16.7. Устройство и принципы действия адсорбционных аппаратов

Аппараты, в которых осуществляется процесс адсорбции, называются адсорберами. По состоянию слоя адсорбента в аппарате адсорберы можно разделить на три группы: 1 – адсорберы с неподвижным слоем адсорбента (аппараты периодического действия); 2 – адсорберы с псевдоожиженным слоем адсорбента; 3 – адсорберы с движущимся плотным слоем адсорбента. Последние две группы относятся к аппаратам непрерывного действия.

Адсорбер периодического действия с неподвижным слоем адсорбента. На рис. 16.5 представлена схема вертикального адсорбера с неподвижным слоем адсорбента. Кроме вертикальных применяются также горизонтальные и кольцевые адсорберы [1, 3], используемые, как правило, при больших расходах газа (более 30000 м³/ч). Периодические процессы часто осуществляют в четыре стадии.

Рис. 16.5. Адсорбер с неподвижным слоем адсорбента: 1 – корпус;

2 штуцер для подачи исходной газовой смеси (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 3 штуцер для отвода очищенного газа (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 4 барботер при подаче острого водяного пара при десорбции; 5 штуцер для отвода водяного пара при десорбции; 6 штуцер для отвода конденсата водяного пара; 7 люк для загрузки адсорбента; 8 люки для выгрузки адсорбента; 9 слой адсорбента; 10 колосниковая решетка, на которую насыпан адсорбент.

Первая стадия собственно адсорбция, т.е. насыщение адсорбента поглощаемым компонентом. Исходная газовая смесь подается в корпус 1 аппарата через штуцер 2, проходит через слой адсорбента 9 и очищенные газы выходят через штуцер 3.

Вторая стадия десорбция поглощенного компонента из адсорбента. Подача исходной смеси газов прекращается, и в аппарат подается водяной пар через барботер 4. Смесь паров десорбированного компонента и воды удаляется через штуцер 5. Конденсат водяного пара отводится из аппарата после десорбции через штуцер 6.

Третья стадия сушка адсорбента. Перекрывается вход и выход водяного пара, после чего влажный адсорбент сушится горячим воздухом, поступающим в аппарат через штуцер 2 и выходящим из аппарата через штуцер 3.

Четвертая стадия охлаждение адсорбента. Прекращается подача горячего воздуха, после чего адсорбент охлаждается холодным воздухом, поступающим в аппарат через штуцер 2 и выходящим через штуцер 3.

По окончании четвертой стадии цикл работы аппарата начинается снова со стадии адсорбции. Загрузку и выгрузку адсорбента производят периодически через люки 7 и 8.

На рис. 16.6 показан постадийный график работы двух адсорберов периодического действия в схеме установки непрерывного действия.

Рис. 16.6. График работы двух адсорберов

В данном случае время собственно адсорбции t_аравно сумме времени стадий десорбцииt_д, сушкиt_cи охлажденияt₀, т.е.

(16.20)

Если продолжительность стадий десорбции, сушки и охлаждения превышает продолжительность стадии адсорбции, то непрерывность работы установки достигается применением большего числа адсорберов.

Адсорбер с псевдоожиженным слоем адсорбента.На рис. 16.7 показана схема адсорбера непрерывного действия с псевдоожиженным слоем адсорбента. Работает адсорбер следующим образом. Исходная газовая смесь поступает в аппарат через штуцер 5, проходит через газораспределительную решетку 2 и создает псевдоожиженный слой (разд. 5.5.5) адсорбента 8. Адсорбент поглощает из газовой смеси адсорбтив, а очищенные газы входят в сепаратор 3, где очищаются от уносимых потоком газа частиц адсорбента, далее очищенные газы выходят из аппарата через штуцер 4. В аппарат непрерывно подается свежий адсорбент по трубе 6 и непрерывно из него отводится отработанный адсорбент по трубе 7. В случае, если заданной степени очистки в одном аппарате достигнуть нельзя, то устанавливается последовательно несколько аппаратов либо используются многоступенчатые адсорберы (см. рис. 17.15). В самом адсорбере (аппарате) протекает только стадия адсорбции, а регенерация отработанного адсорбента проводится в других аппаратах, которые на приведенной схеме не показаны. Недостатками одноступенчатого адсорбера с псевдоожиженным слоем адсорбента по сравнению с неподвижным являются его более высокое гидравлическое сопротивление, повышенные требования к механической прочности адсорбента и неоднородность времени пребывания различных частиц адсорбента в аппарате. Структура их потока близка к модели идеального смешения, вследствие чего частицы с малым временем пребывания не насытятся адсорбатом, а с большимчасть времени после насыщения будут находиться в аппарате в качестве балласта (энергия для поддержания их в псевдоожиженном состоянии будет тратиться впустую). Для устранения данного недостатка применяются многоступенчатые адсорберы аналогичные многоступенчатым сушилкам (рис. 17.15), структура потока в которых может описываться ячеечной моделью с числом ячеек приблизительно соответствующем количеству ступеней. Преимуществами адсорберов с псевдоожиженным слоем являются непрерывность работы, доступность всей поверхности каждой частицы для массообмена, большие коэффициенты массоотдачи в газовой фазе.

