Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Аппараты, с помощью которых происходит разделение газообразных и жидких сред поверхностью пористого твердого тела называются адсорберами. Наиболее распространено применение адсорберов для разделения паровых или газовых сред, осушки или очистки газа, а также для улавливания ценных органических веществ из газообразных сред.

Процесс поглощения пара или газа поверхностью адсорбента (твердого вещества) является обратимым и избирательным, так как любой абсорбент поглощает только те вещества из газообразной среды, которые необходимы. Адсорбер способен выделить поглощенное вещество методом обратным адсорбции - десорбцией.

Глава 1. Применение адсорберов в промышленности

Аппараты, с помощью которых происходит разделение газообразных и жидких сред поверхностью пористого твердого тела называются адсорберами. Наиболее распространено применение адсорберов для разделения паровых или газовых сред, осушки или очистки газа, а также для улавливания ценных органических веществ из газообразных сред.

Процесс поглощения пара или газа поверхностью адсорбента (твердого вещества) является обратимым и избирательным, так как любой абсорбент поглощает только те вещества из газообразной среды, которые необходимы. Адсорбер способен выделить поглощенное вещество методом обратным адсорбции - десорбцией.

В роли адсорбентов выступают твердые пористые вещества, самыми распространенными адсорбентами являются силикагель и активированный уголь. В адсорберах поглощающие вещества применяют в виде гранул от 2 до 8 мм, либо в виде пылевых частиц от 50 до 200 мкм. В промышленности применяют адсорберы нескольких типов:

· С неподвижным зернистым адсорбентом.

· С перемещающимся зернистым адсорбентом.

· С кипящим слоем адсорбента.

Первый тип адсорберов имеет конструкцию полых горизонтальных или вертикальных емкостей, с размещенным в них адсорбентом. Работа данного адсорбера заключается в подаче газовой или паровоздушной среды через патрубок во внутреннюю часть корпуса адсорбера для её разделения. Затем газовая среда перемещается через зернистый адсорбент, который уложен слоем на сетке. Адсорбент будет поглощать из газообразной среды только необходимое вещество, а поступившая среда удалится из адсорбера через выхлопной патрубок. Процесс поглощения определенного вещества адсорбентом будет происходить до определенного момента, после чего осуществляют процесс десорбции. Данный процесс заключается в прекращении подачи газообразной среды в адсорбер, затем начинается подача перегретого водяного пара. Его перемещение происходит в направлении обратном движению газовой среды. Смесь пара и извлеченного из газовой среды вещества выводится из адсорбера и поступает на ректификацию в специальную установку или в отстойник. Процессы десорбции и адсорбции длятся одинаковое время, а после процесса десорбции через слой адсорбента пропускают горячий воздух, в результате чего адсорбент просушивается. Горячий воздух перемещается по адсорберу, поступая через паровой патрубок и выходя через патрубок для смеси пара и извлеченного вещества. Затем в адсорбер поступает прохладный воздух, который охлаждает адсорбент до определенной температуры. Перемещается прохладный воздух также как водяной пар. После того, как адсорбент остынет, процесс адсорбции повторяется. В настоящее время адсорбер укомплектован системой устройств, работающие в автоматическом режиме и по заданным временным параметрам переключают процессы адсорбции и десорбции, процессы осушки и охлаждения. Для того, чтобы установка работала беспрерывно и постоянно делила газовую среду, она устраивается из нескольких адсорберов, которые попеременно включаются. На подобных установках после поглощения газовой среды в первом адсорбере подачу газовой среды переключают на следующий адсорбер. В это время в первом адсорбере происходит процесс десорбции, процессы осушки и охлаждения адсорбента. После процесса поглощения во втором адсорбере, газовая среда переключается на следующий аппарат или обратно на первый и так далее.

Адсорберы с перемещающимся слоем адсорбента имеют конструкцию из вертикальных цилиндрических колонн. Принцип работы адсорбера данного типа заключается в следующем: внутри колонны самотеком сверху вниз перемещается зернистый адсорбент, в верхней части колонны осуществляется процесс адсорбции, а в нижней части колонны под действием нагрева происходит процесс десорбции. Вертикальная колонна разбита на несколько участков и входит в установку с транспортными трубопроводами и теплообменниками

Адсорбер с кипящим слоем адсорбента представлен на рисунке. Его конструкция состоит из корпуса (1), в котором размещена распределяющая адсорбент решетка (2). Газовая среда поступает снизу и проходит через абсорбент, приводя его в состояние кипящего слоя. Адсорбент имеет пылеобразную структуру. Адсорбент, непрерывно поступая сверху, устраняется через патрубок (4) на процесс десорбции

Аппараты работают по четырехфазному циклу. На стадии адсорбции очищаемые газы поступают в слой поглотителя, после чего выводятся из аппарата. Затем в слой адсорбента подают парогазовую смесь для десорбции, пары и конденсат отводят, после чего поглотитель сушат и охлаждают. По окончании всех стадий рабочий цикл в аппарате повторяется.

Вертикальные адсорберы применяют на установках малой и средней мощности (производительность до 30 тыс. м³/ч исходной газовой смеси), горизонтальные и кольцевые -- на установках средней и большой мощности (^30 тыс. м³/ч).

С целью интенсификации процесса очистки предложены более совершенные конструкции адсорберов с неподвижным

адсорбер очистка вода адсорбент



На рис. 4.12 показан однокамерный адсорбер кипящего слоя (КС), в котором реализован принцип прямотока фаз, однако из-за интенсивного перемешивания в этом аппарате не удается достичь высоких значений движущей силы процесса массопереноса.

