Определение разделительных характеристик адсорбционных разделительных устройств. Лабораторный практикум

Сопла необходимы для того, чтобы с минимальными потерями подвести газ к входу в камеру смешения.

В камере смешения потоки пассивного и активного газа перемешиваются, при этом скорость активного газа снижается, а пассивного – возрастает. В процессе продвижения по камере смешения поле скоростей выравнивается.

Диффузор нужен для того, чтобы уменьшить скорость газового потока, но увеличить его статическое давление. Таким образом, сначала энергия активного газа используется для ускорения пассивного потока, затем скорость потока преобразуется в давление.

Сжатие инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии есть основное, принципиальное отличие струйных аппаратов от их механических аналогов.

Струйные аппараты имеют ряд других достоинств и недостатков. Достоинства: струйный аппарат превосходит свои механические

аналоги по таким параметрам, как простота конструкции и эксплуатации. Поскольку в струйном аппарате отсутствуют какие-либо подвижные детали, то нет необходимости использовать смазки и охлаждающие элементы. Все это приводит к тому, что струйные аппараты просты в изготовлении, дешевы и надежны. Также струйные аппараты имеют меньшие габариты и вес, что немаловажно при встраивании их в газопроводные системы.

Но одним из самых главных преимуществ является возможность работы струйного аппарата в широком диапазоне различных режимов без нарушения устойчивости его работы.

Недостатки: самым главным недостатком струйного аппарата является его низкий КПД. К тому же, для получения активного газа, как правило, используются механические компрессоры. Поэтому применение струйного аппарата является действительно эффективным, если сжатый газ уже присутствует в системе. А иначе к потерям энергии в струйном аппарате нужно будет прибавить еще и потери на получение активного газа. Очевидно, что струйный аппарат менее экономичен, чем его механические аналоги.

Чтобы повысить КПД струйного аппарата, нужно правильно рассчитать его геометрические параметры: сечение активного и пассивного сопел, сечение, форму и длину камеры смешения и т.д.

11

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема исследовательского стенда

Принципиальная схема исследовательского стенда, позволяющая определить необходимые параметры и режимы работы адсорбера КЦА ступени гибридной мембранно-сорбционной системы, представлена на рис. 2.1.

В атмосферу

3

12

В атмосферу

2

1

13

В атмосферу

Рис. 2.1. Принципиальная схема исследовательского стенда: 1 – адсорбер; 2, 7, 12, 13, 16, 17, 19 – клапан; 3, 8 – датчики давления; 4, 18 – регулировочный клапан; 5 – расходомер; 6 – газоанализатор; 9 – ресивер; 10 – осушитель; 11 – компрессорная

станция; 14 – насос безмасляный; 15 – эжектор

Схема исследовательского стенда представляет собой три контура, с помощью которых реализуются различные методы регенерации сорбента:

контур регенерации сорбента при атмосферном давлении; контур вакуумной регенерации сорбента безмасляным насосом; контур вакуумной регенерации сорбента эжектором.

Организация постоянной производительности компрессора, необходимой при вытеснении газа из адсорбера и при эжекторном восстановлении адсорбера, достигается с помощью двух регулировочных

12

клапанов. Их настройка на необходимую скорость вытеснения производится непосредственно перед проведением эксперимента, контроль расхода осуществляется расходомером.

Схема эксперимента

Определение оптимальной скорости вытеснения газа из адсорбера и максимально достижимой концентрации кислорода в контуре без вакуумного восстановления цеолита. Схема контура представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема контура без вакуумного восстановления сорбента

Газ с помощью компрессора нагнетается в адсорбер через осушитель. По достижении заданного давления клапан, соединяющий ресивер и адсорбер, открывается, и газ расширяется в адсорбер, заполненный цеолитом. Давление в адсорбере поднимается до необходимого, после чего запирающий клапан открывается, и газ, обогащенный кислородом, начинает вытесняться газом из компрессора через редуктор на расходомер и газоанализатор. Таким образом, с помощью газоанализатора фиксируется время прохождения фронта адсорбции для данной скорости вытеснения.

13

Регенерация цеолита в таком контуре осуществляется за счет снижения давления в адсорбере до атмосферного путем сброса газа. Степень регенерации сорбента при организации такого контура не велика, как и максимально достижимая концентрация.

