Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме
Проведены исследования адсорбции паров воды из потока биогаза (газовая смесь метана и диоксида углерода) в динамическом режиме. Измерения выполнены для ряда синтетических и природных цеолитов при температуре 20°С на уровне осушки газа до влажности около 1000 ppm. Изучено влияние на величину динамиче...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2002 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2002
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79486 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме / В.Г. Колобродов, Л.В. Карнацевич, М.А. Хажмурадов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 56-61. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859616491068981248 |
|---|---|
| author | Колобродов, В.Г. Карнацевич, Л.В. Хажмурадов, М.А. |
| author_facet | Колобродов, В.Г. Карнацевич, Л.В. Хажмурадов, М.А. |
| citation_txt | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме / В.Г. Колобродов, Л.В. Карнацевич, М.А. Хажмурадов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 56-61. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Проведены исследования адсорбции паров воды из потока биогаза (газовая смесь метана и диоксида углерода) в динамическом режиме. Измерения выполнены для ряда синтетических и природных цеолитов при температуре 20°С на уровне осушки газа до влажности около 1000 ppm. Изучено влияние на величину динамической адсорбции паров воды таких характеристик процесса, как способ предварительной регенерации адсорбента, тип адсорбента, длина слоя адсорбента, скорость потока газа через адсорбер. Изучено влияние на процессы динамической адсорбции паров воды вида газа-носителя (биогаз, воздух). Показано, что наилучшими динамическими характеристиками адсорбции паров воды при условиях проведения экспериментов обладает синтетический гранулированный цеолит без связующего типа NaA(к) производства института НИОХИМ.
Проведено дослідження адсорбції пар води з потоку біогазу (газова суміш метану і діоксиду вуглецю) в динамічному режимі. Вимірювання виконані для ряду синтетичних і природних цеолітів при температурі 20°С на рівні висушування газу до вогкості біля 1000 ppm. Вивчено вплив на величину динамічної адсорбції пар води таких характеристик процесу, як спосіб попередньої регенерації адсорбенту, тип адсорбенту, довжина шару адсорбенту, швидкість потоку газу через адсорбер. Вивчено вплив на процеси динамічної адсорбції пар води виду газу-носія (біогаз, повітря). Показано, що найкращими динамічними характеристиками адсорбції пар води при умовах проведення експериментів володіє синтетичний гранульований цеоліт без зв'язуючого типу NaA(до) виробництва інституту НІОХІМ.
The researches of water vapour adsorption from a flow of biogas (gas mix of methane and carbon dioxide) in a dynamic mode are carried out. The measurements are executed for a number of synthetic and natural zeolites at temperature 20°С at a level of drying of gas down to humidity about 1000 ppm. The influence on value of dynamic adsorption of water vapour of such characteristics of process, as a way of preliminary regeneration of adsorbent, the adsorbent type, a length of a layer of adsorbent, a speed of a flow of gas through absorber is investigated. The influence on processes of dynamic adsorption of water vapour of a kind of the gas-carrier (biogas, air) is investigated. Is shown, that the best dynamic characteristics of adsorption of water vapour under conditions of realization of experiments has synthetic granulate zeolit without a binding of type NaA(к) of production of institute (NIOCHIM)
|
| first_indexed | 2025-11-28T21:35:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 533.581; 621.593
АДСОРБЦИЯ ПАРОВ ВОДЫ ЦЕОЛИТАМИ В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
В.Г.Колобродов, Л.В.Карнацевич, М.А. Хажмурадов
Национальный Научный центр “Харьковский физико-технический институт”
Проведено дослідження адсорбції пар води з потоку біогазу (газова суміш метану і діоксиду вуглецю) в
динамічному режимі. Вимірювання виконані для ряду синтетичних і природних цеолітів при температурі
20°С на рівні висушування газу до вогкості біля 1000 ppm. Вивчено вплив на величину динамічної адсорбції
пар води таких характеристик процесу, як спосіб попередньої регенерації адсорбенту, тип адсорбенту,
довжина шару адсорбенту, швидкість потоку газу через адсорбер. Вивчено вплив на процеси динамічної ад-
сорбції пар води виду газу-носія (біогаз, повітря). Показано, що найкращими динамічними характерис-
тиками адсорбції пар води при умовах проведення експериментів володіє синтетичний гранульований
цеоліт без зв'язуючого типу NaA(до) виробництва інституту НІОХІМ.
Проведены исследования адсорбции паров воды из потока биогаза (газовая смесь метана и диоксида уг-
лерода) в динамическом режиме. Измерения выполнены для ряда синтетических и природных цеолитов при
температуре 20°С на уровне осушки газа до влажности около 1000 ppm. Изучено влияние на величину дина-
мической адсорбции паров воды таких характеристик процесса, как способ предварительной регенерации
адсорбента, тип адсорбента, длина слоя адсорбента, скорость потока газа через адсорбер. Изучено влияние
на процессы динамической адсорбции паров воды вида газа-носителя (биогаз, воздух). Показано, что наи-
лучшими динамическими характеристиками адсорбции паров воды при условиях проведения экспериментов
обладает синтетический гранулированный цеолит без связующего типа NaA(к) производства института
НИОХИМ.
