достаточно высо-

компонентов из

5. Расчет экстракционных аппаратов

В настоящее время еще нет достаточных данных,

позволяющих проводить расчет экстракторов для систем твердое тело — жидкость на основе обобщенных зависимостей по кинетике процесса. Ниже рассмотрен графический способ определения числа теоретических ступеней экстрагирования с использованием тре- угольной диаграммы. Для удобства расчета диа-

грамма может быть представлена не в виде равно- ~ стороннего (см. стр. 525), а в виде прямоугольного треугольника (рис. ХШ-35).

Допустим, что исходный твердый материал со- стоит из нерастворимого твердого компонента А и растворяемого компонента В, который извле- кается жидким растворителем, или экстрагентом, представляющим собой чистый компонент 5.

В результате экстрагирования получают экст- ракт, состоящий из экстрагента¹ 5 и растворен- ного в нем компонента В, и рафинат—нераствори- мый компонент А, в порах которого удерживается

некоторое количество жидкости — раствора компонента В в растворителе 5.

Как видно из рис. ХШ-35, точки на каждой из сторон диаграммы выра- жают составы двухкомпонентных смесей: компонентов А и В (на абсциссе), А и 5 (на ординате) и В и 5 (на гипотенузе треугольника). Точки, аежащне внутри треугольника, выражают составы трехкомпонентных :месей.

Рис. ХШ-35. Треуголь­ная диаграмма (системы твердое, тело—жидкость).

561

Пусть предельное количество твердого компонента В, растворяющегося при данной температуре в заданном количестве экстрагента, т. е. насыщен­ный раствор В в Б, выражается точкой С на гипотенузе треугольника. Тогда прямая ОС представляет собой геометрическое место точек, выра­жающих составы насыщенных растворов В в 5, смешанных с нераствори­мым твердым компонентом А.

Экстракт (дертний поток)

$г* fc.Pi Ср.Хр

.Л-

Исходная твердая смесь

7~1Ц4_

&2’ 3-2

г. я- Раст8оритет

,^п’“^п (экстрагент)

Эо’Уо

Рис.

т-1

$п-і, Хп-1

XIII-36. Схема многоступенчатого (1, 2 т, .

точного экстрагирования (системы твердое тело-

Раринат (нижний

поток)

. . п) протнво- ■жидкость).

т%ї

Рабочей областью диаграммы является часть ее, расположенная выше линии ОС, соответствующая ненасыщенным растворам В в 5, при наличии которых возможен переход компонента В из твердой фазы в жидкую. Обычно при эстрагировании из твердых веществ получаемые растворы не доводят до насыщения.

Составы и количества образующихся смесей, а также отношения между количествами и составами получаемых экстракта и рафината на- ходятся по рассмотренному ранее правилу рычага (см. стр. 525).

Противоточное многоступенчатое экс- трагирование. Применим треугольную диаграмму для определения числа теоре- тических ступеней в установившемся про- цессе многоступенчатого (п ступеней) про- тивоточного экстрагирования, схема ко- торого приведена на рис. ХП1-36.

Исходная смесь твердых веществ, по- ступающая в первую ступень установки в количестве йркг/сек, содержит х_Р весовых долей распределяемого компонента В.

С противоположного конца установки в п-ую ступень вводится 5о кг!сек раство- рителя, содержащего у₀ весовых долей компонента В. Из установки удаляется 8_е кг/сек экстракта концентрацией у_Е ве- совых долей компонента В и кг!сек ра- фината концентрацией х_я весовых долей компонента В.

Как указано на схеме (см. рис. ХШ-36), поток экстракта, переходя­щего из одной ступени в другую, называется условно верхним пото­ком, а поток рафината — нижним потоком.

Уравнение материального баланса для всей установки:

<^ + 5₀ = О_я + 5я (ХШ;51)

Материальный баланс по компоненту В выражается уравнением

Орхр + 5(#о = вяхк + й_ЕуЕ (X111,52)

Откладываем заданную величину х_Р на оси абсцисс, а величину у₀ — на гипотенузе треугольной диаграммы (рис. ХШ-37) и соединяем эти точки прямой. Разделив прямую в отношении, равном 5₀/С^, получим точку х_т, характеризующую состав исходной смеси.

Зная требуемый состав рафината (нижнего потока), т. е. заданное или принятое^- отношение между массами жидкой и твердой фазы в твердом ма­

100% 3

юо%я

Рис. ХШ-37. Графический расчет процесса многоступенчатого про- тивоточного экстрагирования из твердых тел.

Гл. XIII. Экстракция

териале после экстрагирования, проводим линию постоянного состава твердой фазы, параллельную гипотенузе диаграммы (пунктирная линия х_А = const на рис. XIII-37). Отмечаем на ней точку х_я, отвечающую содер­жанию растворимого компонента В в конечном рафинате, выходящем из установки.

Расчет ведут по способу, аналогичному способу расчета для многосту­пенчатой противоточной экстракции в системах жидкость—жидкость (см. стр. 533). _ _

Согласно уравнениям (XIII-51) и (XIII-52), точки x_R, х_см и у_Е должны лежать на одной прямой. Вместе с тем точка у_Е, соответствующая смеси компонентов В и 5, находится на гипотенузе диаграммы. Поэтому находим точку у_Е как точку пересечения прямой, проходящей через ТОЧКИ X_R и х_см, с гипотенузой.

Уравнение материального баланса для части установки в пределах от первой до некоторой m-ой ступени включительно имеет вид

Gf + Sm-fi ⁼ G_m + Se

откуда

G_F-S_E = G_m-S_m+, (XIII,53)

Соответственно материальный баланс по компоненту В может быть представлен в виде

^р*р S_Ey_E~G_mx_m (XII 1,54)

Обозначим разность расходов исходной твердой смеси и экстракта

G_F — S_E = Р

Отсюда

G рХр ^ _ЕУ f ~ Рхр Тогда уравнения (XIII,53) и (XIII,54) можно переписать так:

Р = Gp — S_E — G₁ — S₂ = ■ • ■ — G_R — Sp (XII 1,55)

или

Pxp — GpXp S g — (: [Xj 82У2 = * • * = Gpxn Spyp (XIII ,56)

Из этих уравнений следует, что положение полюса Р, или точки х_Р, определяется пересечением прямой, проходящей через ТОЧКИ Хр и у_Е, с пря­мой, проходящей через точки x_R и у₀, так как точка х_р должна лежать на обеих этих прямых.

Найдя таким способом положение полюса Р, определяем число теоре­тических ступеней путем следующих построений. Соединив точку у_Е с на­чалом координат (точка О), находим на линии хд — const точку пересече­ния х₁.

