Proces adsorpcji

Z Wikipedii

Adsorpcja zwana też sorpcją powierzchniową, jest procesem polegającym na powierzchniowym wiązaniu cząsteczek płynu ( cieczy lub gazu ) przez cząsteczki ciała stałego. Adsorpcję można również określić jako zjawisko gromadzenia się substancji rozpuszczonych w cieczy lub rozproszonych w fazie gazowej na granicy faz z ciałem stałym, gazem lub cieczą .

Sam proces adsorpcji zachodzi na powierzchni adsorbentu.Adsorbent jest to ciało charakteryzujące się bardzo rozwinięto powierzchnią, o dużej dyspersji zewnętrznej ( nieporowate), lub wewnętrznej ( porowate), mające zdolność wiązania cząsteczek płynu( adsorbatu ). Adsorbenty nieporowate ( cząsteczki dymów i sadza ) mają powierzchnię ok. 100 – 500 m2/g, adsorbenty porowate ( węgiel aktywny, żel kwasu krzemowego – silikażel) Ok. 10 – 1000 m2/g. Adsorpcja może zachodzić z fazy nieruchomej w warunkach statycznych lub z fazy ruchomej w warunkach dynamicznych. Wielkościami charakteryzującymi adsorbent są : zdolność adsorpcyjna – masa adsorbatu, która może być zaadsorbowana przez jednostkę masy adsorbentu, zależna od wielu zmiennych i wyznaczana doświadczalnie dla danego płynu i warunków ( ciśnienie, temperatura, rodzaj i czas zetknięcia).

We wszystkich przypadkach praktycznego wykorzystania adsorpcji krzywa równowagi ( najczęściej izoterma adsorpcji ) jest podstawową porównawczą charakterystyką różnych typów adsorberów i określa optymalny wybór roboczych warunków procesu.

Rozwiązania analityczne procesu adsorpcji są bardzo złożone i trudne do stosowania, z tego względu do obliczeń inżynierskich stosuje się zależności empiryczne lub półempiryczne pozwalające wyznaczyć czas i wymiary urządzenia. Dodatkowo możemy wyróżnić adsorpcję:

• chemiczną – chemisorpcję lub też adsorpcję aktywną, adsorbant jest wiązany z adsorbentem siłami międzycząsteczkowymi typu chemicznego
• fizyczną – adsorbant jest wiązany z adsorbentem siłami międzycząsteczkowymi typu fizycznego ( Van der Waalsa ) .

Najważniejsze czynniki procesu adsorpcji to :

• zdolność adsorpcyjna: zależy od typu, struktury porowatej, i rozmiaru adsorbentu, oraz własności substancji pochłanianej ( ciśnienia parencjalnego, temperatury procesu)
• szybkości ustalania się równowagi adsorpcyjnej
• od powierzchni właściwej adsorbentu – nawet do 1000 m2/g

[edytuj] Urządzenia stosowane w procesie adsorpcji – adsorbery

Adsorpcja jest stosowana do rozdzielania mieszanin zawierających nieznaczną ilość substancji pochłanianych. Dzięki ogromnej powierzchni właściwej adsorbentu możliwe jest całkowite pochłonięcie składników, których wydzielenie przez absorpcję byłoby niemożliwe z powodu zbyt małego stężenia w mieszaninie.
Adsorber jest to urządzenie służące do prowadzenia procesu adsorpcji. Stosuje się go w celu:

• oczyszczania gazów, cieczy lub roztworów z niepożądanych domieszek ( usuwanie związków siarki lub gazów trujących, oczyszczanie i odbarwianie olejów jadalnych)
• adsorbowaniu cennych składników z mieszaniny gazów, cieczy lub roztworów ( np. odzyskiwanie rozpuszczalników) . Adsorber jest to najczęściej pionowy, cylindryczny aparat wypełniony częściowo ziarnem adsorbentem ( węglem aktywnym, żelem kwasu krzemowego, ziemią bielącą ( okrzemkową) ), przez który przepuszcza się mieszaninę substancji gazowych lub ciekłych, a po pewnym czasie regeneruje się adsorbent Procesy zachodzące w adsorberach możemy podzielić na okresowe i ciągłe.

