Принципиальные схемы адсорбционных процессов

Принципиальные схемы адсорбционных процессов показаны на рис. 4.49. При применении зернистого адсорбента используют схемы с неподвижным (а) и с движущимся адсорбентом (б). В первом случае процесс проводится периодически. Вначале через адсорбент L пропускают паро-газовую смесь G и насыщают его поглощаемым веществом; после этого пропускают вытесняющее вещество В или нагревают адсорбент, осуществляя таким образом десорбцию (регенерацию адсорбента). Во втором случае (рис. 4.49, б) адсорбент циркулирует в замкнутой системе: насыщение его происходит в верхней – адсорбционной – зоне аппарата, а регенерация в нижней – десорбционной. При применении пылевидного адсорбента используют схему с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом (рис. 4.49, в)

Аппараты, предназначенные для проведения адсорбции называются адсорберами. Адсорберы можно подразделить по условиям работы на следующие группы: а) с неподвижным адсорбентом; б) с движущимся зернистым адсорбентом; в) с псевдоожиженным пылевидным адсорбентом

На рис. 4.44 приведена схема периодически действующей адсорбционной установки,

предназначенной для извлечения бензола из газовой смеси. Исходная смесь вводится в адсорбер 1 и пропускается через него до момента проскока бензольных паров. Затем газовый поток направляется в адсорбер 2, а в адсорбере 1 проводится десорбция. Для этого через адсорбер пропускают водяной пар, который десорбирует бензол. Смесь паров воды и бензола удаляется из адсорбера 1 в конденсатор-холодильник 3, где конденсируется

 

 

Рис. 4.43. Принципиальные схемы адсорбционных процессов:

(а — с неподвижным зернистым адсорбентом; б — с движущимся зернистым

адсорбентом; в — с циркулирующим псевдоожиженным адсорбентом)

	Отработанный воздух
		Рис. 4.44. Схема периодически действующей адсорбционной установки: 1,2 — адсорберы; 3 — конденсатор-холодильник; 4 — отстойник; 3 — вентилятор; 5 — калорифер.

 

Отработанная газовая смесь

 

 

и охлаждается. Конденсат, представляющий собой смесь не растворяющихся друг в друге жидкостей, идет в непрерывно действующий отстойник 4, где разделяется на бензол (направляемый в качестве продукта в сборник) и воду (направляемую обычно в канализацию).

После десорбции бензола адсорбент высушивают продувкой горячего воздуха, который нагнетается вентилятором 5 и нагревается в калорифере 6. Регенерация адсорбента завершается сушкой в адсорбере 1. Поток исходной смеси газов с парами бензола направляется вновь в этот адсорбер, а адсорбер 2 переключается на десорбцию. Таким попеременным включением одного или нескольких периодически действующих адсорберов достигается непрерывная работа установки.

Непрерывно действующая адсорбционная установка показана схематически на рис. 4.45. Она также предназначается для извлечения бензола из смеси его паров с газами. Исходная смесь поступает в адсорбционную секцию непрерывно действующего адсорбера 1,

Рис. 4.45. Схема непрерывно действующей адсорбционной установки: 1 –адсорбер; 2 — затвор-отводчик; 3 — загрузочное устройство пневмотранспортной системы; 4 — сепаратор; 5 — холодильник-конденсатор; 6 — отстойник; 7 — сборник.

 

адсорбционную секцию непрерывно действующего адсорбера 1, через который непрерывно перемещается зернистый адсорбент. В секции происходит адсорбция паров бензола. Далее адсорбент проходит через десорбционную секцию адсорбера 1. Здесь адсорбент взаимодействует с острым водяным паром, в результате чего и происходит десорбция бензола. Регенерированный адсорбент через затвор-отводчик 2 поступает в загрузочное устройство 3 пневмотранспортной системы. Далее он поднимается по пневмотранспортной трубе транспортирующим газом, попадает в сепаратор 4, отделяется от транспортирующего газа и вновь направляется в адсорбер, 1.

Смесь водяного пара с бензольными парами удаляется из верхней части десорбционной секции адсорбера и поступает в холодильник-конденсатор 5. Из него конденсат стекает в непрерывно действующий отстойник 6, где происходит расслаивание жидкой смеси бензола и воды; бензол из отстойника 6 направляется в сборник 7, вода выводится из системы.

Сушка адсорбента осуществляется транспортирующим газом по пути из загрузочного устройства 3 в сепаратор 4.

4.6.5. Сушка

Наиболее распространенном способом удаления влаги из твердых влажных материалов является сушка. Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров

Увлажненный, газ

	Теплоноситель

Влажный, материал

	а			б

 

 

Рис. 4.46. Принципиальные схемы сушки:

а — газовая сушка: 1 — сушилка; 2 — топка или теплообменник; 3 — вентилятор;

б — простая (контактная) сушка

Сушка в технике осуществляется двумя основными способами:

а) нагреванием влажных материалов теплоносителем через твердую непроницаемую перегородку — так называемый процесс контактной сушки;

б) нагреванием влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем (воздух, топочные газы и др.) — так называемая газовая, или воздушная сушка[12].

