 |
Расчет к подразделу 2.2.1
|
|
|
|
Р. 19. В некоторой системе жидкость – адсорбат - адсорбент адсорбционное равновесие описывается степенным уравнением Х = АСВ, где А и В = 0, 3 – коэффициенты. Определить отношение расходов адсорбента в адсорбере с неподвижным слоем и адсорбере-емкости. Остаточное содержание адсорбата в жидкости для второго аппарата принять равным С = 0, 05Со.
Используем уравнение (2. 3): М = Х*(С)/Х*о = С0, 3/Со0, 3= 0. 050, 3= 0, 37.
Расход адсорбента в первом из аппаратов примерно в 3 раза ниже, чем во втором.
2. 2. 2. Типы процессов
Емкость адсорбента – величина конечная и после переработки некоторого количества потока адсорбент надо заменить или восстановить его поглотительные свойства. Процессы, в которых адсорбент заменяют, называют процессами с однократно используемым адсорбентом. Процессы, в которых поглотительные свойства адсорбента восстанавливают, - это процессы с адсорбентом, используемым многократно.
Восстановление утраченных поглотительных свойств часто можно осуществить в том же аппарате, в котором происходила переработка потока. В этом случае операции восстановления носят название регенерации адсорбента. Если же для восстановления свойств адсорбент выгружают из адсорбера и обрабатывают в некотором другом аппарате, то такие операции называют реактивацией адсорбента. Оба метода восстановления свойств, как правило, (хотя и не исключительно) основаны на нагреве адсорбента. При нагреве парциальное давление адсорбата над адсорбентом возрастает, адсорбат переходит в газовую фазу и потоком отдувочного газа может быть вынесен за пределы аппарата. Выбор метода восстановления определяется, таким образом, температурой, которая обеспечит достаточно полную десорбцию поглощенных веществ. Она, в свою очередь, зависит от их физических свойств. Есть некоторый эмпирический критерий, который говорит о возможности или, наоборот, о невозможности регенерации. Это нормальная температура кипения. Если для некоторого адсорбата она ниже 180 – 190 оС, то регенерация возможна. Если выше, то следует прибегнуть к реактивации. В значении этого критерия учтена ограниченная термическая стабильность конструктивных материалов, из которых изготовлен корпус адсорбера, и арматуры, используемой для управления адсорбционным процессом. Для адсорберов, изготовленных из углеродистой стали, арматуры обычного качества предел термостабильности не превышает 350 – 400 оС.
|
|
|
Итак, в ходе регенерации адсорбент был нагрет. Его непосредственное применение для очистки потока невозможно и регенерацию продолжают, охлаждая адсорбент до температуры адсорбции. Регенерация в рассматриваемом примере состоит из двух стадий: нагрева (десорбции) и охлаждения, а сам процесс из трех непрерывно сменяющихся и воспроизводящихся стадий: адсорбция (очистка, разделение) – нагрев – охлаждение и снова адсорбция – и т. д. Из-за повторяемости стадий процессы с регенерируемым адсорбентом часто называют циклическими.
Существуют очень сложные адсорбционные циклы, с большим числом стадий и их сложным чередованием во времени. Чтобы дать наглядное представление об адсорбционном цикле, используют так называемые циклограммы процессов. Так называют графическую запись чередования стадий в каждом адсорбере адсорбционной установки во времени. Используют две системы представления циклограммы. В одной из них над осью абсцисс – осью времени надписывают названия чередующихся стадий. В другой системе показывают символические изменения некоторого характерного параметра процесса во времени. Оба вида циклограмм приведены на рис. 2. 2 для трехстадийного процесса: адсорбция – нагрев – охлаждение, осуществляемого в трехадсорберной установке.
|
|
|
Рис. 2. 2. Циклограммы (характерный параметр – температура)
Различают два вида циклических процессов: с циклически изменяющимся температурой и с циклически изменяющимся давлением. Первый из них часто обозначат аббревиатурой TSA – Thermal Swing Adsorption, второй - PSA – Pressure Swing Adsorption. Число адсорберов в циклических процессах всех типов определяют по уравнению:
N = ∑ τ i / τ а (2. 4)
Здесь: N – количество адсорберов, τ i – продолжительность i – ой стадии (например, адсорбции, нагрева или охлаждения), τ а - продолжительность стадии адсорбции. Уравнение (2. 4) – это требование, согласно которому процесс очистки должен осуществляться непрерывно. Для циклограммы, пример которой был приведен выше, число адсорберов, очевидно равно трем.