The researches of water vapour adsorption from a flow of biogas (gas mix of methane and carbon dioxide) in a
dynamic mode are carried out. The measurements are executed for a number of synthetic and natural zeolites at tem-
perature 20°С at a level of drying of gas down to humidity about 1000 ppm. The influence on value of dynamic ad-
sorption of water vapour of such characteristics of process, as a way of preliminary regeneration of adsorbent, the
adsorbent type, a length of a layer of adsorbent, a speed of a flow of gas through absorber is investigated. The influ-
ence on processes of dynamic adsorption of water vapour of a kind of the gas-carrier (biogas, air) is investigated. Is
shown, that the best dynamic characteristics of adsorption of water vapour under conditions of realization of experi-
ments has synthetic granulate zeolit without a binding of type NaA(к) of production of institute (NIOCHIM)
Введение
Как было показано в предыдущей статье1 (далее
статья І) для целей осушки технологических газов (в
частности, биогаза) очень удобным является метод
адсорбционной осушки с использованием укра-
инских синтетических цеолитов производства НИО-
ХИМ (г. Харьков). В І были описаны эксперимен-
тальные измерения полной статической влагоемко-
сти различных марок цеолитов; показано влияние на
их влагоемкость способа и условий регенерации.
Адсорбция паров воды цеолитами может обеспе-
чить необходимую степень осушки технологических
газов. Она позволяет получать точку росы осушен-
ного газа ниже – 25 °С. Однако такая осушка произ-
водится, как правило, в динамическом режиме, т.е.
при пропускании потока газа через заполненную ад-
сорбентом емкость. Динамическая адсорбционная
осушка газов имеет свои особенности по сравнению
со статической осушкой. Исследованию некоторых
динамических процессов глубокой осушки газов це-
олитами и посвящена настоящая работа. Следует от-
метить, что большая часть экспериментов касалась
осушки биогаза (смеси метана и диоксида углерода).
Поэтому постановка экспериментов имела некото-
1 Статья «Адсорбция паров воды различными цеолита-
ми» Колобродова В.Г., Кулько В.Б., Карнацевича Л.В. и др.
публикуется выше в этом же номере ВАНТ.
рые особенности, связанные с использованием
именно биогаза, хотя основные выводы и рекомен-
дации имеют общий характер для всех осушаемых
газов.
В исходном биогазе в зависимости от источника
его происхождения относительная влажность может
колебаться от 50 % (для свалочного газа) до 100 %
(для газа, полученного при анаэробном сбражива-
нии жидких, т.е. разбавленных водой органических
отходов). В связи с тем, что в биогазе содержится от
30 до 50 % диоксида углерода возможные давления
и температуры биогаза в процессе его осушки огра-
ничены в соответствии с фазовой диаграммой рав-
новесия системы СН4 – СО2 [1]. При превышении
давления газа выше давления его конденсации в
твердую фазу при данной температуре или при по-
нижении температуры газа ниже температуры выпа-
дения твердой фазы при данном давлении она может
блокировать трубопроводы, вентили и другие эле-
менты газовых коммуникаций. Как следует из диа-
граммы равновесия системы СН4 – СО2, при комнат-
ной температуре характерный уровень давления
газа, при котором начинается выпадение твердой
фазы, составляет 12…14 МПа. Таким образом, мож-
но сжимать биогаз с целью предварительной осушки
путем выделения капельной влаги до таких, доста-
точно высоких давлений. Однако применение мето-
56ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (12), с.56-61.
да компримирования газа до высоких давлений
осложняет конструкцию установки, требует допол-
нительного компрессионного оборудования, увели-
чивает его металлоемкость и, в целом является, по
нашему мнению, неперспективным. Предваритель-
ное компримирование биогаза до давления около
0,5 МПа не вызывает существенного усложнения
оборудования, но позволяет уменьшить абсолютную
влажность биогаза примерно в 5 раз, переводя воду
в капельное состояние. Капельную влагу можно за-
держать микропористым фильтром на первой ступе-
ни очистки от влаги, снизив тем самым нагрузку на
вторую адсорбционную ступень более глубокой
очистки от паров воды. Снижение температуры био-
газа для предварительной конденсации влаги огра-
ничено условиями выпадения диоксида углерода.
