Адсорбция в кипящем (псевдоожиженном) слое

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное  образовательное  учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2015

Оглавление

 

 

Введение

Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту - носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организм. Многие функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхности, так, например, общая площадь биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Даже такие наши чувства, как обоняние и вкус, зависят от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.

Сегодня адсорбция составляет основу многих промышленных операций и научных исследований. Наиболее важные из них - очистка, выделение и разделение различных веществ, адсорбционная газовая и жидкостная хроматография.

Адсорбция является важной стадией гетерогенного катализа и коррозии. Исследования поверхности тесно связаны с развитием полупроводниковой техники, медицины, строительства и военного дела. Адсорбционные процессы играют ключевую роль при выборе стратегии защиты окружающей среды.

Адсорбционные методы исследования свойств поверхности позволяют количественно охарактеризовать происходящие при адсорбции межмолекулярные взаимодействия адсорбат-адсорбент и адсорбат-адсорбат, определить термодинамические характеристики адсорбционного равновесия (например, теплоту и энтропию адсорбции), а также исследовать геометрические параметры адсорбента (величину удельной поверхности, объем пор и распределение пор по размерам, характерные для данного материала).

Такие исследования необходимы для понимания факторов, управляющих адсорбционными процессами и обеспечивающих возможность выбора и разработки эффективных адсорбентов с необходимыми для решения конкретных задач свойствами.

1. Адсорбция в кипящем (псевдоожиженном) слое.

За последнее время в ряде отраслей промышленности находит применение адсорбция в кипящем слое, которая по сравнению с адсорбцией в неподвижном слое имеет ряд преимуществ, а именно:

• при сорбции адсорбентом, находящимся в псевдоожиженном состоянии, вследствие интенсивного движения частиц не происходит послойной отработки адсорбента;
• вследствие интенсивного перемешивания частиц адсорбента температура в кипящем слое выравнивается и предотвращается перегрев;
• адсорбент, находящийся в псевдоожиженном состоянии, оказывает относительно очень малое гидравлическое сопротивление;
• адсорбент представляет собой текучую фазу, легко транспортируемую из аппарата в аппарат.

Вместе с этим адсорбция в кипящем слое имеет и свои недостатки:

• в кипящем слое адсорбента отработавшие частицы адсорбента смешаны с неотработавшими. Поток, выходящий из адсорбера, встретив отработавшие частицы адсорбента, может вызвать десорбцию, что отрицательно скажется на степени разделения газовой смеси;
• вследствие интенсивного перемешивания частиц адсорбента в кипящем слое происходит их истирание; поэтому к адсорбенту предъявляются особые требования по механической прочности;
• при интенсивном движении частиц адсорбента в кипящем слое усиливается эрозия стенок аппарата.

2. Устройство и принцип действия

Адсорберы с кипящим слоем мелкозернистого адсорбента делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.

1. Одгостепенчатый

В одноступенчатом адсорбере (см. рисунок 1) в корпусе 3 имеется распределительная решетка 1, через которую снизу подается газ, приводящий слой 2 мелкозернистого адсорбента в состояние «кипения». Адсорбент загружается в аппарат сверху и удаляется через трубу 4. в аппарате поддерживается определенный уровень «стационарного» кипящего слоя адсорбента.

Рисунок 1. Одноступенчатый адсорбер с кипящим слоем адсорбента.

1-корпус, 2-распределительная решётка, 3-Адсорбент 4-труба вывода адсорбента на десорбцию 

2. Многоступенчатый

Многоступенчатый адсорбер представляет собой колонну с тарелками в виде дырчатых или колосниковых решеток. Адсорбент подается газодувкой на верх колонны и стекает по тарелкам через поперечные трубки противотоком к газовой смеси. Газовая смесь, проходя через отверстия в тарелках, движется противотоком к адсорбенту. Адсорбент выгружается снизу колонны через специальный затвор.

На рисунке 2 дана схема колонного аппарата для адсорбции в кипящем слое, применяемого при разделении углеводородных газов. Колонна снабжена контактными колпачковыми тарелками, схема устройства которых представлена на рисунке 3 Частицы адсорбента, движущегося по колонне сверху вниз, переходят с тарелки на тарелку по переточным стаканам 1. Газ, который поддерживает частицы адсорбента на тарелке в состоянии псевдоожижения, проходит снизу вверх через патрубки 2 с колпачками 3. Для большей турболизации кипящего слоя установлены вертикальные перегородки 4, а для осуществления теплообмена-пучок трубок 5, в которых в зависимости от условий процесса может протекать охлаждающий или нагревающий агент.

