Ugrás a tartalomhoz

Diffúziós műveletek

Dr. Gulyás Lajos (2011)

7.3. Adszorpciós műveletek

7.3. Adszorpciós műveletek

Az adszorpció alkalmazási területei igen széleskörűek a környezetvédelemben. Néhány a sokféle alkalmazás közül, például gőzök kinyerése gázokkal alkotott híg elegyükből, oldott anyag kinyerése és szennyezések eltávolítása oldatokból vagy gáz- és folyadékelegyek frakcionálása. A művelet kivitele lehet fokozatszerű és folytonos, és ugyanezek végezhetők szakaszosan, folyamatosan és félfolyamatosan. A tárgyalás anyagát akármelyik szempont szerint csoportosíthatjuk. A 3. táblázatban egy lehetséges felosztást adunk meg. Először két csoportra osztjuk a műveleteket aszerint, hogy az érintkezés fokozatszerű vagy folytonos. Mindkét csoportban vannak olyan műveletek, amelyek teljesen az előző fejezetekben már tárgyalt műveletek analógjai, így például ha egy gáz- vagy folyadékelegynek gyakorlatilag csak egyik komponense adszorbeálódik, a szétválasztás-számítás szempontjából analóg a gázabszorpcióval, ahol az elegyhez adott oldhatatlan fázis az adszorbens, az abszorpció esetében pedig a folyadék (abszorbens). Ha a fluidum (gáz vagy folyadék) mindkét komponense jól adszorbeálódik, a szétválasztás frakcionálással végezhető. Ez a művelet analógnak tekinthető a folyadék extrakcióval, ahol a rendszerbe adagolt oldhatatlan adszorbens megfelel az extrakciónál használt oldószernek. Ezekkel az analógiákkal a tárgyalás sok tekintetben egyszerűsíthető.

7.3. táblázat - 3.Táblázat. Adszorpciós műveletek csoportosítása

Érintkezés módjaKezelt fluidimErősen abszorbeált komponensek számaRelatív adszorptivitásMűveletek folyamatossága
FokozatszerűFolyadékokEgyNagySzakaszos és folyamatos
Folytonos
2.1. Állandósult állapotú (mozgó adszorbensréteg)Gázok Egy NagyFolyamatos
Folyadékok TöbbKicsi
Nem állandósult (nyugvó adszorbensrét.)GázokEgyNagyFélfolyamatos
FolyadékokTöbbKicsi

7.3.1. Fokozatszerű műveletek és berendezései

Az iparban a fokozatokból álló adszorpciót híg oldatoknál akkor alkalmazzák, amelyeknél az eltávolítandó oldott anyag az oldat többi alkotórészéhez viszonyítva erősen adszorbeálódik. A műveletet gyakran kontakt (adszorbciós) szűrésnek is nevezik. Jellegzetes művelet az értékes oldott anyagok kinyerése, vagy a nemkívánatos szennyeződések eltávolítása híg oldatokból. Ilyen lehet a jód kinyerése sós víz sűrítményből aktív szénnel, miután a jódot oxidációval felszabadították sóiból, vagy inzulin kinyerése híg oldatokból.

Mivel az oldott anyag egyensúlyi megoszlása az adszorbens felé gyakran rendkívül előnyös, az adszorpció nagyon hatásos eszköz az utóbbi cél elérésére, és a fokozatszerű adszorpció legtöbb ipari alkalmazása ebbe a csoportba tartozik. Jellegzetes példa a vizes cukoroldatok derítése aktív szénnel tiszta termék előállítása és a kristályosítás elősegítése céljából. Hasonlóképpen gyakran alkalmazzák az aktív szenet ivóvíz szagtalanítására, és számos környezetvédelmi probléma megoldására.

Amint azt az előzőekben már megállapítottuk, az egyes fokozatokban a két, egymásban oldhatatlan fázist az egyensúly megfelelő megközelítéséhez szükséges ideig intenzív érintkezésbe kell hozni, majd fizikai úton szét kell választani. Tehát itt is az érintkeztetés és szétválasztás felel meg egy fokozatnak, amit egy szuszpenzió keverésére alkalmas keverővel ellátott tartállyal és egy szűrőberendezéssel vagy egy ülepítő berendezéssel tudjuk a legegyszerűbben szakaszos üzemmódban kivitelezni. Az ülepítést elvégezhetjük magában a keverős tartályban is. A feladatok kivitelére használt készülékek aszerint különböznek, hogy mi a művelet célja. A szétválasztandó folyadékot és az adszorbenst a reakcióedényben a kívánt hőmérsékleten szükséges ideig alaposan összekeverjük, majd a zagyot leszűrjük, így az adszorbenst és adszorptívumot a folyadéktól elkülönítjük. A berendezés többfokozatú művelet elvégzésére is alkalmas, ha szükséges számban további tartályokat és szűrőket építünk be. Ha a műveletet folyamatosan akarjuk végezni, akkor a szűrőprések helyett centrifugákat vagy folyamatos dobszűrőt alkalmazhatunk, vagy pedig nagy ülepítő tartályban engedjük kiülepedni a nagyobb sűrűségű szilárd részecskéket.

Az adszorbens típusa a folyadéktól függ. Vizes oldatokat többnyire az elvégzendő feladatra alkalmas aktív szénnel kezelnek, szerves folyadékokat, például olajokat pedig rendszerint szervetlen adszorbensekkel (például derítőfölddel). Néha kevert adszorbenst is használnak. Kívánatos, hogy az adszorbens nagy szelektivitást mutasson az eltávolítandó anyaggal szemben, mert így kevesebb adszorbensre van szükség. Az adszorbenst híg folyadék oldatoknál mindig igen finomra őrölt por alakjában alkalmazzák, az előírás legtöbbször az, hogy teljes egészében áthulljon a 200 mesh szitán, de gyakran még ennél is finomabbra kell őrölni.

