Вспомогательное оборудование криогенных установок
Грачев А.Б., Боярский М.Ю., Савинова Н.М.

3. Кинетика процесса адсорбции

Очистка рабочих веществ от примесей паров и газов происходит в аппаратах, называемых адсорберами. Процесс адсорбции производится периодически. После насыщения адсорбента поглощаемым веществом процесс очистки прекращают и производят регенерацию адсорбента.

Для осуществления непрерывной очистки рабочего вещества необходимы два адсорбера. В то время как в одном из аппаратов происходит адсорбция - во втором аппарате происходит регенерации адсорбента. Регенерация адсорбента состоит из двух процессов: десорбции поглощенного вещества, которая происходит при более высоких, чем адсорбция температурах, и охлаждении адсорбента. По истечении некоторого времени аппараты переключают.

Кинетика процесса послойной адсорбции хорошо иллюстрируется моделью, предложенной Н. А. Шиловым [21].

Рис. 9. Кинетика процесса адсорбции:
а) слой адсорбента, б) перемещение фронта адсорбции.
H – высота слоя адсорбента, H₀ – высота работающего слоя.

Через слой адсорбента (рис. 9а) непрерывно проходит поток смеси со скоростью w и некоторой начальной концентрацией x₀ поглощаемого вещества.

Если принять бесконечно большую скорость адсорбции, то поглощаемое вещество сначала будет адсорбироваться в первом слое адсорбента до равновесной концентрации, затем фронт адсорбции будет передвигаться на последующие слои до тех пор, пока не наступит равновесное насыщение всего адсорбента.

На рис. 9б перемещение фронта адсорбции при таком допущении показано штриховыми линиями. Время от начала процесса адсорбции до появления поглощаемого вещества за слоем адсорбента называется временем защитного действия.

Количество вещества, поглощенного в этом случае адсорбентом, можно определить из уравнения

(3-1)

где w - скорость потока,
F - площадь поперечного сечения слоя адсорбента,
х₀ - концентрация поглощаемого вещества в потоке-носителе,
t' - продолжительность поглощения.

С другой стороны, величину G_погл можно определить как

(3-2)

где a_ст - статическая активность адсорбента.

Из уравнений (3-1) и (3-2) следует

(3-3)

В действительности скорость адсорбции является конечной величиной, зависящей в свою очередь от скоростей диффузии поглощаемого вещества из ядра потока к поверхности адсорбента и от нее в пары твердого тела. Поэтому распределение концентрации поглощаемого вещества по слою адсорбента происходит плавно. Слои адсорбента насыщаются поглощаемым веществом, постепенно. Вид фронта адсорбции и его перемещение с течением времени по высоте адсорбента с учетом конечной скорости тепломассообмена показаны на рис. 9б сплошными линиями.

Высота слоя адсорбента H₀, на которой происходит падение концентрации поглощаемого вещества в потоке от исходной до нулевой, называется работающим слоем или зоной массопередачи. Граница работающего слоя продвигается постепенно в направлении движения газового потока. Наконец, наступает такого момент t_i, когда в выходящем из адсорбера потоке появляется поглощаемое вещество, т.е. наступает "проскок" поглощаемого компонента.

Как видно из рис. 9б, полного насыщения всего адсорбента к моменту «проскока» в этом случае не происходит. Поэтому при прочих равных условиях время t защитного действия слоя, адсорбента высотой Н будет меньше t', вычисленного для бесконечно большой скорости адсорбции. Разность t' - t = t₀ называется потерей времени защитного действия. Подставив значение t', из уравнения (3-3) окончательно получим

(3-4)

или

(3-5)

- коэффициент защитного действия слоя.

Выражение (3-5) называется уравнением Шилова.

Определение времени t защитного действия слоя адсорбента по уравнению Шилова осложняется трудностью вычисления t₀. В общем случае t₀ является функцией многих независимых переменных, таких как скорости продвижения фронта адсорбции, объемного коэффициента диффузии, концентрации адсорбата в потоке и равновесной концентрации поглощаемого вещества в адсорбенте. Многие из этих величин можно определить только экспериментально. Поэтому для приближенных расчетов t на практике часто пользуются зависимостью, аналогичной (3-3), но вместо a_ст в уравнение (3-3) подставляют динамическую активность - a_дин.

Динамическая активность находится подобно статической экспериментальным путем и приводится в справочной литературе. При отсутствии экспериментальных данных можно ориентировочно (с запасом) принимать

(3-6)

Тогда время t защитного действия слоя адсорбента высотой Н определится

(3-7)

или

(3-7a)

Действительную скорость w газового потока в слое адсорбента определить трудно. Поэтому во многих случаях для практических расчетов пользуются фиктивной w_ф, скоростью, т.е. скоростью, отнесенной к полному сечению адсорбера. При увеличении w_ф скорости адсорбции, как правило, возрастает, но одновременно увеличивается и гидравлическое сопротивление слоя адсорбента. Поэтому в промышленных установках значение w_ф обычно не превышает 0,3 м/с. Иногда при расчете адсорберов применяется фиктивная скорость w_ф', выраженная в единицах объема смеси, проходящей через единицу поверхности слоя адсорбента. Для промышленных адсорбентов она составляет w_ф' = 0,15 ÷ 0,3 л/мин·см² в случае очистки воздуха и 5 ÷ 10 л/мин·см² в случае очистки водорода или гелия.

Следующая страница: 3.1.4. Принципиальные схемы блоков адсорбции