Stosuje się adsorbery:

• z nieruchomą warstwą adsorbentu
• z ruchomą warstwą adsorbentu
• z ruchomą warstwą adsorbentu w stanie fluidalnym

Proces adsorpcji dzieli się na:

• adsorpcję właściwą
• regenerację adsorbentu

W układzie ciągłym proces adsorpcji prowadzi się z udziałem kilku adsorberów. Adsorbery przejmują kolejno pracę a w pozostałym czasie przebiega proces regeneracji. Adsorbery są wypełnione adsorbentami, których właściwości i dane techniczne zostały przedstawione w tabeli. Adsorpcję prowadzi się przeważnie w adsorberach z nieruchomą warstwą wypełnienia, proces prowadzony jest okresowo w cyklu adsorpcja – regeneracja. Jeżeli adsorbent spoczywa na ruszcie. Przed warstwą adsorbentu spoczywa warstwa żwiru ( 0,1-0,2 m) o stopniowo zmieniającej się średnicy ziaren ( od 0,03 do 0,01 m). Od góry warstwę adsorbentu przykrywa się siatką.

Adsorbery pionowe mają średnicę do 3 m, a wysokość części cylindrycznej sięga 2m. Średnice adsorberów poziomych dochodzą do 2 m, a ich długości wynoszą od 3 do 10m. Wysokość warstwy adsorbentu wynosi od 0,5 do 1,2 m. Prędkość gazu przez nieruchomą warstwę adsorbentu wynosi od 0,2 do 0,6 m/s.

W przypadku adsorberów z ruchomą warstwą adsorbentów proces prowadzi się w sposób ciągły. Adsorber stanowią kolumny pionowe, w których adsorbent pod wpływem sił ciężkości przesuwa się z góry do doły kolumny. Wytrzymałość mechaniczna adsorbentu jest szczególnie ważna. Adsorbery z ruchomą warstwą adsorbentu wymagają dobrania odpowiedniej prędkości przesuwania warstwy adsorbentu, tak by strefa adsorpcji utrzymana została wewnątrz kolumny.

Jeżeli proces jest prowadzony w adsorberach z ruchomą warstwą wypełnienia w stanie fluidalnym, jest łatwiejszy do przeprowadzenia niż przypadku adsorpcji ciągłej z ruchomą warstwą adsorbentu. Może być prowadzony w sposób okresowy lub ciągły. Problem stanowi produkcja wytrzymałego na ścieranie adsorbentu. Do podstawowych cech należy płynność złoża, upodabniająca się do płynności cieczy, oraz duża ruchliwość cząstek ciała stałego, a więc intensywne mieszanie. Intensywne mieszanie zapobiega się przegrzewaniu się adsorbentu. Opór hydrauliczny jest mały, więc prędkości przepływu gazu mogą być kilka razy większe niż w przypadku adsorpcji na wypełnieniu ruchomym.

[edytuj] Budowa i zasada działania adsorbera

Zawierające wodę powietrze jest osuszane i dopływa, na skutek powstałego podciśnienia, poprzez filtr przeciwpyłowy, do zbiornika lub pojemnika. Węgiel aktywny lub inny materiał stanowiący wypełnienie, pozostaje przy tym całkowicie suchy. Zachowuje zatem swoje zdolności wychwytywania par oleju podczas desorpcji zmagazynowanej wcześniej wody. Na skutek powstałego nadciśnienia suche, ale zawierające szkodliwe dla adsorbentu substancje powietrzne, przepływa przez wkładkę z zwęgla aktywnego. Węgiel aktywny absorbuje substancje szkodliwe ( np. pary oleju ). Następnie powracający strumień suchego powietrza przesuwa stan równowagi wody ( pary ), desorbuje substancję adsorpcyjną, tym samym regeneruje większą jej część.