Васютинский С.Ю. Теоретические основы разделения смесей. Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
101
ряду систем адсорбат — адсорбент и справедлива только в определенной области
изменения параметров а, Р, Т. Ниже кратко охарактеризованы теории равновесной
адсорбции, которые получили наибольшую известность и наиболее широкое приме-
нение, а также основные уравнения для этих теорий.
Уравнение Генри для изотермы адсорбции. При малых давлениях газа или
малых концентрациях вещества в газовой фазе величина адсорбции а
пропорциональна давлению или концентрации адсорбата в газовой фазе:
а = К ,Р
(6.7)
где Кг — константа Генри; Р — давление адсорбата.
Это уравнение называют уравнением Генри для изотермы равновесной
адсорбции. В начальной области заполнения, когда число адсорбированных молекул
так мало, что их взаимодействие отсутствует, или ничтожно мало, процесс адсорбции
обязательно описывается уравнением Генри. В связи с этим, любое теоретическое
уравнение изотермы равновесной адсорбции в пределе (при Р > 0) должно переходить
в уравнение Генри. Константа Генри Кг зависит от температуры, химической природы
компонентов системы адсорбент - адсорбат и определяется выражением:
+с, (6.8)
где ^ - дифференциальная теплота адсорбции;
К - газовая постоянная;
С- постоянная интегрирования.
Уравнение Фрейндлиха для изотермы адсорбции. В 1909 г. Н. Фрейндлих
предложил эмпирическое уравнение изотермы адсорбции чистого вещества:
а = К-Р"'\ (6.9)
где К
VI.
п - константы, зависящие от температуры и химической природы
компонентов системы адсорбат - адсорбент, причем, п имеет всегда положительное
целочисленное значение (О < 1/и <1).
Уравнение Фрейндлиха часто хорошо описывает изотермы адсорбции газов и
паров на неоднородных поверхностях в средней области заполнения адсорбционного
пространства. Однако этому уравнению присущи два недостатка: оно не переходит в
уравнение Генри в области малого заполнения (или малых Р), и не позволяет
определять предельное значение адсорбции а„ при больших Р. Опыт показывает, что в
области предельного заполнения адсорбционного пространства изотерма адсорбции
вещества всегда имеет вид отличный от параболы.
Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра. В основе теории Дж. Ленгмюра,
идеи которой опубликованы в 1918 г., лежат три постулата: поверхность твердого тела
представляет собой набор равноценных в энергетическом отношении адсорбционных
центров; на одном адсорбционном центре может адсорбироваться только одна
молекула газа или жидкости, т. е. на поверхности образуется монослой
адсорбированных молекул; взаимодействием между адсорбированными молекулами
можно пренебречь.
В своих работах Дж. Ленгмюр дал кинетический вывод уравнения изотермы
адсорбции; позднее Фолмер опубликовал термодинамический вывод уравнения
Ленгмюра, а Р. Фаулер и Э. Гуггенгейм получили это уравнение методами
статистической физики. Уравнение изотермы равновесной адсорбции Ленгмюра имеет
вид:
102
а = а^ЬР 1{\ + ЬР), (6.10)
где а - величина адсорбции (на единицу поверхности адсорбента);
а„ - предельная величина адсорбции при полном заполнении
мономолекулярного слоя на поверхности адсорбента, называемая емкостью
монослоя (а„ зависит только от рода адсорбента и адсорбата);
Ъ — константа уравнения Ленгмюра, которая зависит от температуры Г и рода
адсорбента.
Математически уравнение (7.10) представляет собой уравнение равносторонней
гиперболы, причем возможны два предельных случая:
ЪР « \ - область малых значений Р, где уравнение (7.10) переходит в уравнение
Генри для изотермы адсорбции,
а^а^Р ^ КгР-, (6.11)
ЪР » \ - область больших значений Р; в этом случае
(6,12)
Значит, при больших давлениях Р величина адсорбции на единицу поверхности
равна предельной величине адсорбции при полном заполнении мономолекулярного
слоя.
