Лекция № 13. Расчет и конструирование адсорбционной установки

Адсорбция представляет процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощаемое вещество называется адсорбатом или адсорбтивом. Адсорбция обратима. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называется десорбцией.

Адсорбция отличается от абсорбции тем, что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем.

Адсорбция бывает физическая и химическая. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. При химической адсорбции или хемосорбции, в результате химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверхностными молекулами поглотителя возникает химическая связь.

Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избира­тельны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится воз­можным выделение поглощенных веществ из адсорбента, или проведение процесса десорбции.

Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем. Каждый из этих сорбционных процессов имеет свои области применения, где его использование дает больший технико-экономический эффект.

Адсорбция применяется главным образом при небольших концентра­циях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда кон­центрация поглощаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении сме­сей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами (рекуперация летучих растворителей) и т. д. Еще сравнительно недавно адсорбция применялась в основном для осветления растворов и очистки воздуха в противогазах; в настоящее время ее используют для очистки аммиака перед контакт­ным окислением, осушки природного газа, выделения и очистки мономе­ров в производствах синтетического каучука, смол и пластических масс, выделения ароматических углеводородов из коксового газа и для многих других целей. В ряде случаев после адсорбции поглощенные вещества выделяют (десорбируют) из поглотителя. Процессы адсорбции часто со­путствуют гетерогенному катализу, когда исходные реагенты адсорбируются на катализаторе, а продукты реакции десорбируются, например при каталитическом окислении двуокиси серы в трехокись на поверхности пла­тинового катализатора и др.

Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и ад­сорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается хими­ческим взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. При химической адсорбции, или хемосорбции, в результате химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверх­ностными молекулами поглотителя возникает химическая связь.

При поглощении паров адсорбция иногда сопровождается заполнением пор адсорбента жидкостью, образующейся в результате конденсации па­ров (капиллярная конденсация). Конденсация происходит вследствие понижения давления пара над вогнутым под действием сил поверхностного натяжения мениском жидкости в капиллярах.

Характеристики адсорбентов и их виды

В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы ве­щества. Адсорбенты имеют различные по диаметру капиллярные кана­лы — поры, которые условно могут быть разделены на макропоры (более 2×10^{-4 мм),} переходные поры (6×10^-6—2×10^{-4 мм),} микропоры (2×10^-6—6×10^{-6 мм).} Характер процесса адсорбции опреде­ляется размером пор.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты), а также синтетические ионообменные смолы (иониты). Адсорбенты отличаются весьма высокой пористостью, вследствие чего их поверхность очень велика. Поверхность 1 г угля колеблется от 200 до 1000 м², силикагеля - от 500 м² и больше. Адсорбенты применяются в виде зерен размером 2-8 мм или в пылевидном состоянии (размер частиц 50-200 мк).

Удельная поверхность макропор относительно очень мала, поэтому на их стенках адсорбируется ничтожное количество вещества. Макропоры играют роль лишь транспортных каналов для адсорбируемых молекул.

На поверхности переходных пор, размеры которых обычно значитель­но превышают размеры адсорбируемых молекул, в процессе адсорбции образуются слои поглощенного вещества. Возможно образование слоев толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) и в несколько молекул (полимолекулярная адсорбция).

Размеры микропор приближаются к размерам адсорбируемых моле­кул и адсорбция в микропорах приводит к заполнению их объема. Вслед­ствие этого предположение об образовании слоев поглощенного вещества на поверхности микропор не имеет физического смысла. Обычно микро­поры пересекаются макро- и переходными парами, что сокращает путь, проходимый адсорбируемыми молекулами, и приводит к ускорению ад­сорбции.

В больших порах диаметром более 2×10^{-4 мм}и малых порах, сравнимых с диаметром молекул поглощаемого вещества, явление капиллярной кон­денсации отсутствует.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

Поглотительная способность адсорбента по отношению к данному ве­ществу зависит от температуры идавления, при которых производится адсорбция, и от концентрации поглощаемого вещества. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента условно называется его равновесной активностью.