Указанные недостатки в значительной мере можно устранить в многоступенчатых адсорберах, в которых взаимодействие фаз приближается к противоточному. В таком адсорбере газ последовательно проходит через газораспределительные ^^шетки (тарелки), имеющие переточные трубы, по которым ;астицы адсорбента «переливаются» со ступени на ступень противотоком к газу.

Одним из недостатков кипящего слоя является образование пыли из-за интенсивного механического истирания частиц адсорбента, поэтому в некоторых конструкциях адсорберов КС предусмотрена сепарация образующейся пыли.

В таком комбинированном адсорбере имеются тарелки, на которых находится адсорбент в псевдоожиженном состоянии, и камеры с перфорированной конической частью для прохода газа. Внутри камеры поглотитель движется сверху и попадает на тарелку через переток. В камере газ доочищается от извлекаемого компонента, а также из газового потока выделяется пыль, образующаяся при истирании твердых частиц адсорбента.

В других конструкциях контактное устройство представляет собой тарелку в виде усеченного конуса с контактным патрубком, перетоком и сепарационным приспособлением. Адсорбент выходит в пространство контактного патрубка через щель между плоским концом патрубка и конической поверхностью.

Скорость газов в контактном патрубке 10--20 м/с, а в расчете на свободное сечение аппарата 2--4 м/с, что позволяет значительно интенсифицировать процесс.

На рис. 4.13 изображен аппарат, являющийся дальнейшей модификацией адсорбера с инжекционным захватом поглотителя, в котором интенсификация процесса очистки газа достигается введением под тарелку подпитывающего устройства с патрубком 6 для подачи газа.

Весьма перспективны конструкции адсорберов, в которых за счет установки контактных патрубков под углом к вертикали и увеличения числа контактных патрубков в горизонтальной плоскости каждой ступени значительно снижается общая высота газоочистителя и достигается высокая производительность при равномерном распределении твердой фазы по сечению патрубков.

Предложены и другие интенсивные аппараты для адсорбционной очистки газов, среди которых оригинальный адсорбционный аппарат конструкции «Линде пурасив ШР» и высокоскоростной адсорбер с дополнительными контактными устройствами.

При использовании в процессах очистки газов высокоскоростного адсорбера значительно улучшается процесс массообме-.ча в аппарате и на порядок повышается производительность очистки по сравнению с аппаратами кипящего слоя [34].

Аппаратуру для проведения адсорбционной очистки газов рассчитывают в такой последовательности: строят изотерму адсорбции для данного конкретного процесса, определяют скорость газов, расход адсорбента, объемный коэффициент массопередачи, рассчитывают общее число единиц переноса и высоту аппарата.

Основные технологические и конструктивные параметры адсорбера можно рассчитать и другим, более изящным способом: итерационным решением трансцендентных уравнений, описывающих материальный баланс и кинетику поглощения целевого компонента зерном адсорбента [65]. Способ позволяет ввести элементы оптимизации в расчетную процедуру и значительно ускорить ее за счет использования ЭВМ. Подобные подходы представляют особую ценность при расчетах хемосорбционной очистки газов от агрессивных, пожаро- и взрывоопасных ингредиентов.

В [14] представлена процедура расчета технологических и конструкционных параметров многосекционного реактора КС для улавливания тумана серной и фосфорной кислот из отходящих газов.

В качестве критерия оптимизации Т принимают среднее время пребывания частиц сорбента в аппарате Т=хцп. За управляющие параметры можно принять: число секций в аппарате п, рабочую скорость ожижающего агента (газа) w_p и высоту слоя сорбента в секции Н₀. Параметры d₄, у_к, Уко, хо, х„, е обычно задаются условиями проведения процесса, постоянные коэффициенты Во, «ь ^п2, «4 определяют по результатам предварительных исследований кинетики процессов сухой газоочистки.

Задача оптимизации сводится к нахождению п, Но, соответствующих минимуму Т=т₀п при то^ШООО с. Значения Т определяют объем реакционной зоны и затраты энергии на продувку газов через слой сорбента в реакторе. Процедура оптимизации основала на проведении итерационных расчетов для подбора То.

Для того, чтобы определить число секций и высоту слоя поглотителя в каждой секции по заданным параметрам на входе и выходе, последовательно рассчитывают неизвестные параметры от слоя к слою.

Глава 2. Требования безопасности к адсорберам

Адсорбером называется аппарат, который поглощает газ и газовые смеси твердыми поглотителями.

Требования по безопасности к адсорберу во время его эксплуатации и ремонтного обслуживания содержат основные пункты:

Каждый адсорбер, применяемый в составе технологической системы или автономно, должен укомплектовываться эксплуатационной документацией, содержащей правила, которые предотвращают опасные ситуации во время монтажа или демонтажа, при вводе в эксплуатацию и во время эксплуатации.

Адсорбер в течение всего срока эксплуатации должен отвечать предъявляемым требованиям по безопасности.

Если во время работы адсорбера существует нагрузка на детали, которые могут быть причиной разрушения и могут представлять опасность для работающих, то данный аппарат должен быть обустроен специальными устройствами, которые предотвращают разрушительные нагрузки. Помимо этого сборочные единицы и детали должны располагаться и быть огражденными таким образом, чтобы в случае разрушения не травмировать работающих.

Монтаж адсорбера должен проводиться по эксплуатационной документации, и при этом должна быть достигнута требуемая устойчивость, которая не приведет к опрокидыванию аппарата, падению, его наклону или смещению во время эксплуатации.

Детали и отдельные элементы адсорбера не должны быть с острыми углами, заусенцами, кромками, с неровными поверхностями, которые могут представлять травмоопасность для работающих.

Арматура адсорберов (трубопроводы, предохранительный клапан адсорбера, и т.п.), которая предоставляет опасность, должна быть защищена ограждениями и располагаться так, чтобы работающие или средства технического обслуживания не могли их случайно повредить.