Уравнение Ленгмюра хорошо работает при расчете динамики поглощения
примесей из газовых смесей и используется при расчете аппаратов
воздухоразделительных и других криогенных установок. Несмотря на ограничительные
условия, заложенные при выводе уравнения Ленгмюра, в ряде случаев реальные
изотермы адсорбции газов на твердых адсорбентах удовлетворительно подчиняются
уравнению (7.10); поэтому на практике его часто используют в расчетах динамики
процессов поглощения примесей из газовых смесей.
Уравнение полимолекулярной адсорбции БЭТ. Теория БЭТ (Брунауэра, Эммета
и Теллера) явилась вторым шагом в развитии теории Ленгмюра. Авторы этой теории
отказались от второго постулата теории Ленгмюра. Они постулировали, что на одном
адсорбционном центре может адсорбироваться несколько молекул адсорбата и что во
втором и последующих слоях адсорбированные молекулы не взаимодействуют с
твердым телом, а взаимодействуют только одна с другой.
Эту энергию взаимодействия адсорбированных молекул можно охарактеризовать
теплотой конденсации адсорбата. Теория БЭТ создана для случая адсорбции паров, т. е.
при температурах Т < Г,. Уравнение БЭТ для изотермы полимолекулярной адсорбции
пара имеет вид:
а„с(Р/Р,)
где с = дехр[{д^ -Ь)/{КТ) —константа (§—энтропийный множитель; д, —
теплота адсорбции 1-го слоя; Ь — теплота конденсации адсорбата);
Р^ — давление насьпценного пара.
При мальгх Р / Р^ и с » ] уравнение БЭТ преобразуется в уравнение Ленгмюра
(6.10). Если Р / Рз мало ис « ], то уравнение (6.13) переходит в уравнение изотермы
адсорбции Генри (6.7).
103
Уравнение БЭТ обычно хорошо выполняется в области относительных давлений
Р/Рв= 0,05-0,25.
Теория Полями. Потенциальная теория Поляни разработана в 1914 г. и
сформулирована главным образом для дисперсионных сил взаимодействия, которые не
зависят от температуры. Поляни исходил из предположения, что адсорбированный газ
или пар находятся в сжатом состоянии под действием сил притяжения, и ввел понятие
адсорбционного поля и адсорбционного потенциала. Адсорбционное поле — это объем
вблизи поверхности твердого или жидкого тела, где действуют в основном дисперсион-
ные силы (объем адсорбционного пространства).
Каждой точке адсорбционного поля соответствует адсорбционный потенциал е,
который является функцией расстояния от этой точки до поверхности адсорбента и
представляет собой работу, необходимую для равновесного процесса перехода
вещества из состояния пара или газа в адсорбированное состояние. Поляни
постулировал, что при температурах ниже критической, весь адсорбат на поверхности
твердого тела находится в жидком состоянии, т. е. объем адсорбционного пространства
= где Где, — мольньш объем жидкости. Давление пара непосредственно над
поверхностью адсорбированной жидкости равно давлению Р^ насыщенного пара над
жидкостью при нормальных условиях. Если газовую фазу, равновесное давление
которой вдали от поверхности адсорбента равно Р, считать идеальной, то работа
перехода газа с поверхности жидкого адсорбата в равновесную газовую фазу, т. е. от
давления Р$ к давлению Р (работа против адсорбционных сил), составит
Р!
е = =\п{Р^ IР). (6.14)
р
Это уравнение является основным выводом теории Поляни. Важным положением
этой теории является и то, что объем адсорбционного пространства (Г и
адсорбционный потенциал е взаимосвязаны, и эта зависимость е = /(Ш), называемая
характеристической кривой, не зависит от температуры. Но теория Поляни не дает
уравнения для изотермы адсорбции в явном виде, и это является ее недостатком.
Теория объемного заполнения микропор (ТОЗМ). М. М. Дубинин с
сотрудниками разработали теорию равновесной адсорбции вещества на микропористых
адсорбентах; термодинамические аспекты этой теории разработаны Б. П. Берингом и
В. В. Серпинским. Согласно этой теории адсорбция характеризуется объемным
заполнением адсорбционного пространства микропор без последовательного
образования адсорбционных слоев. В связи с этим основным геометрическим пара-
метром микропористого адсорбента является объем микропор, а не их поверхность.
