Явление адсорбции заключается в поглощении паров, газов, или растворенных веществ поверхностью твердых поглотителей (адсорбентов). Такими поглотителями могут быть активированный уголь, силикагель, алюмогель, губчатая платина и др. Все1 эти вещества характеризуются капиллярно-пористой структурой, вследствие чего они обладают весьма развитой внутренней поверхностью капилляров, достигающей нескольких сот и даже тысяч квадратных метров на 1 кг массы вещества.

Механизм процесса осушения воздуха при прохождении через слой адсобента i[28] заключается в следующем. Известно, что, когда смачивающая жидкость частично заполняет капиллярный канал, мениск жидкости в капилляре приобретает вогнутую форму. Парциальное давление паров на вогнутой поверхности мениска меньше парциального давления паров над плоской поверхностью жидкости. Поскольку парциальное давление водяного пара в воздухе, окружающем капиллярное тело, выше, чем на вогнутой поверхности мениска, то образующаяся разность потенциалов вызывает перенос пара из окружающего воздуха в капилляр. В капиллярном канале пар претерпевает фазовое превращение и переходит из газообразного состояния в жидкое. Таким, образом, при прохождении осушаемого воздуха через слой адсорбента происходит явление капиллярной конденсации, обусловленное наличием некоторого количества жидкости в капиллярах, необходимого для образования вогнутого мениска.

В технике кондиционирования воздуха широко применяется силикагель SiCb, представляющий собой зернистое стекловидное вещество, получаемое путем обработки жидкого стекла минеральной кислотой. Для осушения воздуха обычно применяют силикагель с размерами зерен от 1 до 3 мм. Силикагель марки КСМ имеет следующий гранулометрический состав: зерен крупностью до 2 мм —0,8%; 2—3 мм —8,2%; 3—5 мм —88%; 5—7 мм — 2,6%. Площадь поверхности капилляров в 1 кг силикагеля достигает 400 000 м2 при плотности стекла 2000—2500 кг/м3; плотность сухого силикагеля равна 640—700 кг/м3. Силикагель обладает высокой гидрофильностью. Адсорбирующая способность силикагеля зависит от температуры осушаемого воздуха: с повышением температуры воздуха способность поглощения влаги силикагелем уменьшается.

При длительном пребывании в воздухе, обладающем неизменяющимися параметрами, силикагель приобретает равновесное с ним состояние, характеризующееся определенным значением влаго-содержания g, выраженным в г/кг сухого силикагеля.

Из рис. 11.26 видно, что при определенном влагосодержании воздуха равновесное состояние силикагеля тем ниже, чем выше температура воздуха, поэтому применять силикагель для осушения воздуха при температурах выше 35°С нецелесообразно.

В условиях практического применения силикагеля или другого адсорбента влажность не следует доводить до предельных состояний, показанных на рис. 11.26. Последнее объясняется тем, что в процессе осушки воздуха насыщение адсорбента происходит отдельными слоями по ходу воздуха. Рассмотрим этот процесс несколько подробнее. Если через слой адсорбента толщиной А—Г (рис. 11.27) проходит осушаемый воздух, то отношение х/а в какой-то момент времени будет выражать степень насыщения адсорбента влагой (здесь х —влажность адсорбента в данный момент; а —предельное количество влаги, насыщающей адсорбент, равное 0,08—0,1 массы сухого силикагеля).

На рис. 11.27 масштаб этого отношения от 0 до 1 нанесен на оси ординат. По истечении времени Z4 некоторая часть слоя толщиной А — Б оказывается полностью насыщенной. В пределах толщины слоя Б — В в этот момент степень насыщения адсорбента изменяется от 0 до 1. В последней части слоя В — Г отношение х/а-^-0. Следовательно, воздух приобретает конечную влажность по выходе из слоя Б —В. По истечении времени, равного Z6, ч, воздух уже невозможно осушить до заданного уровня, так как с этого момента степень использования адсорбента будет непрерывно снижаться. Таким образом, осушение воздуха должно прекратиться еще до достижения всем слоем! адсорбента равновесной влажности х/а = 1.

Изложенное показывает, что чем меньше толщина слоя АГ, тем меньше предельная величина степени насыщения х/а. Следовательно, с этой точки зрения для более полного использования адсорбента толщина его слоя должна быть по; возможности большей. Однако с увеличением толщины слоя повышается его сопротивление прохождению воздуха.


Для осушения воздуха также можно использовать алюмогель А1203. Объем капилляров алюмогеля составляет примерно 30% общего объема, площадь поверхности капилляров 1 кг алюмогеля — примерно 250 000 м2 при плотности структуры 3250 кг/м3; плотность сухого алюмогеля 800 кг/м3. Алюмогель рекомендуется применять для осушения воздуха с температурой не выше 25°С. Приведенные характеристические данные свидетельствуют о более низкой поглотительной способности алюмогеля как адсорбента по сравнению с силикагелем.

Предельное количество влаги, насыщающей алюмогель, а = — 0,04^-0,1 веса сухого вещества. Вместе с тем степень осушения воздуха при применении алюмогеля выше, чем при использовании силикагеля. Размеры зерен алюмогеля колеблются от 1 до 3 мм. В связи с резким снижением адсорбционной способности алюмогеля с повышением температуры в толще его слоя иногда прокладывают змеевики, по которым пропускают холодную воду, охлаждающую алюмогель. Это мероприятие способствует повышению поглотительной способности слоя адсорбента в процессе его использования.

При адсорбции конденсация влаги в капиллярах сопровождается выделением удельной теплоты испарения и удельной теплоты смачивания. Полная удельная теплота адсорбции составляет 2930 кДж/кг, из которых около 420 кДж/кг составляет удельная теплота смачивания. Выделяющаяся теплота адсорбции повышает температуру как слоя адсорбента, так и осушаемого воздуха. Наибольшее повышение температуры адсорбента наблюдается в той его части, в которой в данный момент происходит поглощение влаги. При этом по мере смещения зоны адсорбции в том же направлении происходит и смещение зоны наиболее высокой температуры.

Применение твердых влагопоглощающих веществ позволяет получить почти абсолютно сухой воздух. Использование таких веществ для осушения воздуха можно рекомендовать в тех слу­чаях, когда целью обработки воздуха является его осушение и нагревание.

Если точка 7 (рис. 11.28) соответствует начальному состоянию воздуха, то, проведя через, нее луч процесса адсорбции до пересечения с линией U2 = const (заданного конечного влагосодержания), получим точку, параметры которой определяют конечное состояние воздуха, выходящего из адсорбера.

Слой адсорбента по достижении предельной влажности перестает поглощать влагу из воздуха. Для восстановления адсорбирующей способности адсорбент подвергают активации, которая заключается в продувке через него воздуха (или отфильтрованных дымовых газов), нагретого до температуры 180—240°С.

Под воздействием высокой температуры влага, содержащаяся в капиллярах, испаряется и отводится вместе -с газом или воздухом. В процессе активации слой адсорбента нагревается до температуры 100—110°С, вследствие чего перед повторным использованием его охлаждают продувкой холодного воздуха. t Продувка способствует также поддержанию в адсорбенте минимального количества воды, обеспечивающего образование в капиллярах вогнутого мениска, при наличии которого твердый поглотитель приобретает способность адсорбировать водяной пар.