Адсорбер в условиях эксплуатации должен быть взрывобезопасным и пожаробезопасным.

Адсорберы не должны быть источником вибрации и шума.

В процессе эксплуатации адсорбера выброс вредных веществ в рабочей зоне и в природную среду не должен превышать допустимых значений, указанных в ГОСТе 12.1.005 и ГОСТе 17.2.3.02.

Конструкция адсорбера не должна накапливать заряд статического электричества, который может привести к пожару, взрыву и представлять опасность для работающего.

Адсорбер, который предназначается для работы с взрывоопасной газовой средой, должен быть оснащен устройствами, которые способны отвести направленную взрывную волну.

Температура наружной теплоизоляционной оболочки в месте обслуживания не должна превышать 45 °С. Конструкция адсорбера должна быть выполнена таким образом, чтобы не допускать соприкосновения с её горячими частями работающего. Если исключить соприкосновения невозможно по условиям эксплуатации, то в сопроводительной документации должно быть указано применение средств индивидуальной защиты.

Рабочее место адсорбера должно быть оснащено средствами пожаротушения. Размеры и конструкция рабочего места должны обеспечивать безопасность при эксплуатации, ремонте, уборке, техническом обслуживании адсорбера. Если конструкция адсорбера необходима выше уровня пола, то аппарат должен быть оснащен необходимыми лестницами, площадками, которые обеспечивают безопасность работающего во время трудовых операций или ремонтных работ.

Адсорбер должен быть оснащен блокирующим и сигнализирующим устройством, которые срабатывают, если происходит нарушение технологического режима работы.

Обслуживающий персонал адсорбера должен иметь специальную подготовку по работе с данным оборудованием и его обслуживанием.

Отключение адсорбера по причинам, не предусмотренным технологическим процессом, не должно происходить.

Включение, эксплуатация, ремонтные работы адсорбера должны происходить по инструкции безопасности, действующей на промышленном объекте.

ГЛАВА 3. ВЫБОР АДСОРБЕНТА И АДСОРБЕРА, РАСЧЕТ АППАРАТА

Адсорбенты - твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью (до 1000 м²/г) за счет высокой пористости.

Наиболее распространенные адсорбенты - активные (активированные) угли разных марок. Активные угли представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, определяет своеобразную пористую структуру активных углей, а также их адсорбционные и физико-механические свойства. Пористая структура активных углей характеризуется наличием развитой системы пор, которые классифицируются по размерам следующим образом

- микропоры - с размером до20 ,

- мезопоры - с размером 20-500 ,

- макропоры - с размером более 500 (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения активированного угля и поглощения им загрязнений

Микропоры - наиболее мелкая разновидность пор, соизмеримая с размерами адсорбируемых молекул. Удельная площадь поверхности микропор достигает 800 - 1000 м²/г.

Мезопоры - поры, для которых характерно послойное заполнение поверхности адсорбируемыми молекулами, завершающееся их наполнением по механизму капиллярной конденсации. Удельная площадь поверхности мезопор достигает 100 - 200 м²/г.

Макропоры - самая крупная разновидность пор, удельная площадь поверхности которых обычно не превышает 0,2 - 0,5 м²/г. Макропоры в процессе сорбции не заполняются, но выполняют роль транспортных каналов для доставки вещества к поверхности адсорбирующих его пор.

Адсорбционные свойства активных углей оцениваются количеством стандартного вещества, сорбированного единицей массы угля при определенных условиях, а также временем защитного действия единицы объема угля до полного его насыщения.

В основном адсорбционные свойства углей определяются микропорами, составляющими до 90% всей поверхности активного угля. На ней и протекают процессы адсорбции, в основе которых лежит взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов углерода с молекулами сорбируемых веществ. Лучше сорбируются вещества в молекулярной форме, хуже -- в ионной. Способность органических веществ к сорбции возрастает в ряду

гликоли < спирты < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < недиссоциированные кислоты < ароматические соединения.

Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы и температуры.

Для оценки качества зерненых активных углей, используемых в качестве загрузки в различные типы адсорберов, важное значение имеют физико-механические характеристики, такие как: фракционный состав (зернение), насыпная плотность, механическая прочность.

По форме и размеру частиц активные угли могут быть порошкообразными, зернеными (дроблеными и гранулированными), а также волокнистыми. Порошкообразные имеют размер частиц менее 0,1 мм, зерненые - от 0,5 до 5 мм, волокнистые - диаметр менее 0,1 мм, а длину несколько сантиметров.

Порошкообразные активные угли используют для очистки воды однократно на городских станциях водоподготовки, вводя их во время или после коагуляции.

Зерненые угли применяются для очистки воды фильтрации в аппаратах со сплошным слоем сорбента типа механического фильтра. В зависимости от типа угли могут регенерироваться острым паром и реагентами. Однако из-за сложности организации такого процесса, больших потерь угля и невозможности полной его регенерации (только на 40-70%) обычно уголь используют однократно.

Волокнистые активные угли имеют наибольшую эффективную площадь поверхности и могут применяться в фильтрах специальной конструкции. Они нашли широкое применение в бытовых фильтрах.

Активные угли изготавливают на древесной и каменноугольной основах, а также из полимерных волокон. Процесс их производства заключается в пиролизе материала основы, т. е. его высокотемпературной обработке без доступа воздуха. Активные угли из древесного сырья затем дополнительно активируются обработкой острым паром.

Древесные угли характеризуются высокой удельной площадью (до 1,8-2,0 см³/г), широким распределением пор по размерам, и, как следствие, высокой емкостью. Однако они имеют низкую механическую прочность и удельную массу. В системах водоподготовки применяются, как правило, в бытовых и малогабаритных промышленных фильтрах.