Эффективность осушки газа зависит от теплоты
адсорбции паров воды в порах цеолита, скорости
потока газа, длины влагопоглощающего слоя цео-
лита, температуры цеолита, влагоемкости цеолита,
степени его регенерации, состава осушаемого газа,
степени заполнения адсорбционного пространства,
скорости диффузии молекул воды с поверхности
цеолита в поры и т.д. Практически все эти величи-
ны взаимосвязаны, поэтому изменение одной из
них вызывает изменение другой. Так, например,
понижение температуры цеолита, с одной стороны,
увеличивает теплоту адсорбции, а с другой сторо-
ны, уменьшает коэффициент диффузии молекул
воды в цеолите. Сложная зависимость между фак-
торами, определяющими эффективность динамиче-
ской адсорбционной осушки газов, затрудняет рас-
чет влагопоглотителей для конкретных технологи-
ческих устройств. Поэтому при расчетах влаго-
поглотителей для осушки газов необходимо иметь
данные о величинах динамической адсорбции па-
ров воды на цеолитах.
1. Экспериментальный измерительный
стенд
Для изучения динамической адсорбции паров
воды из биогаза при различных условиях был создан
лабораторный стенд, принципиальная схема которо-
го представлена на рис. 1. Основными элементами
стенда являются: влагопоглотитель, система созда-
ния и измерения газового потока, система регенера-
ции, гигрометр, система охлаждения влагопоглоти-
теля до низких температур.
Влагопоглотитель имеет цилиндрическую форму
и изготовлен из нержавеющей стали. На стенде
можно было использовать 4 сменных влагопоглоти-
теля различных размеров: диаметром 30 мм и дли-
ной 200 и 400 мм, а также диаметром 70 мм и дли-
ной также 200 и 400 мм. Внутрь влагопоглотителей
диаметром 70 мм введены спиральные трубки, через
которые могут пропускаться холодные пары азота,
что позволяет понижать температуру влагопогло-
тителя до 0°С. Влагопоглотитель подсоединяется к
газовым коммуникациям через конусные уплот-
нения типа металл – металл, допускающими прогрев
без нарушения герметичности до 400°С. Адсорбент,
заполняющий влагопоглотитель, может заменяться в
процессе исследований. На обоих концах влагопо-
глотителя установлены съемные фильтры из пори-
стой меди для предотвращения выноса частиц ад-
сорбента в газовые коммуникации.
Система создания и измерения газового потока
позволяла определить величину потока и количе-
ство пропущенного газа, а также изменять его влаж-
ность. Ее составными элементами являются: ем-
кость с биогазом, увлажнитель, компрессор, образ-
цовый манометр, вакууметры, ротаметр, газовый
счетчик и вентили. Емкость с биогазом представляет
собой сосуд низкого давления (до 0,25 МПа) объемом
200 л. Увлажнитель представляет собой стеклянную
емкость с дистиллированной водой, через которую
пропускается исследуемый газ. Увлажнитель нахо-
дится в термостате и его температура может изме-
няться от комнатной до 0°С. Таким образом, можно
изменять и определять влажность биогаза, поступа-
ющего во влагопоглотитель. С помощью компрессо-
ра можно поддерживать постоянный уровень давле-
ния газа, поступающего во влагопоглотитель, в про-
цессе уменьшения давления биогаза в емкости.
Рис. 1. Принципиальная схема стенда для изучения динамической адсорбции паров воды из биогаза:
1 – емкость с биогазом; 2 – увлажнитель; 3 – ротаметр; 4 – влагопоглотитель; 5 – гигрометр;
6 – ротаметр; 7 – газовый счетчик; 8 – форвакуумный насос; 9 – осушительная колонка; 10 – компрессор;
В1 – В20 вентили; МВ – мановакууметры; ВО – вакууметр образцовый; МО – манометр образцовый
57
Образцовый манометр на входе во влагопоглотитель
имеет класс точности 0,15 (максимальное измеряе-
мое давление 2,5 кгс/см2). Использовались ро-
таметр типа РМ-II и газовый счетчик ГСБ-400.
Система регенерации позволяла удалять воду из
насыщенного влагопоглотителя, а также влагу, ад-
сорбированную в трубопроводах и вентилях прогре-
ваемой части стенда. В эту систему входят: форва-
куумный насос 2НВР-5ДМ с азотной ловушкой, ва-
кууметр ВО, съемная электрическая печь, темпера-
туру которой можно регулировать в пределах от 20
до 400°С, вольтметр В7–21А, осушительная колон-
ка, мановакууметр, компрессор УК–1М, вентили.
Прогреваемая часть стенда выделена на рис. 1
пунктирной линией. Все элементы прогреваемой ча-
сти изготовлены из нержавеющей стали, имеют
сварные или паянные серебряным припоем соедине-
ния, штуцерные конусные уплотнения типа ме-
талл – металл. Вентили в этой части стенда имеют
мембранную конструкцию и допускают прогрев до
400°С. Температура прогреваемой части стенда при
включенной печи измеряется с помощью термопар
медь – константан, расположенных на наружной ча-
сти влагопоглотителя. Осушительная колонка слу-
жит для получения потока сухого воздуха, служаще-
го для подготовки стенда к работе и регенерации
влагопоглотителя при одном из режимов регенера-
ции. Осушительная колонка представляет собой ем-
кость, заполненную цеолитом СаА(к) в количестве
2 кг, которая обеспечивает осушку газа до 100 ppm.
