МАШИНОСТРОЕНИЕ

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АДСОРБЦИИ

Адсорбцией называют избирательное по­глощение одного или нескольких компонентов из газовых или жидких сред твердым поглоти­телем - адсорбентом. Поглощаемый компо­нент, содержащийся в сплошной среде (газе, жидкости), назывют адсорбтивом, а содержа­щийся в сорбенте - адсорбатом.

Адсорбцию газов и паров применяют для глубокой осушки природных газов, воздуха, газовых потоков в каталитических процессах, а также в неорганическом и основном органиче­ском синтезах для выделения компонентов с высокой степенью чистоты, для очистки вен­тиляционных выбросов от вредных или ценных компонентов и в других производствах. Ад­сорбцию компонентов из жидких сред приме­няют для извлечения (рекуперации) раствори­телей, а также для очистки сточных вод.

Различают физическую адсорбцию и сорбцию, основанную на силах химического взаимодействия (хемосорбцию). Физическая адсорбция обусловлена силами межмолеку­лярного взаимодействия. Хемосорбционный процесс - это химический процесс, протекаю­щий на поверхности раздела фаз. В отличие от физической адсорбции при хемосорбции не сохраняется индивидуальность адсорбтива и адсорбента. При сближении молекул адсорбти­ва с поверхностью адсорбента происходит пе­рераспределение их электронов с образованием химической связи.

После проведения адсорбции, как прави­ло, осуществляют десорбцию адсорбата. Это позволяет извлечь из адсорбента поглощенный компонент, который часто представляет собой целевой продукт, и снова использовать осво­божденный от него адсорбент. Промышленный адсорбент часто используется многократно. После десорбции, как правило, проводят акти­вацию адсорбента, чтобы восстановить его адсорбционные свойства.

Регенерация - совокупность стадий де­сорбции и активации адсорбента, после кото­рой адсорбент готов к повторному использова­нию в процессе адсорбции.

Процесс адсорбции осуществляется как периодически в плотных неподвижных и псев­доожиженных слоях, так и непрерывно в плот­ных движущихся и псевдоожиженных слоях. В соответствии с этим адсорберы подразделяют на следующие группы: 1) неподвижного слоя; 2) движущегося плотного слоя; 3) псевдоожи­женного слоя. Наибольшее применение на практике получили адсорберы неподвижного слоя, так как в них отсутствует истирание зе­рен адсорбента, что увеличивает его ресурс.

Адсорбенты. К используемым в про­мышленности адсорбентам предъявляют сле­дующие основные требования: селективности (избирательности поглощения); большой погло­тительной способности (емкости по адсорбату); низкой стоимости и доступности, легкости десорбции и регенерации; высокой механиче­ской прочности, технологичности и удобства в работе (негорючести, отсутствия коррозионного воздействия на элементы аппаратуры и др.). В наибольшей степени этим требованиям удовле­творяют активные (или активированные угли), силикагели, цеолиты (или молекулярные сита), алюмогели, которые применяют в качестве промышленных адсорбентов.

Адсорбенты бывают искусственные и природные. Для увеличения поглотительной способности и максимального развития пло­щади поверхности искусственные адсорбенты, как правило, делают пористыми. Поры в по­ристых адсорбентах подразделяют на макропо­ры (эффективный радиус пор г> 1(Г7 м). пере­ходные поры (г= 1.5 10 9 ...Ю-7 м) и микорпо - ры (г < 1,510"9 м). Переходные поры служат для транспортировки вещества к более мелким порам. В переходных порах происходят моно - и полимолекулярная адсорбция, капиллярная конденсация. Микропоры заполняются адсор­батом объемно, так как во всем их объеме су­ществует адсорбционное поле.

Активные угли характеризуются широ­ким распределением пор по размерам. Их ис­пользуют главным образом для поглощения органических компонентов. Выпускают их чаще всего в виде зерен цилиндрической фор­мы диаметром 2...3 мм и длиной 4...6 мм. Си­ликагели в виде зерен диаметром 0,2...7 мм подразделяют на мелкопористые (г ~ 1,5Т0~9м) и крупнопористые (г ~ 510~9м) и применяют в основном для осушки газов и жидкостей, поглощения паров метилового спирта и других полярных веществ.

Алюмогели по сорбционным свойствам близки к силикагелям. Цеолиты бывают при­родными и синтетическими. Их отличительная особенность - малый размер наиболее узких
(входных) пор, который соизмерим с размера­ми сорбируемых молекул. Наличие таких пор определяет высокую селективность цеолитов. Являясь молекулярными адсорбентами, цеоли­ты хорошо сорбируют электрически несиммет­ричные молекулы (Н20, С02) и молекулы ор­ганических веществ с кратными связями (эти­лена, ацетилена и др.). Цеолиты применяют обычно в виде сферических гранул диаметром в несколько миллиметров.

