Родственные категории

• Автоматический фильтр
• Авто подшипник
• Подвесная система

Адсорберы – Наглядная энциклопедия химико-технологического оборудования

Адсорбция включает выделение вещества из одной фазы, сопровождающееся накоплением этого вещества на поверхности другой фазы.

(Авторское право Подразделение Water Technologies
Siemens Industry, Inc., Уоррендейл, Пенсильвания)

Содержание

• Теория адсорбции
• Адсорбционные системы
  • Контакт с колонкой
  • Контакт с суспензией
  • Повывая давления
• Адсорбционная среда
  • Адсорбенты
• Благодарности
• Список. Материал из жидкой фазы концентрируется на поверхности твердого тела.

  Адсорбирующая фаза, которая на анимации выше является твердой, называется адсорбентом, а материал, адсорбируемый на поверхности этой фазы, называется адсорбатом. Обратите внимание, что адсорбция отличается от абсорбции, процесса, который включает взаимопроникновение одного материала в объем другого.

  Возможны два типа адсорбции. Первый, физическая сорбция, представляет собой физический процесс, протекающий при температуре ниже 200°С. Как показано на анимации ниже, материал адсорбируется за счет молекулярных взаимодействий между адсорбентом и адсорбатом. Типичная теплота физической сорбции составляет 5 – 10 ккал/моль.

  Второй тип адсорбции, хемосорбция, представляет собой химический процесс, при котором адсорбент прилипает к адсорбату посредством химической связи. Как показывает анимация ниже, адсорбция происходит за счет образования химических соединений. Хемосорбционные связи могут быть слабыми, в пределах 15-40 ккал/моль, или сильными, которые могут превышать 50 ккал/моль.

  ---

  Адсорбционные системы

  Колоночный контакт

  Колоночные контактные адсорберы используют слой адсорбента для очистки растворов. Показанные ниже колонны с насадочным слоем используются на установке по осушке природного газа.

  Установка осушки природного газа – Silica Verfahrenstechnik GmbH
  (авторское право Bertsch Holding GmbH, Австрия)

  Общая информация

  Колонные контактные адсорберы могут работать как с неподвижным слоем, так и с подвижным или пульсирующим слоем.

  Работа с неподвижным слоем, показанная ниже, является самой старой формой контактной адсорбции в колонке. Слой адсорбента удерживается внутри колонны, и обрабатываемый раствор течет по нему, через него и вокруг него. Кровать должна быть отключена для замены или регенерации отработанного адсорбента.

  В адсорбере с подвижным или пульсирующим слоем необработанный раствор поступает в адсорбер снизу и течет вверх по колонне. В то же время свежий адсорбент поступает в адсорбер сверху колонны и выходит снизу. Израсходованный адсорбент постоянно удаляется, а новый постоянно добавляется, что обеспечивает более эффективную работу.

  Конструкция оборудования

  При работе с неподвижным слоем адсорбционные колонны могут быть расположены последовательно или параллельно и могут работать в режимах восходящего или нисходящего потока.

  В контактном режиме последовательной колонны с неподвижным слоем стоки из первого слоя проходят во второй слой. При необходимости дополнительные кровати могут быть добавлены последовательно. Слой свинца удаляют для реактивации, когда адсорбент насыщается адсорбатом. Следующая по порядку грядка становится первой грядкой, а в последней позиции добавляется новая грядка.

  При параллельной работе с неподвижным слоем стоки всех колонн смешиваются перед сбросом. Адсорбционные слои параллельно выводятся из эксплуатации в шахматном порядке, так что система состоит из слоев, находящихся в разной степени истощения.

  Работа с пульсирующим слоем ограничена режимом работы с восходящим потоком. Для переработки адсорбента требуется дополнительное оборудование, что позволяет повысить эффективность работы.

  Адсорбенты меньшего размера имеют большую площадь поверхности и обеспечивают больший контакт между насадкой и абсорбатом, чем адсорбенты большего размера. Поэтому желательны небольшие адсорбенты, повышающие скорость адсорбции. Однако, если частицы адсорбента слишком малы, они могут ограничить надлежащий поток жидкости через колонку.

