 |
Расчет к разделу 2.3. Расчеты к подразделу 2.4.1
|
|
|
|
Расчет к разделу 2. 3
Р. 20. Речь пойдет о промышленном предприятии, осуществляющем ликвидацию отравляющего вещества (ОВ). Это очень опасное производство, аппараты в котором тщательно герметизированы, а само помещение оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией. Совокупность мер защиты в нормальном режиме работы цеха обеспечивает в помещении концентрацию ОВ 1, 39. 10-6мг/л, что несколько ниже ПДК. Таким образом, формально нужда в дополнительной очистке вентиляционных выбросов отсутствует. Рассматривается, однако, нештатная ситуация: в силу некоторых непредсказуемых причин (например, из-за аварийной разгерметизации одного из аппаратов) концентрация ОВ в помещении и в выбросах резко увеличивается. Нужно сохранить чистоту воздуха, поступающего в атмосферу. Для этого вентиляционные коммуникации цеха оборудуют адсорбционным фильтром. Адсорбент (активный уголь) в нем, конечно, будет работать однократно: после ликвидации аварии он будет выгружен из адсорбера, направлен на дезактивацию и захоронение.
Исходя из некоторых предположений, в основе которых лежат представления о максимальном количестве ОВ, способном попасть в атмосферу цеха, проектировщик установил, что в адсорбционном фильтре должно находится 0, 26 м3 активного угля, и предложил конструкцию фильтра. Пусть он представляет собой вертикальный короб сечением 1, 7 м2 и шириною 0, 15 м. Воздух проходит через сечение короба и выбрасывается в атмосферу. Уголь, если возникнет потребность в его замене, будет выгружен в герметичную тару под действием собственного веса через патрубок, расположенный внизу короба.
Однако, срок наступления аварии неизвестен, а воздух непрерывно проходит через фильтр. Уголь, естественно, постепенно теряет свои поглотительные свойства, так как в проходящем через него воздухе всегда содержится небольшое количество ОВ. Возникает вопрос: не будет ли уголь к моменту наступления аварии полностью дезактивирован? Требуется определить, как часто уголь требуется менять.
|
|
|
Через фильтр, заполненный активным углем, при 20 0 С и атмосферном давлении проходит 2500 м3 /ч воздуха, который содержит ОВ в концентрации 1, 39. 10-6 мг/л. Определим срок службы фильтра (0, 26 м3 угля) до появления за слоем его относительной концентрации С/Со = 0, 5.
1. Физические свойства ОВ: давление насыщенного пара при указанной температуре 0, 29 мм рт. ст., плотность в жидкой фазе 1, 88 г/см3, парахор 285.
2. Структурные параметры угля по ТОЗМ: W =0, 3 см3 /г, В = 1, 097. 10-6 К-2.
3. Определим концентрацию ОВ в паровоздушном потоке, отвечающую условиям насыщения:
СS = РSМ/RТ = 0, 29. 207, 3. 103/62, 36. 293 =3, 3 мг/л
В этом уравнении: СS – искомая концентрация, РS = 0, 29 мм рт. ст. – давление насыщенного пара ОВ, М = 207, 3 –молекулярная масса ОВ, R = 62, 36 мм рт. ст. л/(К. моль)- газовая постоянная, Т = 293 К – температура.
Относительная концентрация ОВ в поступающем воздухе равна: Со/СS = 1, 39. 10-6/3, 3 = 4, 2. 10-7.
4. Определим коэффициент аффинности: β = ПОВ/ПБЕНЗОЛ = 285/207 = 1, 38, где ПОВ , ПБЕНЗОЛ – парахоры ОВ и бензола.
5. Найдем равновесную величину адсорбции ОВ по уравнению ТОЗМ:
Х(Со) = Wρ. exp[-B(T. lg(CS/C)/β )2] =
= 0, 3. 1, 88 exp[ - 1, 097. 10-6(293. lg(1/4, 2. 10-7)/1, 36)2] = 0, 063 г/г угля,
или 0, 063. 450 =28 г/л, или 28. 103мг/л (450 г/л – насыпная масса угля).
6. Найдем предельную возможность слоя угля:
ПВc = Х(Cо)/Cо = 28. 103/1, 39. 10-6 = 2. 1010 л/л
7. Относительная проскоковая концентрация С/Со =0, 5 примерно соответствует «центру тяжести» выходной кривой. Следовательно, в данном случае предельная возможность соответствует реальной возможности. Определим, какое количество воздуха может быть очищено слоем угля объемом 0, 26 м3:
|
|
|
0, 26. 2. 1010 = 5, 2. 109 м3.
