ي عبارتست از نسبت ظرفيت جذب يك جزء به ديگر جزء در غلظت مشخص سيال. اين نسبت معمولاً با كاهش غلظت و نزديك شدن به صفر، به يك مقدار ثابت نزديك مي شود.
قابليت احيا
تمام فرايندهاي جذب سيكلي، بر اساس خاصيت احياي جاذب استوار هستند و همين فاكتور سبب كاركرد يكنواخت جاذبها در فرايندهاي سيكلي مي شود. در حقيقت قابليت احيا به اين معناست كه هر جزء جذب شونده فقط بايد به شكل فيزيكي جذب جاذب شود و يا مي توان گفت جذب آن بر روي جاذب ضعيف باشد. گرماي جذب، مقدار انرژي لازم براي احياي جاذب را تعيين مي كند.
سينتيك
سينتيك انتقال جرم يك واژه كلي است كه با مقاومت انتقال جرم درون ذره اي ارتباط دارد. اين فاكتور به علت كنترل زمان سيكل فرايندهاي جذب با بستر ثابت، داراي اهميت ويژه اي است.
سازگاري
اين فاكتور، اتفاقات شيميايي و فيزيكي مختلف را كه سبب كاهش عمر مفيد جاذب مي شوند مانند رسوب بيولوژيكي و يا سائيدگي را پوشش مي دهد. براي مثال يك جاذب نبايد به شكل بازگشت ناپذير با مواد جذب شونده واكنش دهد. همچنين شرايط عملياتي مثل سرعت، دما، فشار و لرزش ها نبايد سبب تجزيه ناخواسته ذرات جاذب شوند.
قيمت
قيمت، ظريف ترين فاكتور براي انتخاب يك جاذب مي باشد زيرا حتي براي يك جاذب مشخص، قيمت داراي تغييرات زيادي از يك كمپاني به كمپاني ديگر مي باشد. به ندرت يك جاذب تمام شرايط لازم را داراست. براي اينكه يك جاذب به شرايط مورد نظر نزديك شود، لازم است تا ویژگی آن بهبود يابد.
جاذب مورد استفاده در هر فرايند بايد داراي قابليت بالايي براي جداسازي جزء مورد نظر باشد، همچنين لازم است سرعت دفع و جذب جزء مورد نظر بالا باشد. مبناي علمي و اصلي براي انتخاب جاذب، هم دماهاي تعادلي هستند. از اين رو به همدماهاي تعادلي همه عناصر و سازنده ها در فشار و دماي عملياتي و در مخلوط گازي بايد توجه كرد.
طول استفاده نشده از بستر (LUB)
طول استفاده نشده از بستر توسط هم دماي تعادلي مشخص مي شود و اين طول معمولاً نيمي از منطقه انتقال جرم است. هر چه اين طول كمتر باشد ميزان بهره وري از جاذب و خلوص محصول بالا مي رود. توزيع اندازه ذره نيز مي تواند در LUB تأثير داشته باشد ولي اهميت آن به میزان اهميت ايزوترم های تعادلي نمي رسد. علاوه بر اينها براي انتخاب جاذب به فاكتورهاي ديگري نيز بايد توجه كرد. مثلاً براي جريانهاي گازي حاوي رطوبت، كربن فعال تنها جاذب تجاري مناسب است زيرا جاذبهاي ديگر به يك مرحله خشك كردن مقدماتي نياز دارند.
روشهاي احیاي جاذب
بسیاري از فرایند هاي تجاري براي خالص کردن و جداکردن گازها از دو یا چند بستر پرشده جاذب استفاده میکنند. ساده ترین ساختار، دو برج پرشده است که یکی به عنوان جذب کننده عمل میکند درحالی که دیگري، که توسط جریان گاز اشباع شده است، به عنوان یک احیاء کننده عمل میکند. پس از آن نقش دو بستر معکوس می شود و جذب کننده، احیاء کننده می شود در حالیکه بستري که به تازگی احیاء شده است، جذب کننده میشود. سپس چرخه در بازه زمانی، که از قبل مشخص شده است، تکرار می شود. بنابراین در حالی که هر یک از بسترها به صورت ناپیوسته عمل میکنند، جریان پیوسته خوراك و محصول به صورت پایا در سامانه وجود خواهد داشت. مدت زمان چرخه، در درجه اول بستگی به روش احیاء بستر بوسیله تغییر فشار یا تغییر دما دارد.
در بسیاري از کاربردها، احیاء و استفاده دوباره از جاذب از نظر اقتصادي ضروري است. همانگونه که قبلا بیان شد روش هاي عملی احیاء شامل یک یا ترکیبی از این موارد است:
1- تناوب دما (TSA)
2- تناوب فشار (PSA)
3- خارج کردن با گاز خنثی
4- جایگزینی با یک جزء قوي تر از نظر قدرت جذب سطحی
انتخاب روش نهایی احیاء بستگی به شرایط تکنیکی و محدودیتهاي اقتصادي دارد.
