 |
Расчет к подразделу 2.6.2
|
|
|
|
Р. 28. Рассчитать продолжительность охлаждения слоя цеолитов, помещенных в цилиндрический адсорбер, радиусом rср = 0, 05 м. Длина адсорбера значительна, теплопроводность материала стенок бесконечно велика. В начальный момент времени адсорбер, имевший температуру Тн = 200 º С, быстро помещен в среду, в которой поддерживается температура Т* = 20 º С. Процесс охлаждения считать завершенным в тот момент времени, когда температура на оси слоя (n = 0/rср = 0) достигнет значения Т = 30 º С
Физические свойства слоя: ρ = 600 кг/м3 – насыпная плотность зернистого слоя цеолитов, Н = 1 кДж/кг. К - теплоемкость зернистого слоя цеолита. Теплопроводность зернистого слоя, подобно насыпной плотности и теплоемкости, существенно ниже, чем цеолита - монолитного материала; она примерно равна 0, 5 кДж/м. К. ч. Коэффициент теплоотдачи на границе «газ-стенка» можно принять равным α = 20 кДж/м2К. ч.
1. Определим параметр m: m = λ /α rср = 0, 5/20. 0, 05 = 0, 5.
2. Определим конечную относительную температуру: У = (Т* - Т)/(Т* - Тн) = (20 – 30)/ (20 – 200) = 0, 05.
Рис. 2. 21. Номограмма для расчета теплопроводности в цилиндре бесконечной длины (Дж. Перри, Справочник инженера – химика, т. 1, 1969 г., Л., «Химия»).
3. По номограмме рис. 1. 45 найдем, какое значение Х отвечает вычисленным значениям У, m и n. (Соответствующие построения нанесены на номограмму): Х = 1, 4.
4. Определим продолжительность охлаждения: t = Хρ Нr 2 ср/λ = 1, 4. 600. 1. 0, 052/ 0, 5 = 4, 2 ч.
2. 6. 3. Технология двух процессов
Концентрирование диоксида углерода. Концентрирование диоксида углерода – очень распространенная операция, но выполняется она, как правило, с использованием жидких щелочных поглотителей. Единственным приложением адсорбции является очистка атмосферы обитаемых космических объектов, когда применение жидких поглотителей из-за невесомости становится затруднительным.
|
|
|
Диоксид углерода попадает в атмосферу этих объектов как продукт жизнедеятельности космонавтов. Его предельная концентрация в атмосфере, обеспечивающая комфортное состояние людей в длительных полетах, принята равной 0, 3 - 0, 5 %. Поэтому воздух кабины непрерывно или эпизодически направляют в поглотительный патрон, например, с цеолитом, который эффективно поглощает нежелательное вещество. Очищенный воздух, выходящий из патрона, возвращают в атмосферу кабины космического корабля.
Поглощение диоксида углерода цеолитом идет только в условиях практического отсутствия в газе паров воды ( точка росы – 50 º С и ниже). Потому до введения в цеолит воздух осушают. Для осушки, как правило, применяют силикагель.
Адсорбенты подвергают термической регенерации. Диоксид углерода, выделение которого сопровождает нагрев, следует получить в виде чистого газа ( не менее 98 % СО2). Наличие макрокомпонентов воздуха (кислорода и особенно азота) в нем крайне нежелательно. Эти газы накапливаются в контуре переработки диоксида углерода и контур, по мере их накопления, приходится сообщать с космическим пространством. Газы контура рассеиваются в космосе, а их содержание в атмосфере кабины приходится пополнять из бортовых запасов этих газов. Концентрация диоксида углерода в десорбате, таким образом, определяет длительность пребывания корабля в космосе.
(Переработку диоксида углерода, выделенного из атмосферы кабины, осуществляют по реакции Сабатье:
СО2 + 2Н2 ↔ С + 2Н2О.
Углерод выводят из цикла и консервирует; а воду подвергают электролизу, возвращая водород в контур переработки диоксида углерода, а кислород в атмосфере кабины).
Для нагрева цеолита и десорбции диоксида углерода применяют один из вариантов косвенного нагрева: с помощью введенных в слой электронагревательных элементов. Для экономии энергии силикагель – осушитель нагревают теплом, накопленным в слое цеолита. В целом получается довольно сложный процесс, дальнейшее рассмотрение которого целесообразно провести по схеме. Фрагмент схемы и циклограммы приведены на рис. 2. 22.
|
|
|
Рис. 2. 22. Фрагменты схемы и циклограммы для потенциально возможной установки концентрирования диоксида углерода в космических кораблях.