Внутренний массоперенос. В теории ад­сорбции, следуя Викке и Калленбаху, различа­ют следующие четыре вида массопереноса в порах (рис. 5.1.13): свободную диффузию в газовой фазе; кнудсеновскую (или стесненную) диффузию, поверхностную диффузию и твер­дотельную диффузию. Последняя происходит тогда, когда диаметр пор настолько мал, что потенциальные поля их противоположен­ных стенок перекрываются. Поверхностная и твердотельная диффузии формально подобны. Какая из четырех названных видов диффузии определяет скорость перемещения сорбируе­мых молекул сорбата в зерне, зависит от по­ристой структуры. Миграция сорбата в порах адсорбента под действием капиллярных сил аналогична миграции при сушке [55].

Фазовое равновесие при адсорбции. В капиллярно-пористых материалах, к числу которых относятся промышленные адсорбен­ты, распределяемые между фазами вещества удерживаются адсорбционными и капилляр­ными силами. При этом системам капиллярно - пористый материал - пар присущи следующие закономерности. Объем адсорбционно-связанной влаги макрокапиллярно-пористых материалов, в которых г > 10"7 м (макропоры адсорбентов), по сравнению с объемом внутрипорового про­странства обычно пренебрежимо мал, а капил­лярная конденсация адсорбата в них отсутству­ет. Поэтому эти материалы не обнаруживают гигроскопичных свойств.

Микрокапиллярно-пористые материалы, в которых г < 10~7 м (в этот диапазон попадают переходные поры и микропоры адсорбента), наоборот, характеризуются гигроскопичными свойствами. В зависимости от структуры мате­риала, энергетического состояния стенок пор и физико-химических свойств сорбата равновес­ные зависимости, выражаемые обычно в коор­динатах <Яр = /(ф),, имеют различный вид (где <Яр - равновесная концентрация адсорбата,

Ф = р/ри - отношение парциального давле­ния пара адсорбтива к давлению его насыщен­ного пара при той же температуре t).

По классификации Брунауэра различают пять основных форм изотерм адсорбции (рис. 5.1.14). Тип / характерен для микропо­ристых адсорбентов без переходных пор. Ме­нее крутой начальный подъем изотермы ука­зывает на наличие микропор (типы II и IV). Сравнительно редко встречающиеся изотермы типов III и V присущи системам адсорбат (А) - адсорбент (В), в которых силы межмолекуляр­ного взаимодействия между молекулами вида А

А)

Рис. 5.1.13. Виды диффузии в порах адсорбента:

А - твердотельная; б - поверхностная; в - кнудсеновская; г - свободная

Рис. 5.1.14. Основные типы изотерм адсорбции по Брунауэру

Уравнение БЭТ справедливо в интервале ф = 0,05...0,35 при ф-^0 иаБ»1, из него следует уравнение Ленгмюра.

3. Уравнение Фрейндлиха - эмпириче­ское уравнение вида

(5.1.7)

Рис. 5.1.15. Изотермы сорбции и десорбции водяного пара для технических адсорбентов при t = 30 °С:

А - активного угля АР-3; б - активного оксида алюминия; в - силикагеля КСК; г - молекулярного сита «Linde 4 А»

Значительно больше сил взаимодействия меж­ду молекулами вида А и В.

Для описания изотерм адсорбции приме­няют следующие уравнения:

1. Уравнение Ленгмюра - теоретически полученное соотношение между адсорбирован­ным количеством вещества и равновесным ему давлением пара. Оно выражает представление о локализованной адсобции молекул сорбата на относительно редко расположенных энергети­чески равноценных активных центрах поверх­ности и предполагает отсутствие взаимодейст­вия адсорбированных молекул между собой:

(5.1.5)

1 + ^лф'

Где ам - количество вещества, адсорбирован­ного в монослое; Ьл - константа.

2. Уравнение БЭТ (Брунауэра, Эммета, Теллера), описывающее все пять типов изотермы:

(5.1.6)

(1-ф)[1 + (/,Б-1)ф]' где «Б - константа.

Где Ьф - константа.

Это уравнение хорошо описывает опыт­ные данные в средней области давлений пара и поэтому нашло широкое применение на прак­тике.

4. Уравнение Генри. При малых равно­весных давлениях пара для всех типов изотерм адсорбции, линейная аппроксимация,

(5.1.8)

Где by - константа.

Уравнение (5.1.8) следует, в частности, из уравнения Ленгмюра при /?лф <§: 1.

На рис. 5.1.15 показаны изотермы сорб­ции - десорбции водяного пара на технических адсорбентах (нижние кривые - сорбция, верх­ние - десорбция). Наблюдаемый на рис. 5.1.15. б и 5.1.15, в сорбционный гистерезис относится к области капиллярной конденсации пара и объ­ясняется ее специфическими особенностями.

Адсорберы неподвижного слоя. Основ­ное преимущество адсорберов неподвижного слоя - отсутствие истирания дорогостоящих адсорбентов в ходе процесса. Адсорберы не­подвижного слоя подразделяют на вертикаль­ные, горизонтальные, кольцевые. Рабочий цикл в них кроме основной стадии (адсорбции) включает ряд дополнительных стадий, набор которых варьируется в зависимости от кон­кретной технологии (стадии десорбции, сушки, активации адсорбента и др.). В качестве десор - бирующего агента чаще всего используется водяной пар или горячий воздух.

Конструкции адсорберов неподвижно­го слоя. Вертикальный адсорбер с нижней подачей газовой смеси содержит цилиндриче­ский корпус 1 и газораспределительную ре­шетку 3 с расположенным на ней слоем адсор­бента 2 (рис. 5.1.16). Газовая смесь поступает через центральную трубу в нижнюю часть ап­парата, проходит через слой адсорбента и вы­ходит через штуцер 7, расположенный в верх­ней части. Десорбирующий агент подается в

Аппарат через трубу 4. Патрубки 5 и 6 предна­значены для загрузки и выгрузки адсорбента. Вертикальные адсорберы изготовляют обычно в виде сварных конструкций из листовой угле­родистой стали с толщиной стенки 8... 10 мм, а при наличии в газовой смеси агрессивных ком­понентов в качестве конструкционного мате­риала применяют легированную сталь.

Горизонтальные адсорберы, как и верти­кальные, имеют цилиндрическое сечение, дли­ну до 6 м и диаметр до 2 м (рис. 5.1.17). При­мером его применения может служить газобен­зиновая установка [28]. Преимуществом гори­зонтальных адсорберов перед вертикальными является меньшее гидравлическое сопротивле­ние слоя, а недостатком - трудность равномер­ного распределения газового потока по сече­нию слоя, а следовательно, неравномерная отработка слоя в разных частях аппарата. При­менение горизонтальных адсорберов целесооб­разно только при очистке больших количеств газа.

В кольцевом адсорбере газ, подлежащий очистке, поступает через штуцер 2 во внешнюю часть адсорбера, проходит в горизонтальном направлении через кольцевой слой адсорбента, находящийся между внутренней 7 и внешней б цилиндрическими стенками, и выводится через штуцер 4 (рис. 5.1.18). В стадиях сушки и ох­лаждения указанное направление потоков со­храняется. В стадии десорбции десорбирующий агент (водяной пар) подают через штуцер 4, а парогазовую смесь отводят через штуцер 3. Загрузку адсорбента производят через люки 8, а его выгрузку - через люк 5.

Кольцевой адсорбер по сравнению с вер­тикальным характеризуется меньшей толщи­ной продуваемого слоя, а следовательно, при одинаковых скоростях газового потока мень­шим гидравлическим сопротивлением слоя. Поэтому его целесообразно применять, в пер­вую очередь, при больших расходах газа, так как в этом случае удается сохранить относи­тельно небольшую толщину продуваемого слоя, при этом аппарат занимает сравнительно небольшую производственную площадь. Так, кольцевой адсорбер, используемый на одном из заводов химического волокна для улавлива­ния сероуглерода из вентиляционных газов, имеет высоту 7,8 м, высоту слоя адсорбента (активного угля АР-3) 5,2 м, диаметр 3,2 м, при этом внешний диаметр слоя адсорбента состав­ляет 2,8 м, а внутренний его диаметр 1 м, т. е. толщина продуваемого слоя равна всего 0,9 м, при его высоте 5,2 м. Количество адсорбента, загруженного в аппарат, составляет 14 т [22].

Помимо рассмотренных основных типов адсорберов неподвижного слоя в адсорбцион­ной технике нашли применение и некоторые специальные конструкции, к числу которых относится вертикальный адсорбер со встроен­ной поверхностью теплообмена (рис. 5.1.19.). Аппарат выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, трубы которого заполнены адсорбентом, а через межтрубное пространство в зависимости от режима работы проходит горячий или холодный теплоноситель, с помо-

Щью которого можно отводить теплоту ад­сорбции, ускорить прогрев адсорбента на ста­дии десорбции или охлаждения адсорбента после его регенерации.

При проведении адсорбции в неподвиж­ном слое процесс является периодическим, поэтому для обеспечения непрерывности из­влечения поглощаемого компонента из газовой смеси необходимо устанавливать в адсорбци­онной установке параллельно два или более адсорбера с периодическим их переключением на различные стадии процесса. Переключение адсорберов производится в соответствии с за­данным режимом работы установки. При нали­чии двух адсорберов в адсорбционной уста­новке продолжительность стадии адсорбции равна сумме продолжительностей всех других стадий. В трехадсорбционной установке, рабо­тающей по циклу адсорбция - десорбция ад - сорбата водяным паром - сушка адсорбента - его охлаждение продолжительность стадии адсорбции должна быть равна продолжитель­ности стадии десорбции и суммарной продол­жительности стадии сушки и охлаждения. В тех случаях, когда адсорбция проводится из жидкой фазы, в качестве адсорберов непод­вижного слоя используются обычные фильтро­вальные аппараты.

К недостаткам адсорберов неподвижного слоя относятся: периодичность процесса, труд­ность автоматизации, неполная отработка ад­сорбента на стадии адсорбции, несовершенство стадии адсорбции.

Расчет адсорберов неподвижного слоя. Для практических расчетов продолжительности поглотительного действия слоя т часто исполь­зуется уравнение Шилова:

Т = т0+*(#-#0), (5.1.9)

Где Tq - потеря времени поглотительного дей­ствия слоя, с; #о - высота работающего слоя, соответствующая времени Tq ; к - коэффици­ент поглотительного действия слоя, с/м.

Уравнение (5.1.9) соответствует пред­ставлению о том, что процесс адсорбции в не­подвижном слое может быть разделен на два периода: 1) период уменьшающейся скорости продвижения фронта равных концентраций,

Ограниченный временем Tq и высотой #о; 2) постоянной скорости продвижения этого фронта при Т > Tq.

Распределение концентраций во взаимо­действующих фазах в различные моменты времени показано на рис. 5.1.20: С - концен­трация адсорбата в газовой фазе, кг/м3; С\ - концентрация адсорбтива в газе на входе в аппарат: С2 - минимальная концентрация адсорбтива в газе, которую еще можно опреде­лить анализом; ас - соответствующая концен­трации С2 величина адсорбции. К моменту времени Tq концентрация адсорбата в начале слоя становится равной концентрации насыще­ния ан, близкой к концентрации ар, равно­весной с составом поступающего в адсорбер газа. В этот момент времени концентрация адсорбата ас и концентрация адсорбтива С2 достигаются на высоте слоя Hq. Начиная с момента времени Tq наблюдается параллель­ный перенос фронта адсорбции по высоте слоя.

Так, в момент т3 работающим будет слой

#3 - //3 , слой высотой //3 уже отработал, а

Слой высотой И > //3 еще не начал работать.

Величины Tq, к и Hq, входящие в уравнение (5.1.9), находят экспериментально. Величина, обратная коэффициенту к поглотительного действия слоя, представляет собой скорость перемещения фронта равных концентраций, м/с:

V=\/k.

Площадь сечения адсорбера F, м2. рас­сматриваемого типа

F = G/(vpr), (5.1.10)

Где G - расход газа, кг/с; v - скорость газа, отнесенная к полному сечению аппарата; как правило, v — 0,08...0,25 м/с; рг - плотность газа, кг/м3.

Уравнение Шилова является приближен­ным и выполняется лишь при определенных условиях [52]: при равновесном режиме ад­сорбции, линейной изотерме, отсутствии про­дольного перемешивания г азовой фазы или при неравновесном режиме адсорбции, выпуклой изотерме, наличии продольного перемешива­ния, при этом на асимптотической стадии про­цесса происходит образование стационарного фронта адсорбции.

В общем случае на динамику адсорбции в неподвижном слое влияют: вид изотермы ад­сорбции, кинетические факторы, неизотермич - ность процесса, продольное перемешивание газовой фазы. На рис. 5.1.21 показано влияние вида изотермы при равновесном режиме изо­термической адсорбции.

При равновесном режиме адсорбции и отсутствии продольного перемешивания ско­рость перемещения концентрационной точки і по слою адсорбента выражается уравнением (законом Викке) [28]:

(5.1.11)

1 + /'(С,)'

А)

В)

V - скорость движения газовой фазы, м/с; f'(Cj) - производная функции равновесия ар = /(С); ар, С j - концентрации соответ­ственно адсорбата и адсорбтива.

При выпуклой изотерме согласно уравне­нию (5.1.11) концентрационные точки с большей концентрацией двигаются быстрее, чем точки с меньшей концентрацией, так как /'(С,) уменьшается с ростом концентрации [52]. Поэтому происходит сжатие фронта, и он переходит во фронт с прямым вертикальным распределением концентрации Cq, который движется с постоянной скоростью в режиме параллельного переноса (рис. 5.1.21. а).

При вогнутой изотерме точки с меньшей концентрацией перемещаются быстрее, а точки с большей - медленнее, так как /'(С,) увели­чивается с ростом концентрации, т. е. происхо­дит размытие фронта (рис. 5.1.21, б).

При линейной изотерме имеет место ре­жим параллельного переноса, поскольку f'(Cj )= const, поэтому любое начальное рас­пределение концентрации во фронте сохраня­ется.

Более точный расчет (по сравнению с приближенным по уравнению Шилова) дина­мики адсорбции в неподвижном слое может быть осуществлен на основе изотермической математической модели неравновесного режима адсорбции с учетом эффекта продольного пере­мешивания (по х) подвижной фазы на основе диффузной модели: да дС дС — + — + v— дх дх дх

= Р0 (С-СР(а)); (5.1.13)

(5.1.14)

А|х=0=а(т); (5.1.15)

А\х_>со= 0; (5.1.16)

Коэффициент продольной диффу­зии: Ро - коэффициент массоопередачи.

Дифференциальное уравнение (5.1.12) представляет собой уравнение конвективной диффузии, записанное в неподвижной (эйлеро­вой) системе координат, фиксированной на корпусе аппарата (предполагается несжимае­мость подвижной фазы и одномерное движе­ние ее со скоростью и вдоль координаты х). Уравнение массопередачи (5.1.13) описывает микрокинетику процесса (поглощение вещест­ва единичной гранулой или дифференциально тонким слоем).

Коэффициент массопередачи Pq либо находят непосредственно из эксперимента, либо рассчитывают через коэффициент массо­отдачи pj и коэффициент внутреннего массо - гіереноса Р2 [22, 52]:

_L-_L J_ Ро ~Pl +Р2'

Начальное условие (5.1.14) предполагает, что в момент начала процесса т = 0 концен­трации адсорбата и адсорбтива в слое равны нулю. Граничное условие (5.1.15) показывает, что концентрация адсорбтива на входе в слой в

Течение всего процесса Cq = const, а концен­трация адсорбата в этом сечении аппарата из­меняется со временем в соответствии с кинети­кой адсорбции. Граничное условие (5.1.16) означает, что в слое адсорбента бесконечной высоты всегда на каком-то уровне поглощае­мый компонент отсутствует.

Решения задачи (5.1.12) - (5.1.15) зависят от вида изотермы адсорбции. Решая эту задачу аналитически или численно, получают концен­трационные функции С = С(х, т) и а = а(х, т), которые позволяют рассчитать продолжитель­ность адсорбции в слое высотой Н до появления на этой высоте проскоковой концентрации С^-

В случае значительных тепловыделений при адсорбции, которое наблюдается при больших концентрациях поглощаемого компо­нента в газовой смеси, для повышения точно­сти расчета применяют неизотермические ма­тематические модели процесса [28]. В этом случае задача (5.1.12) - (5.1.16) дополняется математическим описанием, которое состоит из дифференциального уравнения конвектив­ного теплообмена (уравнения энергии) и крае­вых условий к нему.

Гидравлическое сопротивление адсорбера неподвижного слоя Ар (Па) складывается из сопротивлений слоя Арсп, газораспредели­тельной решетки Арр и штуцеров для ввода и вывода газовой смеси Арш:

2 i=l

Где

Арсп = 0,5 \HvQpv /сЦ ; (5.1.19) &Рр =0,5^р^2твРг; (5.1.20) ЬРии = (5-1.21)

Где X - безразмерный коэффициент сопротив­ления при прохождении газа через слой адсор­бента, являющийся функцией числа Рейнольдса для газового потока; X = /(Re); d3 - экви­валентный диаметр зерен адсорбента, м; Н - высота слоя адсорбента, м; Vg - действительная скорость газа в каналах слоя, м/с; - безраз­мерный коэффициент сопротивления газорас­пределительной решетки, гогв скорость газа в отверстиях решетки, м/с; с, ш / безразмерные коэффициенты сопротивлений входного и вы­ходного штуцеров (можно принять вх =1; ^вых - скорость газа в штуцере,

Обычно принимают vm = 10... 15 м/с.

В случае, когда зерна адсорбента имеют сферическую форму, d3 = d (d - диаметр зерна), в ином случае

D3 =4Ксв/а, (5.1.22)

Где VCB - свободный объем насадки.

Mj пустот / mj слоя; а - удельная площадь внешней поверхности зерен адсорбента, m2/(mj слоя).

Значения величин Усв и а приведены в справочной литературе. В расчетах действи­тельную скорость газа в свободном сечении слоя L'q, как правило, заменяют фиктивной скоростью v, отнесенной к площади полного сечения адсорбера ( v = VqVcb ), поэтому с уче­том уравнения (5.1.22) зависимость (5.1.19) можно представить в виде:

X Но pr v

(5.1.23)

По перепаду давлений Ар можно подоб­рать тягодутьевое оборудование и рассчитать мощность, затрачиваемую на продувку газа через адсорбер, Вт.

N^ApV/ц пр, (5.1.24)

Где V - расход газа, mj/c; г|пр - КПД привода

Вентилятора (газодувки).

Наряду с одночленной формулой (5.1.19) на практике применяют также двух - и трех­членные уточненные формулы для расчета

Адсорберы подвижного плотного слоя.

Непрерывный процесс адсорбции обладает радом преимуществ перед периодическим: возможно­стью специализации аппаратуры для каждой

Адсорбент

Стадии процесса; стабилизацией процесса во времени; лучшим качеством очистки и степени отработки адсорбента; легкостью регулирова­ния и возможностью автоматизации. Основ­ным недостатком адсорберов подвижного слоя является истирание адсорбента. К сожалению, проблема получения стойких к истиранию ад­сорбентов в условиях подвижного слоя не ре­шена, что является сдерживающим фактором в широком применении непрерывных процессов адсорбции. Аппараты с движущимся адсорбен­том могут работать как с плотным зернистым слоем, так и с псевдоожиженным слоем пыле­видного адсорбента.

Адсорбер подвижного плотного слоя для адсорбции поглощаемых компонентов из газо­вой фазы выполняют в виде полой колонны (рис. 5.1.22), внутри которой размещены холо­дильник /, подогреватель 7, распределитель­ные тарелки 2, распределительные устройства 4 для ввода в колонну разделяемой парогазовой смеси и 15 ввода острого водяного пара. Зер­нистый адсорбент плотным слоем под действи­ем силы тяжести перемещается сверху вниз по аппарату, скорость его движения регулируется питателем 8. Аппарат содержит три секции:

Верхнюю - охлаждения /;

Среднюю адсорбционную - секцию 3;

Нижнюю десорбционную - 7, в которой происходит десорбция поглощенного компо­нента.

Распределительные тарелки 2 служат для предохранения смешивания парогазовых пото­ков адсорбционной и десорбционной секций аппарата. Рециркуляция адсорбента осуществ­ляется обычно с помощью пневмотранспорта.

Адсорбция в подвижном плотном слое обеспечивает непрерывность процесса по твер­дой фазе и, кроме того, позволяет совмещать термическую десорбцию одних компонентов с вытеснительной десорбцией других, что дает возможность разделять многокомпонентную парогазовую смесь на отдельные фракции [52]. Практически адсорбция газов и паров в аппа­ратах подвижного плотного слоя находит при­менение именно для разделения многокомпо­нентных смесей.

В адсорбционной установке с подвижным плотным слоем активированного угля для раз­деления газовой смеси на три фракции адсор­бент, двигаясь сверху вниз, проходит через трубчатый холодильник 1 и поступает в ад­сорбционную зону /, расположенную под пер­вой (сверху) тарелкой 2 (рис. 5.1.23). В эту зону поглощения адсорбируемого компонента

Через штуцер под второй распределительной тарелкой вводится разделяемая исходная смесь. Под первой тарелкой имеется вывод непоглощенной части (легкой фракции). Ад­сорбент перемещается в зону вытеснительной десорбции 11, в которую снизу поступают ком­поненты, десорбированные в нижней зоне. Они вытесняют более летучие компоненты из про­ходящего вниз адсорбента. Продукт вытесни­тельной десорбции образует промежуточную фракцию, состав которой зависит от точки отбора (на рис. 5.1.23 отбор промежуточной фракции производится под третьей сверху та­релкой) [52].

Из зоны вытеснительной десорбции ад­сорбент поступает в десорбционную зону III (термической десорбции), представляющую собой трубчатый теплообменник, обогревае­мый горячим теплоносителем. В некоторых случаях десорбцию осуществляют острым па­ром. Смесь десорбированных таким образом продуктов (и пара, если он применен) образует так называемую тяжелую фракцию и отводится из-под четвертой тарелки.

Из зоны термической десорбции адсор­бент через питательную тарелку 3 и гидравли­ческий затвор 4 попадает в питатель пнев - мотранспортной линии 8, которая возвращает адсорбент на верх колонны.

С течением времени активность адсор­бента (адсорбционная способность) постепенно уменьшается. Для ее восстановления часть адсорбента поступает на реактивацию. Аппарат для реактивации 13 по принципу действия ана­логичен десорберу, но работает при более вы­соких температурах теплоносителя.

Аппараты с подвижным зернистым ад­сорбентом применяют для адсорбции погло­щаемых компонентов из жидкой фазы. В аппа­рате с перфорированными шнеками адсорбент поступает в правую секцию 1 аппарата и вер­тикальным шнеком 2 транспортируется вниз, затем горизонтальным шнеком подается в ле­вую секцию, вертикальным шнеком перемеща­ется вверх и выводится из аппарата (рис. 5.1.24). Поток жидкости движется проти - воточно с адсорбентом.

В ковшовом адсорбере ковши с перфори­рованными днищами закреплены на бесконеч­ной ленте 1, с помощью которой осуществля­ется перемещение адсорбента (рис. 5.1.25). Жидкость, содержащая поглощаемое вещество,

Как и в предыдущем случае, перемещается в аппарате противотоком к адсорбенту. Проти - воточное движение взаимодействующих фаз позволяет осуществлять более полное извлече­ние адсорбируемого компонента из жидкости и обеспечивает более полную степень отработки адсорбента.

Расчет адсорберов подвижного плотно­го слоя. Рассмотрим процесс адсорбции одно­го компонента из парогазовой смеси в аппарате подвижного плотного слоя. Пусть аппарат со­держит зону охлаждения высотой Нохп, зону адсорбции высотой Н и зону десорбции //д. Общая высота рабочей части аппарата

Н - #0ХЛ + # +

Высота слоя в зоне адсорбции Н может быть найдена по модифицированному уравне­нию массопередачи, записанному по газовой фазе [52]:

С„

DC

= Иэтс, (5.1.26)

Ро rJC-Cp(a)

Где h3 = £>/Ро - высота слоя адсорбента, экви­валентная единице переноса, м; тс - общее число единиц переноса, определяемое интегра­лом:

С„ -і

С-Ср(а)'

Интеграл (5.1.27) в случае нелинейной изотермы адсорбции вычисляют графически или численно. Коэффициент массопередачи Ро находят на основе опытных данных или рассчитывают по соотношению (5.1.17), ско­рость газа v принимают такой же, как и в ап­парате неподвижного слоя. Пример расчета высоты зоны адсорбции по уравнениям (5.1.26), (5.1.27) приведен в [52].

При необходимости учета продольного перемешивания фаз расчет ведут на основе решения дифференциальных уравнений кон­вективной диффузии, записываемых по газовой и твердой фазам при соответствующих гранич­ных условиях. При этом для учета эффектов продольного перемешивания фаз, как правило, используют диффузионную модель. Например, при учете продольного перемешивания газовой фазы на основе диффузионной модели и иде­альном вытеснении твердой фазы изотермиче­ская математическая модель кинетики адсорб­ции в адсорбере подвижного плотного слоя может быть сформулирована в виде:

DzC

-p0(C-Cp(a)) + Dn

Dx1

0 <x<H,

Da

>—

Dx

VCH =vC

X=+0

(5.1.30)

A(x) = 0, x = H; (5.1.31)

— 0, jc-M

Где Сн - концентрация адсорбтива на входе в аппарат, кг/м3.

В математической модели (5.1.28) - (5.1.32) начало координат помещено на входе газа в слой и координата х ориентирована вверх по слою. Граничное условие (5.1.30) описывает эффект «включения» механизма продольного перемешивания в аппарате, гра­ничное условие (5.1.31) выражает отсутствие адсорбата в адсорбенте на входе его в аппарат, граничное условие (5.1.32) - отсутствие массо - обмена при х —> оо. В общем случае при не­линейной изотерме адсорбции решение задачи (5.1.28) - (5.1.32) может быть найдено числен­ным методом.

Высоту зоны охлаждения в адсорбере //охл рассчитывают по уравнениям теплооб­мена. Высоту слоя в зоне десорбции находят с учетом способа ее проведения.

Существует несколько способов десорб­ции: вакуумная (для ускорения процесса, ад­сорбент нагревают контактным способом); термическая - продувкой через слой горячего неадсорбирующегося газа (воздуха, азота и др.); вытеснительная - продувкой через слой адсор­бирующегося газа или пара (например, насы­щенного водяного пара); изотермическая - контактным прогревом слоя адсорбента внеш­ним теплоносителем с последующей продув­кой слоя небольшим количеством неадсорби­рующегося газа.

На практике наибольшее распростране­ние получили второй и третий способы де­сорбции. Достаточно распространенной явля­ется также изотермическая адсорбция [28]. Термическая десорбция в потоке неадсорби­рующегося газа аналогична процессу сушки и

Высота слоя адсорбента в зоне десорбции Яд

В этом случае может быть рассчитана по кине­тическим уравнениям процесса сушки [52, 55]. При вытеснительной десорбции для регенера­ции адсорбента аппарат должен содержать также зону термической или изотермической десорбции.

В настоящее время стадия десорбции ме­нее изучена, чем стадия адсорбции, поэтому во многих случаях технологические режимы ее проведения и продолжительность процесса находят на основе экспериментальных данных. При известной продолжительности стадии

Десорбции Тд высота зоны десорбции опреде­ляется соотношением:

Hjx=vT4> (5.1-33)

Где ит - скорость движения твердой фазы (адсорбента) в аппарате, м/с.

Скорость движения слоя адсорбента должна быть в несколько раз больше скорости движения фронта адсорбции в неподвижном слое в режиме параллельного переноса, опре­деляемой по уравнению (5.1.11), например vT = 5v [52].

Площадь сечения адсорбера рассчитыва­ют по уравнению (5.1.10), а гидравлическое сопротивление зон аппарата - как сумму гид­равлических сопротивлений его отдельных элементов. Например, для зоны адсорбции можно записать:

2

&Р = &Рсп + А/>гр. У (5-1.34)

I=l

Где Арся, Аргр. у, Д/?ш/- - гидравлические

Сопротивления слоя адсорбента в зоне адсорб­ции, газораспределительного устройства и шту­церов для подвода и отвода газовой смеси, Па.

Для расчета величин Дрсл, Д/?ф у, Арш,

Используют зависимости (5.1.19) - (5.1.21) или аналогичные им.

Адсорберы псевдоожиженного слоя.

Преимуществом аппаратов этого типа является возможность проведения процесса при высо­ких скоростях газового потока, которые на порядок выше, чем в адсорберах неподвижного слоя, а основным недостатком - истираемость адсорбента. Высокие скорости газа обеспечи­вают интенсивную массопередачу. Адсорбцию в псевдоожиженном слое осуществляют как периодически, так и непрерывно, в последнем случае используют одно - или многосекцион­ные аппараты.

Односекционный аппарат псевдоожи­женного слоя включает цилиндрический вер­тикальный корпус /, газораспределительную решетку 2 и пылеотделяющее устройство 3 типа циклона (рис. 5.1.26). Адсорбент загружа­ется в аппарат сверху через трубу и выводится через трубу снизу. Разделяемый газ вводится в адсорбер через нижний патрубок и выводится через верхний. Недостатком непрерывно дей­ствующего односекционного адсорбера являет-

Ся почти полное перемешивание твердой фазы, снижающее движущую силу процесса.

Для уменьшения эффекта продольного перемешивания применяют многосекционные адсорберы псевдоожиженного слоя (рис. 5.1.27). В многосекционном адсорбере 1 с газораспре­делительными решетками (тарелками) 2, пере­ливными патрубками 3, выполняющими одно­временно функции затворов для газового пото­ка, адсорбент поступает в верхнюю часть и перетекает с тарелки на тарелку сверху вниз. С нижней тарелки адсорбент выгружается через питатель 4, разделяемый газ поступает в ад­сорбер снизу и удаляется через верхний патру­бок. Многосекционный адсорбер позволяет организовать процесс по противоточной схеме, что также повышает движущую силу процесса.

На рис. 5.1.28 показана принципиальная схема промышленного адсорбционно-десорб - ционного аппарата псевдоожиженного слоя для осушки воздуха. Диаметр такого аппарата 3 м, общая высота 21 м, в качестве адсорбента

Использован силикагель, а скорость газа 1,3... 5 м/с.

В адсорбере псевдоожиженного слоя для разделения многокомпонентных газовых смесей имеются восемь зон: адсорбционная II, вытеснительной десорбции III, IV, нагрева V, десорбционная VI, сушки VII и две зоны охлаждения I, VII (рис. 5.1.29) [52]. В зонах вытеснительной десорбции происходит вы­
деление метановой и этановой фракций. На­грев и охлаждение адсорбента осуществляют путем подачи соответствующих теплоносите­лей во встроенные в адсорбер теплообменные трубы.

Расчет адсорберов псевдоожиженного слоя. Кинетический расчет непрерывно дейст­вующих адсорберов псевдоожиженного слоя может быть выполнен по аналогии с кинетиче­ским расчетом массообменных аппаратов для проведения процессов в системах без твердой фазы (абсорбции, ректификации, экстракции). Применительно к адсорберам он выполняется по модифицированным уравнениям массопере­дачи - уравнению (5.1.26), из которого нахо­дится высота слоя, или аналогичному ему уравнению, записанному по отношению к объ­ему слоя Усл (м3):

/ис, (5.1.35)

Где Уг - объемный расход газа, м3/с.

Для многосекционного аппарата высотой слоя адсорбента на тарелке задаются, а из ки­нетического расчета находят число секций (тарелок) путем нахождения числа ступеней изменения концентраций [46, 52, 54]. Вписы­вание ступенек изменения концентраций между рабочей и равновесной линиями дает число теоретических тарелок, которое путем деления на КПД адсорбционной колонны Г|к позволяет перейти к действительному числу тарелок:

В адсорберах псевдоожиженного слоя ад­сорбент на тарелке интенсивно перемешивает­ся. Приняв в расчете, что он на тарелке полно­стью перемешан, а газ идеально вытеснен, можно из кинетического расчета непосредст­венно найти число действительных тарелок по методике, описанной в [46] для систем без твердой фазы, путем построения кинетической линии и вписывания ступенек изменения кон­центраций между рабочей линией и кинетиче­ской (а не между рабочей и равновесной ли­ниями как при нахождении числа теоретиче­ских тарелок).

Перемешивание частиц адсорбента в слое непрерывно действующего аппарата приводит к неоднородной их отработке. Математические модели кинетики адсорбции, учитывающие эту неоднородность, основаны на представлении о послойной отработке зерна адсорбента [54].

Площадь сечения адсорбера псевдоожи­женного слоя находят по расходу газовой фазы (5.1.10), при этом скорость газа выбирают выше

Критической v>vKy. Последнюю находят по

Зависимостям вида Re =іДАг) или Ly = ДАг), приводимым в литературе (Re, Ly, Аг - числа соответственно Рейнольдса, Лященко, Архи­меда).

Гидравлическое сопротивление псевдо­ожиженного слоя адсорбента определяется со­отношением:

АРсл =g( Рт-Р)(1-Єо)% (5.1.36)

Где рт, р - плотность соответственно твердой и газовой фазы, кг/м3; 8q - порозность неподвиж­ного слоя, м3/м3; hg - высота неподвижного слоя адсорбента, м.