Угли на каменноугольной основе имеют значительно лучшие гидравлические и механические характеристики, что позволяет применять их в сорберах с неподвижным и движущимся слоем любых габаритов.

Особую группу представляют новые для нашего рынка импортные активные угли, изготовленные из скорлупы кокосового ореха, например, угли 207С фирмы Sutcliffe Carbons. В них сочетаются высокая прочность, стабильный оптимальный гранулометрический состав и высокая емкость.

При адсорбции из растворов извлекаются в основном молекулы органических веществ, а также коллоидные частицы и микровзвеси. Хорошо сорбируются фенолы, полициклические ароматические углеводороды, нефтепродукты, хлор- и фосфорорганические соединения. Активные угли также используются как катализаторы разложения находящихся в воде активного хлора и озона. Эти процессы могут совмещаться с сорбцией органических веществ, повышая ее эффективность.

Соли, находящиеся в ионном виде, практически не извлекаются.

Принципиальные схемы адсорбционных процессов показаны на рисунке 2. При применении зернистого адсорбента используют схемы с неподвижным (а) и с движущимся адсорбентом (б). В первом случае процесс проводят периодически. Вначале через адсорбент L пропускают парогазовую смесь G и насыщают его поглощаемым веществом; после этого пропускают вытесняющее вещество. В или нагревают адсорбент, осуществляя таким образом десорбцию (регенерацию адсорбента). Во втором случае (рисунок 2, б) адсорбент L циркулирует в замкнутой системе; насыщение его происходит в верхней - адсорбционной - зоне аппарата, а регенерация в нижней - десорбционной. При применении пылевидного адсорбента используют схему с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом (рисунок 2, в).

Рис. 2. Принципиальные схемы адсорбционных процессов:

а - с неподвижным зернистым адсорбентом; б - с движущимся зернистым адсорбентом; в - с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом.

Адсорберы с неподвижным адсорбентом.

Эти аппараты весьма просты по устройству. В большинстве случаев в качестве адсорберов используют цилиндрические вертикальные или горизонтальные емкости, заполненные адсорбентом.

Примером адсорберов этого типа может служить аппарат, изображенный на рис. 3. Он представляет собой цилиндрическую вертикальную емкость 1. В нижней части аппарата имеется распределительная решетка 3, на которой размещается адсорбент 2. Исходная смесь вводится через трубу, проходит через слой адсорбента и уходит из аппарата через патрубок. Вытесняющее вещество вводится в аппарат через перфорированную трубу 4 и отводится также через патрубок. Люки 5 и 6 служат для загрузки и выгрузки адсорбента.

Во многих случаях, когда адсорбция проводится из жидкой фазы, в качестве адсорберов используется обычная фильтровальная аппаратура.

Рис. 3. Вертикальный адсорбер с неподвижным зернистым адсорбентом:

1- корпус; 2 - зернистый адсорбент; 3 - распределительная решетка; 4 - перфорированная труба; 5,6 - люки.

Теория процесса и методика расчета адсорберов.

Независимо от природы сорбционных сил процесс сорбции может быть охарактеризован следующими параметрами: количество вещества, адсорбированное единицей массы или объема сорбента при достижении равновесия зависит от концентрации и температуры вещества в растворе

(1)

Вид зависимости при t=const называется изотермой адсорбции и определяется опытным путем. Чаще всего она имеет вид уравнения Ленгмюра\

где в и а - константы.

Характер изотермы сорбции зависит от природы взаимодействия между адсорбентом и адсорбтивом, от температуры, от структуры адсорбента и т.д.

При молекулярной адсорбции - это дисперсионные силы, обусловленные ориентацией мгновенных дипольных моментов сближающихся молекул, т.е. поляризационными эффектами. Наилучшим адсорбентом в этом случае является активированный уголь. Очень влиятельным параметром является температура, с повышением которой равновесие сдвигается в сторону десорбции. На этом основан процесс регенерации активированных углей.

Для селективного выделения из смеси веществ какого-то одного сорбент должен обладать его преимущественным поглощением. Если в растворе есть компоненты А и В, то по каждому из них можно выразить коэффициент избирательности К_И:

где х_А и у_А - доли компонента А в растворе и в сорбенте соответственно. Если К_И=1, избирательности нет. Если для А =20, а =0,1 сорбент очень хорошо разделит эти компоненты.

На практике адсорбцию проводят в колонных аппаратах с постоянным выводом прореагировавшей жидкости. Такой динамический метод повышает емкость сорбента и увеличивает разделяющую способность.

Первое преимущество легко иллюстрировать на изотерме адсорбции (рис. 4). Если какое-то количество находится в растворе с концентрацией с₁, то после адсорбции его в растворе останется c₂. В этом случае равновесная емкость будет m₂.

Рис. 4. Типичный вид изотермы сорбции

В динамическом режиме концентрация раствора, контактирующего с сорбентом, будет постоянно с₁ и емкость его - m₁. Лишь вблизи фронта адсорбции концентрация резко падает почти до нуля. По мере пропускания раствора через колонну фронт адсорбции сдвигается вниз, оставляя за собой полностью насыщенный соответственно концентрации с₀ сорбент (рис.5).

Когда фронт приблизится к концу колонны, концентрация веществ на выходе начинает возрастать до с₀. Эта зависимость называется кривой проскока.



Рис. 5. Изменение фронта адсорбции от времени.

Средняя концентрация адсорбтива во всем слое адсорбента данной длины, достигнутая к моменту «проскока» адсорбтива, получила условное название динамической активности слоя адсорбента. Эта величина, характеризующая емкость адсорбента в динамических условиях, может измеряться не только количеством поглощенного вещества, но и промежутком времени, протекшим от начала поглощения до момента «проскока»; она часто используется в практике расчетов процессов адсорбции.