Рис. 16.7. Адсорбер с псевдо-ожиженным слоем адсорбента: 1 – корпус; 2 –газораспределительная решетка; 3 – сепаратор; 4 – штуцер для отвода очищенных газов; 5 – штуцер для подвода исходной газовой смеси; 6 – труба для подвода свежего адсорбента; 7 – труба для отвода отработанного адсорбента; 8 – псевдоожиженный слой адсорбента.

Адсорбер непрерывного действия с движущимся плотным слоем адсорбента.На рис. 16.8 приведена схема адсорбера непрерывного действия с движущимся плотным слоем зернистого адсорбента. Адсорбер представляет собою колонну, в которую встроены холодильник 1, подогреватель 7 и распределительные тарелки 2. Зернистый адсорбент, вводимый в аппарат, движется сверху вниз, скорость движения его регулируется внизу затвором-отводником 8.

Рис. 16.8. Адсорбер с движущимся плотным слоем адсорбента: 1 холодильник; 2 – распределительные тарелки;

3 адсорбционная секция; 4 – распределительное устройство для исходной газовой смеси; 5 патрубок для исходной газовой смеси; 6,10 патрубки для входа и выхода горячего теплоносителя; 7 подогреватель десорбционной секции; 8 – затвор-отводник адсорбента; 9 – распределительное устройство для острого водяного пара; 11 патрубок для отвода водяного пара с продуктами десорбции; 12 патрубок для отвода очищенных газов; 13, 14 патрубки для ввода и вывода охлаждающей воды; 15 – патрубок для ввода острого водяного пара; 16 патрубок для ввода очищенного абсорбента; 17 патрубок для отвода влажного очищенного адсорбента.

Распределительные тарелки в адсорбере служат для равномерного распределения адсорбента по поперечному сечению аппарата и препятствуют переходу газовой фазы из одной зоны в другую. Холодильник 1 предназначен для охлаждения нагретого регенерированного адсорбента, который движется по трубкам, а в межтрубном пространстве движется холодная вода. Подогревание десорбционной зоны 7 применяется для нагревания адсорбента в процессе десорбции.

Адсорбент движется по трубам, а в межтрубное пространство поступает горячий теплоноситель. При движении сверху вниз адсорбент вначале охлаждается до указанной температуры в трубах холодильника 1 и через распределительную тарелку поступает в адсорбционную секцию 3. Здесь он взаимодействует с исходной газовой смесью, которая поступает из распределительного устройства 4 и движется противотоком к направлению движения адсорбента, т.е. вверх. Очищенные от поглощаемого компонента газы выходят через штуцер 12. Адсорбент же через распределительную тарелку 2 поступает в зону десорбции, проходит через трубки подогревателя 7, где нагревается. Противотоком по отношению к адсорбенту движется вытесняющее вещество (острый водяной пар), которое поступает в зону десорбции через распределительное устройство 9. Водяной пар с вытесненным из адсорбента компонентом выходит из зоны десорбции через патрубок 11. Регенерированный влажный адсорбент выходит из аппарата через патрубок 17 и при помощи пневмотранспорта направляется в патрубок 16 адсорбера. При движении в линии пневмотранспорта (на схеме пневмотранспортная линия не показана) адсорбент сушится в потоке нагретого воздуха в пневматической сушилке (рис. 17.16).

Преимуществами данного аппарата являются непрерывность работы, совмещение всех стадий процесса в одном аппарате, практически одинаковое время пребывания всех частиц адсорбента в каждой секции (структура их потока близка к модели идеального вытеснения). Основные недостатки заключаются в большей сложности устройства и функционирования аппарата, а также повышенные требования к механической прочности частиц адсорбента.