Страус В. - Промышленная очистка газов (1044946), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Другими существенными характеристиками твердых вептеств, используемых в качестве адсорбентов, являются твердость, склонность к слеживанию при загрузке в башшо и механическая прочность во время траз1опортиронания н загрузки в контейнер. И уголь, и глинозем, и силикагель обладают этими свойствами. Кроме того, к твердому веществу предъявляются требования простоты регенерации после насыщения газом и многократного использования. Адсорбция газа на поверхности твердого тела проходит в 11есколько стадий. Первой стадией является перенос молекул газа к внешней поверхности твердого вещества, и эта стадия ана.чогична диффузии молекул газа через стационарный слой к границе раздела фаз газ — жидкость ари абсорбции (раздел 2, с.
107 сл). Скорость переноса Ул для этой стадии выражается уравнением, подобным уравнению (Ш.23), с соответствующими допусками, учитывающими форму адсорбонта (гранулы): огА = йг (Р Рй АРЕ (111.53) Рэ где лг — коэффициент массопереноса (газ — твердая иоверхиость); А„— площадь висшисй иоверхности твердого тела; ~ — объем пустот между гранулами; рэ — насыпная плотность загружаемого адсорбента; р, р~ — варциальные давления газа в объеме и на поверхности соответственна. Коэффициент массопереноса может быть найден из уравнения, подобного (Ш.26) 1'9421: ~ Р (Гпр т-э,ы ~ р (-е,эг (111.54) 157 где 0 — средняя линейная скорость газа ио отношению к поверхности; р — вязкость газа; р — плотность газа; 11 — коэффициент диффузии адсорбируемого газа; Р, †эквивалентн сферический диаметр гранул, т. е.
диаметр сферы того же объема, что и гранула Вторая стадия адсорбции заключается в том, что молекулы газа проникают в поры твердого вещества, третьей стадией является собственно адсорбция молекулы в определенной области поры. Иногда после адсорбции молекулы проникают через твердое тело путем внутренней диффузии, но эта стадия не влияет на скорость адсорбции. Собственно адсорбция в порах протекает очень быстро по сравнению с двумя первыми стадиями. Скоростьдиффузии вдоль поры определяется коэффициентом диффузии в поре Е>я, который может быть найден из следующего уравнения [922) для случаев, когда поры меньше среднего свободного пробега молекул )'~Х Оо = 2 (1 — ехр( — йгн/ЗО)) (111.55) где г — средний радиус иор; и — средняя скорость молекул (уравнение 111.3); Х вЂ” внутренняя пористость твердых гранул.
Процесс адсорбции сопровождается выделением тепла. В случае чисто физической адсорбции выделяемое тепло равно теплоте конденсации. При химической адсорбции количество выделяющегося тепла больше. Удаление молекул с поверхности требует подвода тепла к поверхности для «выбивания> (испарения) молекул В случае хемосорбции это может означать, что вместе с десорбирующимися молекулами могут быть удалены некоторые атомы твердого тела, что ведет к изменению природы поверхности. Это может привести к уменьшению или увеличению адсорбционной способности. Уравнение (1П.53) показывает, каким образом перенос молекул из объема газа зависит от размеров и формы молекул, пустот между гранулами и движущей силой, Последняя функция представляет собой разницу между концентрациями удаляемой примеси в объеме газа и на поверхности твердого тела, которая в свою очередь зависит от достигнутой степени насьпцения.
Уравнение (П1.54) показывает зависимость коэффициента массопереноса от скорости газа, а также от свойств газа-носителя и коэффициента диффузии адсорбируемого газа, тогда как коэффициент диффузии в порах 1уравнение (П1.55)1 является в основном функцией внутренней пористости у и общего коэффициента диффузии.
Чтобы определить, какая стадия — первая или вторая — влияет на скорость всего процесса, необходимо знание свойств всей системы, что возможно только в редких случаях. Поэтому практически нельзя избежать эмпирических методов проектирования. Здесь будут рассмотрены наиболее распространенные адсорбенты и газы, для очистки которых они используются, а также типы установок. Адсорбенты могут быть разделены на три группы: неполярные твердые вещества, где происходит в основном физическая адсорбция; полярные твердые вещества, где происходит химическая адсорбция без изменения химической структуры молекул газа и поверхности адсорбента; поверхности с чисто химической адсорбцией, которые десорбируют молекулы газа после химической реакции — либо каталитической, когда поверхность ие претерпевает изменений, либо некатали.
