Таблица 6.4

Характеристики некоторых промышленных цеолитов

Марка	Размер зерна d3, мм	Насыпная плотность , кг/м3	Удельная поверхность S, м2	Механическая прочность на истирание, %	Размер пор, Å
KA	0,1–0,32	0,62	—	—	3
NaA	0,1–0,6	0,65	00	70	4
CaA	0,1–0,6	0,65	750–800	—	5
CaX	0,1–0,6	0,6	1030	—	8
NaX	0,1–0,6	0,6	1030	70	10

Для очистки газовых выбросов от вредных примесей в последнее время используются активные углеродные волокна. Достоинства их по сравнению с активными углями следующие: они обладают фильтрующими и адсорбционными, высокой скоростью процессов адсорбции — десорбции, а также высокой химической, термической и реакционной стойкостью.

Одним из направлений развития адсорбционной очистки является поиск дешевых адсорбентов не подлежащих регенерации и с условием его дальнейшего использования. Примером такого адсорбента является глинозем, используемый для поглощения фтористых соединений и являющимся сырьем для производства алюминия.

Регенерация адсорбента. Регенерация заключается в удалении из его пор адсорбированного вещества. От того, насколько быстро и полно удается выделить из адсорбента адсорбируемые вещества, зависит эффективность процесса очистки в целом. На регенерацию адсорбентов приходится примерно 60–70% всех энергетических затрат адсорбционно-десорбционного цикла.

Регенерацию адсорбента проводят одним из следующих методов:

— термическим методом. Процесс происходит при 300–400C в печах различных конструкций: барботажных, многоходовых и с кипящим слоем. При термической регенерации теряется 5–10% адсорбента и происходит деструкция адсорбируемого вещества;

— десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром. Во втором случае используется перегретый пар при 200–300С;

— десорбция инертным газом при 120–140С.

Виды адсорберов. Различают три группы адсорберов.

1. Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. Адсорберы с неподвижным слоем представляют собой цилиндрические вертикальные или горизонтальные емкости, заполненные слоем абсорбента. Адсорбент располагают на решетках, а подачу газа осуществляют сверху вниз. При необходимости адсорбента располагают несколькими слоями на полках (рис. 6.7). Чтобы обеспечить непрерывность процесса, необходимо устанавливать несколько адсорбционных аппаратов, каждый из которых периодически работает в режиме адсорбции или регенерации.

Возможна работа по двух- или четырехстадийному циклу.

При четырехстадийном цикле работа осуществляется по следующим стадиям.

1) адсорбция;

2) десорбция — прекращают подачу парогазовой смеси и подают теплоноситель (пар); в результате нагрева происходит десорбция поглощенных компонентов, которые вместе с паром удаляются из аппарата разделения; сушка адсорбента — прекращается подача пара и вместо него подается горячий воздух;

3) охлаждение адсорбента — вместо горячего, подается холодный воздух.

При двухстадийном режиме процессы сушки и охлаждения осуществляются одновременно с процессом адсорбции. Процессы конденсации и рекуперации улавливаемых продуктов проводят в выносных аппаратах.

Предложены конструкции, в которых стадии адсорбции и десорбции совмещены в одном корпусе.

Расчет адсорберов периодического действия с неподвижным слоем адсорбента. Расчет адсорберов этого типа, равно как и других, сводится к определению их конструктивных размеров (диаметра, высоты), объема адсорбента, времени защитного действия, гидравлического сопротивления и некоторых других величин.

В периодическом адсорбере происходит изме­нение концентрации вещества во времени и по высоте слоя. По изменению скорости процесс адсорбции разделяют на два перио­да: 1) период уменьшающейся скорости, ограниченной време­нем _о и высотой слоя Н₀; 2) период постоянной скорости  > ₀. Продолжительность процесса адсорбции равна:

Т =  + _д + _с , (6.26)

Рис. 6.7. Многополочный адсорбер периодического действия:

1 — корпус; 2 — слои адсорбента

где  — время адсорбции; _д — время десорбции; _с — время сушки и охлаж­дения адсорбентов.

Продолжительность собственно адсорбции приближенно можно определить из соотношения

, (6.27)

где G_сл — масса адсорбента, кг; х₁ и x₂ — концентрации вещества в адсор­бенте в начале и конце процесса; v₀ — фиктивная скорость газовой смеси. м/с: S — сечение адсорбера, м²; _г — плотность газовой смеси, кг/м³; y₁ и y₂ — концентрация вещества в газе в начале и конце процесса.

Высота работающего слоя адсорбента Н₀ в момент _о опре­деляется из соотношения

,

где N₀ — число единиц переноса; h — высота единицы переноса:

, (6.28)

где К_у — коэффициент массопередачи (уравнение (4.55)).

Для определения числа единиц переноса N₀ в момент време­ни _о на диаграмме у — х строят изотерму адсорбции и рабочую линию. Уравнение рабочей линии для момента времени _о име­ет вид

. (6.29)

Это — уравнение прямой линии, проходящей через начало ко­ординат, тангенс угла которой равен у/x_н. Интеграл находят графическим интегрированием. Он равен числу единиц перено­са N_o.

, (6.30)

где x_с — концентрация вещества в конце работающего слоя адсорбента. Площадь сечения адсорбера находят по формуле

, (6.31)

где G — расход газа, кг/с; v — скорость газа, отнесенная к полному сечению адсорбера, м/с (принимают равной 0,08–0,25 м/с).