Из уравнений (XIII,55) и (XIII,56) следует, что

P=G₁-S_t

и

Pxp = G_lX] — S_sy₂

Поэтому^ находим точку у₂ на пересечении прямой, проходящей через точки х_г и х_р, с гипотенузой диаграммы. Соединяя точку г/₂ с началом осей координат, находим точку х₂, лежащую на пересечении этой линии с ли­нией х_д — const. Аналогичное построение проводим до тех пор, пока не получим состав, равный или близкий заданной концентрации x_R конечного рафината.

Число^полученных линий, соединяющих начало осей координат с точ­ками х_г, х₂, • . ., x_R (или близкой к величине x_R), определяет число теоре­тических ступеней экстрагирования, необходимое для данного процесса. Как видно из рис. XII1-37, для изображенного на нем процесса экстраги­рования достаточно двух теоретических ступеней.

АДСОРБЦИЯ

1. Общие сведения

Под адсорбцией мы будем понимать процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсор- бата, или адсорбтива.

Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избира­тельны и обычно обрйтимы. Благодаря их обратимости становится возмож­ным выделение поглощенных веществ из адсорбента, или проведение про­цесса десорбции.

Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, вследствие того что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем. Каждый из этих сорбционных процессов имеет свои области применения, где его использование дает больший технико-эконо­мический эффект.

Адсорбция применяется главным образом при небольших концентра­циях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, йогда концен­трация поглощаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очи­стке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами (рекуперация летучих рас­творителей) и т. д. Еще сравнительно недавно адсорбция применялась в основном для осветления растворов и очистки воздуха в противогазах; в настоящее время ее используют для очистки аммиака перед контактным окислением, осушки природного газа, выделения и очистки мономеров в производствах синтетического каучука, смол и пластических масс, Выде­ления ароматических углеводородов из коксового газа и для многих дру­гих целей. В ряде случаев после адсорбции поглощенные вещества выде­ляют (десорбируют) из поглотителя. Процессы адсорбции часто сопутст­вуют гетерогенному катализу, когда исходные реагенты адсорбируются на катализаторе, а продукты реакции десорбируются, например при катали­тическом окислении двуокиси серы в трехокись на поверхности платино­вого катализатора и др.

Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и ад­сорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химиче­ским взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. При химической адсорбции, или хемосорбции, в результате химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверх­ностными молекулами поглотителя возникает химическая связь,

Гл. XIV. Адсорбция

При поглощении паров адсорбция иногда сопровождается заполнением пор адсорбента жидкостью, образующейся в результате конденсации паров (капиллярная конденсация). Конденсация происходит «.следствие понижения давления пара над вогнутым под действием сил по­верхностного натяжения мениском жидкости в капиллярах.

. 2. Характеристики адсорбентов и их виды

В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с боль­шой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты имеют различные по диаметру капиллярные каналы — поры, которые условно могут быть разделены на макропоры (более

2. • 10^-4 мм), переходные поры (6- 10~^в—2* 10~⁴ мм), микро- поры (2-10^-6—6-1СГ⁶ мм). Характер процесса адсорбции определяется размером пор.

Удельная поверхность макропор относительно очень мала, поэтому на их стенках адсорбируется ничтожное количество вещества. Макропоры играют роль лишь транспортных каналов для адсорбируемых молекул.

На поверхности переходных пор, размеры которых обычно значительно превышают размеры адсорбируемых молекул, в процессе адсорбции обра­зуются слои поглощенного вещества. Возможно образование слрев тол­щиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) и в не­сколько молекул (полимолекулярная адсорбция).

Размеры микропор приближаются к размерам адсорбируемых молекул и адсорбция в микропорах приводит к заполнению их объема. Вследствие этого предположение об образовании слоев поглощенного. вещества на поверхности микропор не имеет физического смысла. Обычно микропоры пересекаются макро- и переходными порами, что сокращает путь, прохо­димый адсорбируемыми молекулами, и приводит к ускорению адсорбции.

В больших порах диаметром более 2-10"⁴ мм и малых порах, сравни­мых с диаметром молекул поглощаемого вещества, явление капиллярной конденсации отсутствует.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента *.

Поглотительная способность адсорбента по отношению к данному веще­ству зависит от температуры и давления, при которых производится адсорб­ция, и от концентрации поглощаемого вещества. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента условно на­зывается его равновесной активностью**.

В промышленности в качестве поглотителей применяют главным обра­зом активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты).

Активные угли. Высокопористые активные угли получают путем сухой перегонки различных углеродсодержащих веществ (дерева, костей и др.) и активирования полученных углей для повышения их пористости. Активирование осуществляют прокаливанием угля при температурах =^900 °С, а также другими способами, например удалением из пор угля смол и некоторых других продуктов сухой перегонки путем их экстрагиро­вания органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Для повышения активности углей в них часто перед обугливанием вводят активирующие добавки' (растворы хлористого цинка, кислот, ще­лочей и др.).

* Адсорбционная способность называется также активностью адсорбента. Этот термин сохранился со времени, когда адсорбция применялась в основном для погло­щения газов и паров в угольных противогазах.

** В литературе по адсорбции до сих пор применяется также название равно­весная статическая активность.

565

Удельная поверхность активных углей колеблется от 600 до 1700 м^/г. Размер гранул некоторых стандартных марок активных углей для адсорб­ции газов и паров составляет 1—5 мм (уголь БАУ) и 1,5—2,7 мм (уголь СКТ). Насыпная плотность углей этих марок равна 260 и 420 г/л соответ­ственно. Применение углей того или иного вида зависит от разновидности процесса адсорбций, в котором они используются (поглощение газов, реку­перация летучих растворителей и т. д.).

Активные угли лучше поглощают пары органических веществ, чем воды, однако с повышением содержания влаги в активных углях их спо­собность поглощать пары органических веществ снижается. Они приме­няются обычно для рекуперации летучих растворителей. Недостатком активных углей является их горючесть. /

Силикагели. Эти адсорбенты представляют собой продукты обезво­живания геля кремневой кислоты, получаемые путем обработки раствора силиката натрия (растворимого стекла) минеральными кислотами или кис­лыми растворами их солей. Удельная поверхность силикагелей изменяется от 400 до 770 м²/г. Размер гранул колеблется от 0,2 до 7 мм, насыпная плот­ность составляет 400—800 г/л.

Силикагели применяются главным образом для осушки газов. Погло­тительная способность силикагелей по отношению к парам органических веществ сильно снижается в присутствии влаги. Достоинством силикагелей является их негорючесть и большая механическая прочность, чем у актив­ных углей.