تعادل: منحنی هم دماي جذب
منحنی هم دماي جذب، رابطه تعادلی بین غلظت در فاز سیال و غلظت در ذرات جاذب در دماي مشخص است. غلظت مایعات اغلب بر حسب واحد هاي جرم، مانند قسمت در میلیون است، در حالی که غلظت در گازها بر حسب جزء مولی بیان میشود. غلظت ماده جذب شده روي جامد به صورت جرم جذب شده به واحد جرم جاذب اولیه مشخص می شود. به منظور اینکه بتوانیم ظرفیت جذب دینامیکی یا عملی را تخمین بزنیم بایستی ابتدا اطلاعاتی را نسبت به تعادل جذب سطحی در حالت استاتیک داشته باشیم. سپس تحلیل سینتیکی بر اساس فرآیند هاي سرعت که بستگی به نوع فرآیند هاي تماس دارد انجام می شود.
برخی اشکال منحنی هاي هم دما به صورت نمودارهاي حسابی شکل 1-1 نشان داده شده اند. منحنی هم دماي خطی از مبدا می گذرد و در آن، مقدار ماده جذب شده متناسب با غلظت آن در سیال است. منحنی هم دمایی که انحناء آن ها رو به بالاست، مطلوب خوانده می شود چرا که می توان بار نسبتا زیادي را از سیالی با غلظت کم به دست آورد. حالت حدي یک منحنی هم دماي بسیار مطلوب جذب، برگشت ناپذیر است که در آن مقدار ماده جذب شده تا غلظت هاي بسیار پایین مستقل از غلظت است. با افزایش دما مقدار ماده جذب شده در تمام سامانه ها کاهش می یابد، در نتیجه می توان با بالا بردن دما، ماده جذب شده را حتی از سامانه هاي برگشت ناپذیر هم جدا کرد. اما وقتی که جذب بسیار مطلوب یا برگشت ناپذیر است در مقایسه با منحنی هاي هم دماي خطی، واجذبی به دماي بسیار بیشتر نیاز دارد. منحنی هم دمایی که انحناي آن رو به پایین است نا مطلوب خوانده می شود، چرا که بار نسبتا کمی از ماده جذب شده بر روي جامد می نشیند و منجر به ایجاد منطقه انتقال جرم بسیار طولانی می شود. این نوع منحنی هاي هم دما نادرند ولی به منظور کمک به درك فرآیند احیاء ارزش مطالعه دارند. اگر منحنی هم دماي جذب مطلوب باشد مشخصات انتقال جرم از جامد به فاز سیال(فرایند دفع) به مشخصات جذب در منحنی هم دماي نا مطلوب شباهت دارد.
شکل 1-1: منحنی هم دمای جذب سطحی
در حالت تعادل بين غلظت در فاز جاذب و غلظت (يا فشار) در فاز سيال و دما رابطه اي به صورت زیر برقراراست q = f (C, T)
كه C غلظت تعادلي سيال، T دماي مطلق و q غلظت تعادلي در فاز جاذب است. مي توان براي بيان رفتار تعادلي جذب، معادله فوق را در سه حالت مختلف بررسي كرد.
در حالت اول رابطه بین مقدار جذب شده qو غلظت در فاز سیال C در دماي T ایزوترم جذب سطحی نامیده می شود.
q = f(C) دما ثابت
در حالت دوم رابطه بین غلظت و دما که مقدار ماده جذب شده مشخص q را نتیجه می دهد ایزومتر جذب سطحی می نامند.
C = f (T) میزان جذب ثابت
حالت سوم حالتی است که جذب در فشار ثابت انجام میگیرد و به آن ايزوبار میگویند. در اين حالت با تغيير دما، غلظت در فاز جامد تغيير مي كند در حالي كه فشار سيال ثابت است:
q = f (T) فشار ثابت
براي بيان رفتار تعادلي سيستم هاي جذب حالت اول يعني ايزوترم جذب متداولتر است و كاربرد بيشتري دارد.
ایزوترم هاي جذب سطحی در شکل هاي مختلف ریاضی بیان می شوند، که بعضی از آن ها بر اساس شکل فیزیکی ساده شده جذب سطحی و دفع هستند در حالیکه سایر روابط، کاملا تجربی هستند و هدف آن است که داده آزمایشگاهی را به صورت معادلات ساده با دو یا سه پارامتر تجربی بیان کنیم. هر چه تعداد پارامترهاي تجربی بیشتر باشد، برازش بهتري بین داده آزمایشگاهی و معادله تجربی وجود خواهد داشت ولی معادلات تجربی که به فاکتورهاي فیزیکی ربط نداشته باشد، اهمیت عملی خاصی ندارد.
ایزوترم هاي جذب سطحی
مهمترين ايزوترمهايي كه تاكنون مشاهده شده اند به پنج نوع طبقه بندي مي شوند در شكل 1-2 اين پنج نوع، نشان داده شده اند.
نوع I ساده ترين نوع ايزوترم است که ايزوترم لانگموير نامیده می شود و يك ايزوترم ايده آل ميباشد که براي فشارهاي پايين و لحظه هاي اوليه جذب مناسب است. مولكولها با گذشت زمان سطح را ميپوشانند و جذب به راحتي انجام پذير نخواهد بود. این ایزوترم غالباً براي جاذبهاي ميكروپور ( مانند كربن اكتيوها و زئوليتها) بكار برده مي شوند.