Участок слоя адсорбента длиной l₀ (см. рис. 6), на котором происходит падение концентрации адсорбтива в потоке от начальной до нулевой (точнее, до концентрации, соответствующей началу «проскока»), называют работающим слоем, или зоной массопередачи.

Время от начала подачи раствора до момента проскока называется временем защитного действия. Это время можно определить по формуле

(2)

где l_К - длина слоя; u - скорость движения фронта адсорбции; - потеря времени защитного действия слоя, обусловленная тем, что формирование фронта происходит не мгновенно.

Зависимость от длины слоя изображается графически плавной кривой в период формирования фронта, и прямой линией в период параллельного переноса фронта. Величины, входящие в уравнение, могут быть найдены из графика, построенного по опытным данным (рис. 6).

Рис.6. Зависимость времени защитного действия от длины слоя поглотителя

Методика расчета адсорберов.

Цель расчета - определение основных размеров адсорбера (диаметра и высоты слоя сорбента), продолжительности стадий адсорбции и регенерации, числа адсорберов, при котором может быть обеспечена циклично-непрерывная работа всей установки.

Исходными параметрами для технологического расчета адсорберов служат:

- расход и состав исходной смеси;

- свойства сорбента;

- условия, при которых должны протекать стадии адсорбции и регенерации;

- предельно допустимая концентрация в очищенном потоке (концентрация проскока).

Диаметр адсорбера.

Поперечное сечение адсорбера и, следовательно, его диаметр при проектировании аппарата цилиндрической формы определяются выбором фиктивной скорости газа или жидкости. Верхним пределом скорости является скорость начала псевдоожижения частиц сорбента. С увеличением скорости растет коэффициент массопередачи и увеличивается гидравлическое сопротивление. Допустимую фиктивную скорость можно рассчитать по формуле, полученной на основе технико-экономического анализа работы адсорберов

(3)

где d_э - эквивалентный диаметр гранулы сорбента, м; _нас - насыпная плотность сорбента, кг/м³; _y - плотность жидкости (газа), кг/м³.

Рабочую скорость потока в адсорбере обычно принимают на 25% меньше допустимой.

Диаметр аппарата

(4)

Высота слоя адсорбента.

Продолжительность T полного цикла в адсорбере с неподвижным слоем адсорбента (как и в любом адсорбере периодического действия) складывается из времени собственно адсорбции , времени десорбции , в течение которого через адсорбент продувают вытесняющий агент, и времени сушки и охлаждения адсорбента . Величины и устанавливают опытным путем, а их сумма составляет продолжительность вспомогательных операций. Таким образом

(5)

Для проведения адсорбции непрерывным способом применяют установки, состоящие из нескольких адсорберов периодического действия, в которых попеременно происходят адсорбция и вспомогательные операции (десорбция и сушка). Число адсорберов должно быть не менее двух. Для работы таких установок необходимо соблюдение условия

(6)

Приближенно продолжительность собственно процесса адсорбции можно определить исходя из средней емкости адсорбента

(7)

где L_сл - масса адсорбента в слое; щ₀ - фиктивная скорость смеси, м/с; S - площадь сечения адсорбера, м²; с_см - плотность смеси, кг/м³; с₁ и с₂ - начальная и конечная концентрации адсорбтива в смеси.

Высота слоя адсорбента определяется из уравнения 2

(8)

где u - скорость движения фронта адсорбции; - потеря времени защитного действия.

Скорость движения фронта адсорбции u определяется по уравнению:

(9)

где с₁ - начальная концентрация вещества в исходном потоке; m - равновесная емкость сорбента; - порозность слоя сорбента.

Потерю времени защитного действия можно найти по следующей приближенной зависимости:

Глава 4. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ

Рекуперационные адсорберы типа АВКФп

Предназначены для очистки газовых выбросов от органических веществ с последующей рекуперацией углеводородов и производных на их основе из паровоздушной смеси (ПВС). Применяются на предприятиях химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности.

Адсорберы по условиям десорбции могут быть несекционированными (АВКФп 10, АВКФп 20, АВКФп 40 - исполнений 0,4У, 0,4К, 0,63У и 0.63К) и секционированными (АВКФп 40 - исполнений 0,4У-01 0,63У-01; АВКФп 80 - исполнений 0,4У и 0,4К).

Адсорбер представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из корпуса, размещенных внутри кольцевых решеток, узлов для загрузки и выгрузки адсорбента, раздающего и собирающего коллекторов для неочищенного и очищенного газов.

Кольцевая решетка представляет собой каркас с прикрепленными к нему двумя слоями сетки, образуя корзину для загрузки адсорбента. Пространство, ограниченное кольцевой решеткой меньшего диаметра, является центральным раздающим каналом. Пространство между стенкой корпуса и кольцевой решеткой большого диаметра является собирающим кольцевым каналом.

Для удобства монтажа и демонтажа кольцевые решетки по высоте разделены на одинаковые участки, соединенные между собой с помощью безболтового самоуплотняющегося разъемного соединения.

Для снижения максимального расхода пара при десорбции в секционированных адсорберах слой адсорбента с помощью перегородки разделен по высоте на равные секции.

Неочищенные газовые выбросы через раздающий коллектор поступают в раздающий канал и проходят через слой адсорбента, адсорбирующего органические примеси из газового потока. Очищенный газ поступает в собирающий кольцевой канал и через собирающий коллектор выбрасывается в атмосферный воздух.

