7.3. Десорбция адсорбентов.

Если в газовом потоке или в растворе, проходящем через слой адсорбента, концентрация (парциальное давление) адсорбируемого компонента ниже равновесной, то данные компоненты десорбируются с поверхности и переходят в газовый поток или раствор до тех пор, пока не установиться новое состояние равновесия.

На промышленных установках, предназначенных для разделения смесей, вслед за стадией адсорбции протекает десорбция поглощаемых компонентов с поверхности адсорбента, при этом происходит восстановление его адсорбционных свойств.

Процесс десорбции - регенерации адсорбента может быть осуществлён следующими основными способами.

1. Поглощённые компоненты с поверхности адсорбента вытесняются другим веществом, обладающим более высокой адсорбируемостью, затем это вещество отделяют от адсорбента. Так, при адсорбции углеводородных газов в качестве десорбирующего агента можно использовать водяной пар, который вытесняет углеводороды и занимает их место, т.к. обладает большей адсорбируемостью. При этом происходит конденсация водяного пара. Когда десорбция углеводородов закончена, для полного восстановления первоначальной активности адсорбент нужно высушить и охладить до температуры адсорбции. Десорбция в этом случае сопровождается разогревом адсорбента за счёт тепла конденсации водяного пара, что облегчает десорбцию. При адсорбции жидких углеводородных смесей в качестве десорбирующего агента можно использовать органические жидкости, обладающие более высокой адсорбционной способностью, чем поглощаемые компоненты, например, низкомолекулярные ароматические углеводороды (бензол, ксилол) или их смеси с полярными растворителями (спирты, кетоны).

2. Адсорбированные компоненты могут вытесняться веществом с меньшей адсорбируемостью (неполярные растворители), когда процесс десорбции происходит за счёт нарушения состояния равновесия между адсорбированной фазой и протекающим через слой адсорбента раствором из-за меньшей концентрации данных компонентов в растворе, чем это нужно по условию равновесия с адсорбированной средой. Так, при адсорбции нефтепродуктов десорбирующим агентом может быть бензиновая фракция, отличающаяся по температурным пределам кипения от пределов кипения исходной смеси, что позволяет затем отделить эту бензиновую фракцию обычной перегонкой.

3. Испарением адсорбированных компонентов при нагреве адсорбента или понижении общего или парциального давления в системе. Такой метод применяют при разделении смесей сравнительно летучих компонентов,

4. Окислительной регенерацией, когда адсорбированное вещество выжигают с поверхности адсорбента. Этот метод применяют, когда адсорбированные вещества отличаются весьма высокой адсорбируемостью и удалить их с поверхности адсорбента ранее рассмотренными методами трудно. К окислительной регенерации прибегают, если выжигаемые компоненты не являются целевыми и их потеря в виде продуктов сгорания допустима (при удалении с поверхности адсорбента смолистых веществ).

Процесс регенерации адсорбента можно осуществить комбинированным методом (из рассмотренных выше). Метод десорбции выбирают в зависимости от конкретных условий, свойств разделяемой смеси, масштаба производства и экономики процесса.

Дессорбция облегчается с повышением температуры (равновесие смещается) и расхода десорбирующего агента. Десорбция газообразных и легколетучих компонентов облегчается с повышением давления в системе.

Экономичность процесса адсорбционного разделения зависит в основном от режима десорбции -регенерации, т.к. значительная часть энергозатрат относится к стадии десорбции - регенерации (расход тепла на отгонку растворителя, нагрев адсорбента до температуры, соответствующей оптимальным условиям десорбции, расход водяного пара или газа для удаления растворителя из слоя адсорбента после десорбции (расход энергии на подачу воздуха в случае окислительной регенерации, расход воды на конденсацию и охлаждение растворителя и др.).

Расход десорбирующего агента - вод. пара или растворителя - зависит от адсорбируемости десорбируемых компонентов и растворителей, температуры десорбции и полноты извлечения десорбируемых компонентов.

Например, при разделении смесей газообразных углеводородов на активированном угле расход вод. пара на десорбцию составляет около 2,5 кг на 1 кг десорбируемого вещества. Этот пар при десорбции не конденсируется.

Кроме того, водяной пар расходуется на нагрев адсорбента, изоляции адсорбера и других элементов системы, а так dice на компенсацию, теплоты смачивания угля водой. Этот пар конденсируется и 80- 90% образующего конденсата остаётся в угле. При использовании неполярных растворителей температура десорбции равна 80 - 150^еС, а расход растворителя 100 — 400% от веса адсорбента.

При работе с полярными растворителями десорбция протекает при температурах 40 - 80⁰С, а расход растворителя 50 - 200%.

Время, необходимое для процесса десорбции, значительно меньше, чем время адсорбции из-за более высокой температуры и меньшей вязкости среды.

При десорбции - регенерация адсорбционная способность адсорбента может восстанавливаться полностью или частично в зависимости от адсорбируемости десорбирующих веществ, выбранного места десорбции, режима процесса (температуры, расхода десорбирующего агента и тд.). В ряде случаев оп­равданно частичное (неполное) восстановление адсорбционной способности адсорбента, т.к. при этом сокращаются эксплуатационные затраты.

