Диссертация (Совершенствование конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха для кабельных линий связи), страница 14

Причем две системы одного и того жесостава с одинаковой удельной поверхностью могут оказаться энергетическинеравноценными [10,129].Это позволяет констатировать, что количественные характеристики изотермадсорбции паров воды на силикагеле, включая значения производной изотермыадсорбциииэкспериментальныесовершенствованиисистемметодыподготовкиихсжатогоопределенияпривоздуха,являютсяизотермадсорбциинеоднозначными и начинают играть определяющую роль.Экспериментальноеопределениехарактеристикосуществляют статическими и динамическими методами, которые детальнорассмотрены в работах [36,50,111].

Однако большинство из них пригодно дляприменения только в специальных лабораторных условиях.82Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время отсутствуютэффективные методы объективного входного контроля характеристик изотермадсорбциипаровводынасиликагелепригодныедляприменениянепосредственно в эксплуатационных условиях КСУ. Это позволяет отнестиданную проблему к одной из основных задач прикладных исследованийнастоящей работы.Применительно к КСУ, с учетом отсутствия контроля температурыокружающей среды их рабочих помещений, эта задача становится еще болееактуальной, поскольку в этом случае количественные характеристикивлагоемкости силикагеля в зависимости от влагосодержания осушаемоговоздуха могут изменяться в достаточно широких пределах.По данным работы [62], при повышении температуры от 20оС до 40оСадсорбционнаяспособностьсиликагеляуменьшаетсяв2,7раза.Соответственно, даже по оптимистичным оценкам, при температурах более40оС, в части обеспечения требуемого уровня промышленной чистоты воздуха,многие существующие типы КСУ с использованием силикагеля не способны вполном объеме выполнять возложенные на них функции.

Аналогичноеутверждение может быть выдвинуто и в отношении других загрязненийсжатого воздуха, прежде всего компрессорного масла, его следов и продуктових разложения.В результате возникает задача определения предельных характеристикизотерм адсорбции паров воды на силикагеле, применение которого допустимов эксплуатационных условиях конденсационно-адсорбционных установокподготовки воздуха. При этом в приложении к процессам осушки воздуха, сприменением силикагеля для оценочного пересчета известных изотермадсорбции на другие температуры в практике инженерных расчетов можноиспользовать известное свойство. Это свойство заключается в том, что припостояннойотносительнойвлажностигазавлагоемкостьсиликагеляприблизительно постоянна, вне зависимости от температуры, при которой83происходит процесс поглощения [50].

Вместе с тем данное положение требуетэкспериментальной проверки в реальных условиях эксплуатации.Изотермы адсорбции являются статическими характеристиками, однакоосушка воздуха в КСУ осуществляется в динамических условиях [36,50].Поэтому в методиках расчета и управления установками необходимо введениехарактеристик, определяющих работу слоя силикагеля в динамическихусловиях.Автор работы [36] отмечает, что динамическая активность адсорбентовпредставляет собой сложную функцию и, в основном, зависит от двухфакторов:статическойактивностиадсорбентаискоростиадсорбцииадсорбтива из потока газа.Первый фактор имеет относительно простую физическую природу идостаточно легко измеряем [35].

Он неразрывно связан с видом изотермыадсорбции и в значительной мере определяет динамическую активностьсиликагеля[50],традиционнохарактеризующуюколичествовлагипоглощенной до момента «проскока» и отнесенное к массе всего адсорбента вадсорбере.Второй фактор – кинетический, он слагается из сочетания ряда процессов, втом числе из кинетики сорбционных процессов снаружи и внутри зернасорбента, скорости движения потока, проходящего через адсорбер и т.п.,которыми при осушке воздуха силикагелем обычно пренебрегают [95].Количественные характеристики скоростей потока воздуха в адсорберах сприменением силикагелей хорошо изучены и не противоречат друг другу[23,50] (Рисунок 1.11).Допустимый интервал изменения скоростей потока для силикагелейдостаточно широк, как правило, от 0,05 до 0,2 м/с [23,50].

При этом, по меревозрастанияскорости,примерно на 30-40%.динамическаяактивностьсиликагеляснижается84ад, % (масс)302010т.р. -40т.р.000,050,070,090,110,130,150,17скорость,0,190,21м/сРисунок 1.11. Влияние скорости потока на динамическую активностьсиликагеля в зависимости от требуемых значений температуры точки росыВ практике инженерных расчетов адсорберов пневматических систем, приизменении давления в пределах Рmax/Pmin ≤ 4, представленные результатыпозволяют исключить из рассмотрения процессы газодинамики и использоватьв расчетах осредненные значения расходных характеристик.

