Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

141

перемещаться быстрее аналогичных точек для меньшей концентра-

ции, так как f' (С), выражаемая тангенсом угла наклона касательной

в точке С, уменьшается с увеличением концентрации. Поэтому, если

вначале в слое адсорбента имеется размытый фронт вещества, в про-

цессе адсорбции при перемещении фронта вдоль слоя должно про-

исходить его сжатие и превращение в предельно узкий фронт кон-

центрации C

. Таким образом, ВЫПУ КЛОСТЬ изотермы является фак-

тором сжатия адсорбционного фронта. При равновесной и неравно-

весной динамике адсорбции

ш = O

CJ(C^a

)

(1.260)

где о — скорость перемещения предельно узкого (обрывного) фрон-

та вдоль слоя адсорбента; а

— равновесная C

концентрация.

Форму ла (1.260) выражает закон Вильсона, согласно которому

ско-

рость перемещения фронта с единственной концентрацией С = C

является постоянной величиной. Таким образом, образовавшийся об-

рывной фронт должен перемещаться в режиме параллельного пере-

носа. Легко показать, что скорость о меньше скорости v

перемеще-

ния концентрации C

, определяемой по уравнению Викке.

Распределение вещества между- газовой фазой и адсорбентом в

стационарном фронте, не зависящее от вида кинетики, отражает

уравнение:

С/С

= ala„ (1.261)

которое называют соотношением Зельдовича. Оно означает, что в ста-

ционарном фронте неравновесной динамики сорбции при D*=0 меж-

ду неравновесными концентрациями вещества в газовой фазе и в

адсорбенте должно соблюдаться линейное соотношение. Соотноше-

ние (1.261) можно рассматривать, таким образом, как соответствую-

щее рабочей линии процесса адсорбции.

Следствием решения задачи определения стационарного фронта

сорбции при выпуклой изотерме адсорбции и равновесном режиме

является широко используемое в практике технических расчетов урав-

нение Шилова, отражающее связь времени защитного действия слоя

т с его длиной (высотой) L:

т = KL-I

= К (L-h), (1.262)

где К — коэффициент защитного действия слоя, равный 1/со; со —

скорость перемещения фронта сорбции;

Kh — время потери за-

щитного действия слоя под действием диффузионного сопротивле-

142

ния; h — величина, выражающая неиспользованную емкость адсор-

бента в единицах высоты его слоя.

Величина h связана с длиной зоны массопередачи I отношением

h =ф /, (1.263)

где ф — фактор симметричности концентрационной кривой, выра-

жаемый отношением площади над выходной кривой к площади зак-

лючающего ее прямоугольника (рис. 1-38).

С учетом (1.263) уравнение (1.262) может быть представлено в виде

т = К (L-ф/). (1.264)

Время AT, соответствующее увеличению концентрации целевого

компонента за слоем адсорбента от проскоковой до равновесной, про-

порционально величине зоны массопередачи:

Ax = т*-т = К/. (1.265)

Комбинируя выражения (1.264) и (1.265), можно

ПОЛУ

ЧИТЬ следу -

ющую зависимость, ПОЗВОЛЯЮЩУЮ осущестатять расчет величины

зоны массопередачи по выходным кривым:

/ = L (т*-т) / [(?*Ф+*0-ф)]- (

266

)

В расчетной практике эту зависимость часто ИСПОЛЬЗУЮТ также и

в несколько измененном виде:

(т*-т) / [т*- (1-ф) (т*-т)]. (! 267)

Ввиду- относительно малых концентраций вредных примесей в

отходящих газах промышленности можно полагать, что процессы

их адсорбционного извлечения протекают в изотермических услови-

ях. При проведении технологи-

ческих расчетов адсорбционных

процессов газоочистки, реализу-

емых в стационарном слое по-

глотителя, данные по равнове-

сию для конкретной системы ад-

сорбтив — адсорбент находят в

технической литературе, полу-

Рис. 1-38. Выходная кривая (T

JJP

—

время защитного действия слоя;

т* — время достижения равнове-

сия)

С/С

143

чают путем расчета в соответствии с той или иной теорией адсорб-

ции или определяют экспериментально. На их основе в координатах

а (в кг/м

; кг/кг) — С (в кг/м

; кг/кг) строят равновесную линию

процесса (изотерму адсорбции).