В промышленности в качестве поглотителей применяют главным образом активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеоли­ты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты).

Активные угли. Высокопористые активные угли получают путем сухой перегонки различных углеродсодержащих веществ (дерева, ко­стей и др.) и активирования полученных углей для повышения их пористости. Активирование осуществляют прокаливанием угля при температурах £ 900°С, а также другими способами, например удалением из пор угля смол и некоторых других продуктов сухой перегонки путем их экстрагирования органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Для повышения активности углей в них часто перед обугливанием вводят активирующие добавки (растворы хлористого цинка, кислот, щелочей и др.).

Удельная поверхность активных углей колеблется от 600 до 1700 м²/г.Размер гранул некоторых стандартных марок активных уг­лей для адсорбции газов и паров составляет 1—5 мм (уголь БАУ) и 1,5—2,7 мм (уголь СКТ). Насыпная плотность углей этих марок равна 350 и 380—450 г/м³ соответственно. Применение углей того или иного вида зависит от разновидности процесса адсорбции, в котором они используются (поглощение газов, рекуперация летучих растворителей и т. д.).

Активные угли лучше поглощают пары органических веществ, чем воды, однако с повышением содержания влаги в активных углях их способность поглощать пары органических веществ снижается. Они применяются обычно для рекуперации летучих растворителей. Недостатком активных углей является их горючесть.

Силикагели. Эти адсорбенты представляют собой продукты обезво­живания геля кремневой кислоты, получаемые путем обработки рас­твора силиката натрия (растворимого стекла) минеральными кислота­ми или кислыми растворами их солей. Удельная поверхность силикагелей изменяется от 400 до 770 м²/г. Размер гранул колеблется от 0,2 до 7 мм, насыпная плотность составляет 100—800 кг/м³.

Силикагели применяются главным образом для осушки газов. По­глотительная способность силикагелей по отношению к парам органи­ческих веществ сильно снижается в присутствии влаги. Достоинством силикагелей является их негорючесть и большая механическая проч­ность, чем у активных углей.

Цеолиты. Эти адсорбенты представляют собой природные или синте­тические минералы, которые являются водными алюмосиликатами ка­тионов элементов первой и второй групп периодической системы Д. И. Менделеева. В качестве промышленных адсорбентов применяются главным образом искусственные (синтетические) цеолиты. Относитель­но недавно были получены цеолиты, обладающие весьма однородной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами адсорби­руемых молекул. Эти цеолиты проявляют молекулярно-ситовое действие, которое заключается в их способности не поглощать молекулы, диаметр которых больше диаметра пор. Молекулярно-ситовыми свойствами обладают также некоторые природные цеолиты, на­пример натролит. Молекулярно-ситовое действие цеолитов часто исполь­зуют в промышленной практике для разделения некоторых веществ, например нормальных и изопарафиновых углеводородов.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по от­ношению к воде и являются высокоэффективными адсорбентами для осушки и очистки газов и жидкостей, в частности для глубокой осуш­ки газов, содержащих небольшие количества влаги. Размер гранул цеолитов составляет от 2 до 5 мм.

Иониты. Эти адсорбенты представляют собой как природные, так и синтетические неорганические и органические вещества. К природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, ископаемые угли и др. Синтетическими ионитами являются плавленые цеолиты и молеку­лярные сита (цеолиты с правильной кристаллической структурой), ионообменные смолы, активированные минералы и органические ве­щества и др.

Иониты практически нерастворимы в воде, а также в обычных раство­рителях и обладают подвижными ионами, способными обмениваться на эквивалентное количество ионов (с зарядом того же знака) из раствора электролита, с которым поглотитель взаимодействует.

Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются анионитами, а иониты, содержащие основные активные группы и обмениваю­щиеся подвижными катионами — катионитами. Существуют так­же амфотерные иониты, способные к катионному и анионному обмену одновременно.

Типичные реакции ионного обмена:

Реакция анионного обмена 2RCl + Na₂SO₄ Û R₂SO₄ + 2NaCl

где R — молекула ионита, связанная с подвижным ионом.

