4.3.5. Расчет адсорберов непрерывного действия

При рассмотрении методов проектирования стационарных адсорберов с движущимся слоем предполагается, что процесс протекает в изотермических условиях и адсорбируется только один компонент. В этом случае процесс аналогичен абсорбции газа. Отличие состоит лишь в замене жидкого растворителя твердым адсорбентом. Здесь и далее скорости потоков и концентраций будут относиться к материалам, не содержащим растворенных веществ, а вместо массовой доли будет использоваться массовое отношение. Таким образом: Y — масса растворенного вещества/ масса раствора; G_s — масса газообразного растворителя/(единица времениединица площади); Х — масса адсорбата/(масса адсорбента); L_s - масса адсорбента/(единица времени единица площади).

На рис. 4.21 приведена схема противоточного адсорбера с движущимся слоем непрерывного действия с удалением одного компонента. Показаны также соотношения между переменными.

Рис. 4.21. Расчетная схема противоточного адсорбера.

Баланс растворенного вещества по всей колонне выражается уравнением:

(4.40)

Аналогично для верхней части колонны:

(4.41)

Эти два уравнения задают рабочую линию для системы. Уравнение (4.41) может быть решено относительно Y:

Y = (L_s/G_s) Х + [Y₂ - (L_s/G_s)Х₂]. (4.42)

Соответствующая зависимость Y от Х представляет собой прямую линию с наклоном (L_s/G_s) и отрезком, отсекаемым на оси ординат, равным [Y₂ — (L_s/G_s) X₂].

При адсорбции больших количеств вещества существенными становятся тепловые эффекты. Расчеты этих тепловых эффектов очень сложны. При их проведении предполагают, что адсорбция осуществляется из разбавленной газовой смеси. По аналогии с абсорбцией массоперенос характеризуют суммарным коэффициентом массопереноса в газовой фазе, в который входит величина площади наружной поверхности, приходящаяся на единицу объема адсорбента (удельная поверхность контакта фаз), а_S. Скорость переноса растворенного вещества для элемента высоты слоя адсорбента dZ в этом случае:

. (4.43)

Тогда

. (4.44)

Высота единицы переноса определяется как

, (4.45)

а число единиц переноса выражается интегралом

. (4.46)

Если линия равновесия, как и рабочая линия, представляет собой прямую, то для получения N_G можно использовать средние логарифмические значения:

; (4.47)

. (4.48)

4.4. Десорбция адсорбированных продуктов

Одной из основных стадий адсорбционного процесса является десорбция поглощенных веществ, которая может проводиться различными способами: повышением температуры слоя адсорбента, снижением давления в системе, отдувкой адсорбата в токе газа-носителя, применением вакуума, вытеснение сорбата более легко адсорбирующимся материалом, комбинация двух или более указанных методов.

Как правило, возможность регенерации адсорбента и выделения адсорбированного загрязнения определяется экономическими соображениями.

Одним из путей удаления адсорбированных загрязнителей является полная замена адсорбента с направлением отработанного материала в отходы. Такой путь возможен в тех случаях, когда количество адсорбата невелико или процесс замены производится достаточно редко. Стоимость свежего адсорбента невелика по сравнению со стоимостью процесса регенерации с учетом трудовых затрат. Адсорбент может находиться на бумажном носителе или во вставной гильзе. Удаляемый материал может быть вывезен на свалку; однако в тех случаях, когда адсорбированное вещество токсично или канцерогенно и может растворяться в воде, а также при использовании угля в качестве адсорбента предпочтительно отработанный материал сжигать.

Проблема утилизации или удаления материала, выделенного при адсорбционной очистке, в значительной степени связана с пригодностью этого материала для повторного использования в процессе, однако определенную роль может играть и выбор метода десорбции, применяемого для регенерации отработанного сорбента. Если выделенное вещество может быть использовано в процессе производства, то оптимальными методами десорбции могут быть простое нагревание или нагревание при частичном вакуумировании, поскольку загрязнитель при выкипании образует концентрированный пар; при конденсации пара образуется концентрированный раствор, который может быть возвращен в процесс. Если одновременно выделяется несколько загрязнителей, например, смесь паров растворителей, и эта смесь не может быть утилизирована как таковая, то необходимо дополнительное разделение, например путем дистилляции. Поскольку адсорбцию часто используют для выделения органических загрязнителей, то во многих случаях выделенный материал можно использовать в качестве топлива или добавки к топливу, если он не находит другого применения. При сжигании замещенных углеводородов необходимо принимать во внимание, что возможно образование продуктов, вызывающих коррозию или наносящих вред окружающей среде.