Для измерения влажности биогаза, прошедшего
через влагопоглотитель, использовался высокочув-
ствительный кулонометрический гигрометр
«Байкал–3М». Прибор позволяет измерять влаж-
ность газа в пределах 0…1000 ppm. Верхний предел
измерений в 1000 ppm соответствует приблизитель-
но относительной влажности в 4,5% при температу-
ре 20°С и давлении 0,1 МПа. Чувствительность ги-
грометра в диапазоне 0…100 ppm составляет
0,1 ppm, а в диапазоне 100…1000 ppm – 1 ppm. Для
уменьшения фонового значения влажности в гигро-
метре перед началом измерений все газовые комму-
никации гигрометра продувались сухим воздухом
через осушительную колонку.
Система охлаждения влагопоглотителя состоит
из спиральной трубки внутри влагопоглотителя и
переносного сосуда Дьюара с нагревателем внутри.
Понижение температуры влагопоглотителя достига-
ется путем продува холодных паров азота и регули-
руется величиной их потока из сосуда Дьюара. Из-
мерения температуры осуществлялись с помощью
термопары медь – константан.
2. Методика проведения экспериментов
При исследованиях эксперименты поглощения
влаги цеолитами в динамическом режиме на стенде
рис. 1 ставились следующим образом: изучаемый
цеолит загружался во влагопоглотитель, который
устанавливался на стенд, подсоединялся к системе
газовых коммуникаций и подвергался регенерации.
Регенерация цеолита производилась путем нагрева
прогреваемой части стенда электрической печью до
температуры 350°С с одновременным вакуумирова-
нием при помощи форвакуумного насоса. Эта про-
цедура занимала примерно 2 ч. О завершении реге-
нерации цеолита можно было судить по прекраще-
нию изменений показаний вакуумметра ВО. Ис-
пользовался и другой режим регенерации цеолита
путем нагрева влагопоглотителя до 350°С с од-
новременным противоточным продувом влагопогло-
тителя сухим воздухом при помощи компрессора
через осушительную колонку. Регенерация произво-
дилась также 2 ч. Величина потока воздуха и его
давление составляли соответственно 1 л/мин и
0,11 МПа. Были проведены эксперименты и при не-
полной регенерации цеолита при нагреве его только
до 200°С с одновременным вакуумированием. При
проведении этих экспериментов использовался био-
газ с содержанием 60% СН4 и 40% СО2. Этот газ при-
готовлялся искусственно объемным методом из при-
родного метана чистотой 97% и пищевого диоксида
углерода чистотой 99,9%. Биогаз подавался на
увлажнитель, где приобретал влажность, заданную
программой эксперимента. Эта влажность определя-
лась температурой увлажнителя в термостате, кото-
рая могла изменяться от 20 до 0°С. Данные об абсо-
лютной влажности газа насыщенных парами воды
при давлении 0,1 МПа даны в статье 1.
Устанавливая определенную температуру термо-
стата, мы получаем заданную влажность биогаза. При
использованных величинах потоков биогаза (до
4 л/мин) отклонение истинной влажности биогаза от
влажности, определяемой таким способом, составля-
ло не более 2%, что проверялось зеркальным гигро-
метром. Описанная процедура увлажнения исходного
биогаза позволяла изменять его влажность от 4,84 до
17,20 г/м3, что соответствует интервалу относитель-
ной влажности при 20°С от 28 до 100%. Схема стенда
предусматривала также возможность подачи газа на
влагопоглотитель, минуя увлажнитель, т.е. через вен-
тили В1 и В7 при закрытых вентилях В2 и В3. После
увлажнения поток биогаза пропускался через влаго-
поглотитель. Затем дозированный поток биогаза
направлялся для анализа на гигрометр «Байкал-3М»,
а основной поток биогаза выпускался в атмосферу
через ротаметр и газовый счетчик. Давление газа во
влагопоглотителе и величина газового потока через
него могли регулироваться с помощью вентилей В1,
В9, В10 и В11 и измеряться с помощью образцового
манометра, ротаметра и газового счетчика.
3. Результаты экспериментов
В статье 1 было установлено, что из всех иссле-
дованных цеолитов максимальной статической ад-
сорбционной емкостью при парциальных давлениях
паров воды 1,3…2,6 кПа обладает цеолит NaX(к).
Поэтому исследования динамической адсорбции па-
ров воды проводились в основном на этом цеолите.
