Адсорбция

Механизм выгрузки определяет скорость движения адсорбента по колонне  и сохраняет направление этой скорости в плоскости по всему  сечению колонны. Он состоит из трех описанных выше распределительных  тарелок с патрубками; две тарелки  неподвижны, а одна-средняя-движется. При возвратно-поступательном движении патрубки средней тарелки попеременно заполняются сорбентом, ссыпающимся с верхней тарелки, и разгружаются через патрубки нижней тарелки. Скорость циркуляции сорбента определяется частотой колебаний подвижной тарелки. Благодаря большому числу патрубков и равномерному их распределению в тарелках выгрузка сорбента с единицы площади сечения колонны везде одинакова, что определяет его плоскопараллельное движение.

Передача адсорбента из колонны в газлифт осуществляется через гидрозатвор, схема устройства которого показана на рис. 3.3.3. Гидрозатвор представляет собой высокую трубу 1 небольшого диаметра, заполненную сорбентом. В нижней части гидрозатвора установлен механизм выгрузки клапанного типа 2, который связан с указателем уровня, помещенным в верхней части гидрозатвора. Такая связь обеспечивает синхронность выгрузки обоими механизмами и заполненность гидрозатвора сорбентом. Гидрозатвор устраняет возможность перетока в колонну газа, подаваемого газодувкой в газлифт.

Рис. 3.3.3 - Схема устройства гидрозатвора:

- труба: 2 - механизм выгрузки; 5 - тарельчатый механизм;

- отпарная секция

 

Водяной холодильник 2 и  отпарная секция 7 выполнены в виде кожухотрубных теплообменников  высотой 0,4 м. Сорбент движется внутри трубок диаметром 25 мм, развальцованных в трубных решетках. Таких трубок в холодильнике 1335, а в отпарной секции-920. Реактиватор по конструкции аналогичен отпарной секции колонны.

Колонна имеет диаметр 1370 мм и общую высоту 26 м. Высота ректификационной секции 1520 мм. Рабочее давление 5,3 атм. Действительная скорость циркуляции адсорбента 8160 кгс/час; температура отпаривания 260°. Производительность установки 2108 нм3/час.

 

.4 Адсорбция  в кипящем (псевдоожиженном) слое

 

За последнее время  в ряде отраслей промышленности находит применение адсорбция в кипящем слое, которая по сравнению с адсорбцией в неподвижном слое имеет ряд преимуществ, а именно:

) при сорбции адсорбентом,  находящимся в псевдоожиженном  состоянии, вследствие интенсивного  движения частиц не происходит послойной отработки адсорбента;

) вследствие интенсивного  перемешивания частиц адсорбента  температура в кипящем слое  выравнивается и предотвращается  перегрев;

) адсорбент, находящийся  в псевдоожиженном состоянии,  оказывает относительно очень малое гидравлическое сопротивление;

) адсорбент представляет  собой текучую фазу, легко транспортируемую  из аппарата в аппарат.

Вместе с этим адсорбция  в кипящем слое имеет и свои недостатки:

) в кипящем слое  адсорбента отработавшие частицы  адсорбента смешаны с неотработавшими. Поток, выходящий из адсорбера, встретив отработавшие частицы адсорбента, может вызвать десорбцию, что отрицательно скажется на степени разделения газовой смеси;

) вследствие интенсивного  перемешивания частиц адсорбента  в кипящем слое происходит их истирание; поэтому к адсорбенту предъявляются особые требования по механической прочности;

) при интенсивном движении  частиц адсорбента в кипящем  слое усиливается эрозия стенок  аппарата.

На рис. 3.4.1 дана схема  колонного аппарата для адсорбции в кипящем слое, применяемого при разделении углеводородных газов. Колонна снабжена контактными колпачковыми тарелками, схема устройства которых представлена на рис. 3.4.2. Частицы адсорбента, движущегося по колонне сверху вниз, переходят с тарелки на тарелку по переточным стаканам 1. Газ, который поддерживает частицы адсорбента на тарелке в состоянии псевдоожижения, проходит снизу вверх через патрубки 2 с колпачками 3. Для большей турболизации кипящего слоя установлены вертикальные перегородки 4, а для осуществления теплообмена-пучок трубок 5, в которых в зависимости от условий процесса может протекать охлаждающий или нагревающий агент.