ايزوترم نوع II به ايزوترم BET معروف است. این نوع ايزوترم براي مواد غير متخلخل با پيوند هاي قوي سیال و سطح ارائه مي گردند.
ايزوترم هاي نوع III نشان دهنده جذب مولكولها به صورت چند لايه اي هستند. اما در اين حالت قبل از آنكه لايه اول تشكيل شود، لايه هاي متعدد جذب ميشوند. اين رفتار هنگامي اتفاق ميافتد كه نيروي جذب بين سطح جاذب و گاز كمتر از نيروي جاذبه بين مولكولهاي جذب شده باشد. ايزوترمهاي نوع II و III معمولا تنها در جاذب هايي كه در آنها يك دامنه وسيع از اندازه حفره ها وجود دارد، مشاهده مي شوند. در چنين سيستم هايي با افزایش فشار يك افزايش پيوسته از جذب تك لايه اي به جذب چند لايه اي و سپس به ميعان مويينه وجود دارد. افزايش در ظرفيت در فشار بالا به دليل ميعان مويينه در حفره هايي است كه با افزايش فشار قطرشان افزايش مي يابد. ايزوترمهاي نوع IVو V نشان گر معادلاتي اند كه اثر خاصيت مويينگي جذب در آنها ديده مي شود. در اين نوع ايزوترمها، دفع و جذب داراي نمودارهای متفاوتي اند. (اين دو نوع، لوپHystersis را نشان مي دهند).
شکل 1-2: پنج نوع ایزوترم های جذب ( P0 فشار بخار اشباع است)
از ميان ايزوترمهاي فوق، نوع I وII از رايج ترين ايزوترمها در فرآيندهاي جداسازي به شمار مي روند.
جذب در پوشش كم، قانون هنري
اين قانون براي جذب فيزيكي كه هيچ تغييري در حالت مولكولي روي جاذب وجود نداشته باشد، معتبر است. بر طبق اين قانون، براي جذب به روي يك سطح يكنواخت در غلظت هايي به اندازه كافي پايين، به قدري كه تمام مولكول ها از نزديكترين مولكول مجاورشان نيز ايزوله باشند، رابطه تعادلي بين فاز سيال و غلظت فاز جذب شده، خطي مي باشد. اين رابطه خطي، به دليل تشابه با رفتار حدي محلولها و گازها در مايعات و ثابت بودن ضريب تناسب به قانوني هنري شناخته مي شود و به ثابت تعادل جذب نيز ثابت هنري گفته مي شود. ثابت هنري ممكن است تابع فشار يا غلظت باشد:
q = KC یا q = K´p
q و C به ترتيب غلظت برحسب مول بر واحد حجم در فاز جذب شده و سيال است.
مدل تعادلي لانگموير
ساده ترين و مفيدترين مدل تئوري جذب تك لايه اي در فرآيندهاي جداسازي در سال 1918 توسط لانگموير ارائه شد. مدل لانگمویر در اصل براي بيان جذب شيميايي در يك مجموعه متمركز مشخص روي یک سطح یکنواخت حرارتی در محل هاي جذب، ايجاد شده است.
فرضيات اصلي مدل لانگموير :
مولكول ها در محل هاي متمركز تعريف شده جذب ميشوند.
هر محل ميتواند تنها يك مولكول جذب شده را نگهداري كند.
تمام محل ها از لحاظ انرژي یکسان مي باشند.
هيچ برخوردي بين مولكولهاي جذب شده در محل هاي همجوار وجود ندارد.
پوشش سطح یا پر شدن کسري منافذ ریز برابر است با θ=q/q_s که qs تعداد كل محل ها در واحد وزن يا حجم جاذب مي باشد و فشار جزیی در فاز گازP میباشد که وقتی غلظت داخل فاز سیال استفاده شود با C(=P/RT) جایگزین می شود. سرعت جذب سطحی با فرض سرعت واکنش درجه اول، به صورتKaP(1- θ) می باشد. در این صورت سرعت دفع برابر خواهد بود با Kd θ.
در حالت تعادل سرعتهاي جذب و دفع برابرند. دراینصورت خواهيم داشت:
(1-2) θ/(1-θ)=K_a/K_d .P=bP
كه در آن b=K_a/K_d ثابت تعادل جذب ميباشد.
معادله بالا به صورت زير بازنويسي ميشود :
(1-3) θ=q/q_s =bp/(1+bp)
در حالت اشباع، میزان جذب شده به میزان تعادلی میرسد و فشار به بی نهایت نزدیک می شود. در غلظتهاي پايين مقدار q نزدیک به صفر است و داریم:
(1-4)
در نتیجه: θ/(1-θ)→q/q_s
(1-5) 〖lim〗_(p→0) (q/p)=〖bq〗_s=K’
که بیانگر اینست که معادله لانگمویر به معادله نوع هنري تغییر می یابد.
روش مقايسه نتايج تئوري مدل لانگموير با داده هاي تجربي معمولاً عبارتست

دسته‌ها: No category

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

background