|
|
Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
Глава XVII
Адсорбция
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ
Процесс поглощения газов (паров) или жидкостей поверх ностью твердых тел (адсорбентов) называется адсорбцией. Явле ние адсорбции связано с наличием сил притяжения между молеку лами адсорбента и поглощаемого вещества.
В промышленности адсорбцию применяют для отбензинивания попутных и природных углеводородных газов, при разделении газов нефтепереработки для получения водорода и этилена, осушки газов и жидкостей, выделения низкомолекулярных аро матических углеводородов из бензиновых франкций, для очистки масел и т. п. Явление адсорбции используется в хроматографии, в противогазах и т. д.
По сравнению с другими массообменными процессами адсорб ция наиболее эффективна в случае малого содержания извлекае мых компонентов в исходной смеси.
Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорб цию). При физической адсорбции молекулы адсорбента и погло щаемого вещества не вступают в химическое взаимодействие. При хемосорбции имеет место химическое взаимодействие молекул поглощаемого вещества с адсорбентом. Адсорбция — процесс экзотермический, т. е. идет с выделением тепла. Для газов и паров теплота адсорбции примерно равна теплоте их конденсации, а при адсорбции из растворов теплота адсорбции меньше.
ХАРАКТЕРИСТИКИ АДСОРБЕНТОВ
Адсорбенты — пористые твердые тела с сильно развитой по верхностью пор. Удельная поверхность пор может составлять от 200 до 1000 м2/г, а средний радиус пор от 0,2 до 10 нм. Адсор бенты применяют в виде таблеток или шариков размером от 2 до 6 мм, а также порошков с размером частиц от 20 до 500 мкм. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, сили кагель, алюмосиликаты, цеолиты и др. Цеолиты (молекулярные сита) — синтетические адсорбенты с регулируемым размером пор, представляющие собой алюмосиликаты натрия или калия.
Важной характеристикой адсорбентов является их активность, под которой понимают массу адсорбированного вещества на еди ницу массы адсорбента в условиях равновесия. Активность ад сорбента
a = l/g (XVII,1)
где I — масса поглощенных компонентов; g — масса адсорбента.
По отношению к разным компонентам смеси активность адсор бента различна. Так, парафиновые и нафтеновые углеводороды поглощаются в меньшей степени, чем ароматические. Сернистые соединения лучше сорбируются, чем содержащие их парафиновые и нафтеновые углеводороды. Непредельные низкомолекулярные углеводороды (этилен, пропилен) адсорбируются лучше, чем со ответствующие предельные их аналоги (этан, пропан). Вообще с увеличением размеров молекул (молекулярной массы) сорбируе- мость молекул обычно возрастает.
Адсорбенты характеризуются также временем защитного дей ствия, под которым понимают промежуток времени, в течение которого концентрация поглощаемых компонентов на выходе из слоя адсорбента не изменяется. При большем времени работы адсорбента происходит проскок поглощаемых компонентов, свя занный с исчерпанием активности адсорбента. В этом случае не обходима регенерация или замена адсорбента.
ИЗОТЕРМА АДСОРБЦИИ
Равновесие при адсорбции характеризуется определенной за висимостью ^яежду активностью адсорбента и парциальным давле нием или концентрацией вещества в смеси. Состояние равновесия описывается уравнениями Лэнгмюра
а = Aibc/(l -f be) (XVII,2)
и Фрейндлиха
a=A2cV (XVI 1,3)
где с—концентрация или парциальное давление адсорбируемого вещества; Aj, Л2, Ь и ф — коэффициенты и показатель степени, зависящие от природы адсор бента, адсорбируемого вещества и температуры.
Приведенные уравнения называются уравнениями изотермы адсорбции. Общий вид изотермы адсорбции приведен на рис. XVII-1.
Процесс адсорбции состоит из двух стадий; поглощения ве щества поверхностью адсорбента и диффузии вещества в порах адсорбента. При адсорбции сначала поглощаются все компоненты смеси, однако после достижения состояния насыщения будет
происходить обратный процесс — вытеснение молекул с меньшей степенью активности. Поэтому в слое адсорбента компоненты рас полагаются послойно по мере уменьшения их активности. При де сорбции компоненты выходят в обратном порядке. Это исполь зуется в препаративной и аналитической хроматографии.
АДСОРБЦИИ
Процессу адсорбции способствуют более низкие температуры, а для газов — повышенное давле ние. При удалении адсорбированных компонентов из адсорбента (при де сорбции), наоборот, следует повы шать температуру или понижать да вление для газовых смесей
Рис. XVII-1. Общий вид изотермы адсорбции.
МЕТОДЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА
В промышленности применяют следующие варианты процесса адсорбции: 1) с неподвижным слоем адсорбента; 2) с движущимся слоем адсорбента; 3) с псевдоожиженным слоем адсорбента.
