Расчет к подразделу 1.12.2.

Р.31. Пользуясь цифрами, приведенными в тексте, оценить габариты адсорбера, предназначенного для очистки 1.10 ⁶ м³ воды в 1 сутки, и значение коэффициента распределения.

Принимаем к установке открытый адсорбер, продолжительность его работы на озонированной воде составляет 900 суток, скорость фильтрации 10 м/ч, время пребывания воды в аппарате 12 мин.

1. Высота слоя угля: Н = 10.12/60 =. 2 м

2. Объем слоя угля: 1.10⁶.12/(24.60) = 8300 м³

3. Сечение и диаметр адсорбера: S = 8300/2 = 4200 м², Д = 74 м

4. Количество воды, очищенной за кампанию: 1.10⁶.900 = 9.10⁸ м³ .

5. Примерное значение К: 9.10⁸/8300 = 1,08.10⁵ м³/м³.

Это минимальное значение К, так как оно вычислено по данным рис.2.33 для момента проскока пестицида.

2.8.3. Периодические процессы в пищевой промышленности

    Периодические процессы адсорбционной очистки жидких сред пищевой промышленности – самые старые адсорбционные процессы.

 Для улучшения качества водки полупродукт производства, образующийся после смешения спирта и воды (он называется сортировкой), очищают активными углями растительного происхождения. Уголь извлекает примеси альдегидов, кетонов, сложных эфиров, карбоновых кислот и высокомолекулярных веществ, содержащихся в спирте-ректификате, и способствует каталитической деструкции ряда нежелательных соединений. Адсорбцию обычно осуществляют в неподвижном слое активного угля, переключаемого на регенерацию 3-4 раза в 1 год. При регенерации используют сухой водяной пар год при 115°С. Изредка при 800-850 °С проводят централизованную реактивацию адсорбента во вращающихся печах, которая полностью восстанавливает его свойства.

    На заводах сравнительно небольшой мощности сортировку очищают в адсорберах типа реактор с мешалкой.

    В производстве сахарных сиропов применяют двухступенчатую схему угольной очистки в адсорберах с мешалками, показанную на рис.2.37.

Свежий уголь загружают в мешалку второй ступени, отделяют от сиропа на фильтр-прессе и направляют на первую ступень, после которой уголь идет на реактивацию. Двухступенчатая противоточная очистка типа той, что показана на рис.2.37, способствует повышению степени очистки и (или) понижению расхода адсорбента. Реактивацию угля проводят только на крупных заводах. Она включает ряд операций. Уголь предварительно кипятят в слабом растворе соляной кислоты для удаления зольных элементов, затем – в слабом растворе едкого натра для извлечения красящих веществ. Затем подвергают термической обработке при 500 – 600 °С. Реактивированный уголь имеет активность на 10 –20 % более низкую, чем свежий.

Аналогичные по типу процессы используют в других производствах жидких сред пищевой промышленности.

    Рис.2.37. Схема двухступенчатой установки очистки сахарного сиропа.

2.9. Непрерывные адсорбционные процессы

2.9.1. Основания к выбору

Адсорбционный процесс, осуществляемый в аппарате, с неподвижным слоем адсорбента, в прошлом имел серьезный недостаток. Им являлось наличие клапанов, переключения которых обеспечивает протекание процесса. Клапаны – единственная движущаяся деталь адсорбционной установки и их выход из строя более вероятен, чем элементов, не совершающих механических перемещений. Однако за годы освоения адсорбционных процессов в технике изготовления клапанов произошли большие перемены. Появились клапаны новых типов – с поворотными (дисковыми и шаровыми) запорными элементами, возросло качество материалов и качество обработки поверхностей. В результате инноваций надежность клапанов резко возросла, и показатель качества клапана, который называется наработкой до отказа, для современных клапанов достиг 1.10⁶ включений/год. Это очень большая цифра, которая говорит о том, что даже при цикле длительностью 5 –10 мин клапан работоспособен в течение 10 лет. Таким образом, в настоящее время надежность арматуры велика и сама по себе класс процесса не определяет.

Класс процесса определяет мощность адсорбционной установки. Чем выше мощность, тем больше диаметр трубопроводов и тем сложнее и дороже становятся клапаны. Для очень крупных установок они превращаются в лимитирующий элемент, который определяет переход от циклических установок к установкам непрерывного действия. В этих установках принципиальная потребность в клапанах отсутствует, так как непрерывный поток очищаемого газа или жидкости контактирует с непрерывным же потоком адсорбента.