Цеолиты. Эти адсорбенты представляют собой природные или синте­тические минералы, которые являются водными алюмосиликатами катио­нов элементов первой и второй групп периодической системы Д. И. Менде­леева. В качестве промышленных адсорбентов применяются главным обра­зом искусственные (синтетические) цеолиты. Относительно недавно были получены цеолиты, обладающие весьма однородной структурой пор, раз­меры которых соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Эти цео­литы проявляют молекулярно-ситовое действие, кото­рое заключается в их способности не поглощать молекулы, диаметр которых . больше диаметра пор. Молекулярно-ситовыми свойствами обладают также некоторые природные цеолиты, например натролит. Молекулярно-ситовое действие цеолитов часто используют в промышленной практике для разде­ления некоторых веществ, например нормальных и изопарафиновых угле­водородов.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отно­шению к воде и являются высокоэффективными адсорбентами для осушки и очистки газов и жидкостей, в частности для глубокой осушки газов, содержащих небольшие количества влаги. Размер гранул цеолитов состав­ляет от 2 до 5 мм.

Иониты. Эти адсорбенты представляют собой как природные, так и синтетические неорганические и органические вещества. К природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, ископаемые угли и др. Синтетическими ионитами являются плавленые цеолиты и молекулярные сита’(цеолиты с правильной кристаллической структурой), ионообменные смолы, активированные минералы и органические вещества и др.

Иониты практически нерастворимы в воде, а также в обычных раство­рителях и обладают подвижными ионами, способными обмениваться на эквивалентное количество ионов (с зарядом того же знака) из раствора электролита, с которым поглотитель контактирует.

Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются аниони­тами, а иониты, содержащие основные активные группы и обмениваю­щиеся подвижными катионами, — катионитами. Существуют также амфотерные иониты, способные к катионному и анионному обмену одновременно.,-

Гл. XIV. Адсорбция

Типичные реакции ионного обмена:

1. Реакция анионного обмена

21?С1 + ИагБО* ^ Р₂80₄2КаС1 где Я *—■ молекула ионита, связанная с подвижным ионом.

2. Реакция катионного обмена

4- СаС1₂ ^ СаК₂ + 2НаС1

причем в обоих уравнениях выделены формулы веществ, составляющих твердую фазу.

Механизм ионного обмена обусловлен структурой и свойствами ионита. Так, например, иониты с кристаллической решеткой содержат в ее углах ионы, удерживаемые электростатическими силами; под действием этих сил и происходит в основном ионный обмен. Свойства многих ионитов связаны с их способностью к набуханию в водных растворах; набухание обычно сопровождается весьма значительным повышением давления.

Ионообменные смолы обладают большой обменной емкостью, избира­тельностью к отдельным ионам, химической стойкостью и механической прочностью. Поэтому сейчас они являются наиболее распространенными ионитами, практически вытеснившими в промышленных условиях иониты других типов.

Изменением состава активных групп при синтезе ионообменных смол можно получить иониты с весьма разнообразными свойствами.

3. Равновесий при адсорбции

Количество вещества, адсорбированное единицей массы или объема данного поглотителя при достижении состояния равновесия, зависит от температуры и концентрации поглощаемого вещества в паро-газовой смеси или растворе. Соответственно зависимость между равновесными концен­трациями фаз при адсорбции имеет вид

X* = / (7, Т) (Х1У.1)

или при постоянной температуре

= (XIV,2)

где X* — относительная концентрация адсорбтива в адсорбенте (называемая также ве­личиной адсорбции), равновесная с концентрацией адсорбтива в газовой или жидкой фазе, кг адсорбтива/кг адсорбента; У — относительная концентрация адсорбтива в фазе, из которой адсорбируется вещество, кг адсорбтива [кг носителя газовой смеси или раствора.

Концентрация ¥ поглощаемого вещества может быть заменена его пар­циальным давлением р в паро-газовой смеси. Тогда

Х* = /(Р) (XIV,2а)

Зависимости (XIV,2) и (XIV,2а) представляют собой выраженные в са­мом общем виде уравнения линии равновесия при адсорбции, или изо­термы адсорбции.

Изотермы адсорбции определяются опытным путем. Вид изотермы адсорбции зависит от многих факторов: удельной поверхности адсорбента, объема пор, их распределения по размерам и других характеристик струк­туры адсорбента, свойств поглощаемого вещества, а также от температуры процесса. В качестве примера на рис. Х1У-1, а изображены виды типич­ных изотерм адсорбции для различных веществ, а на рис. ХГ/-1, б— изо­термы адсорбции окиси углерода на угле при различных температурах.

Адсорбция сопровождается уменьшением давления пара поглощаемого компонента в исходной смеси и заметным выделением тепла. Поэтому, в со­ответствии с принципом Ле-Шателье, количество адсорбированного веще­ства возрастает с понижением температуры и повышением давления. Таким

567

образом, повышение температуры и понижение давления отрицательно влияют на процесс адсорбции, способствуя десорбции поглощенного веще­ства из адсорбента. Количество выделяющегося при адсорбции тепла опре­деляется экспериментально; теплоты адсорбции различных веществ приво­дятся в справочной литературе *.

При отсутствии опытных данных о равновесии (или данных, получен­ных путем обработки эмпирических уравнений) построение изотермы рав­новесия возможно при использовании уравнений, выведенных на основе того или иного механизма, или теории процесса адсорбции.

Предложенные теории адсорбции исходят как из представлений о химическом взаимо­действии между адсорбируемым веществом и поглотителем и мономолекулярной адсорбции (Лэигмюр), так и допущения о притяжении молекул поглощаемого вещества к поверхности адсорбента с силой, пропорциональной адсорбционному потенциалу е в данной точке (потенциальная теория Эйкена и Поляни). При этом величина е выражает работу, совершаемую адсорбционными силами при перемещении одной молекулы погло­щаемого вещества из бесконечности в данную точку адсорбционного пространства. Таким

Рис. Х1У-1. Изотермы адсорбции различных веществ:

а *— виды типичных изотерм (а — количество поглощенного вещества, кг/м⁹; р — пар- циальное давление пара поглощаемого вещества, мм рт. ст.); б — изотермы адсорбции окиси углерода на угле при различных температурах (с — концентрация окисн угле- рода в газовой смеси, ммоль/л; а — количество поглощенной окиси углерода, ммолъ{г

поглотителя).

