рогазовой смеси или раствора сквозь слой адсорбента через некоторое время адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент

– наблюдается так называемый «проскок» компонента через слой адсорбента: начиная с какого-то момента времени, концентрация компонента в отходящей смеси или в растворе растет.

Количество вещества, поглощенное единицей массы (или объема) адсорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока», называется динамической активностью адсорбента. Если изменить условия процесса поглощения, обеспечив длительный контакт неподвижной парогазовой смеси или раствора с адсорбентом, то количество вещества, поглощенное тем же, что и в первом случае, объемом адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия, увеличится. Эта характеристика адсорбента называется статической активностью. Из определений видно, что динамическая активность меньше статической.

Влияние технологических параметров на протекание процессов адсорбции и десорбции

Концентрация адсорбируемого вещества в парогазовой смеси при постоянной температуре пропорциональна его давлению. Поэтому уравнение изотермы адсорбции в этом случае можно представить в виде:

′	1n	,	(6.23)
хр = А р

где р – равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой смеси, Па; А' – опытный коэффициент.

На рис. 6.7 показаны изотермы адсорбции метана, этана и паров бензола при одной и той же температуре активным углем. Приведенные закономерности поясняют влияние температуры, давления, а также вида поглощаемого компонента на процесс адсорбции. С уменьшением температуры процесса поглотительная способность адсорбента увеличивается (см. рис. 6.6). Увеличение давления, как видно из выражения 6.23 и рис. 6.7, также приводит к росту поглотительной способности адсорбента. При одних и тех же значениях температуры и давления (р1 на рис. 6.7) пары бензола поглощаются больше, чем этана, а этана – больше, чем метана. Эти вещества имеют различные температуры кипения и молекулярные массы

(метан: темп. кип. –161,58 оС и М = 16,04; этан: темп. кип. – 88,63 оС и

М = 30,07; бензол: темп. кип. 80,1 оС и М = 78,11). Выявлено, что при прочих равных условиях в большей степени поглощаются те компоненты, которые имеют большие температуры кипения.

187

Давление, мм рт. ст.

600		СН4						С6Н6
500
				С2Н6
400
р1
300
200
100
0
10		20		30		40	50	60
	Концентрация,					л/кг угля

Рис. 6.7. Изотермы адсорбции газов и паров активированным углем

Таким образом, адсорбции способствует понижение температуры и повышение давления процесса.

Процесс десорбции обычно проводится после адсорбции с целью выделения поглощенного компонента и регенерации поглотителя. Десорбции способствуют: повышенная температура, пониженное давление и наличие вещества, вытесняющего поглощенное вещество из адсорбента. Такими свойствами обладает водяной пар, который часто используют при проведении процесса десорбции.

Основные типы адсорберов

Для проведения процессов адсорбции веществ из парогазовых смесей применяются адсорберы следующих типов:

-с неподвижным зернистым адсорбентом;

-с движущимся зернистым адсорбентом;

-с кипящим (псевдоожиженным) слоем мелкозернистого адсорбента. Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента работают

периодически и выполняются в виде полых вертикальных или горизонтальных аппаратов, в которых на решетках находится слой адсорбента.

На рис. 6.8 показан вертикальный угольный адсорбер, который ис-

пользуется на установках рекуперации. Исходная паровоздушная смесь поступает в адсорбер через верхний штуцер, проходит через находящийся на решетке 3 слой адсорбента 6, а очищенный воздух удаляется через штуцер в коническом днище адсорбера. По завершении процесса адсорбции проводится десорбция, для чего в аппарат подают перегретый водяной пар (или другой конкурирующий агент), который движется по адсорберу снизу вверх.

Паровая смесь, выходящая из штуцера 8, направляется на конденсацию и разделение, куда также подается стекающий в днище адсорбера конденсат. По завершении процесса десорбции сквозь слой адсорбента для его осушки пропускают горячий воздух, который вводится в аппарат через штуцер подачи водяного пара и удаляется через штуцер 8. Высушенный

188

адсорбент охлаждают холодным воздухом, движущимся по тому же пути,

что и горячий воздух. После этого операции поглощения, десорбции, суш-

ки и охлаждения возобновляются.

Загрузка свежего и

Паровоздушная смесь

выгрузка отработанного

адсорбента производит-

7

8

9

ся через люки 7 и 5. В

случае

самовозгорания

1

активированного

угля

для его тушения ис-

6

пользуется вода, пода-

ваемая в нижнюю часть

5

2

адсорбера по штуцеру 4.

Для

предотвращения

разрушения

адсорбера

при возможном «хлоп-

3

ке»

паровоздушной

Вод. пар

смеси на крышке загру-

Конденсат

зочного люка 7 имеется

взрывное

мембранное

Вода

Воздух

устройство.

4

Так

как

адсорбер

работает

периодически,

Рис. 6.8. Схема вертикального угольного адсорбера:

то для обеспечения не-

1–корпус; 2–гнезда для термопар; 3–опорная решетка;

прерывности

производ-

4–штуцер

подвода

воды;

5–разгрузочный

люк;

ственного

процесса

в

6–адсорбент; 7–загрузочный люк с взрывным мембран-

технологической

схеме

ным устройством; 8–штуцер отвода пара при десорб-

ции; 9–штуцер предохранительного клапана

должно

быть

установ-

лено несколько параллельно работающих однотипных аппаратов, чтобы

соблюдалось следующее условие:

τад ≥ ( τд + τс + τохл ) / (n – 1) ,

(6.24)

где τ – продолжительность операции; индексы ад, д, с и охл означают соответственно адсорбция, десорбция, сушка и охлаждение; n – количество однотипных аппаратов.

Продолжительность операции адсорбции оценивается расчетом и уточняется опытным путем, продолжительность вспомогательных операций (десорбции, сушки и охлаждения) определяется экспериментально.

Если принять, что длительность периода адсорбции приближенно равна продолжительности остальных периодов, т.е. τад ≈ (τд + τс + τохл), то

189

для обеспечения непрерывной работы станции понадобится 2 адсорбера. В то время, когда в первом адсорбере будет проходить процесс поглощения, во втором адсорбере – вспомогательные операции по подготовке его к работе: десорбция, сушка и охлаждение. После завершения процесса поглощения в первом адсорбере переключают на поглощение второй, а первый адсорбер переключают для проведения вспомогательных операций.

В большинстве случаев рекуперационные станции работают не по четырехфазному циклу, а по двухфазному, когда фазы сушки и охлаждения совмещены с фазой адсорбции.

На рис. 6.9 приведена технологическая схема рекуперационной станции, работающей по двухфазному циклу. Паровоздушная смесь (ПВС) поступает на станцию рекуперации по воздуховоду 1, защищенному огнепреградителем 13, и с помощью вентилятора 2 направляется в адсорбер 6, который работает в режиме поглощения. Очищенный от паров воздух выходит из нижнего патрубка адсорбера, проходит через сепаратор 12 и по линии 8 сбрасывается в атмосферу.

13

13

13

13

3	Вод. пар	5	5		9	10
	4
					Вода
	6	15 7	15	8		11

13	12
2 Вод. пар
14	Конденсат
Вода	на разделение

1 16

Рис. 6.9. Схема станции рекуперации паров растворителей: 1–воздуховод; 2–вентилятор; 3–линия аварийного выхлопа; 4–теплообменник; 5–ли- нии сброса с предохранительных клапанов; 6 и 7–адсорберы; 8–линия сброса очищенного воздуха; 9–конденсатор-холодильник; 10–линия возврата паров; 11 и 12–се- параторы; 13–огнепреградители; 14–коллектор водяного пара; 15–предохранительные

клапаны; 16–линия подачи воды

190

В это время в адсорбере 7 производится процесс десорбции паров растворителей из активированного угля водяным паром, который подается в нижнюю часть адсорбера 7 по коллектору 14. Водяной пар, проходя через слой адсорбента, насыщается парами растворителя и поступает в конден- сатор-холодильник 9, где пары конденсируются, а образующийся конденсат охлаждается и направляется на установку получения чистого растворителя (на схеме не показана). Конденсат частично сконденсировавшегося в адсорбере 7 водяного пара стекает в коническое днище аппарата и также направляется в сборник. В зависимости от свойств растворителя конденсат может представлять собой эмульсию (компоненты растворителя не растворимы в воде), раствор (все компоненты растворителя растворимы в воде) или сложную смесь эмульсий и растворов. Из эмульсии растворитель выделяют отстаиванием; раствор подвергают ректификации; выделение растворителя из сложной смеси производят последовательно отстаиванием и ректификацией. Рекуперированный растворитель или его отдельные компоненты возвращают в технологический цикл основного производства для повторного использования.

По завершении операции десорбции отключают подачу водяного пара в адсорбер 7. Затем открывают шибер на линии подачи ПВС в теплообменник 4 для ее нагрева водяным паром и проведения процесса сушки активированного угля. После окончания фазы сушки переключают шиберы на линиях подачи ПВС и в адсорбер 7 подается холодная паровоздушная смесь, которая охлаждает уголь. По мере охлаждения угля в адсорбере 7 начинается процесс поглощения паров растворителя из ПВС, т.е. фаза охлаждения автоматически переходит в фазу адсорбции. Одновременно с началом процесса поглощения паров в адсорбере 7 закрывают шибер на линии подачи ПВС в адсорбер 6 для проведения в нем процессов десорбции и регенерации адсорбента.

Количество паров растворителя, улавливаемое из паровоздушной сме-

си:

Gp = Wпвс (yн – ук) τад ,

(6.25)

где Gp – количество улавливаемого растворителя, кг; Wпвс – расход паровоздушной смеси, поступающей в адсорберы на улавливание паров растворителя, м3/с; yн и ук – соответственно начальная и конечная концентрации паров растворителя в паровоздушной смеси до и после адсорбции, кг/м3; τад – продолжительность адсорбции, с.

В то же время величину Gp можно найти из выражения

Gp = Gад ( хк – хн ) ,

(6.26)

191

где Gад – масса адсорбента в адсорбере; хк и хн – средние концентрации

адсорбированного вещества в адсорбере соответственно в конечный и начальный моменты времени, кг/кг адсорбента.

Из выражений 6.25 и 6.26 можно найти продолжительность фазы адсорбции до момента проскока паров растворителей через слой адсорбента, т.е. когда yк = 0:

τад = Gад ( хк – хн ) / Wпвс yн

	Вода	1
		Вода	адсорбента
	2	Не поглощенная
	3	частьсмеси	транспортирования
	Вод. пар	10
	4
	Парогазовая	9
	смесь	Продукты
	5
		десорбции
	6	Конденсат	Система
	Вод. пар
	7
		8

Рис. 6.10. Схема адсорбера с движущимся слоем зернистого адсорбента:

1–холодильник; 2, 5–распределительные тарелки; 3–ад- сорбционная секция; 4 и 7–перфорированные патрубки;

6–подогреватель секции десорбции; 8–затвор; 9, 10–отво- дящие патрубки

. (6.27)

В полученном выражении массу адсорбента в адсорбере определяют по формуле

Gад=	πD2 H ρ	нас	, (6.28)
	4

где D и H – соответственно диаметр адсорбера и высота слоя

адсорбента, м; ρнас – насыпная плотность

адсорбента; кг/м3; величина ρнас зависит от вида адсорбента и размера его зерен; для гранулированного активного угля прини-

мают ρнас = 500 кг/м3. На рис. 6.10 пока-

зана схема непрерывно действующего адсорбера с движущимся зернистым адсорбентом, которые применяются в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Адсорбер представляет собой

192