В книге рассмотрены общие проблемы динамики сорбции, изложены методы решения типичных задач динамики (аналитические, приближенные, численные). В сочетании с обобщением работ по физическим основам кинетики гетерогенных процессов описаны физические и математические модели одно- и многокомпонентных задач, приведены их решения преимущественно с использованием ЭВМ. Даны примеры расчета различных задач динамики ионного обмена и фильтрационного осветления суспензий.
Ил. 76. Табл. 5. Библиогр. 324 назв..
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА
Сорбционные процессы последовательно и все более широко применяются в разнообразных технологических процессах, научных исследованиях и химическом анализе. Достаточно упомянуть актуальную до настоящего времени адсорбционную очистку различных водных и неводных растворов, а также газов, процессы рекуперации летучих веществ. С начала XX в. интенсивно развиваются ионообменные сорбционные процессы, незаменимые в теплоэнергетике (умягчение и обессоливание воды) и гидрометаллургии, имеющие большое значение во многих отраслях современной, техники. Особое значение приобрели сорбционные методы в связи с решением актуальной проблемы охраны воздушного и водного бассейнов от загрязнений. Непосредственно к сорбцион-ным проблемам примыкают задачи фильтрационного характера — задачи осветления вод и очистки воздуха от аэрозолей.
Сорбционные (в широком понятии) процессы реализуются преимущественно динамическим способом — направленным пропусканием исходного раствора или газа через неподвижный или противоточно движущийся слой сорбента. Такой способ обеспечивает глубокое удаление вредного (или извлечение полезного) компонента вследствие последовательного контакта раствора со свежими, неотработанными слоями сорбента. Естественно поэтому, что изучение динамических сорбционных процессов давно и постоянно привлекает внимание исследователей. Со времени классической работы Н. А. Шилова, четко выявившей влияние равновесных и кинетических факторов на динамику сорбции, интенсивно разрабатывались методы решения сорбционных задач, различающихся видом изотерм, а также кинетическими (преимущественно диффузионными) механизмами. Ранние работы ограничивались преимущественно однокомпонентными системами и характеризовались поиском точных аналитических или асимптотических, приближенных решений. Революционизирующее значение имело решение задач динамики сорб^йи~'с~помощью современных быстродействующих электронно-вычислительных машин. Тем не менее именно по динамике сорбции до настоящего времени почти нет специализированных работ обобщающего характера. По-видимому, это во многом обусловлено многообразием опубликованных оригинальных исследований, различающихся постановкой задачи л методами их решения.
В настбящей книге, написанной сотрудниками лаборатории сорбционных методов ордена Ленина Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР кандидатом физико-математических наук Е. В. Венициановым (главы 1, 3 и 4)
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редактора...................... 3
Глава 1. Феноменологическая модель динамики сорбционных процессов ............................. 5
1.1. Предмет и содержание теории динамики сорбцнонных процессов 5
1.2. Основные предпосылки построения математической модели динамики сорбции....................... 7
1.2.1. Система координат................... . в
1.2.2. Глобальные и внутренние переменные............ $
1.2.3. Геометрия сорбционной системы................ 9
1.2.4. Гидродинамика пористой среды............... 10
1.2.5. Концентрации....................... Ц
1.2.6. Внепшедиффузионная кинетика и продольная диффузия . . -11
1.3. Уравнение баланса вещества сорбируемого компонента . . ., 13t
1.4. Уравнения кинетики и изотермы для однокомпонентной системы. Постановка краевых задач..............,...„. 16
1.5. Постановка задачи многокомпонентной динамики сорбции „ . 21
1.5.1. Ионный обмен смеси без учета дополнительных взаимодействий ........................... 23
1.5.2. Ионный обмен с учетом дополнительных взаимодействий в жидкой фазе......................... 24
1.5.3. Фильтрационное осветление однокомпонентных суспензий . 25
1.5.4. Учет тепловых эффектов сорбции............... 25
1.6. Иерархия моделей динамики сорбции........... . 26
1.6.1. Детерминированные модели................ . 26
1.6.2. Агрегированные модели.................. 27
1.7. Основные методы решения задач динамики сорбции..... 28
1.7.1. Метод характеристик.................... 29
1.7.2. Метод сеток при решении задач динамики.......... 42
1.7.3. Асимптотические и приближенные методы ь.......... 46
Глава 2. Физико-химические основы кинетики сорбционных процессов ........... .................... 50
2.1. Введение.......................... 50
2.2. Геометрические и физико-химические предпосылки феноменологических моделей кинетики................. 52
2.2.1. Геометрия зернистого сорбента............... 52
2.2.2. Гидродинамика зернистого слоя............... 62,,
2.2.3. Массоперенос из подвижной фазы к поверхности сорбента . . в*
2.2.4. Массоперенос частиц, несущих электрический заряд..... *,
2.2.5. Массоперенос в жидкой фазе, осложненный химическим вза- _. имодействием...................... • **4
2.2'.6. Диффузия в твердой фазе..................
2.2.7. Смешанно-диффузионная кинетика......."......
2.3. Диффузионная кинетика в однокомпонентных системах . . •
2.3.1. Диффузия в неподвижной (твердой) среде при коэффициенте диффузии, • не зависящем от концентрации....... . •
2.3.2. Диффузия в подвижной (жидкой) фазе (внешняя диффузия) .
9. Я 3 Г!м&ТТТЯ1ПТП_ТТт?и?|ишт1гаа <ж тштгаггтгаа
2.4. Задачи, сводимые к однокомпонентным............ ИЗ-
2.4.1. Диффузия в сорбенте................... 114
2.4.2. Диффузия в жидкой фазе................. 120
2.5. Кинетика сорбции, контролируемая химической реакцией . . 120
2.6. Принципы экспериментальных методов определения кинетических параметров сорбции зернеными сорбентами....... 126-
2.6.1. Внепшедиффузионная кинетика.............. 126
2.6.2. Внутридиффузионная кинетика .............. 127
2.6.3. Метод тонкого слоя.................... 129-
2.6.4. Непрерывная регистрация концентрации за тонким слоем . 132"
Глава 3. Решения основных задач динамики сорбции ...... . 134
3.1. Однокомпонентная динамика сорбции с учетом одного кинетического механизма...................... 134
3.1.1. Равновесная динамика................... 134
3.1.2. Равновесная динамика с учетом продольной диффузии . . . 136
3.1.3. Динамика в области внешне диффузионной кинетики...... 140*
3.1.4. Динамика в области внутридиффузионной кинетики...... 147
3.2. Области влияния кинетических стадий в смешанно-кинетической однокомпонентной динамике................. 150
3.2.1. Внешняя диффузия как лимитирующая стадия (те ^> т,, ie^> TJ) 151
3.2.2. Внутренняя диффузия как лимитирующая стадия (Т|^>те,
TJ > т,)........................... 155
3.3. Однокомпонентная динамика в области совместного учета нескольких кинетических стадий................ 156
3.3.1. Внешняя и внутренняя диффузия (смешанная диффузия) . . . 156
3.3.2. Внешняя и продольная диффузия.............. 162
3.4. Динамика сорбции смесей.................. 167
3.4.1. Равновесная динамика смеси................ 167
3.4.2. Динамика смеси с учетом внешнедиффузионной кинетики . . 169
3.4.3. Решение задач динамики послойным методом....... 171
3.5. Примеры расчета некоторых процессов динамики...... 173
3.5.1. Линейная изотерма, внешняя диффузия........... 173
3.5.2. Линейная изотерма, внутренняя диффузия.......... 176-
3.5.3. Линейная изотерма. Совместное влияние внутренней и внешней диффузий......................... 177
3.5.4. Многокомпонентная динамика. Расчет ионообменной деиониза-
ции воды.......................... 178
3.5.5. Математический эксперимент. Расчет динамики обмена на анионитах........................ 179
Глава 4. Динамика фильтрационного осветления суспензий .... 185
4.1. Особенности процесса осветления суспензий фильтрованием и методы его расчета..................... 185
4.2. Физические предпосылки моделирования динамики фильтрования ............................ 191
4.3. Феноменологическая модель фильтрационного осветления одно-компонентных суспензий................. . 196
4.4. Феноменологическая модель фильтрационного осветления двух-компонентных суспензий.................. 204
4.5. Расчет процесса фильтрационного осветления суспензий . . . 213
Литература........................... 222
Цена: 150руб.