  Примеры использования

  Колонные контактные адсорберы используются в различных отраслях промышленности, таких как переработка сахара и нефтепереработка. Параллельные операции с неподвижным слоем используются в областях, где необходима высокая точность, например, при производстве фармацевтических препаратов или обработке сточных вод. Эта система также распространена для больших скоростей потока. Адсорбционная колонна, используемая для очистки газовых потоков в лабораторных условиях, показана ниже.

  (Авторское право W.A. Hammond
  Drierite Co., Ксения, Огайо)

  Преимущества

  • Стационарные кровати серии: свинцовая кровать вытягивается более полно, чем одна большая одинарная стационарная кровать.
  • Параллельные стационарные слои: могут обеспечить соответствие средней концентрации общего потока сточных вод требованиям по концентрации загрязняющих веществ в сбросе при неравномерной скорости подачи.
  • Импульсные слои: полная остановка колонки не требуется для замены или регенерации адсорбента.

  Недостатки

  • Для пульсирующих кроватей требуется дополнительное оборудование.
  • Фиксированная параллельная работа неэффективна.
  • Стационарные слои требуют полного или частичного отключения для замены адсорбента.

  ---

  Slurry Contact

  В шламовых контактных адсорберах используется порошкообразная суспензия адсорбента для адсорбции желаемых материалов. Ниже показаны шламовые контактные адсорберы, используемые в производстве соляной кислоты.

  (Авторское право Calgon Carbon Corporation,
  Питтсбург, Пенсильвания)

  Общая информация

  При контактной адсорбции суспензии порошок адсорбента смешивается с раствором, подлежащим обработке. Встряхивание равномерно распределяет адсорбент по всему раствору. Затем адсорбент удаляют из очищенного раствора фильтрованием.

  Контактная адсорбция суспензии может осуществляться в нескольких режимах, таких как одноступенчатая периодическая, многоступенчатая периодическая, многоступенчатая противоточная и непрерывная.

  Конструкция оборудования

  При одноступенчатой ​​периодической очистке свежий адсорбент вступает в контакт с жидкостью в емкости с полным перемешиванием. По истечении необходимого времени контакта адсорбент отделяют от жидкости фильтрованием. Получают требуемое качество очищенной жидкости, а отработанный адсорбат утилизируют или регенерируют.

  При многостадийной периодической обработке раствор проходит через несколько одиночных периодических стадий. Сточные воды с одной ступени поступают на вторую стадию, где снова проходят очистку. На каждом этапе достигается часть общего разделения в этом типе обработки, также известной как разделенная или разделенная обработка.

  Многоступенчатая противоточная адсорбционная сепарация представляет собой двухступенчатую систему. Он заключается в контактировании неочищенного раствора с однажды использованным адсорбентом, который выбрасывается или регенерируется после повторного использования.

  Затем частично обработанная жидкость контактирует со свежим адсорбентом. После разделения этот адсорбент становится уже использованным адсорбентом для обработки новой партии необработанных исходных растворов.

  В контактных шламовых адсорберах непрерывного действия для достижения идеального поршневого потока используется ряд резервуаров с мешалкой. Адсорбция происходит по мере того, как адсорбент и раствор проходят через ряд резервуаров. Когда желаемая очистка достигнута, адсорбент отфильтровывают от очищенного раствора.

  Примеры использования

  Некоторые распространенные применения контактной адсорбции суспензии включают очистку воды, применение в фармацевтике и обесцвечивание. Система регенерации летучих органических соединений с активированным углем изображена ниже.

  (Авторское право Calgon Carbon
  Corporation, Питтсбург, Пенсильвания)

  Преимущества

  • Противоточный контакт может повысить рентабельность.
  • Выключение не требуется для поддержания свежести катализатора.

  Недостатки

  • Многоступенчатые процессы дороже одностадийных аналогов.
  • Необходимо дополнительное фильтрующее оборудование.
  • Без регенерации использование порошкового адсорбента может быть дорогостоящим.

  ---

  При переменном давлении

  В адсорбции при переменном давлении (PSA) адсорбенты используются при различных давлениях для разделения газовых смесей. Этот процесс известен как вакуумно-колебательная адсорбция (VSA), если это давление падает ниже атмосферного.