На рис. 2. 22: 1 – адсорбер с цеолитом для поглощения диоксида углерода, 2, 3 – адсорберы с силикагелем для осушки очищаемого воздуха, цифры 1, 2 и 3 с правой стороны циклограмм - это номер соответствующего адсорбера. Операции, протекающие в каждом адсорбере, указаны в поле циклограмм.
Будем считать, что к условному моменту начала операций цеолит в адсорбере 1 насыщен диоксидом углерода, силикагель в адсорбере 3 насыщен водой, а силикагель в адсорбере 2 отрегенерирован и охлажден. Началу операций отвечает подача злектротока в электронагревательный элемент адсорбера 1. Одновременно открывается клапан 4 и система адсорберов на короткий промежуток времени (2-5 мин) сообщается с вакуум-насосом. Происходит удаление воздуха из свободного объема системы и адсорбентов. Газы, выделяющиеся при вакуумировании, сбрасывают в кабину космического корабля. Закрывают кран 4 и открывают кран 5: диоксид углерода, выделяющийся из цеолита, поступает в контур переработки. В этот период времени в адсорберах 2 и 3 операции не осуществляются – адсорберы находятся в состоянии простоя.
Через 30 – 60 мин после начала прогрева теплонагревательный элемент выключают, кран 5 закрывают, открывают краны 6 и 7 и в систему вводят воздух, подлежащий очистке. Он осушается в адсорбере 2. Сухой воздух охлаждает цеолит в адсорбере 1. Процесс охлаждения сопровождается поглощением диоксида углерода. Горячий чистый воздух, покидающий адсорбер 1 в начальном периоде этой стадии «сносится» на силикагель, находящийся в адсорбере 3, и десорбирует содержащуюся в нем воду. В заключительном периоде этой стадии, после того как цеолит охладился, в адсорбер 3 поступает чистый холодный воздух. Силикагель охлаждается и, тем самым, становиться пригодным для удаления воды в следующих стадиях. Очищенный от диоксида углерода воздух возвращают в кабину.
|
|
|
Через 30 – 60 мин краны 6 и 7 закрывают и цеолит вновь подвергают нагреву и вновь десорбируют из него диоксид углерода.
В стадии, завершающей этот цикл, воздух на осушку вводят через клапан 8 и выводят в кабину через клапан 9. Осушка воздуха идет в адсорбере 3. Силикагель в адсорбере 2 регенерируется. Операции многократно повторяют, изменяя направления движения очищаемого воздуха через систему адсорберов.
В периоды простоя силикагелевых адсорберов и выделения диоксида углерода из цеолита очистка газа идет в параллельной системе, работающей со сдвигом во времени на одну стадию.
Качество очистки воздуха от диоксида углерода из-за адсорбции его на горячем цеолите в этом процессе невелико. Но этот недостаток не является серьезным, ибо цель системы состоит не в том, чтобы очистить воздух, а в том, чтобы удалить из него то количество диоксида углерода, которое выдыхают люди. Низкую степень очистки компенсируют повышенным расходом воздуха, вводимого на очистку.
Процесс осуществляют при практически атмосферном давлении. Температура цеолита в конце стадии нагрева составляет 250 – 300 º C.
Известны и другие системы этого назначения. Самым существенным отличием некоторых из них от системы, рассмотренной выше, является ориентация на хемосорбенты, которые способны к карбонат-бикарбонатному переходу. Такими сорбентами являются, например анионообменные смолы. Реакция смолы с диоксидом углерода протекает по следующей обратимой реакции:
R-СО3 + СО2 + Н2О = R-(НСО3)2
Вода, как видно из реакции, необходима для поглощения диоксида углерода. Ее предварительное удаление нецелесообразно. Система из-за отсутствия патронов с осушителем будто бы становится легче. Увы, скорость химической реакции сравнительно невелика, что нивелирует различия в весе систем с разными поглотителями.
|
|
|
Сероочистка природного газа. В промышленности прошлых лет (примерно до середины 70-х годов 20 века) очень широкой сферой применения процессов с косвенным нагревом адсорбента являлась очистка топочных газов, используемых в качестве защитных атмосфер, от диоксида углерода. Широта использования метода была связана с тем, что на каждом металлургическом и на многих машиностроительных заводах имелись установки этого назначения, использование которых обеспечивало высокое качество и сохранность металлов. Потребность в защитных газах не исчезла. Наоборот, сфера их применения, благодаря расширенному производству качественных сталей, стала намного более значительной, но процесс с косвенным нагревом был полностью вытеснен безнагревными методами, которые будут рассмотрены в следующем разделе.
