ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Равновесие при адсорбции

Поглотительная способность адсорбентов выражается концентраци­ей адсорбата в массовой или объемной единице адсорбента. Процесс ад­сорбции сопровождается выделением тепла, поэтому снижение температу­ры способствует его проведению.

Независимо от природы адсорбционных сил на величину адсорбции влияют следующие факторы: природа поглощаемого вещества; темпера­тура; давление; примеси в фазе, из которой поглощается вещество.

Природа поглощаемого вещества - считается, что равновесная кон­центрация в адсорбенте тем выше, чем больше молекулярный вес погло­щаемого газа, а в случае растворов - чем меньше растворимость поглощае­мого вещества в жидкости.

С повышением температуры при прочих равных условиях равно­весная концентрация уменьшается.

С ростом давления в парогазовой фазе равновесная концентрация X увеличивается.

Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. При наличии в фазе, из которой адсорбент поглощает вещество А, конкурирующего (вы­тесняющего) вещества В, т. е. вещества, также способного поглощаться этим адсорбентом, уменьшается равновесная концентрация вещества А в адсорбенте. В этом случае вещество В либо частично, либо полностью вы­тесняет или замещает вещество А в адсорбенте.

С течением времени при адсорбции наступает равновесие, при кото­ром устанавливается определенная зависимость между концентрацией ад­сорбируемого вещества Х (кг/кг адсорбента) и его концентрацией Y в газо­вой фазе:

X = AY1/n, (4.61)

Где Y - равновесная концентрация инертной части газовой смеси, кг/кг; А, п - коэффициенты, определяемые опытным путем (причем n > 1).

Зависимость (4.61) величины адсорбции целевого компонента в ус­ловиях равновесия между фазами при постоянной температуре называют изотермой адсорбции.

Существует пять типов изотерм физической адсорбции паров. Они приведены на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Типы изотерм адсорбции.

Изотерма типа а) соответствует мономолекулярной ленгмюровской адсорбции; изотермы типа б), в) - мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции. Изотермы типа г) и д) соответствуют случаю, когда мономоле­кулярная и полимолекулярная адсорбции сопровождаются капиллярной конденсацией.

Уравнение (4.61) можно представить в другом виде (т. к. концент­рация компонента в газовой смеси при постоянной температуре пропор­ционально его давлению):

X=ArP1/n, (4.62)

Где A1 - коэффициент; Р - равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой смеси, Па.

Основные факторы, влияющие на адсорбцию - это свойства адсор­бента, температура, давление, свойства поглощаемых веществ, состав фазы, из которой вещества адсорбируются.

Адсорбция ускоряется при понижении температуры или при повы­шении давления. Эти же факторы влияют на процесс десорбции в обрат­ном направлении. Десорбция ускоряется с повышением температуры ад­сорбента и снижением давления, а также при пропускании через адсорбент паров, вытесняющих поглощенное вещество.

При высоких температурах или малых парциальных давлениях изо­термы адсорбции аппроксимируются законом Генри:

A*= Ар • P, (4.63)

Где а* - количество поглощенного вещества, кг/кг (адсорбента) или кг/м3; Ар - константа фазового равновесия; р - парциальное давление компонента в газе.

В практических расчетах широко используется уравнение Фрейн - длиха:

* л П

A = А1 • pn, (4.64)

Где А1 и n - коэффициенты.

Для мономолекулярной физической адсорбции используется уравне­ние Ленгмюра:

A * = b • am • p /(1 + b • p), (4.65)

Где b - коэффициент; am - предельная величина адсорбции.

Универсальный характер имеет уравнение Брунауер-Эммет-Теллер (БЭТ), описывающее мономолекулярную и моногослойную адсорбцию:

А' = С' am' P / Ps ( )

(1 - p / Ps )[1 + (c - 1)p / Ps ]. (4 66)

На поглощаемые молекулы со стороны поверхности адсорбента дей­ствует сила притяжения, пропорциональная адсорбционному потенциалу:

E = R • T • ln ps / p. (4.67)

Серьезным отклонением от реальных характеристик адсорбции явля­ется и предположение об изотермичности процесса. Адсорбция может быть изотермической только при соответствующей организации теплоот - вода из зоны конденсации. В иных случаях тепло, выделяемое при конден­сации адсорбата и смачивании поверхности адсорбента, пойдет на нагрев обрабатываемого газа, частиц адсорбента.