Вторая группа причин, определяющих класс процесса, связана с составом потока, который подвергается очистке. Представим себе, что поток содержит подлежащее удалению вещество со средней величиной адсорбируемости (К< 10⁵) и примесь вещества, которое адсорбируется практически необратимо (К > 10⁵). Долговременная переработка адсорбента на такой смеси в ходе циклического процесса невозможна из-за накопления в нем примеси, которую невозможно удалить в ходе регенерации. Но в этом случае невозможным является применение и периодических процессов. В них, как было показано в предыдущем разделе, выгрузка адсорбента производится нечасто, а для вещества со средней величиной адсорбируемости редкие перегрузки неприемлемы. При наличии в составе потока веществ с такими различиями в адсорбционных свойствах применение непрерывных процессов становится неизбежным.

В непрерывном процессе реализуется та или иная форма движения адсорбента, что приводит к повышенной истираемости твердого материала. Чтобы она была не слишком велика, адсорбент должен иметь высокую прочность. Вплоть до последних времен высокую прочность промышленных адсорбентов, которые, по определению, должны быть высокопористыми телами, обеспечить не удавалось. По этой причине в реализованных непрерывных процессах, как правило, применяли не адсорбенты, а существенно более прочные мезопористые тела, например, катализаторы. В последние годы в производстве промышленных углеродных адсорбентов достигнут большой прогресс - был получен микропористый активный уголь ФАС с очень высокой прочностью. На его основе, возможно, произойдет освоение новых непрерывных адсорбционных процессов.

2.9.2. Конструктивные схемы непрерывных установок

В непрерывных установках, в которых применяются гранулированные адсорбенты, переработку потока осуществляют в движущемся или в кипящем слоях адсорбента. Оба типа аппарата известны из общеинженерных курсов. Адсорбер непрерывного типа дополняют секцией десорбции и реактивации, которая также является непрерывной. Часто все секции относятся к одному классу аппаратов с движущимся слоем адсорбента. Но иногда в оформлении разных секций реализованы разные принципы. Это происходит в тех случаях, когда расходы потоков на стадиях непрерывного процесса резко различаются. Такая ситуация, например, имела место в установке, которая предназначалась для очистки отходящих газов вискозного производства от сероуглерода и сероводорода. Производительность установки по очищаемым газам была огромной (1 – 2 млн. м³ газа в 1 час) и переработать такое количество можно было только в адсорбере кипящего слоя диаметром 16 м. Газовые потоки стадии реактивации сравнительно невелики, и эта стадия была оформлена в виде движущегося слоя адсорбента.

В некоторых непрерывных процессах использованы нетривиальные способы подвода тепла для регенерации-реактивации. Примером может служить рассмотренный ниже процесс фирмы «Бергбау-Форшунг», в котором нагрев сорбента осуществлен за счет смешения его с раскаленным песком. В других процессах вместо термических операций используют обработку отработанного адсорбента растворителями.

Порошкообразный и дробленный адсорбенты применяют в аппаратах кипящего слоя. Так, например, проводят очистку сточных вод активным углем. Вода и адсорбент противоточно контактируют в адсорбере. Очищенную воду выводят в систему потребления, а адсорбент освобождают от избытка воды и вводят в реактиватор, в котором его обрабатывают при 700 – 900 °С топочными газами. Адсорбент охлаждают водой и в виде суспензии возвращают в адсорбер.

В научно-технической литературе обсуждается вопрос о применении непрерывного процесса с фонтанирующим слоем адсорбента. В качестве объекта приложения обычно рассматривается очистка топочных газов теплоэлектростанций от диоксида серы. Предполагается, что порошкообразные сорбенты (твердые щелочные поглотители или некоторые сорта дешевых углеродных адсорбентов) будут инжектированы в поток топочных газов. Передвигаясь вместе с потоком, они очистят его от вредных примесей, От потока они будут отделены в механических, например, рукавных фильтрах. Эта конструктивная схема в общих чертах воспроизводит технику сжигания пылевидного топлива в циклонных топках.

Непрерывные адсорбционные процессы из-за необходимости транспортировать твердый материал конструктивно очень сложны и их применяют тогда, когда адсорберы со неподвижным слоем использовать невозможно.

