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

p' - парциальное давление паров дихлорэтана в газовой смеси;

β = 1,31 - коэффициент аффинности.

i=0…9,

Вычисленные равновесные концентрации дихлорэтана в активном угле представлены ниже

Ниже приведена изотерма адсорбции активным углем при 200C.

Рис. 2.1 - Изотерма адсорбции

Согласно рекомендациям начальный участок изотермы может рассматриваться как линейный при условии

(по бензолу)

где  - концентрация насыщенного пара дихлорэтана.

Отношение , соответствующее исходной концентрации дихлорэтана в смеси, может быть найдено по уравнению потенциальной теории адсорбции:

где  - отношение парциального давления к давлению насыщенного пара бензола.

.3 Диаметр и высота адсорбера

Допустимую фиксированную скорость газа можно рассчитать по формуле, полученной на основе технико-экономического анализа работы адсорберов,

,

где dэ=1,5×10-3 м; ρНАС=575 кг/м3 (для активного угля АР-A); ρвоздух=0,611 кг/м3 - плотность воздуха при t=200C.

Допустимая скорость газа в адсорбере ω=0,48 м/с.

Рабочую скорость примем на 25% ниже допустимой:

,

Диаметр аппарата:

,

=7,0 м.

Принимаем вертикальный адсорбер диаметром 7 м.

Высоту слоя активного угля для обеспечения достаточного времени работы адсорбера примем z=0,7 м ( в вертикальных адсорберах ВТР высота слоя адсорбента составляет 0,5-1,2 м). Общую высоту цилиндрической части принимаем равной Z=1,7 м.

Дополнительная высота (под крышкой и над днищем) необходима для размещения распределительного устройства для газа, штуцеров и датчиков контрольно-измерительных приборов.

.4 Коэффициент массопередачи

Находим коэффициент диффузии в главной фазе в системе дихлорэтан - воздух.

При T0=273,15 К и P735=9,8×104 Па коэффициент диффузии в условиях адсорбента:

,

.

Вязкость воздуха при 00C и P735=9,8×104 Па, μ0=17,3 Па×с, постоянная Сатерленда C'=124.

,

μy=1,831×10-5 кг/(м×с).

Вязкость газовой фазы (воздуха) μy=1,831×10-5 кг/(м×с).

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе находим по уравнению:

,

где ε - порозность слоя (ε=0,3);

; .

Подставив в выражение для Nu значения Re=18,5 и Pr=2,1, получим

Nu=9,68.

Тогда коэффициент внешней массоотдачи:

, .

Концентрация поглощаемого компоненте в поглотителе X_CH равновесная по отношению к Cн=8×10-3 кг/м3, может быть определена, если определить парциальное давление поглощаемого компонента в газовой фазе:

, PH=388,658 Па;

,'_CH=0,19.

Коэффициент внутренней массотдачи в адсорбенте (коэффициент внутренней массоотдачи) находим по уравнению:

,

βx = 0,049 м/с.

Коэффициент массопередачи:

,

.

Снижение движущей силы массопереноса в результате отклонения движения от режима идеального вытеснения учтем введением дополнительного диффузионного сопротивления продольного перемешивания. Коэффициент, учитывающий продольное перемешивание, определяем по уравнению:

,

βпрод=0,055 м/с.

Коэффициент массопередачи с учетом продольного перемешивания:

,

Удельная поверхность адсорбента:

, a= 2,8 ×103 м2/м3.

Объемный коэффициент массопередачи

Kyv = K’y×a, Kyv = 56,93

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

Продолжительность адсорбции дихлорэтана определяется по выходной кривой, построение которой производится по уравнению Томаса для безразмерной концентрации в потоке:

,

где  - общее число единиц переноса для слоя высотой z;

 - ,безразмерно время.

Выразим τ через безразмерное время τ”:

J=0…12, ; ;

.

Число единиц переноса noy=110,49. Значение функций J(α,γ) найдем по следующим приближенным формулам

Результаты расчета выходной кривой адсорбции приведены ниже

Рисунок 2.2 - Выходная кривая адсорбции (z=0,7 м)

Время достижения концентрации дихлорэтана в газе, выходящем из адсорбера (она составляет С/СH=0,05), равно длительности стадии адсорбции. В соответствии с выходной кривой (см. рис. 2.2) продолжительность адсорбции составляет θ=1,13×105 с.

Построение профиля концентраций ведет по уравнению Томаса, записанному для безразмерной концентрации в адсорбенте,

.

Выразим расстояние z от точки ввода смеси до точки с концентрацией X в виде функции от безразмерно го времени

.

;

,

,

,

.

Расчет профиля концентраций дихлорэтана в слое угля представлен ниже

Рисунок. 2.3 - Профиль концентрации в адсорбенте

.6 Материальный баланс

Материальный баланс по дихлорэтану стадии адсорбции выражается уравнением:

Записывается уравнение материального баланса для концентраций в безразмерной форме, а также учитывая, что XH=0 м и Cθ=0 c, получим

Значение интегралов уравнения материального баланса определяется графическим интегрированием выходной кривой (рис. 2.2) и профиля концентрации в адсорбенте (рис. 2.3):

=375,564 кг; G2=375,258 кг; G3=1,446 кг; G4=20,04×10-3 кг.

Проверим сходимость материального баланса:

.

Ввиду малого количества адсорбтива, остающегося в аппарате в газовой фазе, для расчета массы дихлорэтана, оставшейся в свободном объеме адсорбера, примем концентрацию дихлорэтана, равную начальной.

.7 Вспомогательные стадии цикла

Ввиду того что по заданию установка включает два адсорбера, суммарная продолжительность вспомогательных операций (десорбция, сушка, охлаждение) должна быть равна продолжительности адсорбции, т. е. 4,8 ч.

Десорбция водяным паром-сложный тепломассообменный процесс, протекающий при переменных температуре и расходе паровой фазы. Надежных методик расчета продолжительности десорбции для этого случая неразработано. Продолжительность десорбции в рекуперациоиных установках ориентировочно составляет 0,5... 1,0 ч при условии использования острого пара давлением 0,1 ...0,4 МПа.

При десорбции веществ с небольшой молекулярной массой давление ближе к минимальному значению указанного интервала. С учетом сказанного принимаем продолжительность десорбции 1 ч, давление водяного пара 0,2 МПа. Тогда продолжительность стадий сушки и охлаждения равна 3,8 ч, причем периоды сушки и охлаждения могут быть приняты равными. В связи с этим условия сушки и охлаждения должны быть выбраны исходя из указанного времени.

Заключение

На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна.

В настоящее время используются различные методы улавливания и обезвреживания паро- и газообразных веществ из воздуха. На практике применяют следующие способы очистки газа: абсорбционный, адсорбционный, каталитический, термический.

Абсорбция - наиболее распространенный процесс очистки газовых смесей во многих отраслях, в том числе и в химической промышленности. Абсорбция - массообменный процесс очистки газа или парогазовой смеси, при котором происходит поглощение веществ из газа (обычно из газовой смеси) или жидкости жидкостями или - реже - твердыми телами.

Выбрать оптимальное контактное устройство для абсорбционной колонны из большого разнообразия типов тарелок довольно сложно. Решетчатые тарелки, в отличие от других типов тарелок, могут работать с высокими нагрузками по жидкости и газу. Они обладают минимальным гидравлическим сопротивлением и минимальной металлоемкостью, удобны для монтажа, осмотра, чистки и ремонта, менее других конструкций подвержены воздействию агрессивных сред, могут работать со взвесями. Однако устойчивый режим барботажа газа через слой жидкости, находящейся на решетчатой тарелке, возможен только в узком диапазоне скоростей. Это не позволяет использовать их при переменных нагрузках, что важно при обработке газовых выбросов.

дихлорэтан активный уголь адсорбер

Библиографический список

1.   Баранцев В.И. Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1985.

2.      Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов: Учебное пособие по проектированию. - Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2003. - 163 с.

.        Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1987. - 540 с.

.        Рамм В.М. Адсорбция газов. - М.: Химия, 1976.