2
Предисловие
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 251800
«Основные процессы химических производств и химической кибернетики»
(специализация 251802 «Мембранные технологии»). В нем
описываются
процессы очистки и разделения газовых и жидких сред твердыми
материалами - адсорбентами, поглощающими молекулы нежелательных
веществ. Материал пособия входит в более широкий курс «Сорбционные
процессы», который предусматривает изучение, наряду с адсорбционными
процессами, процессов ионообменных, основанных на применении веществ,
поглощающих ионы,– ионитов.
Курс «Сорбционные процессы» и его раздел «Адсорбционные
процессы» введен для расширения образовательного
базиса студентов и
углубления их знаний в области диффузионных явлений и технологий,
смежных с мембранной очисткой и разделением газов и жидкостей.
Пособие состоит из двух разделов: «Физико-химические и инженерные
основы адсорбционных процессов» и «Технология адсорбционных
процессов». В области инженерной теории адсорбции и в технологии
адсорбционных процессов в последние десятилетия произошли большие
изменения. Отражение этих изменений на уровне учебного курса, по мнению
автора, представляет большой интерес; оно и было осуществлено в пособии.
Материал пособия изложен на познавательном уровне. Как правило, в
нем рассматриваются принципиальные вопросы, а именно: с
помощью
какого процесса можно решить некоторую практическую задачу, какой
адсорбент должен быть применен для ее осуществления, какие операции
надо провести, чтобы обеспечить достижение поставленной цели ? Это
главные вопросы прикладной адсорбции и с ответа на них начинается
проектирование
В области технической адсорбции имеется несколько хороших книг. К
ним относятся учебное пособие Е.Н.Серпионовой «Промышленная
адсорбция газов и паров», М.,1969 и монография Н.В.Кельцева «Основы
адсорбционной техники», М., 1984. Автор использовал их в своей работе.
Специфика этого пособия состоит в отражении того нового теоретического и
прикладного
материала, о котором говорилось выше, и в попытке
рассмотреть совокупность адсорбционных процессов как некоторое единство
взаимосвязанных элементов – процессов.
Автор благодарит заведующего кафедрой «Мембранные технологии»,
профессора Г.Г.Каграманова, при поддержке которого был введен курс и
написано пособие.
3
1.Физико-химические и инженерные основы адсорбционных
процессов
1.1.
Основные термины и определения
Адсорбент
– твердое тело, используемое в качестве средства очистки
(разделения).
Адсорбтив
(синоним:
адсорбат
) –
вещество, подлежащее удалению для
достижения эффекта очистки (разделения).
Объемная фаза
(синонимы:
поток, среда
) – среда, подвергаемая очистке
(разделению). Она представляет собой жидкость или газ.
Адсорбционный процесс заключается в приведении в контакт объемной
фазы и адсорбента, в ходе которого нежелательные молекулы объемной фазы
поглощаются адсорбентом, а объемная фаза становится чистой.
Это краткое описание процесса адсорбционной очистки предполагает, что
подвергаемая очистке объемная фаза представляет собой смесь компонентов,
один (одни) из которых поглощается лучше, чем другой (другие). Различия в
адсорбируемости
компонентов вытекают из различий в свойствах, строении
и структуре молекул объемной фазы, взаимодействующих с адсорбентом.
Свое проявление эти различия находят в
адсорбционной емкости
(синонимы:
адсорбционная активность, величина адсорбции, концентрация адсорбата в
адсорбенте)
, которая характеризует способность единичной массы (объема)
адсорбента поглощать компоненты очищаемой среды. В
работах
академического плана адсорбционную активность выражают в виде числа
молей адсорбата, поглощаемых 1 г адсорбента, что соответствует
размерности моль/г. В технологических исследованиях чаще используют
размерность г/100 г
,
указывая массу адсорбата, поглощенного 100 г чистого
адсорбента. (Часто этот способ выражения адсорбционной емкости
называют
весовым процентом). Для технологических расчетов самой удобной
размерностью емкости является г/м
3
,
т.е.
масса поглощенного адсорбата,
отнесенная к единице объема адсорбента.
Концентрацию вещества в объемной фазе выражают через массу
вещества, находящуюся в единице объема среды, г/м
3
. Другие способы
выражения содержания вещества в объемной фазе – это единицы давления,
весовая и объемная доли.
Обозначим величину адсорбции через Х, концентрацию в объемной фазе –
через С. Для предпочтительных размерностей, указанных выше,
отношение
переменных (К = Х/С) равно формально безразмерной величине, которую
будем назвать
коэффициентом распределения
адсорбата. В системах
адсорбент - адсорбат коэффициент распределения зависит от типа системы и
условий, в которых она находиться; он лежит в пределах 10
1
- 10
6
и выше.
Отношение коэффициентов распределения двух адсорбатов, находящихся в
смеси, называют
коэффициентом разделения.
Можно показать и это будет
сделано в одной из следующих глав, что коэффициенты распределения и
