ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ГАЗА

ДЕСОРБЦИЯ

Десорбция идет более полно и с большей скоростью при повышенной температуре и пониженном давлении.

При выпуклой изотерме адсорбции основное количество вещества десорбируется в начальной стадии процесса, затем скорость десорбции резко падает, что согласуется с уравнением (20.29), в соответствии с которым точки с наибольшей концентрацией в газе [c*(X_н)] имеют наибольшую скорость, а точки с меньшей концентрацией запаздывают, в результате чего за основной частью выходящего вещества будет находиться «хвост» с постепенно уменьшающейся концентрацией (рис. 20-11, а). В случае вогнутой изотермы десорбируемое вещество выходит более компактно, что также объясняется влиянием вида изотермы на скорость движения концентрационных точек (рис. 20-11,6).

Методы регенерации адсорбентов можно подразделить на низкотемпературную термическую регенерацию, высокотемпературную термическую, химическую, вытеснительную и регенерацию понижением давления. Низкотемпературную термическую регенерацию адсорбентов проводят их обработкой перегретым или насыщенным острым водяным паром либо газами при температуре 100-400^оС.

Часть водяного пара, подаваемого на десорбцию, идет на нагрев адсорбента и аппарата, на компенсацию теплоты адсорбции и отрицательной теплоты смачивания. Другая, несконденсировавшаяся часть пара уносит десорбированное вещество из аппарата. С помощью водяного пара обычно регенерируют активный уголь. Силикагели, алюмогели и цеолиты регенерируют продувкой при повышенной температуре.

Выбор температуры регенерации определяется энергией связи адсорбат-адсорбент, необходимой полнотой десорбции, термической стойкостью адсорбента и временем

Рис. 20-11. Профили концентраций в потоке при десорбции для выпуклой и вогнутой (б) изотерм

регенерации. Чем выше энергия связи между молекулами адсорбата и адсорбента и полнее требуется десорбция, тем более высокой должна быть температура регенерации. За пороговую температуру, ниже которой процесс регенерации осуществлять нецелесообразно, принята величина, при которой половина адсорбата удаляется в вакууме в течение 10 мин.

В случае, если низкотемпературная регенерация не позволяет достаточно полно удалить поглощенное вещество, что характерно, например, для отработанных активных углей после водоочистки, прибегают к высокотемпературной термической регенерации, которая заключается в обработке адсорбента различными газами, например СО₂, при высокой температуре (t > 400 °С). В процессе высокотемпературной регенерации адсорбат разлагается, а продукты его деструкции удаляются. В жестких условиях высокотемпературной регенерации частично меняется также и структура адсорбента.

Химическую регенерацию проводят обработкой адсорбента жидкими или газообразными реагентами при умеренных температурах (t < 100 °С). В качестве реагентов используют кислоты, щелочи, различные окислители.

При вытеснительной десорбции адсорбент обрабатывают растворителем, который, лучше адсорбируясь, чем поглощенное вещество, вытесняет его и вымывает.

Если изотерма адсорбции не крутая, регенерацию можно проводить без одвода теплоты, снижая давление в аппарате, что приводит к увеличению движущей силы процесса. Процессы десорбции, подобно процессам адсорбции, проводят в неподвижном, кипящем или плотно движущемся слое. Расчет процесса десорбции проводят с целью определения времени десорбции (в случае периодического процесса) и расхода десорбирующего агента.

В наиболее распространенных методах десорбции слой адсорбента нагревают до заданной температуры и затем продувают при практически постоянной температуре газом или паром. В случае изотермической десорбции в неподвижном слое для расчета профиля концентраций и времени процесса применимы уравнения (20.50) и (20.51). В более сложных случаях используют опытные данные.

ИОННЫЙ ОБМЕН

Ионный обмен можно рассматривать как гетерогенную химическую реакцию и представить в виде примера следующими уравнениями:

а) катионный обмен:

; (20.56)

б) анионный обмен:

; (20.57)

Промежуточное положение между катионитами и анионитами занимают амфолиты, которые включают кислотные и основные ионогенные группы, выступая (в зависимости от условий проведения процесса) в роли катионита или анионита.

В соответствии со степенью ионизации в растворе катиониты делятся на сильнокислотные (КУ) и слабокислотные (КБ); аниониты подразделяют на высокоосновные (АВ) и низкоосновные (АН).

По степени пористости синтетические иониты можно подразделить на гелевые и макропористые. Макропористые иониты обладают гораздо более развитой пористой структурой, чем гелевые, что значительно ускоряет транспорт вещества внутри гранулы.

