CC BY
93
УДК 542.943.5
А. А. Казакова, Ю. В. Никифоров, А. А. Ф о м к и н
НОВЫЙ ПОДХОД К РАСЧЕТУ АДСОРБЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТА
В системе уравнений расчета процесса адсорбции и циклических процессов обычно используют эмпирическое кинетическое уравнение, содержащее эффективный коэффициент массопередачи. Такая схема расчета требует последующих уточнений. Приведен новый подход к расчету адсорбционных установок для получения азота, основанный на предварительном определении скоростей адсорбции, десорбции и реально допустимой скорости откачки вакуумного насоса установки с последующим использованием экспериментальных данных для расчета адсорбционных воздухораздели-тельных установок.
E-mail: [email protected]; [email protected]
Ключевые слова: адсорбция, воздухоразделительные установки, азот, расчет, скорость адсорбции, скорость десорбции, вакуумный насос, скорость откачки.
Полная система дифференциальных уравнений, описывающая процесс разделения воздуха в адсорбционных воздухоразделительных установках (АВРУ) сложна [1-4]. Система состоит из уравнений баланса (материального и теплового), уравнений кинетики и статики, газодинамики в слое адсорбента и уравнения состояния газовой фазы.
В конце XX в. с появлением ПЭВМ и новых технологических процессов круг решаемых задач усложнился — стали моделировать циклическую работу установок, так называемые циклические процессы [5-7].
В настоящее время выпускают воздухоразделительные установки небольшой производительности мембранного или адсорбционного типа. Адсорбционные воздухоразделительные установки [8] выполняют в основном по типу с плавающим давлением при постоянной комнатной температуре.
В 1960-1980 годы в результате широкомасштабного внедрения в промышленную технологию синтетических цеолитов азот получали в адсорбционных установках типа КБА на стадии десорбции, поскольку принцип разделения бинарной смеси газов основан на равновесной селективности одного из компонентов [2]. При этом выделяли несколько технологий получения указанных газов: напорную, напорно-вакуумную и вакуумную. Использование вакуума было выгодным с точки зрения удельных затрат энергии на единицу получаемого продукта.
Рис. 1. Кинетические кривые адсорбции кислорода (1) и азота (2) на УМС
Позднее, к началу 1980-х годов, с разработкой специальных углеродных адсорбентов типа УМС их стали использовать в установках для получения азота. При этом на УМС азот получают на стадии адсорбции, а эффект разделения основывается на кинетическом факторе.
Адсорбенты УМС преимущественно поглощают кислород, которого в воздухе в 3,5 раза меньше, чем азота, и, следовательно, применение
таких адсорбентов позволяет уменьшить массу и габаритные размеры АВРУ. Применение УМС, эффективных при комнатных температурах, в АВРУ является одним из перспективных направлений.
В настоящее время ключевыми вопросами для производства углеродных адсорбентов при решении рассматриваемой задачи является наличие качественного карбонизата с постоянными свойствами и надежного технологического контроля процесса модификации поверхности активным веществом [9]. Поэтому важную роль при решении задач АВРУ (КБА) с использованием адсорбентов типа УМС играют вопросы кинетики адсорбции и десорбции (рис. 1).
Авторами настоящей работы были выполнены исследования кинетики десорбции кислорода на углях типа УМС (рис. 2). Схема стенда исследования процесса десорбции кислорода и горючих газов приведена на рис.3. Предлагаемый подход основан на детектировании выделяющегося кислорода с помощью твердоэлектролитной ячейки (ТЭЯ), обладающей кислородной проводимостью [10]. По первичным кривым был выполнен расчет скорости десорбции кислорода.
Рис. 2. Первичная кривая десорбции кислорода (температура десорбции 50° С, время адсорбции 1 ч) (а) и кинетическая кривая (б) относительной десорбции кислорода из воздуха на угле типа УМС
Дозатор
Дозатор
Аг
Аг + 02 (0,004 % (об.))
Аг
Баллон воздуха или О 2
Шаговый двигатель
6-
Аг + О (0,002 % (об.))
Проба углеродного сорбента
Рис. 3. Схема экспериментальной установки
Рис.4. График изменения скоростей адсорбции (1) и десорбции (2) на УМС
Рис.5. График изменения функции |(т) = ас2 (т)/ащ (т) на различных типах сорбентов:
1 - УМС; 2 - Бе^Ъаи-Б
Скорость адсорбции была определена по результатам исследования ИФХИЭ РАН. Отметим, что скорость десорбции заметно ниже скорости адсорбции (рис. 4), а для циклической работы установки времена адсорбции и десорбции должны коррелироваться. При этом для вывода о практической пригодности углей для техники воздухоразделения важно знать значение относительной адсорбции кислорода к азоту как функции времени (£ = £(т)) (рис. 5). Следует подчеркнуть, что функция £ = £(т) убывает, при этом скорость убывания для отечественных углей значительно выше по сравнению с зарубежными углями, и поэтому они не дают значительного эффекта разделения. В связи с этим для техники адсорбционного разделения в настоящее время используют зарубежные угли.