8. Найдем срок службу угля; он равен: 5, 2. 109/2500 = 2. 106. В году около 9000 ч и срок службы угля превысит 200 лет (! ). Очевидно, что цех по уничтожению химического оружия так долго существовать не будет. Следовательно, если не произойдет аварии, уголь заменять не потребуется.
2. 4. Циклические процессы с регенерацией адсорбента прямым вводом тепла теплоносителем – газом
2. 4. 1. Назначение и условия осуществимости
Этот тип циклических процессов (разновидность TSA) применяют для глубокой очистки промышленных (технологических) потоков любой мощности от микропримесей хорошо адсорбирующихся веществ. Организация процесса предусматривает использование части очищенного потока для регенерации слоя – его нагрева и охлаждения. Эта особенность вытекает из предназначенности метода: глубокая очистка требует, чтобы на стадиях регенерации адсорбента он был подготовлен с предельно возможной чистотой. Между тем, в условиях производства, как правило, отсутствует поток более чистый, чем газ, полученный в самой адсорбционной установке.
Из этих соображений вытекает схема организации процесса, приведенная на рис. 2. 5. Итак, пусть в установку под давлением поступает некоторый газ, предназначенный для очистки. При контакте с адсорбентом в одном из адсорберов он очищается и выводится из адсорбера.
Основная часть потока идет на потребление, а часть очищенного потока с помощью дросселя Д, понижающего давление газа, отбирают для того, чтобы с его помощью осуществить регенерацию адсорбента во втором адсорбере. Этот поток пропускают через нагреватель Н, газ нагревают и вводят во второй адсорбер в направлении, как правило, противоположном направлению газа при адсорбции. Адсорбент нагревается, примесь десорбируется и переходит в регенерирующий поток. Поток выводят из установки. После того, как нагрев и десорбция будут завершены, нагреватель выключат и в адсорбер начинает поступать холодный чистый поток: слой адсорбента охлаждается.
После охлаждения слоя осуществляют переключение адсорберов: первый из них, который к этому моменту времени насыщен примесью, ставят на регенерацию, а во втором начинают процесс адсорбции. Затем последует еще одно переключение адсорберов, еще одно и т. д. Установка в целом работает непрерывно и непрерывно выдает потребителю поток очищенного газа. Циклограмма работы этой двухадсорберной установки приведена на рис. 2. 6, а на рис. 2. 5 жирными линиями обозначены коммуникации, «задействованные» в первом полуцикле.
|
|
|
Итак, условие, обеспечивающее глубокую очистку потока, - это использование очищенного потока для регенерации адсорбента. Но для того, чтобы оно было выполнено, необходимо, чтобы количество газа, отбираемого на регенерацию, было меньше (желательно, во много раз меньше), чем количество очищенного потока. В противном случае установка будет работать сама на себя или с малым выходом очищенного газа.
Рис. 2. 5. Схема типичного процесса с прямой регенерацией адсорбента теплоносителем – газом: А1 и А2 – адсорберы, заполненные некоторым адсорбентом, Н – нагреватель, Д – дроссель, цифрами обозначены клапаны, с помощью которых осуществляют управление процессом очистки.
Рис. 2. 6. Циклограмма работы двухадсорберной установки, схема которой приведена на рис. 2. 5: А – адсорбция, Н – нагрев, О – охлаждение.
Выше мы привели уравнения для расчета предельных возможностей слоя. Они таковы
- максимальная возможность при очистке ПВс - см. уравнение (1. 23),
- минимальная возможность (потребность) при нагреве или охлаждении ПВt – см. уравнение (1. 25),
- минимальная возможность (потребность) при нагреве, который сопровождается десорбцией ранее поглощенного вещества, ПВtd – см. уравнение (1. 32).