На рис. XVI1-2 приведены указанные варианты осуществле ния процесса адсорбции.
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента (рис. XVI1-2, а) представляют собой вертикальные аппараты, заполненные грану лированным сорбентом. Исходная смесь пропускается через слой адсорбента. При этом поглощаются соответствующие компоненты смеси. После насыщения адсорбента стадия адсорбции прекра щается, и адсорбент должен быть регенерирован. Для регенерации через слой насыщенного адсорбента пропускают водяной пар, инертный газ, растворитель и др. Иногда регенерацию адсорбента проводят, выжигая поглощенные компоненты (например, смо листые вещества) в специальном аппарате.
Поскольку во время регенерации адсорбента процесс адсорб ции прекращается, для обеспечения непрерывной работы уста новки необходимо устанавливать несколько адсорберов, работа ющих по заданному циклу.
Адсорберы с движущимся слоем адсорбента (рис. XVI1-2, б) применяют для извлечения этилена из его смеси с водородом и метаном, для извлечения водорода из газов и т. п. В этом случае процесс осуществляют непрерывно. В качестве адсорбента часто применяют гранулированный активированный уголь. Для цир куляции адсорбента в системе применяют пневмотранспорт. В хо лодильнике 1 слой адсорбента охлаждается и затем поступает в адсорбционную секцию. Сырье вводят в среднюю часть адсорб ционной секции. В адсорбционной секции сырье движется в про тивотоке со слоем адсорбента. Непоглощенный газ выводится
через верхний сборник. Нижняя часть аппарата является десор- бером. Сюда подводится тепло через подогреватель 3, а также водяной пар. Десорбированные компоненты вместе с водяным паром выводятся через сборники газа в верхней части десорбера. Возможен вывод нескольких потоков десорбированных компонен тов, что позволяет осуществить предварительное разделение ком-
Рис. XV1I-2. Схемы основных способов осуществления процесса адсорбции:
а — неподвижный слой; J — корпус; 2 — адсорбент; 3 — опорная решетка; 4 — огра ничительная решетка; 6 — движущийся слой; 1 — холодильник; 2 — корпус; 3 — по догреватель; 4 — газодувка; 5 — распределитель; 6 — адсорбент; 7 — реактиватор; в — псевдоожиженный слой; / — корпус; 2 — контактная тарелка; 3 — переточное устройство; 4 — адсорбент.
понентов. Система пневмотранспорта с газодувкой 4 обеспечивает непрерывную циркуляцию адсорбента в системе.
Адсорберы с псевдоожиженным слоем адсорбента (рис. XVII-2, в) также позволяют осуществить непрерывный процесс адсорбции. Адсорбент в этом случае должен быть из мелких гранул (обычно не более 500 мкм). Адсорбер может иметь один или несколько кипящих слоев, обеспечивающих контакт фаз в противотоке (ступенчато-противоточные адсорберы). В таком адсорбере на специальных решетках (тарелках) 2 осуществляется взаимодей ствие между газом и порошкообразным адсорбентом, в результате этого адсорбент переводится в состояние высокой подвижности (псевдоожиженный слой). Через переточные устройства 3 адсор бент передается с одной контактной ступени на другую, двигаясь сверху вниз. Газ движется противотоком снизу вверх. Для от деления от унесенных частичек адсорбента газ перед выходом из адсорбера пропускают через циклоны.
Применение псевдоожиженного (кипящего) слоя позволяет интенсифицировать процесс массопередачи при адсорбции за счет уменьшения размера гранул и более активного обновления их контактной поверхности.
ОСНОВЫ РАСЧЕТА АДСОРБЕРА
При расчете адсорбера обычно пользуются эксперименталь ными данными по активности адсорбента для соответствующих компонентов смеси at. Общее количество поглощенных ком понентов в единицу времени
G=£Gi (XVII,4)
Если адсорбер имеет неподвижный слой, то при длительности процесса адсорбции хА будет поглощено следующее количество вещества:
(XVI 1,5)
Средняя активность адсорбента
a = '£tGlal/G (XVI 1,6)
Необходимое для адсорбции количество адсорбента равно
g = l/a = GTA/a (XVI 1,7)
Высота слоя адсорбента в адсорбере обычно не превышает 10 м при диаметре аппарата 2—3 м. Высота слоя лимитируется проч ностью гранул и сопротивлением слоя адсорбента. Скорость газа в свободном сечении аппарата порядка 0,1—0,2 м/с.
Расчет числа теоретических тарелок может быть выполнен с использованием изотермы адсорбции и рабочей линии по ана логии с расчетом других массообменных процессов (см. гл. XII).