образом, в — і (х), где х — расстояние от поверхности адсорбента. Потенциальная теория рассматривает процессы поглощения веществ адсорбентами как полимолекулярную адсорб­цию. Эта теория позволяет вычислить изотерму адсорбции пара вещества по известной изо­терме адсорбции пара некоторого стандартного вещества (например, бензола).

Каждая из теорий удовлетворительно описывает опытные данные в определенных усло­виях.

Более универсальной является разработанная М. М. Дубининым теория объ, ємного заполнения микропор, получившая широкое признание. По Дубич нину, процесс адсорбции микропористыми адсорбентами рассматривается как процесс объемного заполнения микропор поглощаемым веществом. Полученные на основе этой, теории уравнения изотермы адсорбции для газов и паров отражают зависимость равновесия от структуры пор адсорбента и пригодны для широкого диапазона температур.

Для иллюстрации сложной зависимости величины адсорбции от различных факторов приведем уравнение изотермы адсорбции, полученное М. М. Дубининым для микропори­стых адсорбентов и паров при любых температурах ниже критической (7\<! Т_кр):

W

т^^ехр

Т 2

-Ä-5-' g

га

(тУ

(XIV,3)

._Где ур ■_ суммарный объем пор адсорбента; У_м —объем адсорбированного вещества в жид-, ком состоянии; В—константа, зависящая от структурного типа адсорбента **; р_а — ко­эффициент аффинности, равный отношению мольных объемов в жидком со­стоянии или парахоров данного и стандартного веществ и определяемый по справочнику;

* Серпионова Е, Н. Промышленная адсорбция газов и паров, Изд. 2-е. М., «Высшая школа», 1969. 414 с.

** Справочник химика. Т. V. Изд. 2-е. М.—Л., «Химия», 1966. 972 с.

Гл. XIV. Адсорбция

Т — абсолютная температура пара; Р и р — давление насыщенного пара и парциальное давление пара адсорбируемого вещества соответственно (при температуре Т ад­сорбции).

Уравнения изотерм адсорбции приводятся в литературе, посвященной вопросам физи­ческой химии сорбционных процессов, а также в справочной литературе.

4. Скорость адсорбции

Характер протекания процесса адсорбции во времени зависит от того, проводится процесс периодически или непрерывно. Деление промышлен­ных процессов адсорбции на периодические и непрерывные связано, глав­ным образом, с состоянием слоя адсорбента — является он соответственно неподвижным или движущимся.

Процессы адсорбции не отличаются по механизму от других процессов массопередачи с участием твердой фазы и следуют одинаковым с ними об­щим закономерностям. Однако периодические процессы адсорбции харак­теризуются специфическими особенностями и поэтому будут описаны ниже применительно к адсорбции в неподвижном слое адсорбента.

Рассмотрим случай, когда в слой адсорбента, не содержащий адсорб- тива, непрерывно поступает и движется с идеальным вытеснением поток с некоторой начальной концентрацией поглощаемого вещества. Через неко­торый промежуток времени на лобовом, или фронтальном, участке слоя адсорбента вследствие резкого падения движущей силы погло­щение адсорбтива практически прекращается и поток «проскакивает» через этот участок без изменения концентрации, а зона поглощения перемещается в последующие за лобовым участки.

Если бы скорость поглощения была бесконечно большой, то адсорбция в последующих слоях происходила бы только после полного насыщения предыдущих. Однако скорость массопередачи конечна и распределение адсорбтива по высоте слоя происходит плавно, с образованием так назы­ваемого фронта адсорбции. Изменение фронта адсорбции во вре­мени схематично показано на рис. ХУ1-2, где приведены кривые распреде­ления относительной концентрации У адсорбтива в газе (или растворе) по длине / неподвижного слоя адсорбента, причем х_г <С т₂ < т₃ . . . . . . <С т,, где т₁ — время, протекшее от начала процесса. Согласно опыт­ным данным, по истечении некоторого конечного промежутка времени про­филь фронта адсорбции становится практически неизменным (см. рис. Х1У-2). Время работы слоя до насыщения его лобового участка в пе­риодическом процессе адсорбции называется периодом формиро­вания фронта адсорбции и обозначается через т_ф.

Таким образом, зона адсорбции перемещается во времени по всему слою адсорбента, причем концентрация адсорбтива в зоне плавно изменяется. Это изменение концентрации протекйет различно для лобового и последу­ющих участков слоя.

По окончании первого периода формирования фронта адсорбции в не­подвижном слое адсорбентаначинается второй период — параллель­ного переноса стационарного фронта адсорб­ции, который характеризуется перемещением неизменного профиля кон­центраций по направлению потока с некоторой постоянной скоростью и (см. рис. Х1У-2).

С момента выхода из слоя точки фронта газа (раствора) с нулевой кон­центрацией, соответствующей началу «проскока» (практически с мини­мально возможной концентрацией, доступной для определения), завер­шается время адсорбционного, или защитного, действия слоя.

Упрощенная модель процесса периодической адсорбции, называемая моделью послойной (фронтальной), отработки сл оя адсорбента, была впервые предложена Н. А. Шиловым с сотр. при­менительно к условиям работы противогазовой техники.

569

Средняя концентрация адсорбтива во всем слое адсорбента данной длины, достигнутая к моменту «проскока» адсорбтива, получила условное название дин а.м ической активности слоя адсорбента. Эта величина, характеризующая емкость адсорбента в динамических условиях, может измеряться не только количеством поглощенного вещества, но и про­межутком времени, протекшим от начала поглощения до момента «про­скока»; она часто используется в практике расчетов процессов адсорбции.

Участок слоя адсорбента длиной 1₀ (см. рис. Х1У-2), на котором проис­ходит падение концентрации адсорбтива в потоке от начальной до нулевой (точнее, до концентрации, соответствующей началу «проскока»), называют работающим слоем, или зоной массопередачи.

Рассмотренная выше модель относится только к тем системам адсор­бент—адсорбтив, для которых изотерма адсорбции является вогнутой по отношению к оси абсцисс *

Н. А. Шиловым с сотр. было получено эмпирическое уравнение для режима параллельного переноса фронта адсорбции, перемещающегося с по­стоянной скоростью и. Согласно этому уравнению время защитного дей­ствия слоя т_пр составляет:

действия слоя, обусловленная тем, что формирование фронта происходит не мгновенно.

Зависимость времени защитного действия т_пр от длины слоя I в период формирования фронта выражается плавной кривой (рис. ХГУ-З), которая затем в период параллельного переноса фронта адсорбции переходит в пря­мую линию.