Прежде всего была изучена динамическая ем-
кость этого цеолита в зависимости от условий его
регенерации. На рис. 2 представлены кривые зави-
симости логарифма абсолютной влажности потока
биогаза (С), измеряемой гигрометром на выходе
влагопоглотителя, от количества пропущенного че-
рез поглотитель биогаза (Q). Рост влажности в газе
58
на выходе влагопоглотителя начинается после насы-
щения слоя цеолита влагой. Положение этой точки
по Q определяет значение динамической влагоемко-
сти цеолита. Количество цеолита NaX(к), загружен-
ного во влагопоглотитель длиной 200 мм, составля-
ло 72,4 г. Скорость потока биогаза была равна
0,11 м/с. Исходная влажность биогаза составляла
12,1 г/м3 (или 15100 ppm) (пунктирная линия на
рис. 2). Кривая 1 соответствует регенерации при на-
греве до 200°С при давлении 1 Па, кривая 2 – при
продувке сухим воздухом влажностью в 100 ppm
при давлении 0,1 МПа и величине потока воздуха
1 л/мин, кривая 3 – при прогреве до 350°С и под дав-
лением 1 Па. Видно, что динамическая влагоемкость
цеолита существенно зависит от способа его регене-
рации. Для регенерации с форвакуумной откачкой
при температуре 350ºС она в наших условиях со-
ставляет (при концентрации паров воды ~ 25 ppm)
примерно 0,050 г/г, для 200ºС – 0,017 г/г, а для реге-
нерации продувкой сухим воздухом – 0,025 г/г. Т.е.
в результате десорбции паров воды сухим воздухом
реализуется 50% полной динамической емкости це-
олита NaX(к) по воде при влажности осушаемого
биогаза 25 ррm, а при нагреве до 200°С всего 30%.
При увеличении влажности осушаемого газа до
1000 ppm это соотношение составляет соответствен-
но ~ 60 и 40%. Это является довольно важным фак-
тором для практического применения, так как во
многих схемах осушительных установок регенера-
ция влагопоглотителей, находящихся в режиме де-
сорбции происходит частью осушенного газа, от-
бираемого с влагопоглотителя, находящегося в ре-
жиме адсорбции. Некоторое уменьшение влажно-
сти, измеряемое гигрометром, в начале продува
биогаза объясняется тем, что осушительная колон-
ка обеспечивает несколько худшие фоновые усло-
вия по влажности на стенде, чем сам влагопоглоти-
тель.
Второй цикл исследований с цеолитом NaX(к)
был связан с изучением влияния на динамическую
влагоемкость адсорбента скорости потока биогаза
через влагопоглотитель. В качестве примера на
рис. 3 приведены зависимости C(Q) для двух
разных скоростей потока биогаза (V) 1…0,06 и
2…0,11 м/с. Регенерация цеолита проводилась при
350°С под откачкой. Остальные параметры экспери-
мента не отличались от указанных выше. Как видно,
существенного отличия в динамической влагоемко-
сти цеолита NaX(к) при этих скоростях не обнару-
жено. В области низких (10…30 ppm) и высоких
(300…1000 ppm) влажностей биогаза кривые 1 и 2
полностью совпадают, а при влажности выходяще-
го биогаза 30…300 ppm наблюдается отличие до
10%. Причем динамическая влагоемкость цеолита
NaX(к) при скоростях газа 0,06 м/с меньше, чем
при 0,11 м/с.
Было изучено влияния вида газа – носителя на
динамическую влагоемкость цеолита NaX(к). Ре-
зультаты измерений для воздуха и биогаза с оди-
наковой исходной влажностью 12,1 г/м3 в виде за-
висимости С от Q изображены на рис. 4.
Регенерация проводилась при Т=350°С и Р=1 Па,
скорость газа во влагопоглотителе составляла
0,11 м/с. На начальном участке, при влажности
Рис. 2. Зависимость концентрации паров воды в
осушенном биогазе от его количества, пропущенного
через влагопоглотитель при различных режимах
регенерации цеолита NaX(к): кривая 1 – Р=1 Па;
Т=200°С, кривая 2 – продувка сухим воздухом;
Т=350°С; кривая 3 – Р=1 Па, Т=350°С. Температура
эксперимента – 20°С; скорость потока биогаза
0,11 м/с; длина слоя адсорбента – 200 мм. Пунктирная
прямая – начальная влажность биогаза
Рис. 3. Зависимость концентрации паров воды в
осушенном биогазе от его количества, пропущенно-
го через влагопоглотитель при различных скоро-
стях потока через влагопоглотитель: кривая 1 – V
= 0,06 м/с; кривая 2 – V = 0,11 м/с. Цеолит NaX(к);
температура эксперимента 20°С; длина слоя ад-
сорбента 200 мм; регенерация при прогреве до
350°С под откачкой. Пунктирная прямая – началь-
ная влажность биогаза
осушаемого газа до 30 ppm, кривые полностью сов-
падают. При дальнейшем повышении влажности
выходящего из влагопоглотителя газа наблюдается
отличие в зависимости динамической влагоемкости
цеолита NaX(к) от количества осушенного газа для
различных газов-носителей. Для воздуха она при-
мерно на 10…15% меньше, чем для биогаза. Это, по
нашему мнению, вызвано следующими факторами.
