Материал: Адсорбционная очистка газов

Адсорбционная очистка газов

Введение

Наиболее распространенный массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах с неподвижным слоем твердой фазы, - адсорбция. Такого рода процессы являются нестационарными и периодическими. При этом концентрации в твердом материале и в газе (или в жидкости), находящихся внутри аппарата, меняются во времени. Процесс длится до тех пор, пока конечная концентрация в среде, проходящей через слой твердой фазы (сорбента), не превысит некоторого предельного значения (концентрация проскока), после чего сорбент подвергают регенерации (обычно десорбцией).

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они изготовлены, и пористой внутренней структурой.

В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r < 10-9 м). Роль переходных пор (10-9< r < 10-7 м) и макропор (r > 10-7 м) в основном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной способностью, определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Величина поглотительной способности зависит от типа адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его концентрации, температуры, а для газов и паров от их парциального давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют равновесной активностью.

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные) угли, углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмогели, цеолиты и глинистые породы.

Активные угли, состоящие из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.) с целью удаления летучих. После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850-900 °С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (например, сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.).

Удельная поверхность активных углей очень высока и составляет 6·105 17 · 105 м2/кг, а их насыпная плотность 200-900 кг/м3. Активные угли применяют в виде частиц неправильной формы размером 1-7 мм, цилиндров диаметром 2-3 мм и высотой 4-6 мм и порошка с размером частиц менее 0,15 мм. Последний вид активных углей применяют для разделения растворов.

К основным недостаткам активных углей относятся их горючесть и невысокая механическая прочность.

Силикагель - обезвоженный гель кремниевой кислоты (Si02·nН20)- используют для адсорбции полярных соединений. Его применяют в процессах осушки газов и жидкостей, при разделении органических веществ в газовой фазе и в хроматографии. Силикагель получают обработкой раствора силиката натрия (растворимое стекло) серной кислотой (иногда хлороводородной) или растворами солей, имеющих кислую реакцию. Образовавшийся гель промывают водой и сушат до конечной влажности 5-7%, так как при такой влажности силикагель обладает наибольшей адсорбционной способностью. Удельная поверхность силикагеля составляет 4-105 - 7,7-105 м2/кг, насыпная плотность - 400-800 кг/м3. Размер частиц неправильной формы изменяется в довольно широком интервале от 0,2 до 7 мм, а гранулированных (сферической или овальной формы)-от 2 до 7 мм.

К достоинствам силикагелей относятся их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных углей. Недостатком силикагелей по сравнению с активными углями является, помимо их более низкой удельной поверхности, резкое снижение поглотительной способности по отношению к парам органических веществ в присутствии влаги.

По сорбционным свойствам к силикагелю близко примыкают алюмогели, получаемые термической обработкой гидроксида алюминия [А1(ОН)3] при температурах 600-1000 °С. Поры полученного сорбента (92% А203) имеют диаметр 1-3 нм, удельную поверхность 2 ·105 - 4 · 105 м /кг; насыпная плотность такого сорбента 1600 кг/м3. Алюмогели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел, применяют в качестве катализаторов и их носителей.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Эта адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами.

Для разделения газовых смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей в виде мелкозернистого порошка.

Особенно широко цеолиты используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве катализаторов и их носителей.

Для очистки жидкостей от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эта глины для их активации обрабатывают серной или хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0÷1,5)··105 м2/кг.

Отметим, что адсорбенты характеризуются еще статической и динамической активностью. Под статической активностью понимают количество вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента от начала адсорбции до установления равновесия. Этот вид активности определяют в статических условиях, т.е. без движения смеси газов или раствора. При движении смеси сквозь слой адсорбента через определенный промежуток времени адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент, и происходит «проскок» этого компонента с последующим увеличением концентрации компонента в уходящей из слоя смеси вплоть до наступления равновесия. Динамическая активность всегда меньше статической, поэтому количество адсорбента определяют по его динамической активности.