2.9.3. Технология непрерывных адсорбционных процессов

Гиперсорбция. Это авторское название непрерывного адсорбционного процесса, предложенного в начале 50-х годов группой американских инженеров под руководством Берга для разделения легких углеводородных газов. Он был реализован в виде шести промышленных установок. Крупная установка непрерывной адсорбции была сооружена также для выделения этилена из низко концентрированных газов. Опубликованы многочисленные данные об испытаниях других опытных и опытно-промышленных установок разделения газов этим методом.

Схема гиперсорбера - центрального аппарата рассматриваемого метода приведена на рис.2.38. В этом процессе использован высокоактивный и высокопрочный уголь, приготовленный из скорлупы кокосовых орехов. Как видно из схемы, адсорбент из бункера 1 движется в направлении сверху вниз по колонне, составленной из ряда аппаратов. Навстречу ему поднимаются потоки газов. Адсорбент охлаждается в теплообменнике 2 и поступает в адсорбер 3. В нижнюю часть этого аппарата подают исходную газовую смесь (например, нефтяной газ). Целевые компоненты газа поглощаются углем, и из адсорбера выходит так называемый сухой газ, в состав которого входят преимущественно метан и этан. Адсорбент, насыщенный углеводородами, поступает в ректификатор 4 и десорбер 5. В десорбере, благодаря нагреву адсорбента через теплообменные поверхности и подаче небольшого количества пара, углеводороды десорбируются. Пары десорбированных углеводородов поднимаются вверх и поступают в секции ректификатора 4. В этом аппарате происходит разделение смеси: хорошо адсорбирующийся бутан вытесняет из угля пропан. Бутан, в свою очередь, вытесняется пентаном, пентан – более тяжелыми углеводородами и т.п. Углеводороды, в соответствии со своей молекулярной массой, распределяются по высоте ректификационной колонны и могут быть отобраны в виде товарных фракций.

После десорбера 5 основную массу угля с помощью пневмоподъемника 6 поднимают на верх колонны, подают в бункер 1 и далее во все те аппараты, о которых говорилось выше. Некоторую часть угля направляют в реактиватор 7, в котором из угля в результате обработки его горячими топочными газами при 700-900 °С удаляют высокомолекулярные углеводороды – вещества, десорбция которых в атмосфере острого пара практически не происходит. Прошедший реактивацию адсорбент через бункер реактиватора 8 присоединяют к основной массе угля.

Таким образом, в одном гиперсорбере за один проход осуществляют извлечение целевых компонентов, их разделение на фракции и осуществляют восстановление поглотительных свойств адсорбента. Операции восстановления проводят в два этапа: в сравнительно мягких условиях, под действием водяного пара, осуществляют десорбцию веществ со сравнительно низкой адсорбируемостью и в жестких температурных условиях деструктурируют и, тем самым, удаляют вещества, которые адсорбируются необратимо и отравляют адсорбент. Вещества первой группы выделяют в качестве фракционированных товарных продуктов.

Эти благоприятные особенности гиперсорбции, казалось бы, придают ей характер некоторого «абсолютного» метода очистки и разделения газов. Увы, это не так. Функционирование введенных в действие в 50-х годах гиперсорбционных установок со временем, видимо, было прекращено, а сведения о сооружении новых установок перестали появляться в научной литературе. Можно предполагать, что гиперсорберы в силу высокой конструктивной сложности и из-за значительных потерь дорогостоящего адсорбента не выдержали конкуренцию с более простыми и дешевыми абсорбционными методами разделения углеводородных газов

Рис.2.38. Гиперсорбер: 1.бункер, 2.холодильник, 3.адсорбер, 4.секции ректификации, 5.десорбер, 6. пневмоподъемник, 7.реактиватор, 8.бункер реактиватора, 9.фракции углеводородов.

.

Очистка газов от диоксида серы.Диоксид серы часто называют глобальным загрязнителем атмосферы. Он образуется при сжигании твердого топлива и в концентрации 0,1 – 0,3 % входит в состав топочных газов. Их количество чрезвычайно велико: одна теплоэлектростанция мощностью 1000 МВт сбрасывает в атмосферу около 3.10⁶ м³/ч топочных газов. В топочных газах в небольших количествах содержится триоксид серы. В присутствии воды он образует в порах адсорбента практически нелетучую серную кислоту. Таким образом, при очистке топочных газов от диоксида серы реализуются те условия, в которых оправдано применение непрерывных методов: большая мощность по перерабатываемому потоку и наличие в потоке веществ с разной адсорбируемостью. Два таких метода предложены в Германии: это процессы фирмы «Райнлюфт» и фирмы «Бергбау –Форшунг».

Процесс «Райнлюфт» проводят в движущемся слое активного угля, который при 150° С поглощает оксиды серы, содержащиеся в восходящем потоке топочных газов. Насыщенный оксидами серы адсорбент поступает в так называемую каталитическую зону. В ней он контактирует с горячими газами, выходящими из десорбера и имеющими температуру 400 °С При этой температуре происходит испарение серной кислоты из пор угля и ее восстановление до диоксида серы и серы. Восстанавливающим агентом служит сам активный уголь. Смесь серосодержащих продуктов (диоксид серы, серная кислота и элементарная сера) извлекают из газов десорбции и разделяют на товарные продукты.

Схема установки «Бергбау-Форшунг» приведена на рис 2.39. В этом процессе много нетрадиционных технических решений. Одно из них связано с выбором типа адсорбента: в данном процессе им является полукокс. Этот полупродукт коксования углей обладает заметной пористостью и его активность по диоксиду серы достаточно велика: она составляет примерно 1 г/100 г в условиях, характерных для процесса очистки топочного газа, что сопоставимо с активностью хороших образцов активных углей.

Другая инновация метода заключена в конструкции адсорбера 1. Он имеет вид прямоугольного короба, через противолежащие стенки которого проходит поток очищаемых газов. Такая конструкция удобна при переработке газовых потоков большой мощности и большой запыленности. 

Насыщенный оксидами серы при 130 °С полукокс транспортером 2 подается на верх установки и поступает в десорбер 5. Здесь, и это составляет главную «изюминку» метода, полукокс смешивают с песком, предварительно нагретым в печи 7 до 600 °С. Полукокс быстро разогревается, серная кислота разлагается, оксиды серы десорбируются и их отводят на переработку в серную кислоту. Разделение полукокса и песка производят в сепараторе 6, который представляет собой механическое сито. Полукокс охлаждают в холодильнике 8 и возвращают в процесс очистки топочных газов. Песок, содержащий мелкий остаток полукокса, направляют в печь 7. Ее обогревают путем сжигания мазута. Песок нагревается, захваченный им полукокс выгорает. Горячий песок возвращают в процесс.

Процесс «Бергбау-Форшунг» прошел успешную промышленную апробацию. Появилось сообщение о том, что фирма сооружает вторую установку этого типа.

Очистка нефтепродуктов. Этот тип адсорбционных процессов используется для обеспечения заданного группового состава нефтепродуктов, улучшения их физико-химических свойств и эксплуатационных характеристик. В ходе обработки из нефтепродуктов

Рис.2.39. Схема установки очистки топочных газов по методу «Бергбау-Форшунг»: 1.адсорбер, 2, 3,, 4 – подъемники, 5 – десорбер, 6 -сепаратор (сито), 7 – печь, 8 – холодильник.

удаляют непредельные и ароматические углеводороды, смолисто-асфальтеновые вещества и другие соединения. В качестве адсорбентов применяют природные и синтетические материалы. Крупный успех этой техники был связан с использованием  алюмосиликатного катализатора с размером зерен 0,25 – 0,8 мм. Прочность и благоприятный фракционный состав позволили на базе его организовать непрерывный процесс очистки, который был введен в эксплуатацию в СССР в 1969 г.

Процесс очистки, объектами которой являются масляные фракции различной вязкости, осуществляют в движущемся слое адсорбента. Для снижения вязкости в адсорбер вводят раствор фракции в бензине. Очищенные нефтепродукты отправляют в отпарные колонны, в которых рекуперируют растворитель (бензины). Отработанный адсорбент подвергают промывке растворителями для десорбции примесей, сушке. Его реактивруют горячими топочными газами для удаления смолистых веществ. Все операции по восстановлению свойств адсорбента проводят в аппаратах кипящего слоя.