Схемы указанных способов сушки показаны на рис. 4.46.

Иногда тепло подводится к высушиваемому материалу токами высокой частоты или инфракрасными лучами; указанные способы сушки называют соответственно диэлектрической и радиационной сушкой.

РАВНОВЕСНЫЕ СООТНОШЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ СУШКИ

Почти каждый твердый материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Направление течения процесса переноса влаги является наиболее существенным вопросом в практике сушки, так как от него зависит ее режим, условия, в которых влажный материал способен отдавать влагу окружающей среде.

Окружающая влажный материал среда содержит либо водяной пар либо смесь водяного пара с газами. Обозначим давление водяного пара, когда только он является окружающей средой, через P_П, а парциальное давление его в смеси с газами окружающей среды P_D.

Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное давление водяного пара Р_М, называемое далее давлением водяного пара

во влажном высушиваемом материале.

Очевидно, что условием сушки являются

неравенства

Р_М, > P_П или P_H , > P_D

Рис. 4.47. Кривые равновесной влажности материала

Давление водяного пара в высушиваемом материале Р_М зависит от влажности материала, температуры

и характера связи влаги с материалом.

 

С ростом влажности материала и температуры величина Р_М возрастает. Абсолютное значение этой величины зависит от характера связи влаги с материалом. Чем сильнее эта связь, тем меньше тем меньше при прочих равных условиях давление водяных паров во влажном материале.

Влажность материала, отвечающая условиям Р_М = Р_П или Р_М = Р_D соответствует достижению равновесия.

Кривые, выражающие зависимость между давлением водяного пара во влажном материале Р_М температурой t и влажностью высушиваемого материала с, показаны на рис. 4.47. Очевидно, что подобные кривые и характеристики высушиваемого материала, позволяющие определить давление водяных паров в высушиваемом материале, необходимы для нахождения основных параметров сушки: температуры, конечной влажности материала и давления водяных паров в пространстве, окружающем высушиваемый материал.

Как было указано выше, величина Р_М зависит не только от значения t и с, но и от характера связи влаги с материалом. Различают несколько форм связи влаги с материалом (в порядке убывающей энергии связи).

Химически связанная влага. Под химически связанной влагой понимают воду гидроокиси, которая в результате реакции гидратации вошла в состав гидроокисей исоединений типа кристаллогидратов. Связь нарушается только в результате химического взаимодействия (иногда в результате прокаливания), и влага не удаляется при сушке.

Адсорбционно связанная влага. Влажность обусловлена адсорбцией воды на наружной поверхности материала и на поверхности его пор. Осмотически связанная влага находится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами.

В этих двух случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.

Капиллярно связанная влага заполняет макро- и микрокапилляры. Она механически связана с материалом и наиболее легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна эта связь у гигроскопичных веществ, Давление пара над ними наиболее отличается от давления насыщенных паров.

Влажному материалу присущи все формы связи с водой, и очень трудно разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам связи молекул воды с молекулами вещества. Поэтому экспериментальным путем строят изотермы сорбции, т. е. линии Р_М /Р_S = f(С) при постоянной температуре. Изотермы сорбции позволяют установить связь между влажностью материала и относительной влажностью воздуха, а также определить равновесную влажность при сушке.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СУШИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

Кроме простого приема воздушной сушки, когда воздух нагревается и однократно проходит через сушильную камеру, на практике используют и другие варианты сушки:

- с многократным промежуточным нагреванием воздуха,

- с частичным возвратом отработанного воздуха,

- с многократным промежуточным нагреванием воздуха и частичным возвратом его в отдельных зонах;

- с замкнутой циркуляцией высушивающего газа

Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха схематически представлена на рис. 4.48 В этом случае обычно принимают верхние и нижние пределы температур воздуха

 

		Рис. 4.48. Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха: 1 — сушильная камера; 2 — промежуточные нагреватели.

 

t_B и t_H. Воздух предварительно нагревается до t_В и после этого взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до температуры t_H. Далее воздух вновь нагревают до температуры t_В и направляют для взаимодействия с влажным материалом, температура воздуха понижается до t_H ит. д.

Рассмотренный рабочий вариант сушки характеризуется тем, что требуемое количество тепла подводится к высушиваемому материалу при пониженной температуре воздуха.

Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха схематически показана на рис. 4.49 исходный воздух смешивается предварительно с частью отработанного воздуха, далее нагревается до требуемой температуры и после этого взаимодействует с высушиваемым материалом. Особенностями этого варианта сушки по сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха являются пониженная температура воздуха при контактировании его с влажным материалом, повышенное начальное влагосодержание воздуха и большая массовая скорость воздуха, а следовательно, болъшая линейная скорость его в сушильной камере.