Очевидно, что для того, чтобы в процессе рассматриваемого типа выход очищенного газа превышал его расход на собственные нужды установки, необходимо соблюдение следующего условия:
ПВc > ПВt + ПВtd (2. 5)
Подставим в уравнение (2. 5) значения предельных возможностей:
(X*o + Co)/Co > 2[(H + h)/h] +[ ∆ H.. X*o/(h. ∆ T)]
|
|
|
Смысл неравенства не изменится, если из правой части исключить последнее слагаемое:
(Х*о + Со)/Со > > 2(H +h)/h (2. 6)
Уравнение (2. 6) удобно тем, что в левой части его присутствуют только физико-химические свойства (концентрации) системы, а в правой – только свойства теплотехнические (теплоемкости). В примере Р. 5 мы определили отношение теплоемкостей для типичного адсорбента и двухатомного газа, находящегося при атмосферном давлении; оно примерно равно 5. 102. Таким образом, очистка этого газа от некоторой примеси в процессе с прямым вводом тепла теплоносителем-газом возможна, если отношение величины адсорбции примеси к ее исходному содержанию в потоке превышает 2. 5. 102 = 1. 103. Эта цифра и есть левое ограничение на область применения метода. Иными словами, очистка потока, в котором коэффициент распределения меньше 103 невозможна, так как расход потоков на регенерацию превысит производительность установки по очищенному газу.
Правым ограничением является та область, которая соответствует переходу от процессов с регенерируемым адсорбентом к процессам с адсорбентом реактивируемым. Выше мы определили ее в терминах, связанных с термостабильностью конструктивных материалов. Ее значение, оцененное по коэффициенту распределения ( или предельной возможности при адсорбции) таково: К < 105. В этих двух порядках (103 < K < 105 ) и лежат реальные возможности рассматриваемого метода.
Расчеты к подразделу 2. 4. 1
Р. 21. Возможна ли адсорбционная осушка воздуха, насыщенного водой, при атмосферном давлении и температуре 30 о С?
Концентрация воды в газе при 30 0 С в условиях насыщения составляет примерно 32 г/м3. Равновесная величина адсорбции воды свежим цеолитом или силикагелем примерно равна 20 г/100 г. В ходе эксплуатации активность из-за старения и дезактивации адсорбента (см. далее) понизится в 2-3 раза и составит примерно 7 г/100 г. Приведем размерность величины адсорбции к форме, сопоставимой с размерностью концентрации: 7. 10-2. 600. 103 =4, 2. 104 г/м3 где 600 г/л – насыпная масса адсорбента. Коэффициент распределения равен:
К = (Х*о + Со) / Со = (4, 2. 104 + 32)/32 = 1, 3. 103 ,
что практически равно левому ограничению на область применимости метода. Адсорбционная осушка в этих условиях не осуществима, так как почти весь произведенный ею сухой газ потребуется направить на регенерацию.
Р. 22. Рассмотрим ту же задачу, что в примере Р. 21, но при давлении 0, 5 МПа. ( В технологических расчетах адсорбции давление выражают в абсолютной шкале, и атмосферному давлению соответствует 0, 1 МПа).
|
|
|
Концентрация паров воды в сжатом воздухе составляет примерно 32 г в расчете на 1 м3 сжатого воздуха. Величина адсорбции практически не изменится и составит 4, 2. 104 г/м3. Отсюда коэффициент распределения воды равен К = 1, 3. 103 м3 сжатого воздуха в расчете на 1 м3 адсорбента. Но на операции регенерации поступает воздух при атмосферном давлении. В расчете на атмосферное давление коэффициент распределения составит:
К = 1, 3. 103. 0, 5/0, 1 = 6, 5. 103.
Это значение заметно превышает левое ограничение и процесс осушки при давлении 0, 5 МПа оказывается возможным.
Отметим, что с физической точки зрения, потенция к осушке появилась, благодаря тому, что в ходе сжатия газа из него было удалено (переведено в форму конденсата) примерно 4/5 первоначально содержавшейся воды.
Р. 23. Можно ли очисть от диоксида углерода сухой воздух, в котором содержится 0, 03 об. % этого вещества?
Для определенности будем считать, что процесс очистки осуществляют при атмосферном давлении и 20 0 С. Концентрацию диоксида углерода в газе выразим в более удобных размерностях:
Со = 0, 03. 10-2. 760 = 0, 23 мм рт. ст = 0, 03. 10-2. 1, 98. 103 = 0, 6 г/м3, где 1, 98 кг/м3 – плотность диоксида углерода при нормальных условиях.
Для поглощения диоксида углерода при низких парциальных давлениях в газе пригодны только цеолиты. Их активность, согласно экспериментальным данным, составит примерно 1, 5. 10-2 г/г, или
1, 5. 10-2. 600. 103 = 9. 103 г/м3.
Отсюда коэффициент распределения К = 9. 103 /0, 6 = 1, 5. 104.
Процесс очистки возможен.