Рассматриваемая теория является термодинамической, и в основу ее положены такие
термодинамические функции, как свободная энергия, энтропия и энтальпия. Если для
вычисления изменений этих функций в качестве стандартного состояния принять
объемную жидкую фазу адсорбата, находящуюся в равновесии с ее насьпценным паром
при давлении Рв или летучести то дифференциальная максимальная мольная работа
адсорбции А равна по величине, но противоположна по знаку изменению свободной
энергии Гиббса ДО:
(6.15)
А = -ДС = КТЫ{Рз1Р).
6.3.2. Равновесная адсорбция многокомпонентных смесей веществ
На практике задачи очистки и разделения газов сводятся к процессам адсорбции
не одного вещества, а двух и более. При переходе к изучению равновесной адсорбции
104
многокомпонентных смесей резко возрастают трудности, связанные с увеличением
числа переменных, характеризующих адсорбционное равновесие в многокомпонентных
системах, по сравнению с адсорбцией чистых веществ. Теория равновесной адсорбции
из многокомпонентных газовых смесей в основном развивалась в направлении
обобщения теоретических концепций, разработанных для случая адсорбции одного
газового компонента на твердом адсорбенте, на случай адсорбции из
многокомпонентных газовых фаз. Так, Б. Маркгем и А. Бентон обобщили
классическую схему Дж. Ленгмюра на случай адсорбции бинарных смесей, сохранив
все предпосылки, положенные в основу модели Ленгмюра. Однако уже первые
попытки описать экспериментальные результаты их уравнениями бьши неудачны,
поскольку эти уравнения справедливы при условии равенства емкости монослоя для
всех компонентов, что термодинамически не подтверждается. Теория БЭТ бьша
обобщена на случай адсорбции газовой смеси Т. Хиллом и позже Б. П. Берингом.
Теория объемного заполнения микропор (в варианте Дубинина - Радущкевича) также
была обобщена для описания адсорбции смеси паров Б. П. Берингом, В. В. Серпинским
и С. И. Суриковой.
6.4. О применении процессов сорбции в криогенной технике и
технике разделения смесей
Процессы физической сорбции щироко применяют в криогенной технике для
осушки, очистки, разделения и хранения газов, а также для получения вакуума.
Рассмотрим подробнее технические задачи криогеники, решаемые с использованием
сорбционных процессов.
6.4.1. Осушка газов
Смесь газов, например воздух или природный газ, должна быть осушена перед
поступлением ее в разделительную установку. Для этого применяют адсорбционный
блок осушки. В качестве примера на рис. 6.4 приведена схема блока осушки воздуха,
поступающего в воздухоразделительную ректификационную установку. Два адсорбера
1 и 2 попеременно работают в режиме адсорбции и десорбции. Время работы в каадом
режиме не менее 6 ч. Воздух по линии А после компрессора проходит
масловлагоотделитель 5 и поступает в адсорбер 1 или 2.
Щ}4
Рис. 6.4 Схема блока комплексной очистки и осущки воздухоразделительной
установки.
105
После адсорбера воздух проходит через фильтры 3 или 4 и поступает на
разделение по линии Б. Для регенерации адсорбента адсорбер продувают нагретым в
теплообменнике б азотом, забираемым из разделительного аппарата. В качестве
адсорбента используют синтетические цеолиты МаА и МаХ, силикагели.
В этом блоке одновременно адсорбируется и двуокись углерода. Таким образом,
происходят осушка воздуха, очистка от СОг и ацетилена.
Замена химического метода осушки, ранее осуществляемого с помощью твердого
едкого натра, адсорбционными блоками комплексной очистки и осушки воздуха
повысила эффективность воздухоразделительных установок, уменьшила их
взрывоопасность и улучшила условия обслуживания установок. В промышленных
цеолитовых блоках достигается влажность воздуха, соответствующая точке росы (при
рабочем давлении) до 200 К; остаточное содержание СОг и С2Н2 соответственно до 1,5
и 5 • 10'^ см'/м^. Объемная скорость газа в адсорбционных блоках осушки практически
может колебаться в пределах 0,05 - 0,50 л/(мин-см^). В НПО «Криогенмаш» разработан
ряд цеолитовых блоков осушки и очистки воздуха для промьппленного серийного
изготовления.