Рис. 4.49. Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха: 1 — сушильная камера; 2 — нагреватель; 3 — вентилятор.

 

Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха и промежуточными нагреваниями представляет собой сочетание двух рассмотренных выше вариантов. Очевидно, что этот вариант сушки отличается одновременно пониженной температурой воздуха, большим начальным влагосодержанием воздуха и большей линейной скоростью его в сушильной камере (рис. 4.50).

	Рис. 4.50. Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха и промежуточными нагреваниями: 1 — сушильная камера; 2 — подогреватель.

 

Нетрудно видеть, что рассмотренные рабочие варианты сушильных процессов обеспечивают смягчение условий сушки, т. е. понижение температуры и повышение влажности высушивающего воздуха. Одновременно с этим частичный возврат отработанного воз­духа приводит к росту линейной скорости его в сушильной камере, что обеспечивает увеличение скорости сушки.

Сушка с замкнутой циркуляцией высушивающего газа схематически показана на рис. 4.51. Она применяется в тех случаях, когда в качестве высушивающего газа используется чистый и дорогостоящий газ, например водород. Очевидно, что в этих условиях отработанный газ не может быть выпущен в атмосферу и появляется необходимость замкнутой его циркуляции. Полностью насыщенный водяными парами газ нагревается, в результате чего резко снижается его относительная влажность и одновременно возрастает высушивающая способность. После этого газ взаимодействует с влажным материалом, насыщаясь влагой. Увлажненный газ охлаждается до точки росы, и часть находящейся в нем влаги конденсируется. Затем газ вновь направляется на нагревание и сушку.

Рис. 4.51. Сушка с замкнутой циркуляцией высушивающего газа: 1 – сушилка; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – водоотделитель; 4 – сборник.

 

 

Здесь следует особенно подчеркнуть, что, используя тот или ругой рабочий вариант сушки, можно лишь ускорить или замедлить процесс сушки, сделать более мягкими или более жесткими условия проведения процесса, но нельзя существенно повлиять на расход тепла, поскольку последний определяется только начальными и конечными параметрами высушивающего газа..

Кристаллизация

Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Процесс характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости. Далее выделенный кристаллический продукт подлежит вторичному использованию, а фильтрат подвергается дальнейшей переработке.

Схема кристаллизатора с принудительной циркуляцией суспензии приведена на рис. 4.52. Циркуляция создается мешалкой. Кристаллизатор с естественной циркуляцией раствора представлен на р и 4.53.

 

		Рис. 4.52. Кристаллизатор с принудительной циркуляцией суспензии: I -–соковый пар; II – маточный раствор; III – суспензия; IV – сточная вода; 1 – мешалка; 2 – циркуляционная труба; 3 – осадительная камера.
			Рис. 4.53. Кристаллизатор с естественной циркуляцией раствора: I – раствор; II – суспензия; 1 – сепаратор; 2 – корпус; 3 – центральная труба; 4 – гидрозатвор; 5 – мешалка.

В данном пособии не рассматриваются механические и химические (биохимические) процессы.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. – М.: Химия, 1981. – 812 с.

2. Калыгин В.Г. Промышленная экология. Курс лекций. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. –240 с.

3. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химичекой и нефтехимической технологии. Изд. 2-е доп. Перераб. – М.: Химия, 1972. – 496 с.

4. Родионов А.И. и др. Технологические процессы экологической безопасности /Основы энвайроменталистики/.3-е изд. Перераб. И доп. – Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2000 – 800с.

 

Раздел 5. БЕЗОТХОДНЫЕ И МАЛООТХОДНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА

Переход в «новое зволюционное состояние - ноосферу возможен лишь при сохранении циклов вещества й знергии, сложившихся в биосфере».

В. Й. Вернадский

 

Дальнейшее устойчивое развитие производства и связанное с ним решение проблемы охраны окружающей среды должны базироваться на новом подходе. Его принципиальная новизна обусловлена невозможностью эффективно решать проблемы охраны среды и рационального использования природных ресурсов только путем развития методов переработки, обезвреживания и захоронения отходов в условиях экспоненциального роста их объемов.

Народная мудрость гласит: «Чисто не там, где убирают, а там, где не сорят». Если «уборка» — это очистка предприятия от вредных выбросов, то «не сорить» позволяют разработка и внедрение малоотходных (безотходных) технологий.

Концепция безотходного производства была предложена и развита академиками Н. Н. Семеновьым, И. В. Петряновим-Соколовьым, Б. Н. Ласкориным и др. Анализ развития производств и динамики потребления сырья и образования отходов привели к неизбежному виводу о том, что дальнейшее развитие производств (и общества в целом) не может осуществляться на базе исторически спожившихся традиционных зкстенсивних технологических процессов без учета зкологических офаничений и требует принципиально нового подхода. эгот подход, получивший название «безотходная технология», а позднее «чистая технология», основой которого является цикличность материальнмх потоков, подсказан самой природой.