Адсорбация и регенерация сорбентов
Материал из m-protect.ru
Адсорбция
Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — процесс концентрирования вещества из объёма фаз на границе их раздела.
На свойства веществ оказывает влияние расположение молекул и расстояние между ними. В одних телах молекулы находятся друг от друга далеко (газы), а в других — совсем рядом (жидкости или твёрдые тела). Естественно, в каждом случае будут разными силы межмолекулярного взаимодействия. При соприкосновении тел между собой или окружающей средой особую роль играют молекулы-пограничники. Они занимают тонкие поверхностные слои на границах тел. Периферийные молекулы ведут себя иначе, чем в глубине тела.
От поверхностных слоёв зависят все виды молекулярного взаимодействия тел:
- прилипания,
- сваривание,
- паяние,
- склеивание,
- трение.
Свойствами поверхностных слоев определяются и такие процессы, как растворение и кристаллизация, испарение и конденсация пара, коррозия или химическое растворение, разрушение горных пород и почв(эрозия). Если твёрдое тело измельчить, то поверхность каждой единицы его объема увеличится в десятки тысяч раз. При этом возрастёт и химическая активность (например, при вспышке пороха). Характеристики таких дисперсных тел целиком определяются свойствами их поверхностного слоя. Каждая молекула в объеме любого тела связана со своими соседями, равномерно окружающими её со всех сторон.
Совсем по-другому ведут себя молекулы-пограничники. Со стороны объёма жидкости или твёрдого тела у них такие же «соседи» (плотно расположенные частицы). Но с внешней стороны тела, если оно граничит с газом, молекул очень мало. Поэтому молекулы-пограничники всегда имеют свободные связи. Поверхностный слой может улавливать и окружающей среды такие молекулы, которые способны «насытить» свободные силы сцепления молекул-пограничников.
Такой процесс называется адсорбцией.
Поверхность одного грамма таких высокодисперсных адсорбентов достигает 1000 м². адсорбенты применяют и как катализаторы-ускорители химическая(их) реакция(ий). Молекулы веществ, активируясь на поверхности в порах сорбента, легче реагируют друг с другом, и скорость реакции повышается во много раз. Именно так действуют катализаторы при получении аммиака,серной кислоты и других важнейших химических производствах.
Синтетические цеолиты представляют собой алюмосиликаты кальция, натрия и других металлов, полученные путём гидротермального синтеза. В отличие от других сорбентов, каждый тип цеолитов имеет поры (окна) строго определённого размера и поэтому поглощает только те молекулы, размеры которых меньше пор (ситовое действие). Наибольшее применение получили цеолиты NaA, CaA, NaX, CaX. Первая часть обозначения — это преобладающий в цеолите метал, вторая — тип решётки(А или Х). Цеолиты имеют следующие размеры входных окон:
- NaA — 4 (4 Å);
- CaA — 5 (5 Å);
- NaX — 8 (10 Å);
- CaX — 9-10 (13 Å).
Внутренняя удельная поверхность цеолитов типа NaA и CaA — 750—800 м²/г, типа CaX — 1030 м²/г.
Регенерация сорбентов
Процесс адсорбционной осушки или очистки газов обычно включает как предварительное (первоначальное), так и периодическое восстановление поглотительных свойств адсорбента. При этом периодическое удаление адсорбированного вещества во многих случаях является определяющим фактором экономической эффективности всего адсорбционно-десорбционного цикла. В криогенной технике при очистке и разделении газов процесс первоначальной активации адсорбентов и любой процесс удаления влаги называют регенерацией, а процесс эвакуации поглощённых газовых примесей — десорбцией.
Удаление поглощённого вещества из адсорбента может быть осуществлено путём повышения температуры, понижения давления, а так же вытеснением, продувкой и отпаркой или комбинаций двух или нескольких перечисленных методов. Вопрос о выборе метода регенерации решается в каждом конкретном случае с учётом свойств сорбента и осушаемого (очищаемого) газа, глубины очистки и технико-экономических показателей.
Регенерация активных углей обычно производится методом вытеснительной десорбции в изотермических условиях или при повышении температуры (от 70 до 180 °C). В качестве вытеснителя могут использоваться острый насыщенный или перегретый пар, инертные газы или пары органических растворителей. После использования водяного пара в процессе регенерации активные угли подвергаются сушке.В криогенной и вакуумной технике регенерация активных углей часто связана с десорбцией только поглощённых газовых примесей и производится путём повышения температуры с последующим вакуумированием. Нагрев производится с помощью наружных нагревателей или путём подачи теплоносителя по змеевикам, погружённым в адсорбент. В качестве греющей среды обычно используется пар или горячая вода.Регенерация силикагелей обычно производится путём продувки сорбента подогретым сухим азотом или воздухом с t=170…200 °C. Для алюмогелей — с 250…350 °C. Адсорбционная ёмкость — уменьшается при повышении температуры, что позволяет обеспечить их регенерацию и при сравнительно невысокой температуре.Синтетические цеолиты активно поглощают воду даже при высоких температурах и позволяют снижать содержание влаги в газах до десятых долей миллиграмма на 1 м³, то есть до точки росы ниже −80 °C. Это прекрасное свойство имеет и обратную сторону: адсорбированную воду трудно удалить из внутренних полостей цеолитов, в связи с чем регенерация синтетических цеолитов является сложным и энергоемким процессом. При регенерации цеолитов не допускается применение насыщенного пара, так как при температуре более 200 °C эти адсорбенты разрушаются паром через несколько часов.
Литература
- Бондаренко В.Л.,Симоненко Ю.М. Криогенные технологии извлечения редких газов. 2009 — 232с.
- Архаров А.М., Беляков В.П., Микулин Е.И., Пронько В.Г., Шургальский Э.Ф. Криогенные системы. Основы проэктирования аппаратов и установок. 1987 — 536 с.
- Архаров А.М. Криогенные системы: Основы теории и расчёта. 1988 — 464 с.
- Микулин Е.И. Криогенная техника М., «Машиностроение», 1969 - 272 c.
