39. Адсорбция. Физико – химические методы адсорбции. Низкотемпературная адсорбция в технологии некоторых производств

Физико-химические методыадсорбции Адсорбцией называется процесс поглощения какого-либо вещества из газа или

раствора поверхностным слоем твердого тела или жидкости. На практике в большинстве случаев под адсорбцией понимают поглощение газов, паров или растворенных веществ из растворов твердыми поглотителями. Этот процесс широко используется в промышленности для осушки воздуха и других технологических газов, удаления из них двуокиси углерода, очистки газов от примесей предельных и непредельных углеводородов, получения чистых инертных газов (аргона, неона, гелия и др.), для очистки масел и т. д.

Адсорбция осуществляется как при положительных, так и отрицательных температурах. Температурный режим процесса зависит от свойств и агрегатного состояния

поглощаемых компонентов, от поглотительной способности поверхности адсорбента, а также от технологических условий производства.

Вещество, обогащающее поверхность, называется адсорбатом, а вещества, на поверхности которых собирается адсорбат, называются адсорбентами. Концентрирование адсорбата на поверхности адсорбента происходит в результате их взаимодействия. В зависимости от природы действующих сил различают два вида адсорбции: физическую и химическую. Физическая адсорбция – результат действия дисперсных или электростатических сил. Если взаимодействие обусловлено химическими связями, т. е. молекулы поглощаемого вещества образуют химические соединения с адсорбентом, то такой вид адсорбции называется химической, или хемосорбцией. При физической адсорбции связь молекул адсорбата с адсорбентом менее прочная, чем при хемосорбции.

В ряде случаев невозможно провести четкую границу между физической и химической адсорбцией. Характер адсорбции одного и того же вещества на одном и том же адсорбенте зависит от условий процесса. Довольно часто физическая адсорбция предшествует химической – адсорбат, связанный с поверхностью физическими силами, затем закрепляется за счет образования химических связей.

Физическая адсорбция – процесс обратимый. Повышение температуры способствует удалению поглощенного вещества с поверхности, т. е. происходит десорбция. Химическая адсорбция, как правило, необратима. Десорбция с поверхности адсорбента возможна в результате разложения образовавшихся при хемосорбции поверхностных соединений. Так, при химической адсорбции кислорода углем при нагревании с поверхности удаляется не кислород, а окислы углерода.

Процесс адсорбции почти всегда сопровождается выделением тепла. В случае физической адсорбции теплота адсорбции всегда выделяется и составляет 10÷100 кДж/моль, т. е. соизмерима с теплотой конденсации поглощаемого компонента.

Так как при физической адсорбции теплота всегда выделяется, то кинетическая энергия молекул увеличивается и, как следствие этого, происходит затухание процесса адсорбции. Отсюда понятно, почему адсорбцию желательно проводить при низких температурах.

Широкое применение в качестве адсорбентов получили твердые пористые материалы, обладающие большой удельной поглощающей поверхностью:

– активированные угли (в виде гранул, мелких цилиндриков или порошка) получают из обычных углей путем сухой перегонки;

66

–силикагель – пористый гель кремниевой кислоты. Его получают при взаимодействии силиката натрия с 5÷10% раствором соляной кислоты при интенсивном перемешивании;

–цеолиты по химическому составу являются алюмосиликатами, кристаллы которых содержат поры малого диаметра;

Низкотемпературная адсорбция в технологии некоторых производств

Очистка воздуха от двуокиси углерода и ацетилена на установках получения жидкого кислорода. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре до давления 15÷20 МПа, подвергается осушке, охлаждается до температуры 258÷243 К и поступает в установку для получения жидкого кислорода. В сжиженном воздухе, находящемся под высоким давлением, возрастает растворимость СО2. Поэтому при охлаждении воздуха с высоким давлением до низких температур не происходит образования твердой углекислоты. При дросселировании охлажденный воздух сжижается, а углекислота переходит в твердую фазу. Фильтрование полученной суспензии в фильтре-адсорбере позволяет очистить жидкий воздух от твердой углекислоты. Жидкая фаза проходит через слой сорбента в адсорбере для поглощения растворенного ацетилена, поступившего в

виде незначительной примеси с атмосферным воздухом.