1. Адсорбционная очистка газов

Твердые вещества и жидкости, соприкасающиеся с газовой средой, кон центрируют ее компоненты на поверхности раздела фаз. Это явление, называемое сорбцией, широко используется в технике для извлечения из газов-потоков ценных или загрязняющих парогазовых примесей.

Адсорбция - процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из газовой среды и жидкостей с помощью твердых материалов большой удельной поверхностью.

Газовая среда, из которой происходит поглощение компонента, называется газом-носителем, твердое вещество, поглощающее компонент - адсорбента. поглощаемое вещество - адсорбттом, поглощенное вещество - адсорбатом.

Особенностью процессов адсорбции является избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из парогазовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а за тем, в других условиях, десорбирование их, т. е. выделение нужного компонента из твердой фазы в более или менее чистом виде.

Благодаря большой удельной поверхности адсорбентов возможны
сравнительно большие скорости адсорбции веществ при малых концентрациях в исходных смесях и даже практически полное их поглощение, что трудно осуществимо другими технологическими методами (абсорбцией или ректификацией).

Адсорбцию широко применяют в различных отраслях для разделения смесей (выделение бензола из парогазовых смесей, разделение смесей газообразных углеводородов, сушка воздуха, очистка жидких нефтепродуктов от растворенных в них примесей и т. д.).

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции между молекулами адсорбента и молекулами адсорбируемого вещества не происходит химического взаимодействия. Процесс физической адсорбции может быть обратимым, т. е. чередуются стадии адсорбции и десорбции (выделения поглощенного компонента из адсорбента).

При химической адсорбции молекулы адсорбента и адсорбатива химически взаимодействуют. Десорбция практически неосуществима. При химической адсорбции выделяется значительно больше теплоты, чем при физической адсорбции.

В промышленности нашла применение физическая адсорбция, в значительной мере из-за возможности осуществить обратный процесс (десорбцию). Адсорбент должен иметь высокую сорбционную емкость, что зависит от удельной площади поверхности и физико-химических свойств поверхностных частиц. Он должен обладать достаточной механической прочностью. Чтобы аэродинамическое сопротивление слоя было невысоким, плотность адсорбента должна быть небольшой, а форма частиц обтекаемой и создавать высокую порозность насыпки. Адсорбент для процесса физической сорбции должен быть химически пассивным к улавливаемым компонентам, а для химической сорбции (хемосорбции) - вступать с молекулами загрязнителей в химическую реакцию. Для снижения затрат на десорбцию уловленных компонентов удерживающая способность адсорбента не должна быть слишком высокой. Адсорбенты должны иметь невысокую стоимость и изготавливаться из доступных материалов.

С учетом этих требований практическое применение получили активиро-нанный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты. Эти вещества отличаются друг от друга природой материала и, как следствие, своими адсорбционными свойствами, размерами гранул, плотностью и др.

Активированный уголь удовлетворяет и большинству других требований, в связи с чем широко применяется. Одним из основных недостатков активированного угля является химическая нестойкость к кислороду, особенно при повышенных температурах.

Остальные адсорбенты проявляют, как правило, селективность к улавливанию загрязнителей. Так, оксиды алюминия (алюмогели) используются для улавливания фтора и фтористого водорода, полярных органических веществ, силикат кальция - для улавливания паров жирных кислот, силикагель - для полярных органических веществ, сухих газовых смесей. Цеолиты - молекулярные сита - алюмосиликаты, содержащие оксиды щелочных или щелочноземельных металлов, адсорбируют газы, молекулы которых соответствуют размерам «окон» в кристаллической решетке. Большинство полярных адсорбентов можно использовать для осушки газов.

Адсорбция представляет собой экзотермический процесс, а адсорбционная емкость снижается при повышении температуры. В связи с этим желательно проводить охлаждение адсорбционного слоя.

Адсорбция может протекать в неподвижном слое, перемещающемся (движущемся) слое, кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента.