Ввиду малой емкости УМС на стадии десорбции применяют вакуумную регенерацию, а на стадии адсорбции давление поднимают до 8... 20 атм.
В этом случае было бы целесообразно оценить длительность процесса откачки кислорода из адсорбционного аппарата по изотерме адсорбции и рабочей характеристике вакуумного насоса [11]. Это и было сделано в работе [12] (показано на рис. 6).
Из сказанного следует, что длительность стадии десорбции определяется характеристикой вакуумного насоса, поэтому, задавая время откачки, мы определяем время адсорбции и, соответственно, эффективность разделения.
Кроме того, по характеру производной
dße
д Re
можно оценить ско-
рость в аппарате, при которой еще оказывает влияние внешняя массо-передача (ве) и не возникает дополнительных гидравлических потерь (рис. 7).
Принимая во внимание допущение обрывного фронта сорбции, можно воспользоваться инженерной методикой расчета азотной АВРУ,
Рис. 6. Графики изменения длительности Рис. 7. График изменения производ-откачки адсорбера в зависимости от его ной коэффициента внешней кинети-объема ки ве по числу Re
основанной на равновесной модели Устинова [5]:
дао д со д (^ср2)
"я—+ ^—1—л— = 0; (1)
дт дт дх
даКо дСК2 , д^N2) п
"я--+ ^--1--я- = 0; (2)
дт дт дх
Р
С02 + СК2 = ду = /(т); (3)
аИ^Т.02 = / (С02 )702 (т), аСМ 0НСХ.К2 = / (СК2 Ь^ (т); (4)
а0М2 (С02) + ай2 (^) = х (5)
а02 (с02 ) ^N2 (CN2 ) Равновесные изотермы адсорбции чистых компонентов при давлениях выше атмосферного ранее были получены В.И. Файнштейном (НИКИКМ).
На основе предварительного анализа кинетических данных по адсорбции выявили, что значение относительной адсорбции 7(т) =
акомп(т) г г
= --—- слабо зависит от давления в области невысоких давле-
акомп )
ний; этот факт объясняется незначительным изменением теплоты адсорбции в данном интервале давлений. Предположим, что 7(т) характеризует коэффициент внутренней кинетики в. С учетом поправки индивидуальных изотерм адсорбции на кинетический фактор в качестве расчета адсорбции азота и кислорода из смеси допустимо воспользоваться теорией идеального адсорбционного раствора бинарной смеси газов. Теплота адсорбции азота и кислорода на угле не велика и составляет 15... 16кДж/моль, поэтому тепловые эффекты адсорбции
соизмеримы с тепловым эффектом процесса выхлопа газа (на стадии десорбции — понижение давления) и впуска газа (на стадии адсорбции — повышение давления).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архаров А. М., МарфенинаИ. В., Микулин Е. И. Криогенные системы: В 2 т. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1996.
2. К е л ь ц е в Н. В. Основы адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Химия, 1984. - 592 с.
3. СерпионоваЕ. Н. Промышленная адсорбция газов и паров. - М.: Высш. шк., 1963.
4. Рачинский В. В. Введение в общую теорию динамики сорбции и хроматографии. - М.: Наука, 1964.
5. Устинов Е. А. Моделирование циклических адсорбционных процессов разделения газов // ЖПХ. - 1980. - Т. 53. - № 1. - С. 136-141.
6. Т и м о ф е е в Д. П. Кинетика адсорбции. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 252 с.
7. Кинетикаи динамика физической адсорбции // Труды конф. по адсорбции и адсорбентам / Под ред. Дубинина М.М. - М., 1973.
8. ScarstromC. W. Method and apparatus for fractionating gaseous mixtures by adsorption. Patent U.S.A. - 1960. - No. 2.944.627. - P. 55-33.
9. Кинле Х., Б а д е р Э. Активные угли и их промышленное применение. - Л.: Химия, 1984.
10. Твердоэлектролитная установка для исследования неравновесной сорбции кислорода на различных сорбентах // А.А. Казакова, Ю.В. Никифоров и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2002. - С. 4246, с. 182.
11. Розанов Л. Н. Вакуумная техника. - М.: Высш. шк., 1990. - 320 с.
12. Р а с ч е т скорости откачки адсорбционного аппарата по рабочей характеристике вакуумного насоса / А.А. Казакова, Ю.В. Никифоров и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2008.
Статья поступила в редакцию 1.07.2010