6.4.2. Низкотемпературная адсорбционная очистка газов
Удаление компонентов, содержание которых не превышает 1—2%, для получения
продуктов так назьшаемой особой чистоты оказывается эффективнее известных
химических методов, особенно в сочетании с предварительной ректификацией. Так,
удаление примесей воздуха в водороде, кислорода в аргоне или азота и водорода в
гелии методом низкотемпературной адсорбции позволяет получать газы, содержащие
не более 10"' - 10"® % (по объему) примесей. Для очистки аргона от примесей кислорода
используют молекулярно-ситовой эффект, заключающийся в том, что при
температурах ниже 90 -100 К атомы аргона не могут преодолеть потенциальный барьер
входного окна цеолита КаА, так как диаметр входного окна близок к критическому
диаметру атома аргона. Кинетический диаметр молекулы кислорода меньше диаметра
атома аргона примерно на 0,1 им, что обеспечивает возможность адсорбции О2
цеолитом ЫаА. Такой же ситовой эффект по отношению к адсорбции смеси О2—Аг
имеют цеолиты КА, АдМаА и иКаА; ниже, в таблице 6.1 указаны рекомендуемые
диапазоны давления и температуры.
Таблица 6.1
Цеолит ИаА
КА ЛёМаЛ
Р,МПа
0,14 - 0,47 0,14 - 0,77 0,14 -1,22
Г,
К 93 -105 99-112
99 - 120
В 1975 г. на Ижорском заводе им. А. А. Жданова введена в эксплуатацию
разработанная в ЛТИХП промышленная воздухоразделительная установка КТ-1000 Ар,
оснащенная цеолитовым адсорбционным блоком для очистки аргона от кислорода.
Газообразная аргонокислородная смесь при Т = 93 К и Р = 0,13 - 0,16 МПа
пропускается через слой синтетического цеолита ЫаА-6, который практически
полностью и избирательно поглощает примеси кислорода, а также следы азота и другие
микропримеси, а выходящий из адсорбера аргон содержит менее 5
•
10 % кислорода.
Установка имеет три поочередно переключающихся адсорбера, содержащих по 260 кг
цеолита. Время переключения адсорберов 24 - 40 ч, производительность по чистому
аргону 14-23 м^/ч.
106
6.4.3. Сорбционный метод разделения газов
При определенных условиях этот метод может конкурировать с
ректификационным методом. Его также используют при разделении азеотропных
смесей, для которых метод ректификации неприменим. Селективную адсорбцию газов
и паров применяют для разделения многих смесей: этилен—этан, этилен—двуокись
углерода и др. Применение низкотемпературной адсорбции расширило круг
разделяемых газовых смесей: это Ке—Не, Кг—Хе, О2—^N2, О:—Аг, СН4—Не,
СН4—Н2 , N2—Н2, N2—002 и др.
Адсорбция неона при температуре 77 К превышает адсорбцию гелия примерно в
20 раз, что позволяет разделять эту смесь адсорбционным методом, используя
активные угли АГ-2, СКТ, БАУ. Чистый неон при этом может быть получен в процессе
десорбции, который можно осуществить двумя способами: фракционированной
изотермической десорбцией (методом откачки газов) или повышением температуры
адсорбента.
В НПО «Криогенмаш» разработан адсорбционно-ректификационный способ
обогащения и разделения криптоноксеноновой смеси, включающий два основньк
этапа: процесс адсорбционного обогащения криптона и выделения ксеноновой
фракции; процесс ректификации смеси азот - метан - криптон для получения чистого
криптона. Создана промышленная установка УАРК-1, предназначенная для
переработки 120 м^/ч первичного криптоноксенонового концентрата. Применение
низкотемпературной адсорбции исключает промежуточное окисление углеводородов
(что резко уменьшает размеры установки), а также позволяет получать чистые Кг и Хе
без их разделения на специальной установке.