СОДЕРЖАНИЕ

    Предисловие                                                                             2

1.Физико-химичекие и инженерные основы адсорбционных процессов

1.1.Основные термины и определения                                             3

1.2.Промышленные адсорбенты. Математическое описание равновесной

адсорбции паров                                                       

    1.2.1.Пористая структура адсорбентов                                  6

    1.2.2.Краткие сведения об адсорбентах                                  10

    1.2.3.Некоторые характеристики зернистого слоя                 18

    Расчеты к разделам 1.1 и 1.2.                                                           19

1.3.Кинетика адсорбции                                                                    22

    1.3.1.Внутридиффузионная кинетика адсорбции                   22

    1.3.2.Внешнедиффузионная кинетика адсорбции                  25

    1.3.3.Смешаннодиффузионная кинетика адсорбции                       26

    Расчеты к разделу 1.3.                                                                      27

1.4.Конвективный тепло-массообмен в неподвижном зернистом слое    28

    1.4.1.Объекты рассмотрения                                                             28

    1.4.2.Нагрев (охлаждение) зернистого слоя и динамика

 изотермической адсорбции при линейной изотерме адсорбции             30

    Расчеты к подразделу 1.4.2.                                                    36

    1.4.3.Динамика изотермической адсорбции при произвольной

изотерме адсорбции                                                                          37

    Расчеты к подразделу 1.4.3.                                                    42

    1.4.4.Динамика адиабатической адсорбции                           44

    Расчеты к подразделу 1.4.4.                                                    50

    1.4.5.Динамика адиабатической десорбции                            51

    Расчеты к подразделу 1.4.5.                                                    53

    1.4.6.Динамика адсорбции смесей                                           54

    Расчеты к подразделу 1.4.6.                                                    57

2.Технология адсорбционных процессов

2.1.Краткая историческая справка                                                             60

2.2.Конструктивные схемы адсорберов и типы адсорбционных

процессов                                                                                           62

    2.2.1.Конструкции адсорберов                                               62

    Расчеты к подразделу 2.2.1.                                                    65

    2.2.2.Типы адсорбционных процессов                               65

2.3.Процессы с однократно регенерируемым адсорбентом                     67

    Расчеты к разделу 2.3.                                                                      71

2.4.Циклические процессы с регенерацией адсорбента прямым

 вводом тепла теплоносителем- газом                                              73

    2.4.1.Назначение и условия осуществления                           73

    Расчеты к подразделу 2.4.1.                                                    75

    2.4.2.Осушка газов                                                                   77

    Расчеты к подразделу 2.4.2.                                                    88

    2.4.3.Очистка газов                                                                  91    

2.5.Циклические процессы с регенерацией адсорбента

 текплоносителем – паром                                                                 95

    2.5.1.Области применения и условия применимости                      95

    2.5.2.Технология процессов рекуперации                                       97

    2.5.3.Прогресс в технике рекуперации                                   101

    Расчеты к разделу 2.5.                                                                      105

2.6.Циклические процессы с косвенным вводом тепла                    106

    2.6.1.Область применения                                                       106

    2.6.2.Теплопроводность зернистого слоя                                        107

    Расчеты к подразделу 2.6.2.                                                    108

    2.6.3.Технология двух процессов                                           110

    Расчеты к подразделу 2.6.3.                                                    115

    2.6.4.Ограничения метода                                                       116

2.7.Безнагревные циклические процессы очистки и разделения газов    118

    2.7.1.Условия осуществимости                                                118

    2.7.2.Осушка газов                                                                   121

    Расчеты к подразделу 2.7.2.                                                    125

    2.7.3.Очистка газов                                                                  126

    2.7.4.Выделение водорода                                                       130

    2.7.5.Разделение воздуха – 1                                                            136

    2.7.6.Разделение воздуха – 2                                                            140

    2.7.7.Разделение углеводородов                                             141

2.8.Периодические процессы с реактивируемым адсорбентом      143

    2.8.1.Общие сведения                                                               143

    2.8.2.Водоподготовка                                                              143  

    Расчеты к подразделу 2.8.2                                                     151

    2.8.3.Периодические процессы в пищевой промышленности 151

2.9.Непрерывные процессы                                                              152

    2.9.1.Основания к выбору                                                       150

    2.9.2.Конструктивные схемы непрерывных установок          152

    2.9.3.Технология непрерывных процессов                             153

[А1]

[А2]

[А3]Ссылки на спкциальную литературу, каталоги и справочники приведены в примерах.