 

Рис. 3.4.1 - Схема колонного  аппарата для разделения газов адсорбцией в кипящем слое: 1 - выход непоглощенной части газа; 2 - корпус колонны; 3 - контактная тарелка; 4 - выход регенерированного адсорбента; 5 - выход фракции газа С3; 6 - выход фракции газа C2Рис. 3.4.2 - Схема устройства контактной тарелки колонного адсорбера с кипящим слоем: 1 - переточные стаканы; 2 - патрубки; 3 - колпачок; 4 - перегородки; 5 - теплообменные трубки

Колонна по высоте делится  на пять зон. Газ, подлежащий разделению, поступает по трубе под нижнюю тарелку первой-верхней зоны, в  которой протекает процесс адсорбции; свежий адсорбент подается в верхнюю часть этой зоны. В этой зоне из газовой смеси поглощаются углеводороды, содержащие два и три атома углерода, и небольшие количества метана. Непоглощенная часть газовой смеси, содержащей метан, водород, азот и двуокись углерода, удаляется из верха колонны по трубе 1. Так как процесс адсорбции в первой зоне колонны протекает с выделением тепла, тарелки этой зоны снабжены охладительными трубами, по которым протекает холодная вода.

Из первой зоны адсорбент  по переточному каналу поступает  во вторую, где поднимающийся с низа колонны инертный газ десорбирует из адсорбента метан; метан попадает в первую зону и уходит из колонны вместе с непоглощенной частью газа. Из второй зоны адсорбент поступает в третью, а затем в четвертую и пятую зоны. В третьей зоне происходит десорбция поглощенных газов с двумя углеродными атомами (фракция C2) и в четвертой - с тремя углеродными атомами (фракция С3). В пятой зоне адсорбент обрабатывается острым паром. Водяной пар выдувает из адсорбента углеводороды с тремя углеродными атомами. Адсорбент из пятой зоны выходит по трубе 4 и пневмотранспортом подается снова в верхнюю часть колонны.

 

Рис. 3.4.3 - Схема установки  для адсорбции и десорбции  в кипящем

слое: 1 - циклон; 2 - сепаратор; 3 - адсорбер; 4 - теплообменники;

, 6 - разгрузочные приспособления; 7 - десорбер; 8 - паровая

рубашка

 

На рис. 3.4.3 представлена схема установки для адсорбции  и десорбции в кипящем слое, состоящей из адсорбера 3 и десорбера 7. В адсорбер 3 через трубу подаются исходная газовая смесь и регенерированный адсорбент из десорбера. В адсорбере создается кипящий слой адсорбента, в котором происходит адсорбция поглощаемой части газового потока. Непоглощенная часть газового потока через сепаратор 2 и циклон 1 удаляется из аппарата.

Из адсорбера адсорбент через разгрузочное приспособление 5 поступает в трубопровод и газом или паром, используемыми для десорбции, увлекается в десорбер 7, в котором десорбция проводится также в кипящем слое. Десорбер снабжен паровой рубашкой 8. Газ после десорбции проходит через теплообменник, где отдает тепло выходящему из адсорбера адсорбенту. Выходящий из десорбера регенерированный адсорбент охлаждается в теплообменнике 4.

На рис. 3.4.4 представлена схема устройства адсорбера с  кипящим слоем.