Отдельные величины, входящие в уравнение (XIV,4), могут быть опре­делены из графика на рис. ХГУ-З, построенного на основе опытных данных. Тангенс угла наклона прямолинейной части кривой на этом рисунке tg а — = К, т. е. равен коэффициенту защитного действия слоя, а отрезок, отсе­каемый продолжением прямой на оси ординат, соответствует величине т₀ — потере времени защитного действия слоя.

Скорость и. может быть найдена также аналитическим путем. Для этого составим урав­нение материального баланса по адсорбтиву для процесса адсорбции в режиме параллель­ного переноса. Как видно из рис. Х1У-4, направление движения потока и зоны массопере­дачи совпадают. Поэтому, если рассматривать процесс адсорбции для зоны массопередачи в системе координат, перемещающейся вместе с зоной, то скорость потока относительно этой зоны составит ш_и — и, где т_и — скорость потока в каналах между зернами адсорбента, а объемный расход потока равен (т_и — и) Эе, где 5 — площадь поперечного сечения слоя адсорбента.

і— - і_а

Рис. Х1У-2. Изменение фронта адсорб­ции во времени.

Рис. Х1У-3. Зависимость времени защитного действия от длины слоя поглотителя.

•Тимофеев

Гл. XIV. Адсорбция

Соответственно материальный баланс по адсорбтиву для процесса адсорбции в режиме параллельного переноса выразится уравнением

(хе_и — и)5ес₀ = и£е*

где с* — концентрация адсорбтива в единице объема слоя сорбента, равновесная с началь­ной объемной концентрацией с₀ адсорбтива в потоке; е — порозность слоя адсорбента.

Из уравнения материального баланса определяем постоянную скорость перемещения фронта адсорбции (зоны массопередачи):

и = хю_и ^ес1.._ = ш₀ (XIV,5)

Е С₀ + в_к ес₀ + С_к

где ш₀ — ш_це — фиктивная скорость потока.

Уравнение (XIV,5), предложенное Вильсоном, позволяет найти скорость и движения зоны массопередачн с помощью линии равновесия при известной скорости потока.

Рис. Х1У-4. Массопередача при адсорбции:

а — концентрации адсорбтива и адсорбента на входе в зону массо­передачи и на выходе из иее. б — зависимость концентрации адсорб­тива в выходящем из слоя поглотителя потоке от времени.

Массопередача при адсорбции. В соответствии с описанным выше меха­низмом параллельного переноса стационарного фронта адсорбции про­цесс массопередачи происходит в некоторой ограниченной зоне, длина которой 1₀ (рис. Х1У-4). Эта зона характеризуется следующими предельно возможными (граничными) условиями:

/ = 0; у = у₀; х = **; I = 1₀; у = х = 0

где у — концентрация адсорбтива в потоке паро-газовой смеси или раствора; х — концен­трация адсорбтива в адсорбенте.

Таким образом, в начальном сечении зоны массопередачи концентрация адсорбтива в адсорбенте равна х’_к, т. е. равновесна с начальной концентра­цией г/₀ адсорбтива в паро-газовой смеси (растворе).

В расчетах процессов адсорбции приходится за конечную концентра­цию адсорбтива в потоке принимать те значения концентраций, которые можно определить с помощью имеющихся методов анализа газовой (жид­кой) фазы, т. е. несколько сдвигать границы зоны внутрь ее. Так, напри­мер, в расчетной практике часто за граничные условия существования зоны массопередачи принимают условно следующие:

1—0; у = 0,95у„; х= х_к; I= ?„; у=0,0Ьу„; *=0

Следовательно, за практически работающий принимают слой адсор­бента, в котором происходит падение концентрации поглощаемого компо­нента от начальной, равной 0,95г/₀ (т_р), до близкой к нулевой концентра­ции, составляющей 0,05 у₀ (т_пр).

571

Соответственно количество вещества М, поглощаемое в зоне массопере- дачи, равно

М = 1_п5 (0,95у₀ — 0,05у_о) — 0,9/₀51/_э (А)

где 5 — площадь поперечного сечения слоя; у₀ начальная концентрация адсорбтива в единице объема работающего слоя.

Вместе с тем величина М может быть определена с помощью уравнения массопередачи. Учитывая, что поверхность контакта фаз в данном случае практически неопределима, используют уравнение массопередачи, выра- женное через объем V₀ — 5/₀ зоны массопередачи:

М — КуУ^а^Уср^м — ^г/У^оДусрТм (Б)

где Куу — объемный коэффициент массопередачи; т_м — время прохождения фронта ад- сорбции по зоне массопередачи; Ду_ср — средняя движущая сила массопередачи, опреде- ляемая в соответствии с общим выражением (Х,53).

л _ 0,95у₀ — 0,05у₀ __ 0,9 у ₀

&У ср

0.95 j/o _п

f

J у— у*

°,05ÿo

Подставив выражение Ду_ср в уравнение (Б) и приравнивая уравнения (А) и (Б), после сокращений получим

и — Kyv ——

«О у

где и —скорость прохождения фронта адсорбции по зоне массопередачи, откуда необходимая длина зоны массопередачи

1. ^ (XIV,6)

где п_оу — общее число единиц переноса по газовой (жидкой) фазе.

Согласно правилу аддитивности (см. стр, 407 сл.), общее сопротивление массопередаче складывается из сопротивлений внешнего и внутреннего переносов. Соответственно объемный коэффициент массопередачи опреде­ляется по уравнению

К_уу = -₁ ^Х- _т- (XIV,7)

где РяУ и §_уу'— объемные коэффициенты массоотдачи в паро-газовой (жидкой) и твердой фазе соответственно; т — средний тангенс угла наклона лннин равновесия.

В зависимости от скорости паро-газовой смеси, формы изотермы адсорб­ции, размера, формы и укладки зерен адсорбента, концентрации адсорб­тива, а также других условий проведения процесса в неподвижном слое адсорбента, определяющее влияние на общую скорость адсорбции может иметь скорость внешнего массопереноса (характеризуемая величиной Р₅у) или скорость внутреннего массопереноса. Очень часто влияние внешне- И внутридиффузионного сопротивлений на величину КуМ соизмеримо, причем их относительное влияние изменяется по длине зоны массопере­дачи.

В качестве критерия оценки преобладающего влияния внешней или внутренней диффузии на массообмен при адсорбции может служить вели­чина диффузионного критерия Био (см. стр. 306). Так, при В1 30 ско­рость внешнего массопереноса настолько велика, что скорость процесса в целом определяется скоростью диффузии внутри зерна адсорбента, а при В1 С 0,1 общая скорость процесса лимитируется скоростью внешней диф­фузии в газовой (жидкой) фазе.

