Сорбционные процессы

Расчет к подразделу 2.6.2 
Р.28.Рассчитать продолжительность охлаждения слоя цеолитов, 
помещенных в цилиндрический адсорбер, радиусом r
ср
= 0,05 м. Длина 
адсорбера значительна, теплопроводность материала стенок бесконечно 
велика. В начальный момент времени адсорбер, имевший температуру Тн = 
200 ºС, быстро помещен в среду, в которой поддерживается температура Т* = 
20 ºС. Процесс охлаждения считать завершенным в тот момент времени, 
когда температура на оси слоя (n = 0/r
ср
= 0) достигнет значения Т = 30 ºС 
Физические свойства слоя: ρ = 600 кг/м
3
– насыпная плотность 
зернистого слоя цеолитов, Н = 1 кДж/кг.К - теплоемкость зернистого слоя 
цеолита. Теплопроводность зернистого слоя, подобно насыпной плотности и 
теплоемкости, существенно ниже, чем цеолита - монолитного материала; она 
примерно равна 0,5 кДж/м.К.ч. Коэффициент теплоотдачи на границе «газ-
стенка» можно принять равным α = 20 кДж/м
2
К.ч. 
1.Определим параметр m: m = λ/αr
ср 
= 0,5/20.0,05 = 0,5. 
2.Определим конечную относительную температуру: У = (Т* - Т)/(Т* - 
Тн) = (20 – 30)/ (20 – 200) = 0,05. 

---

114 
Рис.2.21. Номограмма для расчета теплопроводности в цилиндре 
бесконечной длины (Дж. Перри, Справочник инженера – химика, т. 1, 1969 г., 
Л., «Химия»).
3.По номограмме рис.1.45 найдем, какое значение Х отвечает 
вычисленным значениям У, m и n. (Соответствующие построения нанесены 
на номограмму): Х = 1,4. 
4.Определим продолжительность охлаждения: t = ХρНr 
2 
ср
/λ = 
1,4.600.1.0,05
2
/ 0,5 = 4,2 ч. 
2.6.3.Технология двух процессов
 
 
 
Концентрирование диоксида углерода.
Концентрирование 
диоксида углерода – очень распространенная операция, но выполняется она, 
как правило, с использованием жидких щелочных поглотителей. 
Единственным приложением адсорбции является очистка атмосферы 
обитаемых космических объектов, когда применение жидких поглотителей 
из-за невесомости становится затруднительным. 
Диоксид углерода попадает в атмосферу этих объектов как продукт 
жизнедеятельности космонавтов. Его предельная концентрация в атмосфере, 
обеспечивающая комфортное состояние людей в длительных полетах, 
принята равной 0,3 - 0,5 %. Поэтому воздух кабины непрерывно или 
эпизодически направляют в поглотительный патрон, например, с цеолитом, 
который эффективно поглощает нежелательное вещество. Очищенный 
воздух, выходящий из патрона, возвращают в атмосферу кабины 
космического корабля. 

---

115 
Поглощение диоксида углерода цеолитом идет только в условиях 
практического отсутствия в газе паров воды ( точка росы – 50 ºС и ниже). 
Потому до введения в цеолит воздух осушают. Для осушки, как правило, 
применяют силикагель. 
Адсорбенты подвергают термической регенерации. Диоксид углерода, 
выделение которого сопровождает нагрев, следует получить в виде чистого 
газа ( не менее 98 % СО
2
). Наличие макрокомпонентов воздуха (кислорода и 
особенно азота) в нем крайне нежелательно. Эти газы накапливаются в 
контуре переработки диоксида углерода и контур, по мере их накопления, 
приходится сообщать с космическим пространством. Газы контура 
рассеиваются в космосе, а их содержание в атмосфере кабины приходится 
пополнять из бортовых запасов этих газов. Концентрация диоксида углерода 
в десорбате, таким образом, определяет длительность пребывания корабля в 
космосе. 
(Переработку диоксида углерода, выделенного из атмосферы кабины, 
осуществляют по реакции Сабатье: 
СО
2
+ 2Н
2 
↔ С + 2Н
2
О. 
Углерод выводят из цикла и консервирует; а воду подвергают электролизу, 
возвращая водород в контур переработки диоксида углерода, а кислород в 
атмосфере кабины).
Для нагрева цеолита и десорбции диоксида углерода применяют один 
из вариантов косвенного нагрева: с помощью введенных в слой 
электронагревательных элементов. Для экономии энергии силикагель – 
осушитель нагревают теплом, накопленным в слое цеолита. В целом 
получается довольно сложный процесс, дальнейшее рассмотрение которого 
целесообразно провести по схеме. Фрагмент схемы и циклограммы 
приведены на рис.2.22. 

