Конструкции адсорбционных аппаратов

 

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно – в аппаратах с движущимся или кипящим слоем. Адсорбция – один из немногих процессов, когда полунепрерывные режимы (неподвижный слой сорбента и дви­жение через него потока сплошной среды) вполне конкуренто­способны с непрерывными. Целиком периодические процессы в промышленности используются нечасто (преимущественно при сорбции распределяемого компонента из отдельных порций жидкости). В полунепре­рывных и периодических процессах стадии адсорбции, десорб­ции и активации обычно проводят поэтапно в одном и том же аппарате.

Следует отметить, что десорбция является важной стадией всего адсорбционно-десорбционного цикла, в значительной мере определяет экономику разделения и очистки газовых или жидких смесей (примерно 60–70 % всех энергозатрат приходится на стадию десорбции).

К числу основных методов проведения процесса десорбции можно отнести высокотемпературную и вытеснительную (так называемую холодную) десорбцию.

Первая осуществляется путем нагревания слоя адсорбента при пропускании через него десорбирующего агента (горячий воздух, инертный газ) или контактным нагревом (через стенку аппарата), в результате чего происходит выделение поглощенного компонента; вторая – путем вытеснения из адсорбента поглощенного вещества другим компонентом (например, водой).

Применение того или иного метода определяется спецификой адсорбционно-десорбционного процесса. Если поглощаемый адсорбентом компонент не является пожаро- и взрывоопасным, а также не разлагается и не полимеризуется при повышенных температурах, то наиболее рациональным методом является высокотемпературная десорбция. Если адсорбент наоборот пожаро- и взрывоопасен и т. д., вследствие чего происходит быстрое отравление адсорбционного производства и засорение целевого компонента продуктами распада, то применяется вытеснительная десорбция, проводимая при температуре 30–80 ⁰С.

В качестве десорбирующих агентов в промышленной практике используют острый насыщенный или перегретый водяной пар, пары органических веществ, а также инертные газы (например, азот). При этом десорбция может проводиться с наружным обогревом аппарата или без него, при атмосферном или повышенном давлениях.

При высокотемпературной десорбции цеолитов и силикагеля от водяных паров через них пропускают воздух с температурой примерно равной 200 ⁰С для силикагеля, 300–400 ⁰С – для цеолитов.

Химическую регенерацию проводят обработкой адсорбента жидкими или газообразными реагентами при умеренных температурах (t < 100 ⁰C).В качестве реагентов используют кислоты, щелочи, различные окислители.

После проведения процесса десорбции следующей стадией восстановления адсорбционной способности (регенерации) адсорбентов является стадия охлаждения.

Адсорбционные процессы в аппаратах периодического действия с неподвижным слоем адсорбента могут проводиться по 4-х, 3-х и 2-х стадийным способам.

4-х стадийный способ: адсорбция, десорбция, сушка адсорбента, охлаждение.

При 3-х стадийном способе отсутствует охлаждение, например, при этом способе адсорбент охлаждается воздухом, поступающим после стадии адсорбции.

2-х стадийный способ осуществляется без выделения стадией сушки и охлаждения адсорбента. При этом различают способ с совмещением сушки и охлаждения со стадией адсорбции.

Из конструкций абсорбционных аппаратов с неподвижным слоем абсорбента наибольшее распространение получили цилиндрические адсорберы вертикального (рис. 5.3 б) и горизонтального типов (рис. 5.3, в). Абсорберы со слоем поглотителя кольцевого сечения (рис. 5.3, а) используются сравнительно реже.

 

а) б)

в)

 

Рис. 5.3. Адсорберы периодического действия

с неподвижным слоем поглотителя:

а) кольцевой; б) вертикальный; в) горизонтальный; 1– гравийная засыпка;

2 – люк для выгрузки поглотителя; 3 – штуцер для отвода паров при десорбции; 4 – штуцер для подачи парогазовой смеси (при адсорбции) и воздуха

(при сушке и охлаждении); 5 – люки для загрузки поглотителя;

6 – корпус; 7 – адсорбент; 8 – опорная колосниковая плита;

9 – штуцер для отвода отработанного газа (при адсорбции) и воздуха

(при сушке и охлаждении); 10 – штуцер для отвода конденсата; 11 – барботер;

12, 13 – внутренняя и внешняя цилиндрические решетки

Установкам с неподвижным слоем адсорбента присущи следующие недостатки: большие энергетические затраты на преодоление гидравлического сопротивления адсорбента в аппарате и на проведение стадии десорбции; малая производительность установки по газу и жидкости, определяемая небольшими допустимыми скоростями потоков в адсорберах (w_г = 0,1–0,5 м/с, w_ж =
= 0,001–0,005 м/с); неполная степень отработки адсорбционной емкости адсорбента в слое и низкое использование объема аппарата; значительные производственные площади, занимаемые рядом адсорберов и многочисленным вспомогательным оборудованием; сложность автоматизации проводимых процессов.