 

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 2 - Схема колонного аппарата для разделения газов адсорбцией в кипящем слое: 1 - выход непоглощенной части газа; 2 - корпус колонны; 3 - контактная тарелка; 4 - выход регенерированного адсорбента; 5 - выход фракции газа С3; 6 - выход фракции газа C2

Рисунок 3 - Схема устройства контактной тарелки колонного адсорбера с кипящим слоем: 1 - переточные стаканы; 2 - патрубки; 3 - колпачок; 4 - перегородки; 5 - теплообменные трубки

 

Колонна по высоте делится на пять зон. Газ, подлежащий разделению, поступает по трубе под нижнюю тарелку первой-верхней зоны, в которой протекает процесс адсорбции; свежий адсорбент подается в верхнюю часть этой зоны. В этой зоне из газовой смеси поглощаются углеводороды, содержащие два и три атома углерода, и небольшие количества метана. Непоглощенная часть газовой смеси, содержащей метан, водород, азот и двуокись углерода, удаляется из верха колонны по трубе 1. Так как процесс адсорбции в первой зоне колонны протекает с выделением тепла, тарелки этой зоны снабжены охладительными трубами, по которым протекает холодная вода.

Из первой зоны адсорбент по переточному каналу поступает во вторую, где поднимающийся с низа колонны инертный газ десорбирует из адсорбента метан; метан попадает в первую зону и уходит из колонны вместе с непоглощенной частью газа. Из второй зоны адсорбент поступает в третью, а затем в четвертую и пятую зоны. В третьей зоне происходит десорбция поглощенных газов с двумя углеродными атомами (фракция C2) и в четвертой - с тремя углеродными атомами (фракция С3). В пятой зоне адсорбент обрабатывается острым паром. Водяной пар выдувает из адсорбента углеводороды с тремя углеродными атомами. Адсорбент из пятой зоны выходит по трубе 4 и пневмотранспортом подается снова в верхнюю часть колонны.

 

Рисунок 4 Схема установки для адсорбции и десорбции в кипящем абсорбенте

1 - циклон; 2 - сепаратор; 3 - адсорбер; 4 - теплообменники; 5, 6 - разгрузочные приспособления; 7 - десорбер; 8 – паровая рубашка

 

 

 

На рис. 4 представлена схема установки для адсорбции и десорбции в кипящем слое, состоящей из адсорбера 3 и десорбера 7. В адсорбер 3 через трубу подаются исходная газовая смесь и регенерированный адсорбент из десорбера. В адсорбере создается кипящий слой адсорбента, в котором происходит адсорбция поглощаемой части газового потока. Непоглощенная часть газового потока через сепаратор 2 и циклон 1 удаляется из аппарата.

Из адсорбера адсорбент через разгрузочное приспособление 5 поступает в трубопровод и газом или паром, используемыми для десорбции, увлекается в десорбер 7, в котором десорбция проводится также в кипящем слое. Десорбер снабжен паровой рубашкой 8. Газ после десорбции проходит через теплообменник, где отдает тепло выходящему из адсорбера адсорбенту. Выходящий из десорбера регенерированный адсорбент охлаждается в теплообменнике 4.

На рис. 5 представлена схема устройства адсорбера с кипящим слоем.

 

Рисунок 5 Адсорбер с регулируемой высотой кипящего слоя:

1- корпус адсорбера; 2 - регулятор давления; 3 - трубопровод для подачи регулировочного газа; 4 - вспомогательный бак; 5 – выход непоглощенной части газа; 6 - крышка адсорбера; 7 - труба для подачи адсорбента; 8 - загрузочный бункер; 9 - труба; 10 - труба для подачи исходного газа; 11 - разгрузочная труба

 