Определение оптимальной скорости вытеснения газа из адсорбера и максимальной достижимой концентрации кислорода в контуре с вакуумной регенерацией цеолита вакуумным насосом. Схема контура представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема контура с вакуумным восстановлением сорбента

Методика определения времени прохождения фронта и максимально достижимой концентрации в таком контуре не отличается от методики определения в предыдущем контуре.

Восстановление цеолита в данном контуре организовано с помощью вакуумного насоса. Адсорбер после сброса на атмосферное давление изолируется от системы клапанами 2, 7, 12, и с помощью насоса проводится вакуумная дегазация адсорбера, в процессе которой происходит десорбция. Таким образом, проводя десорбцию при разных пониженных давлениях, а затем определяя максимально достижимую

14

концентрацию кислорода в контуре, возможно получение зависимости максимальной достижимой концентрации кислорода от степени регенерации цеолита. Эти данные необходимы для уточнения длительности стадии сброса КЦА ступени гибридной системы.

Определение оптимальной скорости вытеснения газа из адсорбера и максимальной достижимой концентрации кислорода в контуре с вакуумной регенерацией цеолита эжектором. Схема контура представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема контура с эжекторным восстановлением сорбента

Ключевым отличием данного контура является наличие эжектора, с помощью которого проводится вакуумная дегазация цеолита. На стадии восстановления компрессор с постоянным расходом прокачивает газ через эжектор, вследствие чего газ, находящийся в адсорбере, увлекается струей газа с компрессора. Таким образом, в адсорбере понижается давление и происходит десорбция.

Метод регенерации сорбента, реализованный в таком контуре, позволяет оценить реальную возможность восстановления цеолита эжектором, а следовательно, и оценить целесообразность использования эжектора на стадии сброса в гибридных мембранно-сорбционных системах.

15

3.РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1.Включение лабораторной установки:

1.1.Включить компьютер и лабораторную установку в сеть.

1.2.Запустить программу Eksis Visual Lab.

1.3.Ознакомиться с пневматической схемой лабораторной уста-

новки.

1.4.Проверить наличие и работоспособность узлов и агрегатов пневматической схемы.

1.5.Получить у преподавателя характеристики сорбрента и показатели давления десорбции сорбента.

2.Преднастройка расхода:

2.1.Перекрыть краны 2, 12, 13, 16, 17, 19.

2.1. Кран 7 открыт.

2.3.Запустить компрессор.

2.4.Довести давление в системе до 8 атм.

2.5.Открыть краны 2 и 19.

2.6.С помощью дросселей 4 и 18, ориентируясь на показатели расходомера 5, настроить расход газа через дроссель 4.

УКАЗАНИЕ. Для задания 3 расход газа – 10 л/мин. В задании 4 настройка расхода производится перед каждым измерением.

3.Определение максимально возможной разделительной способности сорбента:

3.1.При перекрытых кранах 2, 7, 12, 16, 17, 19 открыть кран 13.

3.2.Запустить вакуумный насос. Откачать адсорбер 1 до давления 0,1 атм. Перекрыть кран 13. Зафиксировать время откачки.

3.3.Запустить компрессор 11 и довести давление в ресивере 9 до 8 атм. Кран 19 закрыт.

3.4.Открыть кран 7 и довести давление в адсорбере 1 до 8 атм.

3.5.По достижении давления вытеснения открыть краны 19 и 2.

3.6.Зафиксировать максимальную концентрацию кислорода на газоанализаторе 6.

3.7.Снять зависимость концентрации кислорода от давления регенерации сорбента в диапазоне 0,1 – 1 атм с шагом 0,1 атм согласно

пп.3.1 – 3.6.

16

3.8.Используя в п. 3.2 эжектор 15 вместо вакуумного насоса так, что кран 13 перекрыт, а краны 16 и 17 открыты, провести измерения согласно п. 3.7, фиксируя времена откачки адсорбера эжектором.

4.Вытеснение

4.1.Настроить расход газа на дросселе 4 согласно п. 2 на

2,5 л/мин.

4.2.Согласно пп. 3.1 – 3.5 провести подготовку к вытеснению.

4.3.Наблюдать на Eksis Visual Lab изменение концентрации смеси, проходящей через газоанализатор.

4.4.С шагом 2,5 л/мин по расходу вытеснения провести измерения согласно пп. 4.1 – 4.3.

