Описание прямого процесса (сорбция)
Природа процессов сорбции и десорбции достаточно сложна. Для объяснения этих вспомогательных процессов в контексте криогенной техники и технологии целесообразно применять подход, который описан Л.Д. Ландау в книге «Курс общей физики. Механика и молекулярная физика», 1969 г, поскольку он прост в понимании и не требует дополнительного глубокого погружения в смежные академические дисциплины.
В соответствии с этим подходом сорбент представляется в виде «условной поверхности», которая в результате действия определенных сил (требуется более глубокое погружение в тему, опускается), способна селективно удерживать у своей поверхности частицы с определенной энергией (см. рисунок 1).
В начальный момент времени частица с соответствующей энергией при низкой температуре или высоком давлении доставляется к условной поверхности. Если частица «подходит» под параметры потенциальной ямы условной поверхности, она захватывается и удерживается у условной поверхности.
В процессе работы могут происходить как пульсации давления, так и пульсации температуры, при этом частица совершает финитное движение в пределах границ потенциальной ямы, обусловленных потенциальным барьером.
Финитным называют такое движение частицы, при котором она остается в конечной области пространства.
Чем больше частиц удерживается у границы условной поверхности, тем сильнее их взаимное влияние (электростатические силы отталкивания становятся преобладающими), поэтому при некотором их значении (сил) на единицу условной поверхности происходит проскок.
Под проскоком в общем случае понимается резкое повышение концентрации сорбируемого компонента, характеризующее достижение предельной динамической сорбционной емкости.
Описание обратного процесса (десорбция)
Чтобы восстановить способность условной поверхности захватывать частицы, необходимо внести в систему энергию (вывести систему из равновесия):
- Подвод тепловой энергии путем создания положительного градиента температуры приводит к тому, что средняя энергия макросистемы частиц повышается. Когда энергия частиц становится больше значения энергии потенциального барьера, частица покидает потенциальную яму и уносится потоком других частиц, энергия которых «не подходит» под параметры потенциальной ямы.
- «Подвод» механической энергии осуществляется за счет снижения давления в системе, в некоторых случаях с откачкой вакуумными насосами. Снижение давления приводит к уменьшению «прижимной» силы, удерживающей частицу в потенциальной яме. Фактически, снижается величина энергии потенциального барьера, а градиент давления незначительно увеличивает и полную энергию самой частицы.
Технологические процессы сорбции и десорбции
В зависимости от того, каким образом реализуется сорбция и десорбция в случае с поглощением частиц поверхностью твердого тела (адсорбция), выделяют два вида циклических технологических процессов:
Адсорбция при переменном давлении (PSA — Pressure swing adsorption) — это циклический технологический процесс, предназначенный для разделения газовых смесей или их очистки от примесей. В его основе лежит явление селективной адсорбции компонентов газовой смеси на поверхности микропористого твердого адсорбента при повышенном давлении с последующей десорбцией при понижении давления. Этот процесс зачастую реализуется в блоках комплексной очистки (БКО) ВРУ и других установках, несмотря на свою существенную энергоемкость. Основная причина – короткая длительность цикла регенерации, сброс давления без дополнительной откачки происходит практически мгновенно.
Адсорбция при переменной температуре (TSA — Temperature Swing Adsorption) — это циклический адсорбционный процесс разделения газовых смесей или очистки газов, в котором регенерация насыщенного адсорбента и десорбция целевого компонента осуществляются за счет повышения его температуры. Длительность процесса сильно зависит от термической инертности системы – чем больше масса теплоемких элементов, тем дольше будет длиться регенерация.
На практике для обеспечения глубокой очистки воздуха от примесей (пары воды, углекислота, углеводороды) реализуют процесс десорбции с одновременным снижением давления до величины ~1,05 бар (абс.) и подогревом регенерирующего газа до температуры ~175 °С в режиме нормальной регенерации и до ~235 °С в режиме высокотемпературной регенерации. Установленная мощность для электрических нагревателей может достигать 15 – 20 % от мощности основного компрессора.
Длительность прямого дутья в таких системах обычно равна 8 часам, что объясняется продолжительностью рабочей смены – в случае выявления проблем в работе БКО допустимо привлечь «свежие» ресурсы и запланировать выезд профильных специалистов сервисной службы.