 

Рис. 3.4.4 - Адсорбер с регулируемой высотой кипящего слоя:

- корпус адсорбера; 2 - регулятор давления; 3 - трубопровод  для

подачи регулировочного  газа; 4 - вспомогательный бак; 5 - выход

непоглощенной части  газа; 6 - крышка адсорбера; 7 - труба для  подачи

адсорбента; 8 - загрузочный бункер; 9 - труба; 10 - труба для подачи

исходного газа; 11 - разгрузочная труба

 

Адсорбер имеет специальное  приспособление для регулирования  высоты кипящего слоя. Этот аппарат  состоит из корпуса-резервуара 1, в  верхней части которого расположен открытый сверху вспомогательный бак 4. Свежий адсорбент загружается через бункер 8 по трубе 7 в вспомогательный бак. Снизу в вспомогательный бак подведена труба 3. по которой через регулятор 2 нагнетается газ, необходимый для псевдоожижения адсорбента в баке 4. Бак 4 установлен в трубе 9, прикрепленной к крышке адсорбера; открытый конец трубы находится в кипящем слое адсорбента (в резервуаре 1). Псевдоожиженный слой адсорбента из бака 4 по этой трубе переливается в резервуар. Исходная газовая смесь поступает в адсорбер по трубе 10 и создает кипящий слой в резервуаре 1. Скорость газового потока должна быть равна скорости витания ?вит. Освобожденная от поглощаемой части газовая смесь удаляется из адсорбера по трубе 5, а адсорбент, насыщенный поглощаемым газом, осаждается в нижней конической части резервуара и по трубе 11 удаляется из него.

Высота кипящего слоя в резервуаре колеблется в интервале  уровней А-В. Подачу газа в бак 4 рассчитывают таким образом, чтобы при достижении уровня А кипящий слой адсорбента переливался через край бака в резервуар в количестве большем, чем уходит по трубе 11. В результате количество адсорбента в резервуаре увеличивается и уровень кипящего слоя в нем повышается. При этом будет возрастать толщина слоя адсорбента, сопротивление которого должен преодолевать газ, подаваемый через трубу 5. Вследствие этого при постоянстве давления этого газа, поддерживаемом регулятором 2, расход его будет соответственно уменьшаться. По достижении кипящим слоем уровня Б расход газа сократится настолько, что подача адсорбента в резервуар прекратится, а это приведет к понижению уровня кипящего слоя в резервуаре. Разность уровней А и Б зависит от чувствительности регулятора и практически может быть доведена до 100 мм и менее.

Опытные данные показывают, что процесс адсорбции в кипящем слое характеризуется теми же закономерностями, что и адсорбция в неподвижном слое. Так, время защитного действия слоя меняется прямо пропорционально высоте кипящего слоя. Коэффициент защитного действия адсорбента зависит от скорости газового потока, начальной концентрации газовой смеси и физико-химических свойств системы.

При адсорбции в кипящем  слое можно принимать скорость газового потока в три-четыре раза большей  по сравнению со скоростью при  адсорбции в неподвижном слое и значительно интенсифицировать процесс адсорбции.

 

.5 Расчет адсорберов  периодического действия

 

В аппаратах периодического действия с неподвижным слоем  адсорбента высотой L процесс собственно сорбции протекает в две стадии. Первая стадия считается с момента  начала пропускания газовой смеси через слой адсорбента до полного насыщения нижних слоев адсорбента. В течение этой стадии на какой-то высоте слоя адсорбента L0, называемой работающей высотой, происходит полный переход распределяемого между фазами вещества из газовой фазы в адсорбент и газовая смесь выходит из адсорбера, будучи полностью освобождена от поглощаемого адсорбентом вещества.

При дальнейшей работе адсорбера  адсорбент постепенно насыщается поглощаемым  веществом и, наконец, наступает  момент, когда адсорбент перестает поглощать распределяемый между фазами компонент и начинается проскок этого компонента через слой адсорбента. Время от начала процесса до момента проскока называют временем защитного действия слоя адсорбента.

Количество поглощенного вещества может быть выражено следующим образом:

 

G=?faL (3.5.1)

и G=wyfaC0?' (3.5.2)

где L - высота слоя адсорбента в м;

fa - площадь поперечного сечения слоя адсорбента в м2;

wy - скорость газового потока в м/сек;

С0 - начальное содержание поглощаемого вещества в газовой фазе в кгс/м3;

?' - продолжительность поглощения при бесконечно большой скорости поглощения в сек.

