Материальный баланс адсорбции.

Для процесса адсорбции уравнение материального баланса составляется, как и для любого массообменного процесса, в зависимости от рассчитываемого аппарата – периодически- или непрерывнодействующего. Для непрерывного процесса адсорбции обычно организуют противоток газа-носителя и адсорбента, тогда

, (8-9) где 𝐿 – расход адсорбента, ; 𝐺 – расход газа-носителя, ; и - начальное и конечное содержание поглощаемого вещества в адсорбенте; и - среднее содержание поглощаемого вещества в отходящих газах за период адсорбции и содержание адсорбтива в газе-носителе.

Движущая сила – это разность концентраций: в адсорбенте , в газовой фазе (аналогично движущей силе абсорбции).

Теплота адсорбции.

При проведении каждого конкретного процесса наблюдают повышение температуры в адсорбционной системе, которое зависит от многих параметров: массовой скорости потока, его концентрации, теплоёмкости и теплопроводности, физических характеристик адсорбента, теплоты адсорбции и потерь в окружающую среду.

Теплота физической адсорбции – величина такого же порядка как и теплота фазового перехода.

Минимальный расход энергии на проведение обратного процесса – десорбции – равен теплоте адсорбции (практически немного больше в связи с потерями энергии).

Кинетика адсорбции

Скорость процесса зависит от условий внешнего и внутреннего переноса поглощаемого компонента. Скорость внешнего переноса характеризуется гидродинамической обстановкой процесса, а внутреннего – структурой адсорбента и физико – химическими свойствами адсорбционной системы.

Кинетика внешнего переноса

Она определяется зависимостью:

(8-10)

где а – величина адсорбции; τ – время; с и - концентрация поглощаемого компонента в объеме парогазовой смеси и на поверхности адсорбента; β – коэффициент массоотдачи к единице объема адсорбента.

 

8.4.2 Кинетика внутреннего переноса.

Описывается уравнением молекулярной диффузии:

(8-11)

где - эффективный коэффициент диффузии.

Величину кинетического коэффициента β, , определяют по критериальному уравнению:

(8-12)

здесь Nu` и Pr` - диффузионные критерии Нуссельта и Прандтля; Re – критерий Рейнольдса; А, m и n – оптимальные константы

Для адсорбции паров активным углём (d_u=1,7 – 2,2 мм; ω_р=0,2 – 2 м/с) известно уравнение:

(8-13)

где ; ; D – коэффициент диффузии адсорбтива в газе при температуре процесса, м²/с; d₄ – средний диаметр зерен (частиц) адсорбента, м; ω_г – скорость парогазовой смеси, при пустом сечении аппарата, м/с; - кинетическая вязкость газа, м²/с.

Из (8-13) определяют кинетический коэффициент адсорбции:

(8-14)

Коэффициент диффузии D при любых температурах и давлении рассчитывают по формуле:

(8-15)

коэффициент выбирают из справочной литературы [7]

Расчет адсорбции в неподвижном слое адсорбента.

Расчет сводится к определению времени, в течении которого слой заданной толщины способен извлекать из потока газа или жидкости адсорбтив так, чтобы его содержание на выходе из слоя не превышало заданной величины. Это время называется временем защитного (адсорбционного) действия слоя. Сечения слоя, расположенное перпендикулярно к направлению парогазового потока, отвечающее минимальному содержанию адсорбтива в потоке, называют фронтом адсорбции. Фронт адсорбции (по мере насыщения ближайших к входу слоев адсорбента) перемещается по слою (рис. 8-3). Средняя концентрация поглощаемого вещества во всем слое адсорбента данной толщины, достигнутая к моменту проскока адсорбтива, условно называют динамической активностью адсорбента.

 

 

Рис.8-2.Изотерма адсорбции Х=f(p)

Рис.8-3.Изменение фронта адсорбции во времени

Для определения времени защитного действия слоя (рис. 8-4) применяют формулу:

(8-16)

где К=1/u – коэффициент защитного действия слоя, причем Кω_г=const; H – высота слоя адсорбента; - потеря времени защитного действия слоя; u – скорость движения фронта равных концентрации в слое; ω_г – скорость парогазового потока.

Потеря времени защитного действия слоя обусловлена тем, что формирование фронта адсорбции происходит не мгновенно. Уменьшить можно, улучшив условия обтекания частицы адсорбента в слое парогазового потоком.

Потеря времени защитного действия слоя обусловлена тем, что формирование фронта адсорбции происходит не мгновенно. Уменьшить можно, улучшив условия обтекания частицы адсорбента в слое парогазовым потоком.

 

Рис.8-4.Зависимость времени защитного действия от высоты слоя Н адсорбента

Рис.8-5. К расчёту процессов непрерывной адсорбции:

1 – равновесная линия (изотерма адсорбции); 2, 2' – рабочие линии