При контакте ионообменных смол с растворами электролитов подвижные противоионы замещаются на эквивалентное количество ионов раствора электролита, например по уравнениям (20.56) и (20.57). В зависимости от противоиона, которым насыщена ионо-обменная смола, различают Н-форму, Na-форму, Са-форму и т. п. для катионитов и соответственно ОН-форму, Cl- форму и т. п. для анионитов. Отметим, что активные группы находятся во всем объеме ионитов. Трехмерная структура ионита представляет собой как бы губку, в порах которой при набухании находятся растворитель и противоионы. Для обмена ионы раствора должны продиффундировать в матрицу и обменяться с ее противоионами.

Кинетические свойства ионообменных смол и их обменная емкость зависят также от строения матрицы. В зависимости от сшивки углеводородных цепей меняется набухаемость ионита. Увеличивая степень сшивки, можно добиться такого размера элементарной ячейки матрицы, когда диффузия ионов внутрь ионита будет невозможна из-за их размеров. В этом случае ионный обмен возможен только на поверхности частицы ионита. Матрица ионита вместе с фиксированными ионами в растворах представляет собой твердый нерастворимый полином, заряд которого компенсируется зарядами противоионов противоположного знака.

У катионитов фиксированные ионы заряжены отрицательно, у анионитов- положительно.

Сильнокислотные катиониты способны к обмену ионов в щелочной, нейтральной, кислой средах. В качестве фиксированных ионов сильнокислотные компоненты обычно содержат группу SO₃.

Слабокислотные катиониты способны к обмену катионов только
при pH ≥ 7. В качестве фиксированных ионов они имеют различные слабодиссоциирующие группировки, например – СОО^-.

Сильноосновные аниониты способны к обмену в широком диапазоне pH. Эти аниониты наиболее часто содержат в качестве фиксированных ионов группу N⁺.

Слабоосновные аниониты способны к обмену анионов только при pH < 7. К ним относятся аниониты с первичными, вторичными и третичными аминогруппами: - .

Некоторые иониты содержат одновременно сильно- и слабо- диссоциирующие активные группы.

Ионообменные смолы обладают большой емкостью, химической стойкостью и механической прочностью. Изменяя состав активных групп и матрицы, получили ионообменные смолы самых различных свойств.

Равновесие при ионном обмене. Сорбционную способность ионитов оценивают полной обменной емкостью, рабочей и равновесной обменной емкостью. Полная обменная емкость равняется общему числу ионогенных групп на единицу массы или объема ионита (экв/г или экв/см³) и представляет собой предельную сорбционную способность ионитов. Рабочая емкость не является чисто статической (равновесной) характеристикой ионита, так как представляет собой среднюю рабочую концентрацию сорбированного иона, отнесенную ко всему объему ионита в неподвижном слое при проведении неравновесного сорбционного процесса. Рабочая концентрация зависит как от статических факторов, так и от скорости массопередачи.

Равновесная концентрация в ионите меньше полной обменной емкости, когда обратная реакция ионного обмена считается полностью подавленной. На равновесную концентрацию влияют все факторы, определяющие химическое равновесие реакции ионного обмена, включая величину pH и температуру.

Равновесные концентрации контактирующих фаз в процессах ионного обмена, как и в случае адсорбции, связаны уравнением изотермы (рис. 20-12). Наиболее часто уравнение изотермы устанавливают на основе закона действующих масс. Взяв в качестве примера реакцию катионного обмена, записанную в общей форме:

,

получим уравнение изотермы

, (20.58)

где - константа равновесия; и - стехиометрические коэффициенты; X₁ и Х₂ - концентрации катионов Me₁ и Ме₂ в ионите, кг/кг; c₁ и c₂ - концентрации
катионов Me1 и Ме₂ в растворе, кг/м³.

Поскольку полученное уравнение содержит три независимые переменные, для получения уравнения изотермы вида или нужно
добавить два уравнения баланса вещества

X₁ + X₂ = X₀ c₁ + c₂ = c₀,

где Х₀ - полная обменная емкость ионита, кг/кг;
c₀ - суммарная концентрация катионов в растворе, кг/м³.

Рис. 20-12. Изотермы ионного обмена

Для случая обмена равнозарядных ионов уравнение изотермы принимает вид уравнения (20.44) при г = 1/К_и. Форма изотермы ионного обмена в соответствии с уравнением (20.44) определяется величиной константы равновесия.

Кинетика ионного обмена. Приведенный ранее анализ кинетики адсорбции в неподвижном слое сорбента применим и для ионного обмена. Как и в случае адсорбции, задача нахождения профиля концентраций в контактирующих фазах, длины слоя или времени процесса заключается в решении системы уравнений материального баланса (20.19), кинетики (20.20) и изотермы (20.56). В случае равнозарядных ионов решение задачи кинетики ионного обмена и ленгмюровской адсорбции в отсутствие продольного перемешивания представляется едиными уравнениями (20.46) и (20.47), различающимися лишь выражением фактора разделения r. В случае более сложных изотерм решение системы уравнений кинетики обычно находят численным методом с помощью ЭВМ.

