Адсорбційне очищення газів

Так як механізм адсорбції молекул газу на поверхні твердих тіл дуже складний і залежить від фізичних та хімічних властивостей газу та твердого тіла в кожному конкретному випадку, запропонувати загальний підхід до проектування адсорбційного обладнання набагато складніше, ніж протиточної абсорбційної установки. На практиці більшість проектів засновані або на досвіді, набутому під час експлуатації подібних установок, або на дослідженнях у напівпромисловому масштабі. Проте розуміння принципів адсорбції значною мірою допомагає вирішити питання, чи цей процес є найкращим способом видалення певних газів, а також полегшує вибір відповідних адсорбційних матеріалів та перехід від лабораторних дослідів до промислового виробництва.

У процесі адсорбції молекули газу осідають на поверхні твердого тіла так само, як і при конденсації, а потім утримуються на ній фізичними силами тяжіння (сили Лондона - Ван-дер-Ваальса) або хімічними силами (хемосорбція) - залежно від хімічної природи молекули та поверхні. У деяких системах можуть існувати обидва види адсорбції або проміжні стани.

Тверді речовини, найбільш придатні для адсорбції, вирізняються високою пористістю, мають добре розвинену поверхню з великою ефективною площею. Як адсорбенти застосовують такі матеріали, як вугілля, глинозем, силікагель. Деякі властивості поверхні, наприклад розташування кристалів або присутність на поверхні атомів кисню з вільною електронною парою, здатної створювати водневі зв'язки, обумовлюють хемосорбцію певних видів молекул. Точна природа цих властивостей поверхні ще недостатньо ясна, тому потрібні додаткові дослідження, що дозволяютьстворити матеріали з такими поверхневими властивостями, які могли б селективно адсорбувати молекули цього типу чи ряд молекул таких типів.

Іншими суттєвими характеристиками твердих речовин, що використовуються як адсорбенти, є твердість, схильність до стеження при завантаженні в вежу та механічна міцність під час транспортування та завантаження в контейнер. І вугілля, і глинозем, і силікагель мають ці властивості.

Крім того, до твердої речовини пред'являються вимоги простоти регенерації після насичення газом та багаторазового використання.

Адсорбційне очищення газів на поверхні твердого тіла проходить у кілька стадій. Першою стадією є перенесення молекул газу до зовнішньої поверхні твердої речовини і ця стадія аналогічна дифузії молекул газу через стаціонарний шар до межі розділу фаз газ - рідина при абсорбції.

Швидкість перенесення Nа для цієї стадії виражається рівнянням, подібним до рівняння, з відповідними допусками, що враховують форму адсорбенту (гранули):

де kf – коефіцієнт масопереносу (газ – тверда поверхня); Ар – площа зовнішньої поверхні твердого тіла; E - обсяг порожнеч між гранулами; рв - насипна щільність адсорбенту, що завантажується; р, pi - парціальний тиск газу в обсязі і на поверхні відповідно. Коефіцієнт масопереносу може бути знайдений із рівняння, подібного:

де U - середня лінійна швидкість газу по відношенню до поверхні; μ - в'язкість газу; р - щільність газу; D - коефіцієнт дифузії газу, що адсорбується; De - еквівалентний сферичний діаметр гранул, тобто діаметр сфери того ж обсягу, що і гранула.

Адсорбційне очищення газів (друга стадія) полягає в тому, що молекули газу проникають у пори твердої речовини, третьоїстадією є власне адсорбція молекули у певній ділянці пори. Іноді після адсорбції молекули проникають через тверде тіло шляхом внутрішньої дифузії, але ця стадія не впливає на швидкість адсорбції. Власне, адсорбція в порах протікає дуже швидко в порівнянні з двома першими стадіями. Швидкість дифузії вздовж пори визначається коефіцієнтом дифузії в часі Dn, який може бути знайдений з наступного рівняння для випадків, коли пори менше середнього вільного пробігу молекул.

де r – середній радіус пір; u – середня швидкість молекул (рівняння III.3); x – внутрішня пористість твердих гранул.

Адсорбційне очищення газів супроводжується виділенням тепла. У разі чисто фізичної адсорбції тепло, що виділяється, дорівнює теплоті конденсації. Хімічна адсорбційна очистка газів виділяє кількість тепла більше. Видалення молекул із поверхні вимагає підведення тепла до поверхні для "вибивання" (випаровування) молекул. У разі хемосорбції це може означати, що разом з молекулами, що десорбуються, можуть бути видалені деякі атоми твердого тіла, що веде до зміни природи поверхні. Це може призвести до зменшення або збільшення адсорбційної здатності.

Рівняння (III.53) показує, яким чином перенесення молекул з обсягу газу залежить від розмірів та форми молекул, порожнеч між гранулами та рушійною силою. Остання функція являє собою різницю між концентраціями домішки, що видаляється R обсязі газу і на поверхні твердого тіла, яка в свою чергу залежить від досягнутого ступеня насичення.

Рівняння (III.54) показує залежність коефіцієнта масопереносу від швидкості газу, а також від властивостей газу-носія в коефіцієнта дифузії газу, що адсорбується, тоді як коефіцієнт дифузії в порах є в основному функцієювнутрішньої пористості та загального коефіцієнта дифузії. Щоб визначити, яка стадія - перша чи друга - впливає швидкість всього процесу, необхідно знання властивостей всієї системи, що можливе лише в окремих випадках. Тому практично не можна уникнути емпіричних методів проектування. Тут будуть розглянуті найпоширеніші адсорбенти та гази, для очищення яких вони використовуються, а також типи установок.

Адсорбційне очищення газів може бути поділено на три групи: неполярні тверді речовини, де відбувається в основному фізична адсорбція; полярні тверді речовини, де відбувається хімічна адсорбція без зміни хімічної структури молекул газу та поверхні адсорбенту; поверхні з чисто хімічною адсорбцією, які десорбують молекули газу після хімічної реакції - або каталітичної, коли поверхня не зазнає змін або некаталітичної з атомами адсорбенту, причому потрібне їх заміщення.

Котельний завод "Циклони ЦН"

Залишіть ваші контактні дані та наші менеджери зв'яжуться з вами