Для построения рабочей линии процесса необходимо распола-

гать величинами динамической адсорбционной емкости адсорбента

по извлекаемому' компоненту для заданных концентраций адсорб-

тива на входе в адсорбер и выходе из него. Эта характеристика свя-

зана с концентрацией примеси в подаваемом на очистку' газе C

, его

фиктивной (отнесенной к сечению полого аппарата) скоростью со

временем защитного действия слоя адсорбента т следу ющим оче-

видным выражением:

Дд

I. (1.268)

Время защитного действия адсорбента в виде слоя определенной

высоты устанавливают для данной концентрации адсорбтива в по-

даваемом на ОЧИСТКУ' газе на основании экспериментальных данных

(по начальным участкам выходных кривых соответствующих про-

цессов) или рассчитывают по выражениям, получаемым на основе

приближенных решений при определенных граничных условиях со-

ответствующих систем уравнений, описывающих ту или иную мо-

дель адсорбции. В расчетной практике используют, в частности, сле-

дующие приближенные решения соответственно для изотерм адсор-

бции ленгмюровского и прямоу гольного типа:

х = д

/со

{L -

со

[l /

ln(c

-1) +

/С -1]}; (1.269)

т = а

/CO

(L-G)

/Р

(InC

/С-1)], (1.270)

где р = C

у,

у — содержание адсорбтива в газе, равновесное с поло-

виной предельной величины адсорбции; С — концентрация целево-

го компонента в газе, выходящем из адсорбера.

Необходимая длина (высота) слоя поглотителя L может быть рас-

считана при помощи общего уравнения массопередачи:

dC = P

(C-C) dL . (1.271)

Из уравнения (1.271) высота слоя выражается следующим образом:

L = CO

f d С/(С-С*) = h m, (1.272)

144

где h

/ P

— высота слоя адсорбента, эквивалентная единице

переноса; ш — число единиц переноса.

Ввиду того что зависимость С* от а различна для каждой конк-

ретной системы поглощаемое вещество — адсорбент, интеграл урав-

нения (1.272), выражающий число единиц переноса, не может быть

решен аналитически. Для его вычисления могут быть использованы

либо метод графического интегрирования, либо метод графического

построения ступеней изменения концентрации.

Коэффициент массопередачи P

, как отмечено выше, связан с ко-

эффициентами внешнего P

и внутреннего P

массообмена выраже-

нием (1.257). Кинетический коэффициент внешнего массообмена P

зависит от гидродинамического режима движения и физических

свойств газового потока. Величина P

возрастает с увеличением Re,

сопровождаясь уменьшением диффузионного сопротивления внеш-

нему массопереносу. Величина адсорбции и содержание целевого

компонента в очищаемом газе практически не влияют на P

. Расчет

может быть осуществлен с использованием критериальных урав-

нений:

В этих уравнениях Nu = P

/D — диффузионный критерий Hyc-

сельта,

— коэффициент внешнего массообмена, отнесенный к еди-

нице объема слоя поглотителя, <1

— эквивалентный диаметр зерна

адсорбента [ё

=4е/а , где 8 — коэффициент свободного объема слоя

адсорбента, а — удельная поверхность адсорбента; для шаровых

частиц диаметром d

0,4d];

— коэффициент молекулярной

диффу -

зии; Re =

/sv — модифицированный критерий Рейнольдса, v —

кинематическая вязкость газового потока; Pr = v/D — диффузион-

ный критерий Прандтля.

Коэффициент внутреннего массообмена P

зависит от величины

адсорбции

резко

меньшается с ее ростом, что сопровождается уве-

личением доли диффу зионного сопротивления внутреннему массо-

переносу'. Гидродинамический режим в аппарате практически не ска-

зывается на величине P

Входящий в уравнение (1.256) коэффициент массопередачи P

яв-

ляется переменной величиной. Считать его постоянным можно лишь

в случае допущения независимости от величины адсорбции коэф-

Nu=O,395 Re

0,64

033

при Re>30,

Nu=O,725 Re

при Re=2-30,

Nu=0,515 Re

при Re<2.

(1.273)

(1.274)

(1275)

145

фициенга внутреннего массообмена

или при лимитировании адсорб-

ционного процесса внешним массообменом.

Расчетные задачи обычно предполагают наличие числовых зна-

чений коэффициентов массопередачи. Величины последних и их за-

висимость от основных параметров соответствующих процессов на-

ходят опытным путем.