Кинетика ионного обмена в неподвижном слое адсорбента, как и в случае адсорбции, может быть описана основным уравнением массопередачи (20.20). Отличительной особенностью кинетики ионного обмена является наличие стадии гетерогенной химической реакции, скорость которой обычно выше скорости диффузионных стадий процесса. Кроме того, следует учесть, что при ионном обмене скорость массопередачи часто лимитируется внутренним массопереносом.

В связи со сходством математического описания кинетики адсорбции и ионного обмена рассмотренные ранее основные методы расчета дсорбционных аппаратов применимы и для расчета ионообменной аппаратуры.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите наиболее рациональные области применения адсорбции.

2. Дайте характеристику основных промышленных адсорбентов.

3. Раскройте сущность статической и динамической активности адсорбентов.

4. Что понимают под адсорбционным потенциалом?

5. Охарактеризуйте равновесие при адсорбции. Раскройте принцип построения изотерм адсорбции.

6. Как составляется материальный баланс адсорбции?

7. Раскройте особенности кинетики процесса равновесной адсорбции.

8. Покажите устройство и принцип действия адсорберов с неподвижным слоем адсорбента.

9. Покажите устройство и принцип действия адсорберов с псевдоожиженным и плотным движущимся слоями адсорбента.

10. Перечислите методы регенерации адсорбентов.

11. Раскройте принципы и назовите стадии расчета адсорберов.

12. Сформулируйте основы ионного обмена.

ГЛАВА 21

СУШКА

Сушкой называется процесс удаления влаги из веществ (обычно твердых тел) путем ее испарения и отвода образующихся паров. Часто тепловой сушке предшествуют механические способы удаления влаги (отстаивание, фильтрование, центрифугирование и др.).

Во всех случаях при сушке в виде пара удаляется легколетучий компонент (вода, органический растворитель и т. д.). Этот процесс применяется обычно или на конечной стадии технологического процесса с целью обеспечения высоких физико-механических характеристик получаемых продуктов, или на промежуточных стадиях, если удаление растворителя необходимо по технологическим соображениям.

По физической сущности сушка является процессом совместного тепломассопереноса и сводится к перераспределению и перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию равновесия с окружающей парогазовой средой, поэтому его температура t _l, и влагосодержание в общем случае являются функцией времени (τ) и координат (х, у, z):

, (21.1) . (21.2)

Под влагосодержанием w ° понимают отношение массы влаги W, содержащейся в теле, к массе абсолютно сухого тела G_c:

w °= W /G_с.

В практике используют и понятие влажности w (в связи с тем что обычно удаляется не вся влага):

.

При малых значениях влагосодержания w °«1 величина 1 + w °≈1 и величины w и w ° практически не различаются. Зависимостью температуры влажного тела от времени можно пренебречь, если она становится равновесной много быстрее, чем влагосодержание.

Уравнения (21.1) и (21.2) описывают динамику нагрева и сушки тела. Их решения (в конкретных формах) даю т информацию о профилях температур и влагосодержания. Что касается кинетики процесса, то она характеризуется изменением средних по объему влагосодержаний и температур :

, (21.3) . (21.4)

При этом под интенсивностью сушки понимают ее скорость —d /dτ, которая по мере приближения к состоянию равновесия уменьшается (в дальнейшем знак минус перед производной —d /dτ опускается). Скорость процесса является функцией ряда факторов, и в первую очередь внутренней структуры материала и его тепло-физических свойств, размеров, формы и состояния внешней поверхности.

По способу подвода теплоты различают:

конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала и сушильного агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой (воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива), которая в процессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания;

контактную (кондуктивную) сушку, которая реализуется путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

радиационную сушку - путем передачи теплоты инфракрасным излучением;

сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);

диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты.

Следует отметить, что при любом способе организации процесса материал находится в контакте с влажным газом. Поэтому целесообразно рассмотреть физические свойства влажного газа. В большинстве случаев удалению из материала подлежит вода, поэтому обычно рассматривают систему сухой воздух-пары воды.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ГАЗА

Смесь сухого газа с парами жидкости называется влажным газом. Влажный газ характеризуют следующие параметры: температура; давление; плотность; относительная и абсолютная влажность; влагосодержание; теплоемкость; энтальпия.

