Характеристика силикагелей для исследований по адсорбции и хроматографии [l]

Тип силикагеля	Марка силикагеля	Насыпная плотность, г/см3	Пористая структура
			суммарный объем пор, см3/г	удельная по­верхность, м2/г	средний радиус пор, нм
Крупно­пористый	1,0	0,42	1,10	300	8,6–10,0
	2,0	0,38–0,45	1,05–1,25	300–350	6,0–7,5
	2,5	0.44–0,49	0,90–1,10	350–450	4,5–5,8
Средне­-пористый	3,0	0,50–0,55	0,76–0,35	500–600	2,6–3,5
	4,0	0,56–0,65	0,61–0,75	550–650	1,8–2,5
Мелко­пористый	5,0	0,65–0,75	0,46–0,60	580–680	1,5–2,0
	6п	0,8	0,25–0,45	400–550	1,0–1,4
	6с	0,8	0,25–0,38	600–750	0,6–1,2

Максимальной адсорбционной ёмкостью по ацетилену при температуре до 100 К обладают образцы типа КСК и КСМ. Однако на практике большее предпочтение отдают силикагелю КСМ как более прочному, поглощающему в динамических условиях 2–2,5 м³ C₂H₂ на 1 м³ адсорбента. Эффективность силикагеля как адсорбента сильно зависит от состояния его поверхности и может значительно уменьшиться при попадании на неё диоксида углерода и других примесей.

Следует иметь в виду, что адсорбер, установленный на потоке кубовой жидкости, предохраняет только ректификационную колонну низкого давления и конденсатор, а колонна высокого давления не защищена от выделения в ней ацетилена из криопродукта. Кроме того, при повышенном содержании ацетилена в воздухе возможен его преждевременный проскок. Несмотря на это, адсорбционный метод очистки жидких криопродуктов от взрывоопасных примесей является наиболее эффективным и широко применяется на практике.

Расчет криогенного адсорбера для очистки кубовой жидкости от взрывоопасных примесей

В узле разделения воздуха адсорберы ацетилена устанавливаются на потоке кубовой жидкости. На рис. 4.11 показана схема воздухоразделительной колонны с силикагелевым или алюмогелевым блоком очитки кубовой жидкости.

Рис. 4.11. Схема ректификационной колонны разделения воздуха

Охлажденный в теплообменнике сжатый воздух конденсируется в кубе колонны высокого давления 1 и дросселируется в среднюю часть колонны низкого давления 3. В результате ректификации получают кубовую жидкость и парообразный азот. Кубовую жидкость очищают от взрывоопасных примесей в одном из адсорберов 2 при давлении 0,55–0,6 МПа, дросселируют и подают в колонну низкого давления 3. Обычно адсорбции примесей предшествует процесс фильтрации кубовой жидкости от высококипящих примесей, находящихся в твердой фазе. Конструктивно фильтры и адсорберы могут компоноваться в одном аппарате. Парообразный азот сжижают в конденсаторе за счет испарения части жидкого кислорода в испарителе и подают в колонну 3. В результате двукратной ректификации получают кислород в газообразном или жидком виде и газообразный азот.

Байпасная линия на потоке кубовой жидкости используется в период пуска установки для перепуска основного количества воздуха в линию отбросного азота.

Расчет жидкофазного адсорбера на потоке кубовой жидкости производится по нижеприведённому алгоритму.

Исходные данные для расчета:

• количество перерабатываемого воздуха V, м³/ч;

• количество очищаемой кубовой жидкости (при нормальных условиях) V_R, м³/ч;

• давление адсорбции p_ад, МПа;

• температура адсорбции T_ад, К;

• время защитного действия слоя адсорбента τ, сутки;

• содержание примесей в перерабатываемом воздухе:

ацетилен C₂H₂, см³/м³;

метан CH₄, см³/м³;

этан C₂H₆, этилен C₂H₄, пропан C₃H₈, см³/м³;

пропилен C₃H₆, (группа C₃– C₄), мг/м³;

неопектан C₅H₁₂, (группа C₅– C₆), мг/м³.

Все указанные примеси растворяются в кубовой жидкости, жидком кислороде и при накоплении в криогенной аппаратуре могут привести к локальным взрывам.

Предварительные расчёты показывают, что все углеводороды в кубовой жидкости находятся в состоянии слабонасыщенных растворов. В связи с этим указанные примеси необходимо удалить из потока кубовой жидкости адсорбцией с использованием в качестве поглотителей силикагелей марки КСМ.

Расчет адсорбера производится с учетом экспериментальных данных по «ацетиленоёмкости» силикагелей типа КСМ. Удаление примесей C₂H₂ является обязательным, все остальные углеводороды, имеющие гораздо большую растворимость в жидких криопродуктах, не накапливаются в установке разделения воздуха, не выпадают в твердом виде и при обеспечении проточности всех аппаратов выводятся из установки.

Количество взрывоопасных примесей, поступающих в блок разделения с перерабатываемым воздухом за время работы адсорбера до отогрева, м³:

, (4.7)

где – начальное содержание ацетилена.

Количество углеводородов, растворенных в 1 дм³ кубовой жидкости

, (4.8)

где – плотность кубовой жидкости при p_ад и T_ад кг/дм³; – плотность кубовой жидкости при нормальных условиях, кг/м³.

Объем адсорбента, необходимый для поглощения ацетилена, поступающего с перерабатываемым воздухом, м³

, (4.9)

где a_дин – динамическая ёмкость слоя силикагеля КСМ при скорости потока жидкости v = 0,25–0,6 м/мин.

Диаметр адсорбера ацетилена, м

. (4.10)

При заданном внутреннем диаметре адсорбера D_вн высота слоя адсорбента, м

. (4.11)

Обычно расчетную высоту слоя адсорбента увеличивают на 25–30 %, учитывая возможность увеличения содержания ацетилена в воздухе. Принимаем

. (4.12)

Масса силикагеля КСМ в адсорбере, кг

, (4.13)

где – насыпная плотность силикагеля (см. табл. 4.5).

При пуске воздухоразделительной установки адсорберы ацетилена включают только после накопления жидкости в кубе ректификационной колонны высокого давления. Охлаждают адсорберы очищаемой кубовой жидкостью. Переключают аппараты на режим десорбции при появлении ацетилена на выходе этих аппаратов или по истечении установленного времени защитного действия адсорбера.

Регенерацию адсорбента производят в следующей последовательности. После отключения адсорбера сливают из него кубовую жидкость и начинают продувать противотоком слой адсорбента сухим азотом. Сначала в адсорбер в течение 2 ч подают газообразный азот при температуре около 20 °С, затем включают подогреватель и продолжают десорбцию при температуре газа на входе в адсорбер не ниже 75 °С. Регенерацию заканчивают при температуре газа на выходе из адсорбера не ниже 35–50 °С, поддерживаемой в течение 2 ч.

Расход газообразного азота, необходимый для десорбции поглощенных взрывоопасных примесей, м³/мин

, (4.14)

где = 0,10–0,20 м³/(мин∙дм) – объемная скорость газообразного азота.

Десорбция продолжается обычно 4–5 ч, после чего адсорбер охлаждают газообразным азотом до температуры около 20 °С.

Конструкция ацетиленового адсорбера определяется его производительностью и местом установки. В табл. 4.6 приведены размеры адсорберов ацетилена некоторых воздухоразделительных установок.

Таблица 4.6