Десорбция органических веществ из адсорбента осуществляется острым водяным паром, подаваемым через штуцер и собирающий кольцевой канал в слой адсорбента. Смесь десорбированных органических веществ и воды выводится из нижней части адсорбера; она может быть обезврежена или подвергнута дальнейшей обработке с целью рекуперации органических веществ, которые используются повторно. После окончания стадии десорбции осуществляется сушка адсорбента подогретым атмосферным воздухом с температурой от 60 до 100 °С и охлаждение атмосферным воздухом. По условиям технологии процесса очистки газов стадии сушки и охлаждения могут быть исключены.

Основные параметры

Температура, ⁰С, не более:

очищаемых газов 50

пара при десорбции 140

Массовая концентрация:

паров органических веществ на входе в адсорбер, г/м³:

минимальная 0,2

максимальная, не более 25 % от нижнего предела взрывоопасности

пыли, мг/м³, не более 5

Давление, кПа, не более:

при адсорбции 50

при десорбции 500

Степень очистки, %, не менее 98 (при четырехфазном цикле)

Вид климатического исполнения адсорбера - У1 по ГОСТ 15150-69 при средней температуре самой холодной пятидневки не ниже минус 40 °С. Адсорбер предназначен для установки в помещениях категорий В, Г и Д по СНиП2.09.02-85, зона класса В-1г по ПУЭ-86.

Материал основных узлов: корпус и собирающий коллектор (для адсорберов всех исполнений), каркас корзины, сетка корзины, не соприкасающаяся с адсорбентом, раздающий коллектор (исполнение У) - сталь Ст.3сп5; сетка корзины, соприкасающаяся со слоем адсорбента (для адсорберов всех исполнений), сетка корзины, не соприкасающаяся с адсорбентом (исполнение К) - сталь 12Х18Н10Т; каркас корзины, раздающий коллектор (исполнение К) - сталь 08Х22Н6Т.

Рекуперационный адсорберы типа АВКФп

Адсорбция используется для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках. Ее применяют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, ПАВ, красителей, ароматических нитросоединений, пестицидов и других органических соединений. Адсорбция эффективна для извлечения ценных продуктов с целью их регенерации, для удаления токсичных веществ, препятствующих биологической очистке, для глубокой очистки сточных вод, используемых в системах оборотного водоснабжения.

Эффективность адсорбцонной очистки достигает 80-90 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в водном растворе.

Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы расширенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности, при этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами поверхности сорбента и с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил и определяет возможность удерживания вещества на поверхности сорбента.

В качестве сорбентов могут служить различные искусственные и природные пористые материалы, прежде всего активированые угли различных марок, силикагели, зола, шлак, торф и др. Минеральные сорбенты глины, силикагели, алюмогели, гидроксилы используются мало, т.к. энергия взаимодействия их с молекулами золы велика, нередко превышает энергию адсорбции.

Наиболее универсальными сорбентами являются активные угли.

В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: перенос вещества из сточной воды к поверхности адсорбента (внешнедиффузионная область), перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область), собственно адсорбционный процесс.

Процесс сорбции может осуществляться в стaтических или динамических условиях. При статической адсорбции жидкость не перемещается относительно частицы сорбента, а движется вместе с последней. При этом проводят интенсивное пермешивание, используя активный уголь с размерами частиц 0,1 мм и менее, в одну или несколько ступеней. Статическая одноступенчатая используется, когда адсорбент дешев или является отходом производства.

Более эффективно процесс протекает при использовании многоступенчатых установок, осуществляемых в прямоточном и противоточном вариантах.

Схема прямоточной установки с последовательным введением сорбента приведена на рисунке 40 а

Рисунок 40 - Схемы адсорбционных установок

а - с последовательным введением сорбента;

б - с противоточным введением сорбента;

в - непрерывного действия;

1 - смеситель; 2 - отстойник; 3 - усреднитель; 4 - насос;

5 - фильтр; 6 - адсорбционные колонны; 7 - емкость

В противоточной схеме адсорбент вводят однократно в последнюю ступень и он движется навстречу воде.

Наибольшее практическое применение до настоящего времени получили установки полупериодического действия (непрерывного по воде и периодического по углю), в которых осуществляется процесс адсорбции в динамических условиях. Вода фильтруется через слой сорбента со скоростью от 2 - 4 до 12 м/ч, двигаясь снизу вверх. Размеры частиц адсорбента 0,8-5 мм, его слои отрабатываются постепенно. В одной колонне процесс ведут до проскока, затем адсорбент выгружают на регенерацию. При непрерывной организации процесса используют несколько колонн (рисунок 40 в), в такой схеме две колонны работают последовательно, третья находится на регенерации.

По мере насыщения адсорбента первый по ходу движения воды адсорбер отключается на регенерацию, а прошедший регенерацию включается последним по ходу движения воды.

При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергированных взвешенных частиц, заиливающих сорбенты, а также в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженым слоем сорбента. При этом размеры частиц активированного угля составляют 0,25-1 мм, а скорость потока воды - 10-20 м/ч.

Гидравлическое сопротивление в кипящем слое по сравнению с неподвижным меньше, а скорость массообмена выше в результате использования более метких частиц адсорбента.

Если из колонны с неподвижным слоем сорбента отводить отработанной, или так называемый, «мертвый» слой и одновременно вводить в нее такое же количество свежего сорбента, то колонна будет работать непрерывно. Это установки с движущимся слоем адсорбента, когда процесс адсорбции и регенерации адсорбента идет непрерывно, что позволяет значительно интенсифицировать процесс очистки.

Наиболее просты по аппаратурному оформлению аппараты с неподвижным слоем сорбента - сорбционные фильтры (колонны). Различают горизонтальные и вертикальные фильтры, последние могут быть кольцевыми. Вода в таких аппаратах движется снизу вверх, заполняя все сечение. В них осуществляется собственно адсорбция, десорбция (чаще всего водяным паром) и охлаждение.