Площадь поперечного сечения адсорбера S определяют из урав-

нения расхода:

Q = So

(1.276)

где Q — объемный расход очищаемого газа. Для цилиндрического

адсорбера со сплошным стационарным слоем адсорбента S = TtD

/ 4

и, следовательно,

D = /

тисо

. (1.277)

4.3. Десорбция поглощенных примесей

Необходимость периодической регенерации насыщенных целе-

выми компонентами поглотителей предопределяет цикличность ад-

сорбционных процессов. Среди операций (стадий), основной целью

которых является восстановление сорбционной способности адсор-

бентов, ключевой является десорбция в связи с тем, что для ее прове-

дения требуется от 40 до 70% общих затрат по адсорбционной газо-

очистке. Этот процесс ведут, используя в основном повышение тем-

пературы, вытеснение адсорбата лучше сорбирующимся веществом,

снижение давления (в том числе создание вакуума) или комбинацию

этих приемов. Возможность эффективного осуществления десорб-

ции в ряде случаев предопределяет целесообразность выбора адсорб-

ции среди других приемов газоочистки.

Термическую десорбцию реализуют, нагревая насыщенный ад-

сорбент до определенной температуры, обеспечивающей приемле-

мую интенсивность процесса, прямым контактом с потоком водяно-

го пара, горячего воздуха или инертного газа, либо проводя нагрев

через стенку с подачей в аппарат некоторого количества отдувочного

агента (обычно инертного газа). Температурный потенциал в облас-

ти 100-200°С обычно обеспечивает возможность десорбции целевых

компонентов, поглощенных активными углями, силикагелями и алю-

могелями. Область температур от 200 до 400°С, как правило, являет-

ся достаточной для десорбции примесей, поглощенных цеолитами.

Для случая десорбции летучих растворителей из неподвижного

146

слоя активного угля (в частности, при допущении изотермичности

процесса ввиду незначительности десорбции при разогреве угля до

IOO

C и относительной непродолжительности времени разогрева

адсорбента по отношению к общей продолжительности стадии де-

сорбции) математическое описание процесса имеет следующий вид:

дС/дт = -со

1 /в

(<)C/dL)+ (1

/ер

) v,

да/дх

= [-l/(l-s)p

]v, v

= K

tf,

=q>(4 (1.278)

где С — концентрация целевого компонента в десорбирующем аген-

те; со — фиктивная скорость десорбирующего агента; L — высота

слоя адсорбента; е — порозность слоя; р

—плотность паровой фазы;

— кажу щаяся плотность адсорбента; v — скорость десорбции;

= f(t,<O) — константа наблюдаемой скорости десорбции.

Решение системы уравнений (1.278) относительно времени де-

сорбции т

целевых компонентов при соответствующих начальных и

граничных условиях приводит к выражению:

К« /(l-e)p

]

-1

lna

(1.279)

где

и а — соответственно начальная и текущая величины адсорбции.

Входящая в уравнение (1.279) величина K

при прочих равных

условиях существенно зависит от средней скорости десорбирующе-

го агента и может быть найдена экспериментальным путем.

Вытеснительная десорбция, называемая также холодной, ос-

нована на различии сорбируемости целевого компонента и вещества,

используемого в качестве вытеснителя (десорбента). Для десорбции

поглощенных адсорбентом органических веществ можно использо-

вать диоксид углерода, аммиак, воду, некоторые органические и дру-

гие вещества, способные обеспечить эффективное вытеснение целево-

го компонента и относительную простоту последующей их десорбции

из адсорбента. Перспективно применение этого метода десорбции

при организации адсорбционных процессов на основе использова-

ния цеолитов. Последние характеризуются повышенной адсорбци-

онной активностью в отношении паров воды, что предопределяет ее

эффективность как десорбента поглощенных цеолитами веществ.

Десорбция снижением давления может быть реализована

двух

вариантах: редуцированием давления в системе после насыщения

поглотителя в проводимой под избыточным давлением стадии ад-

сорбции или созданием в ней разрежения при осуществлении ста-

дии адсорбции под нормальным давлением.

Вакуумная десорбция ввиду необходимости значительных энер-

147

гозатрат и обеспечения герметичности соответствующих установок

крайне ограниченно используется в практике санитарной газоочист-

ки. Принцип десорбции, основанный на перепаде давления между

стадиями адсорбции и десорбции, нашел практическое воплощение

в установках короткоцикловой безнагревной адсорбции, получаю-

щих в последнее время все более широкое применение в целях осуш-

ки воздуха и других

газов.