Р. 24. Можно ли очистить от диоксида углерода топочный газ, содержащий 12 % этой примеси (будем считать, что прочие загрязняющие компоненты в газе отсутствуют и единственным массовым компонентом топочного газа является не адсорбирующийся азот)? Давление очистки атмосферное, температура 20 0 С.
Концентрация диоксида углерода в газе:
Со = 11. 82. 10-2 . 760 = 91 мм рт. ст = 12. 10-2. 1, 98. 103 = 240 г/м3.
Адсорбент – цеолит. Его активность по диоксиду углерода – 0, 1 г/г, или 0, 1. 600. 103 = 6. 104 г/м3.
Коэффициент распределения: К = 6. 104/240 = 2, 5. 102, что много меньше, чем пороговое значение 1. 103. Очистить топочный газ рассматриваемым методом невозможно.
2. 4. 2. Осушка газов
Характеристика влажных газовых сред. В современной технике глубокая осушка газов с помощью адсорбентов вытеснила практически все другие возможные методы.
В промышленности используют разные, в том числе специфические, способы выражения абсолютной концентрации паров воды в газах. Назовем их: массовая концентрация (г/м3), парциальное давление ( мм рт. ст. ), точка росы (0 С), частей на 1 миллион, или пропромилле (эту концентрацию выражают в объемных и массовых единицах). Из четырех способов два тривиальны. Объясним смысл двух других. Точка росы – это температура, которая соответствует переходу газа, ненасыщенного парами воды, при охлаждении в состояние насыщенности. Очевидно, что понижение температуры ниже точки росы вызовет конденсацию паров – появление «росы». Пропромилле говорит о том, сколько единиц объема (массы) находится в 1 миллионе единиц объема (массы) сухой среды. Эту концентрацию записывают латинскими буквами ppm. Очевидно, что 1ppm = 10 –4 %. Все способы выражения концентраций взаимосвязаны и могут быть рассчитаны по уравнениям состояния газов. Результаты одного из таких расчетов приведены в таблице.
Таблица 2. 1
Влагосодержание воздуха при атмосферном давлении
| Точка росы, 0 С | Парциальное давл., мм рт. ст. | Массовая концентр., мг/м3 | Ppm (объемн. ) | Ppm (весов. ) |
| - 90 | 7. 10-5 | 0, 0735 | 0, 0923 | 0, 057 |
| - 80 | 4. 10-4 | 0, 42 | 0, 526 | 0, 327 |
| - 70 | 1, 9. 10-3 | 2, 4 | 2, 55 | 1, 58 |
| - 60 | 8. 10-2 | 8, 47 | 10, 6 | 6, 6 |
| - 50 | 2, 9. 10-2 | 31, 5 | 39, 4 | 24, 6 |
| - 40 | 9, 7. 10-2 | 79, 1 | ||
| - 30 | 2, 8. 10-1 | |||
| - 20 | 7, 7. 10-1 | |||
| - 10 | 1, 95 | |||
| 0 | 4, 58 |
Абсолютное влагосодержание многих газов выше, чем воздуха. К числу таких газов относятся сероводород, диоксид углерода, углеводородные газы. Данные о нем приведены в специальной литературе и в справочниках.
Абсолютное влагосодержание зависит от давления, при котором находится газ. До давлений порядка 6 – 10 МПа массовая концентрация понижается обратно пропорционально росту давления. Так как процессы осушки газов проводят при повышенных давлениях, а измерения влагосодержания обычно осуществляют при давлении атмосферном, то в значения показателей, характеризующих влагосодержание газа, необходимо вносить определенные поправки.
Покажем, как это делается. Пусть в трубопроводе находится воздух при давлении 1 МПа. В пробе этого воздуха, отобранной при атмосферном давлении (0, 1 МПа), определено массовое содержание паров воды. Оно, предположим, составляет 50 мг/м3. Влагосодержание в других размерностях берется из таблицы: точка росы –50 0 С, парциальное давление 0, 03 мм рт. ст., ppm (объемные) 40, ppm (весовые ) 25 (все цифры округленные). В трубопроводе газ имеет следующие показатели влагосодержания. Массовая концентрация составляет 50. 1/0, 1 = 500 мг/м3 , парциальное давление -0, 03. 1/0, 1 = 0, 3 мм рт. ст., точка росы, определенная по строчке в табл. 1. 3, которая отвечает парциальному давлению 0, 3 мм рт. ст., равна – 30 0 С. Пропромилле – это относительные концентрации, и их значения в сжатом газе такие же, как в расширенном: 40 и 25 ppm.