В установках с движущимся слоем адсорбента снизу вверх идет очищаемая вода, сверху вниз под действием силы тяжести - адсорбент. При этом колонна делится на несколько зон: адсорбционную, ректификационную, десорбционную. В адсорбционной зоне сточная вода взаимодействует со слоем активного угля, при этом поглощаемые компоненты извлекаются, а очищенная вода отводится из установки. В ректификационной и десорбциоионной зонах происходит соответственно выделение поглощенных компонентов и регенерация адсорбента.

Установки с псевдоожиженным слоем могут быть периодического и непрерывного действия. В промышленности обычно применяются непрерывно действующие многокамерные адсорберы с кипящим слоем.

Простейший однокамерный адсорбер представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, в котором жидкость движется снизу вверх, поддерживая, слой адсорбента во взвешенном состоянии. Очищенная вода уделяется через циклонное устройство, служащее для выделения из жидкости захваченных ею мелких частиц адсорбента.

Схемы адсорберов непрерывного действия с кипящим слоем адсорбента приведены на рисунке 41.

Рисунок 41 - Схемы адсорберов непрерывного действия с кипящим слоем адсорбента

а-цилиндрический одноярусный; б-многоступенчатый 1 - корпус аппарата; 2 - решетка; 3 - отстойная зона; 4 - сборник отработанного сорбента; 5 - тарелки

Активированный уголь подается в адсорбера в виде 15 - 20 % суспензии с водой, в одноярусном адсорбере под решетку, в многоступенчатом - на тарелки. Ступени (ярусы) соединены между собой переточными коническими трубками, по которым избыток угля с вышележащего яруса перетекает на нижележащий. Отработанный уголь отводится на регенерацию, которая осуществляется в отдельном аппарате. Применяют деструктивные и регенеративные методы регенерации. К первым относятся термические и химические окислительный методы, ко вторым - десорбция насыщенным или перегретым водяным паром, нагретым инертным газом, экстракция органическими растворителями. Разрабатываются биологические методы регенерации углей.

Чаще всего для десорбции активных углей применяют насыщенный или перегретый водяной пар; с температурой 200-300°С при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа. После десорбции пары конденсируются и вещество извлекается из конденсата, объем которого составляет 5 -7,5 % объема сточных вод.

При использовании воздуха или инертных газов их нагревает до температуры 120 -140°С и пропускают через насыщенный летучими соединениями активный уголь с последующим резким охлаждением газа в теплообменнике. Сконденсированный продукт направляют на утилизацию, а десорбирующий газ вновь используют для очистки активированного угля.

Глава 5. СОВРЕМЕННЫЙ АДСОРБЕР ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Изобретение относится к адсорберам для очистки промышленных сточных вод. Адсорбер содержит корпус с доской, в которой выполнены проходные отверстия. К доске через уплотнительную прокладку присоединен щелевой колпачок, выполненный в виде резьбового пальца и установленным на нем пакетом колец с верхним фланцем. Кольца в пакете жестко соединены между собой с зазором S посредством резьбового пальца, соединяющего их с доской корпуса через верхний фланец. Внутренняя и наружная поверхности колец выполнены цилиндрическими, а боковые поверхности - коническими с одинаковым углом конусности. Требуемый зазор между кольцами обеспечивается не менее тремя ограничительными элементами, закрепленными на боковых конических поверхностях колец таким образом, что наружные поверхности ограничительных элементов не выходят за габаритные размеры внутренней и наружной поверхностей колец. Изобретение позволяет повысить эффективность и надежность работы адсорбера.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является адсорбер для очистки промышленных сточных вод, содержащий корпус с доской, в которой выполнены проходные отверстия и к которой через уплотнительную прокладку присоединен щелевой колпачок, выполненный в виде резьбового пальца и установленным на нем пакетом колец с верхним фланцем, причем кольца жестко соединены одно с другим и с фланцем, а внутренняя и наружная поверхности колец выполнены цилиндрическими, а боковые поверхности - коническими с одинаковым углом конусности, причем кольца и фланец соединены точечной сваркой по а.с. СССР №1517985, В 01 D 53/02 от 15.12.86.

Недостатком известного устройства является сравнительно невысокое качество очистки воды за счет отсутствия фильтра, предотвращающего попадания частиц сорбента в выходные отверстия, а также малая надежность соединения колец в пакете за счет коррозии мест сварки и разъединения колец в пакете.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности работы адсорбера.

Это достигается тем, что в адсорбере для очистки промышленных сточных вод, содержащем корпус с доской, в которой выполнены проходные отверстия и к которой через уплотнительную прокладку присоединен щелевой колпачок, выполненный в виде резьбового пальца и установленным на нем пакетом колец с верхним фланцем, причем кольца жестко соединены одно с другим и с фланцем, а внутренняя и наружная поверхности колец выполнены цилиндрическими, а боковые поверхности - коническими с одинаковым углом конусности, причем кольца и фланец соединены между собой, кольца в пакете соединены между собой с зазором S посредством резьбового пальца, соединяющего их с доской корпуса через верхний фланец, а требуемый зазор между кольцами обеспечивается не менее тремя ограничительными элементами, закрепленными на боковых конических поверхностях колец таким образом, что наружные поверхности ограничительных элементов не выходят за габаритные размеры внутренней и наружной поверхностей колец.

На фиг.1 представлен общий вид устройства; на фиг.2 - вариант выполнения фильтра; на фиг.3-6 - варианты крепления колец в пакете.