тической с атомами адсорбента, причем требуется их замещение. Неаоляряые адеорбеяты. Уголь Единственным материалом в группе неполярных твердых вешеств, имеюшим промышленное значение, является уголь, состоящий практически полностью из нейтральных атомов одного вида н имеюший поверхность с равномерным распределением зарядов на молекулярном уровне без градиента потенциалов. На такой поверхности не наблюдается преимущественная фиксация полярных молекул по сравнению с неполярными, поэтому углерод оказывается очеяь эффективным материалом для адсорбции неполярных орга- мических молекул, особенно при температурах, близких к их точке кипения. Даже в присутствии,паров !воды в ~потоке газа будет происходить предпочтительная адсорбция органических молекул, поскольку полярные молекулы воды притягиваются гораздо сильнее друг к другу, чем к неполярпой поверхности угля.
Таким образом, большие органические молекулы абсорбируются очень легко, меньшего размера органические и большого неорганические молекулы — менее легко, а неорганические молекулы весьма малого размера — еше хуже, молекулы газов с очень низкой температурой кипения («постоянные газы») адсорбируются очень плохо. Ниже 156! приведена классификация веществ в зависимости от легкости адсорбции на активированном угле (кора кокосовых орехов): 1 группа веществ характеризуется высокой сорбируемостыо 11 фунт угля поглощает в количестве до боте своей массы); 11 группа веществ — удовлетворительной сорбируемостью (поглощение ! Π— 25Ы; Ш группа веществ — слабой сорбируемосгью; 1Ч группа веществ в низкой сорбируемостью. В качестве примера можно привести следующие весьма распространенные вещества: к 1 группе относятся, например, уксусная кислота, спирты, бензол и толуал. зтклапетат, а также сигаретный дым, выхлопные автомобильные газы и дрх ко П группе — апетон, акролеин, хлор, сероводород, растворители, а также пары анестезирующих веществ и дрх к Ш группе — аиетальдегнд и формальдегнд, пропав и бутан, амины и дрх к 1ч' группе — оксиды углерода, зтилен и др.
Активированный уголь (часто называемый древесным углем, поскольку его получают из дерева) образуется при пирогенном разложении (пиролизе) подходящих сортов каменного угля или дерева в специальных ретортах. Сырьем могут быть также лигниты, битуминозные угли и скорлупа орехов. Один из самых чистых углей получают из Епса1ур(пз Магп(па1а (Австралийская джарра); он отличается очень низким содержанием м~инеральных,при~месей. Промышленные а!ктивированные угли хорошего качества с очень болыпой эффективной поверхностью к!Олучают из скорлупы кокосовых орехов, обугленной при температуре около 1150'С и затем активированной путем обработки водяным паром при 600'С.
Основными параметрами, определяющими адсорбционную активность угля, являются площадь доступной поверхности и диаметр пор, определяющие возможность для адсорбируемых молекул достичь микроструктуры. Наиболее точным методом определения площади поверхности является метод адсорбции газа (метод БЭТ). Средний диаметр пор может быть найден из объема пор, опредсляемого методом продавливания ртути под большим давлением [383) или с помощью электронной микроскопии 1211.
Некоторые наиболее характерные данные для адсорбентов приведены в табл. 111-5 !'922!. Практическая эффективность активированного угля определяется опытным путем при пропускании воздуха, насыщенного СС1, прп 0'С, через слой угля при 25'С и 100 кПа и измерении массы 159 ТАБЛИЦА П1-6 Характеристика некогорыл адсорбентов 19221 срд л диаметр пор. )О-го м Удельная поверхность. ма/г Объем пор. сьФ/г Адсорбент 500 — 1500 200 — 600 175 4,2 20-40 30 — 200 90 22000 Активированный уголь Снликзгель Актнвированный глинозем Кнзельгур 0,6 — 0,8 Около 0,4 0,39 1,14 адсорбированного вещества.
Эффективность определяют как соотношение масс адсорбированного вещества к первоначальной. Затем определяют удерживающую способность адсорбента после десорбции путем продувания воздуха через его слой при 25'С в течение 6 ч. При применении активированных углей для противогазов определяют продолжительность работы слоя при пропускаиии хлорпикрина в стандартных условиях. Типичные значения адсорбционной способности и удерживающей способности после удаления веществ для активированного угля приведены ниже 15501: Арсорбния.
/а !масс) 60 — ! 1О Удержиьалщая способность % !масс.) 27 — 30 2 — 3 5,9 (пары) 1,2 1,05 1,15 4,67 3,0 2,5 После нагреиаиия угля и тсчеиис ! ч при )бо'С. Лктивированный уголь применяют для рекуперации углеводородных растворителей, удаления и рекуперации газообразных углеводородов из коксового и природного газов и для удаления запа.
хов и других следовых примесей из газовых потоков. В первых двух случаях рекуперация углеводородов экономически выгодна, поскольку они могут найти сбыт. В емкость помещают два слоя угля высотой 300 — 900 мм. Ем. кость работает под давлением, через слои попеременно пропускают газовую смесь и затем пар при 100 — ! 50'С для удаления адсорбировапного материала (рнс. Ш-34). Скорость газов обычно составляет 0,15 — 0,60 м/с; перепад давления вдоль такого слоя показан на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