В зависимости от типа теплоносителя и способа ввод тепла процессы ТSA классифицируют как процессы с прямым вводом тепла с теплоносителем – газом, то же с теплоносителем – паром и процессы с косвенным вводом тепла (вводом через стенку). В последнем случае вид теплоносителя не существенен. Процессы PSA не принято подразделять на более мелкие группы.
Реактивацию, которую, как уже указывалось, проводят вне адсорбера, классифицируют по способу выгрузки адсорбента. Эту операцию можно проводить периодически, когда весь находящийся в аппарате адсорбент утратит свою поглотительную способность, или непрерывно. Процессы, отвечающие этим способам, соответственно называют периодическим и непрерывным Классификационная таблица процессов приведена на рис 2. 3. Тип процесса обусловлен его назначением (очистка потока, его разделение, извлечение или концентрирование адсорбата) и свойствами системы.
Между типом процесса и типом аппарата имеется определенное соответствие. В вертикальных адсорберах с неподвижным слоем осуществляют процессы с прямым вводом тепла газом и безнагревные процессы, в горизонтальных и радиальных адсорберах – процессы, в которых ввод тепла осуществляют с помощью пара. Для процессов с косвенным нагревом, очевидно, пригоден только адсорбер-теплообменник. Непрерывные процессы проводят в адсорберах с движущимся или псевдоожиженным слоями адсорбента и в емкостных адсорберах. Периодические процессы – и в аппаратах с неподвижным слоем, и в емкостных адсорберах.
|
|
|
2. 3. Процессы с однократно используемым адсорбентом
Это самый старый тип процессов; именно так осуществляли очистку сахарных сиропов в емкостных адсорберах дешевым адсорбентом – древесным углем. С переходом на более качественные и, следовательно, более дорогие адсорбенты – активные угли очистка сиропов стала процессом с многократно используемым адсорбентом. Но имеется огромное множество современных процессов, в которых адсорбент используется однократно. Обычно это такие процессы, в которых требования к чистоте адсорбента чрезвычайно высоки, и процессы, затраты на адсорбент в которых для потребителя адсорбента, не имеют существенного значения. К первому типу относятся, например, процессы и аппараты для защиты органов дыхания, в том числе, противогазы. Использованный противогаз (боевой или промышленный) изымается, заменяется новым и уничтожается.
В качестве основного (но не единственного) адсорбента в противогазах, как правило, применяют активный уголь. Адсорбер – противогаз имеет круглое или фасолеобразное сечение и относится к аппаратам горизонтального типа. Сравнительно большое сечение аппарата при небольшой высоте слоя адсорбента обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление, что важно для аппаратов, в которых движение потока очищаемого воздуха происходит за счет дыхания.
Рис. 2. 3. Адсорбционные процессы
Так же однократно используют активные угли при гемосорбционном лечении больных. Этот операционный метод предназначен для удаления из крови человека токсинов, попавших в организм извне или образовавшихся в нем в ходе болезни. Во время операции из вены больного на ноге отбирают кровь, пропускают ее через колонку с активным углем и возвращают в вену руки. Вариантами гемосорбции являются лимфосорбция и плазмосорбция.
|
|
|
К углям, применяемым в медицине, предъявляют повышенные требования. Используют высокопрочные и мало пылящие их модификации. Угли отмывают от смол, стерилизуют и часто предварительно обрабатывают плазмой крови больного. Эту операцию проводят для того, что подавить реакции отторжения, проявляющиеся при контактировании крови больного с поверхностью необработанного угля.
При ликвидации запасов химического оружия, к которой Россия должна приступить в ближайшее время, также применяют активные угли. Их используют как средство для обеспечения промышленной безопасности при проведении процесса дезактивации. Особенности функционирования одного из изделий этого назначения будут рассмотрены в примере.