При четырехфазном цикле последовательно проводятся адсорбция, десорбция сушка и охлаждение адсорбента. Три последние стадии представляют собой процесс регенерации адсорбента, т. е. восстановления его способности поглощать целевые компоненты из исходной смеси. В трехфазном цикле адсорбент после регенерации охлаждается исходной смесью в начале фазы адсорбции. При двухфазном цикле часть исходной смеси подается в адсорбер сначала с подогревом, а потом без него, или же в течение всей стадии адсорбции смесь подается при одной температуре. Этим достигается совмещение суш и охлаждения со стадией адсорбции.

Непрерывность процесса по газовой фазе обеспечивается соединением нескольких одинаковых адсорберов в батарею.

Несомненным достоинством таких установок является их простота надежность, что при современных возможностях автоматизации компенсирует недостатки, связанные с периодичностью действия отдельных аппаратов.

Для обеспечения непрерывной работы установки необходимо иметь в схеме не менее двух адсорберов. Обычно, учитывая разное время протекания стадий, в одной установке монтируют от трех до шести адсорберов.

По способу организации процесса адсорбции аппараты могут быть разделены на две группы: адсорберы периодического и непрерывного действия. Если адсорбент находится в аппарате в неподвижном состоянии, то после достижения определенной (заданной) степени насыщения его необходимо заменить или регенерировать (десорбировать). На время замены или регенерации процесс адсорбции прерывается. В аппаратах с подвижным сорбентом можно организовать постоянную замену его части в одном адсорбере, не прекращая подачу загрязненных газов.

Адсорберы периодического действия используют в тех случаях, если обрабатывают достаточно большое количество газа или если газ содержит значительные концентрации сорбата, что делает выгодным регенерацию сорбента, а также, если стоимость свежего сорбента превышает стоимость регенерации.

Недостатком вертикального расположения адсорбента является неравномерность слоя по высоте, которая образуется при загрузке, а также в процессе эксплуатации из-за неравномерности усадки от истирания, уноса и других причин. При работе адсорбера через зоны с меньшим сопротивлением проходит большее количество отбросных газов, что ухудшает степень очистки. Неравномерность слоя адсорбента возрастает с увеличением сечения аппарата. Поэтому пропускная способность адсорберов с вертикальным слоем адсорбента обычно не превосходит 1...1,5 кб.м/с.

2. Расчет адсорбционной установки

.1 Исходные данные на проектирование

Вариант №27

Рассчитать абсорбционную установку периодического действия с неподвижным слоем адсорбента для улавливания паров дихлорэтана из воздуха.

Масса поглощаемого компонента 98,97 кг/кмоль.

При следующих условиях:

) Расход смеси: V0=50000 м3/час.

) Температура потоков в адсорбенте tср=20 0C

) Давление газа на входе в абсорбер P=0,2×106 Па

) Начальная концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси Cн'=8×10-3 кг/м3

) проскоковая концентрация составляет C''к=0,4×10-3 кг/м3

) Тип аппарата - кольцевой адсорбер

) Диаметр гранулы - 0,0015 м

Насыпная плотность ρнас=575 кг/м3

Порозность слоя 0,3

В качестве адсорбента принимаем уголь АР-А с эквивалентным диаметром гранулы dэ=1,5 мм и насыпной плотностью ρнас=575 кг/м3.

Па.

,

.2 Изотерма адсорбции паров дихлорэтана на активном угле

Для активного угля (АУ) АР-A, обладающего биопористой структурой, по теории объемного заполнения пор равновесная концентрация описывается уравнением Дубинина:

,

где X - равновесная концентрация в твердой фазе, моль/г;

W01=0,253 см3/г, B1=1,2×10-6 К-2; W02=0,139 см3/г, B2=4,4×10-6 К-2 - константы характеризующие адсорбент; Mr=98,97 кг/кмоль - молекулярная масса поглощаемого газа,  - мольный объем поглащаемого газа;= 1,273×104 Па - давление насыщенного пара дихлорэтана