Тот пример, касающийся сероочистки природного газа, который приведен ниже, не относится к процессам с широкой сферой применения. Это частный случай, обусловленный специфическими условиями работы одного из заводов. Он также относится к технике получения защитных газов. Этот газ получают в ходе каталитической конверсии природного газа, катализаторы которой дезактивируются в присутствии сероводорода и меркаптанов. Серосодержащие вещества, следовательно, должны быть удалены, что и обеспечивается работой адсорбционной установки.
Специфика завода, на котором располагается установка, заключается в том, что он не располагает магистральным природным газом, давление которого составляет 3 –5 МПа. Давление газа в газовых коммуникациях завода всего 0, 17 МПа (абсолютное давление). При этом давлении, как было показано в примере Р. 18, предельная (максимальная) возможность цеолита NаХ, используемого для сероочистки, составляет 8, 1. 103 м3/м3. Практическая возможность будет, естественно, ниже. В этих же условиях сумма предельных (минимальных) возможностей для стадий регенерации (см. уравнение (1. 43)) в термопродувочном методе составит 1. 103 м3/м3. Практические же возможности будет выше. Получается, что при ориентации на процесс с прямым вводом тепла нагретым газом на регенерацию цеолита потребуется израсходовать около 20 % природного газа от количества его поступившего на очистку. Чтобы избежать столь больших потерь, и была построена установка с вводом тепла через стенку адсорбера.
Схема двухадсорберной установки приведена на рис. 2. 23.. Она включает два адсорбера-теплообменника А и Б, вентилятор В, печь сжигания П, теплообменники Т1 и Т2. Цифрами на рисунке обозначены клапаны. Жирные линии выделяют те коммуникации, которые в рассматриваемый момент времени находятся в работе. Итак, природный газ через клапан 1А поступает в адсорбер А, контактирует с цеолитом, очищается от нежелательных примесей и выводится на потребление через клапан 2А. Небольшая часть очищенного газа отбирается от основного потока и через клапан 3Б вводится в адсорбер Б.
|
|
|
В адсорбере Б осуществляются операции, связанные с регенерацией адсорбента. Для их проведения и используют небольшую долю очищенного природного газа, о которой говорилось выше. Этот газ продувает адсорбент и через клапан 4Б выносит из него десорбируемые примеси. Газы десорбции поступают в печь П на сжигание.
В печи П газы десорбции смешиваются с воздухом, подаваемым вентилятором В, и сжигаются. Горячие топочные газы охлаждают в
Рис. 2. 23. Двухадсорберная установка для сероочистки природного газа в процессе с косвенным вводом тепла.
теплообменнике Т1 до 250 º С и через клапан 5Б вводят в межтрубное пространство адсорбера-теплообменника. Под действием горячих газов адсорбент в адсорбере Б нагревается. Одновременное воздействие тепла и продувки приводит к десорбции ранее поглощенных примесей. Газы из межтрубного пространства сбрасывают в атмосферу.
После завершения нагрева и десорбции осуществляют охлаждение цеолита. Для этого газы после теплообменника Т1 пропускают через теплообменник Т2, охлаждают до 30 º с и вводят в межтрубное пространство адсорбера Б. Этот поток на выходе из адсорбера также сбрасывают в атмосферу.
Адсорберы переключают после того, как в А будет завершен процесс очистки, а в Б – процессы регенерации.
Ключевой аспект этого процесса – температура регенерации. Она выбирается так, чтобы в цеолите не возникали температуры более высокие, чем 200 º С. Выбор температуры связан с термической нестабильностью этилмеркаптана, при термическом разложении которого образуется этилен. Последний склонен к полимеризации, в ходе которой образуется кокс, забивающий поры адсорбента.
Некоторые другие нормы регламента процесса мы установим в ходе расчетов.
|
|
|