Адсорбенты. Для осушки газов применяют микро- (мелко-) пористые адсорбенты с гидрофильной поверхностью. К ним относятся цеолиты, силикагель, алюмогель. Обычно применяют следующие марки адсорбентов-осушителей: цеолит NaA, силикагель КСМ, технический алюмогель-осушитель. Физико-химическими характеристиками системы вода-адсорбент являются изотермы адсорбции, которые несут информацию о равновесной (предельной) влагоемкости адсорбентов (величине адсорбции паров воды) при разных температурах и разных концентрациях водяного пара в объемной фазе. Практическая влагоемкость, реализующаяся в процессе осушки, которую часто называют динамической активностью, значительно ниже влагоемкости равновесной. Ее значения примерно составляют 6 – 8 г/100 г для силикагеля и алюмогеля и 8 –12 г/100 г для цеолита. О причинах сильных отличий динамической влагоемкости от влагоемкости равновесной (20 г/100 г и более) будет сказано ниже.
Средняя теплота адсорбции паров воды составляет 2500 кДж/кг воды для силикагеля и алюмогеля и 4200 кДж/кг для цеолита.
В табл. 2. 2 приведено качественное сопоставление ряда свойств промышленных адсорбентов-осушителей. Данные таблицы содержат информацию, полезную для выбора конкретного адсорбента. Если технологические предпочтения отсутствуют, то используют самый дешевый адсорбент – силикагель.
В перечне свойств отсутствуют сведения об остаточном содержании воды в газе, выходящем из адсорбционной установки, или степени осушки. Эти показатели связаны друг с другом: степень осушки = (Со – Сост)/Со. К вопросу об их возможных значениях мы вернемся ниже. Здесь же покажем, что, вопреки распространенному мнению, равновесное давление паров воды над адсорбентом, достигающееся в ходе регенерации, в циклическом процессе не зависит от типа адсорбента.
На рис. 2. 7 в полулогарифмических координатах представлены две изотермы адсорбции, соответствующие температурам Та и Тр (Тр > Та). Первую из температур будем рассматривать как температуру, при которой происходит адсорбция (осушка), вторую температуру – как температуру, соответствующую регенерации (нагреву).
Таблица 2. 2
Технологические свойства промышленных адсорбентов
| Свойство | Силикагель | Алюмогель | Цеолит |
| Равновесная влагоемкость при низких парциальных давлениях воды | Низкая | Низкая | Высокая |
| То же при высоких парциальных давлениях | Высокая | Высокая | Высокая |
| Пригодность для осушки горячих газовых сред | Не пригоден | Не пригоден | Пригоден |
| Устойчивость к капельной влаге | Не устойчив | Устойчив | Ограниченно устойчив |
| Устойчивость к присутствию в газе кислых компонентов | Устойчив | Не устойчив | Ограниченно устойчив |
| Каталитическая активность в реакциях полимеризации ненасыщенных соединений | Активен | Не активен | Активен |
| Механическая прочность | Прочный | Прочный | Ограниченно прочный |
| Стоимость | Низкая | Очень высокая | Высокая |
Пусть начальное состояние системы отвечает точке 1: Т = Та, Х = Х1, С = С1. Нагрев адсорбента до температуры Тр газом, влагосодержание которого составляет С1, понижает величину адсорбции до Х2, что дает точку 2 - условное состояние системы к концу нагрева. Охлаждение от Тр до Та при Х2 ≈ const дает точку 3 – состояние адсорбента после первого цикла регенерации. Если через адсорбент, находящийся в этом состоянии, пропускать поток газа, то на выходе из слоя концентрация воды составит С3. После второго цикла регенерации из слоя при адсорбции будет выходить поток с концентрацией С5 и так далее. Иными словами, чередование стадий в циклическом процесс обеспечивает стремление к неограниченно низкому давлению насыщенного пара над адсорбентом. Так как мы выбрали произвольные (выпуклые) изотермы и произвольные значения характерных температур, то очевидно конечное равновесное влагосодержание газа над адсорбентом от них не зависит. Они определяют лишь темп, с которым давление насыщенного пара стремится к нулю.
Технологические схемы установок осушки. Технологическая схема установки осушки и циклограмма ее работы, приведенные соответственно на
Рис. 2. 7. Понижение остаточного влагосодержания в циклическом процессе осушки газа.
