Устройство и принцип действия адсорберов
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. Наибольшее распространение в промышленности находят вертикальные и горизонтальные адсорбционные аппараты с неподвижным слоем (рис. 20-6).
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента являются аппаратами периодического действия. Вертикальный и горизонтальный адсорберы имеют корпус 1 со слоем адсорбента, находящимся на опорно-распределительной решетке 2. Исходная газовая смесь проходит через слой адсорбента сверху вниз. При десорбции водяным паром его подают через нижний штуцер, конденсат отводится через штуцер в днище, а пар вместе с десорбированным веществом уходит через штуцер в крышке. Загрузка и выгрузка адсорбента производятся через люки 4 и 3.
Вертикальные адсорберы применяют для адсорбции газов в случае малой и средней производительности. Для обработки больших объемов газов (порядка 30 000 м3/ч и выше) используют горизонтальные и кольцевые (здесь не представлены) адсорберы, обладающие незначительным гидравлическим сопротивлением.
а – вертикальный; б - горизонтальный; 1 - корпуса; 2 - опорно-распределительные решетки;
3 - люки для выгрузки адсорбента; 4 - люки для загрузки адсорбента
Рисунок 20-7. Схема рекуперационной адсорбционной установки:
1, 2 - адсорберы; 3 - конденсатор водяного пара и паров десорбированного вещества;
4 - калорифер; 5 – конденсатоотводчик
Несмотря на периодичность работы аппаратов с неподвижным слоем, адсорбционные установки работают непрерывно, в них включают несколько адсорберов, причем их число определяется в соответствии с продолжительностью адсорбционно-десорбционного цикла.
Схема рекуперационной установки представлена на рисунке 20-7.
Исходную газовую смесь подают в адсорбер 1 заполненный активным углем. После насыщения слоя в адсорбере 1 его переключают на стадию десорбций, а исходную смесь направляют в адсорбер 2. Адсорбент регенерируют острым динамическим водяным паром, подаваемым в нижнюю часть адсорбера. Динамический пар уносит пары адсорбата в конденсатор 3. Конденсат адсорбата в смеси с водой идет далее на разделение. Сушку адсорбента производят горячим воздухом подаваемым в адсорбер через калорифер 4. Охлаждают адсорбент атмосферным воздухом, подаваемым по обводной линии.
Число стадий цикла работы адсорбционной установки мо» составить четыре (адсорбция, десорбция, сушка, охлаждение), три (адсорбция, десорбция, сушка или охлаждение) или две (адсорбция, десорбция). Двухстадийными являются короткоцикловые безнагревные адсорбционные установки, служащие для очистки и разделения газов (рис. 20-8).
Газовая смесь поступает под небольшим давлением в адсорбер 1, где в течении нескольких минут происходит преимущественная адсорбция одного из компонентов. После этого из адсорбера 1 под вакуумом десорбируют и откачивают поглощенный компонент, в то время как адсорбер 2 работает на стадии адсорбции.
Рисунок 20-8. Схема короткоцикловой безнагревной адсорбционной установки (1, 2 - адсорберы)
Короткоцикловые адсорбционные установки отличаются компактностью и малой энергоемкостью, поскольку отсутствует подвод теплоты на стадии десорбции. Применение таких установок ограничено системами, в которых адсорбционное равновесие характеризуется пологими изотермами адсорбции.
Адсорберы с псевдоожиженным и плотно движущимся слоем адсорбента. Периодичность работы каждого адсорбера в установках, включающих аппараты с неподвижным слоем, делает их громоздкими (за исключением короткоцикловых) и создает трудности при их автоматизации. Этих недостатков лишены адсорберы непрерывного действия с псевдоожиженным и плотным движущимся слоем адсорбента. Внедрение этих установок в промышленность сдерживается из-за недостаточной прочности адсорбентов, подвергающихся в псевдоожиженном и движущемся слоях интенсивному измельчению.
Аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента в целях снижения продольного перемешивания секционированы по высоте. Их устройство аналогично барботажным тарельчатым колоннам.
Многоступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем (рис. 20-9) состоит из ряда секций, расположенных в цилиндрическом корпусе 1. Секции разделены распределительными решетками 2. Адсорбент входит в аппарат через верхнюю трубу и далее по преточным трубам 3 движется противотоком по отношению к сплошной фазе подаваемой снизу и отводимой сверху. Отвод твердой фазы из аппарата изводится с помощью затвора-регулятора 4.
Адсорбционный аппарат с плотно движущимся слоем, служащий для разделения газовых смесей, представлен на рис. 20-10.
Аппарат включает в себя адсорбционную I и ректификационную II зоны, где происходит разделение подаваемой газовой смеси, и десорбционную зону III, служащую для регенерации адсорбента. Зоны разделены распределительными решетками 1. Адсорбент непрерывно циркулирует в аппарате: сначала охлаждается в холодильнике 2, затем проходит адсорбционную зону 1, где он преимущественно поглощает тяжелые компоненты, обогащая газ легкой фракцией, которую отбирают зоны. При прохождении адсорбентом ректификационной зоны II частично поглощенная легкая фракция вытесняется парами тяжелой, выходящими из десорбционной зоны III. Тяжелую фракцию отбирают на выходе из десорбционной зоны II. Регенерированный в зоне III горячий адсорбент пневмотранспортом, с помощью газодувки 5, направляют в бункер 3, откуда он снова поступает в холодильник.
Рисунок 20-9. Многоступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем:
1-корпус; 2-распределительные решетки; 3-переточная труба; 4-затвор-регулятор
Рисунок 20-10. Адсорбер с плотным движущимся слоем адсорбента:
I-зона адсорбции; II-зона ректификации; III -зона десорбции; 1-распределительные решетки;
2-холодильник; 3-бункер для подачи адсорбента; 4- затвор-регулятор; 5-газодувка
7.4. Сушка
Сушка – процесс удаления влаги из твердых материалов путём испарения.
Влагу можно удалять из материалов механическим способом (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путём испарения влаги и отвода образующихся паров.
Сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубин высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена.
По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:
Конвективная сушка – высушиваемый материал соприкасается с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы;
Контактная сушка – тепло от теплоносителя передается материалу, через разделяющую их стенку;
Радиационная сушка – тепло передаётся инфракрасными лучами;
диэлектрическая сушка – нагревание в поле токов высокой частоты;
сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.
Наибольшее распространение получили первые два метода.
7.5. Материальный баланс сушки
Материальный баланс по высушиваемому материалу является общим для конвективной, контактной и других видов сушки.
Обозначим:
Gн, кг/ч – массовый расход влажного материала;
aн – концентрация влаги во влажном материале (масс. доли);
Gк, кг/ч – массовый расход или концентрация влаги в высушиваемом компоненте;
W, кг/ч – массовый расход влаги, удаленный в процессе сушки;
Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид:
По всему материалу, подвергаемому сушке
GH=GK+W (7.7)
По абсолюто сухому веществу в высушиваемом материале:
Если а дано в %:
(7.8)
Из уравнения (7.8) следует:
(7.9)
(7.10)
(7.11)
В полученное уравнение (5) подставим выражение (4)
(7.12)
Подставим значение GК из уравнения (7.9) и определим количество удаляемой влаги:
(7.13)
Если количество удаляемой влаги W известно, то из уравнения (7.13) можно определить количество высушенного материала GК.