Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

 

Вопросы для  проверок

1. Типы барботажных абсорберов
2. Тарельчатые абсорберы со сливными устройствами
3. Гидродинамические режимы работы тарелок
4. Колпачковые тарелки, принцип работы
5. Колпачковые тарелки с радиальным переливом жидкости
6. Колпачковые тарелки с диаметральным переливом жидкости
7. Принцип работы клапанных тарелок
8. Принцип работы балластных тарелок
9. Достоинства клапанных и балластных тарелок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 10

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ  ОБ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ

 

План

1. Адсорбция, общие сведения
2. Характеристика адсорбентов и их виды
3. Активные угли, силикагели и цеолиты

 

Адсорбция общие сведения

Под адсорбцией мы будем  понимать процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата,  или адсорбтива.

Процессы адсорбции (как  и другие процессы массопередачи) избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента, или проведение

процесса  десорбции.

Механизм процесса адсорбции  отличается от механизма абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем. Каждый из этих сорбционных процессов имеет свои области применения, где его использование дает больший технико-экономический эффект.

Адсорбция применяется  главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация поглощаемого вещества   в   исходной   смеси   велика,   обычно выгоднее использовать абсорбцию.

Процессы  адсорбции  широко  применяются  в  промышленности  при очистке и осушке газов, очистке  и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами (рекуперация  летучих растворителей) и т. д. Еще сравнительно недавно адсорбция применялась в основном для осветления растворов и очистки воздуха в противогазах; в настоящее время ее используют для очистки аммиака перед контактным окислением, осушки природного газа, выделения и очистки мономеров в производствах синтетического каучука, смол и пластических масс, выделения ароматических углеводородов из коксового газа и для многих других целей.

В ряде случаев после  адсорбции поглощенные вещества выделяют (десорбируют) из поглотителя. Процессы адсорбции часто сопутствуют гетерогенному катализу, когда исходные реагенты адсорбируются на катализаторе, а продукты реакции десорбируются, например при каталитическом окислении двуокиси серы  в трехокись на поверхности платинового катализатора и др.

Значение  адсорбционных  процессов  сильно  возросло  за  последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой  чистоты. Различают физическую и  химическую адсорбцию. Физическая адсорбция  обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. При адсорбции,   или  хемосорбции,    в  результате химической химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверхностными молекулами поглотителя возникает химическая связь.

При поглощении паров  адсорбция иногда сопровождается заполнением  пор адсорбента жидкостью, образующейся в результате конденсации паров (капиллярнаяконденсация). Конденсация происходит вследствие понижения давления пара над вогнутым под действием сил поверхностного натяжения мениском жидкости в капиллярах.

2.  Характеристики  адсорбентов  и  их виды

В качестве адсорбентов  применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты имеют различные по диаметру капиллярные каналы — поры, которые условно могут быть разделены на макропоры (более 2-10~⁴ мм), переходные поры (6-10~⁶—2-10~⁴ мм), микропоры (2-10~⁶—6- 10~^в мм). Характер процесса адсорбции определяется размером пор.

Удельная поверхность  макропор относительно очень мала, поэтому на их стенках адсорбируется  ничтожное количество вещества. Макропоры  играют роль лишь транспортных каналов  для адсорбируемых молекул.

На поверхности переходных пор, размеры которых обычно значительно превышают размеры адсорбируемых молекул, в процессе адсорбции образуются слои поглощенного вещества. Возможно образование слоев толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) и в несколько молекул (полимолекулярная адсорбция).

Размеры микропор приближаются к размерам адсорбируемых молекул и адсорбция в микропорах приводит к заполнению их объема. Вследствие этого предположение об образовании слоев поглощенного вещества на поверхности микропор не имеет физического смысла. Обычно микропоры пересекаются макро- и переходными парами, что сокращает путь, проходимый адсорбируемыми молекулами, и приводит к ускорению адсорбции.

В больших порах диаметром  более 2- 10~мм и малых порах, сравнимых с диаметром молекул поглощаемого вещества, явление капиллярной конденсации отсутствует.

Адсорбенты характеризуются  своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

Поглотительная способность  адсорбента по отношению к данному  веществу зависит от температуры и давления, при которых производится адсорбция, и от концентрации поглощаемого вещества. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента условно называется его равновесной активность.

В промышленности в качестве поглотителей применяют главным  образом активные угли и минеральные  адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты).

Активные угли. Высокопористые активные угли получают путем сухой перегонки различных углеродсодержащих веществ (дерева, костей и др.) и активирования полученных углей для повышения их пористости. Активирование осуществляют прокаливанием угля при температурах 900°С, а также другими способами, например удалением из пор угля, смол и некоторых других продуктов сухой перегонки путем их экстрагирования органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Для повышения активности углей в них часто перед обугливанием вводят активирующие добавки (растворы хлористого цинка, кислот, щелочей и др.).

Удельная поверхность  активных углей колеблется от 600 до 1700 м²г.

Размер гранул некоторых  стандартных марок активных углей для адсорбции газов и паров составляет 1—5 мм (уголь БАУ) и 1,5—2,7 мм (уголь СКТ). Насыпная плотность углей этих марок равна 350 и 380—450 г/ж³ соответственно. Применение углей того или иного вида зависит от разновидности процесса адсорбции, в котором они используются (поглощение газов, рекуперация летучих растворителей и т. д.).

Активные угли лучше  поглощают пары органических веществ, чем воды, однако с повышением содержания влаги в активных углях их способность  поглощать пары органических веществ  снижается. Они применяются обычно для рекуперации летучих растворителей. Недостатком активных углей является их горючесть.

Силикагели. Эти адсорбенты представляют собой продукты обезвоживания геля кремневой кислоты, получаемые путем обработки раствора силиката натрия (растворимого стекла) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Удельная поверхность силика-гелей изменяется от 400 до 770 м²/г. Размер гранул колеблется от 0,2 до 7 мм, насыпная плотность составляет 100—800 кг/м³.

Силикагели применяются  главным образом для осушки газов. Поглотительная способность силикагелей по отношению к парам органических веществ сильно снижается в присутствии влаги. Достоинством силикагелей является их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных углей.

Цеолиты. Эти адсорбенты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами катионов элементов первой и второй групп периодической системы Д. И. Менделеева. В качестве промышленных адсорбентов применяются главным образом искусственные (синтетические) цеолиты. Относительно недавно были получены цеолиты, обладающие весьма однородной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Эти цеолиты проявляют молекулярно ситовое действие, которое заключается в их способности не поглощать молекулы, диаметр которых больше диаметра пор. Молекулярно – ситовыми свойствами обладают также некоторые природные цеолиты, например натролит. Молекулярно-ситовое действие цеолитов часто используют в промышленной практике для разделения некоторых веществ, например нормальных и изопарафиновых углеводородов.

Цеолиты отличаются высокой  поглотительной способностью по отношению к воде и являются высокоэффективными адсорбентами для осушки и очистки газов и жидкостей, в частности для глубокой осушки газов, содержащих небольшие количества влаги. Размер гранул цеолитов составляет от 2 до 5 мм, Иониты. Эти адсорбенты представляют собой как природные, так и синтетические неорганические и органические вещества. К природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, ископаемые угли и др. Синтетическими ионитами являются плавленые цеолиты и молекулярные сита (цеолиты с правильной кристаллической структурой), ионообменные смолы, активированные минералы и органические вещества и др.

Иониты практически нерастворимы в воде, а также в обычных растворителях и обладают подвижными ионами, способными обмениваться на эквивалентное количество ионов (с зарядом того же знака) из раствора электролита, с которым поглотитель взаимодействует.

Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются анионитами, а иониты, содержащие активные основные группы и обменивающиеся подвижными катионами — катионитами. Существуют также амфотерные иониты, способные к катионному и анионному обмену одновременно.

Типичные реакции ионного  обмена:

1. Реакция анионного  обмена

  где К — молекула ионита, связанная с подвижным ионом.

2. Реакция  катионного  обмена, причем в обоих уравнениях выделены формулы веществ, составляющих твердую фазу.

Механизм ионного обмена обусловлен структурой и свойствами ионита. Так, например, иониты с кристаллической  решеткой содержат в ее углах ионы, удерживаемые электростатическими  силами; под действием этих сил  и происходит в основном ионный обмен. Свойства многих ионитов связаны с их способностью к набуханию в водных растворах; набухание обычно сопровождается весьма значительным повышением давления.

Ионообменные смолы  обладают большой обменной емкостью, избирательностью к отдельным ионам, химической стойкостью и механической прочностью. Поэтому сейчас они являются наиболее распространенными ионитами, практически вытеснившими в промышленных условиях иониты других типов.

Изменением состава  активных групп при синтезе ионообменных смол, можно получить иониты с весьма разнообразными свойствами.

 

 

 

 

Вопросы для  проверок

1. Понятия о процессе адсорбции
2. Объясните названия адсорбент, адсорбат или адсорбтив
3. Чем отличается механизм процесса адсорбции от механизма абсорбции
4. Область применения адсорбции
5. Характеристика адсорбентов, какие вещества применяются в качестве адсорбентов
6. Активные угли, получение и свойства
7. Силикагели, получение и применение
8. Цеолиты, состав и применение
9. Иониты, состав и свойства
10. Что такое аниониты и катиониты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 11

ДЕСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

 

План

1. Процесс десорбции
2. Устройство адсорберов
3. Схемы адсорбционных установок

 

Десорбция

Извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя (десорбция) является необходимой составной частью всех технологических процессов адсорбции, проводимых в замкнутом цикле. Стоимость десорбции оказывает большое влияние на общую экономичность проведения процессов разделения и очистки веществ адсорбционными методами.

К числу основных методов  десорбции (регенерации адсорбента) относятся:

вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты;