Очистка воздуха от примеси ацетилена

Надежным способом очистки газов от примеси С₂Н₂ и других углеводородов является метод адсорбции. Очистка воздуха от примеси С₂Н₂ производится как в жидком, так и в газообразном состоянии. Для очистки жидких продуктов разделения, содержащих примеси ацетилена, можно применять крупнопористый и мелкопористый силикагель и активный глинозем. Однако, учитывая относительно низкую прочность крупнопористого силикагеля КСК. и несколько худшую адсорбционную ёмкость по С₂Н₂ активного глинозема, наибольшее применение нашел мелкопористый силикагель КСМ. Поскольку речь идет об очистке низкотемпературных жидкостей, то естественно, что процесс адсорбции протекает при низких температурах. Существенное влияние на ацетиленоёмкость силикагеля КСМ оказывает степень предварительной осушки и очистки очищаемой жидкости от примеси СО₂ и Н₂О, а также очистки от следов смазочного масла и продуктов его разложения.

Для расчета адсорберов ацетилена воздухоразделительных установок принимают скорость движения кубовой жидкости 25–60 см³/(минсм²) и адсорбционную ёмкость по С₂Н₂ 2,2 нл ацетилена на 1 л адсорбента [47].

Очистка воздуха от примеси ацетилена также возможна при адсорбции последнего из газового потока при низких температурах на силикагеле типа КСМ.

2. Комплексная очистка воздуха от примесей н2o, сo2 и с2н2

Рассмотренные выше методы очистки газов от примесей Н₂О, СО₂, С₂Н₂ относятся к простейшему случаю адсорбции, когда из потока газа-носителя (осушаемого или очищаемого газа) адсорбируется только один целевой компонент. Наличие же в очищаемом газе нескольких хорошо сорбируемых примесей при условиях очистки значительно усложняет процесс адсорбции, что, в свою очередь, сказывается на величине динамической ёмкости и скорости адсорбции каждого из компонентов. В результате исследования сорбционных свойств синтетических цеолитов было установлено, что цеолиты способны при температурах выше 273 К адсорбировать одновременно в большом количестве пары Н₂О, С₂Н₂ и СО₂. В работе [43] было установлено, что лучше всего цеолиты адсорбируют пары Н₂О, затем С₂Н ₂ и СО₂ и что большей адсорбционной ёмкостью по этим компонентам обладает цеолит типа NaX.

Прежде чем перейти к рассмотрению имеющихся количественных закономерностей, необходимо остановиться на особенностях разделения многокомпонентных газовых смесей. При прохождении многокомпонентной смеси через слой адсорбента в нем образуется несколько сорбционных волн, которые двигаются по слою сорбента с определенной скоростью. Скорость движения сорбционной волны обратно пропорциональна скорости адсорбции, т. е. чем лучше сорбируется тот или иной компонент разделяемой смеси, тем медленнее движется сорбционная волна данного компонента. При этом слой адсорбента, отработанный по первому компоненту смеси, является работающим слоем для второго компонента и т. д. Адсорбция второго и последующих компонентов смеси оказывается возможной за счет использования оставшейся адсорбционной ёмкости и частичного вытеснения ранее адсорбированных компонентов [30, 53].

При комплексной очистке воздуха от примеси Н₂О, СО₂ и С₂Н₂ имеем дело с многокомпонентной смесью.

При комплексной очистке воздуха на цеолите NaX за слоем сорбента вначале появляется СО₂, затемС₂Н₂ и в конце Н₂О. Значит, в процессе очистки образуется три сорбционные волны, которые двигаются с разными скоростями. Наибольшая скорость движения у сорбционной волны СО₂, как у менее сорбируемого компонента, затем С₂Н₂ и, наконец, с меньшей скоростью по сравнению со скоростями движения сорбционных волн С₂Н₂ и СО₂ движется сорбционная волна паров Н₂О. При этом пары воды адсорбируются с большей скоростью по сравнению с остальными компонентами, вытесняя ранее адсорбированные примеси СО₂ и С₂Н₂.

Поскольку при комплексной очистке воздуха от примесей недопустимо наличие любой из них, то работу блока адсорбции необходимо прерывать при появлении концентрации СО₂ на выходе из адсорбера выше допустимой. В случае разделения многокомпонентных смесей расчет адсорберов производится по компоненту, который хуже всего адсорбируется при данных условиях. В случае комплексной очистки воздуха таким компонентом является СО₂.

На основании имеющихся опытных и эксплуатационных данных при расчете комплексной очистки воздуха от примесей Н₂О, С₂Н₂ и СО₂ (при температуре 278–283 К) величиной динамической ёмкости цеолита NaX по парам СО₂ можно задаваться в следующих пределах: при р = 20,0 МПа а_д = 15 см³/г; при р = 7,0 МПа а_д = 14 см³/г и при р = 2,5 МПа a_д = 13 см³/г.

Большое влияние на динамическую ёмкость оказывает скорость потока воздуха. При высоких скоростях цеолит NaX имеет некоторые преимущества перед цеолитом CaA. Это объясняется тем, что коэффициент массообмена выше в системе CO₂–цеолит NaX. Соответственно длина зоны массообмена на цеолите NaX меньше за счет большего размера входных окон по сравнению с цеолитом CaA.

Объемная скорость воздуха в цеолитовых адсорберах составляет 0,5–5,0 м/мин. Меньшие значения скорости обычно применяют при высоких давлениях очищаемого воздуха.

В результате комплексной очистки воздуха получается очищенный воздух с точкой росы 70 °С (0,003 г/м³ паров H₂O) и остаточным содержанием 0,5–1,5 см³/м³ СО₂ и 0,005 см³/м³ С₂Н₂. Приведенные выше данные свидетельствуют о высокой эффективности способа очистки воздуха на синтетических цеолитах.

П ри комплексной очистке сильно увлажненного воздуха целесообразно в адсорберах использовать двухслойную шихту силикагель–цеолит NaX. Первый по ходу воздуха слой – силикагель – используют для поглощения паров воды, а второй слой – цеолит NaX – для удаления всех остальных примесей. Такое решение позволяет на 20–25 % уменьшить затраты энергии на десорбцию примесей, поскольку десорбцию влаги из силикагеля проводят при температуре 130–200 °С, при этих же температурах заканчивается десорбция CO₂, ацетилена, углеводородов и других примесей из цеолита NaX. Помимо этого, при высоких парциальных давлениях H₂O силикагель имеет большую влагоёмкость, чем цеолит. На рис. 4.8 приведены изотермы адсорбции паров воды при температуре 20 °С на силикагелях и цеолитах.

Рис. 4.8. Изотермы адсорбции паров воды силикагелями КСК и КСМ

и синтетическими цеолитами со связующим NaX и NaA при 20 °С

Из рисунка видно, что в области малых парциальных давлений паров воды преимущества цеолитов неоспоримы, а в области высоких исходных концентраций H₂O целесообразно использовать сили­кагели.

В криогенной технике используют типовые блоки комплексной осушки и очистки воздуха различной производительности (табл. 4.4).

В блоках комплексной очистки воздуха цеолит регенерируют при температуре 380–400 °С, а расчет адсорберов производят исходя из способности цеолита поглощать диоксид углерода. В связи с этим предъявляются особые требования к свойствам стали, используемой для изготовления адсорберов блока комплексной очистки воздуха.

Таблица 4.4