Гл. XIV. Адсорбция

Обычно учесть количественно с достаточной точностью влияние каж- дог о из составляющих процессов массоотдачи на общую скорость адсорб­ции весьма затруднительно. Кроме того, до сих пор отсутствуют надежные зависимости для расчета коэффициентов массоотдачи в твердой фазе, экспериментальное определение которых также представляет собой доста­точно сложную задачу.

В связи с этим большинство расчетных зависимостей для К_уу получено для условий, когда скорость внутренней массоотдачи настолько велика, что отношением т/$_ху можно пренебречь И принять КуУ Д^ля опре­

деления на значение которого значительно влияет гидродинамический режим движения потока газа (жидкости), могут быть использованы следу­ющие расчетные уравнения:

при Ие = 2 — 30 Ни' = 0,725Яе°'⁴⁷ (Рг')°-³³ (Х1У,8)

при Яе > 30

Ыи' = 0,3951?е°'⁶⁴ (Рг')^0,33 (XIV,9)

где N1/ — — диффузионный критерий Нуссельта, выраженный через объемный

коэффициент массоотдачи; 1?е_э = 4ш₀/от_у—критерий Рейнольдса для зернистого слоя; Рг'= = Чу/Оу — диффузионный критерий Прандтля; й_э = 4е/о — эквивалентный диаметр кана­лов зернистого слоя (см. главу II, стр. 102); — коэффициент диффузии в газовой (жид­кой) фазе; — фиктивная скорость потока газовой (жидкой) фазы, выражаемая соотноше­нием (II, 103); — кинематическая вязкость потока.

Значение $_хУ в противоположность $_уУ практически не зависит от ги­дродинамического режима движения потока через адсорбент, зато оно резко снижается с увеличением концентрации адсорбтива в адсорбенте и при увеличении степени насыщения адсорбента составляет все возрастающую долю от общего диффузионного сопротивления.

В расчетах обычно принимается, что коэффициент массопередачи К_уу остается постоянным по всей длине работающего слоя адсорбента и не зависит от степени его насыщения.

Если в неподвижном слое практически весь процесс массообмена про­исходит в зоне массопередачи, которая перемещается с постоянной ско­ростью вдоль слоя, то при адсорбции в движущемся слое можно считать, что слой адсорбента перемещается навстречу потоку газа со скоростью, равной скорости движения зоны массопередачи. При этом зона массопере­дачи может рассматриваться как неподвижная относительно стенок адсор­бера. Отсюда следует, что условия массопередачи в неподвижном и движу­щемся слоях адсорбента аналогичны и для расчета массопередачи в этих процессах применимы одни и те же расчетные зависимости.

5. Десорбция

Извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя (де­сорбция) является необходимой составной частью всех технологических процессов адсорбции, проводимых в замкнутом цикле. Стоимость десорб­ции оказывает большое влияние на общую экономичность проведения про­цессов разделения и очистки веществ адсорбционными методами.

К числу основных методов десорбции (регенерации адсорбента) отно­сятся:

вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посред­ством агентов, обладающих более еысокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты;

испарение поглощенных компонентов, обладающих относительно высокой летучестью, путем нагрева слоя адсорбента.

В некоторых случаях для удаления из адсорбента смолообразных и других продуктов, образующихся в результате побочных процессов,

573

окончательную очистку адсорбента осуществляют выжиганием этих ком­понентов (окислительная регенерация адсорбента).

Выбор того или иного способа десорбции производится на основе тех­нико-экономических соображений, причем часто указанные выше способы применяются в комбинации друг с другом.

На практике процессы десорбции обычно осуществляют путем пропу­скания пара или газа, не содержащего адсорбтива, через слой адсорбента после завершения прямого процесса (адсорбции). Для повышения скорости

Рис. Х1У-5. Адсорберы периодического действия с не- подвижным слоем поглотителя:

а — вертикальный; 6 — горизонтальный; в — кольцевой; 1 —. корпус; 2 — штуцер для подачи парогазовой смеси (прн ад- сорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 3 — штуцер для отвода отработанного газа (прн адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 4 — барботер для подачи острого пара при десорбции; 5 — штуцер для' отвода паров при десорбции;' 6 — штуцер для отвода конденсата; 7 — люки для загрузки поглотителя; 8 — люки для выгрузки поглотителя; 9 и 10 —* внутренняя и внешняя цилиндрические решетки.

В качестве десорбирующих агентов используют острый насыщенный или перегретый водяной пар, пары органических веществ, а также инерт­ные газы. После проведения процесса десорбции слой адсорбента обычно подвергают сушке и охлаждению.

Десорбцию острым водяным паром наиболее часто применяют в про­цессах рекуперации летучих растворителей на активном угле. При этом основная масса поглощенного вещества выделяется из поглотителя в на­чале десорбции. По мере приближения к концу процесса скорость его зна­чительно снижается, а расход водяного пара на единицу десорбируемого продукта сильно возрастает. Поэтому из технико-экономических соображе­ний адсорбируемое вещество извлекают из поглотителя не полностью, оставляя некоторое количество его в адсорбенте.

Часть водяного пара, называемая греющим паром, расходуется при десорбции на нагревание всей системы, десорбцию поглощенных

Гл. XIV. Адсорбция

веществ из угля и компенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Греющий пар полностью конденсируется в адсорбере. Некоторая часть пара расходуется на компенсацию отрицательной теплоты смачивания угля водой и также полностью конденсируется в адсорбере.

Десорбированные из угля вещества выдуваются из угольного слоя ди­намическим паром, который, не конденсируясь, выходит из адсор­бера в смеси с парами десорбированных веществ.

Расходы греющего пара и пара, идущего на компенсацию теплоты сма­чивания, находятся расчетом. Расход динамического пара зависит от усло­вий проведения процесса и с достаточной надежностью определяется лишь опытным путем. При ориентировочных расчетах расход динамического пара можно принимать в среднем 3—4 кг на 1 кг десорбируемого вещества.

Регенерацию цеолитов наиболее часто проводят путем продувания сквозь слой адсорбента нагретого сухого газа, причем удаление поглощен­ных веществ из цеолитов обычно более затруднительно, чем из активных углей.

Процессы десорбции, подобно процессам собственно адсорбции, осуще­ствляют не только в неподвижном, но также в движущемся и кипящем слоях адсорбента.

6. Устройство адсорберов и схемы адсорбционных установок

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно — в аппаратах с движу­щимся или кипящим слоем адсорбента, а также в аппаратах с неподвижным слоем — в установке из двух или большего числа адсорберов, в которых отдельные стадии процесса протекают не одновременно.

