Адсорбция в пищевых производствах

4.3.

Адсорбция в пищевых производствах

Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на поглощении газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми пористыми поглотителями.

Твердый пористый поглотитель называется адсорбентом, поглощаемое вещество – адсорбтивом.

Явление адсорбции объясняется наличием притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива. На границе раздела фаз, действуют неодинаковые силы притяжения со стороны молекул носителя и адсорбента. Молекулы адсорбтива, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают ее свободную энергию, в результате чего выделяется тепло.

Силы притяжения со стороны адсорбента могут быть либо физическими (Ван-дер Ваальсовы) или химическими. Соответственно этому различают адсорбцию физическую или химическую.

При физической адсорбции выделяется незначительное количество теплоты. Физическая адсорбция обратима (десорбция). После химической адсорбции обратимый процесс практически неосуществим.

Разновидностью адсорбции является капиллярная конденсация. Капиллярная конденсация зависит от связей вещества, находящихся на поверхности твердого поглотителя в жидком состоянии.

Если жидкость смачивает поверхность адсорбента, то происходит конденсация пара с заполнением объема капилляров этой жидкостью. Явление капиллярной конденсации основано на понижении давления p_нас над вогнутой поверхностью жидкости в капилляре. Перечисленные виды адсорбции сопутствуют друг другу.

Количество вещества, поглощаемого адсорбентом, определяется состоянием равновесия и зависит от природы адсорбента и адсорбтива, концентрации адсорбтива в исходной смеси, , T, а также влажности адсорбента

Адсорбция чаще всего применяется при малых концентрациях адсорбтива в исходной смеси, когда требуется возможно более полное его поглощение. При высоких исходных концентрациях адсорбтива процессу адсорбции нередко предшествуют другие поглотительные процессы (например, абсорбция), с помощью которых концентрация распределяемого компонента в распределяющей фазе снижается до достаточно низкой величины, после чего и ведется глубокая доочистка газа, жидкости методом адсорбции.

Адсорбция используется для очистки газовых (жидких) смесей от нежелательной примеси или для выделения этой примеси в качестве целевого продукта; оптимальной является реализация совместно обеих целей, т.е. приближение технологии к безотходной.

Особенностью процесса адсорбции является его избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из парогазовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в других условиях, их десорбцию, т.е. выделение нужного компонента из твердой фазы в более или менее чистом виде.

Благодаря селективности поглощения различных компонентов адсорбция является одним из эффективных процессов разделения.

После осуществления адсорбции, как правило, производят десорбцию поглощенного компонента. Это позволяет вновь использовать освобожденный от компонента адсорбент. Промышленные адсорбенты чаще всего очень дороги, так что одноразовое их использование экономически невыгодно, иногда — просто недопустимо. После десорбции обычно необходимо провести активацию адсорбента, чтобы восстановить его адсорбционные свойства. Стадии десорбции и активации адсорбента составляют регенерацию. После регенерации адсорбент готов к повторному использованию.

4.3.1. Равновесие в процессах адсорбции

Природа сил, вызывающих адсорбцию может быть различной. При адсорбции происходит концентрация молекул поглощаемого вещества на поверхности адсорбента под действием Ван-дер-Ваальсовых сил. Этот процесс часто сопровождается конденсацией паров поглощаемого вещества в капиллярных порах адсорбента, присоединением молекул поглощаемого вещества по месту ненасыщенных валентностей элементов, составляющих кристаллическую решетку адсорбента, и другими процессами. Независимо от природы адсорбционных сил на величину адсорбции влияют следующие факторы: природа поглощаемого вещества, температура, давление и примеси в фазе, из которой поглощается вещество.

Согласно основным положениям массопередачи, равновесные соотношения при адсорбции должны выражать зависимости между концентрацией адсорбированного твердым телом вещества – адсорбатом и равновесной концентрацией поглощаемого вещества из парогазовой смеси или раствора – адсорбтивом. Если поглощаемым веществом является газ или пар, то равновесную концентрацию в парогазовой смеси можно заменить парциальным давлением.

Наиболее просто равновесные соотношения при адсорбции выражаются уравнением Ленгмюра

или уравнением Фрейндлиха

Последнее уравнение может быть преобразовано к виду:

где p- парциальное давление поглощенного вещества в парогазовой смеси,; - равновесная концентрация в парогазовой смеси или растворе; а, b, k, А, n, В - константы определяемые опытным путем.

Концентрацию иногда называют адсорбционной емкостью или активностью адсорбента. На равновесные соотношения при адсорбции оказывают влияние следующие факторы.

Природа поглощаемого вещества существенно влияет на равновесие при адсорбции. Кривые типа при постоянной температуре называют изотермами адсорбции. Считается правилом, что равновесная концентрация тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа, а в случае раствора – чем меньше растворимость поглощаемого вещества в жидкости.

Температура и давление также относятся к весьма существенным факторам, влияющим на равновесие. С повышением температуры равновесная концентрация уменьшается, с повышением давления - увеличивается. С ростом давления в паро-газовой фазе равновесная концентрация увеличивается.

Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. Установлено, что при адсорбции двух или нескольких веществ обнаружено, что адсорбируются все компоненты смеси, причем степень адсорбции каждого компонента ниже, чем адсорбция индивидуального вещества в тех же условиях, а соотношения их концентраций в адсорбенте будут обратно пропорциональны их относительной летучести.

Адсорбенты характеризуются статической и динамической активностью. После некоторого периода работы адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент и наблюдается «проскок» компонента через слой адсорбента. С этого момента концентрация компонента в отходящей парогазовой смеси возрастает вплоть до наступления равновесия.

Количество вещества, поглощенного единицей массы адсорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока», определяет динамическую активность адсорбента. Количество вещества, поглощенного тем же количеством адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия характеризует статическую активность.

Статическая и динамическаяй активности адсорбента зависят от температуры газа и концентрации в нем поглощенного компонента. Динамическая активность всегда меньше статической, поэтому расход адсорбента определяется по его динамической активности.

В процессе адсорбции может выделяться значительное количество тепла. Теплоту адсорбции обычно определяют опытным путем. Ее также можно вычислить по уравнению:

где - равновесные давления поглощаемого вещества над адсорбентом при соответствующих температурах.

содержание .. 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ..