Материальный баланс адсорбции

Материальный баланс процесса адсорбции. Процессы адсорбции проводят периодически или, если адсорбент движется через аппарат, непрерывно. Материальный баланс таких процессов выражается уравнением, общим для всех процессов массопередачи:

(7.68)

где G - расход парогазовой фазы; L - расход адсорбента; у - рабочие концентрации адсорбируемого вещества в парогазовой фазе или растворе; x - рабочие концентрации адсорбируемого вещества в адсорбенте.

Адсорбция в слое неподвижного адсорбента является периодическим процессом, при котором концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте и в парогазовой фазе меняется во времени и в пространстве.

Общий материальный баланс по сорбируемому веществу в элементе за время dt без учета продольного перемешивания газового потока выражается уравнением

(7.69)

Равенство (7.69) называют дифференциальным уравнением материального баланса периодического процесса адсорбции в слое неподвижного адсорбента.

Десорбция адсорбентов

Основные типы адсорберов

Аппараты, с помощью которых происходит разделение газообразных и жидких сред поверхностью пористого твердого тела называются адсорберами. Наиболее распространено применение адсорберов для разделения паровых или газовых сред, осушки или очистки газа, а также для улавливания ценных органических веществ из газообразных сред.

Процесс поглощения пара или газа поверхностью адсорбента (твердого вещества) является обратимым и избирательным, так как любой абсорбент поглощает только те вещества из газообразной среды, которые необходимы. Адсорбер способен выделить поглощенное вещество методом обратным адсорбции – десорбцией.

В роли адсорбентов выступают твердые пористые вещества, самыми распространенными адсорбентами являются силикагель и активированный уголь. В адсорберах поглощающие вещества применяют в виде гранул от 2 до 8 мм, либо в виде пылевых частиц от 50 до 200 мкм. В промышленности применяют адсорберы нескольких типов:

· С неподвижным зернистым адсорбентом.

· С перемещающимся зернистым адсорбентом.

· С кипящим слоем адсорбента.

Первый тип адсорберов имеет конструкцию полых горизонтальных или вертикальных емкостей, с размещенным в них адсорбентом. Работа данного адсорбера заключается в подаче газовой или паровоздушной среды через патрубок во внутреннюю часть корпуса адсорбера для её разделения. Затем газовая среда перемещается через зернистый адсорбент, который уложен слоем на сетке. Адсорбент будет поглощать из газообразной среды только необходимое вещество, а поступившая среда удалится из адсорбера через выхлопной патрубок. Процесс поглощения определенного вещества адсорбентом будет происходить до определенного момента, после чего осуществляют процесс десорбции. Данный процесс заключается в прекращении подачи газообразной среды в адсорбер, затем начинается подача перегретого водяного пара. Его перемещение происходит в направлении обратном движению газовой среды. Смесь пара и извлеченного из газовой среды вещества выводится из адсорбера и поступает на ректификацию в специальную установку или в отстойник. Процессы десорбции и адсорбции длятся одинаковое время, а после процесса десорбции через слой адсорбента пропускают горячий воздух, в результате чего адсорбент просушивается. Горячий воздух перемещается по адсорберу, поступая через паровой патрубок и выходя через патрубок для смеси пара и извлеченного вещества. Затем в адсорбер поступает прохладный воздух, который охлаждает адсорбент до определенной температуры. Перемещается прохладный воздух также как водяной пар. После того, как адсорбент остынет, процесс адсорбции повторяется. В настоящее время адсорбер укомплектован системой устройств, работающие в автоматическом режиме и по заданным временным параметрам переключают процессы адсорбции и десорбции, процессы осушки и охлаждения. Для того, чтобы установка работала беспрерывно и постоянно делила газовую среду, она устраивается из нескольких адсорберов, которые попеременно включаются. На подобных установках после поглощения газовой среды в первом адсорбере подачу газовой среды переключают на следующий адсорбер. В это время в первом адсорбере происходит процесс десорбции, процессы осушки и охлаждения адсорбента. После процесса поглощения во втором адсорбере, газовая среда переключается на следующий аппарат или обратно на первый и так далее.

Адсорберы с перемещающимся слоем адсорбента имеют конструкцию из вертикальных цилиндрических колонн. Принцип работы адсорбера данного типа заключается в следующем: внутри колонны самотеком сверху вниз перемещается зернистый адсорбент, в верхней части колонны осуществляется процесс адсорбции, а в нижней части колонны под действием нагрева происходит процесс десорбции. Вертикальная колонна разбита на несколько участков и входит в установку с транспортными трубопроводами и теплообменниками

Адсорбер с кипящим слоем адсорбента представлен на рисунке. Его конструкция состоит из корпуса (1), в котором размещена распределяющая адсорбент решетка (2). Газовая среда поступает снизу и проходит через абсорбент, приводя его в состояние кипящего слоя. Адсорбент имеет пылеобразную структуру. Адсорбент, непрерывно поступая сверху, устраняется через патрубок (4) на процесс десорбции

Аппараты работают по четырехфазному циклу. На стадии адсорбции очищаемые газы поступают в слой поглотителя, после чего выводятся из аппарата. Затем в слой адсорбента подают парогазовую смесь для десорбции, пары и конденсат отводят, после чего поглотитель сушат и охлаждают. По окончании всех стадий рабочий цикл в аппарате повторяется.

Вертикальные адсорберы применяют на установках малой и средней мощности (производительность до 30 тыс. м³/ч исходной газовой смеси), горизонтальные и кольцевые — на установках средней и большой мощности (^30 тыс. м³/ч).

С целью интенсификации процесса очистки предложены более совершенные конструкции адсорберов с неподвижным

адсорбер очистка вода адсорбент

На рис. 4.12 показан однокамерный адсорбер кипящего слоя (КС), в котором реализован принцип прямотока фаз, однако из-за интенсивного перемешивания в этом аппарате не удается достичь высоких значений движущей силы процесса массопереноса.

Указанные недостатки в значительной мере можно устранить в многоступенчатых адсорберах, в которых взаимодействие фаз приближается к противоточному. В таком адсорбере газ последовательно проходит через газораспределительные ^^шетки (тарелки), имеющие переточные трубы, по которым ;астицы адсорбента «переливаются» со ступени на ступень противотоком к газу.

Одним из недостатков кипящего слоя является образование пыли из-за интенсивного механического истирания частиц адсорбента, поэтому в некоторых конструкциях адсорберов КС предусмотрена сепарация образующейся пыли.

В таком комбинированном адсорбере имеются тарелки, на которых находится адсорбент в псевдоожиженном состоянии, и камеры с перфорированной конической частью для прохода газа. Внутри камеры поглотитель движется сверху и попадает на тарелку через переток. В камере газ доочищается от извлекаемого компонента, а также из газового потока выделяется пыль, образующаяся при истирании твердых частиц адсорбента.

В других конструкциях контактное устройство представляет собой тарелку в виде усеченного конуса с контактным патрубком, перетоком и сепарационным приспособлением. Адсорбент выходит в пространство контактного патрубка через щель между плоским концом патрубка и конической поверхностью.

Скорость газов в контактном патрубке 10—20 м/с, а в расчете на свободное сечение аппарата 2—4 м/с, что позволяет значительно интенсифицировать процесс.

На рис. 4.13 изображен аппарат, являющийся дальнейшей модификацией адсорбера с инжекционным захватом поглотителя, в котором интенсификация процесса очистки газа достигается введением под тарелку подпитывающего устройства с патрубком 6 для подачи газа.

Весьма перспективны конструкции адсорберов, в которых за счет установки контактных патрубков под углом к вертикали и увеличения числа контактных патрубков в горизонтальной плоскости каждой ступени значительно снижается общая высота газоочистителя и достигается высокая производительность при равномерном распределении твердой фазы по сечению патрубков.

Предложены и другие интенсивные аппараты для адсорбционной очистки газов, среди которых оригинальный адсорбционный аппарат конструкции «Линде пурасив ШР» и высокоскоростной адсорбер с дополнительными контактными устройствами.

При использовании в процессах очистки газов высокоскоростного адсорбера значительно улучшается процесс массообме-.ча в аппарате и на порядок повышается производительность очистки по сравнению с аппаратами кипящего слоя [34].

Аппаратуру для проведения адсорбционной очистки газов рассчитывают в такой последовательности: строят изотерму адсорбции для данного конкретного процесса, определяют скорость газов, расход адсорбента, объемный коэффициент массопередачи, рассчитывают общее число единиц переноса и высоту аппарата.

Основные технологические и конструктивные параметры адсорбера можно рассчитать и другим, более изящным способом: итерационным решением трансцендентных уравнений, описывающих материальный баланс и кинетику поглощения целевого компонента зерном адсорбента [65]. Способ позволяет ввести элементы оптимизации в расчетную процедуру и значительно ускорить ее за счет использования ЭВМ. Подобные подходы представляют особую ценность при расчетах хемосорбционной очистки газов от агрессивных, пожаро- и взрывоопасных ингредиентов.

В [14] представлена процедура расчета технологических и конструкционных параметров многосекционного реактора КС для улавливания тумана серной и фосфорной кислот из отходящих газов.

В качестве критерия оптимизации Т принимают среднее время пребывания частиц сорбента в аппарате Т=хцп. За управляющие параметры можно принять: число секций в аппарате п, рабочую скорость ожижающего агента (газа) w_p и высоту слоя сорбента в секции Н₀. Параметры d₄, у_к, Уко, хо, х„, е обычно задаются условиями проведения процесса, постоянные коэффициенты Во, «ь ^п2, «4 определяют по результатам предварительных исследований кинетики процессов сухой газоочистки.

Задача оптимизации сводится к нахождению п, Но, соответствующих минимуму Т=т₀п при то^ШООО с. Значения Т определяют объем реакционной зоны и затраты энергии на продувку газов через слой сорбента в реакторе. Процедура оптимизации основала на проведении итерационных расчетов для подбора То.

Для того, чтобы определить число секций и высоту слоя поглотителя в каждой секции по заданным параметрам на входе и выходе, последовательно рассчитывают неизвестные параметры от слоя к слою.