7.9. ábra - Az egyensúly beállása szakaszos adszorpciónál

7.9. Ábra. Az egyensúly beállása szakaszos adszorpciónál

Az egyensúly gyakorlati beállásához szükséges idő főleg a szilárd anyag koncentrációjától és szemcseméretétől, a folyadék viszkozitásától és a keverés intenzitásától függ. A keverésnek intenzívnek kell lenni, hogy az adszorbens részecskék gyorsan érintkezhessenek az egész folyadékkal, az érintkezés pedig annál gyorsabb lesz, minél nagyobb koncentrációban van jelen az adszorbens. Az áramlás turbulens legyen, hogy az adszorbens részecskék a folyadék főtömegéhez viszonyítva elmozduljanak. A turbulenciát terelőlapok beépítésével lehet növelni. Az örvényléssel párosult rotációs mozgás a részecskéket csak a folyadékkal együtt mozgatja, és így nem csökkeni az érintkezési időt. Ezen kívül az örvénylés által az oldatba bevitt levegőnek káros hatása is lehet, mert oxidálja az érzékeny szerves anyagokat. A nem adszorbeálódott oldott anyag maradék koncentrációja az oldatban rendszerint a 7.9. ábrán látható módon változik az időben. Kezdetben gyorsan csökken, és az egyensúlyi értéket aszimptotikusan éri el. A keverést a gyakorlatban az A időpontban hagyjuk abba, mert a további érintkeztetés alatt már csak jelentéktelen mennyiség adszorbeálódna. A szokásos idő a 10-30 perc. A szűrés alatt a keverést folytatni kell, nehogy a finomabb és durvább szemcsék szétülepedjenek. A keverés alatt a hőmérséklet a megengedhető legmagasabb legyen, mert magas hőmérsékleten kisebb viszkozitású oldatban egyrészt gyorsult az oldott anyag diffúziója, másrészt az adszorbens részecskék könnyebben mozdulnak el a folyadékban. Az egyensúlyi adszorpció mértéke rendszerint valamivel kisebb magasabb hőmérsékleten, de ezt ellensúlyozza az egyensúly jobb megközelítése. A műveletet néha a folyadék forráspontján végzik, ha ez a jelenlevő anyagokra nem káros. Nyers kenőolajok derítőföldes kezeléséhez az olaj-adszorbens elegyet csöves hőcserélőben 125-150 C°-ra, sőt a nehezebb olajfrakciókat 300-350 C°-ra is elő szokták melegíteni. Ha az adszorbeálandó anyag illékony, akkor a hőmérséklet igen érzékenyen befolyásolja az egyensúlyi adszorpciót. Az ilyen anyagokkal közönséges hőmérsékleten ajánlatos dolgozni. Mivel az oldat mennyisége az adszorbeált anyaghoz viszonyítva rendszerint igen nagy, az adszorpciós hő felszabadulása folytán előálló hőmérsékletemelkedés többnyire elhanyagolható.

Az adszorpció után az adszorbens feldolgozásának módja az adott rendszer tulajdonságaitól függ. A leszűrt iszapot rendszerint kimossák azért, hogy az iszapban ne maradjon vissza oldat, így viszonylag kevés adszorptívum távozik. Ha az adszorptívum a kívánt végtermék, akkor deszorbeálni kell az eredeti oldattól eltérő olyan folyadékkal, amelyben az adszorptívum jobban oldódik. Ezt úgy végzik, hogy az oldószerrel kimossák a szűrőben levő iszapot, vagy a szilárd anyagot diszpergálják az oldószerben. Ha az adszorptívum illékony, akkor úgy deszorbeálható, hogy csökkentjük az adszorbens parciális nyomását a szilárd anyag fölött, például gőznek vagy meleg levegőnek az adszorbensen való átfúvatásával. Ha az adszorbens aktív szén, ügyelni kell arra, hogy az átfúvatott levegő hőmérséklete ne legyen olyan magas, hogy a szén elégjen. A legtöbb színtelenítő (derítő) művelet esetében az adszorptívum értéktelen és nehezen deszorbeálható. Ilyenkor az adszorbensről az adszorptívumot leégetjük, majd az abszorbenst regeneráljuk. Rendszerint csak korlátozott számú regenerálást lehet végezni, mert ennek folyamán az adszorpciós képesség csökken, végül az adszorbens kimerül és le kell cserélni.

7.3.1.1. Egyfokozatú adszorpció

A művelet szakaszosan és folyamatosan is végezhető. Folyamatábrája a 7.10. ábra felső részén látható, a kör jelenti az egy fokozathoz tartozó összes készülékeket és berendezéseket. A művelet lényegében az egyfokozatú gázabszorpció vagy az egyfokozatú folyadék extrakció analógja.

7.10. ábra - Adszorpció ideális fokozatban

7.10. Ábra. Adszorpció ideális fokozatban

Mivel a felhasznált adszorbens mennyisége az oldat mennyiségéhez viszonyítva nagyon kicsi, és az eltávolítandó oldott anyag sokkal jobban adszorbeálódik rajta, mint a jelenlevő többi komponens, ezért az utóbbiak adszorpciója elhanyagolható. Az adszorbens nem oldódik az oldatban. A szétválasztandó oldat Fs (kg) tartalmazza a nem adszorbeálódó anyagot és az oldószert, melynek koncentrációja az adszorpció folyamán Y0-ról Y1-re csökken (kg oldott anyag/kg oldószer egységekben). A felhasznált adszorbens mennyisége Ss (kg) adszorptívumot nem tartalmazó szilárd anyag. Az adszorptívum koncentrációja X0-ról X1-re növekszik (kg adszorptívum/kg adszorbens egységekben). Friss adszorbens használata esetén X0 = 0, folyamatos műveletnél Fs és Ss mennyiségét (kg/s)-ban értjük. A gyakorlatban előforduló híg oldatok esetén a felsorolt mennyiségeket más egységekben is kifejezhetjük. Ha az adszorbeált oldott anyag színes, és koncentrációját önkényes egységekben fejezzük ki, az oldal koncentrációja megadható Y (színegység/kg oldat vagy m3/kg oldat) az adszorbensen megkötött, adszorptivum koncentrációja pedig X (színegység/kg adszorbens) egységekben. .Az oldatból eltávolított oldott anyag egyenlő az adszorbens által megkötött mennyiséggel.