Влажный воздух, который наиболее часто используют в качестве сушильного агента, можно считать при небольших давлениях и положительных температурах бинарной смесью идеальных газов: сухого воздуха и водяного пара. В соответствии с законом Дальто- на давление идеальной газовой смеси является суммой парциальных давлений ее компонентов:

Р = р_с.г. + р_п, (21.5)

где Р - давление, при котором находится парогазовая смесь; р_с.г., р_п. – парциальные давления сухого газа и водяного пара соответственно.

Пар называют свободным или перегретым при температуре t и давлении Р, если он не конденсируется в этих условиях. Максимально возможное содержание пара в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной температуре t и парциальном давлении р_н.п.

Различают абсолютную, относительную влажности и влагосодержание влажного воздуха.

Абсолютная влажность - это масса водяного пара в единице объема влажного воздуха. Поскольку пар как компонент бинарной газовой смеси занимает весь объем влажного газа, понятие абсолютной влажности совпадает с понятием плотности пара ρ_п (в кг/м³) при температуре t и парциальном давлении р_п.

Относительная влажность (φ) - это отношение количества паров жидкости в газе к максимально возможному при данных температуре и общем давлении или (что то же) отношение плотности пара р_п при данных условиях к плотности насыщенного пара ρ_и.п при тех же условиях:

. (21.6.)

По уравнению состояния идеального газа для пара в свободном и насыщенном состояниях имеем

, (21.7)

Подстановка зависимости (21.7) в уравнение (21.6) приводит к следующему выражению:

(21.8)

Под влагосодержанием х понимают количество пара жидкости (в кг), приходящегося на 1 кг абсолютно сухого газа:

, (21.9)

где - масса (массовый расход) пара, кг (кг/с); L масса (массовый расход) абсолютно сухого газа, кг (кг/с).

Выразим величины и L через уравнение состояния идеального газа:

, .

Тогда соотношение (21.9) преобразуется к виду

, (21.10)

Учитывая, что = Р — р_п, имеем

(21.11)

Так как , получим:

(21.12)

Для системы водяной пар-воздух уравнение (21.12) преобразуется (при М_п = 18 кг/моль и М_{с г} = 29 кг/моль) к виду

. (21.13)

Удельная теплоемкость влажного газа принимается аддитивной величиной теплоемкостей сухого газа и пара. При этом различают Удельную теплоемкость с_см, отнесенную к 1 кг парогазовой смеси:

. (21.14)

и удельную теплоемкость влажного газа c, отнесенному к 1 кг сухого воздуха (эту величину обычно используют при расчетах):

(21.15)

Здесь с_с.г - удельная теплоемкость сухого газа, Дж/(кг*К); с_п- удельная теплоемкость пара, Дж/(кг*К).

Удельную энтальпию (Н) парогазовой смеси (в Дж/кг) выражают также по правилу аддитивности как сумму удельных энтальпий сухого газа Н_с.г и пара Н _п:

(21.16)

Удельную энтальпию свободного (перегретого) пара опреде­ляют по следующему выражению:

, (21.17)

где с_ж - теплоемкость конденсата пара; t_н- температура насыщения, соответствую­щая парциальному давлению пара в парогазовой смеси; - удельная теплота парообразования при температуре насыщения; t_н - температура свободного (перегретого) пара.

Удельная энтальпия Н_н.п пара при температуре насыщения находится так:

. (21.18)

Для изолированной системы справедливо также равенство

. (21.19)

где - удельная теплота парообразования при 0°С.

С учетом выражений (21.18) и (21.19) уравнение (21.16) будет иметь следующий вид:

. (21.20)

Отметим, что уравнение (21.20) является базовым для построе­ния диаграмм энтальпия-влагосодержание (например, диаграмм: Рамзина-Молье для влажного воздуха).

При расчетах сушильных устройств требуется знать объемные значения потоков V при соответствующих параметрах парогазовой смеси, которые определяют из выражения

(21.21)

При этом плотность парогазовой смеси ρ_см можно представить как сумму концентраций (плотностей) сухого газа и пара жидкости, находящихся в данном объеме (при условии его постоянства):

. (21.22)

С учетом уравнения состояния идеального газа имеем

. (21.23)

Путем несложных преобразований с учетом (21.11) можно по­казать, что уравнение (21.23) приводится к виду

(21.24)

Формула (21.24) удобна для расчетов плотности парогазовой смеси. Согласно этому выражению при постоянстве общего давле­ния плотность смеси уменьшается при увеличении температуры и влагосодержания.

Отметим, что давление насыщенного пара при атмосферном давлении Р парогазовой смеси зависит только от температуры и находится по таблицам равновесия пар – жидкость.

Поиск по сайту: