Автоматизація процесу адсорбції в адсорбері неперервної дії з псевдорозрідженим шаром

 

     1.2.Характеристика адсорбентів і їх види

    В  якості адсорбентів використовуються  пористі  тверді речовини з  великою питомою поверхнею. Характер  адсорбції залежить від розміру  пор (капілярних каналів), які  є різними по діаметру у  різних адсорбентів. 

    Адсорбенти  характеризуються своєю поглинаючою (адсорбційною) здатністю (адсорбційна здатність називається активністю адсорбента), яка визначається концентрацією адсорбтиву в одиниці маси чи об’єму адсорбента.

    Поглинаюча здатність  адсорбента по відношенню до  даної речовини залежить від температури та тиску, при яких відбувається адсорбція, та від концентрації поглинаючої речовини.

    У промисловості  в якості поглиначів застосовують  активоване вугілля та мінеральні  адсорбенти (силікагель, цеоліти й  ін.), а також синтетичні іонообмінні смоли (іоніти).

  

- 6 -

     Цеоліти. Ці адсорбенти являють собою природні та синтетичні мінерали, які являються водними алюмосилікатами катіонів елементів першої та другої груп періодичної системи Д.І.Менделєєва. В якості промислових адсорбентів застосовуються штучні (синтетичні) цеоліти.

    Цеоліти відзначаються  високою поглинаючою здатністю  стосовно води й являються  високоефективними адсорбентами  для осушки й очистки газів  і рідин. Розмір гранул цеолітів  складає 2-5 мм.

 

    1.3. Десорбція

    Видобування адсорбованої речовини з твердого поглинача (десорбція) являється необхідною складовою частиною всіх технологічних процесів адсорбції, які відбуваються в замкнутому циклі.

    Основні методи  десорбції (регенерації адсорбента):

• витіснення з адсорбента поглинутих компонентів за допомогою агентів, які володіють більш високою адсорбційною здатністю, ніж поглинуті компоненти;
• випаровування поглинутих компонентів, які володіють відносно високою летючістю, шляхом нагрівання шару адсорбента.

    Часто вказані вище способи застосовуються в комбінації один з одним.

    На практиці  процеси десорбції зазвичай здійснюють  шляхом пропускання пари чи  газу, який не містить адсорбтиву, через шар адсорбента після  завершення прямого процесу (адсорбції). Для підвищення швидкості виділення десорбцію здійснюють найчастіше при підвищених температурах, наприклад, пропускаючи через шар адсорбенту наперед нагрітий десорбуючий агент.

    В якості десорбуючих  агентів використовують гостру  насичену чи перегріту водяну  пару, пари органічних речовин, а також інертні гази. Після проведення процесу десорбції шар адсорбенту зазвичай піддають осушці й охолодженню.

    Десорбцію гострою  водяною парою найчастіше застосовують  у процесах рекуперації летучих  розчинників на активному вугіллі.  При цьому основна маса поглинутої речовини виділяється з поглинача на початку десорбції. По мірі наближення до кінця процесу швидкість його значно знижується, а витрата водяної пари на одиницю десорбуючого продукту сильно зростає. Тому з техніко-економічних міркувань адсорбуючу речовину виділяють із поглинача не повністю, залишаючи деяку її кількість в адсорбенті.       

    Частина водяної  пари, яка називається гріючою парою, витрачається при десорбції на нагрівання всієї системи, десорбцію поглинутих речовин із вугілля та компенсацію теплових втрат у навколишнє середовище. Гріюча пара повністю конденсується в адсорбері. Деяка частина пари витрачається на компенсацію від’ємної теплоти змочування вугілля водою і також повністю конденсується в адсорбері.

  

 

- 7 -

    Десорбовані з вугілля речовини видуваються з вугільного шару динамічною парою, яка не конденсуючися, виходить з адсорбера у суміші з парами десорбованих речовин.

    Регенерацію цеолітів  найчастіше здійснюють шляхом  продування через шар адсорбенту нагрітого сухого газу, причому видалення поглинутих речовин із цеолітів зазвичай тяжче, ніж з активованого вугілля...

    Частина водяної пари, яка подається на десорбцію, йде на нагрів адсорбента й апарата, на компенсацію теплоти адсорбції та від’ємної теплоти змочування. Інша, несконденсувавша частина пари виносить десорбовану речовину з апарату. З допомогою водяної пари зазвичай регенерують активоване вугілля. Силікагелі, алюмогелі та цеоліти регенерують продуванням при підвищеній температурі.    

    У  найбільш поширених методах десорбції  шар адсорбента нагрівають до  заданої температури і потім  продувають при практично постійній  температурі газом або парою.

 

    1.4. Рівновага при адсорбції   

    Кількість речовини, адсорбована одиницею маси чи об’єму даного поглинача при досягненні стану рівноваги, залежить від температури та концентрації поглинаючої речовини в паро-газовій суміші чи розчині. Залежність між рівноважними концентраціями фаз при адсорбції:

X*= f (Y, Т)

або при постійній температурі

X*=f1(Y),

де X* -  відносна концентрація адсорбтиву в адсорбенті (величина адсорбції), рівноважна з концентрацією адсорбтива в газовій або рідкій фазі, кг адсорбтиву кг адсорбенту;  Y - відносна концентрація адсорбтиву у фазі, з якої адсорбується речовина, кг адсорбтиву/кг носія газової суміші  або розчину.

    Концентрація Y поглинаючої речовини може бути замінена його парціальним тиском p в паро-газовій суміші. Тоді

X*=f (p).

 

    1.5. Тепловий баланс адсорбента

Q_ад=q_дL(X-X_п)=Lc(t-t_п)

або

q_д(X-X_п)=c(t-t_п)

де q_д – диференційна теплота розчинення газу, кДж/кмоль; L – витрата адсорбента, моль/с; c – теплоємність твердої речовини, кДж/(кмоль*К); t – температура твердої речовини в даному січенні, К; tп – початкова температура твердої речовини, К.

    Тоді

t=t_п-(q_д/c)(X-X_п)

    За допомогою останнього рівняння, задаючися рядом довільних значень X в інтервалі між заданими концентраціями Хп та Хк, визначають температури t і потім за довідковими даними знаходять відповідні значення Y і будують лінію рівноваги (у координатах X-Y, тобто X – концентрація твердої речовини, Y – концентрація газу).                                             - 8 -

    1.6. Матеріальний баланс процесу адсорбції

    А) Рівняння матеріального балансу:

G_{a min}[X^*(c_к)-X_п]=V(c_о-c_к)

де G_{a min} – витрата адсорбента, кг/с; V – об’ємна витрата суцільної фази, м³/с.

    Дійсна  витрата адсорбента:   G_a=(1,1…1,3)G_{a min}.

 

 

    Б) Якщо адсорбент рухається через апарат, адсорбція відбувається неперервно, і матеріальний баланс процесу виражається рівнянням(1), спільним для всіх процесів масопередачі.  

    Схема руху потоків у протилежно протікаючому апараті для масообміну (рис.1). В апарат надходять фази G(наприклад, газ) та L(наприклад, рідина). Нехай витрата носія у фазі G складає G кг/сек, а в фазі L рівна L кг/сек. Склад розприділяючого компонента, виражений у виді відносних вагових складів, у фазі G позначимо через Y, а в фазі L – через X.

Рис.1. Схема руху потоків у протилежно протікаючому апараті для масообміну.

    Припустимо, що розприділяючий компонент переходить із фази G у фазу L (наприклад, абсорбується з газової суміші рідиною), причому склад цього компоненту в фазі G зменшується від Y₁ (на вході в апарат) до Y₂ (на виході з апарату). Відповідно склад цього ж компоненту в фазі L збільшується від X₂ (при вході в апарат) до X₁ (на виході з апарату).

    Носії  не приймають участі в процесі  масообміну. Отже, їх кількість G та L не змінюються по довжині апарату. Тоді кількість компоненту, який перейшов із фази G, складає: 

M = GY₁ – GY₂ = G (Y₁ – Y₂ ) , кг/сек

та кількість  компоненту, який перейшов у фазу L:

M = LX₁ – LX₂ = L (X₁ – X₂ ) , кг/сек

    Обидві ці кількості рівні, тому можна написати рівняння матеріального балансу наступним чином:

M = G (Y₁ – Y₂ ) = L (X₁ – X₂ )  (1)

    Звідси знаходимо співвідношення між кількостями носія в обидвох фазах:

l = .