Сейчас в мире примерно на 70 заводах работают адсорбционные
воздухоразделительные установки с суточной производительностью по кислороду
0,5-40 т. Получение кислорода методом короткоцикловой адсорбции со степенью
чистоты 95% требует энергетических затрат 0,44 - 0,50 кВт-ч/м^, со степенью чистоты
50-60 % - 0,18 - 0,28 кВт-ч/м'. Метод низкотемпературной ректификации требует
затрат энергии 0,35 - 0,40 кВт-ч/м' на производство 95 %-го кислорода. Однако более
низкие энергозатраты в ректификационных установках достигаются при их высокой
производительности. Адсорбционный метод получения кислорода и азота из воздуха в
масштабах малой и средней производительности конкурирует с методом
низкотемпературной ректификации. К тому же адсорбционные установки просты в
изготовлении, менее металлоемки, удобны в эксплуатации, легко автоматизируются и
не требуют длительного пускового периода.
Адсорбционные установки разделения воздуха серийно выпускают в США,
Германии, Великобритании, Франции и Японии. В основном эти установки
изготавливают по модифицированной короткоцикловой схеме Скарстрома и
выпускают в нескольких вариантах; с четырьмя, тремя и двумя адсорберами. В
качестве адсорбента в этих установках используют цеолиты СаА и КаХ. В ряде
промьшитенных установок выпускаемых фирмой «Малер» (Германия), в качестве
адсорбента используют углеродное молекулярное сито, избирательно поглощающее
кислород из воздуха, что позволяет получать азот в режиме адсорбции и кислород в
режиме десорбции. Производительность этих установок достигает 1200 л(Vч,
концентрация кислорода - 50-80%, удельные энергозатраты составляют 4 кВт ч/м^ для
продукта со степенью обогащения =60%.
В МТУ им. Н. Э. Баумана совместно с ИФХ АН СССР разработаны несколько
типов адсорбционных воздухоразделительных установок малой производительности
для получения кислорода со степенью чистоты от 65 до 99 (99,7) %.
107
На рис. 6.5 дана схема адсорбционной низкотемпературной установки
(холодильная машина не показана), которая позволяет обогащать кислородом воздух
или водородом газовую смесь содержащую Нг , С2Н4 , СН4, СгНб , СО и пары воды.
Установка может работать в интервале температур от 210 до 170 К. Она работает
циклично, а ее цикл состоит из двух режимов: адсорбционного и десорбционного.
Через определенные интервалы времени режимы в адсорберах меняются
автоматическим переключением клапанов.
газеВ
к
Обогащенная
смеог газов ^есор^^ат
Рис. 6.5 Схема адсорбционной низкотемпературной установки для разделения
газовых смесей.
В режиме адсорбции воздух при давлении 0,11 - 0,3 МПа проходит регенераторы
4, адсорбер 1, регенератор 7, холодильник 9 и регенератор 5, который охлаждается
за это время до рабочей температуры. В это же время адсорбер 2 находится в режиме
десорбции: смесь газов из него поступает в регенератор 8, холодильник 10,
регенератор^ и насос 11, который создает давление в адсорбере около 5 кПа. В
адсорбере азот адсорбируется цеолитом, и проходящий поток воздуха обогащается
кислородом.
6.4.4. Адсорбционная откачка
Достаточно высокая скорость поглощения промьппленными адсорбентами таких
газов, как О2, N2 , Аг, Ме, Кг, Хе и Не, при низких температурах позволяет эффективно
использовать адсорбцию для получения вакуума. Адсорбционные вакуумные насосы
обеспечивают получение сверхвысокого и так называемого «чистого» вакуума, когда
разреженная среда в реципиенте не загрязнена парами вакуумных масел, применяемых
в обычных форвакуумных и диффузионных насосах.
В НПО «Криогенмаш» разработан малогабаритный адсорбционный насос для
лабораторных исследований, применяемый для откачных постов при обезгаживании
катодов электронных ламп. Основой конструкции насоса (рис.6.6) является
адсорбционная кассета с пористым экраном, обладающая стабильными характе-
ристиками при давлении Ю' - 1 Па. В центре сферического корпуса 1 диаметром 220
мм на тонкостенной трубке подвещена адсорбционная кассета, которая представляет
собой сферический сосуд 5, к внешней поверхности которого приварено ребро "б из
меди. К ребру, соосно сосуду, приварен сферический пористый экран 2. Полусферы
экрана изготовлены спеканием медного порошка. Пространство между сосудом для
хладагента и пористым экраном заполнено адсорбентом 4, в качестве которого
108
используют цеолит - СаА-4В или СаЕН-4В. При давлении 5 10"''< Р < 3
•
10"' Па
быстрота откачки насоса является величиной постоянной и составляет соответственно
56,43 и 40 л/с при работе на азоте, кислороде и аргоне.