(7.5)

X-Y koordinátarendszerben ez a munkavonal egyenes, amely átmegy az (X0, Y0) és az (X1, Y1) ponton, iránytangense pedig (-Ss/Fs). Ha a fokozat ideális vagy elméleti fokozat, a kilépő anyagáramok egyensúlyban vannak, vagyis az (X1, Y1) pont az adszorpciós izotermán fekszik. Ezt mutatja a 7.10 ábra alsó diagramja. Az egyensúlyi görbe a művelet végének hőmérsékletéhez tartozó izoterma. Ha az érintkezési idő túl rövid, és egyensúly nem áll be, akkor a kilépő folyadék és adszorbens koncentrációja valamilyen A pontnak felel meg (7.10. ábra), de legtöbbnyire igen közel jutunk az egyensúlyhoz.

A (7.5) egyenlet feltételezi, hogy a szűrés vagy ülepítés után az adszorbensen mechanikusan megtapadó (de nem adszorbeált) folyadék mennyisége elhanyagolható. Ez a feltevés a legtöbb adszorpciós műveletnél helytálló, minthogy a felhasznált szilárd anyag mennyisége nagyon kicsi a folyadék mennyiségéhez viszonyítva. Deszorpció esetén, ha a szilárd anyagon tapadó folyadék mennyisége elhanyagolható, szintén érvényes a (7.5) egyenlet, de ebben az esetben a 7.10. ábrán a munkavonal az egyensúlyi görbe alatt helyezkedik el. Ebben az esetben azonban előfordul, hogy a szilárd anyagban visszamaradó folyadék mennyisége, az összes műveletben résztvevő folyadék mennyiségnek tekintélyes része. Ilyenkor a kilúgozásra leírt számítási módszert kell követni. Az itt tárgyalt adszorpció típusra is gyakran alkalmazható a Freundlich egyenlet, különös tekintettel arra, hogy az adszorbeálható oldott anyag koncentrációja rendszerint kicsi. Az egyenlet a használt koncentrációegységekkel

(7.6)

illetve a kilépő anyagáramok koncentrációi közötti összefüggés

(7.7)

Mivel az adszorbens kezdetben rendszerint nem tartalmaz adszorptívumot, ezért X0 =0 a (7.5) egyenletbe behelyettesítve

(7.8)

Ennek segítségével adott Y0-Y1 koncentráció változásához kiszámítható az adszorbens/oldat arány. Vizsgáljuk meg a 7.11. ábrát. Ezen három tipikus Freundlich izotermát mutatunk be. Ha n = 1, az izoterma egyenes, ha , lefelé domború, ha , felfelé domború. Az oldott anyag koncentrációjának az oldatban, mindhárom esetben Y0-ról Y1-re kell csökkenteni.

7.11. ábra - Egyfokozatú adszorpció a Freundlich izotermákkal

7.11. Ábra. Egyfokozatú adszorpció a Freundlich izotermákkal

A három munkavonal az A pontból indul ki. A munkavonal iránytangense mindhárom esetben arányos az adszorbens/oldat viszonnyal. Általánosságban megállapították, hogy ha n értéke 2 és 10 között van, az adszorpció jól, ha 1 és 2 között, közepesen, ha 1 alatt van, nehezen végezhető el. Az utóbbi esetben ugyanis gyakorlati szempontból túl nagy mennyiségű adszorbens lenne szükséges az oldott anyag bizonyos mértékű kinyeréséhez.

7.3.1.2. Többfokozatú keresztáramú adszorpció

Adott mennyiségű oldott anyagot az adszorbens felhasználás szempontjából gazdaságosabban lehet eltávolítani, ha az adszorbenst nem egyetlen fokozatban, hanem több részletben adjuk az oldathoz, és az egyes fokozatok között szűrünk. Ezt a műveletet rendszerint szakaszosan végzik, bár folyamatosan is megvalósítható. Az adszorbens megtakarítás különösen fontos szempont, ha az adszorber drága. Az adszorbens felhasználás annál kisebb, minél több fokozatban dolgozunk, de ez egyúttal növeli a szűrés és egyéb kezelés költségeit is. Ezért kettőnél több fokozat alkalmazása ritkán gazdaságos. Egyes esetekben az adszorpció irreverzibilis, ekkor az egyes adszorbens adagok hozzáadása között nem kell szűrni, ami csökkenti az üzemeltetési költségeket. Ilyen eset azonban csak ritkán fordul elő. Ha közönséges reverzibilis folyamatban is megtakarítjuk a közbenső szűrést, az eredmény ugyanaz lesz, mintha az egész adszorbens mennyiséget egy fokozatban adagoltuk volna. Jellegzetes két elméleti fokozatból álló művelet folyamata és diagramja a 7.12. ábrán látható.

7.12. ábra - Kétfokozatú keresztáramú adszorpció

7.12. Ábra. Kétfokozatú keresztáramú adszorpció

Mind a két fokozatban ugyanazon oldatmennyiséget kezeljük először SS1 majd a második fokozatban SS2 kg adszorbenssel. A művelet eredményeképpen az oldatban az oldott anyag koncentrációja Y0-ról Y2-re csökken. Az 1. és 2. fokozat anyagmérlege

(7.9)

(7.10)

Ezek az ábrán látható munkavonalak egyenletei. A munkavonalak iránytangense megfelel az illető fokozatban felhasznált adszorbens mennyiségének. A szerkesztés kiterjesztése több fokozatra nyilvánvaló. Ha az egyes fokozatokban felhasznált adszorbensmennyiség ugyanakkora, a diagramon a munkavonalak egymással párhuzamosak lesznek. Ha feltételül szabjuk, hogy az összes adszorbens felhasználás minimális legyen, akkor az egyes fokozatokban az adszorbens adagolása nem lehet egyenletes, kivéve azt az esetet, ahol az egyensúlyi izoterma egyenes. Általános esetben a minimális adszorbens szükséglet iterálással határozható meg. Ha a Freundlich (7.4) egyenlet kielégítően írja le az adszorpciós izotermát, és mindegyik fokozatban friss adszorbenst használunk (X0 = 0), akkor két fokozat esetén a minimális összes adszorbens szükségletet közvetlenül meghatározhatjuk. Az 1. és 2. fokozatra

(7.11)

(7.12)

Az összes fajlagos adszorbens felhasználás

(7.13)

Ha az összes fajlagos felhasználás minimális, akkor

(7.14)

Mivel adott esetben m, n, Y0 és Y2 állandók, ezért ebből az következik, hogy

(7.15)

A (7.15) egyenletből kiszámíthatjuk a közbenső Y1 koncentrációt, az adszorbeált mennyiségeket pedig a (7.12) és a (7.13) egyenletekből kapjuk. A (7.15) egyenletet valamilyen iterációs módszerrel lehet megoldani.

