Осушка газа адсорбцией

Адсорбция - это объемное поглощение газов и паров поверхностью твердого тела (адсорбен­том) с образованием обновленной поверхности.

Процесс обратный адсорбции называется де­сорбцией.

Различают физическую, химическую и так называемую промежуточную адсорбцию. Физи­ческая адсорбция связана, как правило, с Вандер-Ваальсовыми силами, удерживающими мо­лекулы газов и паров у поверхности твердого те­ла и не сопровождается химическим взаимодей­ствием между поглощаемым компонентом и по­глотителем. Энергия взаимодействия в этом случае не превышает нескольких десятков кДж/ моль поглощаемого вещества.

Химическая адсорбция (хемосорбция) связана с протеканием определенных поверхностных хи­мических реакций между поглощаемым вещест­вом и адсорбентом и для своего осуществления требуют преодоления определенного активационного барьера. Энергия взаимодействия, в этом случае, достигает нескольких сотен кДж/модь поглощаемого вещества. Наконец, промежуточ­ная адсорбция связана с образованием между мо­лекулами поглощаемого вещества и поверхностью адсорбента слабых координационных связей (например, водородных) с промежуточными зна­чениями энергии взаимодействия.

При физической адсорбции поглощающая способность адсорбента (разумеется, при дости­жении равновесия) определяется температурой, давлением, концентрацией поглощаемого компонента и удельной поверхностью поглотителя.

- чем выше температура, тем меньше погло­щающая способность адсорбента, т.е. физическая адсорбция экзотермична.

-с ростом давления, наоборот, поглощающая способность адсорбента нарастает (разумеется, речь идет о парциальном давлении поглощаемого компонента).

- влияние концентрации поглощаемого ком­понента и удельной поверхности адсорбента ана­логичны влиянию давления.

При химической адсорбции поглощающая способность адсорбента (при достижении равно­весия), как и при абсорбции, целиком определя­ется константой равновесия конкретной химичес­кой реакции, которая, как известно, подчиняется принципу Ля-Шателъе.

Существует множество технологических приемов проведения адсорбционных процессов. Наибольшее распространение получили циклические (переодические) установки с неподвижным слоем адсорбента, основной узел которых - один или несколько адсорберов, выполненных в виде полых колонн, заполненных гранулированным адсорбентом. Газовый поток, содержащий адсор­бируемые компоненты, пропускается через слой адсорбента до проскока. После этого, адсорбент в адсорбере регенерируют, а газовый поток нап­равляют в другой адсорбер. Регенерацию прово­дят нагреванием, сбросом давления, вытеснени­ем или комбинацией этих методов. Так как вре­мя адсорбции и регенерации не совпадает, то по­дбирают такое число одновременно работающих и регенерируемых адсорберов, чтобы в целом процесс шел непрерывно. При этом. возможно 2 варианта: 1 - целевой продукт адсорбируется и может быть выделен только при регенерации. 2-адсорбируются нецелевые компоненты. В этом случае, целевой продукт получают непосредстве­нно при адсорбции.

Менее распространены установки с движущимся слоем адсорбента. Последний под действием силы тяжести медленно опускается по адсорберу, выводится из его нижней части и попадает в так называемый эрлифт, представляющий собой вер­тикальную трубу, параллельную адсорбционной колонне. По этой трубе снизу вверх движется по­ток воздуха, который поднимает зерна адсорбен­та в верхнюю часть колонны. Перерабатываемый

газовый поток поступает в среднюю часть адсор­бера и движется вверх противотоком к адсорбен­ту. В верхней части колонны непрерывно проис­ходит адсорбция, в нижней - регенерация. Возможна и другая конструкция - когда десорбер вы­полнен в виде отдельного аппарата, параллельного адсорберу. В этом случае, необходимы два эрлифта.

Наконец, существуют установки с псевдоожиженным (кипящим) слоем адсорбента, при котором, газовый поток, поступающий в адсорбер сни­зу, приводит адсорбент во взвешенное состояние. При этом, резко увеличивается эффективность массообмена между адсорбентом и газом и сокра­щается длительность адсорбции и десорбции, проводимой, обычно, в другом аппарате.

К твердому адсорбенту, предназначенному для осушки газа, предъявляются многочисленные требования, основные из которых сводятся к сле­дующему:

1. Большая адсорбционная емкость

2. Легкость регенерации

3. Механическая прочность

4. Химическая инертность и термическая стой -кость

5. Низкое сопротивление потоку газа

6. Способность выдерживать много циклов адсорбция - десорбция

7. Доступность.

Наиболее полно данным требованиям отвечают адсорбенты, основные свойства которых при­ведены в табл.10.

Табл.10.

Основные свойства адсорбентов, применяемых для осушки газа.

Показатели		Боксит	Флюорит	Силикагель	Цеолиты
					NaX (синт.)	Клиноптилолит
Насыпная плотность, кг/м3 Влагоёмкость, % мас Достигаемая точка росы,0С Скорость газа, м/с Температура, 0С: Адсорбции Десорбции	~ 720 ~ 5 - 60 0,1 – 0,25 0 – 30 180 - 200	~ 880 ~ 5 - 60 0,1 – 0,3 0 – 40 180 - 200	~ 720 ~ 5 -70 0,1 – 0,3 0 – 40 180 - 200	~ 650 ~ 6 - 60 0,1 – 0,35 5 – 40 150 - 200	~ 650 – 680 ~ 7 - 70 0,1 – 0,35 0 – 40 200 - 450	~ 720 – 750 ~ 8 - 80 0,1 – 0,4 0 – 40 400 – 550

Принципиальная технологическая схема осушки газа методом адсорбции приведена на рис. 56

Р ис.56. Принципиальная технологическая схема осушки газа методом адсорбции

Исходный влажный газ потоком I поступает в один из адсорберов 1, 2, находящихся в данный момент на стадии адсорбции. Пройдя сверху вниз через слой адсорбента, осушенный газ потоком II покидает установку. Цикл адсорбции обычно продолжается 12-16 часов, после чего адсорбер переключают на регенерацию, осуществляемую газом или воздухом. При использовании газа его отбирают из потока П через регулятор давления 3, снижа­ющего давление почти до атмосферного, подают на газодувку 6, направляющую газ в подогревающее устройство 7, а затем, и в соответствующий адсорбер. Насыщенный влагой газ регенерации поступает в АВО-4, а затем в сепаратор 5, где от него отде­ляется сконденсировавшаяся влага. Цикл регенера­ции обычно длится 6-7 часов.

Содержание в газе высокомолекулярных угле­водородов, H₂S, СО₂, твёрдых и жидких взвешенных частиц снижает поглотительную способность адсорбентов, поэтому газ до поступления на осушку целесообразно очищать от указанных примесей.

Цеолиты, кроме влаги, способны поглощать высокомолекулярные углеводороды, H₂S, СО₂ т.е. одновременно осуществляют частичную очистку газа.

П одведём итог: область применения (по требуемой точке росы) всех рассмотренных способов осушки газа может быть проиллюстрирована рис.57.

Рис.57. Область применения (по требуемой точке росы) всех рассмотренных способов осушки газа

1. Цеолиты; 2. Оксид алюминия и силикагель; 3. Гликоли; 4. Хлористый литий (р – р); 5. Хлористый кальций (р–р); 6. Дросселирование; 7. Холодильные машины; 8. Охлаждение водой; 9. Охлаждение воздухом; 10. Детандер.

Лекция № 17