Адсорбционная очистка газов

Так как механизм адсорбции молекул газа на поверхности твердых тел очень сложен и зависит от физических и химических свойств газа и твердого тела в каждом конкретном случае, предложить общий подход к проектированию адсорбционного оборудования намного сложнее, чем для противоточной абсорбционной установки. На практике большинство проектов основано либо на опыте, приобретенном при эксплуатации подобных установок, либо на исследованиях в полупромышленном масштабе. Тем не менее понимание принципов адсорбции в значительной мере помогает решить вопрос, является ли этот процесс наилучшим способом удаления определенных газов, а также облегчает выбор соответствующих адсорбционных материалов и переход от лабораторных опытов к промышленному производству.

В процессе адсорбции молекулы газа осаждаются на поверхности твердого тела точно так же, как и при конденсации, а затем удерживаются на ней физическими силами притяжения (силы Лондона - Ван-дер-Ваальса) либо химическими силами (хемосорбция) - в зависимости от химической природы молекулы и поверхности. В некоторых системах могут существовать оба вида адсорбции или промежуточные состояния.

Твердые вещества, наиболее пригодные для адсорбции, отличаются высокой пористостью, имеют хорошо развитую поверхность с большой эффективной площадью. В качестве адсорбентов применяют такие материалы, как уголь, глинозем, силикагель. Некоторые свойства поверхности, например, расположение кристаллов или присутствие на поверхности атомов кислорода со свободной электронной парой, способной создавать водородные связи, обусловливают хемосорбцию определенных видов молекул. Точная природа этих свойств поверхности еще недостаточно ясна, поэтому необходимы дополнительные исследования, позволяющие создать материалы с такими поверхностными свойствами, которые были бы способны селективно адсорбировать молекулы данного типа или ряд молекул таких типов.

Другими существенными характеристиками твердых веществ, используемых в качестве адсорбентов, являются твердость, склонность к слеживанию при загрузке в башню и механическая прочность во время транспортирования и загрузки в контейнер. И уголь, и глинозем, и силикагель обладают этими свойствами.

Кроме того, к твердому веществу предъявляются требования простоты регенерации после насыщения газом и многократного использования.

Адсорбционная очистка газов на поверхности твердого тела проходит в несколько стадий. Первой стадией является перенос молекул газа к внешней поверхности твердого вещества, и эта стадия аналогична диффузии молекул газа через стационарный слой к границе раздела фаз газ - жидкость при абсорбции.

Скорость переноса Nа для этой стадии выражается уравнением, подобным уравнению, с соответствующими допусками, учитывающими форму адсорбента (гранулы):

NA = kf ApE/pв(p - pi) (III.53)

где kf - коэффициент массопереноса (газ - твердая поверхность); Ар - площадь внешней поверхности твердого тела; E - объем пустот между гранулами; рв - насыпная плотность загружаемого адсорбента; р, pi - парциальные давления газа в объеме и на поверхности соответственно. Коэффициент массопереноса может быть найден из уравнения, подобного:

формула 11-54

где U - средняя линейная скорость газа по отношению к поверхности; μ - вязкость газа р - плотность газа; D - коэффициент диффузии адсорбируемого газа; Dэ - эквивалентный сферический диаметр гранул, т. е. диаметр сферы того же объема, что и гранула.

Адсорбционная очистка газов (вторая стадия) заключается в том, что молекулы газа проникают в поры твердого вещества, третьей стадией является собственно адсорбция молекулы в определенной области поры. Иногда после адсорбции молекулы проникают через твердое тело путем внутренней диффузии, но эта стадия не влияет на скорость адсорбции. Собственно адсорбция в порах протекает очень быстро по сравнению с двумя первыми стадиями. Скорость диффузии вдоль поры определяется коэффициентом диффузии в поре Dn, который может быть найден из следующего уравнения  для случаев, когда поры меньше среднего свободного пробега молекул.

формула 11-55

где r - средний радиус пор; u - средняя скорость молекул (уравнение III.3); x - внутренняя пористость твердых гранул.

Адсорбционная очистка газов сопровождается выделением тепла. В случае чисто физической адсорбции выделяемое тепло равно теплоте конденсации. Химическая адсорбционная очистка газов выделяет количество тепла больше. Удаление молекул с поверхности требует подвода тепла к поверхности для "выбивания" (испарения) молекул. В случае хемосорбции это может означать, что вместе с десорбирующимися молекулами могут быть удалены некоторые атомы твердого тела, что ведет к изменению природы поверхности. Это может привести к уменьшению или увеличению адсорбционной способности.

Уравнение (III.53) показывает, каким образом перенос молекул из объема газа зависит от размеров и формы молекул, пустот между гранулами и движущей силой. Последняя функция представляет собой разницу между концентрациями удаляемой примеси R объеме газа и на поверхности твердого тела, которая в свою очередь зависит от достигнутой степени насыщения.

Уравнение (III.54) показывает зависимость коэффициента массопереноса от скорости газа, а также от свойств газа-носителя в коэффициента диффузии адсорбируемого газа, тогда как коэффициент диффузии в порах является в основном функцией внутренней пористости и общего коэффициента диффузии. Чтобы определить, какая стадия - первая или вторая - влияет на скорость всего процесса, необходимо знание свойств всей системы, что возможно только в редких случаях. Поэтому практически нельзя избежать эмпирических методов проектирования. Здесь будут рассмотрены наиболее распространенные адсорбенты и газы, для очистки которых они используются, а также типы установок.

Адсорбционная очистка газов может быть разделена на три группы: неполярные твердые вещества, где происходит в основном физическая адсорбция; полярные твердые вещества, где происходит химическая адсорбция без изменения химической структуры молекул газа и поверхности адсорбента; поверхности с чисто химической адсорбцией, которые десорбируют молекулы газа после химической реакции - либо каталитической, когда поверхность не претерпевает изменений, либо некаталитической с атомами адсорбента, причем требуется их замещение.