РАЗДЕЛ 5
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
Глава XVIII
Разделение жидких неоднородных систем
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
К неоднородным относятся системы, которые состоят по край ней мере из двух различных фаз, одна из которых распределена в другой. Фаза, в которой распределена другая фаза, называется дисперсионной или сплошной, а распределенная в ней фаза — дисперсной. На практике могут встретиться различные сочета ния дисперсионной и дисперсной фаз. Так, в жидкости (сплошная фаза) могут находиться жидкие, твердые или газообразные вклю чения, в газе — жидкие и твердые частицы.
В зависимости от типа дисперсионной и дисперсной фаз раз личают следующие неоднородные системы:
эмульсия — система, состоящая из капелек одной жидкости, взвешенных в другой. Чтобы образовалась эмульсия, жидкости, ее составляющие, должны быть взаимно нерастворимыми;
пыль или дым — взвесь твердых частиц в газе;
туман — система, образованная взвешенными в газе капель ками жидкости;
пена представляет собой систему, состоящую из жидкой фазы, в которой распределен газ;
суспензия — жидкость, содержащая взвешенные в ней твердые частицы.
Неоднородные системы характеризуются концентрацией дис персной фазы, размерами ее частиц и их полидисперсностью. В зависимости от размеров частиц различают следующие типы суспензий: грубые — с частицами размером более 100 мкм, тон-
кие — с частицами от 0,5 до 100 мкм, мути — с частицами меньше 0,5 мкм и коллоидные растворы с частицами менее 0,1 мкм.
Полидисперсность характеризует процентное содержание ча стиц соответствующего размера в системе. Монодисперсные си стемы содержат частицы одинакового размера.
Для разделения неоднородных систем применяют различные способы, цель которых:
выделить из неоднородной системы соответствующие продукты или обеспечить очистку одной из фаз от содержащихся в ней при месей. Разделение жидких неоднородных систем может произво диться под действием различных сил: тяжести — отстаивание;
центробежной — центрифугирование, центробежная фильтра ция, очистка в циклонах и гидроциклонах;
электрической — электроочистка газов, электрообессоливание и обезвоживание;
давления — фильтрация.
Частицы размером менее 0,5 мкм под действием ударов молекул приобретают хаотическое движение, и их выделение отстаиванием практически невозможно.
ОТСТАИВАНИЕ
При отстаивании разделение неоднородных систем обуслов лено разностью плотностей взвешенных частиц и среды.
Законы осаждения частиц. Рассмотрим шарообразную частицу диаметром d, движущуюся со скоростью woc в неподвижной среде (рис. XVIII-1). На частицу действуют следующие силы:
g — ускорение
сила тяжести
где рт — плотность свободного падения;
G = pTgnd3/6 материала частицы;
подъемная сила (сила Архимеда) А = РжёлсГ^'б
где рж — плотность среды;
Рис. XVIII-I. Схема сил, действующих на частицу, движущуюся в поле силы тяжести.
сила сопротивления среды движению частицы, которая со гласно закону Ньютона равна
nd-
R =|р*
где | — коэффициент лобового сопротивления.
Если рх > рж, то частица движется вниз с ускорением, оса- ждаясь, а если рт < рж, то частица движется вверх, всплывая.
П Молоканов Ю. К-
Поскольку сила сопротивления R пропорциональна квадрату ско рости, очень скоро движение частицы из ускоренного переходит в равномерное, при котором равнодействующая всех сил становит ся равной нулю, т. е.
G—A—R=0
Такая скорость движения частицы называется скоростью оса ждения, и ее можно определить, подставив в вышенаписанное уравнение выражение для соответствующих сил. После преобра зований получим следующее уравнение для расчета скорости осаждения шарообразных частиц:
Юое = 1/4ГТЪ^£ж_._^.' (XVIII,1)
У з рж 5
Если частицы крупные и вязкость среды мала, то частицы приобретают большую скорость, вследствие этого будет иметь место вихреобразование (турбулентный режим). Силы трения в этом случае могут не приниматься во внимание.
При осаждении мелких частиц, а также в случае большой вязкости среды скорость движения частиц мала, вихри не обра зуются и основную роль играют силы трения (ламинарный ре жим).
— '
18
gda (рт рж)
(XVIII,2)
Промежуточный (переходный) режим характеризуется сопо ставимыми затратами энергии на вихреобразование и трение. Ре жим осаждения характеризуется величиной критерия Рейнольдса Re = £оосфж/р, rge р — динамическая вязкость жидкости. Для ламинарного режима Re < 0,2 и I = 24/Re, а скорость осажде ния определяется законом Стокса
При турбулентном режиме движения Re > 500, \ ^ 0,44 и скорость осаждения вычисляют по уравнению
(XVIII,3)
1,74 if -PiZTPy—
|
|
|
Скачать 2.36 Mb.