Сравнивая два последних  уравнения, находим:

 

?'=?/wyC0*L (3.5.3)

 

Фактическое время защитного  действия ? слоя адсорбента длиной L всегда меньше ?'. Разность:

 

?0=?'- ? (3.5.4)

 

называется потерей  времени защитного действия.

Подставляя в последнее  уравнение значение ?' из уравнения, находим

 

?= ?/wyC0*L- ?0 (3.5.5)

или ?= K3L- ?0 (3.5.6)

 

где K3= ?/wyC0 - коэффициент защитного действия слоя.

Уравнение можно выразить и так:

 

?= K3(L- h) (3.5.7)

 

где h - величина, характеризующая неиспользованную статическую активность слоя адсорбента.

Соответственно потеря времени защитного действия слоя получится из равенства

 

?0= K3h (3.5.8)

 

Процесс адсорбции в  неподвижном слое адсорбента является неустановившимся, поэтому определение времени защитного действия слоя адсорбента и изменения концентрации газа по высоте слоя представляет собой весьма сложную задачу.

Связь между концентрацией  газовой смеси в любой момент времени и высотой слоя адсорбента выражается уравнением:

 

(3.5.9)

 

а между равновесной  концентрацией в каждый данный момент времени и высотой слоя адсорбента уравнением

 

(3.5.10)

 

где С - содержание поглощаемого компонента в газовой фазе в любой момент времени ? на высоте слоя L в кгс/м3;

С0 - содержание поглощаемого компонента в газовой фазе при входе в адсорбер в кгс/м3;

Ссравн. - равновесная концентрация газовой фазы в кгс/м3;

J0(2i?xz) - функция Бесселя первого ряда и нулевого порядка.

x=KvL/wy (3.5.11)

z=Kv/A(?-L/wy) (3.5.12)

 

где Kv - коэффициент массопередачи в кгс/м3 час кгс/м3;

L - высота слоя адсорбента в м;

wy - скорость газовой фазы, отнесенная к общему поперечному сечению слоя адсорбента, в кгс/м3;

А - константа из уравнения изотермы. Допуская линейную зависимость между концентрацией газа и поглощенным количеством вещества, числовое значение А можно найти из уравнения ?=АС'равн.;

? - длительность процесса адсорбции в сек.

 

i=?-1 (3.5.13)

 

Значения C/C0 и С'равн/ С0, вычисленные согласно формулам, по значениям x и z, даны в виде кривых на рис. 3.5.1.

Продолжительность адсорбции  при заданной толщине слоя адсорбента и начальной концентрации газа определяется в зависимости от того, к какому участку кривой изотермы адсорбции  относятся заданные концентрации газовой смеси.

Для первой области изотермы адсорбции зависимость между ? и Срав - приближенно может быть признана линейной, т. е. можно допустить, что в этой области изотерма приблизительно отвечает закону Генри:

 

?=ГСрав (3.5.14)

 

где Г - безразмерный коэффициент, равный отношению ?0/ ?0:

?0 - количество поглощенного вещества, равновесное с концентрацией вещества в газовом потоке.

В этом случае длительность адсорбции определяется из уравнения:

(3.5.15)

где (3.5.16)

 

Функция Крампа Ф(z) представляет собой выражение:

 

(3.5.17)

 

где С - содержание поглощаемого вещества в газовой фазе при выходе из адсорбера в кгс/м3.

Числовые значения функции  Крампа в зависимости от величины z, находят по таблицам.

 

Рис. 3.5.1 - Зависимость  отношений С/С0 и Сравн/С0 от значений х и z (на

кривых указанна величина х)

 

Во в торой области  изотермы адсорбции зависимость  между ? и Сравн - выражается кривой, выпуклой по отношению к оси абсцисс. В этом случае приближенно длительность адсорбции определяется по уравнению