В начальный период влагопоглотителя происхо-
дит адсорбция компонент газа-носителя по всей его
длине. Затем в процессе осушения газа происходит
вытеснительная десорбция, при которой молекулы
воды вытесняют ранее адсорбированные молекулы
компонент газа-носителя. Выделившаяся в началь-
ный период теплота адсорбции компонент газа-но-
59
сителя рассеивается в цеолите, и в дальнейшем тем-
пература цеолита определяется разностью теп-
Рис. 4. Зависимость концентрации паров воды в
осушенном газе от его количества, пропущенного
через влагопоглотитель: кривая 1 – биогаз; кривая
2 – воздух. Цеолит NaX(к); температура
эксперимента 20°С; длина слоя адсорбента 200 мм;
регенерация при прогреве до 350°С под откачкой.
Пунктирная прямая – начальная влажность биогаза
лот адсорбции воды и газа-носителя. Для биогаза
главная дополнительная адсорбируемая, а затем де-
сорбируемая компонента – диоксид углерода, а для
воздуха – азот. Теплоты адсорбции воды, диоксида
углерода и азота на цеолите NaX составляют соот-
ветственно 20 ккал/моль, 10 ккал/моль и 4,5 ккал/моль [2].
В процессе работы влагопоглотителя при поглоще-
нии паров воды из воздуха выделяется примерно
15,5 ккал/моль тепла, а из биогаза – 10 ккал/моль,
что приводит к более высокой температуре работы
цеолита при осушке воздуха и соответственно мень-
шей влагоемкости.
Исследование зависимости динамической влаго-
емкости цеолита от длины влагопоглотителя отобра-
жено на рис. 5. Регенерация проводилась при
Т=350°С, Р=1 Па, скорость газа 0,11 м/с. Видно, что
увеличение длины влагопоглотителя в 2 раза приво-
дит к увеличению примерно в 2 раза количества осу-
шенного до одинаковой влажности биогаза. Кроме
этого наблюдается более глубокая осушка до
10 ppm. Т.е. увеличение длины влагопоглотителя не
изменяет динамическую влагоемкость цеолита в об-
ласти высоких концентраций паров воды (300…
1000 ppm) примерно на 30% увеличивает ее при
концентрациях 20…30 ppm и обеспечивает более
глубокую очистку газа.
В І было высказано предположение, что облада-
ющий максимальной влагоемкостью при парциаль-
ных давлениях 1,3…2,6 кПа цеолит NaХ(к) может
не иметь преимущества в области малых парциаль-
ных давлений 13…0,13 Па. При таких давлениях
возможно преимущество более микропористого цео-
лита. Это предположение было проверено в настоя-
щей работе. На рис. 6 приведены зависимости кон-
центрации паров воды в осушенном биогазе от ко-
личества пропущенного газа для различных цео-
литов. В экспериментах использовался влагопогло-
титель длиной 2 м, регенерация проводилась 2 ч при
температуре 350°С и давлении 1 Па, скорость газа
во влагопоглотителе была равна 0,11 м/с.
Рис. 5. Зависимость концентрации паров воды в осу-
шенном биогазе от его количества, пропущенного
через влагопоглотитель различной длины: кривая
1 – 0,2 м; кривая 2 – 0,4 м. Цеолит NaX(к); темпера-
тура эксперимента 20°С; регенерация при прогреве
до 350°С под откачкой. Пунктирная прямая – на-
чальная влажность биогаза
Используемые цеолиты имеют следующие диамет-
ры входных окон в поры: КА – 3 Ǻ, клиноптило-
лит – 3 Ǻ, NaX(к) – 9 Å, СаА(к) – 5 Ǻ и
NaА(к) – 4 Ǻ. Видно, что в условиях нашего экспе-
римента наибольшей динамической влагоемкостью
обладает цеолит NaА(к). Она примерно в 2…2,5 раза
выше, чем у цеолита NaX(к) и СаА(к) и примерно в
6 раз превышает влагоемкость цеолита КА и кли-
ноптилолита.
4. Обсуждение результатов
При адсорбции молекул воды цеолитами проис-
ходят следующие процессы: молекула подлетает к
грануле цеолита, садится на ее поверхность и диф-
фундирует в поры внутри гранулы. Таким образом,
скорость процесса адсорбции зависит от быстроты
транспортировки молекул к адсорбенту (внешняя
диффузия), коэффициента аккомодации молекул на
поверхности адсорбента, площади этой поверхности
и скорости диффузии молекул в поры (внутренняя
диффузия).