4.5.Сохранить результаты исследования с помощью штатных средств Eksis Visual Lab.

5.Заполнение и сброс

5.1.Откачать адсорбер до давления десорбции.

5.2.Заполнить изолированный адсорбер с компрессора до давления адсорбции, зафиксировать время заполнения.

5.3.Изолировать адсорбер при давлении адсорбции.

5.4.Сбросить давление в адсорбере на атмосферу через кран 12, зафиксировать время сброса.

3.2.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1.Построить график зависимости максимальной концентрации кислорода от давления десорбции.

2.Построить графики зависимости длительности откачки адсорбера с помощью вакуумного насоса и эжектора от давления десорбции и сделать выводы об эффективности использования обоих способов регенерации.

3.Рассчитать длительности стадий вытеснения при различных скоростях вытеснения для концентраций кислорода в продуктовом потоке. Концентрацию кислорода выбрать согласно варианту. Результаты вычислений представить в виде таблицы.

4.Определить оптимальные скорости вытеснения газа из адсор-

бера.

17

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Что такое адсорбер?

2.Что такое циклограмма?

3.Назовите основные стадии работы циклограммы.

4.В чем заключается основная суть метода КЦА?

5.Опишите принцип работы установок КЦА.

6.Какая стадия процесса КЦА является наименее эффективной и почему?

7.Какими методами осуществляется десорбция в адсорберах?

8.Назовите основные преимущества адсорбционного разделения

газов.

9.Какими недостатками обладает адсорбционное разделение газов?

10.Какими преимуществами обладает мембранное газоразделе-

ние?

11.В чем заключается основная движущая сила мембранного газоразделения?

12.Опишите принцип работы схемы Скарстрома.

13.Каким способом в схеме Скарстрома происходит регенерация сорбента?

14.Что такое УМС?

15.Что такое цеолит?

16.Чем отличается процесс адсорбционного разделения на цеолитах от УМС?

17.Как наличие сорбированной влаги влияет на сорбционные свойства цеолитов?

18.Что такое изотерма сорбции?

19.Зачем нужна стадия вытеснения?

20.Какими способами в работе организовывается восстановление сорбционных свойств сорбентов?

21.Что такое эжектор?

22.Опишите принцип работы струйного аппарата.

23.Для чего в работе используются дроссели?

24.Какими недостатками обладают струйные аппараты?

25.Назовите способы повышения КПД струйных аппаратов.

26.Сколько контуров реализовано в лабораторной установке?

27.Для чего служит контур регенерации сорбента при атмосферном давлении?

18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. Изд. 2-е. М.: Химия, 1984.

2.Шумяцкий Ю.И. Типы и принципы организации безнагревных адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей // Химическая промышленность. М., 1989. № 8.

3.Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции / В.Г. Матвейкин, В.А. Погонин, С.Б. Путин, С.А. Скворцов. М.: Изд-во «Машиностроение-1», 2007.

4.Хванг С.Т., Каммермайер К. Мембранные процессы разделения. М.: Мир, 1981.

5.Мембранное разделение газов / Ю.И. Дытнерский, В.П. Брыков, Г.Г. Каграманов. М.: Химия, 1991.

6.Мулдер М. Введение в мембранную технологию: Пер. с англ. M.: Мир, 1999.

7.Tishin A.A. et al. Use of a Hybrid Membrane–Sorption System with Three Adsorbers for Producing Oxygen-Enriched Air //Petroleum Chemistry, 2018. Vol. 58. № 4.

8.Пат. 2944627 США, МКИ2. Method and apparatus for fractionating gaseous mixtures by adsorbtion / Skarstrom C.W. № 714780; заявл. 12.12.58; опубл. 12.07.60, Бюл. № 2.

9.Глупанов В.Н. Получение кислорода и азота адсорбционным разделением воздуха. М.: ЦИНТИНЕФТЕМАШ, 1991.

19

Алексей Анатольевич Тишин Николай Иванович Лагунцов Иван Михайлович Курчатов Владимир Николаевич Гуркин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АДСОРБЦИОННЫХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторный практикум

Редактор Е.Е. Шумакова

Подписано в печать 15.10.2018. Формат 60х84 1/16. Печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз.

Изд. № 020-1. Заказ № _____.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 115409, г. Москва, Каширское ш., д. 31.

Типография НИЯУ МИФИ.