7.3.1.3. Többfokozatú ellenáramú adszorpció

Ellenáramú művelettel még nagyobb adszorbens megtakarítást érhetünk el. Az n fokozatú művelet folyamatábrája és diagramja 7.13. ábrán látható. A rendszerbe belépő adszorbens kezdeti adszorptívum koncentráció Xn+1. Az oldott anyag mérlegegyenlete az n fokozatú berendezésre

(7.16)

A munkavonal átmegy a határkoncentrációkat jelentő (Xn+1, Yn) és (X1, Y0) pontokon, iránytangense pedig SS/FS. Az elméleti fokozatok számát a szokásos módon, az egyensúlyi görbe és a munkavonal közé rajzolható lépcsők számával nyerjük. Adott fokozatszám esetén viszont a szükséges adszorbens/oldat arányt a munkavonal iterációs elhelyezésével kapjuk meg. Deszorpció esetén (ami a gáz-folyadék rendszerekkel végzett műveletek közül a kigőzölésnek felel meg), a munkavonal az egyensúlyi görbe alatt helyezkedik el. Az a legkisebb adszorbens/oldat viszony, amellyel az adott koncentrációváltozás csak végtelen sok fokozatban érhető el, a minimális adszorbensarány. Ez az egyensúlyi görbén még az adott koncentrációtartományban metsző legkisebb iránytangensű munkavonalnak felel meg. Ha az egyensúlyi izoterma egyenes vagy felfelé homorú, mint a 7.14a ábrán, a metszéspont és a fokozatok sűrűsödése a rendszer nagyobb koncentrációjú végén van (az ábrán az A pontban). Ha az izoterma lefelé homorú, mint a 7.14b ábrán, a sűrűsödési hely egy érintési pont közelében jön létre, az ábrán például a B pontban, ha Y0 elég nagy. A helyzet a gázabszorpciónál megismert viszonyokhoz hasonló.

7.13. ábra - Többfokozatú ellenáramú adszorpció.

7.13. Ábra. Többfokozatú ellenáramú adszorpció.

A fokozatok számának növelésével az adszorbensszükséglet először rohamosan csökken, de a minimális értéket aszimptotikusan közelíti meg. A gyakorlatban, mivel a fokozatok között a szilárd anyagot ki kell szűrni a folyadékból, ritkán gazdaságos kettőnél több fokozattal dolgozni. Bár a műveletet elvileg folyamatosan kellene végezni, a valóságban rendszerint szakaszosan dolgoznak, mégpedig úgy, hogy az oldat egy részletét már egyszer használt adszorbenssel kezelik, majd szűrés után az adszorbenst vagy regenerálják, vagy megsemmisítik. A szűrletet az előzővel megegyező mennyiségű friss oldószerrel kezelik,

7.14. ábra - Kétfokozatú ellenáramú adszorpció

7.14. Ábra. Kétfokozatú ellenáramú adszorpció

ennek eredményeképpen nyerik a végső oldatot és a következő adag friss oldathoz az egyszer használt adszorbenst. Több ciklus befejezése után (felfutási periódus) a viszonyok éppen olyanok lesznek, mint a valódi folyamatos művelet esetén, az eredményes alkalmazásnak azonban feltétele, hogy az egyes anyagáramok mennyisége és koncentrációja az egyes ciklusok folyamán a megfelelő fokozatokban azonos legyen.

Kis anyagmennyiségek esetén a feldolgozandó oldat mennyisége az egyes adagokban jelentősen különbözhet. Ezen kívül az egyes adagok feldolgozása között hosszabb idő telhet el, emiatt a részben felhasznált adszorbenst tárolni kell az egyes fokozatok között. Főként az aktív szén jelentős mértékben károsodhat a tárolás közben oxidáció, az adszorptívum polimerizációja vagy egyéb kémiai változás miatt. Ilyen esetekben célszerűbb keresztáramot alkalmazni. Az adszorbens szükséglet analitikusan is meghatározható, ha az egyensúlyi görbét kielégítő pontossággal le lehet írni algebrai egyenlettel. Gyakran használható itt is a (7.4) Freundlich egyenlet. Az utolsó fokozatba rendszerint friss adszorbenst vezetnek be (Xn+1 = 0). Egy jellegzetes ellenáramú kétfokozatú kaszkádot a 7.15. ábrán mutatunk be.

7.15. ábra - Kétfokozatú ellenáramú adszorpció

7.15. Ábra. Kétfokozatú ellenáramú adszorpció

Anyagmérlege az oldott anyagra

(7.17)

Alkalmazva a (7.6) egyenletet az első fokozatból kilépő anyagra

(7.18)

A (7.17) és (7.18) egyenletekből

(7.19)

A második elméleti fokozat munkavonala, a 7.15. ábrán látható egyenlete

(7.20)

Fejezzük ki a (7.20) egyenletből az SS/FS-t, és tegyük egyenlővé a (7.19) egyenlettel, eredményül kapjuk:

(7.21)

A (7.21) egyenlet adott Y0 és Y2 végkoncentrációk esetén megoldható az Y1 közbenső koncentrációra, és ezzel kiszámítható SS/FS a (7.19) egyenletből. Az adszorbens-megtakarítás, az egyfokozatú művelethez viszonyítva annál nagyobb, minél nagyobb az n értéke.

7.3.2. Folytonos, nem állandósult állapotú, nyugvóréteges adszorbció

Folyamatos érintkeztetésű műveleteknél a fluidum és az adszorbens az egész berendezésben folytonosan érintkezik, a fázisok időnkénti szétválasztása nélkül. A művelet elvégezhető szigorúan folytonosan, állandósult állapotban. Erre jellemző, hogy a szilárd anyag és a fluidum is áramlik. Mivel a szilárd részecskék folyamatos szállítása, amely az állandósult állapotú műveleteknél szükséges, kényelmetlen és viszonylag drága, ezért gyakran gazdaságosabb a szétválasztandó fluidumelegyet nyugvó adszorbensrétegen átáramoltatni. Amint növekszik az ilyen nyugvó rétegen átáramoltatott fluidum mennyisége, az adszorbensen megkötött oldott anyag mennyisége is nő, tehát a viszonyok nem állandósultak. Ez az adszorpciós módszer nagyon elterjedt a környezetvédelemben, és egymástól nagyon különböző területeken alkalmazzák. Így a veszélyes és/vagy értékes oldószergőzöket nyerhetünk ki levegőből, gázokból, aminek igen nagy szerepe van a levegőtisztaság-védelem területén is. Használják ezt az eljárást gázálarcokban a levegő tisztítására, továbbá gázok és folyadékok vízmentesítésére, ásványi és növényi olajok derítésére, oldatokból az értékes oldott anyagok feldúsítására és még sok más helyen.

7.3.2.1. Adszorpciós hullám

Vizsgáljunk meg egy kétkomponensű gázelegyet vagy kétkomponensű folyadék oldatot, amelynek egyik komponense jól adszorbeálódik. A jól adszorbeálódó komponens koncentrációja legyen C0. A fluidumot folyamatosan engedjük átfolyni egy viszonylag magas, eredetileg adszorptívumot nem tartalmazó adszorbensrétegen. Az adszorbensréteg legfelső része, amely a belépő tömény oldattal érintkezik, az oldott anyagot kezdetben gyorsan és erősen megköti, és ami kevés oldott anyag még visszamarad az oldatban, az gyakorlatilag teljesen adszorbeálódik a lejjebb elhelyezkedő adszorbensrétegeken. Az adszorbens aljáról távozó fluidum gyakorlatilag nem tartalmaz oldott anyagot, amint azt a 7.16 ábrán a C0 helyen láthatjuk. Az adszorptívum eloszlását az adszorbensrétegben az ábra felső részén levő vázlaton mutatjuk be. A vízszintes vonalak viszonylagos sűrűsége jelenti az adszorptívum relatív koncentrációját.

Az adszorbens legfelső rétege gyakorlatilag telített, az adszorpció legnagyobb része pedig egy viszonylag rövid adszorpciós zónában zajlik le, amelyben az adszorbens koncentrációja gyorsan változik. Mialatt az oldat tovább áramlik felülről lefelé, az adszorpciós zóna is felülről lefelé halad, mint egy hullám, és haladási sebessége rendszerint sokkal kisebb, mint a fluidum sebessége. Egy későbbi időpontban, amelyet az ábrán a b-vel jelölt vázlat mutat, az adszorbens rétegnek körülbelül a fele már telítődött az oldott anyaggal, de a kilépő fluidum Cb koncentrációja gyakorlatilag még mindig nulla. A (c) ábrával jelzett időpillanatban az adszorpciós zóna elérte az adszorbens oszlop alját, és a kilépő fluidumban az oldott anyag koncentrációja hirtelen mérhető Cc értékre ugrott. Azt mondjuk, hogy a rendszer elérte az úgynevezett áttörési pontot. A kilépő fluidum oldott anyag tartalma most már gyorsan nő, amíg az adszorpciós zóna áthalad az adszorbens oszlop alján, és a (d)-nél ábrázolt időpillanatban már gyakorlatilag elérte a kezdeti C0 koncentrációt. A kilépő fluidum koncentráció görbéjének c és d közötti szakaszát áttörési szakasznak nevezzük. Ha az oldatot tovább áramoltatjuk az adszorbensen keresztül, a bekövetkező adszorpció már csekély, mert az adszorbens gyakorlatilag teljes egészében egyensúlyban van a belépő folyadékkal.

7.16. ábra - Az adszorpciós hullám

7.16. Ábra. Az adszorpciós hullám

Ha ugyanezzel a módszerrel gőzt adszorbeáltatunk egy gázelegyből adiabatikus módon, a felszabaduló adszorpciós hő hatására egy hőmérséklethullám halad végig az adszorbens oszlopon, bizonyos mértékig az adszorpciós hullámhoz hasonlóan, és az adszorbens hőmérsékletének emelkedése a fluidum kilépési helyén gyakran használható az áttörési pont jelzésére. Folyadékok adszorpciója esetén a hőmérséklet emelkedése rendszerint kicsi. Az áttörési szakasz alakja és a megjelenéséhez szükséges idő nagymértékben megszabja a nyugvó réteges adszorber üzemeltetésének módját. A görbék többnyire S-alakúak, lehetnek meredekebbek vagy laposabbak, bizonyos esetekben lehetnek torzultak is. Ha az adszorpciós folyamat végtelenül gyors volna, a 7.16. ábra alján látható áttörési görbe függőleges egyenes lenne. Az adszorpciós folyamat sebessége és mechanizmusa, az adszorpciós egyensúly jellegzetessége, a fluidum áramlási sebessége, a betáplált oldatban az oldott anyag koncentrációja és különösen, ha a betáplált fluidum tömény, az adszorbens réteg magassága, mind befolyásolják egy adott rendszer áttörési görbéjének alakját. Az áttörési pont egyes esetekben nagyon határozott, máskor meg elmosódott. Az áttörési idő általában csökken, ha csökkenjük az adszorbens réteg magasságát, növeljük az adszorbens szemcseméretét, növeljük a folyadékáramlási sebességét, és növeljük a betáplált anyag töménységét. Van egy kritikus minimális adszorbens rétegmagasság, amelytől kisebb rétegmagasság esetén a kilépő fluidum megjelenésétől kezdve hirtelen nő az oldott anyag koncentrációja. Új berendezések üzemeltetésekor célszerű az adott rendszer áttörési pontjának és áttörési görbéjének kísérleti meghatározása az üzemihez hasonló körülmények között.

7.3.2.2. Gőzök adszorpciója

A nyugvóréteges adszorberek egyik legfontosabb alkalmazása az oldószergőzök levegőbe való kijutásának megakadályozása és az értékes oldószergőzök visszanyerése. Oldószerekkel, például alkohollal, acetonnal, szén-diszulfiddal, benzollal telített szilárd anyagokat az oldószernek levegőáramba való elpárologtatásával szárítanak, az oldószergőzt pedig visszanyerik, ha a keletkezett gőz-gáz elegyet aktívszén adszorbensen áramoltatják át. Az aktívszeneknek ezekkel a gőzökkel szemben mutatott adszorpciós képessége rendkívül előnyös, úgyhogy a gőz kinyerése gyakorlatilag teljes, 99—99,8%-os a híg, 0,5—0,05 tf.% gőzt tartalmazó gázelegyekből is. Így jóval a robbanási határ összetétele alatt dolgozhatunk és a környezetet sem szennyezzük. A legtöbb ilyen típusú adszorpciós üzemben célszerű az energiaköltségek csökkentésére kis nyomásesésű adszorbensréteggel dolgozni. Ezért inkább szemcsés, mint por alakú adszorbenst használnak. Az adszorbensréteg viszonylag alacsony (30— 90 cm) és nagy keresztmetszetű. A gázáramlási sebessége 0,25—0,55 m/s körül van. Jellegzetes adszorpciós készüléket mutatunk be a 7.17. ábrán.

7.17. ábra - Adszorber az oldószergőzök visszanyerésére

7.17. Ábra. Adszorber az oldószergőzök visszanyerésére

A gőz-gáz elegyet szükség esetén 30-35 C°-ra hűtik, és eltávolítják belőle azokat a porszemcséket, amelyek az adszorbensréteget eltömhetnék. Ha az áttörési görbe meredek, a kilépő levegőt, amely gyakorlatilag gőzmentes, ki lehet engedni a szabadba, egészen addig, amíg az áttörési pontot el nem érjük. Ekkor a belépő gőzáramot második adszorberbe vezetik, az elsőt pedig regenerálják. Ha az áttörési görbe olyan lapos, hogy az áttörési pontban az adszorbens tekintélyes része még nincs telítve adszorptívummal, akkor az első adszorbert sorba kapcsolják egy második adszorberrel, és a gázt mindkettőn átáramoltatják, egészen addig, amíg az első adszorberben levő adszorbens gyakorlatilag teljesen nem telítődik. Ekkor a belépő gázelegyet a sorba kapcsolt második és harmadik adszorberen áramoltatják át, az első adszorbert pedig regenerálják.

A gáz bevezetésének megszüntetése után az aktívszenet rendszerint kisnyomású vízgőz átfúvatásával regenerálják. A gőz átfúvása közben csökken az adszorbens fölött az oldószer gőz parciális nyomása, és a vízgőz kondenzációja szolgáltatja a deszorpcióhoz szükséges hőmennyiséget. A kilépő vízgőz-oldószergőz elegyet kondenzálják, és ha az oldószer vízben oldhatatlan, dekantálással, ha oldható, rektifikálással nyerik ki a keletkezett vizes oldatból. A deszorpció befejezésekor az aktív szén adszorbeált vízzel van telítve. Ezt a vizet az oldószergőz-gáz elegy bevezetésekor az oldószergőzök kiszorítják, az adszorpció közben felszabaduló hőmennyiség a víznek a levegőbe való elpárologtatósára használódik fel, így az adszorbens hőmérséklete alacsony értéken tartható. Ha a nedvesség jelenléte az oldószergőz adszorpcióját zavarja, akkor az oldószergőz bevezetése előtt az adszorbenst forró levegővel kiszárítják, majd hideg levegővel lehűtik.

Nedves gázok víztartalmát aktivált szilikagélen, timföldön vagy bauxiton átáramoltatva lehet eltávolítani. Erre a célra közepes magasságú adszorbensoszlopot szoktak használni, főleg ha a gáz nyomása elég nagy, mert az előálló nyomásesés ilyenkor csak töredéke az összes nyomásnak. Az adszorbenst tartalmazó oszlopok körülbelül 10 m magasak. Ilyen esetekben több adszorbenst tartó tálcát kell beszerelni egymástól 1-1,5 m távolságban, hogy a nyomásesés hatására az adszorbensréteg kevésbé nyomódjon össze. Miután az adszorbens gyakorlatilag elérte a maximális nedvességtartalmat az adszorbenst hőközléssel regenerálni kell. Ezt úgy oldják meg, hogy az adszorbensbe ágyazott csőkígyókon keresztül vízgőzt, vagy forró levegőt áramoltatnak, vagy forró gázt fúvatnak a rendszerbe. Gazolin, petróleum és más hasonló folyadékok is vízteleníthetők aktivált timföldön átáramoltatva. Az adszorbens túlhevített (230 C°-os) vízgőzzel, majd gőzsugár injektorral előállított vákuum alkalmazásával regenerálható.

7.3.2.3. Folyadékok adszorpciója, perkolálás

A folyadékok vízmentesítését nyugvó adszorbensrétegen, ásványolaj termékek, mint kenőolajok, transzformátorolajok, valamint növényolajok derítését is rendszerint derítőföldes perkolálással végzik. A cukoroldatokat csontszenes perkolálással hamumentesítik és színtelenítik. Ezen kívül még sok folyadékkal végzett műveletben használják ezt a félfolyamatos módszert. Ebben a műveletben az adszorbensréteget szűrőnek nevezik. Az adszorbenst domború vagy kónikus fenekű, állóhengeres tartályban helyezik el, a tartály átmérője eléri a 5 m-t, magassága pedig a 10 m-t. Derítőföld esetén az adszorbens réteg 50 tonna adszorbenst is tartalmazhat. A szemcsés adszorbenst szita vagy lyuggatott lemezzel alátámasztott szövet tartja. A folyadék rendszerint felülről lefelé áramlik a nehézségi erő vagy felülről alkalmazott nyomás hatására. A művelet kezdetén a folyadékot egy ideig állni hagyják az abszorbensen, hogy a folyadék kiszoríthassa az adszorbens részecskéi közül a levegőt a perkolálás megkezdése előtt. Színtelenítő műveleteknél az első kilépő folyadékban a szennyezés koncentrációja az előírtnál rendszerint sokkal kisebb, az áttörési görbe pedig többnyire lapos. Ezért úgy szoktak eljárni, hogy a kilépő folyadékot a szűrő alatt gyűjtőtartályban addig gyűjtik, amíg az összegyűlt folyadék eléri a maximálisan megengedett szennyezéstartalmat. Ez alatt az idő alatt az adszorbens a lehető legnagyobb mértékben telítődik az adszorptívummal. Ha az adszorbens reaktiválásra szorul, a folyadék áramlását megszüntetik, és a szűrön levő folyadékot leengedik. Ezután az adszorbens megfelelő oldószerrel kimosható, például cukorfinomító szűrök esetén vízzel, ásványolajtermékek esetén benzinnel. Szükség esetén ezután az oldószert vízgőzzel való átfúvatással eltávolítják, majd az adszorbenst a szűrőből kiszedik. Az adszorbens minőségétől függően hevítéssel vagy más alkalmas eljárással reaktiválják.