Адсорберы с неподвижным слоем поглотителя. Наиболее часто при­меняются цилиндрические адсорберы вертикального (рис. Х1У-5, а) и гори­зонтального (рис. Х1У-5, б) типов. Адсорберы со слоем поглотителя коль­цевого сечения (рис. Х1У-5, е) используются сравнительно редко.

Периодические процессы адсорбции часто проводятся четырех- фазным способом, при котором процесс проходит в четыре стадии.

Первая стадия — собственно адсорбция, т. е. насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом. Паро-газовая смесь подается в корпус 1 аппарата (рис. Х1У-5)'через штуцер 2, проходит через слой поглотителя (на рисунке заштрихован) и выходит через штуцер 3.

Вторая стадия — десорбция поглощенного компонента из погло­тителя. Подача паро-газовой смеси прекращается, и в аппарат подается водяной пар через барботер 4 (рис. ХГУ-5, а, 6) или через штуцер 3 (рис. Х1У-5, в). Смесь паров десорбированного компонента и воды уда­ляется через штуцер 5. Конденсат пара отводится из аппарата после десорб­ции через штуцер 6 (рис. ХГУ-5, а, б) или 5 (рис. Х1У-5, в).

Третья"стадия — сушка поглотителя. Перекрывается вход и выход водяного пара, после чего влажный поглотитель сушится горячим возду­хом, поступающим в аппарат через штуцер 2 и выходящим из аппарата через штуцер 3.

Четвертая стадия — охлаждение поглотителя. Прекращается подача горячего воздуха, после чего поглотитель охлаждается холодным воздухом, поступающим в аппарат также через штуцер 2\ отработанный воздух удаляется через штуцер 3.

По окончании четвертой стадии цикл работы/аппарата начинается снова. Загрузку и выгрузку поглотителя производят периодически через люки 7 и 8.

В случае отсутствия одной из последних двух стадий (охлаждение угля или его осушка) метод проведения процесса будет называться трех- фа з в ы м,

575

Существует также двухфазный метод, при котором в прошедший регенерацию водяным паром горячий и влажный уголь подаются последо­вательно горячая и холодная паро-воздушная смесь (первая стадия). При этом процессы сушки и охлаждения угля идут одновременно с процессом поглощения. По окончании первой стадии осуществляется десорбция погло­щенных веществ водяным паром (вторая стадия).

Выбор метода работы производится на основании технико-экономиче­ских показателей.

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду (при десорбции и и сушке поглотителя) адсорберы покрывают тепловой изоляцией.

Установки для периодической адсорбции, помимо основного аппарата- адсорбера, включают вспомогательное оборудование. На рис. Х1У-6 при­ведена схема установки для улавливания парбв органических веществ из их смеси с воздухом. Перед поступлением в адсорбер паро-воздушная

Рис. ХІУ-6. Схема промышленной углеадсорбционной установки для улавливания (реку­перации) паров органических веществ из их смеси с воздухом:

/ — фильтр; 2 — гравийный огнепреградитель; 3 •— предохранительное устройство с разрывными мембранами; 4, 7 — вентиляторы; 5.—в адсорбер; 6 — конденсатор; 8 — калорифер; 9 —> обводная

линия.

смесь проходит через фильтр 1, где очищаетсятэт пыли. Это предотвращает засорение трубопроводов и быстрое снижение активности поглотителя. Смеси паров органических веществ с воздухом часто взрывоопасны (при определенных соотношениях паров и воздуха). Поэтому после фильтра смесь проходит огнепреградитель 2 — емкость, заполненную материалом с высокой теплоемкостью (обычно_| гравием). В случае загорания смеси в этом аппарате поток охлаждается до температуры, значительно меньшей температуры ее воспламенения, и этим предотвращается распространение пламени внутри установки. Далее смесь проходит через предохранитель­ное устройство 3, основной частью которого является обычно мембрана, разрывающаяся при увеличении давления в трубопроводе сверх допусти­мого.

Выходящая из предохранительного устройства паро-воздушная смесь при адсорбции (первая стадия) вентилятором или газодувкой 4 подается в адсорбер 5. При десорбции (вторая стадия) выходящие из адсорбера пары конденсируются в конденсаторе 6. Получаемый конденсат (называемый рекуператом) разделяется ректификацией или путем расслаива­ния в сепараторе, если десорбируемый компонент не смешивается с водой. При сушке адсорбента (третья стадия) в адсорбер вентилятором 7 подается воздух, предварительно нагретый в калорифере 8. При охлаждении адсор­бента (четвертая стадия) подаваемый в адсорбер вентилятором 7 воздух проходит по обводной линии 9, минуя калорифер.

Несмотря на то, что адсорбер в описанной установке работает периоди­чески, вся установка в целом может работать непрерывно при наличии

Гл. XIV. Адсорбция

10

Вода

г-

Легта

франция

Исходная смесь —*!"

Промежу.

птгтгцт

СЛЛЛЦ!

точная

фракция

Тяжелая

франция

нагрева­

ющий.

агент

к

Острый

пар

6

Транскррги

А

--П 'и иіги и -Ча

--П 4

ЦІЛІШІ

уи'иии

этгегетг ,

та

рующиц

газ

‘Ш

К,

Вода

нагребающий / агект

/О

\7

Лродуктьг реактива­ции и що

72

Огреба­

ющий

агент

нескольких (минимально—двух) адсорберов, включаемых поочередно и работающих со сдвигом стадий (например, при адсорбции в одном аппа- рате в другом может происходить десорбция).

Адсорберы с движущимся слоем поглотителя. Принцип работы адсор- беров этого типа был указан в главе II (см. стр. 105). Исходная газовая смесь поступает в колонну под распределительную тарелку 1 (рис. Х1У-7), представляющую собой трубную решетку с направленными ениз патруб-

ками. Через патрубки газовая смесь подни- мается в адсорбционную зону /, где взаи- модействует с движущимся слоем актив- ного угля, охлажденного в трубах холо- дильника 2. В зоне / поглощаемые компоненты извлекаются углем, а непо- глощенная часть смеси (легкая фракция) отводится через штуцер, расположенный под распределительной тарелкой 3.

Из зоны / уголь проходит в нижерас- положенную ректификационную зону II, ограниченную распределительными тарел- ками 1 и 4. В зоне II поднимающиеся из нижней части колонны пары Еытесняют из угля менее сорбируемые компоненты, об- разуя при этом смеси различных составов (промежуточные фракции). На схеме по- казан отбор одной промежуточной фрак- ции из-под третьей (сверху) тарелки (4а). Состав промежуточной фракции зависит от места ее отбора (по высоте' ректифика- ционной зоны). В некоторых случаях по высоте зоны II отбирают несколько про- межуточных фракций.