Адсорбер имеет специальное приспособление для регулирования высоты кипящего слоя. Этот аппарат состоит из корпуса-резервуара 1, в верхней части которого расположен открытый сверху вспомогательный бак 4. Свежий адсорбент загружается через бункер 8 по трубе 7 в вспомогательный бак. Снизу в вспомогательный бак подведена труба 3. по которой через регулятор 2 нагнетается газ, необходимый для псевдоожижения адсорбента в баке 4. Бак 4 установлен в трубе 9, прикрепленной к крышке адсорбера; открытый конец трубы находится в кипящем слое адсорбента (в резервуаре 1). Псевдоожиженный слой адсорбента из бака 4 по этой трубе переливается в резервуар. Исходная газовая смесь поступает в адсорбер по трубе 10 и создает кипящий слой в резервуаре 1. Скорость газового потока должна быть равна скорости витания ωвит. Освобожденная от поглощаемой части газовая смесь удаляется из адсорбера по трубе 5, а адсорбент, насыщенный поглощаемым газом, осаждается в нижней конической части резервуара и по трубе 11 удаляется из него.

Высота кипящего слоя в резервуаре колеблется в интервале уровней А-В. Подачу газа в бак 4 рассчитывают таким образом, чтобы при достижении уровня А кипящий слой адсорбента переливался через край бака в резервуар в количестве большем, чем уходит по трубе 11. В результате количество адсорбента в резервуаре увеличивается и уровень кипящего слоя в нем повышается. При этом будет возрастать толщина слоя адсорбента, сопротивление которого должен преодолевать газ, подаваемый через трубу 5. Вследствие этого при постоянстве давления этого газа, поддерживаемом регулятором 2, расход его будет соответственно уменьшаться. По достижении кипящим слоем уровня Б расход газа сократится настолько, что подача адсорбента в резервуар прекратится, а это приведет к понижению уровня кипящего слоя в резервуаре. Разность уровней А и Б зависит от чувствительности регулятора и практически может быть доведена до 100 мм и менее.

Опытные данные показывают, что процесс адсорбции в кипящем слое характеризуется теми же закономерностями, что и адсорбция в неподвижном слое. Так, время защитного действия слоя меняется прямо пропорционально высоте кипящего слоя. Коэффициент защитного действия адсорбента зависит от скорости газового потока, начальной концентрации газовой смеси и физико-химических свойств системы.

При адсорбции в кипящем слое можно принимать скорость газового потока в три-четыре раза большей по сравнению со скоростью при адсорбции в неподвижном слое и значительно интенсифицировать процесс адсорбции.

3. Область пименения.

Адсорберы применяют для очистки сточных вод, отработанных трансформаторных масел, очистки газа от радиоактивных аэрозолей на атомных электростанциях, в автотранспорте — для улавливания паров топлива, в нефтяной промышленности адсорбцию применяют для разделения газов.

Адсорбер для очистки стоков в псевдоожиженном (кипящем) слое представляет собой колонну, разделенную перфорированными тарелками на секции. Подача воды осуществляется снизу, отвод — с верхней части колонны через дренажное устройство.

Широкое применение адсорбционные процессы нашли в пищевой промышленности (в которой задействованы процессы брожения):

• при производстве дрожжей;
• для регулирования газового состава овощехранилищ;
• для очистки диффузионного сока при производстве сахара.

Для фильтрования и осветления пива в фильтр-адсорбер помещается целлюлозная масса в виде лепешки.

Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом представляют собой колонны, в которых зернистый адсорбент движется самотеком сверху вниз либо перемещается при помощи специальных транспортных устройств (шнеков, элеваторов).

При проведении адсорбции в кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента гидравлическое давление невелико, что позволяет создавать скорости газового потока большие, чем в неподвижном слое адсорбента. Быстрое выравнивание температуры предотвращает опасность перегрева адсорбента. Но при соприкосновении газового потока с адсорбентом на выходе из кипящего слоя может происходить частичная десорбция поглощенного вещества.

При интенсивном перемешивании в кипящем слое происходит сильное истирание твердых частиц адсорбента, в связи с чем для проведения указанного процесса необходимо применять адсорбенты, обладающие достаточной механической прочностью.

На установках периодического действия процесс, проводимый в адсорбере, складывается из следующих четырех операций или циклов: 
1. поглощение адсорбентом распределенного в газе вещества (собственно адсорбция); 
2. отгонка поглощенного газа из адсорбента при его нагреве водяным паром (десорбция); 
3. сушка адсорбента горячим воздухом; 
4. охлаждение адсорбента холодным воздухом.