7.3.2.4. Ipari kromatográfia.

Vizsgáljunk most egy olyan oldatot, amely két oldott anyagot tartalmaz, és ezt a két anyagot akarjuk szétválasztani. Ha ennek az oldatnak egy kis részletével egy megfelelő adszorbenssel töltött magas adszorbens oszlopot perkolálunk, mindkét oldott anyag adszorbeálódik az oszlop tetején, az oszlop alsóbb rétegei pedig gyakorlatilag adszorptívummentesek maradnak. Az oszlopból kilépő oldat gyakorlatilag egyik oldott anyagot sem tartalmazza. Ha most friss oldószerrel, (eluenssel) akár az eredeti oldat oldószerével, akár más alkalmas folyadékkal perkoláljuk az adszorbenst, a gyengébben adszorbeálódott oldott anyag deszorbeálódik az oszlop legfelső rétegéből. Az alsó rétegekben elhelyezkedő, még telítetlen adszorbensen azonban ismét megkötődik. A két eredeti anyag tehát szétvált két adszorpciós sávra, és külön-külön visszanyerhető, ha az anyagokat az eredeti friss oldószerrel vagy alkalmas eluenssel egymás után kimossuk az oszlopból. Ezt a módszert igen jelentős analitikai eljáráson kívül fontos ipari műveletekben is alkalmazzák.

A nyugvó adszorbens üzemeltetésénél a gyakorlatban rendszerint nem vezetik egyensúlyig a telítődést. Többnyire a leválasztandó komponensnek az adszorbensréteg felett mérhető minimális koncentrációját, az úgynevezett áttörési pontot írják elő az adott technológiánál, a hozzá tartozó úgynevezett dinamikus telítettséggel, ami értelemszerűen kisebb, mint az izotermával kifejezhető egyensúlyi telítettség. A dinamikus telítettség értékéhez ismerni kell az adszorpció sebességét. Az adszorbens rétegben a telítődés mindig egy úgynevezett zónában következik be. A zóna elején az elnyelendő komponens koncentrációja megegyezik a kezdeti koncentrációval, a zóna végén a koncentrációja zérus. Az adszorpció során ez az anyagátbocsátási zóna, más néven működő réteg vagy adszorpciós front elmozdul. Ez a zóna végül is időben az egész rétegen végighalad. Az adszorpciós idő befejeződik, azaz a réteg védőhatása megszűnik, amikor a réteg végén mérhető koncentrációban megjelenik az elnyelendő komponens koncentrációja. Ezt nevezzük a réteg áttörésének. Azoknál az adszorbens-adszorptívum rendszereknél, amelyekre felülről nézve konvex izoterma a jellemző, az adszorpciós zóna önmagával párhuzamosan mozdul el, a kialakult frontnak az úgynevezett zónavándorlási sebessége (v) tehát állandó. Az állandó előrehaladási sebesség a tömegmérlegből számítható

(7.22)

ahol vv az anyagáram valódi sebessége, ε a réteg szabadtérfogat tényezője és c* a c0 kezdeti koncentrációhoz tartozó egyensúlyi koncentráció. A folyamat megkezdése előtt rendszerint tapasztalati adatokra kell támaszkodni. Ha ezek hiányoznak, akkor kísérletekkel kell meghatározni a telítődési viszonyokat, így az egyensúlyt kifejező izotermát, a réteg porozitását és az áramlási sebességet, amely különböző megfontolások miatt ritkán nagyobb 0,3 m/s-nál. Különösen igaz a kísérletezésre vonatkozó megállapítás, ha egyidejűleg több komponens adszorbeálódik, és csere adszorpció következik be. A csere adszorpció egyúttal a deszorpcióra is technológiai lehetőséget ad, amikor a jobban kötődő anyaggal kiűzik a gyengébben kötött komponenst. Ezen az elven alapszik a gyakorlatban elterjedt vízgőzös deszorpció, amikor az adszorbensen megkötött szerves oldószereket 105-110˚C-ú vízgőzzel nyerik vissza.

Nyugvóréteges adszorberek üzemeltetéséhez, valamint az adszorpciós ciklusok hosszának meghatározásához ismerni kell az áttörési pontban az egyensúlytól való eltérést. Ehhez viszont tudni kell az áttörési pont eléréséhez szükséges időt és az áttörési görbe alakját. Vezessük be az alábbi egyszerűsítéseket, az adszorpció híg oldatokból történik, az egyensúlyi adszorpciós izoterma az oldatkoncentrációt ábrázoló tengely felé homorú, az adszorpciós zóna magassága az oszlopon való végighaladása közben állandó, és az adszorbens oszlop magassága az adszorpciós zóna magasságának többszöröse. Sok ipari alkalmazás eleget tesz ezeknek a feltételeknek. Itt a tárgyalás során folyadék elegyekről lesz szó, de az elmélet gáz elegyekre szintén érvényes. Vizsgáljuk meg a 7.18 ábrán látható idealizált áttörési görbét.