рис. 2. 5 и рис. 2. 6, отвечают реальной установке осушки воздуха. Кроме двухадсорберных установок при осушке воздуха и других газов часто используют установки, в состав которых входит три аппарата. В каждом из них в данный момент времени осуществляется одна из стадий адсорбционного процесса: осушка (адсорбция), нагрев (десорбция) и охлаждение. Длительности всех стадий одинаковы и адсорберы заменяют один другого в очевидном порядке: тот, в котором завершилось охлаждение, ставится на осушку потока. Тот, в котором завершился нагрев, - на охлаждение, а тот, который отработал в стадии осушки, начинает нагреваться. Трехадсорберные установки сложнее и дороже, установок двухадсорберных и их применяют в объектах большой мощности для уменьшения мощности нагревателя или при использовании нагревателей, которые нежелательно часто включать и выключать. В установках этого типа нагреватель работает непрерывно.
Из соображений, которые обсуждены в примерах Р. 21 и Р. 22, на осушку почти всегда подают сжатый газ. Поэтому установки осушки, как правило, состоят из двух блоков: блока подготовки газа к осушке и собственно блока осушки, схема которого отражена на рис. 2. 5. В блок подготовки входят компрессор для сжатия газа, промежуточные (между ступенями сжатия) и концевой холодильники, водо-маслоотделители для удаления гетерогенных примесей и ресивер сжатого газа.
При осушке газов более ценных, чем воздух, вместо схем с открытым циклом регенерации, пример которой был приведен на рис. 2. 5, применяют схемы с закрытым циклом. Один из вариантов схемы с закрытым циклом изображен на рис. 2. 8 В этой схеме газы регенерации (нагрева и охлаждения) охлаждают и вводят во всасывающий патрубок компрессора. Они повторно поступают в установку осушки вместе с исходным газом. Содержащуюся в газах регенерации воду отделяют после холодильников. Таким образом, в установках с закрытым циклом регенерации отделение основного количества воды происходит после циркуляционного компрессора, а адсорбционная установка осуществляет удаление остаточных количеств ее.
Адсорберы. При глубокой очистке газов, в том числе при осушке, применяют цилиндрические вертикальные аппараты с большим отношением Н/Д, где Н – высота слоя адсорбента, Д – диаметр адсорбера. Обычно, Н/Д = 2 – 10. Адсорберы имеют штуцеры для входа и выхода газа, люки для загрузки и выгрузки адсорбента и некоторые другие элементы (распределительная и прижимная решетка, слой инертного материала, пробоотборники и т. п. ). На рис. 2. 9. приведена конструктивная схема
Рис. 2. 8. Технологическая схема трехадсорберной установки осушки газа с закрытым циклом регенерации адсорбента.
адсорбера, предназначенного для осушки воздуха при сравнительно низких давлениях (менее 1 МПа).
Адсорберы изготавливают из углеродистых сталей, если в газе отсутствуют коррозионно-опасные компоненты, или из нержавеющих сталей, если такие компоненты присутствуют.
Параметры процесса осушки. Осушку газов практически всегда проводят при повышенных давлениях. Уровень давления определяется основным производством, потребляющим сжатый и осушенный газ. Если в основном производстве используется газ, находящийся при атмосферном
Рис. 2. 9. Конструктивная схема адсорбера.
давлении (например, в производстве озона), то газ сжимают ради успешного проведения самой осушки. Возможен другой вариант: перед поступлением в блок осушки газ, находящийся при атмосферном давлении, охлаждают до температур порядка 2 -5 0 С, выделяя основное количество содержащейся в нем воды.
Температуру газа, подаваемого на нагрев адсорбента, стремятся держать на пределе термостабильности адсорбента, конструктивных материалов и элементов конструкции. Ранее мы показали, что повышение температуры сокращает расход газа на нагрев. Практические цифры таковы: силикагель 200 –250, цеолит и алюмогель 300 –350 0 С.
Диаметр адсорбера рассчитывают по обычным соотношениям, исходя из производительности установки, давления и скорости потока в стадии адсорбции. Верхнее значение скорости не должно превышать первой критической скорости, отвечающей разрыхлению слоя перед его псевдоожижением. Практические значения скорости потока при адсорбции в расчете на сжатый газ составляют 5 – 10 м/мин. Они редко опускаются ниже 5 м/мин, так как при понижении скорости возрастает влияние продольной диффузии и понижается качество осушки, но иногда поднимаются до 20 м/мин и даже выше. Для большинства сжатых газов в районе 10 м/мин лежит зона перехода внешнедиффузионного процесса во внутридиффузионный.