  (Авторское право Linde AG Engineering Division, Пуллах, Германия)

  Общая информация

  При короткоцикловой адсорбции один или несколько компонентов газового потока адсорбируются на твердом адсорбенте. PSA использует зависимость адсорбции от давления. Больше газа может быть адсорбировано при более высоких давлениях. Путем адсорбции при одном давлении и последующего «перехода» к более низкому давлению для десорбции большая часть адсорбированного газа может быть удалена из сырья высокого давления.

  PSA может выполняться с использованием конструкций с одним, двумя или несколькими слоями. Однако наиболее распространены двухъярусные конструкции.

  (Copyright On Site Gas Systems, Inc.,
  Newington, CT)

  При вакуумной короткоцикловой адсорбции рабочее давление падает ниже атмосферного, поэтому используются вакуумные насосы. Выбор между VSA и PSA зависит от давления подачи. VSA используется для подачи низкого давления, в то время как для подачи высокого давления обычно требуется PSA. Кислород обычно используется при низком давлении и может производиться установками VSA.

  Конструкция оборудования

  Анимация ниже показывает, что происходит в адсорбционных слоях. В двухъярусной конструкции грядки чередуются периодами высокого и низкого давления. Сырьевой газ, показанный оранжевым цветом, поступает в слой при высоком давлении. Компоненты потока преимущественно адсорбируются; чтобы продемонстрировать это, адсорбенты меняют цвет с белого на красный в анимации. Небольшая часть выходящего потока, показанная коричневым цветом, используется для десорбции собранных частиц из слоя низкого давления. Адсорбенты меняют цвет с красного на белый, чтобы продемонстрировать это. Слой низкого давления теперь может стать слоем высокого давления, и цикл может продолжаться с использованием противоположных слоев.

  На этой схеме показан типичный блок PSA. Основными компонентами являются два слоя адсорбера, резервуар для продукта, а также насосы или компрессоры питающего и вакуумного нагнетателей, которые помогают регулировать давление и скорость потока через два слоя. В установках VSA насосы или компрессоры будут заменены подающими и вакуумными нагнетателями. Система автоматизирована, с управляемыми компьютером клапанами переключения на прямой поток. Время пребывания в слое частично определяет чистоту продукта.

  (Авторское право On Site Gas Systems, Inc., Ньюингтон, Коннектикут)

  Примеры использования

  (Авторское право Air Products and Chemicals, Inc., Аллентаун, Пенсильвания)

  Адсорбция при переменном давлении — популярный метод, используемый для разделения компонентов газовый поток экономически эффективно. Он применяется во многих отраслях промышленности, таких как химическая обработка, нефть, медицинские и специальные газы. Размер оборудования может варьироваться от небольшого внутреннего оборудования, как в медицинской системе, показанной слева, до большого наружного оборудования, такого как резервуары для инертизации азота справа.

  (Copyright On Site Gas Systems, Inc., Ньюингтон, Коннектикут)

  Адсорбция при переменном давлении также используется для разделения воздуха. Были разработаны специальные адсорбенты, известные как цеолиты, для преимущественной адсорбции азота, воды и углекислого газа в воздухе и выделения кислорода. Окружающий воздух закачивается и сжимается перед подачей на адсорбционные слои. Отходящие газы десорбируются под вакуумом на кислородных установках VSA. Кислородный продукт можно использовать во многих приложениях, таких как сжигание или очистка воды, как показано ниже.

  (Copyright On Site Gas Systems, Inc., Ньюингтон, Коннектикут)

  Показанная ниже установка короткоцикловой адсорбции использует несколько слоев для разделения водорода и монооксида углерода в синтез-газе на нефтеперерабатывающем и нефтехимическом заводе.

  (Copyright On Site Gas Systems, Inc., Ньюингтон, Коннектикут)

  Система работает так же, как и другие, с процессом адсорбции при высоком давлении и десорбцией при низком давлении.

  Преимущества

  • Недорогая в эксплуатации по сравнению с другими системами разделения газов.
  • Может производить потоки с чистотой до 99 %.
  • Селективные адсорбенты для разделения смесей.

  Недостатки

  • Сжатие и расширение при изменении давления могут быть шумными.
  • Утечки могут быть проблемой при открытии и закрытии клапанов.