2. Адсорберы с движущимся слоем адсорбента. Адсорберы этого класса лишены недостатков адсорберов с неподвижным слоем они: возможно обеспечение непрерывности процесса, более полно используется адсорбционная емкость адсорбента, в одном аппарате может быть совмещено несколько стадий за счет чего уменьшается занимаемая площадь. Кроме того, у него меньше гидравлическое сопротивление и он более прост в управлении и автоматизации. К недостаткам можно отнести истирание адсорбентов и необходимость строгого соблюдения гидродинамических характеристик процесса при эксплуатации установок.

На рис. 6.8 представлены два вида аппаратов с движущимся слоем, когда в одном аппарате может быть совмещено несколько стадий (рис. 6.8, а) и когда регенерация осуществляется за пределами аппарата.

Абсорберы с движущимся слоем адсорбента, в котором совмещаются стадии в одном корпусе являются одними из наиболее перспективных.

Расчет адсорберов с движущимся адсорбентом аналогичен расчету адсорбентов с неподвижным слоем, с тем лишь условием, что необходимо рассчитывать дополнительно скорость движения твердой фазы, а также расход адсорбента. Скорость перемещения адсорбента в аппарате может быть определена по уравнению

, (6.32)

где х_К^* — концентрация адсорбата в твердой фазе, равновесная с у_Н, кг/м³; _П — порозность слоя подвижного адсорбента, доли единицы (_П =0,33-0,49).

3. Адсорберы с движущимся слоем адсорбента. Для интенсификации работы адсорберов возможно использование кипящего слоя, когда размеры частиц меньше, чем в неподвижном слое. Это позволяет увеличивать ПКФ, уменьшать сопротивление и увеличивать допустимую скорость газа. Аппараты с кипящим слоем могут быть как периодического, так и непрерывного действия.

Формирование оптимальных гидродинамических условий зависит от многих факторов: скорости газового потока, размера и плотности адсорбента, формы аппарата, диаметра и высоты кипящего слоя, способа подачи твердой фазы, конструкции газораспределительных решеток и т. д. Стабильный кипящий слой достигается в том случае, когда высота кипящего слоя примерно равна диаметру.

а) б)

Рис. 6.8. Адсорбер с движущимся слоем адсорбента:

а — с совмещением стадий в одном корпусе: 1 — зона адсорбции; 2 — распределительные тарелки; 3 — холодильник; 4 — подогреватель; 5 — затвор; б — с регенерацией за пределами корпуса: 1 — газораспределительная решетка; 2 — бункер; 3 — корпус; 4 — штуцер; 5 — ленточный фильтр; 6 — затвор; 7 — адсорбент

На рис.6.9. представлены конструкции адсорбентов с кипящим слоем.

а) б)

Рис. 6.9. Адсорберы с кипящим слоем:

а — однокамерный адсорбер; 1 — нижний штуцер; 2 — конусное днище; 3 — решетка; 4 — патрубок для ввода адсорбента; 5 — циклонное устройство; 6 — цилиндр; 7 — адсорбент; 8 — патрубок для вывода адсорбента; б — многокамерный адсорбер: 1 — штуцер; 2 — переточные трубки; 3 — входная труба; 4 — штуцер выходной; 5 — перфорированные тарелки; 6 — корпус; 7 — выходная труба

Расчет адсорберов со взвешенным слоем адсорбента. Влия­ние продольного перемешивания на процесс учитывается коэф­фициентом продольного перемешивания k_п:

. (6.33)

Диаметр адсорбера рассчитывают по формуле

. (6.34)

Среднюю скорость газа рассчитывают из выражения

. (6.35)

Высоту взвешенного слоя на тарелке определяют из соотно­шения

. (6.36)

Пористость  взвешенного слоя можно определить из зави­симости

, (6.37)

где ₀ — пористость неподвижного слоя; ₀ = 0,4; h_сл — высота слоя сорбен­та: h_сл = 50–60 мм; — критерий Рейнольдса; — критерий Архимеда; d_з — диаметр зерна адсорбента; _а — плот­ность адсорбента; _г — плотность газа; _г — динамический коэффициент вязкости газа.

Высоту рабочей зоны многоступенчатого аппарата рассчи­тывают по формуле .

Число ступеней n_Т, аппарата находят по диаграмме Y–X, на которой отложены изотерма адсорбции и рабочая линия.

Уравнение материального баланса для всей колонны будет иметь вид:

, (6.38)

где _к — степень обработки адсорбента на выходе из колонны; _к > 0,8; у_н, у_к — концентрация компонента в газовой фазе на входе в колонну и выходе из нее соответственно.

Рассчитав n_Т, определяют действительное число тарелок:

. (6.39)

Коэффициент продольного перемешивания вычисляют по формуле

, (6.40)

где — безразмерный комплекс ( — кажущаяся плот­ность).

Рис. 6.10. Схема адсорбционной установки для улавливания паров растворителей:

1 — фильтр; 2 — гравийный огнепреградитель; 3 — предохранительное устройство с разрывными мембранами; 4 — калорифер; 5 — обводная линия; 6 — адсорбер; 7 — конденсатор; 8, 9 — вентиляторы

Если все слои в колонке равноценны, т. е. частицы адсорбен­та шарообразны, одного и того же размера и равномерно рас­пределены по объему слоя, то для расчета концентрации ком­понента на выходе из любого слоя у_{вых. i} рекомендуется уравне­ние

. (6.41)

Используя это уравнение, можно также рассчитать число та­релок в колонне.

Адсорбционные методы обезвреживания выбросов нашли наибольшее применение в случаях, когда необходимо рекуперировать уловленный продукт (в основном растворители: ацетон, толуол и др.) (рис. 6.10), для удаления неприятных запахов. Имеются сведения об адсорбционной очистке выбросов от диоксида серы, окислов азота, а также от их смеси.