Скорости потоков на стадиях регенерации не задают: они складываются самопроизвольно, исходя из расходов потоков, идущих на нагрев и охлаждение слоя. Их определяют в ходе теплотехнических расчетов, пример которых приведен в конце подраздела.
Временные параметры процесса – длительности стадий связаны друг с другом соотношением, вытекающим из уравнения (2. 4). Для двухадсорберной установки имеем:
τ а = τ н + τ н,
для трехадсорберной:
τ а= τ н = τ о,
в которых индексы «а», «н», «о» отвечают стадиям адсорбции, нагрева и охлаждения. В сущности, нужно выбрать длительность лишь одной стадии, так как длительности двух других либо равны ей (трехадсорберная установка), либо вытекают из теплотехнических расчетов. В качестве независимого параметра выбирают длительность стадии адсорбции.
Приведенные в разделе 4 математические модели позволяют рассчитать значения τ а для любой высоты слоя адсорбента и любой наперед заданной концентрации (Сп) адсорбата в потоке, выходящем из адсорбере. Эта концентрация, как известно, носит название проскоковой. На рис. 2. 10 приведена зависимость τ а от Н при Сп = const. Она носит название шиловской кривой и названа в честь русского ученого Шилова, который внес много важного в техническую адсорбцию и, в том числе, предложил такой способ представления данных по фронтальной динамике адсорбции. Любая точка на кривой, обозначенной цифрой 1, удовлетворяет требованиям стадии
Рис. 2. 10. К выбору продолжительности стадий адсорбционного процесса
адсорбции. Остается неясным, однако, вопрос, удовлетворяет ли произвольно выбранная точка условиям стадий регенерации?
Математическая модель стадии охлаждения позволяет рассчитать зависимость τ о от Н при любой наперед заданной температуре газа, выходящего из слоя. Для стадии нагрева, сопровождающегося десорбцией, такая модельная определенность отсутствует. Однако выражение для скорости движения центра тяжести волны нагрева имеется (см. уравнение 1. 32) и зависимость τ н от Н для этой температурной точки легко определяется. Она имеет вид прямой и на рис. 2. 10 обозначена цифрой 2. Пересечение линий 1 и 2 дает некоторое парное значение τ а (или τ н, или τ о ) и Н, которое отвечает условиям и стадии адсорбции, и стадий регенерации. Их можно назвать минимальной длительностью стадии адсорбции и минимальной высотой слоя. Реальные длительности и реальная высота превышают эти минимальные значения.
Старение и деактивация адсорбентов. Адсорбенты – высокодисперсные тела и в термодинамическом смысле они нестабильны. Их нестабильность проявляется, в первую очередь, в понижении равновесной влагоемкости. Установлено, что за каждые 4 года хранения силикагель, даже если он не используется, теряет 25 % своей активности. Причина старения силикагеля, видимо, состоит в том, что со временем происходит укрупнение глобул адсорбента и отщепление от них групп ОН, которые являются центрами адсорбции воды:
Известно также, что активность цеолита в течение первых циклов процесса осушки понижается до 70 % от начальной величины. Правда, затем, если осушке подвергается чистый газ, она долго не изменяется. Наличие углеводородов в осушаемом газе, особенно высококипящих, приводит к непрерывной дезактивации и цеолита, и силикагеля. Адсорбенты, таким образом, по истечении некоторого времени, надо заменять. Срок службы их определяется скоростью старения и дезактивации, количеством адсорбента в адсорбере и продолжительностью стадий адсорбционного цикла.
Будем рассматривать данные рис. 2. 10 как характеристики «свежего» адсорбента. С течением времени теплоемкость адсорбента не изменится и положение кривой 2 будет неизменно во времени. Однако, уменьшение активности приведет к изменению формы и положения кривой 1. Она, как показывают расчеты, будет иметь вид кривой 3, нанесенной на рис. 2. 11 Точка пересечения кривых 2 и 3 дает значения продолжительностей стадий и высоты слоя для завершающего периода работы адсорбента в адсорбере. В адсорберах промышленных установок в момент ввода в эксплуатацию имеется, следовательно, большой запас адсорбента, обеспечивающий долговременную работу этих установок без перегрузки адсорбента. Именно наличием запаса объясняются те большие расхождения в равновесной и динамической активностях, о которых мы говорили выше
Старение и дезактивация – плохо изученные процессы и количественные расчеты скорости их протекания и того влияния, которые они оказывают на параметры адсорбционного цикла, часто невозможны. При проектировании традиционных процессов эти неясности преодолеваются по опыту работы установок – аналогов. Проектирование новых процессов всегда идет в условиях риска.