Адсорбер для очистки промышленных сточных вод содержит корпус с доской 8, в которой выполнены проходные отверстия 12 и к которой через уплотнительную прокладку 9 присоединен щелевой колпачок, выполненный в виде резьбового пальца 2 и установленным на нем пакетом 6 колец с верхним фланцем 4, причем кольца 1 жестко соединены одно с другим и с фланцем, а внутренняя и наружная поверхности колец выполнены цилиндрическими, а боковые поверхности - коническими с одинаковым углом конусности. Кольца в пакете соединены между собой с зазором 7 посредством резьбового пальца 2, соединяющего их с доской корпуса через верхний фланец 4, а требуемый зазор между кольцами обеспечивается не менее тремя ограничительными элементами 5, закрепленными на боковых конических поверхностях колец 1 таким образом, что наружные поверхности ограничительных элементов не выходят за габаритные размеры внутренней и наружной поверхностей колец.

Щелевой колпачок адсорбера состоит из пакета колец 1, установленных на резьбовом пальце 2, на котором размещен резьбовой фиксатор 3 и фланец 4. Кольца 1 соединены одно с другим и с фланцем 4 не менее тремя ограничительными элементами 5, причем конические боковые поверхности колец образуют строго одинаковые щели 7.

Кольца 1 могут быть выполнены из трубы соответствующего размера. Толщина b колец 2-6 мм, высота h наружной или внутренней цилиндрической поверхности колец 3-10 мм. Количество колец выбирается в пределах 4-20 штук в зависимости от заданной пропускной способности. Выполнение колец 1 из трубы снижает трудоемкость процесса изготовления и повышает коэффициент использования металла. Угол конусности следует выбирать в пределах 30-90°. Кольца 1, фланец 4, палец 2 и фиксатор 3 выполнены из термо-коррозионностойкого материала, например титана, что позволяет осуществить технологический процесс в агрессивной среде и при больших перепадах температур.

Размер S щели 7 выдерживается установкой ограничительных элементов 5.

Щелевые колпачки предложенной конструкции устанавливаются в необходимом количестве на разделительной доске 8 адсорбера через фторопластовые прокладки 9 и шайбы 10, обеспечивающие необходимые плотность и жесткость соединения, после чего закрепляются в таком положении фиксатором 3. Кроме того, щелевой колпачок может быть закреплен в разделительной доске 8 без фиксатора 3, при этом в доске выполняется резьбовое отверстие, соответствующее резьбовому концу пальца (фиг.2).

Возможен вариант, когда пакет 6 колец 1 выполнен с чередующимися кольцами, одни из которых выполнены без ограничительных элементов, а на других кольцах ограничительные элементы 5 закреплены на одной боковой конической поверхности ближе к наружной цилиндрической поверхности кольца, а на другой боковой конической поверхности - ближе к внутренней цилиндрической поверхности кольца (фиг.4).

Возможен вариант, когда ограничительные элементы 5 выполнены в виде цилиндрических штифтов, одна из торцевых поверхностей которых контактирует с боковой конической поверхностью соседнего кольца 1 в пакете 6, а другая - с поверхностью отверстия, выполненного в боковой конической поверхностью кольца (фиг.6). Ограничительные элементы 5 могут быть выполнены в виде цилиндрических штифтов, одна из торцевых поверхностей которых, контактирующая с боковой конической поверхностью соседнего кольца, выполнена со скосом, причем угол скоса равен углу конусности, а другая торцевая поверхность штифта контактирует с поверхностью отверстия, выполненного в боковой конической поверхностью кольца (фиг.5).

Возможен вариант, когда ограничительные элементы 5 выполнены в виде двухступенчатых цилиндрических штифтов, торцевые поверхности одной из ступеней которых, контактирующие с боковой конической поверхностью колец, выполнены со скосом, причем угол скоса равен углу конусности, а другая ступень штифта контактирует с поверхностью отверстия, выполненного в боковой конической поверхностью кольца (фиг.3). Возможен вариант, когда ограничительные элементы 5 выполнены в виде сегментных элементов, одна из поверхностей которых является продолжением цилиндрической поверхности кольца (фиг.4).

Между опорной поверхностью доски 8 и поверхностью уплотнительной прокладки 9 расположен фильтрующий элемент 13, перекрывающий своей поверхностью живое сечение проходных отверстий 12 в доске 8. Возможен вариант, когда фильтрующий элемент 13 выполнен в виде цилиндрического кольца с боковыми поверхностями, совпадающими с боковой поверхностью уплотнительной прокладки 9. Возможен вариант, когда фильтрующий элемент 13 выполнен в виде вогнутых криволинейных поверхностей, расположенных в проходных отверстиях 12 доски 8. Возможен вариант, когда фильтрующий элемент 13 выполнен в виде выпуклых криволинейных поверхностей, расположенных в проходных отверстиях 12 доски 8.

Сопротивление материала фильтрующего элемента 13 должно быть больше сопротивления засыпки сорбента 11 в пакете 6 колец 1.

Устройство работает следующим образом.

В адсорбер на разделительную доску 8 с щелевыми колпачками загружают зернистую загрузку 11 необходимой фракции. Фильтруемая жидкость (рассол хлорорганических производств, сточные воды и органические жидкости, загрязненные примесями и т.д.), поступая в адсорбер, проходит зернистую загрузку 11 и через щели 7 направляется в полости фильтрующих элементов и далее через отверстия 12 разделительной доски 8 подается на выход из колонны в последующие адсорберы на использование или на нейтрализацию.

При регенерации (промывке) фильтрующих элементов технически чистую воду подают через отверстия 12 разделительной доски в полость 11 фильтрующих элементов под необходимым давлением, откуда она через щели равномерно распределяется по объему зернистой загрузки и взрыхляет последнюю. При этом забитые щели 7 или их участки при прохождении жидкости промываются от уплотненных пылевидных частиц.

Размещено на Allbest.ru