Кинетика адсорбции

Стадии адсорбции:

• диффузия молекул адсорбтива из потока газа к внешней поверхности зёрен адсорбента (внешняя диффузия);
• проникновение молекул внутри пористого зерна поглотителя к местам сорбции (внутренняя диффузия);
• собственно сорбция на поверхности зёрен (протекает очень быстро в течение 10^-8 – 10^-9 с.

Уравнения, описывающие кинетику поглощения (кинетические уравнения), - это зависимости величины адсорбции от времени в реальном процессе.

Процессы поглощения

стационарные нестационарные

(в каждой точке поглотителя (реальные – непостоянство

концентрация адсорбата концентрации адсорбата)

постоянна)

Кинетика адсорбции в неподвижном слое поглотителя называется динамикой адсорбции.

Динамика адсорбции хорошо описывается моделью фронтальной отработки слоя адсорбента:

В слое адсорбента, на некоторой стадии процесса формируется и затем перемещается по слою участок конечной длины l, являющийся работающим слоем (зоной массопередачи), на котором происходит резкое изменение концентрации целевого компонента в проходящем газовом потоке, характеризующееся определённой формой концентрационной кривой (фронт сорбции, сорбционная волна). В виду конечной скорости адсорбции форма этой кривой в лобовом участке слоя постоянно изменяется до момента насыщения данного участка. После этого момента, при условии сохранения сформировавшихся условий образования концентрационной кривой, она перемещается вдоль слоя с постоянной скоростью, обеспечивая режим так называемого параллельного переноса адсорбционного фронта. По мере продвижения адсорбционнго фронта вдоль слоя сорбента, то есть постенного насыщения слоя адсорбатом, наступает момент проскока – появления за слоем сорбента «проскочившего», непоглощенного адсорбтива. Время появления за слоем адсорбента очищенного газа состава, соответствующего заданной проскоковой концентрации, называется временем защитного действия (τ_пр).

После этого происходит окончательное насыщение слоя адсорбента, выражающееся в нарастающем увеличении за его слоем концентрации адсорбтива, фиксируемом в виде выходной кривой (рис.20) – зависимость С/С_{0 в газ.фазе} от τ.

Для определения характера распределения концентраций поглощаемого вещества в газовой фазе и в слое адсорбента в данный момент времени необходимо составить и решить при соответсвующих начальных и граничных условиях систему уравнений материального баланса, изотермы и кинетики адсорбции, гидродинамики поцесса.

Для стационарного фронта сорбции при выпуклой изотерме и равновесном режиме используют уравнение Шилова:

τ = k∙L – τ₀ = k(L – h), где

τ – время защитного действия;

k – коэффициент защитного действия, k = 1/ω,

ω – скорость перемещения фронта сорбции;

τ₀₌ k∙h – время потери защитного действия слоя из-за диффузионного сопротивления;

h – величина, выражающая неиспользуемую ёмкость адсорбента в единицах высоты его слоя,

h = φ ∙ l, где

φ – фактор симметричности концентрационной кривой, определяемый как отношение площади над кривой к площади прямоугольника, в который она вписывается;

l - длина зоны массопередачи, величину которой можно найти по выходным кривым:

Для технологических расчётов необходимы даннные по равновесию адсорбции, которые находят в литературе, опредедяют расчётом или экспериментально.

Для поcтроения рабочей линии процесса необходимо знать динамическую адсорбционную ёмкость (а_д):

а_д = С₀∙ω₀∙τ, где

τ – время защитного действия, которое можно экспериментально определять по выходным кривым;

С₀ – исходная концентрация поглощаемого компонента;

ω₀ = Q/S – фиктивная скорость, м/час;

Q – расход газового потока, м³/час;

S – площадь поперечного сечения адсорбера: Q = S ∙ω₀

Для цилиндрического адсорбера со сплошным стационарным слоем адсорбента:

, отсюда

Дата добавления: 2014-01-07