При этом скоростьгаза считают постоянной величиной и обычно принимают равной на уровне0,1 м/с – при подводе воздуха сверху и на уровне 0,05 м/с – при подводевоздуха снизу слоя сорбента [23].Однако в процессах КБА это не исключает необходимости сниженияскоростей потока в адсорбере на начальных стадиях его работы. Кроме того,появляется возможность использования высоких скоростей потоков вадсорберах БОА для контроля предельных значений влажности воздуха.На динамическую активность силикагеля существенное влияние оказываютотносительная влажность воздуха, подаваемого в адсорбер, и величинапроскоковой концентрации на выходе из него (Рисунок 1.12) [50].ад, % (масс)3020т.р. -60т.р.

-40т.р.0100010203040506070φ,80%Рисунок 1.12. Влияние относительной влажности воздуха на входе вадсорбер на динамическую активность слоя силикагеля85Результаты получены на слое силикагеля высотой 1 м при температуреосушаемого потока 20оС для соответствующей температуры точки росы.Согласно данным Рисунка 1.11, применительно к КСУ, динамическуюактивность силикагеля можно оценить на уровне 20% по массе.В то же время представленные тем же автором [50] данные зависимостидинамическойактивностимелкопористогосиликагеляоттемпературыосушаемого воздуха показывают (Рисунок 1.13), что при скоростях потока0,15 м/с и проскоковой концентрацией на уровне температуры точки росыминус 60оС для высоты слоя силикагеля 0,5 м подобная динамическаяактивность достигается при температурах осушаемого воздуха около 0оС.ад, % (масс)2016128400204060oCt,80Рисунок 1.13. Зависимость динамической активности мелкопористогосиликагеля от температуры осушаемого воздухаПредставленные данные свидетельствуют, что на начальной стадииэксплуатации КСУ можно рассчитывать на динамическую активность чистогосиликагеля порядка 18% масс.

при температуре 20оС и около 10% масс. притемпературе30оС,чтопримерносоответствуетзаявляемымданнымпроизводителей [143].Таким образом, можно сделать вывод, что величина динамическойактивности представляет собой комплексную характеристику процесса,зависящую от температуры его проведения, длины слоя силикагеля, влажностивоздуха на входе в адсорбер, проскоковой концентрации, скорости потокавоздуха в адсорбере и ряда других характеристик.В частности, динамическая активность слоя силикагеля по влаге зависит отразмера зерна [50]. Экспериментальная оценка влияния размера зерна на86динамическую активность мелкопористого силикагеля с длинной слоясорбента 0,3 м при 20оС и относительном влагосодержании воздуха 75-80%представлена на Рисунке 1.14.ад, мг/см3190140900,15 м/с0,1 м/с4000,511,522,533,5 d, мм4Рисунок 1.14.

Влияние размера зерна на динамическую активность слоя(0,3 м) силикагеля КСМНесмотря на то, что увеличение размера зерна в 4 раза (от 1 до 4 мм)приводит к снижению динамической активности слоя силикагеля примерно в 2раза, использование крупного мелкопористого гранулированного силикагелямарки КСМ (Г), с гранулометрическим составом зерен в диапазоне 2-7 мм иегоаналоговвэксплуатационныхусловияхКСУследуетпризнатьдопустимым.Следует особо подчеркнуть, что представленные выше данные получены влабораторных условиях без учета реальных эксплуатационных особенностейработы слоя силикагеля с применением феноменологических методовисследования и носят ограниченный характер, поскольку справедливы толькодлятехдиапазоновизмененияпараметров,вкоторыхонибылизарегистрированы, и возможность их распространения на другие условия идиапазоны применения следует признать неоднозначной.Этопозволяетсделатьвывод,чтоиспользованиеимеющихсяэкспериментальных результатов, полученных в лабораторных условиях, непозволяет однозначно применить их при расчетах адсорбционной части БОА сприменениемпроцессовКБАитребуетпроведениядополнительныхисследований в реальных условиях эксплуатации установок.

При этом87возникает необходимость введения в рассмотрение теоретических основопределения самих количественных характеристик протекающих процессов.При анализе фронта адсорбции скорость его перемещения частоопределяют зависимостью [50]:Wф Wz c0,a*(1.27)где Wг – скорость газового потока, с0 – концентрация адсорбтива в газе, а* –предельная величина адсорбции.При этом слой адсорбента можно условно разделить на три зоны:полностью отработавший слой L1, работающий слой L0 и еще не вступивший вработу слой L2 (Рисунок 1.15а).В момент времени, когда фронт адсорбции перемещается в концевой слойадсорбента, а величина на выходе из адсорбера достигает проскоковойконцентрации определяется время защитного действия слоя адсорбента(Рисунок 1.15б).сс0а)L1L0L2Lб)АBЕDCLРисунок 1.15.