В приведенных выше ситуациях однократное применение адсорбента было обусловлено высокой токсичностью накопленных им веществ и медицинскими противопоказаниями для повторного применения отработанного адсорбента, даже если его свойства в целом могут быть восстановлены. В промышленности, соображения из-за которых адсорбент после использования выбрасывают вместо того, чтобы, восстановив его поглотительную способность, использовать повторно, носят экономический характер. Считают, что при расходе адсорбента менее 100 кг/год и его средней стоимости 50 – 100 руб. /кг потребителю выгоднее заменить адсорбент, чем усложнять производство операциями по восстановлению свойств. Конечно, указанная граница во многом условна и конкретное значение ограничения обусловлено целым рядом сопутствующих условий. Но общий смысл понятен: если, с точки зрения потребителя, расход адсорбента невелик, то проще его заменить, чем восстановить. Отработанный адсорбент выбрасывают, и он в конечном счете оказывается на свалках твердых промышленных отходов.
Типичный пример однократно используемого адсорбционного фильтра дает техника умеренного холода. В каждом бытовом или промышленном холодильнике имеется патрон, содержащий адсорбент. Он расположен после воздушного холодильника и непосредственно перед дросселем сжатого хладагента. Адсорбент осушает масло-хладоновую смесь, циркулирующую в холодильнике, очищает ее от кислых компонентов и, тем самым, защищает дроссель от забивки твердыми отложениями льда. Именно адсорбент обеспечивает долгую безаварийную работу холодильной машины. В качестве него используют цеолит, в состав гранул которого введен оксид алюминия. Цеолит выполняет функцию осушителя, оксид алюминия химически связывает кислоты, которые из-за окисления веществ и материалов постепенно накапливаются в масло-хладоновой композиции. Фильтр, содержащий адсорбент, после исчерпывания емкости по воде выбрасывают и заменяют новым.
|
|
|
Преобладают две модификации адсорберов: фильтр с неподвижным слоем зернистого (сферического) адсорбента и фильтр с блочным адсорбентом, конструкция которого показана на рис. 2. 4. Предпочтение отдается блочной конструкции, адсорбент в которой меньше подвержен эрозии. Как видно из рисунка, очищаемая смесь поступает в фильтр сверху, попадает в центральный канал блока, фильтруется через его стенки и через нижний штуцер возвращается в систему. Тупиковый конец канала выполняет функции сборника грязи.
Пространство высоковольтных трансформаторов заполнено специальным маслом, наличие которого предотвращает пробой между токопроводящими элементами. По мере работы трансформатора в масле накапливаются вода и кислоты, появление которых ухудшает диэлектрические свойства масла и понижает величину пробойного напряжения. Для удаления примесей трансформаторы оборудуют фильтрами с адсорбентами. С помощью насоса осуществляют циркуляцию масла из трансформатора в фильтр и обратно. В качестве адсорбентов применяют цеолит, алюмогель и даже природные глины. В трансформаторах малой мощности адсорбент используют однократно. В более мощных и, следовательно, более крупных агрегатах его подвергают реактивации, которую проводят периодически. В последние годы появилась тенденция к непрерывной реактивации адсорбента, выгружаемого из трансформаторов большой мощности.
Рис. 2.. 4. Фильтр – осушитель для малых холодильных машин
Многие приборы, изделия радиоэлектроники, машиностроения поступают к потребителям в полиэтиленовой упаковке. Она обладает ограниченной герметичностью и с течением времени внутри ее влажность возрастает. При высокой относительной влажности (более 30 %) суточные колебания температуры окружающей среды могут привести к выпадению росы, что, естественно, нежелательно. Неконтролируемое повышение влажности предотвращают, размещая внутри упаковки мешочки с адсорбентом-осушителем – силикагелем. После растаривания изделия мешочки выбрасываются – адсорбент используется однократно.
Вода является одним из немногих веществ, способных к инфракрасному излучению даже в холодном состоянии, и наличие паров ее в пространстве между оконными рамами увеличивает потери тепла. За рубежом, а в последние годы и в России, в пространство между рамами стали помещать сферический цеолит NaA, который обладает превосходными осушающими свойствами. Считают, что применение стеклопакетов с цеолитом на 30 % понижает потери тепла в течение отопительного сезона. Адсорбент, загруженный в рамы, используется однократно, затраты на его обновление для единичного потребителя, следовательно, невелики. Оно, однако, огромно в абсолютных цифрах и масштабы производства шариковых цеолитов этого назначения превышают масштабы получения всех остальных гранулированных цеолитов– адсорбентов.
|
|
|