  ---

  Адсорбенты

  Адсорбенты

  Для проведения конкретных разделений имеется широкий выбор адсорбентов.

  (Авторское право Buyers Packaging Group Ltd.,
  Delta, B.C., Canada)

  Общая информация

  Адсорбенты изготавливаются из природных или синтетических материалов и имеют аморфную или микрокристаллическую структуру. Они зернистые и, как правило, чрезвычайно пористые, с большой площадью внутренней поверхности. Примеры адсорбентов включают глины, уголь, оксид алюминия и силикаты.

  (Copyright Adsorbents and Desiccants Corporation of America, Лос-Анджелес, Калифорния)

  Конструкция оборудования

  Необходимо учитывать как химические, так и физические свойства адсорбента. Химические свойства, влияющие на дизайн адсорбента, включают степень ионизации поверхности, функциональные группы, присутствующие на поверхности, и степень изменения этих химических свойств в зависимости от параметров процесса и при контакте с раствором. Физические свойства, влияющие на конструкцию, включают площадь поверхности, структуру поверхности, размер и распределение пор.

  Слева изображены молекулярное сито и осушитель с активированным углем. На рисунке справа показан адсорбент на основе молекулярного сита.

  Когда адсорбент насыщается адсорбатом, его либо выбрасывают, либо регенерируют.

  Адсорбент обычно выбрасывается, когда имеет место хемосорбция, поскольку адсорбент претерпел необратимое химическое изменение. После физической адсорбции адсорбент может быть регенерирован нагреванием до высоких температур.

  На рисунке ниже показан влагопоглотитель, изготовленный из силикагеля.

  (Copyright Adsorbents and Desiccants
  Corporation of America, Los Angeles, CA)

  Существует множество типов адсорбирующих материалов, включая активированный уголь, синтетические полимерные материалы, углеродсодержащие материалы, нанопористые полимеры, алюмофосфаты и алюмосиликаты.

  (Авторское право Cameron Carbon, Inc.,
  Havre de Grace, MD)

  Активированный уголь, показанный выше, является старейшим и наиболее широко используемым адсорбентом. Это натуральные адсорбенты широкой основы с широким спектром применения. Активированный уголь имеет высокую пористость, обладает адсорбционными свойствами с большой площадью поверхности и в значительной степени аморфной структурой, что делает его предпочтительным выбором адсорбционного материала. На рисунках ниже показаны крупным планом поры в активированном угле из угля, скорлупы кокосового ореха и дерева соответственно.

  (Авторское право Cameron Carbon, Inc., Havre de Grace, MD)

  Углеродные адсорбенты представляют собой углеродную матрицу нетрадиционным образом. Одним из наиболее экзотических и недавно разработанных углеродсодержащих адсорбентов является структура углеродного фуллерена, также известная как Buckyball, показанная ниже.

  (Авторское право Michael Strock.
  Выпущено в соответствии с лицензией Gnu Free Documentation License)

  Синтетические полимерные адсорбенты, подобные изображенному ниже, являются ответвлением технологии синтетических ионообменных смол. Полимерные адсорбенты имеют фиксированную структуру пор в трехмерной матрице.

  (Copyright Novasep, Pompey, France)

  Нанопористые полимеры могут вмещать различные адсорбаты из-за их постоянной пористости в кристаллической структуре. Нанопористые полимеры также являются хорошими теплоизоляторами, поскольку их малый размер пор уменьшает столкновения между молекулами газа.

  Алюмофосфатные (АЛПО) пористые материалы представляют собой каркас из алюминия, фосфора, кислорода и до 17 других элементов. Переходные металлы могут быть добавлены в каркас для создания различных адсорбционных свойств. Здесь показано изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, кремнеалюмофосфатного (SAPO) материала, одного из распространенных производных ALPO.

  (Авторское право д-ра Артуро Дж. Эрнандес-Мальдонадо,
  Университет Пуэрто-Рико – Майгуес, Маягуес, PR)

  Алюмосиликаты или цеолиты представляют собой тетраэдрическую координацию атомов кремния, алюминия и кислорода. Расположение атомов образует каркас однородных поровых каналов, показанных здесь. Алюмосиликаты заряжены отрицательно, и для компенсации необходимы катионы. Различные заряженные частицы могут использоваться для создания специфических адсорбционных взаимодействий.