При изучении адсорбции воды на цеолитах в ста-
тическом режиме величина адсорбции будет зави-
сеть от значений теплот адсорбции адсорбируемых
газов, величины адсорбционного объема адсорбен-
та, температуры адсорбента (т.е. коэффициента ак-
комодации молекул воды), концентрации молекул
воды в газовой фазе. Величины коэффициентов
диффузии в этом случае не играют роли. Соотноше-
ние между внутренней и внешней диффузией будет
только определять время установления адсорбци-
онного равновесия.
Для величины адсорбционной влагоемкости цео-
лита в динамическом режиме соотношение коэффи-
циентов внутренней и внешней диффузии имеет
определяющее значение. Если скорость внешней
диффузии значительно меньше скорости внутренней
диффузии, то динамическая и статическая влагоемко-
60
сти будут одинаковыми. Скорость перемещения ад-
сорбционного фронта будет пропорциональна скоро-
сти потока газа. Динамическая влагоемкость адсор-
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
1
2
3
4
5
6
54
3
2
1lg
C
, p
pm
Q, л
Рис. 6. Зависимость концентрации паров воды в
осушенном биогазе от его количества, пропущенно-
го через влагопоглотитель, заполненный различ-
ными цеолитами: 1 – КА; 2 – клиноптилолит;
3 – NaX(к); 4 – СаА(к); 5 – NaA(к). Длина слоя ад-
сорбента – 200 мм; температура эксперимента
20°С; регенерация при прогреве до 350°С под
откачкой. Пунктирная прямая – начальная влаж-
ность биогаза
бента, как функция исходной концентрации воды в
газе, будет определяться изотермой адсорбции воды
на данном цеолите. К сожалению, данных о статиче-
ской равновесной адсорбции воды в широком интер-
вале парциальных давлений паров воды (исходных
влажностей газов) для исследованных нами цеолитов
сейчас не имеется. Однако, зная, что распределения
адсорбционного пространства по теплотам адсорбции
для изученных цеолитов, безусловно, различны,
вполне можно предполагать, что в описанном случае
динамическая влагоемкость цеолитов будет зависеть
и от типа цеолита, и от степени необходимой влажно-
сти осушенного газа. Поэтому не удивительно, что
при парциальных давлениях паров воды 100…200 Па
динамическая влагоемкость цеолитов NaA(к) и
СаА(к) оказалась выше, чем у цеолита NaX(к), наибо-
лее влагоемкого при парциальном давлении 1,2…
2,3 кПа в статическом режиме.
Более сложные процессы происходят в том слу-
чае, когда скорость внутренней диффузии суще-
ственно меньше скорости внешней диффузии. Про-
цесс движения газовой смеси в адсорбере (влаго-
поглотителе) можно условно разделить на три ста-
дии [3]. На первой стадии адсорбции происходит
формирование фронта распределения концентрации,
который обычно имеет S-образную форму. На вто-
рой стадии начинается перемещение этого фронта
по длине адсорбера. На третьей стадии, когда перед-
няя часть фронта достигает конца адсорбера, начи-
нается проскок поглощаемых молекул. Начало про-
скока определяет динамическую влагоемкость ад-
сорбента. Очевидно, что в этом случае величина ди-
намической адсорбции зависит от большего числа
параметров: типа адсорбента (т.е. теплот адсорбции
молекул воды и величины адсорбционного объема
адсорбента), геометрического расположения адсор-
бента относительно потока газа, температуры адсор-
бента, концентрации паров воды в газовой фазе, ско-
рости потока газа, величин внутренней и внешней
диффузии поглощаемых молекул воды. Другими
словами, в этом случае существенную роль играет
кинетика адсорбционных процессов, т.е. для каждо-
го цеолита при прочих равных условиях определяю-
щим фактором будет соотношение между внутрен-
ней и внешней диффузией молекул воды. Для очень
узкопористых цеолитов (КА, клиноптилолит) ма-
лые коэффициенты внутренней диффузии, по на-
шему мнению, играют важную роль. Планируется
провести более подробные исследования зависимо-
сти величины динамической влагоемкости цео-
литов (особенно NaА(к)) от скорости потока газа
через адсорбер. Такие исследования позволят подо-
брать для каждой практической задачи осушки га-
зов такую технологически подходящую скорость,
которая могла бы обеспечить использование мак-
симально возможной адсорбционной емкости цео-
лита по воде.
Выводы
Изучено влияние режимов регенерации цеолита
NaX(к) на его динамическую влагоемкость. Показа-
но, что при регенерации цеолита продувкой сухим
воздухом при температуре 350°С реализуется 60%, а
при регенерации под форвакуумной откачкой при
температуре 20°С – 40% его максимальной влагоем-
кости, достигаемой путем регенерации при 350°С
под форвакуумной откачкой.
Установлено, что при условиях проведения экс-
периментов уменьшение транспортной скорости га-
зовой смеси с 0,11 до 0,06 л/с не приводит к замет-
ному изменению динамической влагоемкости цео-
лита NaX(к).
