§ 2. Виды и характеристики адсорбентов

В качестве адсорбентов применяют пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, относимой к единице массы. Поры, т.е. капиллярные каналы, условно можно разделить на макро- и микропоры. Макропоры имеют диаметр более 2 мкм, в то время как размеры микропор соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул.

Адсорбенты характеризуются поглотительной способностью, определяемой концентрацией сорбтива в единице массы или объема вещества. Наиболее часто применяемыми адсорбентами являются активированные угли, силикагели и цеолиты.

Активированные угли — продукты сухой перегонки углеродсодержащих материалов — имеют удельную поверхность 600— 1700 м²/г с размером гранул 1—5 мм и насыпной плотностью 400—600 кг/м³. Разновидностью их являются угли из полимерных материалов, которые также имеют мелкопористую, но более упорядоченную структуру и потому обладают большой механической прочностью. Отличительной их особенностью явля­ется повышенная адсорбционная активность в области малых концентраций поглощаемого компонента. В последнее время появился новый тип углеродных адсорбентов — активированные углеродные волокна, применяемые в виде тканей, лент, нетканого материала, войлока и т.п., обладающие следующими преимуществами: хорошим сочетанием адсорбционных и фильтрующих свойств; высокой адсорбционной активностью (диаметр волокон 6—10 мкм); удобством аппаратурного оформления, высокой химической, термической и радиационной стойкостью

Силикагели — синтетические минеральные адсорбенты, являющиеся гелями кремниевой кислоты, выпускаются отечественной промышленностью в разных модификациях. Удельная поверхность силикагелей изменяется в пределах 400—750 м²/г, размер гранул 0,2—7 мм, насыпная плотность 400—800 кг/м³. Силикагели применяются главным образом для осушки газов. Преимуществом силикагелей являются их негорючесть, высокая механическая прочность, а также низкая температура регенерации.

Цеолиты — синтетические или природные алюмосиликаты, отличающиеся мелкой и строго регулярной системой пор. Цеолиты проявляют молекулярно-ситовое действие, которое заключается в их способности не пропускать молекулы, размеры которых больше размера пор. В связи с этим цеолиты, называемые также молекулярными ситами, обладают высокой селективностью поглощения. Размер гранул цеолитов 2—5 мм, насыпная плотность 600—900 кг/м³. Цеолиты применяют для разделения газов, имеющих различные размеры молекул, а также для целей осушки, так как они имеют высокую поглотительную способность по отношению к водяным парам.

§ 3. Устройство и основы расчета адсорбентов с неподвижным слоем поглотителя

По конструкции адсорберы могут быть вертикальные, горизонтальные и кольцевые (рис. 16.2). При неподвижном слое адсорбента процесс адсорбции носит периодический характер и протекает в четыре стадии. Первая стадия — собственно адсорбция, т.е. насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом, t_ад. Газовую смесь подают в адсорбер, пропускают через слой адсорбента и выводят из аппарата. Вторая стадия — десорбция поглощаемого компонента из слоя адсорбента t_дес. Подачу газовой смеси прекращают. Через барботер в аппарат подают водяной пар, при этом смесь паров десорбированного компонента и воды, а также конденсат удаляются через соответствующие патрубки. Третья стадия — сушка поглотителя t_суш. Подача водяного пара прекращается, после чего влажный поглотитель сушится горячим воздухом, поступающим в аппарат. Четвертая стадия — охлаждение поглотителя t_охл. Подача горячего воздуха прекращается, после чего поглотитель охлаждается холодным воздухом. По окончании четвертой стадии цикл работы аппарата повторяется. Загрузку и выгрузку поглотителя производят периодически через люки.

Рис. 16.2. Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем поглотителя: а — вертикальный; б — горизонтальный; в — кольцевой. 1 — корпус; 2 — опорная решетка; 3 — слой поглотителя; 4 — люки для загрузки поглотителя; 5 - сборник конденсата: 6 — люки для выгрузки поглотителя

Для того чтобы процесс адсорбции не прерывался, необходимо иметь как минимум два попеременно работающих адсорбера. Схема, предложенная фирмой «Лурги» (рис. 16.3), позволяет осуществлять одновременно очистку газа от пыли и SO₂.

Рис. 16.3. Схема парного адсорбера системы фирмы «Лурги»: 1 — труба Вентури; 2 — сепаратор пыли и влаги; 3 — адсорберы; 4 — сборник кислоты; 5 — циркуляционный насос; 6 — оросительное устройство.

Необходимый диаметр адсорбера находят по заданному расходу газовой смеси V_г и скорости газа w_г:

. (16.1)

В промышленных условиях скорость газа принимают равной 0,1—0,25 м/с. Высота адсорбера зависит от толщины слоя адсорбента Н и определяется заданным временем защитного действия слоя t_ад, которое обусловлено технологическими требованиями.

Приближенно продолжительность собственно процесса адсорбции можно определить исходя из концентраций адсорбированного компонента соответственно в начальный и конечный моменты процесса адсорбции x₁ и х₂.Если масса адсорбента в слое равна М_ад, то количество поглощаемого компонента за один цикл составит

М = М_ад(х₂—х₁). (16.2)

Массу адсорбента легко определить по площади поперечного сечения F, толщине слоя и насыпной плотности _нас:

М_ад = FH_нас. (16.3)

Исходя из уравнения материального баланса количество поглощенного компонента равно убыли этого компонента в газовой смеси за время адсорбции t_ад:

М = w_гF_г{у₁ — у₂) t_ад, (16.4)

где _г — плотность газовой смеси, кг/м³; у₁ — средняя концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси при входе в слой, доли ед.; у₂ — то же, на выходе из слоя, доли ед.; w_г— скорость газа в адсорбере, м/с.

Приравнивая правые и левые части уравнений (16.2) и (16.4), получим

t_адc = М_ад(х₂ — x_l)/ w_гF_г{у₁ — у₂). (16.5)

По тем же уравнениям можно определить необходимую толщину слоя адсорбента при заданном времени процесса адсорбции.

Расчет по средним концентрациям является приближенным, более точные методы расчета изложены в специальной литературе.

Продолжительность полного цикла в адсорбере t_п.ц. складывается из продолжительностей отдельных стадий:

t_п.ц = t_ад + t_дес. + t_суш. + t_охл. = t_ад + t_всп

где t_всп — продолжительность вспомогательных операций, определяемая опытным путем (она должна быть меньше, чем t_ад).