Адсорбционные процессы в аппаратах непрерывного действия разрабатываются по пути создания установок с движущимся и взвешенными слоями адсорбента.

Аппараты с движущимся зернистым адсорбентом подразделяются на аппараты типа полых колонн и аппараты с механическими транспортными приспособлениями. Полые колонные аппараты применяют преимущественно для адсорбции из газовой фазы, аппараты второго типа – для адсорбции из жидкой фазы. Колонный адсорбционный аппарат с движущимся слоем адсорбента приведен на рис. 5.4. В колонну встроены холодильник 1, подогреватель 7 и распределительные тарелки 2.

 

Рис. 5.4. Колонный адсорбер с движущимся слоем адсорбента: 1 – холодильник; 2 – распределительная тарелка; 3 – адсорбционная секция; 4 – распределительное устройство для исходной парогазовой смеси; 5 – патрубок для ввода исходной парогазовой смеси; 6,10 – патрубки для ввода и вывода теплоносителя; 7 – подогреватель десорбционной секции; 8 – затвор-отводчик адсорбента; 9 – распределительное устройство для острого водяного пара; 11 – патрубок для продуктов десорбции; 12 – патрубок для отвода непоглощеной части парогазовой смеси; 13, 14 – патрубок для ввода и вывода охлаждающей воды; 15 – патрубок для ввода острого водяного пара

Зернистый стержнеобразный адсорбент, вводимый в аппарат, движется сверху вниз. Скорость движения регулируется внизу затвором-отводчиком 8. При движении сверху вниз адсорбент вначале охлаждается в трубах холодильника 1, затем взаимодействует с исходной парогазовой смесью, которая поступает через патрубок 5. Непоглощенная часть парогазовой смеси отводится через патрубок 12.

Затем адсорбент нагревается в трубчатом подогревателе 7 десорбционной секции и, опускаясь вниз, взаимодействует с вытесняющим веществом - острым водяным паром, после чего выводится через патрубок 15. Регенерированный адсорбент удаляется из аппарата через затвор-отводчик 8. Продукты десорбции отводятся из аппарата вместе с вытесняющим веществом через патрубок 11. Распределительные тарелки 2 препятствуют смешению парогазовых потоков адсорбционной и десорбционной секцией.

Аппараты с механическим транспортированием адсорбента приведены на рис. 5.5 и 5.6.

 

Рис. 5.5. Схема адсорбера с перфорированными шнеками:

1 – корпус; 2–4 – перфорированные шнеки

 

В качестве транспортирующих приспособлений могут использоваться перфорированные шнеки или элеваторы с перфорированными ковшами. В первом аппарате (рис. 5.5) адсорбент поступает в левую секцию аппарата и шнеком 3 перемещается вниз. Шнеком 2 он подается в правую секцию, и шнеком 4 поднимается вверх и удаляется из аппарата. Поток жидкости, содержащей адсорбируемое вещество, перемещается через аппарат в направлении, обратном движению адсорбента.

Аналогично работает аппарат с ковшовым элеватором, приведенный на рис. 5.6. Адсорбент поступает в верхнюю часть колоны 1, проходит вниз и через разгрузочный патрубок направляется в ковшовый элеватор 2. Затем адсорбент захватывается перфорированными ковшами, поднимается вверх и удаляется из элеватора. Жидкость, содержащая адсорбируемое вещество, перемещается противотоком адсорбенту. Она вводится в верхнюю часть элеватора, проходит вниз и поступает в колонну 1 аппарата, из которой выходит через патрубок, расположенный в верхней части.

 

Рис. 5.6. Схема адсорбера с ковшовым элеватором:

1 – колонна; 2 – ковшовый элеватор с перфорированными ковшами

 

Аппараты с псевдоожиженным пылевидным адсорбентом. Такие аппараты выполняются одноступенчатыми или многоступенчатыми.

Одноступенчатый адсорбер приведен на рис. 5.7. Он представляет собой цилиндрический вертикальный корпус 1, внутри которого смонтированы газораспределительная решетка 2 и пылеотводящее устройство 3 типа циклона. Адсорбент загружается в аппарат сверху через трубу и выводится через трубу снизу. Рабочий газ вводится в адсорбер через нижний патрубок и выводится через верхний.

Многоступенчатый адсорбер приведен на рис. 5.8. Адсорбер представляет собой колонну 1, в которой смонтированы газораспределительные решетки 2 с переливными патрубками 3, выполняющими одновременно функции затворов для газового потока.

Адсорбент поступает в верхнюю часть аппарата и перетекает со ступени на ступень сверху вниз. В нижней части адсорбент выгружается через затвор-отводчик 4. Рабочий газ поступает в адсорбер снизу и удаляется через верхний патрубок.