67

40. Применение холода в нефтяной и газовой промышленности

Искусственный холод в газовой промышленности применяют для подготовки газов к транспортировке, в процессах переработкигазов.

Подготовка газов к транспортированию

Основная цель подготовки газов к транспортировке – осушение, удаление механических примесей и углеводородного конденсата, являющегося ценным технологическим сырьем. Осушают газ вымораживанием влаги при температуре точки росы, значение которой ниже, чем минимально возможная температура в газопроводе. Для северных районов температуру газов понижают до минус 20÷минус 25°С, для зон с умеренным климатом до минус 5÷минус 10°С. Для понижения температуры используют прохождение газа, имеющего в пластах избыточное давление, через дроссельное устройство либо расширение в турбодетандере холодильной установки. При истощении естественных ресурсов используют холодильные установки с центробежным компрессором, работающие на пропане.

Переработка газов

Для сжижения природных газов чаще всего применяют трехкаскадные циклы: в верхней ветви каскада используют пропан, пропилен (минус 30÷минус 45°С); в средней – этан, этилен с температурами кипения минус 80÷минус 100°С; в нижней ветви применяют метан. Температура кипения метана выбирается в зависимости от дальнейших условий использования сжижаемого природного газа Такая схема обеспечивает сжижение 93% газа, поступившего на обработку. Полученный переохлажденный поток сжиженного газа дросселируют до атмосферного давления и направляют в хранилище. Недостатком схемы является ее сложность, громоздкость теплообменной аппаратуры и необходимость наличия разнотипных компрессоров для хладагентов.

68

41. Применение искусственного холода в строительстве

Замораживание грунтов

Большой интерес представляет применение холода в строительстве туннелей, шахтных стволов, в метростроении, строительстве гидротехнических сооружений. При строительстве шахт, туннелей применяется замораживание подземных вод и водоносных грунтов, что увеличивает их прочность и создает вокруг будущего туннеля временное или постоянное льдогрунтовое защитное сооружение, которое служит водонепроницаемой перегородкой или подпоркой стены, выдерживающей давление воды и грунта. При строительстве гидротехнических сооружений холод применяется для создания мѐрзлого ядра в теле плотины, сохранения вечно мѐрзлого основания плотины и массивов береговых примыканий. Для замораживания грунтов в строительных целях наибольшее распространение получили установки умеренного холода.

Охлаждение бетонных сооружений

В процессе твердения бетона выделяется теплота, что влечет за собой растрескивание бетона. Для предотвращения растрескивания бетонную массу охлаждают в процессе изготовления либо охлаждают само бетонное сооружение в период выделения теплоты.

Для охлаждения бетонной массы охлаждают ее составляющие до смешения (гравий, щебень, песок) в бункерах либо на конвейерах с помощью воды или воздуха, для охлаждения которых используют холодильные машины. Можно также составляющие бетона охлаждать за счет испарения влаги в вакууме. Материалы помещают в ѐмкость, где

спомощью вакуумных насосов или центробежных компрессоров поддерживается низкое давление. В результате интенсивного испарения влаги с поверхности материалов температура их понижается. Иногда охлаждают бетонную смесь в бетономешалке, смешивая с дроблѐным льдом.

Бетонное сооружение охлаждают путѐм отвода теплоты от наружной поверхности при формировании конструкции путѐм послойного наращивания. В период между укладками слоѐв поверхность охлаждают воздухом или водой, используя естественный или искусственный холод.

Можно также использовать для охлаждения бетонной кладки систему трубопроводов

сциркулирующим хладоносителем или водой. В этом случае кладку возводят слоями большой толщины.

Искусственные ледяные катки

Одним из видов применения холода для охлаждения бетонных сооружений в какойто степени являются искусственные ледяные катки.

Искусственные ледяные катки различают по назначению и размерам, под открытым небом или в закрытых помещениях, а также многоцелевые и передвижные. Основным элементом катка является ледяное поле. Толщина намораживаемого льда равна 40 мм. В настоящее время используют основания катков из песчано-гравийной смеси, на которой уложены стальные или полиэтиленовые трубы. Между ними – песок или кирпичная крошка. Наиболее распространены конструкции с использованием монолитных железобетонных плит с полиэтиленовыми трубами внутри. В трубах циркулирует хладоноситель (чаще этиленгликоль).

69