Adsorpcija (iz tehnoloških operacija prekucano)

U procesnoj tehnici pod procesom adsorpcije podrazumeva se izdvajanje jedne komponente iz gasne smeše (ili rastvora) čvrstim poroznim telom – adsorbentom. Gas koji prelazi iz gasovite faze u čvrstu fazu naziva se adsorptiv. Procesi adsorbcije su uglavnom selektivni i reverzibilni, što znači da svaki adsorbent ima sposobnost da adsorbuje samo određene materija iz gaovite faze, dok ostale ne adsorbuje (ili ih adsorbuje samo u minimalnim količinama). Adsorbovana materija može se izdojiti iz rastvora adsorbenata desorpcijom – procesom koji je suprotanadsorpciji.

Adsorbenti su obično veoma porozne strukture usled čega je njihova specifična površina (površina jedinice količine ili površina jedinice zapremine), površina kontakata sa gasovitom fazom, jako velika. Kao adsorbent, u procesnoj tehnici, najčešće se koristi aktivni ugalj, pri čemu površina jednog grama aktivnog uglja varira od 200 do 1000 m2 i silikagel (gel silicijumske kiseline) kod koga površina jednog grama može da iznese i do 500 m2. Adsorbenti se u tehničke svrhe koriste ili u vidu zrna veličine 2 do 8 mm ili u vidu prašine čije su čestice dimenzija 50 do 200 µm.

Procesi adsorpcije mogu se vršiti u nepokretnom ili u pokretnom sloju zrnastog adsorbenta, a u zadnje vreme sve češće u fluidiziranom sloju. Adsorpcija u pokretno sloju, a naročito u fluidiziranom sloju vrši se znatno intezivnije nego u nepokretnom sloju, pa su odgovarajući aparati (adsorberi) znatno kompaktniji i efikasniji.

Osnovna karakteristika adsorbenata, sa gledišta njegove primene u procesnoj tehnici, je njegova aktivnost, tj. količina materije koja se adsorbuje jedinicom količine ili jedinicom zapremine odgovarajućeg adsorbenta. Razlikuju se statička i dinamička aktivnost. Statička aktivnost definiše se količinom adsorbovane materije u jedinici količine ili jedinici zapremine adsorbenta do postizanja ravnoteže gasovite i čvrste faze (s obzirom na posmatranu komponentu) pri zadatoj temperaturi i koncentraciji gasovite faze. Dinamiča aktivnost je karakteristika adsorbenta prilikom strujanja gasne smeše kroz sloj adsorbenta do trenutka kada adsorbovani gas (adsorptiv ) počne da prolazi kroz sloj čvrste faze. Prilikom strujanja gasne smeše kroz sloj adsorbenta u prvoj fazi procesa adsorbovani gas se potpuno izdvaja (adsorbuje) iz gasne smeše. Posle izvesnog vremena u izlaznom gasu pojavljuju se sve veće količine adsorptiva, a na kraju procesa (zasićeni adsorbent) koncentracija izlazne smeše postaje jednaka koncentraciji ulazne smeše (proces adsorpcije se više ne vrši) . U izvedenim adsorberima sa aktivni ugljem dinamička dinamička aktivnost čini od 85 do 95 % statiče aktivnosti, a u adsorberima sa silikagelom od 60 do 70 % statiče aktivnosti.

Nezavisno od vrsta i karaktera sila, koje izazivaju proces adsorpcije, pri dovoljno dugom vremenu odstranjivanja kontakta faza, dolazi do uspostavljanja adsorpcione ravnoteže, pri čemu

se može definisati određena zavisnost između koncentracije adsorbovane materije u čvrstoj fazi Xč (kmol adsorbovane materije/ kmol adsorbenata) i koncentracije te iste materije u gasovitoj fazi Y (koml adsorbovane materije/kmol inertnog gasa), koja je u kontaktu sa adsorbentom. Najčešće se ta zavisnost za određenu temperaturu može obuhvatiti izrazom :

Xč=AYr1/n,

gde su A i n konstante, koje se određuju eksperimentalnim putem. Ova zavisnost predstavlja ustvari ravnotežnu krivu za sistem čvrsta faza – gas, odnosno izotemu adsorpcije, kako je to već ranije bilo naglašeno.

Cela analiza materijalnog bilansa, određivanje radne linije, minimalnog protoka adsorbenta , teorijskog broja stupnjeva kontakta itd. može se sprovesti na identičan način kao i kod procesa adsorpcije.

Definisanje procesa razmene materije u procesu adsorpcije može se izvršiti na osnovu osnovnih zakona o transportu materije. Tako, smatrajući da se ukupni otpor prolaza materije sastoji iz otpora prelaza materije u gasovitoj fazi i otpora prelaza materije u čvrstoj fazi može se pisati :

Ky=

1

1βg

+AYXβč

gde je AXY konstanta fazne ravnoteže za odgovarajući sistem gas - čvrstu faza.

O značaju uticaja pojedinih otpora na ukupni otpor prolaza materije mogu se izvesti neki zaključci na osnovu izvedenih eksperimenata . Tako se na osnovu difuznog kriterijuma B i (D)

(Bitov broj za difuziju) :

Bi (D)=βg 1/Dun ,

gde su

1-karakteristika veličina zrna adsorbenta

βg- koeficijent prelaza materije u gasovitoj fazi

Dun- koeficijent unutrašnje difuzije adsorbenata

može reći :

a) za Bi (D) ≤ 0,1 odlučujuću ulogu ima prelaz materije u gasovitoj fazi,b) za Bi (D) ≥ 30 odlučujuću ulogu ima prelaz materije u čvrstoj fazi,c) za 0,1 < Bi (D) < 30 uticaji otpora u gasovitoj fazi i u čvrstoj fazi su veličine istog reda.

Na koeficijent prelaza materije u gasovitoj fazi βg od najbitnijeg uticaja je hidromehanički režim strujanja gasa (brzinsko polje). Analogija prelaza toplote i prelaza materije je i ovde u potpunosti zastupljena. Vrednost koeficijenata βg znatno raste sa prelaskom od laminarnog ka turbolentnom režimu strujanja. Rezultati eksperimentalnih istraživanja zavisnosti koeficijenata βg od brzine strujanja, dimenzija zrna adsorbenata i ostalih faktora dosta se dobro mogu uopštiti jednim kriterijalnim izrazom

NU(D) = ARen,

gde su

NU(D)= βg 1/Dun - Nusseltov broj difuzije

Re= w1/ν – Reynoldsov broj

A i n – za razne slučajeve eksperimentalno određene konstante.

Proces prelaza materije u čvrstoj fazi ( određivanje vrednosti koeficijenta β č) je znatno složeniji i u suštini se o tome malo danas zna, čak i u eksperimentalnom pogledu.

Za određivanje količine razmenjene materije, slično kao i kod procesa adsorpcije, češće se koriste, umesto klasičnog izraza

M= ky∆YsrF (kmol/h)

izrazi sa zapreminskim koeficijentima prolaza materije :

M= ky(V) ∆YsrVo= ky(V) ∆YsrFaplap (kmol/h)

gde su

Fap (m2) – poprečni presek aparata

lap (m) – visina aparata,

ky(V) (kmol/ m3h ) – zapreminski koeficijent prolaza materije.

Očigledno je, da se i zapreminski koeficijent prolaza materije može izraziti preko zapreminskih koeficijenata prelaza materije u čvrstoj i gasovitoj fazi :

Ky=

1

1βg (V )

+AYXβč (V )