Наибольшее снижение адсорбционной способности часто наблюдается после первой регенерации, в дальнейшем она снижается значительно меньше. Это объясняется тем, что с части поверхности адсорбента адсорбированные компоненты не удаляются и эта часть поверхности в дальнейшем процессе не участвует.

При использовании в качестве десорбирующего агента полярных раство­рителей обычно более полно восстанавливается адсорбционная способность адсорбента.

Многократно повторяющаяся окислительная регенерация приводит к полному восстановлению свойств адсорбента.

Температурный режим окислительной регенерации: 300 - 350⁰C для силикагелей и 600 - 650⁰С для алюмосиликатов катализатора крекинга. Перегрев адсорбента недопустим, так как он приводит к снижению адсорбционной способности.

Расчет адсорбера – десорбера.

Рисунок 7.3 – К расчету адсорбера

Уравнение материального баланса адсорбции по извлекаемому компоненту:

; (7.4)

или

, (7.5)

Где М – массовый расход извлекаемого компонента, кг/ч;

L_a — масса адсорбента;

а_и и а_к- относительные концентрации извлекаемого компонента в исходном и отработанном адсорбенте в кг/кг адсорбента;

G₀ – массовый расход исходной смеси, кг/ч

G – массовый расход отходящего из адсорбера потока, кг/ч;

Х_и и Х_к – массовые концентрации извлекаемого компонента соответственно в исходной смеси и потоке, выходящем из адсорбера.

Уравнения (7.4) и (7.5) можно привести к общему виду

(7.6)

Если G₀≈G, или при условии, что концентрация компонента в отходящем потоке Х_к будет измеряться в кг/на кг исходного сырья. Уравнение (7.4), (7.5) и (7.6) используются для определения массы адсорбента L_а, загруженного в периодически действующий адсорбер, или для определения удельного расхода адсорбента L_а/G₀ (кратность циркуляции адсорбента) на непрерывно действующих установках с движущимся адсорбентом, а также для определения количества вещества М, извлекаемого в процессе адсорбции. В случае периодически действующего адсорбера со стационарным слоем адсорбента количество извлекаемого компонента М из исходной смеси G₀ соответствует продолжительно­сти цикла адсорбции за время τ.

Из уравнений следует, что чем больше емкость адсорбента по извлекаемому компоненту (a_к), т.е. чем полнее отработан адсорбент и чем меньше величина а_к (т.е. чем полнее осуществляется регенерация адсорбента) тем меньше удельный расход адсорбента L_а/G₀. Расход адсорбента больше с увеличением концентрации извлекаемого компонента в сырье Х_и и с уменьшением концентрации этого компонента Х_к в отходящем потоке. Процесс адсорбции более экономичен при сравнительно не высоком содержании извлекаемых компонентов. Так, при разделении газовой смеси адсорбция экономически более выгодна чем абсорбция, для сравнительно сухих газов и не экономична для жирных газов.

При разделении жидких смесей адсорбция предпочтительнее чем экстракция для сырья, отличающегося сравнительно не высоким содержанием извлекаемых компонентов.

При расчёте адсорбера обычно известны количество исходной смеси G₀ и начальная концентрация извлекаемого компонента Х_и величины а_к и Х_к можно найти при помощи изотермы адсорбции; концентрация а_и определяется полнотой десорбции (регенерации). При достижении состояния равновесия в адсорберах адсорбат с концентрацией извлекаемого компонента а_к в отходящем адсорбенте будет находиться в равновесии с исходным сырьём, т.е. в этом случае а_к = а_кр, а поток, отходящий из адсорбера, будет в равновесии с исходным адсорбентом, т.е. Х_к=Х_кр

Рисунок 7.4 - К определению концентраций в потоках отходящих из адсорбера

В действительности система не достигает состояния равновесия и степень приближения к равновесному состоянию зависит от таких факторов, как скорость протекания процесса (кинетика адсорбции), продолжительность и поверхность контакта. Во многих случаях система при сравнительно небольшой продолжительности контакта в значительной степени приближается к состоянию равновесия и поэтому для практических расчётов часть применяют:

а_к = (0,85-0,95)а_кр

Х_к = (0,85-0,95)Х_кр

Если адсорбер имеет стационарный слой адсорбента, то здесь выбор а_к и Х_к более сложен из-за неполноты отработки слоя адсорбента. В таких аппаратах отработка адсорбента происходит послойно в направлении движения потока разделяемой смеси, при этом только часть адсорбента отрабатывается полностью.

На рисунке 3 схематично показано распределение концентраций извлекаемого компонента по высоте слоя при условии приближения системы к состоянию равновесия. На высоте h, последний полностью отработан до концентрации а_кр, соответствующей состоянию равновесия с исходным газом. По высоте слоя h₂ концентрация извлекаемого компонента меняется от а_кр до а_и. Для расчёта материального баланса в адсорбере со стационарным слоем адсорбента величина а_к соответствует среднему содержанию извлекаемого компонента во всей массе адсорбента.

Рисунок 7.5.

АДСОРБЕРЫ