Многоступенчатый адсорбер отличается от одноступенчатого тем, что он работает по схеме, близкой к аппаратам идеального вытеснения. Это позволяет проводить процессы по противоточной схеме и наиболее эффективно использовать движущую силу процессов.

Внедрение в промышленность аппаратов с движущимся и псевдоожиженным слоем сдерживается из-за недостаточной прочности адсорбентов, подвергающихся в псевдоожиженном и движущихся слоях интенсивному измельчению.

			Рис. 5.8. Схема многоступенчатого адсорбера с псевдоожиженным слоем: 1 – колонна; 2 – газораспределительная решетка; 3 – переливной патрубок; 4 – затвор-отводчик

 

Сушка

 

Сушка – это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла. Этим сушка отличается от других методов удаления влаги, например, путем поглощения ее химическими реагентами или механического отделения. Цель сушки – улучшение качества материала (снижение его объемной массы, повышение прочности) и в этой связи увеличение возможностей его использования. Например, твердое топливо подсушивают для повышения теплоты сгорания, улучшения процесса горения, древесину – для увеличения прочности, предохранения от гниения и плесени, другие изделия – для облегчения обработки, увеличения долговечности, предотвращения усадки (сжатия), искривления и растрескивания.

В некоторых случаях перед сушкой материалов целесообразно предварительное обезвоживание их механическим или физико-химическим способом. Механическое обезвоживание (отжим, фильтрование) может широко применяться в тех или иных технологических процессах в зависимости от структуры материала и включать в технологическую схему специальные аппараты – прессы, центрифуги, вакуум-фильтры.

Механическое обезвоживание материалов более экономично, чем тепловая сушка, однако оно применимо только для материалов, допускающих деформацию. При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случаев является недостаточным, т. к. оно обеспечивает только частичное удаление свободной влаги (до 40–60 %). Поэтому часто комбинируют различные способы удаления влаги. В химической промышленности, например, после выпаривания применяют сушку, достоинством которой является возможность получения материала с любой конечной влажностью.

В химической и нефтехимической промышленности, где технологические процессы протекают, в основном, в жидкой фазе, конечные продукты имеют вид паст, зерен, крошки или пыли. Все это обуславливает выбор соответствующих методов сушки.

Сушку материалов можно производить естественным и искусственным путями. Естественная сушка производится за счет тепла наружного воздуха. Это и является основным недостатком естественной сушки в сравнении с искусственной, так как появляется зависимость продолжительности процесса от времени года. При естественной сушке материал высушивается до влажности, близкой к равновесной, соответствующей параметрам окружающего воздуха, которая в большинстве случаев является недостаточной для последующей технологической обработки материалов. Несмотря на кажущуюся простоту и относительную дешевизну, естественная сушка в химических и нефтехимических производствах не применяется.

Искусственная сушка материалов производится в специальных устройствах – сушилках, в которых сушильный агент, поглотивший пары влаги, отводится искусственным способом: при помощи вентиляторов, инжекторов, вытяжных труб и других устройств.

Механизм сушки влажных материалов определяется, в основном, формой связи влаги с материалом и способом сушки. В основу классификации формы связи влаги с материалами принята схема, предложенная П.А. Ребиндером. Согласно этой схеме различают химическую, физико-химическую и механическую связи влаги с материалами. Физико-химическая связь, в свою очередь, подразделяется на адсорбционную и осмотическую, к которой также относят и структурную влагу. Механическая связь может быть подразделена на связь в макрокапиллярах и микрокапиллярах.

При сушке удаляется физико-химически- и механически-связанная влага. Химически связанная влага обычно не удаляется, так как это могло бы привести к разрушению материала. Задачей сушки в большинстве случаев является удаление влаги с сохранением всех ценных физико-химических свойств и качеств материала.

Наиболее распространены в химической технологии конвективный и контактный методы сушки. При конвективной сушке тепло передается от теплоносителя к поверхности высушиваемого материала. Теплоносители – воздух, инертные или дымовые газы. При контактной сушке тепло передается через обогревательную перегородку, соприкасающуюся с материалом. Несколько реже применяют радиационную сушку (инфракрасными лучами) и сушку электрическим током (высокой или промышленной частоты). Сублимационная сушка в химической технологии практически не получила распространение.

В технике и химической технологии сушку осуществляют двумя основными способами:

– нагреванием влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем (воздух, топочные газы и др.) – газовая или конвективная сушка (рис. 6.1, а);

– нагреванием влажных материалов через твердую перегородку – контактная сушка (рис. 6.1, б).

Рис. 6.1. Принципиальные схемы сушки:

а) конвективная; б) контактная; 1 – вентилятор; 2 – калорифер;

3 – сушильная камера