- 9 –

    1.7. Тонка очистка від двоокису вуглецю

    Тонка очистка газу від двоокису вуглецю необхідна в технологічних установках із глибоким охолодженням, наприклад, при промивці газу від окису вуглецю рідким азотом у виробництві аміаку, при розділенні повітря, коксового й інших газів.

    Адсорбційний метод для додаткової тонкої очистки газу можна застосовувати після видалення основної кількості СО2 одним із відомих методів, наприклад, водною промивкою.

    Експериментально  розроблений адсорбційний спосіб  тонкої очистки від СО2 при  низькій температурі газу, що  направляється на відмивку рідким  азотом. Спосіб полягає в тому, що адсорбція СО2 відбувається під тиском при температурі -40град.С…-50град.С, а десорбція – потоком інертного газу при низькій температурі та тиску, близькому до атмосферного. По схемі з промивкою газу рідким азотом в якості десорбуючого газу використовується фракція СО. Тиск процесу визначається тиском газу в умовах його подальшої переробки.

    Проведення  адсорбції при пониженій температурі  збільшує поглинаючу здатність  сорбента у декілька разів  у порівнянні з адсорбцією  при звичайній температурі. Затрати  енергії на очистку газу незначні та визначаються тільки витратою на покриття невеликих додаткових втрат холоду та тиску, пов’язаних зі встановленням агрегату очистки. При цьому відсутня постійна витрата будь-яких реагентів.        

    В  якості адсорбентів можуть застосовуватися активовані вугілля та дрібнопористий силікагель різноманітних промислових марок, а також синтетичні цеоліти (молекулярні сита).

    При  адсорбційній очистці водню в  однакових умовах силікагелі  володіють значно меншою місткістю  по СО2, ніж активовані вугілля, з яких найбільш ефективне вугілля марки СКТ. Серед синтетичних цеолітів найбільшу місткість по СО2 має цеоліт СаА.

    Синтетичні  цеоліти типу СаА можуть бути  використані для адсорбційної  очистки газу від СО2 під тиском  та при температурі 15-20град.С,  якщо вміст СО2 в газі не  перевищує декількох десятих  часток відсотка. Регенерація адсорбента  відбувається при 250-350град.С.  

    У  таблицях 1 і 2 наведені характеристики  процесу адсорбції СО2.

 

 

 

 

 

 

 

 

- 10 -

Таблиця 1. Адсорбція С0₂ різними адсорбентами при -42 град.С

в мг/г

 

Адсорбент		Парціальний тиск СО2, Па *
		1,3*103	6,6*103	0,13*105	0,26*105	0,4*105	0,53*105
Вугілля
С	29,0	59,0	68,0	88,0	103,0	114,0
АР-3	16,0	49,0	60,5	102,0	138,5	140,1
Е	20,4	67,0	98,5	140,0	162,5	172,5
КАД	33,0	71,5	104,0	143,0	166,0	174,5
СКТ	50,0	134,0	184,5	257,0	305,0	329,0
Шариковий силікагель
№ 5	12,5	35,0	54,0	76,0	95,0	110,0
№ 6	13,5	40,0	60,0	88,0	—	—

* 10⁵ Па = 9,81 кгс/см²

Таблиця 2. Адсорбция С0₂ при различных температурах         

в мг/г

 

Парціальний	Синтетині цеоліти				Вугілля	Цеоліт	Вугілля
тиск, кПа	NаА	СаА	СаХ	NaX	СКТ	СаА	СКТ
		При 20 °С				При  -42 град.С	При  -42 град.С
0,01	7,0	10,0				75,0	2,0
0,1	28,0	35,0	6,0	7,5	1,0	165,0	6,0
0,6	77,0	86,0	15,0	27,0	3,0	180,0	30,0
1,0	96,0	112,0	22,0	42,0	6,0	190,0	50,0
4,0	114,0	152,0	32,0	67,0	16,0	200,0	99,0
6,6	122,0	167,0	35,0	77,0	23,0	206,0	132,0
10.0	124,0	174,0	38,0	83,0	31,0	208,0	165,0
13,0	128,0	178,0	40,0	90,0	39,0	210,0	198,0
26,0	149,0	188,0	49,0	111,0		218,0	260,0