Из зоны II уголь поступает через распределительную тарелку 4 в десорб- ционную (или отпарную) зону III, где он проходит по трубам, обогреваемым сна- ружи чаще всего парами высокотемпера- турных теплоносителей. Одновременно уголь в трубах продувают острым пере- гретым водяным паром. Острый пар, не конденсируясь, выдувает из угля десор- бируемые вещества. Эти вещества в смеси с водяным паром (тяжелая фрак- ция) отводятся под распределительной тарелкой 4. Часть тяжелой фракции на- правляется в зону II для выделения из угля менее сорбируемых компонентов и образования промежуточных фракций.

Распределительные тарелки обеспечивают более равномерное распреде- ление газа и угля По сечению колонны и уменьшение уноса частиц угля выходящими газами.

Нагретый уголь выводится из аппарата через разгрузочное устрой­ство 5. Далее уголь проходит гидрозатвор 6, который предотвращает выход пара из аппарата и попадание его с углем в газовый подъемник 7. В послед­ний уголь поступает через регулирующий клапан 8 и промежуточный сборник 9. В токе воздуха (или другого газа), нагнетаемого вентилятором (или газодувкой) 10, уголь подается в бункер И, из которого ссыпается в водяной холодильник 2 и затем е зону I адсорбционной колонны. Опи­санный цикл работы адсорбера повторяется снова. Для компенсации

Нагревающий

агент

Рис. XIV-?. Схема адсорбционной установки с движущимся слоем активного угля:

\ — адсорбционная зона; II — ректи фикаиионная зона; III — десорбцион ная зона; 1, 3, 4, 4а — распредели тельные тарелки; 2 — холодильник 5 — разгрузочное устройство; 6 — гидрозатвор; 7 — газовый подъемник 8 •— клапан; 9 — сборник газового подъемника; 10 — вентилятор или га­зодувка; II — бункер; 12 — реакти­ватор.

577

пбтерь угля вследствие его истирания, а также для поддержания постоян­ного уровня загрузки в бункере 11 в него добавляют свежий уголь.

Разделяемый газ может содержать труднодесорбируемые вещества, не выделяющиеся в десорбционной зоне из угля и, следовательно, снижаю­щие его активность. В этих случаях часть угля из бункера направляют в реактиватор 12 — аппарат, нагреваемый до температуры более высокой, чем десорбер колонны. В реактиваторе, так же как и в десорбционной зоне колонны, обрабатывают уголь острым водяным паром. Продукты реакти­вации и водяной пар отводят из верхней части реактиватора. При допол­нительной обработке в реактиваторе активность угля не снижается даже при длительной работе установки.

Адсорберы с кипящим слоем поглотителя. Как отмечалось (см. главу II), в кипящем слое размеры частиц адсорбента меньше, чем размеры его частиц в неподвижном слое, что способствует уменьшению внутридиффузионного сопротивления твердой фазы и приводит к существенному увеличению поверхности контакта фаз. В кипящем слое при прочих равных условиях интенсивность внешнего массопереноса также выше, чем в неподвижном слое, вследствие больших скоростей газа, движущегося через слой.

Вместе с тем проведение процессов адсорбции в кипящем слое связано с трудностями выбора механически прочного адсорбента, способного выдер­жать достаточное число циклов работы в условиях повышенной истирае­мости при интенсивном механическом перемешивании частиц в самом аппа­рате и пневмотранспортных трубах.

В промышленности обычно применяются непрерывно действующие многокамерные адсорберы с кипящим слоем.

На рис. Х1У-8 показан однокамерный адсорбер с кипящим слоем, в котором газ непрерывно движется через корпус 1 снизу вверх, под­держивая находящийся на газораспределительной решетке слой адсор­бента в псевдоожиженном состоянии. Газ удаляется из аппарата через циклонное устройство 2, служащее для выделения из газа захваченных им мелких частиц адсорбента.

В однокамерных аппаратах такого типа интенсивное перемешивание твердых частиц приводит к значительной неравномерности времени пребы­вания в слое и соответственно различию степени их насыщения поглощае­мым компонентом. В этих аппаратах, работающих по принципу прямотока фаз, не удается достичь концентрации адсорбтива в газовой фазе меньшей, чем равновесная, которая соответствует средней концентрации адсорбента в слое.

Указанные недостатки, присущие и другим одноступенчатым (одно­секционным) массообменным аппаратам, можно в значительной мере пре­одолеть при использовании многосекционных аппаратов, в которых взаимо­действие фаз приближается к противоточному.

В многокамерном адсорбере с кипящим слоем (рис. Х1У-9) газ последовательно проходит через перфорированные тарелки (газорас­пределительные решетки) 1, имеющие переточные трубы 2, по которым твердые частицы адсорбента «стекают» со ступени на ступень, противотоком к потоку газа. При псевдоожиженном адсорбенте на каждой ступени взаи­модействие фаз приближается к режиму, идеального смешения, в то время как для аппарата в целом это взаимодействие близко к режиму идеального вытеснения. В таких условиях газ более равномерно распределяется по площади поперечного сечения аппарата, сводится к минимуму «проскок» газа без взаимодействия с адсорбентом и увеличивается время взаимодей­ствия фаз. В результате достигается более равномерная и полная «отра­ботка» зерен адсорбента.

На рис. XIV-10 приведена схема установки, в которой и адсорбция и де­сорбция осуществляются в псевдоожиженном слое поглотителя. Адсор­бер 1 и десорбер 2 имеют цилиндрический корпус с коническим днищем. Выходящий из десорбера регенерированный поглотитель увлекается пото-

19. а; Г. Касаткин

Гл.' XIV. Адсорбция

ком исходной паро-газовой смеси и подается в адсорбер по трубе 3. Ско­рость газа в адсорбере должна быть такой, чтобы зернистый поглотитель находился в нем в псевдоожиженном состоянии.

Непоглощенная часть газовой смеси через сепаратор 4 и циклон 5 уда­ляется из аппарата. Отработанный поглотитель отводится из нижней части адсорбера, нагревается в теплообменнике 6 и поступает в трубу 7, где увлекается десорбирующим агентом (например, перегретым водяным паром), и подается в десорбер, снабженный обогревательной рубашкой 8. В десорбере скорость десорбирующего агента должна быть такой, чтобы

Ддсорбент Газ

І і

I

I \

Газ Ддсорбент

Рис. Х1У-8. Однока­мерный адсорбер с ки­пящим слоем погло­тителя:

1. — корпус аппарата;