  (Авторское право д-р Артуро Дж. Эрнандес-Мальдонадо,
  University of Puerto Rico – Mayguez, Mayaguez, PR)

  Примеры использования

  Адсорбенты имеют широкий спектр применения. Некоторые активированные угли используются в вооруженных силах для защиты от газовой войны. Картриджи с активированным углем помещаются в противогазы и адсорбируют вредные газы. Используемый активированный уголь имеет площадь поверхности 1 000 000 квадратных метров на килограмм адсорбента.

  Активированный уголь также используется для очистки биогаза и очистки отложений. Биогаз, получаемый на свалках, очистных сооружениях или навозе животных, содержит силоксаны и летучие органические соединения (ЛОС), которые можно удалить с помощью активированного угля путем физической адсорбции. Для очистки загрязненных отложений на месте на загрязненные отложения наносят добавки с активированным углем для удаления полихлорированных ароматических углеводородов (ПАУ), а также полихлорированных бифенилов (ПХБ).

  Силикагель часто содержится в небольших упаковках, как показано на изображениях ниже. Он используется в качестве осушителя в различных отраслях промышленности, таких как электроника и пищевая промышленность.

  (Copyright Desiccare, Inc., Помона, Калифорния)

  Другие примеры адсорбентов включают землю Фуллера и боксит. Земля Фуллера используется на нефтеперерабатывающих заводах, а также для очистки растительных и животных масел. Бокситы – это адсорбент, используемый для осушки газовых потоков.

  Преимущества

  • Активированный уголь, силикагель и алюмосиликаты недороги.
  • Может быть синтезирован и функционализирован для конкретных приложений.
  • Возможна регенерация после физической сорбции.
  • Дешевле, чем откачка или дноуглубительные работы для восстановления на месте.

  Недостатки

  • Нежелательные компоненты могут адсорбироваться на поверхности адсорбентов вместо желаемого адсорбата.
  • Энергоемкая регенерация после хемосорбции нерентабельна.

  ---

  Благодарности

  • Adsorbents and Desiccants Corporation of America, Los Angeles, CA
  • Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, PA
  • Bertsch Holding GmbH, Австрия
  • Buyers, Delta B.C. Ltd., Ltd., , Канада; часть Crown Packaging
  • Calgon Carbon Corporation, Pittsburgh, PA
  • Cameron Carbon, Inc., Havre de Grace, MD
  • Delta Adsorbents, Roselle, IL
  • Desiccare, Inc., Pomona, CA
  • Dry Pak, Encino, CA
  • Hernandez, Arturo J., химико-технологический факультет Университета Пуэрто-Рико, Mayaguez, PR
  • Linde AG Engineering Division, Pullach, Germany
  • Michael Strock
  • Novasep, Pompey, France
  • On Site Gas Systems, Inc., Ньюингтон, Коннектикут
  • W. A. ​​Hammond Drierite Co., Ксения, Огайо
  • Подразделение водных технологий Siemens Industry, Inc., Уоррендейл, Пенсильвания

  Ссылки

  • Кливленд, Т.Г.; Гарг, С., Журнал экологической инженерии. Март 1996 г., стр. 235–238.
  • ЛаКава, А.И., Рамачандран, Р., Ширли, А.И., «Как выбрать адсорбционные установки с переменным давлением», Химическая инженерия, июнь 1998 г., стр. 110-118.
  • Кёлерт, Кен. «Активированный уголь: основы и новые приложения». Химическая инженерия. Июль 2017 г.: 33, 35. Печать.
  • Mantell, C. L. Адсорбция. 2-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill, Inc., 1951.
  • Руссо, Рональд В. Справочник по технологии процесса разделения. Нью-Йорк: John Wiley & Sons., 19.87. 659-688.
  • Швейцер, Филип А. Справочник по методам разделения для инженеров-химиков. 2-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill Inc., 1988. 1-515 — 1-519, 3-3 — 3-47.
  • Слейко Ф.Л. Адсорбционная технология: пошаговый подход к оценке процесса и применению.