В ходе эксплуатации гранулы адсорбентов трутся друг о друга, истираются, разрушаются и пылят. Поэтому в адсорберы с некоторой периодичностью добавляют свежий адсорбент. Годовая норма добавки для цеолита и алюмогеля составляет примерно 5 %. Норма добавки для силикагеля выше (10 – 15 %) из-за того, что этот адсорбент разрушается при попадании на него капельной влаги.
Срок службы цеолита (силикагеля) в установках с запасом составляет 5 –10 лет. Длительность стадии адсорбции равна 8 –12 ч и вряд ли она может быть существенно уменьшена.
Рис. 2. 11. Старение адсорбента и выбор характеристик адсорбционного цикла.
Остаточное содержание воды в осушенном газе. Это самый важный и самый неопределенный показатель процесса осушки. Уточним, что же имеется в виду.
При заданных параметрах процесса осушки расчетным путем достаточно легко определить момент появления за слоем любой, сколь угодно низкой концентрации воды – проскоковой концентрации, при появлении которой стадия адсорбции должна быть прекращена. Однако практика эксплуатации установок осушки свидетельствует о том, что задолго до наступления проскока, практически сразу после начала стадии адсорбции, за слоем возникает некоторая фоновая концентрация воды в газе, которая не поддается управлению, а является характеристикой данной установки. Эту фоновую концентрацию и называют остаточным содержанием воды в осушенном газе. Иногда она выше желаемой, т. е. диктуемой технологическими требованиями, проскоковой концентрации, и работу установки, которая характеризуется таким соотношением между концентрациями, следует считать неудовлетворительной.
Величина остаточного влагосодержания определяет качество осушки, которая может быть умеренной (точка росы – 30 - -40 0 С), глубокой (- 40 – - 60 0 С) и сверхглубокой (ниже – 60 0 ). Почему же в целом идентичные установки часто проявляют разные качества? Тип адсорбента, как мы показали выше, сам по себе качество не определяет.
Одной из причин наличия фоновой концентрации, как кажется, является выделение тепла, всегда сопровождающего процесс адсорбции Приведем данные одного из опытов по осушке воздуха силикагелем при атмосферном давлении (неопубликованные результаты И. Гордеева). Они схематично представлены на рис. 2. 12 в виде концентрационной и температурной выходных кривых. Начальная температура воздуха составляла 20 0 С. В течение некоторого промежутка после начала процесса осушки времени такой же была температура газа на выходе из адсорбера. Затем температура за слоем возросла до 50 0 С и более не изменялась. Такой вид температурной кривой является вполне естественным. Адсорбция сопровождается выделением тепла, скорость движения температурного фронта на несколько порядков выше, чем скорость движения концентрационного фронта. Следовательно, из слоя в течение почти всего процесса адсорбции выходит «горячий» газ.
Концентрационная волна отражает изменения, которые имели место на волне температурной. В течение того промежутка времени, когда из слоя выходил относительно холодный воздух, его влагосодержание отвечало точке росы – 70 0 С. Появление за слоем сравнительно теплого воздуха привело к увеличению точки росы до – 40 0 С. Поэтому можно
Рис. 2. 12. Концентрационная и температурная кривые, наблюдавшиеся при осушке атмосферного воздуха силикагелем: 1 – концентрационная выходная кривая, 2 – температурная выходная кривая
предположить, что нагрев газа и адсорбента теплом, выделяющимся при адсорбции, привел к увеличению упругости паров воды, всегда присутствующей в адсорбенте, и вызвал повышение остаточного влагосодержания.
Дополнительным аргументом в пользу такой трактовки результатов является один из описанных в литературе опытов. В нем было показано, что охлаждение воздуха, вышедшего из адсорбера (точка росы – 40 0 С), до комнатной температуры и пропускание его через второй слой силикагеля позволяет получить газ с фантастически низким остаточным влагосодержанием, равным – 100 0 С.
С повышением давления возрастает теплоемкость газа и разогрев слоя и газа, обусловленный теплом адсорбции паров воды (см. уравнение (1. 30)), уменьшается. При давлении 3 – 5 МПа он становится пренебрежимо малым. Однако для установок, работающих при высоких давлениях потока, также характерна
|
|
|