---

116 
Воздух на
очистку
C
O
2
на переработку
К в/насосу
В кабину
В кабину
5
4
2
3
1
9
8
6
7
Регенерация
Охлаждение
адсорбция
Регенерация
Охлаждение
Адсорбция
Простой
Осушка
Простой
Нагрев
Десорбция
Охлаждение
Осушка
Простой
Нагрев
Десорбция
Охлаждение
Простой
1
2
3
Рис.2.22.Фрагменты схемы и циклограммы для потенциально 
возможной установки концентрирования диоксида углерода в космических 
кораблях. 
На рис.2.22: 1 – адсорбер с цеолитом для поглощения диоксида 
углерода, 2, 3 – адсорберы с силикагелем для осушки очищаемого воздуха, 
цифры 1, 2 и 3 с правой стороны циклограмм - это номер соответствующего 
адсорбера. Операции, протекающие в каждом адсорбере, указаны в поле 
циклограмм. 
Будем считать, что к условному моменту начала операций цеолит в 
адсорбере 1 насыщен диоксидом углерода, силикагель в адсорбере 3 
насыщен водой, а силикагель в адсорбере 2 отрегенерирован и охлажден. 
Началу операций отвечает подача злектротока в электронагревательный 
элемент адсорбера 1. Одновременно открывается клапан 4 и система 
адсорберов на короткий промежуток времени (2-5 мин) сообщается с вакуум-
насосом. Происходит удаление воздуха из свободного объема системы и 
адсорбентов. Газы, выделяющиеся при вакуумировании, сбрасывают в 
кабину космического корабля. Закрывают кран 4 и открывают кран 5: 
диоксид углерода, выделяющийся из цеолита, поступает в контур 
переработки. В этот период времени в адсорберах 2 и 3 операции не 
осуществляются – адсорберы находятся в состоянии простоя. 
Через 30 – 60 мин после начала прогрева теплонагревательный элемент 
выключают, кран 5 закрывают, открывают краны 6 и 7 и в систему вводят 
воздух, подлежащий очистке. Он осушается в адсорбере 2. Сухой воздух 
охлаждает цеолит в адсорбере 1. Процесс охлаждения сопровождается 

---

117 
поглощением диоксида углерода. Горячий чистый воздух, покидающий 
адсорбер 1 в начальном периоде этой стадии «сносится» на силикагель, 
находящийся в адсорбере 3, и десорбирует содержащуюся в нем воду. В 
заключительном периоде этой стадии, после того как цеолит охладился, в 
адсорбер 3 поступает чистый холодный воздух. Силикагель охлаждается и, 
тем самым, становиться пригодным для удаления воды в следующих стадиях. 
Очищенный от диоксида углерода воздух возвращают в кабину.
Через 30 – 60 мин краны 6 и 7 закрывают и цеолит вновь подвергают 
нагреву и вновь десорбируют из него диоксид углерода. 
В стадии, завершающей этот цикл, воздух на осушку вводят через 
клапан 8 и выводят в кабину через клапан 9. Осушка воздуха идет в 
адсорбере 3. Силикагель в адсорбере 2 регенерируется. Операции 
многократно повторяют, изменяя направления движения очищаемого 
воздуха через систему адсорберов. 
В периоды простоя силикагелевых адсорберов и выделения диоксида 
углерода из цеолита очистка газа идет в параллельной системе, работающей 
со сдвигом во времени на одну стадию. 
Качество очистки воздуха от диоксида углерода из-за адсорбции его на 
горячем цеолите в этом процессе невелико. Но этот недостаток не является 
серьезным, ибо цель системы состоит не в том, чтобы очистить воздух, а в 
том, чтобы удалить из него то количество диоксида углерода, которое 
выдыхают люди. Низкую степень очистки компенсируют повышенным 
расходом воздуха, вводимого на очистку. 
Процесс осуществляют при практически атмосферном давлении. 
Температура цеолита в конце стадии нагрева составляет 250 – 300 ºC. 
Известны и другие системы этого назначения. Самым существенным 
отличием некоторых из них от системы, рассмотренной выше, является 
ориентация на хемосорбенты, которые способны к карбонат-бикарбонатному 
переходу. Такими сорбентами являются, например анионообменные смолы. 
Реакция смолы с диоксидом углерода протекает по следующей обратимой 
реакции: 
R-СО
3
+ СО
2
+ Н
2
О = R-(НСО
3
)
2
Вода, как видно из реакции, необходима для поглощения диоксида углерода. 
Ее предварительное удаление нецелесообразно. Система из-за отсутствия 
патронов с осушителем будто бы становится легче. Увы, скорость 
химической реакции сравнительно невелика, что нивелирует различия в весе 
систем с разными поглотителями.