принципиальные схемы адсорбционных процессов показаны на рис. 4.43. При применении зернистого адсорбента используют схемы с неподвижным (а) и с движущимся адсорбентом (б). В первом случае процесс проводится периодически. Вначале через адсорбент L пропускают паро-газовую смесь G и насыщают его поглощаемым веществом; после этого пропускают вытесняющее вещество В или нагревают адсорбент, осуществляя таким образом десорбцию (регенерацию адсорбента). Во втором случае (рис. 4.43, б) адсорбент циркулирует в замкнутой системе: насыщение его происходит в верхней – адсорбционной – зоне аппарата, а регенерация в нижней – десорбционной. При применении пылевидного адсорбента используют схему с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом (рис. 4.43, в).

Рис. 4.43. Принципиальные схемы  адсорбционных процессов:

(а — с неподвижным зернистым   адсорбентом;   б — с движущимся   зернистым

адсорбентом;   в — с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом)

Аппараты, предназначенные для проведения адсорбции называются адсорберами. Адсорберы можно подразделить по условиям работы на следующие группы: а) с неподвижным адсорбентом; б) с движущимся  зернистым адсорбентом; в) с псевдоожиженным  пылевидным адсорбентом

На рис. 4.44 приведена схема периодически действующей адсорбционной установки, предназначенной для извлечения бензола из газовой смеси. Исходная смесь вводится в адсорбер 1 и пропускается через него до момента проскока бензольных паров. Затем газовый поток направляется в адсорбер 2, а в адсорбере 1 проводится десорбция. Для этого через адсорбер пропускают водяной пар, который десорбирует бензол. Смесь паров воды и бензола удаляется из адсорбера 1 в конденсатор-холодильник 3, где конденсируется и охлаждается. Конденсат, представляющий собой смесь не растворяющихся друг в друге жидкостей, идет в непрерывно действующий отстойник 4, где разделяется на бензол (направляемый в качестве продукта в сборник) и воду (направляемую обычно в канализацию).

Рис. 4.44. Схема  периодически действующей  адсорбционной установки:
 1,2 — адсорберы; 3 — конденсатор-холодильник;4 — отстойник; 3 — вентилятор; 5 — калорифер

После десорбции бензола адсорбент высушивают продувкой горячего воздуха, который нагнетается вентилятором 5 и нагревается в калорифере 6. Регенерация адсорбента завершается сушкой в адсорбере 1. Поток исходной смеси газов с парами бензола направляется вновь в этот адсорбер, а адсорбер 2 переключается на десорбцию. Таким попеременным включением одного или нескольких периодически действующих адсорберов достигается непрерывная работа установки.

Непрерывно действующая адсорбционная установка показана схематически на рис. 4.45. Она также предназначается для извлечения бензола из смеси его паров с газами. Исходная смесь поступает в адсорбционную секцию непрерывно действующего адсорбера 1, адсорбционную секцию непрерывно действующего адсорбера 1, через который непрерывно перемещается зернистый адсорбент. В секции происходит адсорбция паров бензола. Далее адсорбент проходит через десорбционную секцию адсорбера 1. Здесь адсорбент взаимодействует с острым водяным паром, в результате чего и  происходит  десорбция   бензола. Регенерированный адсорбент через затвор-отводчик 2 поступает в загрузочное  устройство 3  пневмотранспортной системы.   Далее он поднимается  по  пневмотранспортной  трубе  транспортирующим газом,  попадает в сепаратор 4, отделяется от транспортирующего газа и вновь направляется в адсорбер, 1.

Рис. 4.45. Схема непрерывно действующей адсорбционной установки:
1 –адсорбер;    2 — затвор-отводчик;    3 — загрузочное     устройство  пневмотранспортной системы; 4 — сепаратор; 5 — холодильник-конденсатор; 6 — отстойник; 7 — сборник

Смесь водяного пара с бензольными парами удаляется из верхней части десорбционной секции адсорбера  и поступает в холодильник-конденсатор   5.   Из него конденсат стекает в непрерывно действующий отстойник 6, где происходит расслаивание жидкой смеси бензола и воды; бензол из отстойника 6 направляется в сборник 7, вода выводится из системы.

Сушка адсорбента осуществляется транспортирующим газом по пути из  загрузочного устройства  3 в  сепаратор  4.