Нагревание распространено наиболее широко, оно позволяет получать сорбат в концентрированном виде, а в некоторых случаях и в виде, пригодном для повторного использования. При повышении температуры адсорбента до величины, равной температуре кипения сорбата при атмосферном давлении, начинается выкипание вещества, пары которого конденсируют. Если повышение температуры до такого значения приводит к разложению вещества, то дополнительно можно применить частичное вакуумирование. При использовании только вакуумирования степень десорбции не столь высока, как при нагревании. Кроме того, в этом случае для конденсации десорбированного продукта могут потребоваться более эффективные холодильники или окажется необходимой конденсация при сжатии.

Десорбция путем продувания инертного газа, за исключением процесса адсорбционного концентрирования с последующим сжиганием газа, как правило, создает проблем больше, чем решает, поскольку загрязняющее вещество в этом случае снова оказывается диспергированным в газовом потоке. Продувка газом, инертным относительно адсорбционного процесса (например, воздухом или азотом), имеет тот недостаток, что десорбируемое вещество снова оказывается распределенным в газовой фазе. Однако в определённых ситуациях применение этого метода целесообразно. Для концентрирования загрязняющих веществ, присутствующих в очень малых концентрациях, может быть использована абсорбция. При продувке воздухом образующийся при десорбции газовый поток может быть непосредственно направлен на сжигание.

Обработка угольного адсорбента водяным паром представляет собой метод регенерации, основанный на вытеснении. Водяной пар адсорбируется, вытесняя молекулы адсорбата, который имеет более низкое равновесное парциальное давление. Десорбированные загрязнения конденсируются вместе с избытком водяного пара. После насыщения адсорбента паром необходима регенерация для удаления воды; ее проводят продуванием горячего воздуха. Обработка водяным паром фактически представляет собой комбинацию методов. Хотя основной движущей силой десорбции является вытеснение, пар одновременно повышает температуру адсорбента, а его избыток выполняет роль инертного газа, используемого для продувки. В случае органических материалов, хорошо растворимых в воде, применение этого метода связано с трудностями, поскольку требуется проведение дополнительного разделения водного конденсата и органических продуктов. Даже в тех случаях, когда растворимость органических продуктов незначительна и разделение осуществляется простои декантацией несмешивающейся фазы, необходимо принять во внимание проблемы, связанные с удалением получаемых водных растворов. Если их объемы невелики, а растворенные органические вещества подвергаются биологическому разложению, приемлемым вариантом может быть обычная обработка в канализационных сооружениях. Однако при наличии устойчивых органических соединений или в случае больших количеств водных растворов желательно отказаться от данного метода десорбции.

В процессе регенерации никогда не достигается абсолютно полная десорбция, поэтому необходимо предусматривать некоторый избыток адсорбционной емкости, компенсирующий ее потерю за несколько циклов регенерации. При регенерации могут возникать и другие проблемы, которые нужно предусматривать при выборе метода обработки. Некоторые органические соединения, в частности, мономеры, например пары стирола, в процессе регенерации могут полимеризоваться в порах адсорбента, что делает его непригодным для дальнейшего использования. При высоких температурах регенерации возможен распад органических соединений, в результате чего сорбент покрывается смолой и сажей и также становится неактивным. В таких случаях следует использовать другие методы десорбции, или работать при умеренных температурах и пониженных давлениях, или проводить обработку водяным паром; возможна также регенерация дезактивированного адсорбента в окислительной атмосфере печи. В таких печах в контролируемых условиях органические материалы выжигают с поверхности и их пор сорбента.

В результате хемосорбции сорбат связывается настолько прочно, что десорбция возможна только при удалении некоторого количества самого сорбента. В большинстве случаев регенерация проводится в специальных условиях. Примером может служить регенерация активированного угля, используемого для удаления SO₂, продувкой воздухом. Часть SO₂ постоянно накапливается на сорбенте в виде серной кислоты. Ее десорбируют, нагревая до 370°С в инертной атмосфере, в результате чего кислота реагирует с углем, образуя CO₂ и SO₂.

В тех случаях, когда адсорбируемые загрязнители представляют собой неорганические или негорючие вещества и не находят никакого полезного применения, проблемы удаления аналогичны тем, которые возникают при удалении подобных материалов методами адсорбции.