Рис.6.6. Адсорбционный вакуумный насос;
1 — корпус насоса; 2 — пористый экран; 3 — горловина;
4 — адсорбент; 5 — внутренний сосуд; 6 — ребро; 7 — присоединительный фланец;
8 — штуцер вакуумметра.
Адсорбционные вакуумные насосы подобного типа, разработанные Харьковским
физико-техническим институтом, обладают двумя недостатками — ограниченным
ресурсом между последовательными регенерациями и высоким предельным давлением.
В связи с этим более перспективны откачные средства с движущимся адсорбентом,
обеспечивающие непрерывную откачку газов. Вакуумный насос непрерывного
действия с адсорбционным элементом в виде непрерывной ленты из углеволокнистого
материала позволяет откачивать воздух от атмосферного давления до 10'' Па; при
начальном давлении
составляет Ю'^Па.
: 10 Па, конечное давление, которое может быть достигнуто,
6.4.5. Капсулирование газов
Сорбционные процессы можно применять и для хранения криогенньк газов. В
настоящее время этот метод находится в стадии экспериментальных исследований,
хотя впервые упомянут в литературе еще в 1964 г. Явление капсулирования газов
цеолитами основано на молекулярно-ситовом эффекте. Он заключается в том, что при
нормальной и низких температурах, когда кинетический диаметр молекулы адсорбата
несколько больше диаметра входного окна пор цеолита, молекулы адсорбата не могут
проникнуть в эти поры. Однако, при достаточном повышении температуры, вследствие
роста кинетической энергии молекул газа и амплитуды колебаний атомов решетки
твердого адсорбента, становится возможной диффузия газа в полости цеолита. Так как
с ростом температуры адсорбция газа при данном давлении уменьшается, для
увеличения количества поглощаемого цеолитом газа необходимо повышать его
концентрацию (давление). Если после насыщения цеолита газом систему охладить до
нормальной температуры, а затем уменьшить давление, то адсорбированные молекулы
газа окажутся «запертьпли» в полостях цеолита. Цеолит, насыщенный таким образом
газом, длительное время можно хранить при нормальной или низкой температуре, при
109
любом давлении и даже в вакууме. Для удаления газа из цеолита необходимо снова
нагреть его; скорость нагрева определяет скорость десорбции газа. Для этой цели при-
менимы цеолиты с малым диаметром (< 4 нм) входных окон: КЫаА, СзNаА, ЯЬМаА,
ВаСаА, цезит, гидросодалит и др. Результаты экспериментальных исследований
показали, что с использованием этих цеолитов можно капсулировать азот, криптон,
аргон, кислород, водород, ксенон, метан, неон и другие газы.
Известны три способа хранения газов, которые применяют в промыпшенности:
баллонный (самый распространенный), в виде химических соединений (надперекиси,
гидриды металлов, хелатные соединения, перхлораты и др.) и криогенный (хранение
газов в криостатах или сосудах Дьюара в ожиженном, твердом состояниях или при
критических параметрах). Криогенный способ хранения газов наиболее выгодный по
массовым и объемным характеристикам, но из-за утечек не всегда применим при
долгосрочном хранении (например, радиоактивного криптона). Хранение газов в виде
химических соединений ограничено областью применения и повьппснной
взрывоопасностью для некоторых соединений. Новый способ хранения газов,
капсулированных микропористыми адсорбентами, конкурентоспособен по массовым и
объемным характеристикам с баллонным способом, но применим пока лишь для
хранения относительно малых количеств газа.