7.18. ábra - Idealizált áttörési görbe

7.18. Ábra. Idealizált áttörési görbe

Ezt úgy nyerjük, hogy G (kg/s) tömegárammal, Y0 (kg kivonandó anyag/kg vivő folyadék) kezdeti koncentrációjú folyadék áramlik egy adszorbensrétegen át. Az oldott anyagot nem tartalmazó kiáramló folyadék W (kg) mennyisége egy adott időintervallum elteltéig, a berendezés egységnyi keresztmetszetére számítva. Miután megjelent az oldott anyag a kiáramló folyadékban, a koncentrációja gyorsan növekszik nulláról a kezdeti koncentrációt megközelítő értékre. Önkényesen kiválasztunk egy YB értéket, ez lesz az áttörési ponthoz tartozó koncentráció, valamint egy Y0-hoz közeli YE értéket, és az adszorbenst gyakorlatilag telítettnek tekintjük, ha a kilépő folyadék koncentrációja eléri ezt az értéket. Vizsgáljuk meg az áttörés pillanatáig átáramlott folyadék mennyiségét jelölő WB értékét valamint a görbe alakját WB és WE között. A szilárd rétegen áthaladó folyadék mennyisége az áttörés pillanatától a kimerülési pontig W0=WE-WB. Az adszorpciós zóna Za állandó magassága az adszorbens oszlopnak azt a részét jelöli, amelyben a koncentráció időről időre YB-ről YE-re változik. Jelölje ta azt az időt, amely alatt az adszorpciós zóna kialakulása után Za távolsággal lefelé vándorol.

(7.23)

Jelölje tE azt az időtartamot, amely a folyamat kezdetétől addig az időpontig tart, amíg az adszorbtívum eléri az adszorbens réteg alját, akkor

(7.24)

Ez az időtartam az adszorbens működési ideje. Ha az adszorbensréteg magassága Z (m) és tF az adszorpciós zóna kialakulásához szükséges idő, akkor

(7.25)

Az adszorpciós zónában az áttörési ponttól a telítési (kimerülési) pontig a folyadékból eltávolított oldott anyag mennyisége U (kg), az adszorbens egységnyi keresztmetszetére vonatkoztatva. Ez az anyagmennyiség a 7.18. ábrán a vonalkázott terület, és ennek értéke

(7.26)

Ha az adszorpciós zónában levő összes adszorbens teljesen telítve lenne, akkor az adszorpciós zónában a megkötött oldott anyag mennyisége Y0Wa (kg) oldott anyag a berendezés 1 m2-re. Tehát az áttörési pontnál, amikor az adszorpciós zóna még az oszlopban van, a zóna adszorbensének telítettségi foka, illetve a zóna adszorpciós képessége

(7.27)

Ha f = 0, tehát a zónában levő adszorbens gyakorlatilag telített, akkor az adszorbensréteg tetején a zóna kialakulásához szükséges tF idő egyenlő azzal a ta idővel, amely alatt az adszorpciós zóna a saját Za magasságával azonos utat lefelé megtesz. Másrészt viszont, ha f = 1,0, vagyis az adszorpciós zónában levő adszorbens gyakorlatilag nem tartalmaz oldott anyagot, akkor a zóna kialakulásához szükséges idő nagyon rövid, gyakorlatilag nulla. Ezeket a határfeltételeket a következő egyenlet írja le:

(7.28)

A (7.26) és (7.28) egyenletekből következik

(7.29)

A Z (m) magas és egységnyi keresztmetszetű adszorpciós oszlop ZρS (kg) adszorbenst tartalmaz, ahol ρS az adszorbens töltet látszólagos sűrűsége. Ha az egész adszorbens mennyiség egyensúlyban van, tehát az adszorbens teljesen telített, és az adszorptívum koncentráció eléri az XT (kg adszorptívum/kg adszorbens) értéket, akkor az adszorptívum tömege ZρSXT (kg). Az áttörési pontban a Za magasságú adszorpciós zóna még az oszlop belsejében, az oszlop alján van. Az oszlop többi része, Z - Za (m) magasságban teljesen telítve van. Az áttörési pontban tehát az adszorbeált oldott anyag mennyisége (Z-Z0SXT+ZaρSfXT (kg) . Az áttörési pontban az oszlop telítettségének mértéke tehát

(7.30)

A nyugvó adszorbensrétegben az adszorpciós zóna halad lefelé a szilárd anyagban. Képzeljük el e helyett, hogy a szilárd anyag mozog fölfelé az oszlopban a fluidummal ellenáramban olyan sebességgel, hogy az adszorpciós zóna helyben marad az oszlopban, amint a 7.19. ábra mutatja.

7.19. ábra - Egykomponensű, folyamatos ellenáramú adszorpció

7.19. Ábra. Egykomponensű, folyamatos ellenáramú adszorpció

Itt azt láthatjuk, hogy az oszlop tetején kilépő adszorbens egyensúlyban van a belépő gázzal, a kilépő gázból pedig az összes oldott anyagot sikerült kinyerni. Ehhez végtelen magas oszlopra lenne szükség, de mi elsősorban az adszorpciós zóna határain uralkodó koncentrációkat kívánjuk vizsgálni. A munkavonal egyenlete az egész oszlopra

(7.31)

vagy

(7.32)

Mivel a munkavonal a 7.19b ábra origóján megy keresztül, az oszlop bármely keresztmetszetében az oldott anyag Y koncentrációja az oldatban és X koncentrációja az adszorbensen a következőképpen függ össze

(7.33)

A differenciális dZ magasságú oszloprészben az adszorpció sebessége

(7.34)

Az adszorpciós zóna átviteli egységszáma, ÁESz száma

(7.35)

ahol ÁESz az átbocsátási egységek száma az adszorpciós zónában, és az ÁEM az átadási egységmagasság, KY a teljes anyagátadási tényező, és ap az adszorbens fajlagos felülete. Bármely Za-nál kisebb Z értékre, feltéve ha ÁEM értéke nem függ a koncentrációtól.

(7.36)

A (7.36) egyenlet segítségével, az integrálok értékének grafikus meghatározása után megrajzolható az áttörési görbe.

A levezetés elején felsorolt megszorításokon kívül az elmélet érvényességét nagymértékben befolyásolja, hogy KYap vagy ÁEM mennyire független a koncentrációk értékétől az adszorpciós zónában. Ez természetesen attól függ, hogy a fluidumban és a pórusokban viszonylag mennyire állandók az ellenállások az anyagátvitellel szemben.