Осушка газов в ряде

случаев

является необхо-

димой ступенью, предшествующей их очистке от вредных примесей.

Методы инженерного расчета процессов десорбции, основанных

на снижении давления в системе на стадии выделения из адсорбен-

тов целевых компонентов, изложены в специальной литературе.

4.4. Адсорбция паров летучих растворителей

Рекуперация органических растворителей имеет как экономичес-

кое, так и экологическое значение, поскольку потери их с выбросны-

ми газами весьма велики: в 1993 г., например, в атмосферу России

было выброшено 1,6 млн. т летучих органических растворителей и

2,5 млн. т других углеводородов. Выбросы паров растворителей про-

исходят при их хранении и при использовании в технологических

процессах. Для их рекуперации наибольшее распространение полу-

чили методы адсорбции. Улавливание паров возможно любыми мел-

копористыми адсорбентами: активными углями, силикагелями, алю-

могелями, цеолитами, пористыми стеклами и т.п. Однако активные

угли, являющиеся гидрофобными адсорбентами, наиболее предпоч-

тительны для решения этой задачи: при относительной влажности

очищаемых паровоздушных или парогазовых потоков до 50% влага

практически не влияет на сорбируемость паров органических раство-

рителей. Рентабельность адсорбционных установок с использовани-

ем активных углей зависит от концентрации в очищаемых газах па-

ров летучих органических растворителей. Наименьшие концентра-

ции (С) растворителей в очищаемом воздухе, при которых обеспечи-

вается рентабельность рекуперационных установок, приведены ниже:

Растворитель, С, г/м

Ацетон

3,0 Метиленхлорид

2,0

Бензин 2,0 Сероуглерод 6,0

Бензол

2,0 Тетрахлоруглерод

4,5

Бутилацетат

Толуол 2,0

Ксилол

2,1

Трихлорэтилен

1,8

Метил ацетат

2,1

Этиловый спирт

1,8

148

Поглощение паров летучих растворителей можно проводить в ста-

ционарных (неподвижных), кипящих и плотных движущихся слоях

поглотителя, однако в производственной практике наиболее распро-

страненными являются рекуперационные установки со стационар-

ным слоем адсорбента, размещаемым в вертикальных, горизонталь-

ных или кольцевых адсорберах. Адсорберы вертикального типа обыч-

но используют при небольших потоках подлежащих очистке паро-

воздушных (парогазовых) смесей, горизонтальные и кольцевые ап-

параты служат, как правило, для обработки таких смесей при высо-

ких (десятки и сотни тысяч кубометров в час) скоростях потоков.

Рекуперационные установки с адсорберами периодического действия

(со стационарным слоем адсорбента) работают по трем технологи-

ческим циклам: четырех-, трех- и двухфазному.

Четырехфазный цикл включает последовательно фазы адсорбции,

десорбции, сушки и охлаждения. Адсорбцию проводят на активных

углях. При десорбции

из

насыщенного адсорбента острым паром уда-

ляют адсорбированный растворитель. При сушке нагретым возду-

хом из адсорбента вытесняют влагу, накапливающуюся в нем в фазе

десорбции при конденсации части острого пара. Нагретый и обезво-

женный поглотитель охлаждают атмосферным воздухом.

Трехфазный цикл имеет отличие от четырехфазного в том, что

исключается одна из последних фаз четырехфазного цикла, напри-

мер, процесс охлаждения адсорбента как самостоятельная фаза: слой

поглотителя охлаждают при адсорбции отработанным (очищенным

от паров растворителя) воздухом. Может исключаться и фаза сушки.

В этом варианте после адсорбции производят нагрев насыщенного

адсорбента горячим инертным газом с отводом паровой смеси в кон-

денсатор. Такой процесс десорбции завершают затем продувкой слоя

угля водяным паром. В последующей фазе охлаждения поглотитель

обрабатывают холодным воздухом. Фазу

СУ ШКИ

как самостоятель-

ную стадию обычно исключают, если после десорбции адсорбент име-

ет относительно низкую влажность. В этом случае в фазе охлажде-

ния достигается полная регенерация адсорбента.

Двухфазный цикл включает две стадии (операции): адсорбцию и

десорбцию. При этом процесс адсорбции совмещают с сушкой и

охлаждением поглотителя. С этой целью определенное время паро-

воздушную смесь подают в слой в нагретом состоянии (50-60°С), а

затем без подогрева, либо в течение всей фазы адсорбции паровоз-

душную смесь подают в слой при одинаковой температуре (до 35 °С).

149

Выбор того или иного цикла работы рекуперационной установ-

ки определяется характером подлежащих улавливанию растворите-

лей, их содержанием в исходной паровоздушной смеси, особеннос-

тями и технико-экономическими возможностями производства, в тех-

нологии которого происходит образование паров летучих раствори-

телей. Считают, что при относительно высоких концентрациях па-

ров летучих растворителей в паровоздушных смесях (до 50% нижне-

го концентрационного предела взрываемости) рационально исполь-

зовать четырехфазный цикл, в случае средних и малых концентра-

ций (2-3 г/м

) целесообразнее применять трехфазный цикл (с исклю-

чением фазы охлаждения). Двухфазный цикл с адсорбцией паров из

паровоздушной смеси при одинаковой температуре (до 35°С) может

быть принят для рекуперации не смешивающихся с водой раствори-

телей, а двухфазный цикл с подогревом паровоздушной смеси до 50-

60°С нерационален в связи с работой поглотителя в этих условиях с

пониженной активностью.

С целью гарантирования непрерывности рекуперационного про-

цесса установка улавливания паров летучих растворителей должна

включать как минимум два адсорбера периодического действия (обыч-

но их число составляет от 3 до 6 и более).

Во избежание потерь растворителей с прошедшими очистку (от-

работанными, выхлопными) потоками процесс адсорбции можно про-

водить путем передачи паровоздушной смеси, прошедшей основной

адсорбер, в последовательно включаемый дополнительный адсорбер.

В этом случае каждый из этих двух адсорберов последовательно иг-

рает роль головного или хвостового аппарата. Такой прием несколь-

ко увеличивает расходы на транспорт паровоздушной смеси, но в

ряде случаев окупается снижением потерь улавливаемых раствори-

телей.

Периодичность переключения адсорберов рекуперационной ус-

тановки на ту или иную фазу технологического цикла определяется

графиком ее работы.

На рис. 1-39 в качестве примера представлена схема адсорбцион-

ного отделения работающей по двухфазному циклу установки улав-

ливания паров органических растворителей из паровоздушных сме-

сей, образующихся при окраске кож нитроэмалями.

В соответствии с этой схемой паровоздушную смесь с содержа-

нием паров растворителей (бутилацетат, бутиловый

спирт,

толуол или

бензол, этиловый спирт, ацетон) 5-6 г/м

вентилятором через кало-

150

риферы подают в адсорберы, заполненные активным углем АР-3, очи-

щают в них и выбрасывают в атмосферу через выхлопную трубу. В

начале процесса поглощения паровоздушную смесь в течение 2 ч

подают в слой горячего и влажного поглотителя подогретой до 50-

60°С, в течение последующего времени нагрев не производят (про-

цесс насыщения длится 8-12 ч). Таким образом, параллельно с по-

глощением паров растворителей из очищаемой паровоздушной сме-

си в течение первой фазы этого цикла проводят высушивание и ох-

лаждение поглотителя. По окончании адсорбции поглощенные ра-

створители удаляют из угля острым паром. В течение этой второй

фазы цикла температуру в адсорбере поддерживают между 115 и

118°С. Десорбцию прекращают при достижении плотности дистил-

лята, образующегося в конденсаторе, равной 0,966 г/см

. Дистиллят

(конденсат) из конденсатора через разделитель фаз и расслаиватель

передают в хранилище, откуда часть продукта возвращают непос-

редственно в производство, а часть перекачивают в отделение ректи-

фикации для дальнейшей переработки.

Развитие адсорбционного метода рекуперации паров летучих ра-

створителей в мировой практике идет в основном по двум направле-

ниям. Одно из них связано с аппаратурным оформлением рекупера-

В атмосферу

1 F

• QH

E= Q

—>

.-J- -

..-J

• •

В хранилище

Рис. 1-39 Схема адсорбционного отделения установки улавливания паров

органических растворителей из паровоздушных смесей процессов окраски

кож нитроэмалями: 1 — вентилятор; 2 — калориферы; 3 — адсорберы; 4 —

конденсатор; 5 — разделитель фаз; 6 — расслаиватель