Реакция катионного обмена 2NaR + CaCl₂ Û СаR₂ + 2NaCl,

причем в обоих уравнениях выделены формулы веществ, составляющих твердую фазу.

Механизм ионного обмена обусловлен структурой и свойствами ионита. Так, например, иониты с кристаллической решеткой содержат в ее углах ионы, удерживаемые электростатическими силами; под действием этих сил и происходит в основном ионный обмен. Свойства многих ионитов свя­заны с их способностью к набуханию в водных растворах; набухание обыч­но сопровождается весьма значительным повышением давления. Ионообменные смолы обладают большой обменной емкостью, избира­тельностью к отдельным ионам, химической стойкостью и механической прочностью. Поэтому сейчас они являются наиболее распространенными ионита ми, практически вытеснившими в промышленных условиях иониты других типов. Изменением состава активных групп при синтезе ионообменных смол, можно получить иониты с весьма разнообразными свойствами.

Процессы адсорбции протекают в неподвижном или перемещающемся слое зернистого адсорбента, или в кипящем слое. Адсорбция в слое движущегося адсорбента и особенно в кипящем слое протекает значительно интенсивнее, чем в неподвижном слое, и может проводиться в более компактной аппаратуре. Процессы адсорбции широко применяются для очистки и осушки газов, для разделения смесей газов и паров, для очистки растворов от примесей.

Для проведения процессов адсорбции применяются аппараты-адсорберы следующих типов:

1) с неподвижным зернистым адсорбентом;

2) с движущимся зернистым адсорбентом;

3) с кипящим (псевдоожиженным) слоем мелкозернистого адсорбента.

Адсорбционные установки с неподвижным слоем адсорбента, несмотря на периодичность работы каждого аппарата, наиболее распространены и промышленности ввиду трудности использования движущегося слоя из-за истирания адсорбента. Обработка сырья и таких установках много­стадийна, так как после стадии адсорбции необходимо регенерировать и охладить адсорбент. В случае десорбции водяным паром может быть включена стадия сушки. Таким образом, цикл работы таких установок может включать четыре стадии: адсорбцию, десорбцию, сушку и охлаж­дение адсорбента. В трехстадийном цикле стадия охлаждения отсутствует, в результате чего начало стадии адсорбции идет в неизотермическом режиме, с постепенным снижением темпе­ратуры адсорбента. Иногда исключают и стадию осушки. В этом двухстадийном случае сушку осуществляют обрабатываемым газом, подаваемым в начале стадии адсорбции в подогретом состоянии. Выбор числа стадии цикла осуществляется технико-экономическим расчетом, учиты­вающим в основном энергетические и капитальные затраты па проведение всего многостадий­ного процесса.

Для осуществления непрерывной работы всей установки она должна включать несколько адсорберов, причем их число определяется соотношением продолжительностей стадий цикла.

Если сырье обрабатывается и каждый момент только в одном адсорбере, то при двух аппаратах продолжительность стадий адсорбции равна сумме продолжительностей десорбции, сушки и охлаждения. При трех адсорберах длительность вспомогательных стадий в два раза превышает длительность адсорбции, при четырех адсорберах — в три раза.

Схема рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента, работающей в четырехстадийном цикле, представлена на рисунке 50. Газ, содержащий рекупери­руемый растворитель, воздуходувкой В1 подается в адсорбер А1, заполненный активным углем, предварительно проходя фильтр Ф. служащий для удаления пыли, огнепреградитель Oг, необ­ходимый для предотвращения распространения огня по трубопроводам в случае воспламенения очищаемой парогазовой смеси, и холодильник Х2. После насыщения слоя адсорбента адсор­бер А1 переключается на стадию десорбции. Адсорбент регенерируется острым водяным паром (давление 0,1—0,4 МПа), подаваемым внизу адсорбера.

Рисунок 50 – Схема рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента: А1, А2 – адсорберы; В1, В2 – воздуходувки; Ф – фильтр; Ог – огнепреградитель; Х1, Х2 – холодильники; Ц – циклон; К – конденсатор; Ка1 – калорифер; Е1 – емкость рекуператора;

потоки: 1 – острый водяной пар; 2 – вода; 3 – технологический воздух; 4 – конденсат водяного пара с примесью адсорбата; 5 – оборотная вода; 6 – конденсат водяного пара.

Часть пара конденсируется, отдавая тепло на нагрев адсорбента, материала адсорбера и на компенсацию теплоты адсорбции. Оставшийся пар уносит пары адсорбата в конденсатор К, проходя через циклоп Ц, задерживающий пылевидные частицы адсорбента. Конденсат, пред­ставляющий собой смесь воды и адсорбата, охлаждается в холодильнике X1 и подается в емкость Е1, следуя затем на разделение.

Сушка адсорбента осуществляется горячим воздухом, подаваемым в адсорбер воздухо­дувкой В2 через калорифер Ka1. Охлаждение адсорбента производится атмосферным воздухом, подаваемым воздуходувкой В2 по обводной линии.

На рисунке 51 приведена схема вертикального адсорбера с неподвижным зернистым адсорбентом. Он представляет собой полый вертикальный сосуд, в котором размещен слой зернистого адсорбента. Газовая (паровоздушная) смесь подается в корпус 1 адсорбера, проходит сквозь находящийся на решетке 2 слой адсорбента, после чего удаляется через выхлопной штуцер. По завершении адсорбции для вытеснения поглощенного вещества из адсорбента в аппарат подается перегретый водяной пар (или другой вытесняющий агент). Паровая смесь паров воды и извлекаемого компонента удаляется из аппарата и поступает на разделение в отстойник непрерывного действия или ректификационную колонну.

Рисунок 51 – Вертикальный адсорбер с неподвижным зернистым адсорбентом. 1 - корпус; 2 - решетка; 3,4,5 - люки.

После десорбции сквозь слой адсорбента пропускают для его сушки горячий воздух. Высушенный адсорбент охлаждается холодным воздухом, и цикл поглощения повторяется снова.

Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом представляют собой колонны, в который зернистый адсорбент движется самотеком сверху вниз, или перемещается при помощи специальных транспортных устройств.

В адсорберах с кипящим слоем адсорбента в корпусе снизу подается газ, приводящий мелко зернистый адсорбент в состояние кипящего слоя.

Адсорбция проводится на установках периодического и непрерывного действия. На установке периодического действия, процесс, проводимый в адсорбере, складывается из четырех последовательных операций или циклов: 1) поглощение (собственно адсорбция); 2) отгонка поглощенного газа из адсорбента (десорбция); 3) сушка адсорбента; 4) охлаждение адсорбента. Для проведения адсорбции непрерывным способом применяют установки, состоящие из двух и более адсорберов, которые включаются поочередно. Хотя каждый из адсорберов работает периодически, адсорбция идет непрерывно, т.к. все циклы процесса в адсорберах проводятся последовательно друг за другом.

Конструкция абсорбционной колонны диаметром 1000 мм приведена на рисунке 52.

Рисунок 52 – Адсорбер. 1- корпус; 2,3,4 – опорные решетки; 5- распределитель;

6 – гильза; 7, 8 – крышки люков; 9 – сетка; 10 – кольцо; 11,12,13 – фланцы.

Общие принципы расчета рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента:

1. Диаметр и высота адсорбера.

2. Коэффициент массопередачи.

3. Продолжительность адсорбции. Выходная кривая. Профиль концентрации в слое адсорбента.

4. Материальный баланс.

Литература: 1осн.[273-292].

Контрольные вопросы:

1.Что называют адсорбцией и десорбцией?

2.Дайте характеристику адсорбционным процессам.

3. Приведите конструкционную классификацию аппаратов для адсорбции.

4. Схема рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента.

5. Конструкция вертикального адсорбера с неподвижным зернистым адсорбентом.

Дата добавления: 2014-12-10