6.5. Некоторые другие методы разделения смесей
Экстрактивная и азеотропная ректификация. Изложенными в разделах 3 и 4
обычными испарительными методами, а также ректификацией, нельзя разделить
растворы, состоящие из компонентов, имеющих близкие температуры кипения. Этими
методами нельзя также разделить азеотропные растворы, поскольку при предельном
разделении в этом случае получаются один чистый компонент и раствор азеотропного
состава, который ведет себя как чистое вещество.
Такие растворы во многих случаях могут быть разделены путем экстрактивной и
азеотропной ректификации.
В обоих видах такой ректификации в раствор, подлежащий разделению, вводится
специальный растворитель, сильно изменяющий относительную летучесть
компонентов раствора, после чего раствор может быть разделен путем обычных
дистилляции или ректификации.
Сначала при такой дистилляции или ректификации получают низкокипящий
компонент требуемой чистоты и раствор высококипящего компонента с растворителем,
а затем разделяют и этот последний на высококипящий компонент и растворитель.
Полученный растворитель снова используется для разделения исходного раствора,
подлежащего растворению.
Разделение раствора методом абсорбции. В тех случаях, когда компоненты
раствора не могут бьпъ легко сконденсированы, может найти применение разделение
раствора методом абсорбции. Один из таких удобных методов является метод
изотермической абсорбции. Этот метод основан на различной растворимости (абсорб-
ции) газообразных компонентов в жидкости под давлением. Так, например, газовая
смесь, состоящая из двух компонентов, один из которых хорошо растворяется в
данной жидкости при высоком давлении, а другой — мало растворим, может быть с
успехом разделен методом абсорбции. Для этого газовую смесь растворяют в
жидкости под давлением, причем в ней преимущественно растворится один из ком-
понентов. Полученный раствор направляют в секцию десорбции, где, уменьшая дав-
ление (при сохранении температуры постоянной) вьщеляют из жидкости соответ-
ствующий растворенный в ней газообразный компонент.
Такой процесс разделения успешно применяется, например, для отделения
110
водорода от метана в газах нефтеперерабатьшающих производств. Здесь метан
представляет собой газ, очень хорошо растворимый (абсорбируемый) в масле при
повышенных давлениях.
Термодиффузионный метод разделения. Для разделения газовых смесей, в
основном смесей изотопов, в ряде случаев может бьггь успешно применен
термодиффузионный метод, технически осуществленный впервые лишь в 1838 г.
Клаузиусом и Дикеллем.
На рис. 6.7 схематично изображена термодиффузионная разделительная колонна,
состоящая из достаточно высокой кольцевой камеры, заполненной подлежащей
разделению газовой смесью. Внутренняя стенка колонны обогревается, и ее
температура поддерживается равной Г;, внешняя стенка охлаждается, например водой,
до температуры Г^.
Рис. 6.7 Схема термодиффузионной разделительной колонны.
В соответствии с разностью температур Т1>Т2, имеет место тепловой поток от
внутренней стенки к наружной. Такой тепловой поток приводит к тому, что легкий
компонент преимущественно концентрируется у нагретой внутренней стенки
колонны. Конвективные токи газа в направлениях, показанных стрелками,
способствуют эффективному обогащению легким компонентом по высоте колонны
благодаря диффузионному обмену между потоком газа, опускающимся вниз и
поднимающимся вверх.
Указанным методом проведено весьма полное разделение изотопов хлора, неона,
криптона, а также ряда других веществ.
Разделение методом газовой эффузии. В этом методе разделение газовой смеси
происходит при ее прохождении через пористые перегородки. При эффузии (часто
говорят диффузии) газов через пористые перегородки прохождение отдельных ком-
понентов через малые поры будет зависеть от средних скоростей движения молекул
этих компонентов.
Средние скорости молекул обратно пропорциональны их молекулярным весам.
Таким образом, компоненты газовой смеси, имеющие разные молекулярные веса, будут
проходить через пористые перегородки с разной скоростью, в результате чего за
перегородкой смесь будет обогащаться компонентом, имеющим более низкий
молекулярный вес.
Для того чтобы процесс разделения методами газовой эффузии оказался
эффективным, необходимо, чтобы средний свободный пробег газовых молекул бьш
значительно больше диаметра пор пористой перегородки. Поскольку средняя длина