Показано, что при оценочных расчетах влаго-
поглотителей для осушки биогаза можно пользо-
ваться данными по поглощению паров воды из воз-
духа.
Показано, что увеличение длины влагопоглоти-
теля в 2 раза (с 0,2 до 0,4 м) при условиях проведе-
ния эксперимента не приводит к заметному измене-
нию динамической емкости цеолита NaX(к), а лишь
увеличивает глубину осушки биогаза.
Обнаружено существенное преимущество в ди-
намической влагоемкости цеолита NaA(к) перед
другими цеолитами при осушке газа до значений
влажности около 1000 ppm.
Работа выполнена в рамках проекта НТЦУ №880
Литература
1. А.А. Шейніна, В.Г. Колобродов, Л.В. Карнацевич,
Т.К. Григорова, М.А. Хажмурадов, В.П. Воробйова.
Фазова діаграма бінарної системи СН4 – СО2. //
УФЖ. 1999, №7, т. 44, с. 818-823.
2. Д. Брек. Цеолитовые молекулярные сита. М.:
«Мир», 1976, 781 с.
3. Е.Н. Серпионова. Промышленная адсорбция паров и
газов. М.: «Высшая школа», 1969, 200 с.
61
В.Г.Колобродов, Л.В.Карнацевич, М.А. Хажмурадов
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79486 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T21:35:59Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Колобродов, В.Г. Карнацевич, Л.В. Хажмурадов, М.А. 2015-04-02T16:03:08Z 2015-04-02T16:03:08Z 2002 Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме / В.Г. Колобродов, Л.В. Карнацевич, М.А. Хажмурадов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 56-61. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79486 533.581; 621.593 Проведены исследования адсорбции паров воды из потока биогаза (газовая смесь метана и диоксида углерода) в динамическом режиме. Измерения выполнены для ряда синтетических и природных цеолитов при температуре 20°С на уровне осушки газа до влажности около 1000 ppm. Изучено влияние на величину динамической адсорбции паров воды таких характеристик процесса, как способ предварительной регенерации адсорбента, тип адсорбента, длина слоя адсорбента, скорость потока газа через адсорбер. Изучено влияние на процессы динамической адсорбции паров воды вида газа-носителя (биогаз, воздух). Показано, что наилучшими динамическими характеристиками адсорбции паров воды при условиях проведения экспериментов обладает синтетический гранулированный цеолит без связующего типа NaA(к) производства института НИОХИМ. Проведено дослідження адсорбції пар води з потоку біогазу (газова суміш метану і діоксиду вуглецю) в динамічному режимі. Вимірювання виконані для ряду синтетичних і природних цеолітів при температурі 20°С на рівні висушування газу до вогкості біля 1000 ppm. Вивчено вплив на величину динамічної адсорбції пар води таких характеристик процесу, як спосіб попередньої регенерації адсорбенту, тип адсорбенту, довжина шару адсорбенту, швидкість потоку газу через адсорбер. Вивчено вплив на процеси динамічної адсорбції пар води виду газу-носія (біогаз, повітря). Показано, що найкращими динамічними характеристиками адсорбції пар води при умовах проведення експериментів володіє синтетичний гранульований цеоліт без зв'язуючого типу NaA(до) виробництва інституту НІОХІМ. The researches of water vapour adsorption from a flow of biogas (gas mix of methane and carbon dioxide) in a dynamic mode are carried out. The measurements are executed for a number of synthetic and natural zeolites at temperature 20°С at a level of drying of gas down to humidity about 1000 ppm. The influence on value of dynamic adsorption of water vapour of such characteristics of process, as a way of preliminary regeneration of adsorbent, the adsorbent type, a length of a layer of adsorbent, a speed of a flow of gas through absorber is investigated. The influence on processes of dynamic adsorption of water vapour of a kind of the gas-carrier (biogas, air) is investigated. Is shown, that the best dynamic characteristics of adsorption of water vapour under conditions of realization of experiments has synthetic granulate zeolit without a binding of type NaA(к) of production of institute (NIOCHIM) Работа выполнена в рамках проекта НТЦУ №880 ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Чистые материалы и вакуумные технологии Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме Article published earlier |
| spellingShingle | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме Колобродов, В.Г. Карнацевич, Л.В. Хажмурадов, М.А. Чистые материалы и вакуумные технологии |
| title | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме |
| title_full | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме |
| title_fullStr | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме |
| title_full_unstemmed | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме |
| title_short | Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме |
| title_sort | адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме |
| topic | Чистые материалы и вакуумные технологии |
| topic_facet | Чистые материалы и вакуумные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79486 |
| work_keys_str_mv | AT kolobrodovvg adsorbciâparovvodyceolitamivdinamičeskomrežime AT karnacevičlv adsorbciâparovvodyceolitamivdinamičeskomrežime AT hažmuradovma adsorbciâparovvodyceolitamivdinamičeskomrežime |